制冷与热泵技术

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1、热科学和能源工程系热科学和能源工程系中国科学技术大学中国科学技术大学第一章第一章 制冷原理制冷原理制制冷冷方方法法液体汽化制冷液体汽化制冷蒸气压缩式蒸气压缩式吸收式吸收式蒸气喷射式蒸气喷射式吸附式吸附式气体膨胀制冷气体膨胀制冷热电制冷热电制冷涡流管制冷涡流管制冷其它其它热声制冷热声制冷电磁制冷电磁制冷电化学制冷电化学制冷 任任何何伴伴随随有有吸吸热热的的物物理理现现象象原原则则上上都都有有可可能用来制冷。能用来制冷。相变制冷相变制冷固体升华制冷固体升华制冷固体融化制冷固体融化制冷8/31/20242第一章第一章 制冷原理制冷原理o液体汽化制冷液体汽化制冷 物质有三种集态：气态、液态、固态。物质

2、集态的改变称之为相相变变。相变过程中，由于物质分子的重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量。这种热量称作相相变变潜潜热热。物质发生从质密态到质稀态的相变是将吸收潜热；反之，当它发生从质稀态向质密态的相变时，则放出潜热。 液体汽气化形成蒸汽，吸收热量，利用该过程的吸热效应制冷的方法称液体汽化制冷液体汽化制冷。8/31/20243第一章第一章 制冷原理制冷原理抽抽气气吸吸热热Q蒸蒸发发温度下温度下降降P1P2T1T2饱饱和和蒸蒸气气压压曲曲线线o液体汽化制冷液体汽化制冷8/31/20244第一章第一章 制冷原理制冷原理o液体汽化制冷液体汽化制冷8/31/20245第一章第一章 制冷原理制

3、冷原理o液体汽化制冷液体汽化制冷8/31/20246第一章第一章 制冷原理制冷原理o液体汽化制冷液体汽化制冷compressorcompressorcondensercondenserexpansionexpansiondevicedeviceevaporatorevaporator8/31/20247第一章第一章 制冷原理制冷原理 为了使上述过程得以连续进行，必须不断地从容器中抽走制冷剂蒸汽，再不断地将其液体补充进去。通过一定的方法将蒸汽抽出，再令其凝结为液体后返回到容器中，就能满足这一要求。 因此，液体蒸发制冷循环必须具备以下四四个个基基本本过过程程：低压下蒸发汽化、蒸气升压、高压气体液化

4、、高压液体降压。其中将低压蒸汽提高压力需要能量补偿。o液体汽化制冷液体汽化制冷根据抽取蒸气的方式不同，主要有4种液体汽化制冷方式。8/31/20248第一章第一章 制冷原理制冷原理o液体汽化制冷液体汽化制冷蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷蒸汽压缩式制冷系统由压压缩缩机机、冷冷凝凝器器、膨膨胀胀阀阀(毛毛细细管管)、蒸蒸发发器器组成，用管道将它们连接成一个密封系统。8/31/20249第一章第一章 制冷原理制冷原理制制冷冷剂剂液液体体在在蒸蒸发发器器内内以以与与被被冷冷却却对对象象发发生生热热交交换换，吸吸收收被被冷冷却却对对象象的的热热量量并并气气化化，产产生生的的低低压压蒸蒸汽汽被被压压缩缩机机

5、吸吸入入；经经压压缩缩后后排排出出高高温温高高压压气气态态制制冷冷剂剂进进冷冷凝凝器器，被被常常温温的的冷冷却却水水或或空空气气冷冷却却，凝凝结结成成高高压压液液体体；高高压压液液体体流流经经膨膨胀胀阀阀时时节节流流，变变成成低低压压低低温温的的气气液液两两相相混混合合物物，进进入入蒸蒸发发器器，其其中中的的液液态态制制冷冷剂剂在在蒸蒸发发器器中中蒸蒸发发制制冷冷；然然后后蒸蒸发发器器中中的的低低压压蒸蒸汽汽再再次次被被压压缩缩机机吸吸入入。如如此此周周而而复复始始，不断循环。不断循环。 o液体汽化制冷液体汽化制冷蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷8/31/202410第一章第一章 制冷原理制冷原理

6、 吸吸收收式式制制冷冷机机利利用用溶溶液液在在一一定定条条件件下下能能析析出出低低沸沸点点组组分分的的蒸蒸气气，在在另另一一种种条条件件下下又又能能吸吸收收低低沸沸点点组组分分这这一一特特性性完完成制冷循环。成制冷循环。 吸吸收收式式制制冷冷系系统统是是由由发发生生器器、冷冷凝凝器器、制制冷冷节节流流阀阀、蒸蒸发发器器、吸吸收收器器、溶溶液节流阀、溶液热交换器和溶液泵液节流阀、溶液热交换器和溶液泵组成。组成。o液体汽化制冷液体汽化制冷蒸气吸收式制冷蒸气吸收式制冷8/31/202411第一章第一章 制冷原理制冷原理 制制冷冷剂剂回回路路由由冷冷凝凝器器、制制冷冷剂剂节节流流阀阀、蒸蒸发发器器组组

7、成成。高高压压制制冷冷剂剂气气体体在在冷冷凝凝器器中中冷冷凝凝，产产生生的的高高压压制制冷冷剂剂液液体体经经节节流流后后到到蒸蒸发发器蒸发制冷。器蒸发制冷。 o液体汽化制冷液体汽化制冷蒸气吸收式制冷蒸气吸收式制冷整整个个系系统统包包括括两两个个回回路路：一一个个是是制制冷冷剂剂回回路路，一个是溶液回路。一个是溶液回路。 目目前前吸吸收收式式制制冷冷机机多多用用二二组组分分溶溶液液，习习惯惯上上称称低低沸沸点点组组分分为为制制冷冷剂剂，高高沸沸点点组组分分为为吸吸收收剂剂，二二者者合合称称为为工工质质对对。最最常常用用的的工工质质对对有有氨氨水水（氨氨为为制制冷冷剂剂）和和溴溴化化锂锂水水溶溶液

