制冷原理 第2章 制冷方法08.ppt

1、第2章 制冷方法,2.1 物质相变制冷,固体相变冷却 冰融化 冰盐冷却 干冰升华 液体汽化制冷 蒸汽压缩式 吸收式 蒸汽喷射式 吸附式,2.1.1 相变制冷概述,固体相变冷却 冰融化 335kj/kg 冰盐冷却 NaCl冰盐，温度-0.7x 干冰升华 646kj/kg -78摄氏度,1） 固体相变制冷,2） 液体汽化制冷,（1） 原理,蒸发过程,汽,液,1,补充水,抽出蒸汽,2,被冷却物质,是否可行？,是否可行？,1,2,冷却 介质,蒸发,冷凝,增压,降压,怎样才能制冷制热呢?,2.1.2 蒸气压缩式制冷,利用制冷剂由液体状态汽化为蒸气状态过程中吸收热量，达到制冷的目的。,蒸气压缩式制冷,蒸气

2、压缩式制冷基本系统,2.1.2 蒸汽压缩式制冷,2.1.3 吸收式制冷,1）吸收式制冷原理,2.1.3 吸收式制冷,吸收式制冷机是一种以热能为主要动力的制冷机 。 蒸汽压缩制冷循环：压缩机（消耗机械功） 吸收式制冷循环：吸收塔，解吸器，换热器，泵（消耗低品位热量）,气体制冷剂回复液体状态 利用吸收或吸附方式,制冷剂蒸发,吸收热量制冷,2.1.3 吸收式制冷循环,吸收式制冷循环,由于它是利用工质对的质量分数变化，完成制冷剂的循环，因而被称为吸收式制冷,蒸汽吸收式制冷,2.1.4 蒸汽喷射式制冷,工作过程,2.1.4 蒸汽喷射式制冷,图2-5 蒸汽喷射式制冷系统 1喷射器（喷嘴 b扩压器 c吸入室

3、） 2冷凝器 3蒸发器 4节流阀 5 、6泵,2.1.4 蒸汽喷射式制冷,2.1.4 蒸气喷射式制冷循环,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工质,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。,当用水为工质所制取的低温必须在0以上，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。,2.1.4 蒸汽喷射式制冷,图2-6 蒸汽喷射式制冷机理论工作循环的温熵图,现在可根据图2-6进行理论循环的热力计算。,(2-6),式中 被引射制冷蒸气的流量,锅炉的供热量,(2-7),式中 工作蒸气流量,冷凝器放热量,(2-8),制冷量,泵

4、功较小，如果予以忽略，则整个制冷机的热平衡式为,其中比值,称为 喷射系数，它表示1Kg工作蒸气能引射的低压蒸气的数量,(2-9),(2-10),2.1.5 吸附式制冷方法,吸附式制冷原理 对制冷剂气体具有吸附作用固体吸附剂。 固体吸附剂吸附时，产生制冷作用，吸附能力与温度有关； 解析时，加热吸附剂，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体。 是以热能为动力的能量转换系统。,吸附式制冷,水,吸附床,冷凝器,蒸发器,白天脱附,水,夜间吸附,吸附式制冷系统的特点,具有不耗电、无任何运动部件、系统简单、没有噪声、无污染、不需维修。 提供家庭用热水和冬季采暖用热源。 缺点是循环属于间歇性的，太阳能的波动会进一步

5、影响到系统的循环特性。,2.2 电磁声制冷,热电制冷 磁制冷 声制冷,2.2.1热电制冷,珀尔贴效应，在两种不同金属组成的闭合线路中，若通以直流电，就会使一个接点变冷，一个变热，亦称温差电现象。 （正效应塞贝克效应，会在两接触点间产生一个电势差接触电动势。 ） 热电制冷温差电制冷。,半导体制冷,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，所以热电制冷都采用半导体材料，亦称半导体制冷。,热电制冷,图2-11 由P型和N型半导体组成的热电制冷元件,制冷方法,单级热电堆,热电制冷具有其显著特点,不用制冷剂 无机械传动部分 冷却速度和制冷温可任意调节 可将冷热端互换 体积和

