00第一章制冷方法

制冷原理及设备主编吴业正教授主讲郑爱平教授1制冷原理及设备课程内容1.制冷方法2.单级蒸气压缩式制冷循环3.制冷剂4.两级压缩和复叠式制冷循环5.液体吸收式制冷机6.固体吸附式制冷7.热电制冷8.制冷压缩机9.制冷机的热交换设备10.制冷机的其它辅助设备及管道11.小型制冷装置12.制冷站工艺设计一、制冷原理二、制冷设备2绪论*什么叫制冷？制冷作为一门科学是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将物体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。*制冷技术领域是如何划分的？按照制冷所得到的低温范围，制冷技术划分为：120K以上，普通制冷；I20~20K，深度制冷；20~0.3K，低温制冷；0.3K以下，超低温制冷。3*制冷技术研究的内容①研究获得低温的方法、有关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；②研究制冷剂的性质；③研究实现制冷循环所必须的各种机械和技术设备。*制冷技术的主要理论基础是什么？热力学——热能与其它形式能量之间相互转换的规律以及热力系的内、外条件对能量转换的影响。*制冷技术的应用①商业民用——食品冷冻冷藏和舒适性空调；②工业农牧业——工艺性空调以及育苗、育种；③建筑业——冻土法开采土方以及隧道降温；④科学实验研究——模拟极端环境；⑤医疗卫生——冷冻疗法。4*制冷工业在技术上的新进展和面临的挑战（1）制冷领域的节能减排①新颖高效机器设备的开发②可再生能源的利用③采用冷热电三联供的分布式能量系统（2）制冷剂替代（3）微电子和计算机技术在制冷上的应用（4）新材料在制冷产品上的应用5第一章制冷方法制冷的方法很多，常见的有液体汽化制冷；气体膨胀制冷；涡流管制冷；热电制冷。其中液体汽化制冷的应用最为广泛，它是利用液体汽化时的吸热效应而实现制冷的。压缩式、吸收式、蒸气喷射式和吸附式制冷都属于液体汽化制冷方式。61.1各种制冷方法1.1.1蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷是电力驱动的以消耗机械能作为补偿，利用液体气化的吸热效应实现制冷的。蒸气压缩式制冷系统主要由制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四个主要设备组成，并用管道相连接，构成一个封闭的循环系统。制冷工质在系统内通过吸热、放热发生相变过程，完成将热量自低温热源送往高温热源的重要使命。7蒸气压缩式制冷循环工作原理8活塞式冷水机组9螺杆式冷水机组10离心式冷水机组111.1.2蒸气吸收式制冷吸收式制冷与蒸气压缩式制冷一样，都是利用液体在汽化时要吸收热量这一物理特性来实现制冷的，不同的是蒸气压缩式制冷是以消耗机械能作为补偿，而吸收式制冷是消耗热能作为补偿，完成热量从低温热源转移到高温热源这一过程的。与蒸气压缩式制冷不同，吸收式制冷的工质是两种沸点相差较大的物质组成的二元溶液，其中沸点低的物质为制冷剂，沸点高的物质为吸收剂，通常称为“工质对”。12目前常用的吸收式制冷装置有两种，一种是氨吸收式制冷机，工质对是氨-水溶液，氨为制冷剂，水为吸收剂。这种制冷机的制冷温度在1～-45℃范围之内，多用来制取-15℃以下的盐水。另一种是溴化锂吸收式制冷机，其工质对是溴化锂-水溶液，水为制冷剂，溴化锂为吸收剂。溴化锂（LiBr）是一种具有强烈的吸水能力的无色粒状结晶物，其化学性质与食盐相似，性质稳定，在大气中不会变质分解或挥发，沸点为1265℃。溴化锂吸收式制冷机的制冷温度在0℃以上，多用来制取空调用冷水或为其它生产工艺过程提供冷却水。13吸收式制冷循环工作原理14吸收式制冷机151.1.3蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷与蒸气压缩式及吸收式制冷完全相同，也是依靠液体汽化来实现制冷的。不同的是怎样从蒸发器中抽取蒸气，并提高其压力。蒸气喷射式制冷系统由喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀以及泵等组成。喷射器又由喷嘴、吸入室、扩压器三个部分组成。