8、液（水水为为制冷剂）。制冷剂）。8/31/202412第一章第一章 制冷原理制冷原理 溶溶液液回回路路由由发发生生器器、吸吸收收器器、溶溶液液节节流流阀阀、溶溶液液热热交交换换器器和和溶溶液液泵泵组组成成。在在吸吸收收器器中中，吸吸收收剂剂吸吸收收来来自自蒸蒸发发器器的的低低压压制制冷冷剂剂气气体体，形形成成富富含含制制冷冷剂剂的的稀稀溶溶液液，并并泵泵送送到到发发生生器器，加加热热使使溶溶液液中中的的制制冷冷剂剂重重新新蒸蒸发发出出来来，送送入入冷冷凝凝器器。另另一一方方面面，产产生生的的浓浓溶溶液液经经冷冷却却、节节流流后后进进入入吸吸收收器器，吸吸收收来来自自蒸蒸发发器器的的低低压压制制

9、冷冷剂剂蒸蒸汽汽。吸吸收收过过程程中中伴伴随随释释放放吸吸收收热热，为为了了保保证证吸吸收收的的顺顺利利进进行行，需需要要冷冷却却吸吸收液。收液。o液体汽化制冷液体汽化制冷蒸气吸收式制冷蒸气吸收式制冷8/31/202413第一章第一章 制冷原理制冷原理与压缩式的共同点是：与压缩式的共同点是： 四个基本过程一样。四个基本过程一样。它们的不同点是：它们的不同点是：1)1)提供的能量不同。提供的能量不同。 压缩式消耗机械功，吸收式消耗热能。压缩式消耗机械功，吸收式消耗热能。2)2)吸取制冷剂蒸气的方式不同。吸取制冷剂蒸气的方式不同。 压压缩缩式式用用压压缩缩机机吸吸取取蒸蒸气气，吸吸收收式式用用吸吸

10、收收剂在吸收器内吸取制冷剂蒸气。剂在吸收器内吸取制冷剂蒸气。3)3)将将低低压压制制冷冷剂剂蒸蒸气气变变为为高高压压制制冷冷剂剂蒸蒸气气时时采取的方式不同。采取的方式不同。 压压缩缩式式通通过过压压缩缩机机完完成成，吸吸收收式式则则是是通通过过吸收器、溶液泵、发生器和节流阀完成。吸收器、溶液泵、发生器和节流阀完成。o液体汽化制冷液体汽化制冷蒸气吸收式制冷蒸气吸收式制冷8/31/202414第一章第一章 制冷原理制冷原理蒸蒸气气喷喷射射式式制制冷冷系系统统组组成成部部件件包包括括：喷喷射射器器、冷冷凝凝器器、蒸蒸发发器器、节节流流阀阀、泵泵。喷喷射射器器又又由由喷喷嘴嘴、吸吸入入室室、扩扩压压器

11、器三三个个部部分分组组成成。喷喷射射器器的的吸吸入入室室与与蒸蒸发发器器相相连连；扩压器于冷凝器相连。扩压器于冷凝器相连。o液体汽化制冷液体汽化制冷蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷8/31/202415第一章第一章 制冷原理制冷原理工工作作过过程程如如下下：锅锅炉炉产产生生的的高高温温高高压压工工作作蒸蒸气气进进入入喷喷嘴嘴，膨膨胀胀并并以以高高速速流流动动（流流速速可可达达1000m/s1000m/s以以上上），在在喷喷嘴嘴出出口口处处造造成成很很低低的的压压力力，使使蒸蒸发发器器中中的的水水汽汽化化，吸吸收收潜潜热热，使使未未汽汽化化的的水水温温度度降降低低（制制冷冷）产产生生低低温温水水。蒸

12、蒸发发器器中中产产生生的的水水蒸蒸气气与与工工作作蒸蒸气气在在喷喷嘴嘴出出口口处处混混合合，一一起起进进入入扩扩压压器器；在在扩扩压压器器中中流流速速降降低低压压力力升升高高；到到冷冷凝凝器器，被被冷冷却却水水冷冷却却为为液液态态水水后后分分两两路路：一一路路经经过过节节流流阀阀降降压压后后送送回回蒸蒸发发器器，继继续续蒸蒸发发制制冷冷；另另一一路路用用泵泵提提高高压压力力送送回回锅锅炉炉，重重新新加热产生工作蒸气。加热产生工作蒸气。o液体汽化制冷液体汽化制冷蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷8/31/202416第一章第一章 制冷原理制冷原理也也有有四四个个基基本本过过程程，其其喷喷射射器器相相当

13、当于于蒸蒸气气压压缩式的压缩机。缩式的压缩机。特特点点：以以热热能能为为补补偿偿能能量量形形式式；结结构构简简单单；加加工工方方便便；没没有有运运动动部部件件；使使用用寿寿命命长长，故故具具有有一一定定的的使使用用价价值值，例例如如用用于于制制取取空空调调所所需需的的冷冷水水。但但这这种种制制冷冷机机所所需需的的工工作作蒸蒸气气的的压压力力高高，喷喷射射器器的的流流动动损损失失大大，因因而而效效率率较较低。低。o液体汽化制冷液体汽化制冷蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷8/31/202417o液体汽化制冷液体汽化制冷吸附式制冷吸附式制冷第一章第一章 制冷原理制冷原理吸附现象吸附现象根据气体根据气体-

14、 -固体固体有无化学反应有无化学反应物物理理吸吸附附：是是气气体体分分子子在在范范德德瓦瓦尔尔力力作作用用下下向向吸吸附附剂剂运运动动，并并在在吸吸附附势势场场作作用用下下压压缩缩而而在在吸吸附附剂剂内内凝凝聚成液体的过程，没有化学反应。聚成液体的过程，没有化学反应。化化学学吸吸附附：吸吸附附剂剂和和被被吸吸附附的的气气体体或或液液体体相相互互接接触触时发生了化学反应，形成了化学键。时发生了化学反应，形成了化学键。吸吸附附制制冷冷的的工工作作介介质质是是吸吸附附剂剂- -制制冷冷剂剂工工质质对对。常常用用的的有有：活活性性炭炭- -甲甲醇醇（太太阳阳能能吸吸附附制制冷冷中中应应用用最最广广）、

