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1、制冷与低温技术原理第第 2 章章 制冷方法制冷方法1第第 2 章章 制冷方法制冷方法内容要求内容要求 物质相变制冷物质相变制冷 电，磁，声制冷电，磁，声制冷 气体涡流制冷气体涡流制冷 气体膨胀制冷气体膨胀制冷 绝热放气制冷绝热放气制冷2 常见的制冷方法有四种：常见的制冷方法有四种： 物质相变制冷物质相变制冷物质相变制冷物质相变制冷 气体绝热膨胀制冷气体绝热膨胀制冷气体绝热膨胀制冷气体绝热膨胀制冷 气体涡流制冷气体涡流制冷气体涡流制冷气体涡流制冷 热电制冷热电制冷热电制冷热电制冷利用液体在低温下的蒸发过程或固体利用液体在低温下的蒸发过程或固体利用液体在低温下的蒸发过程或固体利用液体在低温下的蒸发
2、过程或固体在低温下的融化或升华过程从被冷却在低温下的融化或升华过程从被冷却在低温下的融化或升华过程从被冷却在低温下的融化或升华过程从被冷却物体吸取热量以制取冷量。物体吸取热量以制取冷量。物体吸取热量以制取冷量。物体吸取热量以制取冷量。高压气体经绝热膨胀即可达到较低高压气体经绝热膨胀即可达到较低高压气体经绝热膨胀即可达到较低高压气体经绝热膨胀即可达到较低温度，令低压气体复热即可制取冷量。温度，令低压气体复热即可制取冷量。温度，令低压气体复热即可制取冷量。温度，令低压气体复热即可制取冷量。令直流电通过半导体热电堆，即可在令直流电通过半导体热电堆，即可在令直流电通过半导体热电堆，即可在令直流电通过半
3、导体热电堆，即可在一端产生冷效应，另一端产生热效应。一端产生冷效应，另一端产生热效应。一端产生冷效应，另一端产生热效应。一端产生冷效应，另一端产生热效应。高压气体经涡流管膨胀后即可分离冷高压气体经涡流管膨胀后即可分离冷高压气体经涡流管膨胀后即可分离冷高压气体经涡流管膨胀后即可分离冷, , , ,热两股气流，用冷气流的复热过程即热两股气流，用冷气流的复热过程即热两股气流，用冷气流的复热过程即热两股气流，用冷气流的复热过程即可制冷。可制冷。可制冷。可制冷。32.1.1 相变制冷概述相变制冷概述2.1 物质相变制冷物质相变制冷以流体为制冷剂，通以流体为制冷剂，通过一定的机器设备构过一定的机器设备构成
4、制冷循环，利用液成制冷循环，利用液体汽化时的吸热效应体汽化时的吸热效应，实现对被冷却对象，实现对被冷却对象的连续制冷。的连续制冷。 液体蒸发制冷液体蒸发制冷以一定数量的固体以一定数量的固体物质为制冷剂，作物质为制冷剂，作用于被冷却对象，用于被冷却对象， 实现冷却降温。一实现冷却降温。一旦固体全部相变，旦固体全部相变，冷却过程即终止。冷却过程即终止。 固体相变制冷固体相变制冷41. 固体相变制冷固体相变制冷 原理；利用固体融化或升华冷却。原理；利用固体融化或升华冷却。 制冷剂：冰，冰盐，干冰，其它固体升华冷却。制冷剂：冰，冰盐，干冰，其它固体升华冷却。（1）冰冷却）冰冷却 冰冰 水水 水蒸气水蒸
5、气 融化融化 升华升华课后问题课后问题1；冰的物理性质。冰的物理性质。可满足可满足0 0 C C以上的制冷要求。以上的制冷要求。说说明明吸热吸热吸热吸热常压下，冰在常压下，冰在0融化，融化，融化潜热为融化潜热为335kJ/kg。5（2）冰盐冷却）冰盐冷却 冰盐冰盐 盐水膜盐水膜 和冰和冰 盐水盐水 溶液溶液 盐溶解盐溶解课后问题课后问题2；冰盐的性质。冰盐的性质。1. 冰盐冷却能达到的低温程度与盐的种类冰盐冷却能达到的低温程度与盐的种类 和混合物中盐与冰的质量有关。和混合物中盐与冰的质量有关。2. 常用的冰盐是块冰与工业食盐的混合物。常用的冰盐是块冰与工业食盐的混合物。说说明明吸热吸热吸热吸热
