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1、制冷与低温技术原理制冷与低温技术原理第第 1 1 章章 绪绪 论论第第 1 1 章章 绪绪 论论内容要求： 制冷的根本概念 制冷和低温技术的研讨内容 制冷和低温技术的运用 制冷和低温技术的开展历史 制冷和低温技术的热力学根底1.1 制冷的根本概念制冷的根本概念 1.1.1 制冷制冷: 是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将 某物体冷却，使其温度降低到环境温度以下，并保某物体冷却，使其温度降低到环境温度以下，并保 持这个温度。持这个温度。1制冷不同于自然冷却。制冷不同于自然冷却。2制冷的实现必需包括耗费能量的补偿制冷的实现必需包括耗费能量的补偿 过程。过
2、程。阐明阐明3制冷就是从物体中汲取热量，并将制冷就是从物体中汲取热量，并将 热量排放到环境介质中去，以产生热量排放到环境介质中去，以产生 低于环境温度的过程。低于环境温度的过程。 1.1.2 制冷机：制冷机： 机械制冷中所必需的机器和设备的总和。机械制冷中所必需的机器和设备的总和。 1.1.3 制冷设备：制冷设备： 紧缩式制冷机：紧缩式制冷机： 紧缩机紧缩机紧缩机紧缩机 蒸发器蒸发器蒸发器蒸发器 冷凝器冷凝器冷凝器冷凝器节流机构节流机构节流机构节流机构辅助设备辅助设备辅助设备辅助设备 发生器发生器发生器发生器 蒸发器蒸发器蒸发器蒸发器 冷凝器冷凝器冷凝器冷凝器节流机构等节流机构等节流机构等节流
3、机构等 吸收器吸收器吸收器吸收器 吸收式制冷机：吸收式制冷机： 1.1.4 制冷剂：制冷剂： 制冷机中所运用的任务介质。制冷机中所运用的任务介质。1制冷剂在制冷机中循环流动，同时与制冷剂在制冷机中循环流动，同时与 外界发生能量交换，即不断地从被冷外界发生能量交换，即不断地从被冷 却介质中汲取热量，向环境放出热量，却介质中汲取热量，向环境放出热量， 从而实现制冷的目的。从而实现制冷的目的。2制冷剂必需在任务温度范围内可以制冷剂必需在任务温度范围内可以 汽化和冷凝。汽化和冷凝。 1.1.5 制冷循环: 制冷剂一系列形状变化过程的综合。阐明阐明 1.1.6 制冷技术划分领域制冷技术划分领域图图1-1
4、 1-1 低温温度范围低温温度范围 按照所获得的温度：按照所获得的温度： 普通制冷普通制冷普通制冷普通制冷 120K 120K以上以上以上以上 深度制冷深度制冷深度制冷深度制冷 1200.3K 1200.3K 超低温制冷超低温制冷超低温制冷超低温制冷 0.3K 0.3K以下以下以下以下 学术用语的一致学术用语的一致学术用语的一致学术用语的一致120K-80K120K-80K液化天然气温度液化天然气温度LNGLNG温度温度空气分别温度氮，氧，氩空气分别温度氮，氧，氩 100K 100K 60K-63K 60K-63K 氮温度氮液化温度氮温度氮液化温度氮温度氮液化温度氮温度氮液化温度 22K-14
5、K 22K-14K 氢温度氢液化温度氢温度氢液化温度氢温度氢液化温度氢温度氢液化温度 5.2K-1K 5.2K-1K 氦氦-4-4温度，氦温度，氦-3-3温度温度 液液4He, 4He, 液液3He3He温度温度) ) 2K 2K 氦氦氦氦-4-4负压抽气负压抽气负压抽气负压抽气, ,得超流氦相得超流氦相得超流氦相得超流氦相 He-II He-II 1K 1K以下以下 超低温超低温ULTULT1.2 制冷和低温技术的研讨内容制冷和低温技术的研讨内容研讨内容概括为四个方面：研讨内容概括为四个方面： 研讨获得低于环境温度的方法，机理以及与此相应的循环，并对循环进展热力学分析和计算。 研讨制冷剂的性
