制冷技术与原理第1章制冷方法

1、第第2 2章章 制冷方法制冷方法2.1 2.1 物质相变制冷物质相变制冷2.2 2.2 电、磁、声制冷电、磁、声制冷2.3 2.3 气体涡流管制冷气体涡流管制冷 2.4 2.4 气体膨胀制冷气体膨胀制冷 2.1.1 2.1.1 蒸气压缩制冷蒸气压缩制冷2.1.2 2.1.2 吸收式制冷吸收式制冷 2.1.3 2.1.3 吸附式制冷吸附式制冷2.1.4 2.1.4 蒸汽喷射式制冷蒸汽喷射式制冷2.5 2.5 绝热放气制冷绝热放气制冷 气体液体固体凝固熔解升华凝华冷凝蒸发2.1 物质相变制冷物质相变制冷next液体蒸发制冷液体蒸发制冷2.1.1 蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷包含：包含： 压缩机压缩

2、机 冷凝器冷凝器 节流阀节流阀 蒸发器蒸发器2.1.2 蒸气吸收式制冷蒸气吸收式制冷包含：包含： 吸收器吸收器 发生器发生器 溶液泵溶液泵 热交换器热交换器 冷凝器冷凝器 节流阀节流阀 蒸发器蒸发器 吸收工质对吸收工质对水水- -氨；溴化锂水溶液氨；溴化锂水溶液- -水水 工作原理：一定的液体对某种制冷剂气工作原理：一定的液体对某种制冷剂气体的吸收能力随温度不同而变化体的吸收能力随温度不同而变化 消耗热能消耗热能2.1.3 吸附式制冷吸附式制冷 吸附工质对吸附工质对沸石沸石- -水；硅胶水；硅胶- -水；活性炭水；活性炭- -甲醇；氯化锶甲醇；氯化锶- -氨；氯化钙氨；氯化钙- -氨氨 间歇制

3、冷，可采用两个以上吸附器实现间歇制冷，可采用两个以上吸附器实现连续制冷连续制冷 工作原理：一定的固体吸附剂对某种制工作原理：一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体的吸附能力随温度不同而变化冷剂气体的吸附能力随温度不同而变化 有物理吸附和化学吸附两种方式有物理吸附和化学吸附两种方式包含：包含： 喷射器喷射器 冷凝器泵冷凝器泵 锅炉锅炉 冷凝器冷凝器 节流阀节流阀 蒸发器蒸发器2.1.4 蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷 蒸气喷射式制冷机只用单一物质为工质蒸气喷射式制冷机只用单一物质为工质 虽然从理论上谈可应用一般的制冷剂作为虽然从理论上谈可应用一般的制冷剂作为工质工质, ,但到目前为止，只有以水为工质的蒸

4、气但到目前为止，只有以水为工质的蒸气喷射式制冷机得到实际应用。喷射式制冷机得到实际应用。 当用水为工质所制取的低温必须在当用水为工质所制取的低温必须在00以以上，故蒸气喷射式制冷机目前只用于空调装置上，故蒸气喷射式制冷机目前只用于空调装置或用来制备某些工艺过程需要的冷媒水。或用来制备某些工艺过程需要的冷媒水。2.2 电、磁、声制冷电、磁、声制冷 热电制冷热电制冷( (亦名温差电制冷、半导体制冷或亦名温差电制冷、半导体制冷或电子制冷电子制冷) )是以珀尔帖效应的原理制冷。是以珀尔帖效应的原理制冷。 塞贝克效应：塞贝克效应：在两种不同金属组成的闭合在两种不同金属组成的闭合线路中，如果保持两接触点的

