制冷原理 第2章 制冷方法08

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1、第第2 2章章 制冷方法制冷方法2.1 物质相变制冷v固体相变冷却 冰融化 冰盐冷却 干冰升华 v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v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 1） 原理原理蒸发过程蒸发过程气气液液蒸发蒸发汽汽液液1补充水补充水抽出蒸汽抽出蒸汽2被冷却物质被冷却物质是否可行？是否可行？是否可行？是否可行？1 1 2 2冷却冷却 介质介质蒸发蒸发冷凝冷凝1 1 2 2冷却冷却 介质介质蒸发蒸发冷凝冷凝增增 压压降降 压压怎

2、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压缩式制冷基本系统2.1.2 2.1.2 蒸汽压缩式制冷蒸汽压缩式制冷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

3、发生器发生器节流阀节流阀 2 2吸收器吸收器热交换器热交换器溶液泵溶液泵蒸发器蒸发器节流阀节流阀1 1冷凝器冷凝器QQHHQQA AQK1 12 23 34 4QQ0 0蒸汽吸收式制冷蒸汽吸收式制冷2.1.4 蒸汽喷射式制冷v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） 2冷凝器 3蒸发器 4节流阀 5 、6泵冷却水去锅炉冷水工作蒸汽空调回水喷射器喷射器冷凝器冷凝器节流阀节流阀 蒸发器蒸发器泵泵泵泵a ab bc ca a 喷嘴；喷嘴；b b 扩压器；扩压器；c c 吸入室吸入室2.1.4 蒸汽喷射式制冷2.1.4 蒸气喷射式制冷循环 蒸

4、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

5、(2-9)(2-10)2.1.5 吸附式制冷方法吸附式制冷原理 v对制冷剂气体具有吸附作用固体吸附剂。 v固体吸附剂吸附时，产生制冷作用，吸附能力 与温度有关； v解析时，加热吸附剂，释放出制冷剂气体，并 使之凝为液体。 v是以热能为动力的能量转换系统。水水吸附床吸附床冷凝器冷凝器蒸发器蒸发器白天脱附白天脱附水水夜间吸附夜间吸附吸附式制冷系统的特点v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 。 v提供家庭用热水和冬季采暖用热源。 v缺点是循环属于间歇性的，太阳能的 波动会进一步影响到系统的循环特性 。2.2 电磁声制冷v热电制冷 v磁制冷 v声制冷2.2.1热电制冷v

6、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。 v（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。 ） v热电制冷温差电制冷。半导体制冷v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。P PN N冷结点冷结点热结点热结点铜片铜片图图2-11 2-11 由由P P型和型和N N型半导体组成的热电制冷元件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v不用制冷剂 v无机械传动部分 v冷却速度和制冷温可任意调节 v可将冷热端

7、互换 v体积和功率都可做得很小 v方便的可逆操作 v可做成家用冰箱，或小型低温冰箱 v可制成低温医疗器具 v可对仪器进行冷却 v可做成零点仪2.3 涡流管制冷v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v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 (1) 节流过程的热力学特征 通过膨胀阀时焓不变，因阀中存在摩擦阻 力损耗，所以它是个不可逆过程，节流后 熵必定增加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

8、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 (2-35) (2-34) 节流过程的物理特征 节流时温度降低 节流时温度不变 节流时温度升高 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 图2-21 实际气体的绝热节流曲线 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

9、化温度 列出了一部分气体的最高转化温度。 气体 最高转化温度(K) 气体 最高转化温度(K)He445CO652H2205Ar794Ne250O2761N2621CH4939空气603CO21500NH31994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 (1) Linde 循环的组成有压缩机、冷却器、回热器、节流阀、蒸 发器组成。图2-23 预冷型林德-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

10、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 (1) 节流与等熵膨胀 节流由膨胀阀完成。等熵膨胀绝热可逆膨胀过程，对外做 功，由膨胀机完成。（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压压 缩缩 机机膨膨 胀胀 机机空气冷却器空气冷却器1 12 23 34 4(a)

11、(a)系统流程图系统流程图(b)(b)循环的循环的T-ST-S图图s sT T气体膨胀系统流程图冷室冷室1234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：(2-50) (2-49)

12、 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至客舱至客舱膨胀机膨胀机外部空气外部空气风机风机冷却器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。2.4.3 斯特林制冷机 图2

13、-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程中。 3.2.6 吉福特

14、-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 的演变与发展 基本型

15、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