15、沸沸石石- -水水、硅硅胶胶- -水水、金金属属氢氢化化物物- -氢氢（物物理理吸吸附附）、氯氯化化锶锶- -氨氨、氯氯化化钙钙- -氨氨（化化学学吸吸附）。附）。8/31/202418第一章第一章 制冷原理制冷原理o液体汽化制冷液体汽化制冷吸附式制冷吸附式制冷包包括括吸吸附附床床、冷冷凝凝器器和和蒸蒸发发器器。吸吸附附床床是是充充装装了了吸吸附附剂剂（沸沸石石）的的金金属属盒盒；制制冷剂液体（水）贮集在蒸发器中。冷剂液体（水）贮集在蒸发器中。白白天天，吸吸附附床床受受到到日日照照加加热热，沸沸石石温温度度升升高高，产产生生解解吸吸作作用用。从从沸沸石石中中脱脱附附出出水水蒸蒸气气，系系统统内

16、内的的水水蒸蒸气气压压力力上上升升，达达到到与与环环境境温温度度对对应应的的饱饱和和压压力力时时，水水蒸蒸气气在在冷冷凝凝器器中中凝凝结结，同同时时放放出出潜潜热热，凝凝水贮存在蒸发器中。水贮存在蒸发器中。8/31/202419第一章第一章 制冷原理制冷原理夜夜间间，吸吸附附床床冷冷下下来来，沸沸石石温温度度逐逐渐渐降降低低，它它吸吸附附水水蒸蒸气气的的能能力力逐逐步步提提高高，造造成成系系统统内内气气体体压压力力降降低低，同同时时，蒸蒸发发器器中中的的水水不不断断蒸蒸发发出出来来，用用以以补补充充沸沸石石对对水水蒸蒸气气的的吸吸附附。蒸蒸发发过过程程吸吸热热，达达到到制制冷的目的。冷的目的。

17、o液体汽化制冷液体汽化制冷吸附式制冷吸附式制冷8/31/202420第一章第一章 制冷原理制冷原理吸吸附附制制冷冷属属于于液液体体汽汽化化制制冷冷。与与蒸蒸气气压压缩缩式式制制冷冷机机相相类类比比，吸吸附附床床起起到到压压缩缩机机的的作作用用。但但上上述述吸吸附附系系统统只只能能间间歇歇制制冷冷。吸吸附附床床处处于于吸吸附附过过程程中中产产生生冷冷效效应应，吸吸附附结结束束后后必必须须有有一一个个解解析析过过程程使使吸吸附附剂剂状状态态还还原原，这这时时将将停停止止制制冷冷。为为了了连连续续制制冷冷，可可以以采采用用两个吸附床。两个吸附床。o液体汽化制冷液体汽化制冷吸附式制冷吸附式制冷气体加热

18、吸附床吸附床热风机冷凝器蒸发器冷风机热风机节流阀8/31/202421第一章第一章 制冷原理制冷原理吸吸附附制制冷冷的的循循环环速速率率受受吸吸附附床床传传热热传传质质特特性性的的制制约约。颗颗粒粒状状充充填填的的吸吸附附床床，其其传传热热过过程程缓缓慢慢，使使循循环环周周期期拉拉长长。为为了了提提高高制制冷冷循循环环速速率，在改善吸附床传热传质方面现采取的主要措施是：率，在改善吸附床传热传质方面现采取的主要措施是：1.1.将导热性好的铝粉和石磨加在吸附剂中。将导热性好的铝粉和石磨加在吸附剂中。2.2.将将吸吸附附剂剂成成型型加加工工，并并烧烧结结在在金金属属壁壁面面上上。这这样样做做一一来来

19、可可以以提提高高吸吸附附剂剂的的充充填填量量，增增加加单单位位体体积积的的吸吸附附能能力力；二二来来可可以以降降低低吸吸附附剂剂与金属壁面之间吸附剂与吸附剂之间的接触热阻。与金属壁面之间吸附剂与吸附剂之间的接触热阻。3.3.增大吸附床金属壁的热交换表面积。增大吸附床金属壁的热交换表面积。o液体汽化制冷液体汽化制冷吸附式制冷吸附式制冷8/31/202422第一章第一章 制冷原理制冷原理o液体汽化制冷液体汽化制冷吸附式吸附式制冷制冷吸吸附附剂剂/ /泡泡沫沫铝铝复复合合吸吸附附材材料料：使使用用体体积积比比10102020的的通通孔孔泡泡沫沫铝铝材材料料为为传传热热骨骨架架，复复合合沸沸石石颗颗粒

20、粒或或分分子子筛筛颗颗粒粒，使使其其导导热热性性能能大大幅幅提提高高，并并具具有有较较高高的的传传质质性性能能。对对于于使使用用沸沸石石或或分分子子筛筛吸吸附附床床的的吸吸附式制冷机可以大大减小吸附脱附时间，提高制冷机性能。附式制冷机可以大大减小吸附脱附时间，提高制冷机性能。8/31/202423第一章第一章 制冷原理制冷原理吸吸附附制制冷冷以以热热能能驱驱动动，可可利利用用低低品品位位热热能能；不不采采用用氟氟氯氯烃烃，无无CFCsCFCs问问题题，无无温温室室效效应应，对对环环境境友友好好；结结构构简简单单，无无运运动动部部件件，噪噪声声低低，寿命长，适用范围广。但效率低，体积大。寿命长，

21、适用范围广。但效率低，体积大。目目前前，吸吸附附制制冷冷已已开开始始工工业业化化生生产产，并并有有少少量量产产品品进进入入市市场场：（1 1）发发动动机机余余热热驱驱动动的的吸吸附附式式空空调调，可可用用于于大大客客车车、中中巴巴和和小小轿轿车车、火火车。（车。（2 2）太阳能吸附式冰箱。）太阳能吸附式冰箱。o液体汽化制冷液体汽化制冷吸附式制冷吸附式制冷8/31/202424第一章第一章 制冷原理制冷原理气气体体膨膨胀胀制制冷冷是是利利用用高高压压气气体体的的绝绝热热膨膨胀胀来来达达到到低低温温，并并利利用用膨膨胀胀后的气体在低压下的复热过程来制冷的。后的气体在低压下的复热过程来制冷的。o气体

