制冷原理与设备(自编1)

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1、制冷原理与设备热能教研室学时安排 章 数学时 绪论2 第一章 制冷方法3 第二章 蒸气压缩式制冷8 第三章 制冷剂及载冷剂4 第四章 蒸发器和冷凝器6 第五章 节流机构和辅助设备4 第七章 多级蒸气压缩制冷及复叠式制冷3 实验2 总 计32第一章 绪论1. 制冷的定义作为一门科学，制冷是指采油人工的方法在一定时 间 和一定空间内将某舞厅或流体冷却，使其温度降到环境 温度以下，并保持这个低温。因此，制冷不同于自然冷却。 2. 明确以下概念 (1)制冷剂：在制冷机中使用的工质称为制冷剂。 (2)制冷机：机械制冷中所需机器和设备的总合称为制冷 机。 (3)制冷装置：将生产冷量的制冷机械和消耗冷量的设

2、备 结合在一起的装置。3.制冷的分类按照制冷所得到的低温范围，制冷技术划分为以 下4个领域：普通制冷 120K以上深度制冷 120K20K低温制冷 20K0.3K低温制冷超低温制冷 0.3K以下本课程主要讲普通制冷。4.制冷技术的研究内容及理论基础制冷技术主要研究以下三个方面： (1)研究获得低温的方法和有关的机理以及与此相应的制冷循环， 并 对制冷循环进行热力学的分析和计算。（比如压缩式制冷） (2)研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供性能满意的工作介质。 (3)研究实现制冷循环所必需的各种机械和技术设备，包括他们的 工 作原理、性能分析、结构设计，以及制冷装置的流程组织、系统 配 套设计。此

3、外，还有热绝缘问题、制冷装置的自动化问题等等。制冷技术的理论基础主要为热工的三大基础课程，即工程 热 力学、工程流体力学、传热学。尤其是工程热力 学，学习和从事质量工作的人员应主要在这三门课程方面打好 坚 实的理论基础。5.制冷技术的发展历史制冷技术的发展概括起来可分为两个阶段： （1）天然冷源的应用阶段是从古代18世纪中期。采用的天然冷源主要是指冬季储存的天然冰和夏季 使用的深井水。 （2）机械制冷阶段18世纪中期今。1755年是人工制冷史的起点。 现代制冷技术作为一门科学是由19世纪中后期发展起 来的，到20世纪具有更大的发展。6.制冷技术的产生背景及应用制冷是为适应人们对低温条件的需要而

4、产生和发 展 起来的，是人们社会实践的结晶，并随着现代技术 的 发展以及人们生活水平的提高，制冷在工业、农业 、 建筑、航天等国民经济各个部门的作用和地位日益 重 要。制冷的应用几乎渗透到各个生产技术、科学领域 以 及人们生活的各个方面中，概括起来主要有以下几 个 领域：(1)商业及人民生活比如人工冰厂、空调、冰箱、冷柜以及食品的冷冻冷藏、保鲜 、冷藏运输等。 (2)工业生产及农牧业比如制药、啤酒、精密仪器车间等；农作物的种子进行低温处理，人工气候育秧室、蔬菜水果的保 鲜等。 (3)建筑工程比如挖掘隧道、建筑河堤时采用的“冻土法”。 (4)科学实验研究如各种环境模拟装置中创造的人工环境。 (5

5、)医疗卫生如药品、疫苗及人体器官的冷藏保存，手术中采用低温麻醉等 。 (6)尖端科学领域等如微电子技术、能源、新型材料、宇宙开发等。制冷与低温技术的应用领域举例 制冷在空调中的作用 (1)干式冷却 (2)减湿冷却 (3)减湿与干式冷却混合方式 1. 空气调节图1-26 制冷与空调的关系 制冷和空调的关系相互联系又独立 用人工方法构成各种人们所希望达到的环境条件，包 括地面的各种气候变化和高空宇宙及其它特殊的要求。 2.人工环境与制冷有关的人工环境试验有以下几种 (1) 低温环境试验 (2) 湿热试验 (3) 盐雾试验 (4) 多种气候试验 (5) 空间模拟试验 根据对食品处理方式不同，食品低温