16蒸气喷射式制冷工作原理17蒸气喷射式制冷循环热力过程18蒸气喷射式制冷循环热力过程1-2：工作蒸气在喷嘴中的等熵膨胀过程；2-4和3-4：等压混合过程；4-5：混合蒸气在扩压室等熵压缩过程；5-6：冷凝器中冷凝过程，放热量Qk6-7：节流过程；7-3：蒸发器中吸热过程，制冷量Q06-9-1：加热器中加热气化过程，吸热量Qg19蒸气喷射式制冷循环热力计算加热器热负荷20冷凝器热负荷循环热平衡喷射系数蒸气喷射式制冷循环热力计算211.1.4吸附式制冷吸附式制冷系统也是以热能为动力的能量转换系统。其原理是固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，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，使之交替吸附和解吸。解吸时，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体；吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用。按吸附机理可分为物理吸附与化学吸附。2223吸附式制冷的工作原理及其制冷循环的p-T-s图Oko6TTTTTT1TQQQhc2QQXconcXdillnp14325100%PPkgc1QQoaoka2g1a1g2吸附器蒸发器冷凝器节流阀QKQgQoQh241-2过程：吸附床定容加热过程，吸收的显热用Qh表示。2-3过程：吸附床定压脱附过程，点3表示脱附终了吸附床的状态，解吸态吸附率用Xdil表示，脱附过程吸收的热量用Qg表示。2-5过程：自吸附床解吸出来的制冷剂在冷凝器中定压冷凝过程，此过程可以认为与2-3过程同时发生，冷凝过程放出的热量用Qk表示。5-6过程：冷凝液体经节流阀降压、降温过程，释放出的显热用Qc1表示。6-1过程：制冷剂液体在蒸发器中定压蒸发过程，蒸发过程吸热量用Qo表示。3-4过程：吸附床定容冷却过程，冷却吸附床带走的热量用Qc2表示。4-1过程：吸附床定压吸附过程，吸附过程中带走的热量用Qa表示。此过程可以认为与6-1过程同时发生。25连续回热循环两个吸附器交替运行时，其中一台吸附器在吸附时可通过冷却水将一部分显热和吸附热传给另一台正在解吸的吸附器以实现回热，从而提高循环效率。吸附器1吸附器2蒸发器冷凝器冷却水261.固体吸附式制冷对工质的要求：（1）单位体积气化潜热值大；（2）适当的饱和蒸汽压；（3）热稳定性能良好；（4）无毒、无污染、无腐蚀；（5）不可燃。2.常用吸附工质对：（1）物理吸附工质对：活性炭—甲烷活性炭—氨沸石—水硅胶—水（2）化学吸附工质对：金属吸氢材料—氢氯化钙—氨1.1.5热电制冷热电制冷又称温差电制冷，它是利用热电效应(即帕尔帖效应)的一种制冷方法。热电制冷的基本元件是电偶，由金属电桥连接两个电偶臂组成，一个电偶臂用P型（空穴型）半导体材料制作，另一个电偶臂用N型（电子型）半导体材料制作。当通以直流电流I时，半导体内的载流子在外电场作用下产生运动。由于载流子在半导体内和金属片内具有的势能不一样，势必在金属片与半导体接头处发生能量的传递及转换。27P型半导体的载流子是空穴，金属和N型半导体的载流子是电子。空穴在P型半导体内具有的势能高于在金属片内的势能，在外电场作用下，当空穴从金属Ⅰ流入P型电偶臂时，需要吸收能量，在结点a处可以观察到吸热效应；当它从P型电偶臂流入金属Ⅲ时，则会释放能量，在结点b处可以观察到放热效应。电子的运动方向与空穴相反，电子在金属中的势能低于在N型半导体内的势能，同理，当它从金属Ⅱ流入N型电偶臂时，要吸收能量，在结点d处可以观察到吸热效应；当它从N型电偶臂流入金属Ⅲ时，会释放能量，在结点c处可以观察到放热效应。28如果将电源极性互换，则电偶的制冷端与发热端也随之互换。由此可见，电偶既可以作制冷器用，又可以通过改变电流的方向作热泵使用。热电制冷器的结构和机理显然不同于液体汽化制冷，它不需要制冷工质来实现能量的转移，每对热电偶只需零点几伏电压，产生的冷量很小，所以需要将许多热电偶联成热电堆后才能使用。灵活性强、使用方便可靠，非常适合于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场合。