5、温度不同，就会线路中，如果保持两接触点的温度不同，就会在两接触点间产生一个电势差在两接触点间产生一个电势差接触电动势接触电动势。 珀尔贴效应：珀尔贴效应：在两种不同金属组成的闭合在两种不同金属组成的闭合线路中通以直流电，就会使一个接点变冷，一线路中通以直流电，就会使一个接点变冷，一个变热，亦称个变热，亦称温差电现象。温差电现象。2.2.1 2.2.1 热电制冷热电制冷 半导体材料内部结构的特点，决定了它产半导体材料内部结构的特点，决定了它产生的温差电现象比其他金属要显著得多，所以生的温差电现象比其他金属要显著得多，所以热电制冷都采用半导体材料，亦称热电制冷都采用半导体材料，亦称半导体制冷半导体

6、制冷 图图2-1652-165所示，当电偶通以直流电流时，所示，当电偶通以直流电流时，p p型半导体内载流子型半导体内载流子( (空穴空穴) )和和n n型半导体内载流型半导体内载流子子( (电子电子) )在外电场作用下产生运动，并在金属在外电场作用下产生运动，并在金属片与半导体接头处发生能量的传递及转换。片与半导体接头处发生能量的传递及转换。 如果将电源极性互换，则电偶对的制冷端如果将电源极性互换，则电偶对的制冷端与发热端也随之互换。与发热端也随之互换。next多级热电堆多级热电堆 一对电偶的制冷量是很小的，如一对电偶的制冷量是很小的，如6xl76xl7的电偶对的电偶对, ,其制冷量仅为其制

7、冷量仅为3.33.34.2kj/h4.2kj/h 为了获得较大的冷量可将很多对电偶对为了获得较大的冷量可将很多对电偶对串联成热电堆，称串联成热电堆，称单级热电堆单级热电堆 单级热电堆在通常情况下只能得到大约单级热电堆在通常情况下只能得到大约5050的温差。为了得到更低的冷端温度，可的温差。为了得到更低的冷端温度，可用串联、并联及串并联的方法组出多级热电用串联、并联及串并联的方法组出多级热电堆，堆，图图2-1662-166示出示出多级热电堆多级热电堆的结构型式。的结构型式。 电 绝 缘 导 热 层 电 绝 缘导 热 层 i2 i i i1 图图2-166 2-166 多级热电堆的结构型式多级热电

8、堆的结构型式 a) a) 串联二级热电堆串联二级热电堆 b) b) 并联二级热电堆并联二级热电堆 c) c) 串并联三级热电堆串并联三级热电堆半导体制冷设备的特点及应用半导体制冷设备的特点及应用 1)1)半导体制冷设备的特点及应用半导体制冷设备的特点及应用 不用制冷剂不用制冷剂 无机械传动部分无机械传动部分 冷却速度和制冷温度可任意调节冷却速度和制冷温度可任意调节 可将冷热端互换可将冷热端互换 体积和功率都可做得很小体积和功率都可做得很小2)2)半导体制冷的用途半导体制冷的用途 方便的可逆操作方便的可逆操作 可做成家用冰箱，或小型低温冰箱可做成家用冰箱，或小型低温冰箱可制成低温医疗器具可制成低

9、温医疗器具可对仪器进行冷却可对仪器进行冷却 可做成零点仪可做成零点仪2.2.2 电化学制冷原理：化学反应伴随有吸热和放热原理：化学反应伴随有吸热和放热 例：例：fecl2+0.5cl2吸热吸热放热放热fecl3电化学制冷装置： 电解液在正极板上发生还原反映（吸热） 在负极板上发生氧化反应（放热） 电解液通过泵在正极槽和负极槽中循环2.2.3 磁制冷1907年郎杰斐郎杰斐（p.langevin）就注意到 ： 顺磁体绝热去磁过程中，其温度会降低顺磁体绝热去磁过程中，其温度会降低。机理：机理：固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小），对外放出热量；再将其去

10、磁，则磁有序度下降（磁熵增大），又要从外界吸收热量。这种磁性离子系统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁热效应磁热效应。 不同的磁介质产生的附加磁场情况不同，附加磁场与原磁场方向相同的磁介质为顺磁体（如铁、锰） 顺磁体顺磁体：抗磁体抗磁体：附加磁场与原磁场方向相反的磁介质为抗磁体（如铋、氢等）。 磁制冷卡诺循环组成：12 等温磁化（放热） 23 绝热退磁（降温）34 等温退磁（吸热制冷）41 绝热磁化（升温） 01234st磁制冷装置冰冰箱箱磁磁场场2.2.4 热声制冷热声效应热声效应：可压缩流体的声振荡与固体介质之间由于热相互作用而产生的时均能量效应。 声波在空气中传播时会产生压力、位