22、膨胀制冷气体膨胀制冷由于气体绝热膨胀的设备不同，一般有两种方式由于气体绝热膨胀的设备不同，一般有两种方式: :一一种种是是将将高高压压气气体体经经膨膨胀胀机机膨膨胀胀，有有外外功功输输出出，因因而而气气体体的的温温降降大大，制冷量也大，但膨胀机结构比较复杂；制冷量也大，但膨胀机结构比较复杂；另另一一种种方方式式是是令令气气体体经经节节流流阀阀膨膨胀胀，无无外外功功输输出出，气气体体的的温温降降小小，制冷量也小，但节流阀的结构比较简单，便于进行气体流量的调节。制冷量也小，但节流阀的结构比较简单，便于进行气体流量的调节。8/31/202425第一章第一章 制冷原理制冷原理布布雷雷顿顿( (Bray

23、tonBrayton) )制制冷冷循循环环又又称称焦焦耳耳(Joule)(Joule)循循环环或或气气体体制制冷冷机机循循环环，是是以以气气体体为为工工质质的的制制冷冷循循环环，其其工工作作过过程程包包括括等等熵熵压压缩缩，等等压压冷冷却却，等等熵熵膨膨胀胀及及等等压压吸吸热热四四个个过过程程，这这与与蒸蒸气气压压缩缩式式制制冷冷机机的的四四个个工工作作过过程程相相近近，两两者者的的区区别别在在于于工工质质在在布布雷雷顿顿循循环环中中不不发发生生集集态态改改变变( (相相变变) )。根根据据不不同同的的使使用用目目的的，工工质质可可以以是是空空气气，COCO2 2，N N2 2，He He 等

24、气体。等气体。o气体膨胀制冷气体膨胀制冷布雷顿制冷循环布雷顿制冷循环 8/31/202426第一章第一章 制冷原理制冷原理为为了了提提高高制制冷冷效效率率，通通常常采采用用回回热热循循环环：所所谓谓回回热热就就是是把把由由冷冷箱箱返返回回的的冷冷气气流流引引入入一一个个热热交交换换器器“回回热热器器”，用用来来冷冷却却从从冷冷却却器器来来的的高高压压常常温温气气流流，使使其其温温度度进进一一步步降降低低，而而从从冷冷箱箱返返回回的的气气流流则则被被加加热热，温温度度升升高高。这这样样就就使使压压缩缩机机的的吸吸气气温温度升高，降低压缩机的压力比。度升高，降低压缩机的压力比。o气体膨胀制冷气体膨

25、胀制冷布雷顿制冷循环布雷顿制冷循环 8/31/202427第一章第一章 制冷原理制冷原理18161816年年斯斯特特林林( (stirlingstirling) )提提出出了了一一种种由由两两个个等等温温过过程程和和两两个个等等容容回回热热过过程程组组成成的的闭闭式式热热力力学学循循环环，称称为为斯特林循环，也称为定容回热循环。斯特林循环，也称为定容回热循环。o气体膨胀制冷气体膨胀制冷斯特林制冷循环斯特林制冷循环 8/31/202428第一章第一章 制冷原理制冷原理等等温温压压缩缩过过程程1 12 2：压压缩缩活活塞塞向向左左移移动动而而膨膨胀胀活活塞塞不不动动。气气体体被被等等温温压压缩缩，

26、压压缩缩热热经经冷冷却却器器A传传给给冷冷却却介介质质，温温度度不不变变，压压力力升升高高，同同时时容容积减小。积减小。o气体膨胀制冷气体膨胀制冷斯特林制冷循环斯特林制冷循环定定容容放放热热过过程程2 23 3：两两个个活活塞塞同同时时向向左左移移动动，气气体体的的容容积积保保持持不不变变，直直至至压压缩缩活活塞塞到到达达左左止止点点。当当气气体体通通过过回回热热器器R时时，将将热热量量传传给给填填料料，因而温度因而温度下降，同时压力降低下降，同时压力降低。8/31/202429第一章第一章 制冷原理制冷原理等等温温膨膨胀胀过过程程3 34 4：压压缩缩活活塞塞停停止止在在左左止止点点，而而膨

27、膨胀胀活活塞塞继继续续向向左左移移动动，直直至至左左止止点点，气气体体进进行行等等温温膨膨胀胀，通通过过冷冷量量换换热热器器C从从低低温温热热源源吸吸收热量。容积增大而压力收热量。容积增大而压力降低。降低。o气体膨胀制冷气体膨胀制冷斯特林制冷循环斯特林制冷循环定定容容吸吸热热过过程程4 41 1：两两个个活活塞塞同同时时向向右右移移动动直直至至右右止止点点, ,气气体体容容积积保保持持不不变变，回回复复到到起起始始位位置置。当当气气体体流流经经时时回回热热器器填填料料R时时吸吸热热，温温度度升升高高，同时压力增加，同时压力增加。8/31/202430第一章第一章 制冷原理制冷原理热热电电制制冷

28、冷的的理理论论基基础础是是固固体体的的热热电电效效应应，在在无无外外磁磁场场存存在在时时，它它包包括括五五个个效效应应：导导热热、焦焦耳耳热热损损失失、塞塞贝贝克克( (SeebeckSeebeck) )效效应应、帕帕尔尔帖帖( (PeltirePeltire) )效应和汤姆逊效应和汤姆逊(Thomson)(Thomson)效应效应。o热电制冷热电制冷热热电电制制冷冷又又称称作作温温差差电电制制冷冷，或或半半导导体体制制冷冷，它它主主要要是是利利用用热热电电效效应中的帕尔帖效应的一种制冷方法。应中的帕尔帖效应的一种制冷方法。8/31/202431第一章第一章 制冷原理制冷原理o热电制冷热电制冷