6、功率都可做得很小 方便的可逆操作 可做成家用冰箱，或小型低温冰箱 可制成低温医疗器具 可对仪器进行冷却 可做成零点仪,2.3 涡流管制冷,是利用人工方法产生漩涡，使气流分为冷热两部分。利用分离出来的冷气流即可制冷。,涡流管制冷装置,涡流管制冷装置,涡流管制冷系统,2.4 气体膨胀制冷,历史上第一次实现的气体制冷机是以空气作为工质的，并且称为空气制冷机,2.4.1 气体绝热节流,1.实际气体的节流,理想气体的焓值仅是温度的函数，气体节流时温度保持不变，而实际气体的焓值是温度和压力的函数，节流后温度一般会发生变化。,焦耳汤姆逊系数,(2-34),（2） 焦耳汤姆逊效应,由热力学微分方程式推导得,(

7、2-35),(2-34),节流过程的物理特征,对实际气体,对空气和氧 在P15103kPa,(2-36),对理想气体,(3) 转化温度与转化曲线,在TP图上绘制绝热节流条件下的等焓曲线,3）零效应的连线称为转化曲线，如图上虚线所示。,2）若节流后气体温度保持不变，这样的温度称为转化温度。,1）焦耳汤姆逊系数就是图上等焓线的斜率,4）节流后升温,5）节流后降温,曲线分析,表2-7 最大转化温度 列出了一部分气体的最高转化温度。,转化温度与转化曲线理论推导,范德瓦尔,气体状态方程带入定义式,(2-37),(2-38),转化曲线,2.4.1 气体绝热节流,2.绝热节流制冷循环,图2-23 预冷型林德

8、-汉普森制冷机。,预冷的重要作用:由于常温下节流会产生热效应，为了系统能够起动降温，必须将气体温度降低到转化温度以下以保证节流制冷。,图2-24 林德-汉普森制冷的T-S图,图2-25 预冷型林德-汉普森制冷机的热力循环图。,2.4.2 布雷顿制冷循环,1.等熵膨胀制冷,（2）绝热膨胀,微分等熵效应,对理想气体(k为绝热指数),(2-39),(2-41),2. 气体工质布雷顿制冷循环,压缩式空气制冷机的工作过程也是包括等熵压缩，等压冷却，等熵膨胀及等压吸热四个过程,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集态改变,NEXT,压 缩 机,膨胀机,空气冷却器,1,2

9、,3,4,(a)系统流程图,(b)循环的T-S图,s,T,气体膨胀系统流程图,冷室,1,2,3,4,图2-26 无回热空气制冷机系统图 -压缩机 -冷却器 -膨胀机 -冷箱,图2-27 无回热空气制冷机 理论循环的p-V图与T-s图,1-2是等熵压缩过程,2-3是等压冷却过程,3-4是等熵膨胀过程,4-1是在冷箱中的等压吸热过程,四个工作过程分析,理论循环的热力性能计算,(2-44),(2-45),单位压缩功 和 膨胀功 分别是：,(2-46),(2-47),单位制冷量,冷却器的单位热负荷,循环消耗的 单位功,(2-49),(2-48),若不计比热随温度的变化,制热系数：,则上式可简化为：,(

10、2-50),(2-49),因为热源温度是恒值，此时比较标准循环应当是可逆卡诺循环，其 制冷系数 为：,因此上述理论循环的 热力完善 度为：,(2-51),显然，永远,8,至客舱,膨胀机,外部空气,风机,冷却器,飞机用制冷装置,回热气体制冷循环,图2-28 定压回热气体制冷机的流程图及温熵图 a) 系统流程图 b) 循环温熵图 A透平压缩机 B冷却器 C透平膨胀机 D冷箱 E回热器,2.4.3 斯特林制冷机,斯特林制冷循环: 由 两个等温过程， 两个等容回热过程 组成。 斯特林制冷机: 由回热器、冷却器、冷量换热器、两个带活塞的汽缸，位移器等组成。 在回热器中实现的是等容过程的热交换。,2.4.