11、移及温度的波动，当这种波动作用到固体边界时，就会发生明显的声波能量与热能的相互转换。即可制成声发动机和声制冷机1 1、涡流管结构、涡流管结构 组成：喷嘴、涡流室、分离孔板、组成：喷嘴、涡流室、分离孔板、 控制阀及冷热两端的管子控制阀及冷热两端的管子2.3 气体涡流管制冷气体涡流管制冷2 2 气体涡流制冷机理气体涡流制冷机理涡流冷却效应实质：涡流冷却效应实质： 用人工的方法使压缩气体产生漩用人工的方法使压缩气体产生漩涡运动并分离为冷、热两部分，利用涡运动并分离为冷、热两部分，利用分离出来的冷气流即可制冷。分离出来的冷气流即可制冷。历史上第一次实现的气体制冷机是以空气历史上第一次实现的气体制冷机是

12、以空气作为工质的，并且称为空气制冷机作为工质的，并且称为空气制冷机压缩式空气制冷机的工作过程也是包括压缩式空气制冷机的工作过程也是包括等等熵压缩熵压缩，等压冷却等压冷却，等熵膨胀等熵膨胀及及等压吸热等压吸热四个过程四个过程 这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相近，其区别在于工质在循环过程中不发生近，其区别在于工质在循环过程中不发生集态改变集态改变 2.4 气体膨胀制冷气体膨胀制冷2.4.1 2.4.1 布雷顿制冷循环布雷顿制冷循环一、等熵膨胀制冷 高压气体绝热可逆膨胀过程，称为等等熵膨胀熵膨胀。气体等熵膨胀时，有功输出，同时气体的温度降低，产生冷效应。 常用

13、微分等熵效应 来表示气体等熵膨胀过程中温度随压力的变化 因 总为正值，故气体等熵膨胀时温度总是降低，产生冷效应。 ssptss（1）无回热气体制冷机循环 图图2-162 2-162 无回热空气制冷机系统图无回热空气制冷机系统图 -压缩机压缩机 -冷却器冷却器 -膨胀机膨胀机 -冷箱冷箱 图图2-1632-163 无回热空气制冷机理无回热空气制冷机理论循环的论循环的p-vp-v图与图与t-st-s图图 图图2-1622-162示出无回热空气制冷机系统图示出无回热空气制冷机系统图 图图2-1632-163所示是冷箱中制冷温度是环境所示是冷箱中制冷温度是环境介质的温度介质的温度1-21-2是等熵压缩

14、过程是等熵压缩过程2-32-3是等压冷却过程是等压冷却过程3-43-4是等熵膨胀过程是等熵膨胀过程4-14-1是在冷箱中的等压吸热过程是在冷箱中的等压吸热过程单位制冷量及单位热负荷分别是 单位压缩功和膨胀功分别是)(q41410ttchhp)(q3232cttchhp)(w1212cttchhp)(w4343ettchhp循环消耗的的单位功及性能系数气体按理想气体处理时 )()(w4312cttcttcwwppe)()()(cop4312410ttcttcttcwqpppkkcppttt104312t则 可逆卡诺循环的性能系数为： 因此上述理论循环的热力完善度为 434121k1k0ctttt

15、tt1pp1cop131tttcopc020113121ttttttttttcopcopcc图图2-164 2-164 无回热空气制冷机实际循环无回热空气制冷机实际循环（2）定压回热气体制冷机循环 2.4.2 2.4.2 气体绝热节流制冷循环气体绝热节流制冷循环 1、节流过程的热力学特征 节流节流：当气体在管道中流动时，由于局部阻力，如遇到缩口和调节阀门时，其压力显著下降，这种现象叫做节流。 一、实际气体的节流 实验发现，实际气体节流前后的温度一般将发生变化 。气体在节流过程中的温度变化叫做焦耳汤姆逊效应。 ：多数实际气体在室温下的节流过程中都有冷却效应，即通过节流元件后温度降低，这种温度变化