6、冰冰00融化融化冰融化冰融化吸热吸热6（3）干冰冷却）干冰冷却 固态固态CO2 液态液态CO2 气态气态CO2 融化融化 升华升华课后问题课后问题3；干冰的物理性质。干冰的物理性质。干冰的制冷能力比冰和冰盐都大。干冰的制冷能力比冰和冰盐都大。说说明明吸热吸热吸热吸热 CO2的三相点参数：的三相点参数： 温度温度-56.6， 压力压力0.52MPa。常压下，干冰的升华常压下，干冰的升华温度温度-78.5，升华热，升华热为为573.6kJ/kg。72. 液体蒸发制冷液体蒸发制冷 常用方法常用方法： 蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷 吸收式制冷吸收式制冷 蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷 吸附式制冷吸附式制
7、冷 共同特点共同特点共同特点共同特点： 是利用液体汽化是利用液体汽化是利用液体汽化是利用液体汽化 时的吸热效应而时的吸热效应而时的吸热效应而时的吸热效应而 实现制冷的。实现制冷的。实现制冷的。实现制冷的。8 液体蒸发制冷循环必须液体蒸发制冷循环必须 具备四个基本过程：具备四个基本过程： 制冷剂液体在低温低压下制冷剂液体在低温低压下汽化，汽化， 产生低压蒸气。产生低压蒸气。 制冷剂低压汽化制冷剂低压汽化制冷剂低压汽化制冷剂低压汽化 高压蒸气液化高压蒸气液化高压蒸气液化高压蒸气液化 高压液体降压高压液体降压高压液体降压高压液体降压 蒸气升压蒸气升压蒸气升压蒸气升压将低压蒸气抽出并提高压力将低压蒸气
8、抽出并提高压力变成高压蒸气。变成高压蒸气。 将高压蒸气冷凝成高压液体。将高压蒸气冷凝成高压液体。高压液体再降低压力回到高压液体再降低压力回到初始的低压状态。初始的低压状态。92. 制冷系统图：制冷系统图：2.1.2 蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷1.1. 系统组成：系统组成：系统组成：系统组成： 压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器等主要设备压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器等主要设备压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器等主要设备压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器等主要设备 组成，用管道将其连接成一个封闭的系统。组成，用管道将其连接成一个封闭的系统。组成，用管道将其连接成一个封闭的系统。组成，用管道将其连接成一个封
9、闭的系统。10 压缩机：压缩机：起着起着压缩压缩和和输送输送制冷剂蒸汽并造成蒸发器制冷剂蒸汽并造成蒸发器 中低压力，冷凝器中高压力的作用，是整中低压力，冷凝器中高压力的作用，是整 个系统的心脏。个系统的心脏。 膨胀阀：膨胀阀：对制冷剂起到对制冷剂起到节流降压节流降压的作用，并的作用，并调节调节 进入蒸发器的制冷剂流量。进入蒸发器的制冷剂流量。 蒸发器：蒸发器：是是输出冷量输出冷量的设备。制冷剂在蒸发器中的设备。制冷剂在蒸发器中 吸收被冷却物体的热量，从而达到制取吸收被冷却物体的热量，从而达到制取 冷量的目的。冷量的目的。 冷凝器：是冷凝器：是输出热量输出热量的设备。从蒸发器中吸取的的设备。从蒸