29、热电效应热电效应1.1.塞贝克塞贝克效应效应( (SeebeckSeebeck Effect) ( Effect) (西伯克西伯克效应效应 )18211821年年，德德国国人人T.J.T.J.SeebeckSeebeck发发现现两两种种不不同同导导体体组组成成的的开开路路中中，如如果果导导体体的的两两个个结结点点存存在在温温度度差差，这这开开路路中中将将产产生生电电动动势势E E。这这就就是是塞贝克效应。由于塞贝克效应而产生的电动势称作温差电动势。塞贝克效应。由于塞贝克效应而产生的电动势称作温差电动势。V=aT V=aT 式中式中:V:V为温差电动势；为温差电动势；a a为温差电动势率为温差电

30、动势率( (塞贝克系数塞贝克系数) ) T T为接点之间的温差为接点之间的温差 热热电电偶偶测测温温及及温温差差发发电电就就是是利利用用塞塞贝克效应贝克效应8/31/202432第一章第一章 制冷原理制冷原理2. 2. 帕尔帖效应帕尔帖效应 ( (P Peltireeltire Effect Effect) )18341834年年，法法国国人人Jean Jean Charles Charles PeltierPeltier发发现现电电流流流流过过两两种种不不同同导导体体的的界界面面时时，将将从从外外界界吸吸收收热热量量，或或向向外外界界放放出出热热量量。这这就就是是帕帕尔尔帖帖效应。由帕尔帖效

31、应产生的热流量称作帕尔帖热。效应。由帕尔帖效应产生的热流量称作帕尔帖热。o热电制冷热电制冷热电效应热电效应对对帕帕尔尔帖帖效效应应的的物物理理解解释释是是：电电荷荷载载体体在在导导体体中中运运动动形形成成电电流流。由由于于电电荷荷载载体体在在不不同同的的材材料料中中处处于于不不同同的的能能级级，当当它它从从高高能能级级向向低低能能级级运运动动时时，便便释释放放出出多多余余的的能能量量；相相反反，从从低低能能级级向向高高能能级级运运动动时时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。8/31/202433第一章第一章

32、制冷原理制冷原理3 3. . 汤姆逊效应汤姆逊效应(T(Thomsonhomson Effect) Effect)18451845年年，英英国国物物理理学学家家William William ThomsonThomson发发现现若若电电流流流流过过有有温温度度梯梯度度的的导导体体时时，原原由由的的温温度度分分布布将将被被破破坏坏，为为了了维维持持原原有有的的温温度度分分布布，导导体体将将吸吸收收或或放放出出热热量量。这这就就是是汤汤姆姆逊逊效效应应。由由汤汤姆姆逊逊效效应应产产生生的的热流量称作汤姆逊热。热流量称作汤姆逊热。o热电制冷热电制冷热电效应热电效应8/31/202434第一章第一章

33、制冷原理制冷原理4 4. . 焦耳焦耳效应效应( (JouleJoule Effect) Effect)18411841年年，物物理理学学家家JouleJoule发发现现电电流流在在导导体体中中通通过过时时，产产生生热热量量。这这就就是焦耳效应。由焦耳效应产生的热流量称作焦耳热。是焦耳效应。由焦耳效应产生的热流量称作焦耳热。o热电制冷热电制冷热电效应热电效应5 5. . 傅立叶傅立叶效应效应(Fourier(Fourier Effect) Effect)即热传导。在介质中由于存在温度梯度而产生的热量的传输。即热传导。在介质中由于存在温度梯度而产生的热量的传输。8/31/202435第一章第一章

34、 制冷原理制冷原理o热电制冷热电制冷由由于于金金属属材材料料的的帕帕尔尔帖帖效效应应很很弱弱，因因此此长长久久以以来来热热电电制制冷冷并并未未得得到到发发展展和和应应用用。到到2020世世纪纪5050年年代代左左右右，由由于于半半导导体体材材料料帕帕尔尔帖帖效效应应显显著著，才才随随着着半半导导体体材材料料的的发发展展而而迅迅速速发发展展，因因此此现现在在也也称称为为半半导体制冷。导体制冷。为为了了获获得得更更低低的的制制冷冷温温度度( (或或更更大大的的温温差差) )可可以以采采用用多多级级热热电电制制冷冷。它它由由单单级级电电堆堆联联结结而而成成。前前一一级级的冷端是后一级热端的散热器。的

35、冷端是后一级热端的散热器。PNIPNNPPN8/31/202436第一章第一章 制冷原理制冷原理o热电制冷热电制冷由由于于金金属属材材料料的的帕帕尔尔帖帖效效应应很很弱弱，因因此此长长久久以以来来热热电电制制冷冷并并未未得得到到发发展展和和应应用用。到到2020世世纪纪5050年年代代左左右右，由由于于半半导导体体材材料料帕帕尔尔帖帖效效应应显显著著，才才随随着着半半导导体体材材料料的的发发展展而而迅迅速速发发展展，因因此此现现在在也也称称为为半半导体制冷。导体制冷。为为了了获获得得更更低低的的制制冷冷温温度度( (或或更更大大的的温温差差) )可可以以采采用用多多级级热热电电制制冷冷。它它由

36、由单单级级电电堆堆联联结结而而成成。前前一一级级的冷端是后一级热端的散热器。的冷端是后一级热端的散热器。8/31/202437第一章第一章 制冷原理制冷原理半导体制冷特点：半导体制冷特点：结结构构简简单单，对对环环境境要要求求低低；无无机机械械运运动动部部件件，无无噪噪音音，无无磨磨损损，可可靠靠性性高高；无无制制冷冷剂剂；制制冷冷迅迅速速，切切换换电电流流方方向向既既可可实实现现制制冷冷/ /热热转转换换，调调节节电电流流大大小小即即可可调调节节制制冷冷量量；大大小形状可变，可任意排布。小形状可变，可任意排布。制冷效率低，价格高，而且必须使用直流电源。制冷效率低，价格高，而且必须使用直流电源

37、。o热电制冷热电制冷目目前前主主要要应应用用于于：电电子子器器件件冷冷却却、精精密密恒恒温温器器、冷冷冻冻治治疗疗仪、便携冰箱、高真空冷阱、露点仪、宇航、潜水服等仪、便携冰箱、高真空冷阱、露点仪、宇航、潜水服等8/31/202438第一章第一章 制冷原理制冷原理o涡流管制冷涡流管制冷涡涡流流管管制制冷冷是是使使用用压压缩缩气气体体产产生生涡涡流流运运动动并并分分离离成成冷冷、热热两部分。利用分离出的冷气流即可制冷。两部分。利用分离出的冷气流即可制冷。19331933年年，由由法法国国人人兰兰克克(George (George RanqueRanque) )首首先先发发明明，因因此此又又称称兰兰

