第二章制冷方法.ppt

1、第二章,制冷方法,2010年8月,制冷方法分类,物质相变制冷 电、磁、声制冷 气体涡流制冷 气体膨胀制冷 绝热放气制冷,第一节,物质相变制冷,物质相变制冷,相变：物质三种集态（气态、液态、固态）的改变； 相变过程会吸收或放出热量 潜热； 质稀态向质密态相变时放出潜热； 质密态到质稀态相变将吸收潜热 相变制冷,物质相变制冷,液体蒸发制冷利用液体汽化形成蒸汽过程的吸热效应进行制冷。 液体蒸发制冷循环流体作制冷剂，通过一定的机器设备构成制冷循环，可以对被冷却对象实现连续制冷 固体相变冷却利用固体液化或升华的吸热效应进行制冷。 一般是一定数量的固体物质作制冷剂，作用于被冷却对象，实现冷却降温。一旦固体

2、全部相变，冷却过程即告终止,固体相变冷却,冰 冰盐 干冰（液化、升华） 其它固体物质（氢、氖、氮、一氧化碳。）,能达到低温程度、制冷能力、散热速度,固体相变冷却干冰,相平衡图,液体蒸发冷却,液体蒸发制冷利用液体汽化形成蒸气过程的吸热效应进行制冷 液体蒸发制冷循环,液体蒸发制冷循环四个基本过程,按实现循环采用的方式分类：,蒸气压缩式制冷 蒸气喷射式制冷 蒸气吸收式制冷 吸附式制冷,蒸气压缩式制冷系统组成,压缩机 冷凝器 膨胀阀 蒸发器 用管道将它们连接成密封系统,蒸气吸收式制冷,制冷剂回路（冷凝器、制冷剂节流阀、蒸发器） 溶液回路（发生器、吸收器、溶液节流阀、溶液热交换器和溶液泵）,蒸气喷射式制

3、冷,喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀和泵 喷射器组成：喷咀、吸入室、扩压器,蒸气喷射式制冷机特点,补偿能是热能 结构简单；加工方便；没有运动部件；使用寿命长 所需的工作蒸气压力高，喷射器的不可逆损失大，效率较低 在空调冷水机组中采用溴化锂吸收式制冷机比用蒸气喷射式制冷机具有明显的优势。,吸附制冷,沸石水 吸附原理,物理吸附制冷,吸附制冷,吸附工质对： 沸石水；硅胶水；活性炭甲醇； 金属氢化物氢；氯化盐类氨 改善吸附床传热传质措施 将导热性好的铝粉和石墨加在吸附剂中 将吸附剂成型加工，并烧结在金属壁面上，以增加吸附剂的充填量，增大单位体积的吸附能力； 降低吸附剂与金属壁面之间以及吸附剂颗粒之间的接

4、触热阻 增加吸附床金属壁的热交换表面积。,化学吸附固气热化学制冷,固气热化学制冷固体与气体的化学吸附现象制冷（用氯化物与氨的固-气反应热）,三种系统与循环,单效液体蒸发吸附循环 单效再吸附循环 双效再吸附循环,单效液体蒸发吸附循环,分,合,合,分,单效再吸附循环,分,分,合,合,双效再吸附循环,1、实现假连续制冷； 2、获得内部回热，改善循环经济性。,思考：,某渔船，使用发动机功率为200kW,请问理想状况下发动机排气余热用于空调，能获得多少能量？用于制冰可以制造多少冰？（制冰蒸发温度为-15） 若要为该渔船设计一套利用发动机排气余热的吸附式制冷装置，需要考虑哪些问题？ 其他余热的利用。,第二

5、节,电、磁、声制冷,热电制冷,利用热电效应(即帕尔帖效应)的一种制冷方法又称温差电制冷、半导体制冷 帕尔帖热电效应直流电通过两种不同材料组成的电回路时，两个接点处分别吸、放热效应 热电效应的大小取决于两种材料的热电势半导体材料具有较高的热电势,热电制冷系统原理图,热电制冷器的特点及应用,热电制冷器不需要工质循环来实现能量转换，无运动部件。 热电制冷效率低，半导体材料价格很高 必须用直流电源，需要变压和整流装置 不宜大规模和大冷量使用,热电制冷器的特点及应用,灵活性强，简单方便，使用可靠，冷热切换容易，适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所 用于为空间飞行器上的科学仪器、电子仪器、医疗器械中需

6、要冷却的部位提供冷源；装备在核潜艇驾驶舱的空调设备上。采用热电制冷的小型手提式电冰箱很适合于郊游、兵营、汽车司机等使用。,思考,设计一套笔记本用半导体制冷需要解决哪些问题？ 设计一套车用手提式冰箱需要考虑问题,磁制冷,磁热效应固体磁性物质（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；去磁时，磁有序度下降（磁熵增大），从外界吸收热量 低温制冷温度范围4.220K 高温制冷温度范围200300K,四个过程组成低温磁制冷卡诺循环,1-2 等温磁化 （排放热量） 2-3 绝热退磁 （温度降低） 3-4 等温退磁 （吸热制冷） 4-1 绝热磁化 （温度升高）,声