2930温差电制冷热力计算：由热平衡关系式：Qh=Qo+W系统制冷系数：εo=Qo/W系统热力系数：εh=Qh/W=(Qo+W)/W=1+εoQ0PN-+Qh一对电偶的制冷量是很小的，如一对φ6×L7的电偶，其制冷量仅为3.3kJ/h～4.2kJ/h。可用串联、并联及串并联的方法组成多级热电堆，上一级热电堆的热端贴在下一级热电堆的冷端，组成多级热电堆。多级热电堆的结构形式（a）串联二级热电堆（b）并联二级热电堆（c）串、并联三级热电堆31321.1.6磁制冷*磁制冷是利用磁热效应的制冷方式。*什么叫磁热效应？固体磁性物质，在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强(磁熵减小)，对外放出热量；将其去磁时，则磁有序度下降(磁熵增大)，要从外界吸收热量。这种磁性离子系统在磁场的磁化与去磁过程中所出现的热现象称为磁热效应。*磁制冷是在顺磁体绝热去磁过程中获得冷效应的。33*什么叫顺磁体？不同的磁介质产生的附加磁场情况不问，附加磁场与原磁场方向相同的磁介质为顺磁体，如铁、锰；附加磁场与原磁场方向相反的磁介质为抗磁体，如铋、氢等。*磁热效应的热力学解释？设物体的磁矩为M0，物体在磁场H中磁矩增加dM时，磁场对物体作功为µ0HdM，该过程中物体吸热dQ，内能增加dU。则由热力学第一定律有:dU=dQ+µ0HdM34低温磁制冷在16K以下的极低温区，采用稀土顺磁盐材料实现逆卡若循环磁制冷装置，首先需要有超导强磁体。日本川崎公司研究的转动式磁制冷机需要的最大磁场强度为4.5T，制冷温度达4.2一11.5K；制冷量为0.12W。35室温磁制冷在20K以上低温区，采用金属釓Gd材料实现高温磁制冷布朗用7T的磁场和金属釓，按艾里克森循环成功地从室温制取到-30℃的低温。1’-2’-3’-4’-1’为逆卡若循环，制冷量甚微；1-2-3-4-1为艾里克森循环：1-2为等温磁化；2-3为等磁场过程（温度降低）；3-4为等温退磁(吸热制冷)；4-1为等磁场过程（温度上升）。361.1.7气体膨胀制冷制冷原理：高压气体绝热膨胀时对膨胀机作功，同时气体的温度降低，从而获得低温。制冷工质：与液气化式制冷相比，空气膨胀制冷是一种没有相变的制冷方式，所采用的工质主要是空气。也可以是CO2，O2，N2，He等其它理想气体。循环系统：构成这种理想气体的逆向循环系统的循环型式主要有定压循环，回热定压循环和定容循环。37定压循环定压循环由两个等压过程和两个等熵过程组成，又称为布雷顿循环。38单位制冷量：单位耗功率：制冷系数：定压循环热力计算压缩比：39有回热的定压循环由于这种情况下透平压缩机的入口温度升高，在相同的工作条件下，有回热的定压循环可以降低压力比。401.1.8涡流管制冷涡流管制冷是使压缩气体产生涡流运动并分离成冷、热两部分，其中冷气流用来制冷。41涡流管装置由喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀组成。涡流室将管子分为冷端、热端两部分。孔板在涡流室与冷端管子之间，热端管子出口处装控制阀。管外为大气，喷嘴沿涡流室切向布置。4243高压空气经喷嘴绝热膨胀后，从切线方向进入涡流室，在涡流室周边形成自由涡流，经过能量由内向外交换后，分离成冷、热量部分流体，中心部分的冷流体经孔板输出，边缘部分的热流体经涡流管的另一端流出。高压空气空气压缩机冷气流热气流孔板涡流室喷嘴441234TSTAThTTVV定容循环循环由两个等温过程和两个等容组成。又称为斯特林循环。斯特林循环热力计算单位制冷量：qO=RTAlnV1/V2单位制热量：qK=RThlnV1/V2热力系数：εh=qk/Σω=Th/Th–TA451.1.9绝热放气制冷*制冷原理刚性容器中的高压气体在绝热放气时温度降低(该过程又称焦耳膨胀)，利用此效应可以制冷。如果放气前容器中气体压力足够高，温度又很低，那么，绝热放气时残留在容器中的气体将能够降低到液化温度。利用放气制冷而又连续工作的制冷机有G-M循环制冷机和脉管制冷机。4647与斯特林循环一样，制冷工质无相变过程，始终为气态。制冷工质一般为氦气。旋转阀ab浮塞高压气体低压气体1223旋转阀逆时针旋转50～150转/分蓄冷器x*G-M循环制冷机G-M循环制冷机是1959年吉福特——麦克季洪提出来的。它是利用高压气体抽空来达到制冷目的的。48旋转阀ab浮塞高压气体