16、叫做正焦耳汤姆逊效应。 少数气体在室温下节流后温度升高，这种温度变化叫做负焦耳汤姆逊效应。 二、绝热节流制冷循环 绝热节流制冷循环又称林德循环 系统由压缩机、冷却器、逆流换热压缩机、冷却器、逆流换热器器 、节流阀、节流阀和蒸发器蒸发器组成。绝热节流制冷循环系统图绝热节流制冷循环t-s图 2.5 绝热放气制冷绝热放气制冷2.5.1 2.5.1 气体的绝热放气气体的绝热放气 设一刚性容器的容积为v放气前：状态1（p1、t1），质量m1；放气后：状态2（p2、t2），质量m2。 过程中q0，w0。 在放气过程中，放出的气体状态即是容器内气体的瞬间状态，故h为变值。 因此过程的特性可由下述微分方程组来

17、描述 求解这一方程即可得到放气量及放气后的温度。 若容器内的气体可当作理想气体处理cp，cv为定值，并代入比内能u及比焓h的表达式 udmmduduhdmdmttcdtmcdmttrcrtvvv000对整个过程进行积分得dtmctdmccvvptdtkmdm11111212kttmm 再将理想气体的状态方程代入上式，经化简后即得 kppmm11212kkpptt11212 设想在阀门打开后活塞右侧的气体立即从p1降到p2，因而当活塞左侧的气体膨胀时只针对一个恒定不变的压力p2作功，1kg气体所作的功为： 因此气体内能的变化为122vvpw12212vvpwuuu若为理想气体1212ttcuuv

18、将这些关系代入上式，并化简后得：rtpv 1krcvkppkktt1112121211211pptkkttt气体的焓降为：设放气前容器内的气量为 放气后容器内残存的气量为 111rtvpm 222rtvpm 12112112111pprtppvphhh则可求得221121rtvprtvpmmm21221ppkrtvmmm1111111211212211212ppkkppkkppttppmm放气过程中温度与压力的变化关系放气过程中温度与压力的变化关系 结论: （1）气体的绝热指数k越大，温度比t2/t1（当p2/p1一定时）就越小，因此用单原子气体可以得到较大的温降； （2）随着放气压力比p1/

19、p2的增大，温度比t2/t1减小得越来越缓慢，因此从经济考虑，单级放气压力比不宜过大，一般为35。2.5.2 g-m制冷机 gm循环是由吉福特（gifford）和麦克马洪（mcmahon）二人发明，其原理是绝热气体放气制冷。目前已研制出单级、双级和三级gm循环的制冷机，制冷温度从液氦温度到液氮温度，制冷量（1100）w。目前gm型制冷机已得到广泛应用。单级gm机组成： 1 压缩机组 2 进气阀 3 排气阀 4 回热器 5 换热器 6 膨胀机a. 低压储气罐b. 高压储气罐c. 冷却器d. 压缩机e. 活塞f. 薄壁不锈钢气缸 gm制冷机循环动画演示理想g-m循环的系统图、四个工作阶段及pv图

20、1升压 气体经压缩机d压缩和冷却器c冷却后，进入高压储气罐b。开始时，推移活塞处于气缸底部，打开进气阀，高压气体进入推移活塞上方的热腔容积（1）和回热器4，压力增高。 2 等压进气 当压力平衡后，推移活塞向上移动，把热腔（1）的气体推移出去，经回热器4冷却后进入冷腔（2）。同时，部分来自高压储气罐的气体也经回热器4冷却后进入冷腔（2）。推移活塞移动到气缸顶部，进气阀关闭。工作过程：绝热放气 打开排气阀，冷腔（2）内的气体经换热器5、回热器4与低压储气罐a连通。这时，处在冷腔（2）中的高压气体，向低压储气罐a放气。制得的冷量经换热器5输出。气体经回热器4加热后，进入低压储气罐，然后进入高压储气罐