7、制冷,热声效应可压缩的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 声能一种振荡形式的能量 声波在空气中传播时会产生压力的波动、位移的波动、温度的波动。 当声波所引起的压力、位移、温度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热声效应 制冷温度：50200,产生热声效应的流体介质条件,流体介质具有可压缩性、热膨胀系数较大、普朗特数小 用于制冷温差大、能量流密度较小的场合时，流体比热容要小 低温制冷领域，适宜流体是理想气体，如空气、氦气 用于制冷温差小、能量流密度较大的场合时，流体比热容要大 普通制冷温度领域，适宜流体为处于近临界区的液体，如CO2，碳氢化合物,

8、声制冷机,基本组成：声 源、第一介质、第二介质和声共振管,使用场所：制冷温度低、制冷量小、制冷机的机械振动小、可靠性高、小型轻量化。,使用,第三节,气体涡流制冷,气体涡流制冷的机理,气体产生涡流时会分离成温度不同的两部分； 用人工方法使得压缩空气产生漩涡，使气体分为冷热两部分。利用分离出来的冷气流即可制冷 。 涡流管使压缩空气产生涡流的设备,涡流管,由喷嘴、涡流室、分离孔板及冷热两端的管子组成。 气体经涡流分离成冷热两部分是在涡流管的涡流室内进行 涡流室内部形状为阿基米德螺线 喷嘴是沿切线方向装在涡流室的边缘，其连接可以有不同的方法,涡流管的工作过程,经压缩并冷却到室温的气体(空气、二氧化碳、

9、氨等)进入喷嘴内膨胀后，以很高的速度切线方向进入涡流室，形成自由涡流 经动能的交换分离成温度不同的两部分 中心部分气流经孔板流出冷气流 边缘部分气体从另一端经控制阀流出热气流,涡流管的工作过程,涡流管可以同时得到冷热两种效应。 当高压气体的温度为室温时，冷气流温度可达（5010），热气流的温度可达（100130）。 控制阀用来改变热端管子中气体的压力，它可调节两部分气流的流量比，从而改变它们的温度。,涡流管内部过程在 T s图上的描述,4气体压缩以前状态 4-5等熵压缩过程 5-1等压冷却过程 1高压气体进喷嘴前状态 2a绝热膨胀后的状态 2涡流管出来的冷气流状态 3涡流管出来的热气流状态 1

10、-2及13冷热两部分气流分离过程 33热气流经控制阀的节流过程,思考：为什么不直接采用绝热膨胀方式获得低温？,涡流管出来冷气流的温度Tc总是高于Ts 气体在喷嘴中不可能是等熵膨胀 涡流室中内层的气体不可能将其动能全部传给外层的气体 涡流室内存在向心的热量传递过程。,特点,气体涡流制冷的计算,涡流管的冷却效应： 等熵膨胀温度效应： 冷却效率： 涡流管加热效应,制冷制热能力,单位质量制冷量： 制冷量 单位质量制热量： 制热量 注意：,请证明,涡流管的优缺点及使用场合,结构简单，维护方便，启动快，能达到比较低的温度； 效率低 宜用于不常使用的小型低温试验设备 应用回热原理及喷射器来降低涡流管冷气流的

11、压力，不仅可进一步降低涡流管所能获得的低温，且可以提高涡流管的经济性 要获得更低的温度可采用多级涡流管,思考：,寻找工业生产中可以使用涡旋制冷的场合 除了制冷，涡旋管有其他用处没有？ 天然气压力能使用如何使得降压后的天然气温度不会太低？ 设计一套天然气压力能发电机组需要思考的问题有哪些？,第四节,气体膨胀制冷,气体膨胀制冷分类,压缩气体绝热节流制冷 林德（Linde）循环 压缩气体等熵膨胀绝热可逆膨胀制冷 布雷登制冷循环 两个等温过程和两个等容回热过程组成 斯特林制冷循环 热动力闭式气体回热制冷循环 维勒米尔制冷循环,内冷法,气体等温吸热,绝热节流制冷原理,焦耳汤姆逊效应实际气体在节流过程中温

12、度会发生变化 冷效应（正效应） 热效应（负效应）,微分节流效应,微分节流效应（焦耳汤姆逊系数） 气体节流时单位压降所产生的温度变化 0,正效应（P33表26，常温常压下） 0,负效应 =0，理想气体,积分节流效应,积分节流效应 压降为一有限数值时节流所产生的温度变化 经验公式,如何推导？,图解法确定积分节流效应,已知状态方程转化温度计算,令,范德瓦尔方程,代入,得,转化温度与转化曲线（图2-21）,采用节流制冷，节流前参数的选择：PPm,温度在上下转化温度之间,实线实验,虚线计算,气体临界温度越低转变温度越低,等温节流效应,等温节流效应等温压缩和节流两个过程的综合,路径 0120 01 等温压