10、发器中吸取的 热量连同压缩机消耗的功所转化的热量热量连同压缩机消耗的功所转化的热量 在冷凝器中被冷却介质带走。在冷凝器中被冷却介质带走。113. 工作过程：工作过程： 蒸发器蒸发器低温低压的低温低压的制冷剂液体制冷剂液体与被冷却对与被冷却对象发生热交象发生热交换，吸收被换，吸收被冷却对象的冷却对象的热量并汽化热量并汽化形成冷剂蒸形成冷剂蒸气。气。压缩机压缩机低压蒸气被低压蒸气被压缩机吸入压缩机吸入，经压缩后，经压缩后形成高温高形成高温高压蒸气排压蒸气排出。出。冷凝器冷凝器压缩机排出压缩机排出的高压制冷的高压制冷剂气体进入剂气体进入冷凝器，被冷凝器，被冷却水或空冷却水或空气冷却、冷气冷却、冷凝，
11、成高压凝，成高压液体。液体。膨胀阀膨胀阀高压液体流高压液体流经膨胀阀节经膨胀阀节流，形成低流，形成低压低温的压低温的气，液两相气，液两相混合物进入混合物进入蒸发器。蒸发器。124. 应用：应用： 蒸气压缩式制冷机是应用最广泛的制冷机。蒸气压缩式制冷机是应用最广泛的制冷机。 是本课程的重点内容之一。是本课程的重点内容之一。 具有具有100多年的历史，相当完备，广泛应用多年的历史，相当完备，广泛应用 在空气调节，各种冰箱，食品冷藏，冷加工在空气调节，各种冰箱，食品冷藏，冷加工 方面。方面。 制冷的温度范围为制冷的温度范围为5 -150。 131. 系统组成：系统组成： 蒸发器，冷凝器，节流阀，发生
12、器，吸收器，蒸发器，冷凝器，节流阀，发生器，吸收器， 热交换器和溶液泵组成。热交换器和溶液泵组成。2.1.3 蒸气吸收式制冷蒸气吸收式制冷 两个回路两个回路 制冷剂回路制冷剂回路 溶液回路溶液回路2. 制冷系统图：制冷系统图：14 吸收式制冷的工质对：吸收式制冷的工质对： 名称名称 制冷剂制冷剂 吸收剂吸收剂 硫酸水溶液吸收式制冷机硫酸水溶液吸收式制冷机 水水 浓硫酸浓硫酸 氨水吸收式制冷机氨水吸收式制冷机 氨氨 水水 溴化锂吸收式制冷机溴化锂吸收式制冷机 水水 溴化锂溴化锂 吸收剂对制冷剂气体有很强的吸收能力。吸收剂对制冷剂气体有很强的吸收能力。说说明明153. 工作过程：工作过程：制冷剂回
13、路制冷剂回路高压制冷剂高压制冷剂气体在冷凝气体在冷凝器中冷凝，器中冷凝，产生的高压产生的高压制冷剂液体制冷剂液体经节流后到经节流后到蒸发器蒸发蒸发器蒸发制冷。制冷。另一方面，发生后另一方面，发生后的溶液重新恢复到的溶液重新恢复到原来成分，经冷原来成分，经冷却，节流后成为具却，节流后成为具有吸收能力的吸收有吸收能力的吸收液，进入吸收器，液，进入吸收器，吸收来自蒸发器的吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸气。低压制冷剂蒸气。一方面在吸收器中，吸一方面在吸收器中，吸收剂吸收来自蒸发器的收剂吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸气，形成低压制冷剂蒸气，形成富含制冷剂的溶液，再富含制冷剂的溶液，再将该溶液用泵送到发生将该
14、溶液用泵送到发生器，经加热使溶液中的器，经加热使溶液中的制冷剂重新以高压气态制冷剂重新以高压气态发生出来，送入冷凝器。发生出来，送入冷凝器。溶液回路溶液回路164. 对比：蒸气吸收式制冷与蒸气压缩式制冷系统对比：蒸气吸收式制冷与蒸气压缩式制冷系统a: 相同：冷凝器，节流阀，蒸发器。相同：冷凝器，节流阀，蒸发器。b: 不同：吸收式制冷中，压缩机由吸收器，发生器，不同：吸收式制冷中，压缩机由吸收器，发生器， 溶液泵，热交换器，节流阀溶液回路所代替。溶液泵，热交换器，节流阀溶液回路所代替。（1）系统组成系统组成（2）制冷剂制冷剂 a: 压缩式：只需要制冷剂工质。压缩式：只需要制冷剂工质。 b: 吸收