6、质，从而为制冷机提供适宜的工研讨制冷剂的性质，从而为制冷机提供适宜的工 作介质。作介质。 研讨所需的各种机械和设备，包括它们的任务原研讨所需的各种机械和设备，包括它们的任务原 理，性能分析，构造设计，热绝缘问题，安装的理，性能分析，构造设计，热绝缘问题，安装的 自动化问题等。自动化问题等。 研讨气体的液化和分别技术。研讨气体的液化和分别技术。1.3 制冷和低温技术的运用制冷和低温技术的运用 商业及人民生活商业及人民生活商业及人民生活商业及人民生活 工业消费及农牧业工业消费及农牧业工业消费及农牧业工业消费及农牧业 建筑工程建筑工程建筑工程建筑工程 科学研讨科学研讨科学研讨科学研讨 医疗卫生医疗卫
7、生医疗卫生医疗卫生 空间技术空间技术空间技术空间技术 低温物理研讨低温物理研讨低温物理研讨低温物理研讨 商业及人民生活商业及人民生活商业及人民生活商业及人民生活 商业制冷：各类食品的冷加工，冷藏储存，冷藏运输商业制冷：各类食品的冷加工，冷藏储存，冷藏运输商业制冷：各类食品的冷加工，冷藏储存，冷藏运输商业制冷：各类食品的冷加工，冷藏储存，冷藏运输食品冷加工车间食品冷加工车间食品冷加工车间食品冷加工车间冷库物流冷库物流冷库物流冷库物流冷藏车冷藏车冷藏车冷藏车冷藏库冷藏库冷藏库冷藏库冷柜冷柜冷柜冷柜冷柜冷柜冷柜冷柜 空气调理空气调理空气调理空气调理: : 为人们发明适宜的生活和任务环境为人们发明适宜
8、的生活和任务环境为人们发明适宜的生活和任务环境为人们发明适宜的生活和任务环境柜式家用空调柜式家用空调柜式家用空调柜式家用空调中央空调中央空调中央空调中央空调组合中央空调组合中央空调组合中央空调组合中央空调户式中央空调户式中央空调户式中央空调户式中央空调家庭中央空调家庭中央空调家庭中央空调家庭中央空调风柜空调风柜空调风柜空调风柜空调工业消费及农牧业工业消费及农牧业工业消费及农牧业工业消费及农牧业 工业空调工业空调工业空调工业空调六轴五联动车铣加工精细零件六轴五联动车铣加工精细零件六轴五联动车铣加工精细零件六轴五联动车铣加工精细零件 发动机低温测试发动机低温测试发动机低温测试发动机低温测试 计算机
9、房温度计算机房温度计算机房温度计算机房温度20-30 20-30 20-30 20-30 球铁马氏体球铁马氏体球铁马氏体球铁马氏体 农牧业农牧业农牧业农牧业春春春春 化化化化闷麦法闷麦法闷麦法闷麦法 交通运输业交通运输业交通运输业交通运输业紧缩天然气单燃料城市客车紧缩天然气单燃料城市客车紧缩天然气单燃料城市客车紧缩天然气单燃料城市客车 建筑工程建筑工程建筑工程建筑工程 冻土发掘冻土发掘冻土发掘冻土发掘 英吉利海峡隧道英吉利海峡隧道 英吉利海峡隧道英吉利海峡隧道 科学研讨科学研讨科学研讨科学研讨 NASANASA模拟月球环境进展登陆勘测演练模拟月球环境进展登陆勘测演练模拟月球环境进展登陆勘测演练
10、模拟月球环境进展登陆勘测演练 云雾室云雾室云雾室云雾室 医疗卫生医疗卫生医疗卫生医疗卫生 空间技术空间技术空间技术空间技术 液氮罐液氮罐液氮罐液氮罐火箭推进器火箭推进器火箭推进器火箭推进器 低温物理研讨低温物理研讨低温物理研讨低温物理研讨 低温声学，低温光学，低温电子学等。低温声学，低温光学，低温电子学等。低温声学，低温光学，低温电子学等。低温声学，低温光学，低温电子学等。 超导景象。超导景象。超导景象。超导景象。1.4 制冷和低温技术的开展历史制冷和低温技术的开展历史 现代制冷技术是现代制冷技术是18世纪后期开展起来的世纪后期开展起来的 1755年，爱丁堡化学教授年，爱丁堡化学教授Willi