13、缩 12 节流 20 等压吸热， 制冷量 q0=cp (T1-T2)=h0 h2 制冷能力：是因为等温压缩比焓降低而获得。,节流效应与温度和压力关系密切,压力小于对应温度下的转化压力时 制冷量随压力的增加而增加； 一定压力下，随着温度的降低 制冷量随温度的降低而增大,绝热节流制冷循环（林德循环）,等温压缩 等压放热 绝热节流 等温蒸发 等压升温,绝热节流循环特点及应用,节流制冷循环的性能系数低，经济性较差 热交换器中，存在由换热温差引起的不可逆损失。 氖、氢和氦的转化温度远低于室温，在对这些气体进行节流制冷循环时，必须先进行预冷 组成简单，无低温下的运动部件，可靠性高,典型的不可逆热力过程,为

14、减少损失，用有预冷的节流循环和双压节流循环,为什么？,常用于微型化、轻量化红外制导等领域,等熵膨胀制冷布雷顿制冷循环,等熵膨胀制冷 气体等熵膨胀时有功输出，且气体温度降低 微分等熵效应 特点：s总是正的，气体等熵膨胀时温度总是降低； 必须使用膨胀机。 绝热效率： 不可逆损失对膨胀机效率的影响,为什么？证明,等熵膨胀和节流膨胀的比较,效率 实用性 节流阀结构简单，便于调节 膨胀机不能实现完全的等熵膨胀 节流阀方便在气液两相区工作 初温越低，节流膨胀和等熵膨胀区别越小,温降,耗功,错的,单工质布雷顿制冷循环,无回热布雷顿循环 等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀、等压吸热 无回热布雷顿循环P-V图和T-S

15、图,性能系数？ 循环效率？,无回热布雷顿循环,无回热布雷顿循环COP 热力完善度：,无回热布雷顿循环特点,性能系数小于同温下的可逆卡诺循环,压力比越大 传热温差越大 不可逆损失越大 循环制冷系数越小 热力完善度越低,相同压力比，T0降低（或Tc升高） 热力完善度提高,实际循环 压缩机和膨胀机中非等熵过程 换热器中存在传热温差 系统有流动阻力,定压回热布雷顿制冷循环,定压回热布雷顿制冷循环系统 定压回热布雷顿制冷循环T-S图,定压回热与无回热布雷顿制冷循环比较,混合工质布雷顿制冷循环,混合物做工质，布雷顿制冷循环和朗肯制冷循环结合的循环。,等熵压缩 等压排热 等熵膨胀 等压吸热,混合工质循环与布

16、雷顿循环比较,压缩过程,等压吸热过程,膨胀过程,等压排热过程,混合工质循环与布雷顿循环比较,压缩功少 膨胀功大 等压吸、排热过程的不可逆损失小,混合工质循环对制冷工质要求： 气体成分在整个循环中只发生状态变化，不发生相变； 在循环的某一过程中，相变成分应发生所要求相变； 混合工质间不发生化学反应,斯特林制冷循环,单级斯特林制冷循环,等温压缩 定容放热 等温膨胀 定容吸热,近似的斯特林循环活塞简谐运动,曲柄连杆机构驱动的双活塞结构,容积变化规律,斯特林循环特点及发展变化方向,特点： 结构紧凑； 工作温度范围宽 启动快 效率高、 操作简便,发展变化特点： 向深冷发展（最低到3K） 微型（mW级）和

17、大型（46.8kW）发展 多缸 多级（最高5级） 多作用 发展到分置式 多驱动方式（曲柄连杆、摇盘、斜盘、菱形、液压、电磁、气体等驱动） 多形式（双活塞式、推移活塞式、平行排列、角形排列、同轴排列）,此为大型？,维勒米尔制冷循环,维勒米尔制冷循环 维勒米尔制冷循环P-V图,维勒米尔制冷循环,工质分别从低温热源C和高温热源H吸热，而向处于室温的冷却器 A 放热。 从低温热源吸收的热量制冷量 从高温热源吸收的热量热耗量,VM制冷机的特点,能源是热能，可利用废热、太阳能、矿物燃料、放射性同位素或电热器 制冷机内气体的总容积不变，工作腔中各部分只有流动阻力形成的压差，转速低 轴承负荷轻，密封要求低、磨损小、振动小、噪声低、寿命长 制冷机只需要少量（小型机在10 w以下）的机械动力，或者不需要机械动力，甚至在制冷的同时还可以输出一定量的轴功率。,第五节,绝热放气制冷,气体的绝热放气,气体的绝热放气,G-M 制冷循环,G-M 制冷循环,热力系统图和P-V图,四个工作过程,SV 制冷循环,SV 制冷循环,脉管制冷机,脉管制冷机,制冷方法,物质相变制冷 电、磁、声制冷 气体涡流制冷 气体膨胀制