15、式：吸收剂吸收式：吸收剂-制冷剂工质对。制冷剂工质对。（3）补偿能量补偿能量 a: 压缩式：机械能或电能。压缩式：机械能或电能。b: 吸收式：热能。吸收式：热能。17 热源：热源： 煤（早期）；蒸汽，水；燃油，燃天然气加热；煤（早期）；蒸汽，水；燃油，燃天然气加热； 化学反应热，太阳能热。化学反应热，太阳能热。5. 应用：应用： 生产冷水。生产冷水。 可供集中式空气调节或提供生产可供集中式空气调节或提供生产 冷水。冷水。 溴化锂制冷机只能溴化锂制冷机只能制取制取0以上的冷量。以上的冷量。 氨水吸收式制冷机能够制取的温度可达氨水吸收式制冷机能够制取的温度可达 -20 或更低。或更低。181. 1
16、. 系统组成：系统组成：系统组成：系统组成： 1- 1- 喷射器（喷射器（喷射器（喷射器（a- a- 喷嘴，喷嘴，喷嘴，喷嘴，b- b- 扩压室，扩压室，扩压室，扩压室，c- c- 吸入室），吸入室），吸入室），吸入室）， 2- 2- 冷凝器，冷凝器，冷凝器，冷凝器，3- 3- 蒸发器，蒸发器，蒸发器，蒸发器，4- 4- 节流阀，节流阀，节流阀，节流阀，5,6 - 5,6 - 泵。泵。泵。泵。2.1.4 蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷2. 制冷系统图：制冷系统图：3. 工作过程：工作过程：194. 理论工作循环的理论工作循环的 T-s 图表示图表示 1-2： 工作蒸气在喷嘴内的膨胀过程；工作蒸气
17、在喷嘴内的膨胀过程； 4状态：工作蒸气与制冷剂水蒸气混合后状态；状态：工作蒸气与制冷剂水蒸气混合后状态； 4-5： 混合蒸气在扩压器中流动升压过程；混合蒸气在扩压器中流动升压过程； 5-6： 冷凝器中气体的凝结过程；冷凝器中气体的凝结过程； 6-7-3：凝结水经过节流进入蒸发器；：凝结水经过节流进入蒸发器； 6-9-1：凝结水经过水泵进入锅炉，产生工作蒸气。：凝结水经过水泵进入锅炉，产生工作蒸气。205. 特点：特点： 工作介质：水，氟利昂（低沸点）。工作介质：水，氟利昂（低沸点）。 优点：使用热能，结构简单，加工方便，优点：使用热能，结构简单，加工方便， 没有运动部件，使用寿命长。没有运动部
18、件，使用寿命长。 缺点：工作蒸汽压力高，喷射器不可逆损失缺点：工作蒸汽压力高，喷射器不可逆损失 大，效率很低。大，效率很低。6. 应用：应用： 可用于制取空调用冷水。曾被应用过。可用于制取空调用冷水。曾被应用过。 在空调冷水机中采用溴化锂吸收式制冷机比在空调冷水机中采用溴化锂吸收式制冷机比 喷射式制冷机有明显优势。喷射式制冷机有明显优势。211. 系统组成：系统组成： 吸附床，冷凝器，蒸发器吸附床，冷凝器，蒸发器 用管道连成一个封闭系统。用管道连成一个封闭系统。2.1.5 吸附式制冷吸附式制冷2. 工作原理：工作原理： 吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用。吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用
19、。 一定的固体一定的固体吸附剂吸附剂对某种对某种 制冷剂制冷剂气体具有吸附作用，气体具有吸附作用， 而且吸附能力随吸附剂温而且吸附能力随吸附剂温 度的改变而不同。度的改变而不同。 通过周期性地冷却和加热吸附剂，通过周期性地冷却和加热吸附剂， 使之交替地吸附和解吸。使之交替地吸附和解吸。 解吸时，释放制冷剂气体，使之凝结为液体。解吸时，释放制冷剂气体，使之凝结为液体。223. 工作介质：工作介质： 吸附剂吸附剂制冷剂工质对制冷剂工质对 物理吸附物理吸附 沸石沸石-水水 硅胶硅胶-水水 活性炭活性炭-甲醇甲醇 金属氢化物金属氢化物-氢氢 氯化锶氯化锶-氦氦化学吸附化学吸附 氯化钙氯化钙-氨氨235