11、3 斯特林制冷机,图2-34 斯特林制冷机,图2-34c 理想斯特林制冷机的热力循环,理想的斯特林制冷机的制冷量为:,工质为理想气体:,(2-54),(2-56),工质为理想气体:,理想的斯特林制冷机的排热量为:,循环净功,理想气体理想斯特林制冷机的性能系数为:,(2-56),(2-57),理想的斯特林制冷机的性能系数为:,理想气体理想斯特林制冷机的性能系数为:,(2-57),若回热器效率等于100， Cop与卡诺循环相等。 斯特林制冷机的成功，绝大部分是依靠系统中所 使用的回热器效能。 若回热器效率低于100，这就意味着，气体制冷机在冷源的制冷量将有一部分消耗在将制冷机气体冷却到冷源温度的过

12、程中。,3.2.6 吉福特-麦克马洪制冷机,系统包括压缩机、两端密封的气缸、气缸中的位移器，和回热器。,图3-84 G-M制冷机中单位 质量气体在T-S图上的流程,图3-83 G-M制冷机示意图,G-M系统的突出优点之一是它可实现多级化。多级系统中的所有阀门都在室温下工作，三个位移器由一个驱动机构操纵。,图3-86 三级G-M制冷机 三个位移器由同一个驱动机构驱动，在此制冷机中可同时制取三种不同的温度。,3.2.7 脉冲管制冷机,脉冲管制冷机省去了常规气体制冷机中的冷腔膨胀活塞，采用一根低热导的管子来代替，具有结构简单、运转可靠、冷头振动小、寿命长、成本低等优势。,图3-87 脉冲管制冷机 的

13、演变与发展,基本型脉冲管制冷机利用充放气获得低温的方法实质上是西蒙膨胀制冷的一种型式。 基本型脉冲管制冷机与西蒙膨胀过程的不同点: 脉冲管制冷机运行时，脉冲管气体轴向存在一温度梯度，入口端温度低，封闭端温度高；而西蒙膨胀的容器内气体温度均匀； 充气完毕后，脉冲管取走热量的方式是靠封闭端的水冷换热器；而西蒙膨胀的热量是靠整个容器表面与外部环境的对流换热。,基本型脉冲管制冷机除了压缩气源和切换阀是室温运动部件外，在低温处无任何运动部件，因此其结构简单、运行可靠，但是其制冷效率低。,带有切换阀的基本型脉冲管制冷机:由于气体在通过阀门时有节流损失而降低了制冷效率。 可逆基本型脉冲管制冷机:直接利用活塞

14、在气缸内往复运动，使制冷系统内产生压力波动而导致脉冲管内气体的压缩和膨胀过程。,图3-89 可逆基本型脉冲管制冷机原理图 1活塞 2水冷却器 3脉冲管 4负荷换热器 5回热器,图3-97 两级脉管制冷机结构示意图。1 压缩机， 2 旋转阀， 3 气库， 4 小孔阀， 5 双向进气阀， 6 第一级蓄冷器， 7 第二级蓄冷器， 8 第一级脉管， 9 第二级脉管， 10 第一级冷头， 11 第二级冷头 ，12 辐射屏， 13 真空罩。,第4章 其它制冷方法,思考题 1. 吸收式制冷的能量补偿是什么？ 2. 吸收式制冷的基本组成有那些设备? 3. 吸收式制冷循环对工质选择的要求有那些？ 4. 常用工质对有那些？它们谁做为制冷剂？常用工质对的性质、特点有那些？ 5. 单效溴化锂吸收式制冷循环的组成？原理图怎样？发生的过程有那些？ 6. 双效溴化锂吸收式制冷循环的组成？原理图怎样的？ 7. 其它形式溴化锂吸收式制冷循环的种类？ 8. 溴化锂吸收式制冷循环的特点？ 9. 溴化锂吸收式制冷机中溶液热交换器起什么作用？不设行不