6、处理工艺 可分三类： (1) 食品的冷藏与冷却 (2) 食品的冻结与冻藏 (3) 冷冻干燥 3. 食品冷冻与冷冻干燥 研究低温对生物体产生的影响及应用的学科 。 低温生物学 研究温度降低对人类生命过程的影响，以及低 温技术在人类同疾病作斗争中的应用的学科。 低温医学低温生物医学 低温生物学和低温医学的统称。 典型应用例子 (1)细胞组织程序冷却的低温保存 (2)超快速的玻璃化低温保存方法 (3)利用低温器械使病灶细胞和组织低温损伤而坏死的低温外科。 4. 低温生物医学技术微波激射器必须冷到液氮或液氦温度,以使放大 器元素原子的热振荡不至于严重干扰微波的吸 收与发射。 超导量子干涉器即SQUID

7、s,被用在相当灵敏的数 字式磁力计和伏安表上。在MHD系统、线性加速器和托克马克装置中，超 导磁体被用来产生强磁场。5. 低温电子技术运用与超导电性有关的Meissner效应,用磁场代 替油或空气作润滑剂,可以制成无磨擦轴承。在船用推进系统中,无电力损失的超导电机已获 得应用。偏差极小的超导陀螺也已经被研制出来。时速500km/h的低温超导磁悬浮列车已经在日本 投入试验运行。 6. 机械设计采用红外光学镜头可以 拍摄热源外形，并可以对热 源进行跟踪。一些红外材料 往往工作在120K以下的低温 下，使得热源遥感信号更为 清晰，为了拍摄高灵敏度的 信号往往需要更低的温度。 一般红外卫星需要70 -

8、120K的低温，往往通过 斯特林制冷机、脉冲管制 冷机、辐射制冷器来实现 。空间远红外观测则需 要2K以下的温度，往往通 过超流氦的冷却技术来实 现。 7. 红外遥感技术炼钢时氧起到某些重要的作用。制取氨时也用到低温系统。压力容器加工时,将预成形的圆柱体放在冷却到液 氮温度的模具中,在容器中充入高压氮气,让其扩胀 15%,然后容器被从模具中移开并恢复到室温。使用 这个方法,材料的屈服强度能增加4至5倍。 8. 加工过程目前低温技术是回收钢结构轮胎中橡胶的唯一 有效的方法，这种方法采用了低温粉碎技术。 利用材料在低温状态下的冷脆性能，对物料进 行粉粹。 低温粉碎技术材料温度降低到一定程度，材料内

9、部原子间距显 著减小，结合紧密的原子无退让余地，吸收外力 使其变形的能力很差，失去弹性而显示脆性。 9. 材料回收所有大型的发射的飞行器均使用液氧作氧化剂 。宇宙飞船的推进也使用液氧和液氢。观察研究大型粒子加速器产生的粒子的氢泡室 要用到液氢。 10. 火箭推力系统与高能物理 LHC-CERN27km超导磁体过冷态超流氦冷却第二章 制冷方法制冷的方法很多，常见的主要是以下四种：液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷及其热 电 制冷。其中应用最广泛的就是液体汽化制冷（原理），它 常见的应用 形式又有以下四种：蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷和 吸 附式制冷。蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷是

10、目前应用最为广泛 的 两种制冷方式，也是本课程所讲述的主要内容，我们 会 在以后的章节中着重讲述，本节只简单介绍其它的制 冷 方式。液体气化制冷原理1.1 蒸汽喷射式制冷 原理：和蒸汽压缩式及吸收式制冷相似，均是利用液体汽化时吸收热量来制冷的。 系统组成：喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀及泵五部分。 系统流程图： 工作过程：用锅炉产生高温高压的工作蒸汽，将其送入喷嘴， 膨 胀并以高速流动（流速可达1000m/s以上），于是在喷 嘴 出口处，造成很低的压力，由于吸入室和蒸发器相连， 所 以蒸发器中的压力也会很低，低温低压的部分水吸热而 汽 化，将未汽化的水的温度降低。这部分低温水就可用于 制 冷。

11、蒸发器中产生的冷剂水蒸气和工作蒸汽在喷嘴出口 处 混合，一起进入冷凝器，被外部的冷却水冷却而变成液 态 水，这些冷凝水再由冷凝器引出，分两路，一路经过节 流 降压后送往蒸发器，继续蒸发制冷，另一部分用泵提 高压 力送往锅炉，重新加热产生工作蒸汽。蒸气喷射器的原理图特点：(1) 以热能为能量的补偿 形式；(2) 结构简单 ，加工方便，无运动部件，使用 寿】命长；(3) 效率低。(工作蒸汽的压力高，喷射器的流 动损 失大。)如果要获得更低的温度，工作介质可以采用低沸点的工质，如氟利昂。1.2 吸附式制冷 吸附式制冷也是以“热能”为动力的能量转换系统。 工作原理：一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有