38、克克管管。涡涡流流管管结结构构简简单单，维维护护方方便便，启启动动快快，能能达达到到比比较较低低的的温温度度。其其主主要要缺缺点点是是效效率率低低、气气流流噪噪声声大大。故故涡流管只宜用于那些不经常使用的小型低温试验设备。涡流管只宜用于那些不经常使用的小型低温试验设备。8/31/202439第一章第一章 制冷原理制冷原理o涡流管制冷涡流管制冷涡涡流流管管由由喷喷嘴嘴、涡涡流流室室、孔孔板板、管管子子和和控控制制阀阀组组成成。涡涡流流室室将将管管子子分分为为冷冷端端和和热热端端两两部部分分。孔孔板板在在涡涡流流室室与与冷冷端端管管子子之之间间。喷喷嘴嘴与与涡涡流流室室相相切切。热热端端管管子子出

39、出口口处处装装控控制制阀阀。控控制制阀阀控控制制热热端端管管子子中中气气体体的的压压力力，从从而而控控制制冷冷暖暖两两股股气气流的流量和温度。流的流量和温度。孔板孔板喷嘴喷嘴涡流室涡流室控制阀控制阀8/31/202440第一章第一章 制冷原理制冷原理o涡流管制冷涡流管制冷常常温温下下的的压压缩缩气气体体进进入入喷喷嘴嘴，并并加加速速，进进入入涡涡流流室室后后产产生生自自由由涡涡旋旋运运动动。气气体体温温度度上上升升，沿沿热热端端管管子子移移动动至至热热端端。热热端端端端口口有有控控制制阀阀，允允许许外外圈圈部部分分热热气气流流留留出出，其其余余气气流流反反向向形形成成中中心心低低压压二二次次涡

40、涡流流。当当两两股股气气流流反反向向运运动动时时，由由于于角角动动量量守守恒恒，内内部部小小涡涡旋旋气气流流角角速速度度应应当当增增大大，但但在在涡涡流流管管内内却却保保持持不不变变，以以相相同同的的角角速速度度同同一一方方向向旋旋转转，角角动动量量损损失失，有有气气体体向向外外圈圈扩扩散散，相相当当于于气气体体膨膨胀胀，因因此此温温度度降降低低，成成为为冷气流，而外圈相当于气体压缩，温度升高，成为热气流。冷气流，而外圈相当于气体压缩，温度升高，成为热气流。8/31/202441第一章第一章 制冷原理制冷原理o涡流管制冷涡流管制冷目前涡流管制冷主要用于：目前涡流管制冷主要用于：1.1.冷冷风风

41、枪枪（冷冷却却金金属属切切削削、钻钻孔孔及及研研磨磨的的车床上，可免掉液体冷冻液）车床上，可免掉液体冷冻液）2.2.工人的个人冷却工人的个人冷却3.3.电子器件冷却电子器件冷却4.4.小型低温实验设备小型低温实验设备8/31/202442第一章第一章 制冷原理制冷原理热声制冷技术的理论基础是热声效应。所谓热声效应，是热声制冷技术的理论基础是热声效应。所谓热声效应，是指热和声之间的相互作用。声介质在作机械振荡的同时经指热和声之间的相互作用。声介质在作机械振荡的同时经历了一个热力学循环过程，在适当条件下，循环的结果将历了一个热力学循环过程，在适当条件下，循环的结果将能实现热能与机械能间的相互转换，

42、产生制冷效果。能实现热能与机械能间的相互转换，产生制冷效果。热热声声制制冷冷是是根根据据热热声声相相互互作作用用，由由压压力力波波动动引引起起温温度度波波动动，并通过一定装置（板叠）将其增强，从而产生制冷作用。并通过一定装置（板叠）将其增强，从而产生制冷作用。o热声制冷热声制冷热声制冷是热声制冷是2020世纪世纪8080年代初才被提出的一种新型制冷方式。年代初才被提出的一种新型制冷方式。8/31/202443第一章第一章 制冷原理制冷原理o热声制冷热声制冷基基本本原原理理如如右右图图。考考察察声声场场中中单单个个气气团团的的热热力力过过程程，过过程程1 1中中气气团团在在压压力力波波的的作作用

43、用下下自自右右向向左左运运动动，由由于于被被压压缩缩，体体积积减减小小温温度度上上升升，并并高高于于板板叠叠温温度度，因因而而过过程程2 2气气团团向向板板叠叠放放热热，于于是是体体积积继继续续减减小小；然然后后，过过程程3 3中中气气团团向向右右运运动动，此此时时气气团团膨膨胀胀，温温度度降降低低，且且低低于于板板叠叠温温度度，因因而而过过程程4 4气气团团从从板板叠叠吸吸热热。从从而而构构成成一一个个制制冷冷循循环环。把把沿沿板板叠叠长长度度方方向向上上的的气气体体看看作作一一个个传传递递热热量量的的气气团团链链，这这样样就就可可实实现现从从板板叠的冷段到热端的热量传递过程。叠的冷段到热端

44、的热量传递过程。1234板叠板叠8/31/202444第一章第一章 制冷原理制冷原理o热声制冷热声制冷热热声声制制冷冷机机主主要要由由声声波波发发生生器器、换热器、板叠、共振腔换热器、板叠、共振腔4 4部分组成。部分组成。和和传传统统的的蒸蒸气气压压缩缩式式制制冷冷相相比比它它的的优优点点很很明明显显（l l）它它所所用用的的工工质质是是对对环环境境没没有有危危害害作作用用的的惰惰性性气气体体如如氦氦，氖氖等等；（2 2）结结构构设设计计简简单单紧紧凑凑，价价格格便便宜宜，寿寿命命长长；（3 3）运运动动部部件件少少不不需需要要润润滑滑油油；（4 4）没有压缩机，能够实现噪声很小或无声音。）没