20、. 热源：工业废热，太阳能，化学反应能。热源：工业废热，太阳能，化学反应能。（1）优点：不耗电，无任何运动部件，系统简单，无噪声，）优点：不耗电，无任何运动部件，系统简单，无噪声， 无污染，不需维修，寿命长，安全可靠，投资回收期无污染，不需维修，寿命长，安全可靠，投资回收期 短，对大气臭氧层无破坏作用等一系列优点。短，对大气臭氧层无破坏作用等一系列优点。4. 吸附式制冷的特点：吸附式制冷的特点：（2）另外，可利用吸附剂吸附效应时所放出的吸附热，另外，可利用吸附剂吸附效应时所放出的吸附热， 提供家庭用热水和冬季采暖用热源。提供家庭用热水和冬季采暖用热源。（3）缺点：循环属于间歇性的，热力状态不断
21、地发生变化，缺点：循环属于间歇性的，热力状态不断地发生变化， 难以实现自动化运行；对能量的贮存也较困难。难以实现自动化运行；对能量的贮存也较困难。 特别是太阳能吸附式制冷系统，太阳能的波动会进一步特别是太阳能吸附式制冷系统，太阳能的波动会进一步 影响到系统的循环特性。影响到系统的循环特性。242.2 电、磁、声制冷电、磁、声制冷2.2.1 热电制冷热电制冷1. 工作原理：工作原理： 以温差电现象为基础的制冷方法，利用以温差电现象为基础的制冷方法，利用 帕尔帖效应达到制冷的目的。帕尔帖效应达到制冷的目的。1934年，法国物理学家帕尔帖在年，法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，再将铜丝的两
22、头各接一根铋丝，再将两根铋丝分别接在直流电源的正两根铋丝分别接在直流电源的正负极上，通电后，发现一个接头负极上，通电后，发现一个接头变热，变热， 另一个接头变冷的现象。另一个接头变冷的现象。帕尔帖效应帕尔帖效应25 热电制冷一般采用半导体材料。热电制冷一般采用半导体材料。 N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体 构成的热电偶制冷元件。构成的热电偶制冷元件。2. 单级热电堆式半导体制冷单级热电堆式半导体制冷 的基本原理的基本原理 单级热电堆：单级热电堆： 将数十至数百个热电偶电堆串联，将冷端排在一起，将数十至数百个热电偶电堆串联，将冷端排在一起， 热端排在一起，组成热电堆，称为单级热电堆。热端
23、排在一起，组成热电堆，称为单级热电堆。 工作原理：工作原理： 借助热交换器等设备，使热电堆的热端不断散热，借助热交换器等设备，使热电堆的热端不断散热， 且保持一定温度。将热电堆的冷端放到被冷却系统中且保持一定温度。将热电堆的冷端放到被冷却系统中 完成吸热降温。完成吸热降温。263. 多级热电堆式半导体制冷的基本原理多级热电堆式半导体制冷的基本原理 为了获得更低的温度或更大的温差可采用多级热电堆式为了获得更低的温度或更大的温差可采用多级热电堆式 半导体制冷。它是由单级热电联结而成。半导体制冷。它是由单级热电联结而成。 联结的方式有：串联，并联，及串并联。其中二级，联结的方式有：串联，并联，及串并