21、b。等压排气 然后推移活塞重新移动到气缸底部，排气阀关闭。 这样，周而复始，整个系统就能连续工作，连续不断的制取冷量。2.5.3 索尔文尔制冷机 sv循环是索尔文（solver）提出的制冷循环，其工作原理与gm制冷机原理相似，同样是利用绝热气体放气制冷。其单级制冷温度为（22-77）k，双级制冷温度可低到12k，制冷量（1-50）w。sv制冷机组成： 1 压缩机组 2 进气阀 3 排气阀 4 回热器 5 换热器 6 膨胀机 7 换热器i.往复式压缩机ii.冷却器iii.高压储气罐iv.低压储气罐 1快速进气 推移活塞开始时在气缸底端。进气阀开启，高压气体通过进气阀、管路、回热器、换热器5进入推

22、移活塞底部。推移活塞在上下压力差的作用下迅速上移，冷腔体积增大，高压气体进入冷腔。热腔气体同时很快被压缩。 2 匀速进气 当热腔气体压力升到几乎等于进气压力时，热腔气体通过小孔等速地流入气室，推移活塞等速上移，高压气体继续进入冷腔，直至推移活塞运动至顶端位置，进气阀关闭，冷腔才停止进气。工作过程： 3 快速放气 此后，排气阀开启，冷腔的气体经换热器5、回热器4向低压储气罐放气，产生冷效应。当冷腔压力降到后，推移活塞在热腔残余高压气体的作用下，迅速下降。与此同时，热腔压力也迅速降低。4 匀速放气 气室中的气体通过小孔流入热腔，迫使推移活塞等速向下移动，冷腔容积逐渐缩小。冷气体经换热器5、回热器4

23、排到低压储气罐，由压缩机吸入，压缩后进入高压储气罐。冷气体流经换热器5时，向外输出冷量；流经回热器时，冷却回热器填料，自身温度升高。 当推移活塞到达气缸的最下端位置时，排气阀关闭，推移活塞不动，而气室中的气体却继续通过小孔流入热腔，直至热腔中的压力逐渐回升为止。 脉管制冷是通过周期性地对一端封闭的管子充气压缩放气膨胀而获得低温的一种方法。制冷机由压缩机、回热器和脉管单元组成，它们之间用金属软管连接。压缩机作为压力波发生器。脉管单元是一根两端装有热交换器（图中的hc和hh）的管子，管内有层流化元件防止气体紊流混合。 2.5.4 脉管制冷机工作过程：1 加压进气过程 旋转阀处于进气位置，高压气体经

24、回热器冷却到制冷温度tc，再进入热交换器hc，经过层流化元件使气体以层流态进入脉管。气流无紊流运动，好似一片一片地由管子左端向右端推进。同时，由于受后续气体的压缩，一边推进，一边升温。待气体达到热交换器hh时，温度升到tm。2 静止过程 当脉管中压力提高ph时，紧接着静止一段时间。这时旋转阀关闭，进入hh的气体被水冷却温度降到ta。3 减压放气过程 旋转阀再转到与排气接通的位置。于是管内高压气体又一边向左流出，一边因降压膨胀而降温。当右侧气体返回到hc时，其温度降到ti，titc 。冷气体进入hc后可以从温度为tc的外界吸热，产生制冷作用。在减压过程中由脉管流出的气体经过回热器被加热后又重新返回压缩机吸入侧。4 静止过程 当脉管中压力降低到pd时，紧接着静止一段时间。这时旋转阀关闭。 脉管制冷经历加压进气、静止、减压放气、静止这样四个阶段。为了防止脉管内气体发生紊流混合，要求进气和放气时间相当短；为了保证hc和hh有充分的时间传热，则需要静止期比较长。对脉管制冷机理方面的经典分析是吉福特1967年提出的表面泵热原理。认为脉管制冷是由于管内气体微团