45、有压缩机，能够实现噪声很小或无声音。但效率较低，能量密度低。但效率较低，能量密度低。8/31/202445第一章第一章 制冷原理制冷原理o热声制冷热声制冷热热声声制制冷冷机机声声波波产产生生的的方方式式主主要要有有：电电磁磁驱驱动动（包包括括扬扬声声器器和和线线性性电电机机）；热热声声驱驱动动（包包括括电电加加热热、废热、燃气、太阳能等）。废热、燃气、太阳能等）。目目前前已已经经用用于于军军舰舰雷雷达达电电子子系系统统冷冷却却、太太空空电电子子器器件件冷冷却却、天天然然气气液液化化、气气体分离、家用冰箱等体分离、家用冰箱等8/31/202446第一章第一章 制冷原理制冷原理o制冷的基本热力学原

46、理制冷的基本热力学原理从从热热力力学学角角度度来来说说，制制冷冷/ /热热泵泵系系统统是是利利用用逆逆向向循循环环的的能能量量转转换换系系统统。按按补补偿偿能能量量的的形形式式，主主要要的的制制冷冷方方法法可可分分为为两两类类：以以机机械械能能或或电电能能为为补补偿偿（如如蒸蒸气气压压缩缩式式、热热电电式式等等），以以热热能能为为补补偿偿的的（如吸收式、吸附式等）。（如吸收式、吸附式等）。制冷机的能量转换关系制冷机的能量转换关系(a) (a) 以电能或机械能驱动的制冷机以电能或机械能驱动的制冷机 (b) (b) 以热能驱动的制冷机以热能驱动的制冷机8/31/202447对对于于机机械械或或电电

47、驱驱动动方方式式的的制制冷冷机机引引入入制制冷冷系系数数来来衡衡量量；对对于热能驱动方式的制冷机，引入热力系数于热能驱动方式的制冷机，引入热力系数来衡量：来衡量： (1)(1) (2)(2)式中：式中： Q0 - - 制冷机的制冷量；制冷机的制冷量； W - - 制冷机的输入功；制冷机的输入功； Qg - - 驱动热源向制冷机输入的热量。驱动热源向制冷机输入的热量。国国际际上上习习惯惯将将制制冷冷系系数数和和热热力力系系数数统统称称为为制制冷冷机机的的性性能能系系数数COP (Coefficient of Performance)COP (Coefficient of Performance)

48、第一章第一章 制冷原理制冷原理o制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理8/31/202448对对于于以以电电能能或或机机械械能能驱驱动动的的制制冷冷机机，假假定定热热源源为为恒恒温温热热源源，制制冷冷机机为为可可逆逆循环。循环。根据热力学第一定律有：根据热力学第一定律有：Q0+W=Qa (3)(3)根据热力学第二定律有：根据热力学第二定律有： (4)(4) 可逆制冷机的制冷系数为：可逆制冷机的制冷系数为： (5)(5)第一章第一章 制冷原理制冷原理o制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理此此式式说说明明：两两恒恒温温热热源源间间工工作作的的可可逆逆制制冷冷机机，其其制制冷冷系系数数只只与与

49、热热源源温温度度有有关关，而而与与制制冷冷机机使使用用的的制制冷冷剂剂性性质质无无关关。 maxmax的的值值与与两两热热源源温温度度的的接接近近程程度度有有关关，二二者者越越接接近近，则则maxmax越越大大，反反之之越越小小。实实际际制制冷冷机机制制冷冷系系数随热源温度的变化趋势与可逆机是一致的。数随热源温度的变化趋势与可逆机是一致的。8/31/202449对于以热能驱动的制冷机，假定热源为恒温热源，制冷机为可逆循环。对于以热能驱动的制冷机，假定热源为恒温热源，制冷机为可逆循环。根根据据热热力力学学第第一一定定律律有有：Qa=Q0+Qg (6)(6)根据热力学第二定律有：根据热力学第二定律

50、有： (7)(7)热能驱动热能驱动可逆制冷机的热力系数为：可逆制冷机的热力系数为： (8)(8)第一章第一章 制冷原理制冷原理o制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理上上式式右右边边第第一一个个因因子子为为工工作作在在TaTa和和TcTc之之间间的的可可逆逆机机械械制制冷冷机机的的制制冷冷系系数数maxmax，而而第第二二个个因因子子为为工工作作在在TgTg和和TaTa之之间间的的可可逆逆热热机机的的热热效效率率。故故相相当当于于用用一一个个可可逆逆热热机机，将将驱驱动动热热源源的的热热量量QgQg转转换换成成机机械械功功W W，再再去去驱驱动动一一个个可可逆机械制冷机。逆机械制冷机。8/3

51、1/202450第一章第一章 制冷原理制冷原理o制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理上上式式右右边边第第一一个个因因子子为为工工作作在在TaTa和和TcTc之之间间的的可可逆逆机机械械制制冷冷机机的的制制冷冷系系数数maxmax，而而第第二二个个因因子子为为工工作作在在TgTg和和TaTa之之间间的的可可逆逆热热机机的的热热效效率率。故故相相当当于于用用一一个个可可逆逆热热机机，将将驱驱动动热热源源的的热热量量QgQg转转换换成成机机械械功功W W，再再去去驱驱动动一一个个可可逆机械制冷机。逆机械制冷机。8/31/202451第一章第一章 制冷原理制冷原理这同时也说明这同时也说明和和在数量

52、上不具可比性，因为补偿能在数量上不具可比性，因为补偿能W W与与Q Q的品位不同。的品位不同。同同样样说说明明，热热能能驱驱动动的的可可逆逆制制冷冷机机的的性性能能系系数数（或或热热力力系系数数）也也只只与与热热源源的的温温度度有有关关，而而与与工工质质的的性性质质无无关关。TgTg越越高高（驱驱动动热热源源的的品品位位越越高高）、TaTa与与TcTc越接近，则越接近，则maxmax越大；反之越小。越大；反之越小。o制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理8/31/202452第一章第一章 制冷原理制冷原理o制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理对对于于一一个个制制冷冷系系统统，性性能能系系