24、联。其中二级， 三级热电堆式半导体制冷最为常见。三级热电堆式半导体制冷最为常见。 274. 热电制冷的特点：热电制冷的特点： 不需要制冷剂，无泄露，无污染；不需要制冷剂，无泄露，无污染；不需要制冷剂，无泄露，无污染；不需要制冷剂，无泄露，无污染； 无机械传动部件和设备，无噪声，无磨损，可靠性高；无机械传动部件和设备，无噪声，无磨损，可靠性高；无机械传动部件和设备，无噪声，无磨损，可靠性高；无机械传动部件和设备，无噪声，无磨损，可靠性高； 可通过改变工作电流的大小控制制冷温度和制冷速度；可通过改变工作电流的大小控制制冷温度和制冷速度；可通过改变工作电流的大小控制制冷温度和制冷速度；可通过改变工作
25、电流的大小控制制冷温度和制冷速度； 操作具有可逆性，可实现冷热端互换；操作具有可逆性，可实现冷热端互换；操作具有可逆性，可实现冷热端互换；操作具有可逆性，可实现冷热端互换； 不适用于大规模和大冷量使用；不适用于大规模和大冷量使用；不适用于大规模和大冷量使用；不适用于大规模和大冷量使用； 适宜于微型制冷领域和特殊要求的用冷场所，适宜于微型制冷领域和特殊要求的用冷场所，适宜于微型制冷领域和特殊要求的用冷场所，适宜于微型制冷领域和特殊要求的用冷场所， 制冷功率在制冷功率在制冷功率在制冷功率在20W20W以下时，效率高于压缩式制冷循环；以下时，效率高于压缩式制冷循环；以下时，效率高于压缩式制冷循环；以
26、下时，效率高于压缩式制冷循环； 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；可制成低温医疗器具；可制成低温医疗器具；可制成低温医疗器具； 可对仪器进行冷却；可对仪器进行冷却；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。可做成零点仪。可做成零点仪。282.2.2 磁制冷磁制冷1. 工作原理：工作原理： 是利用磁热效应的一种制冷方式。是利用磁热效应的一种制冷方式。 既是固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场既是固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场 作用磁化时，系
27、统的磁有序度加强（磁熵减小），作用磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小）， 对外放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵对外放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵 增大），又要从外界吸收热量。增大），又要从外界吸收热量。2.2.3 声制冷声制冷1. 工作原理：工作原理： 是利用热声效应的一种制冷方式。是利用热声效应的一种制冷方式。 热声效应：可压缩流体的声振荡与固体介质之间由于热声效应：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。热相互作用而产生的时均能量效应。29涡流制冷效应的实质是利用人工方法产生漩涡，涡流制冷效应的实质是利用人工方法产生漩涡，使气流分为冷、热两部分。利用分离出来的冷使气流分为冷、热两部分。利用分离出来的冷气流进行制冷。气流进行制冷。2.3 气体涡流制冷气体涡流制冷2.3.1 气体涡流制冷的基本原理气体涡流制冷的基本原理302.4 气体膨胀制冷气体膨胀制冷 主要方法：主要方法： 压缩气体绝热节流压缩气体绝热节流 等熵膨胀等熵膨胀 等温膨胀等温膨胀2.5 绝热放气制冷绝热放气制冷 主要原理：利用刚性容器绝热放气过程是一个主要原理：利用刚性容器绝热放气过程是一个 降温过程实现制冷。降温过程实现制冷。31