11、am Cullen利用乙醚蒸发利用乙醚蒸发 使水结冰；他的学生使水结冰；他的学生Black提出潜热概念，发明了冰量热提出潜热概念，发明了冰量热 器，标志着现代制冷技术的开场。器，标志着现代制冷技术的开场。 1834年，美国发明家年，美国发明家 Perkins造出了第一台乙醚为工质造出了第一台乙醚为工质 的蒸汽紧缩式制冷机。的蒸汽紧缩式制冷机。 1875年，氨为制冷剂的蒸汽紧缩式制冷机产生。年，氨为制冷剂的蒸汽紧缩式制冷机产生。 1844年，美国医生年，美国医生 Gorrie发明了空气循环式制冷机，为发明了空气循环式制冷机，为 患者建立了一座空调站。患者建立了一座空调站。 1859年，年，Cur
12、re发明了氨水吸收式制冷系统，并恳求了原发明了氨水吸收式制冷系统，并恳求了原 理专利。理专利。 普冷方面普冷方面普冷方面普冷方面 1910年，年，Maurice发明了蒸汽放射式制冷系统。发明了蒸汽放射式制冷系统。 1910年，第一台家用冰箱问世。年，第一台家用冰箱问世。 1930年，氟利昂制冷工质出现。年，氟利昂制冷工质出现。 20世纪后，制冷技术有了更大的开展，热泵列入制冷技术世纪后，制冷技术有了更大的开展，热泵列入制冷技术 范畴。范畴。 低温方面低温方面低温方面低温方面 1877年，年，Louis Cailletet 液化了氧气。液化了氧气。 1895年，年，Linde 液化了空气。液化了
13、空气。 1898年，年，Dewar 液化了氢气。液化了氢气。 1908年，年，K.Onnes 液化了氦气。液化了氦气。 1934年，年，Kapitsa 发明了氦液化器。发明了氦液化器。 1947年，柯林斯采用双膨胀机于氦的预冷。年，柯林斯采用双膨胀机于氦的预冷。 1926年，年，P.Debye 和和 W.F.Giauque 分别提出了用顺磁盐分别提出了用顺磁盐 绝热退磁的方法获取低温，绝热退磁的方法获取低温，1933年可获得年可获得0.25K。 1950年，年，Pomeranchuk 提出利用紧缩液态提出利用紧缩液态3He 的绝热固化的绝热固化 方法获取低温，方法获取低温，1965年获得年获得
14、0.018K，1978年获得年获得0.001K。 1951年，年，H.London 发明了发明了3He - 4He 混合液稀释制冷法，混合液稀释制冷法， 可获得低温可获得低温410-3K。 1956年，年，N.Kurti 和和 F.Simon 提出了核子绝热去磁的方法提出了核子绝热去磁的方法 获得更低温，在获得更低温，在1956年用该方法可获得年用该方法可获得210-5K， 1963年可获得年可获得1.2K。 超低温方面超低温方面超低温方面超低温方面 微电子和计算机技术的运用：微电子和计算机技术的运用： 根底研讨：计算机仿真技术用于循环研讨根底研讨：计算机仿真技术用于循环研讨; 制冷产品的设计
15、制造：运用计算机广泛用于产品的辅助；制冷产品的设计制造：运用计算机广泛用于产品的辅助； 综合技术：高级自动控制系统。综合技术：高级自动控制系统。 新资料在制冷产品中的运用：新资料在制冷产品中的运用： 陶瓷及陶瓷复合物，聚合资料的运用。陶瓷及陶瓷复合物，聚合资料的运用。 机器，设备的开展：机器，设备的开展： 紧缩机的开展；紧缩机的开展； 低温机器和设备的开发；低温机器和设备的开发； 气体分别设备，热交换器以及低温恒温器的进展。气体分别设备，热交换器以及低温恒温器的进展。 新制冷剂的研讨：新制冷剂的研讨： 氟利昂工质，共沸混合工质，非共沸混合工质；氟利昂工质，共沸混合工质，非共沸混合工质； 氟利昂