53、数数COPCOP（和和）值值越越大大，循循环环越越经经济济，但但性性能能系系数数和和热热源源温温度度有有关关，因因此此对对于于不不同同制制冷冷机机的的循循环环性性能能进进行行比比较较时时，必须是同类制冷机在相同的热源工况下。此时，必须是同类制冷机在相同的热源工况下。此时，COPCOP大的性能好。大的性能好。对于不同类型的制对于不同类型的制冷机在不同工况下，冷机在不同工况下，如何比较性能的高如何比较性能的高低？低？8/31/202453引引入入制制冷冷循循环环热热力力完完善善度度进进行行评评价价。定定义义为为实实际际制制冷冷机机的的效效率率与与工工作作在相同热源下的逆卡诺机的效率之比：在相同热源

54、下的逆卡诺机的效率之比：对于机械能或电能驱动的制冷机对于机械能或电能驱动的制冷机 (9)(9)对于热能驱动的制冷机对于热能驱动的制冷机 (10)(10) 一一定定热热源源条条件件下下的的制制冷冷机机性性能能系系数数的的最最大大值值COPCOPmaxmax是是评评价价实实际际制制冷冷机机性性能能的的基基准准值值。实实际际制制冷冷循循环环总总有有不不可可逆逆损损失失，而而热热力力完完善善度度越越大大，说说明循环的热力学的不可逆损失越小，性能就越好。明循环的热力学的不可逆损失越小，性能就越好。第一章第一章 制冷原理制冷原理o制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理8/31/202454C CO OP

55、 P和和 的的 区区 别别第一章第一章 制冷原理制冷原理o制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理COPCOP反反映映制制冷冷循循环环中中收收益益能能与与补补偿偿能能之之间间的的在在数数量量上上的的比比值值，不不涉涉及及二二者者的的能能量量品品位位，数数值值可可以以大大于于1 1、小小于于1 1、等于等于1 1。反反应应制制冷冷循循环环趋趋于于热热力力学学完完善善（可可逆逆）的的程程度度，数数值值小于小于1 1。用用COPCOP值值比比较较实实际际制制冷冷机机的的循循环环性性能能时时，必必须须是是同同类类制制冷冷机机，并并以以相相同同工工况况为为前前提提才具有可比性。才具有可比性。用用作作为为

56、评评价价指指标标，对对任任意意实实际际制制冷冷机机在在循循环环的的热热力力学学经济性方面都具可比性。经济性方面都具可比性。8/31/202455对对于于消消耗耗机机械械功功或或电电能能的的热热泵泵，其其性性能能系系数数又又叫叫做做制制热热系系数数，即即制制热热量量与输入功的比值：与输入功的比值： (11) (11) 此式表明此式表明h h恒大于恒大于1 1。因此使用此类热泵供暖经济节能。因此使用此类热泵供暖经济节能。同样，热力完善度定义为：同样，热力完善度定义为： (12)(12)热泵的性能系数和热力完善度热泵的性能系数和热力完善度第一章第一章 制冷原理制冷原理o制冷的基本热力学原理制冷的基本

57、热力学原理对于消耗热能的热泵的性能系数为：对于消耗热能的热泵的性能系数为： (13)(13)不一定恒大于不一定恒大于1 1。热力完善度：热力完善度： (14)(14)8/31/202456实实际际循循环环与与理理想想的的逆逆卡卡诺诺循循环环有有很很大大差差别别，最最明明显显的的是是工工质质在在吸吸热热、放放热热总总存存在在着着温温差差，这这就就使使得得实实际际制制冷冷机机的的制制冷冷系系数数低低于于在在同同样样热热源源下下工工作作的的理理想想逆卡诺制冷机。逆卡诺制冷机。有限温差传热下的制冷系数有限温差传热下的制冷系数第一章第一章 制冷原理制冷原理o制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理8/3

58、1/202457实实际际循循环环与与理理想想的的逆逆卡卡诺诺循循环环有有很很大大差差别别，最最明明显显的的是是工工质质在在吸吸热热、放放热热总总存存在在着着温温差差，这这就就使使得得实实际际制制冷冷机机的的制制冷冷系系数数低低于于在在同同样样热热源源下下工工作作的的理理想想逆卡诺制冷机。逆卡诺制冷机。有限温差传热下的制冷系数有限温差传热下的制冷系数第一章第一章 制冷原理制冷原理实际实际制冷机制冷机WQ0Qc冷凝器温度冷凝器温度Tk蒸发器温度蒸发器温度T0逆卡诺逆卡诺制冷机制冷机W0Q0Qc热源温度热源温度Ta冷源温度冷源温度TcQ0Qc冷凝温冷凝温差差Tk蒸发温蒸发温差差T0o制冷的基本热力学

59、原理制冷的基本热力学原理8/31/202458当当仅仅考考虑虑传传热热温温差差的的不不可可逆逆损损失失而而把把其其它它过过程程认认为为是是可可逆过程时，制冷系数为：逆过程时，制冷系数为：有限温差传热下的制冷系数有限温差传热下的制冷系数第一章第一章 制冷原理制冷原理o制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理实际实际制冷机制冷机WQ0Qc冷凝器温度冷凝器温度Tk蒸发器温度蒸发器温度T0逆卡诺逆卡诺制冷机制冷机W0Q0Qc热源温度热源温度Ts冷源温度冷源温度TcQ0Qc冷凝温冷凝温差差Tk蒸发温蒸发温差差T0减少换热器的传热温差可提高制冷系数减少换热器的传热温差可提高制冷系数,请问减少何者温差提高更明显请问减少何者温差提高更明显?8/31/202459最大制冷系数为最大制冷系数为: :热力完善度为热力完善度为: :有限温差传热下的制冷系数有限温差传热下的制冷系数第一章第一章 制冷原理制冷原理实际实际制冷机制冷机WQ0Qc冷凝器温度冷凝器温度Tk蒸发器温度蒸发器温度T0逆卡诺逆卡诺制冷机制冷机W0Q0Qc热源温度热源温度Ts冷源温度冷源温度TcQ0Qc冷凝温冷凝温差差Tk蒸发温蒸发温差差T0o制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理8/31/202460