12、吸附作用 ， 并且吸附能力随吸附剂温度的不同而不同。周期性地冷 却 和加热吸附剂，使之对制冷剂交替吸附和解吸。吸附时 制 冷剂液体蒸发，产生制冷作用，解吸时，释放出制冷剂 气 体，并使之冷凝成液体，从而完成整个制冷循环。 工作介质：吸附剂和制冷剂； 常见的吸附工质对有：沸石水；硅胶水，氯化钙氨等 物理吸附 化学吸附以沸石水工质对为例说明其工作过程：白天，吸附床受日光照射温度升高产生解析作用， 从 沸石中脱附出水蒸汽，系统内的水蒸气压力升高，当达 到 与环境温度对应的饱和压力时，水蒸汽在冷凝器中凝结 ， 同时放出潜热，凝水储存在蒸发器中，夜间，吸附床冷 下 来，沸石温度逐渐降低，它吸附水蒸汽的能

13、力逐渐提高 ， 造成系统内压力降低，同时，蒸发器中的水不断蒸发出 来，用以补充沸石对水蒸汽的吸附，谁蒸发的过程吸热 ， 达到制冷的目的。说明：吸附床的作用相当于压缩机所起的作用，单 个 吸附床可实现间歇制冷，如想实现连续制冷，可采用两 个 或多个吸附器。1.3 热电 制冷热电制冷利用的是热电效应（帕尔帖效应Peltire）的 原理达到制冷目的的。热电效应：是指在两种不同导体组成的闭合回路中通 以直流电，当电流流过不同导体的界面时，就会使一个 节 点变冷，从外界吸收热量；一个节点变热，向外界放出 热 量，这种现象称为热电效应，即帕尔帖效应帕尔帖效应的反效应是西伯克效应（Secbeck）， 就 是

14、在两种导体组成的回路中，如果保持两接触点的温度 不 同，就会在两个接触点之间产生一个电势差即接触 电 动势。因为帕尔帖效应和西伯克效应产生的强 烈 程度取决于这两种材料的导热性和导电 性，纯金属材料的导热性和导电性都好 ， 所以其帕尔帖效应和西伯克效应都很弱 ， 而半导体材料可以产生强烈的帕尔帖效 应 和西伯克效应。空穴型（P型） 材料：电子型（N型 ）帕 尔 贴 效 应 原 理 图西 伯 克 效 应 原 理 图热电制冷的原理 ：原理：是使压缩气体产生涡流运动并分离成冷、热两部 分，其中冷气体用来制冷。 组成：喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀。 原理图：1.4 涡流管制冷 工作过程：经过压缩并

15、冷却到常温的气体（空气、CO2、N2等 ） 进入喷嘴，在喷嘴中膨胀并加速到音速，从切线方向射 向 涡流室，形成自由涡流，自由涡轮的旋转角速度离中心 越 近则越大，由于角速度不同，环形气流的层与层之间产 生 摩擦，外层气流的角速度逐渐升高，动能增加，又由于 与 管壁之间的摩擦，将部分动能变成了热能，故从控制阀 流 出的气体具有较高的温度；而中心层部分的角速度逐渐 降 低，失去能量，从孔板流出时温度较低，用于制冷。控制阀的作用：控制热端管子中气体的压力，从而控制冷、 热 两股气流的流量和温度。 控制阀全关：过程为不可逆节流过程；不存在冷热分流现 象。 讨论 控制阀全开：涡流管相当于气体喷射器；控制

16、阀部分开启：出现冷热分流现象。 特点： (1)由于管内气流之间的传导和对流情况复杂，故对冷、热端温度 值得定量地理论计算困难； (2)效率太低，气流噪声大； (3)结构简单、维护方便、启动快、使用灵活；适用于有高压气源或可以廉价获得高压气体的场合。1.5 气体膨胀制冷 常用的是布雷顿制冷循环，工作过程包括：等熵压缩 、 等压冷却、等熵膨胀及等压吸热四个过程。制冷工质有：空气、CO2、N2、He等。 工作原理：飞机用空气制冷装置原理图气体节流制冷原理图2.1 单级蒸气压缩制冷的理论循环v1.理论循环定义：在没有任何实际损失下的制冷循环。v2.条件：无温差传热； 压缩过程是可逆绝热压缩过程即等熵过程；管路中无任何耗损。第二章 蒸气压缩式制冷装置T-S图LgP-h图3.理想制冷循环：逆卡诺循环（原理图） 4.实际采用的制冷理论循环组成（原理图）：两个定压