16、的替代工质。氟利昂的替代工质。 突破性的进展和挑战突破性的进展和挑战突破性的进展和挑战突破性的进展和挑战1.5.1 根本概念根本概念1. 工质；工质；2. 热力系统；热力系统；3. 形状参数；形状参数；4. 温度；温度；5. 压力；压力；6. 比体积和密度；比体积和密度；7. 热力学能；热力学能；8. 焓；焓；9. 熵；熵；10. 热量，热流量；热量，热流量；11. 功量，功率；功量，功率；12. 比热容；比热容；13. 过程和循环；过程和循环；14. 显热，潜热；显热，潜热；15. 节流。节流。课堂问题课堂问题1 1；节流过程的特点？节流过程的特点？1.5 制冷的热力学原理制冷的热力学原理1
17、.5.2 坐标图坐标图 常见的坐标图有：常见的坐标图有：P-v图，图，T-s图，图，P-h图。图。课堂问题课堂问题2 2：思索水蒸气在不同：思索水蒸气在不同压力下产生过程的坐标图表示。压力下产生过程的坐标图表示。1.5.3 热力循环和制冷循环热力循环和制冷循环课堂问题课堂问题3 3：分析卡诺循环和卡诺定理。分析卡诺循环和卡诺定理。1.5.4 性能系数性能系数 COPCoefficient of Performance 经济目的 = 得到的收益/所破费的代价机械能或电能驱动的制冷机机械能或电能驱动的制冷机蒸汽紧缩式，热电式蒸汽紧缩式，热电式 热能驱动的制冷机热能驱动的制冷机 吸收式，蒸汽放射式，
18、吸附式吸收式，蒸汽放射式，吸附式1. 1. 制冷系数：制冷系数：制冷系数：制冷系数：2. 2. 热力系数：热力系数：热力系数：热力系数：3. 可逆制冷机的性能目的可逆制冷机的性能目的 机械能或电能驱动机械能或电能驱动 蒸汽紧缩式，热电式蒸汽紧缩式，热电式热能驱动热能驱动吸收式，蒸汽放射式，吸附式吸收式，蒸汽放射式，吸附式4. 制冷循环效率制冷循环效率 1COP 和和都是反映制冷循环经济性能的目的，都是反映制冷循环经济性能的目的， 但含义不同但含义不同: COP反映了制冷循环中收益能与补偿能在数量上的比值，反映了制冷循环中收益能与补偿能在数量上的比值， 不涉及二者的能量档次。不涉及二者的能量档次
19、。COP1, =1, 23123123123， 紧缩式制冷机循环经济性能最好，吸收式次之，紧缩式制冷机循环经济性能最好，吸收式次之，紧缩式制冷机循环经济性能最好，吸收式次之，紧缩式制冷机循环经济性能最好，吸收式次之， 热电式最差。热电式最差。热电式最差。热电式最差。 结论结论1.5.5 热泵热泵1. 制冷机与热泵制冷机与热泵: 热力学上无区别热力学上无区别,任务循环都是逆向循环。任务循环都是逆向循环。运用目的不同，热泵的目的是向高温热源释放热量。运用目的不同，热泵的目的是向高温热源释放热量。任务温度区域不同。任务温度区域不同。 泵热系数泵热系数2. 热泵的性能系数：热泵的性能系数：泵热系数恒大于泵热系数恒大于1。阐明阐明 性能目的COP = 供热量/补偿能思索思索题题1.试分析：在炎热的夏天，把室内的冰箱门翻开，试分析：在炎热的夏天，把室内的冰箱门翻开，2. 可以起到空调的作用，降低室内温度。此观念可以起到空调的作用，降低室内温度。此观念3. 能否正确。能否正确。4.回答什么是热效率，制冷系数，泵热系数，回答什么是热效率，制冷系数，泵热系数，5. 它们的数值：大于它们的数值：大于1，等于，等于1，还是小于，还是小于1。
