制冷与热泵技术

热科学和能源工程系中国科学技术大学2020/9/172第一章制冷原理制冷方法液体汽化制冷蒸气压缩式吸收式蒸气喷射式吸附式气体膨胀制冷热电制冷涡流管制冷其它热声制冷电磁制冷电化学制冷······任何伴随有吸热的物理现象原则上都有可能用来制冷。相变制冷固体升华制冷固体融化制冷√2020/9/173第一章制冷原理液体汽化制冷物质有三种集态：气态、液态、固态。物质集态的改变称之为相变。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。这种热量称作相变潜热。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。2020/9/1742002202402602803003203403603804004200500100015002000250030003500P/KPaT/K第一章制冷原理抽气吸热Q蒸发温度下降P1P2T1T2饱和蒸气压曲线液体汽化制冷2020/9/175第一章制冷原理液体汽化制冷2020/9/176第一章制冷原理液体汽化制冷2020/9/177第一章制冷原理液体汽化制冷compressorcondenserexpansiondeviceevaporator2020/9/178第一章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个基本过程：低压下蒸发汽化、蒸气升压、高压气体液化、高压液体降压。其中将低压蒸汽提高压力需要能量补偿。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。2020/9/179第一章制冷原理液体汽化制冷——蒸气压缩式制冷蒸汽压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀(毛细管)、蒸发器组成，用管道将它们连接成一个密封系统。2020/9/1710第一章制冷原理制冷剂液体在蒸发器内以与被冷却对象发生热交换，吸收被冷却对象的热量并气化，产生的低压蒸汽被压缩机吸入；经压缩后排出高温高压气态制冷剂进冷凝器，被常温的冷却水或空气冷却，凝结成高压液体；高压液体流经膨胀阀时节流，变成低压低温的气液两相混合物，进入蒸发器，其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷；然后蒸发器中的低压蒸汽再次被压缩机吸入。如此周而复始，不断循环。液体汽化制冷——蒸气压缩式制冷2020/9/1711第一章制冷原理吸收式制冷机利用溶液在一定条件下能析出低沸点组分的蒸气，在另一种条件下又能吸收低沸点组分这一特性完成制冷循环。吸收式制冷系统是由发生器、冷凝器、制冷节流阀、蒸发器、吸收器、溶液节流阀、溶液热交换器和溶液泵组成。液体汽化制冷——蒸气吸收式制冷2020/9/1712第一章制冷原理制冷剂回路由冷凝器、制冷剂节流阀、蒸发器组成。高压制冷剂气体在冷凝器中冷凝，产生的高压制冷剂液体经节流后到蒸发器蒸发制冷。液体汽化制冷——蒸气吸收式制冷整个系统包括两个回路：一个是制冷剂回路，一个是溶液回路。目前吸收式制冷机多用二组分溶液，习惯上称低沸点组分为制冷剂，高沸点组分为吸收剂，二者合称为工质对。最常用的工质对有氨水（氨为制冷剂）和溴化锂水溶液（水为制冷剂）。2020/9/1713第一章制冷原理溶液回路由发生器、吸收器、溶液节流阀、溶液热交换器和溶液泵组成。在吸收器中，吸收剂吸收来自蒸发器的低压制冷剂气体，形成富含制冷剂的稀溶液，并泵送到发生器，加热使溶液中的制冷剂重新蒸发出来，送入冷凝器。另一方面，产生的浓溶液经冷却、节流后进入吸收器，吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸汽。吸收过程中伴随释放吸收热，为了保证吸收的顺利进行，需要冷却吸收液。液体汽化制冷——蒸气吸收式制冷2020/9/1714第一章制冷原理与压缩式的共同点是：四个基本过程一样。它们的不同点是：1)提供的能量不同。压缩式消耗机械功，吸收式消耗热能。2)吸取制冷剂蒸气的方式不同。压缩式用压缩机吸取蒸气，吸收式用吸收剂在吸收器内吸取制冷剂蒸气。3)将低压制冷剂蒸气变为高压制冷剂蒸气时采取的方式不同。压缩式通过压缩机完成，吸收式则是通过吸收器、溶液泵、发生器和节流阀完成。液体汽化制冷——蒸气吸收式制冷2020/9/1715第一章制冷原理蒸气喷射式制冷系统组成部件包括：喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀、泵。喷射器又由喷嘴、吸入室、扩压器三个部分组成。喷射器的吸入室与蒸发器相连；扩压器于冷凝器相连。液体汽化制冷——蒸气喷射式制冷2020/9/1716第一章制冷原理工作过程如下：锅炉产生的高温高压工作蒸气进入喷嘴，膨胀并以高速流动（流速可达1000m/s以上），在喷嘴出口处造成很低的压力，使蒸发器中的水汽化，吸收潜热，使未汽化的水温度降低（制冷）产生低温水。蒸发器中产生的水蒸气与工作蒸气在喷嘴出口处混合，一起进入扩压器；在扩压器中流速降低压力升高；到冷凝器，被冷却水冷却为液态水后分两路：一路经过节流阀降压后送回蒸发器，继续蒸发制冷；另一路用泵提高压力送回锅炉，重新加热产生工作蒸气。液体汽化制冷——蒸气喷射式制冷2020/9/1717第一章制冷原理也有四个基本过程，其喷射器相当于蒸气压缩式的压缩机。特点：以热能为补偿能量形式；结构简单；加工方便；没有运动部件；使用寿命长，故具有一定的使用价值，例如用于制取空调所需的冷水。但这种制冷机所需的工作蒸气的压力高，喷射器的流动损失大，因而效率较低。液体汽化制冷——蒸气喷射式制冷2020/9/1718液体汽化制冷——吸附式制冷第一章制冷原理吸附现象根据气体-固体有无化学反应物理吸附：是气体分子在范德瓦尔力作用下向吸附剂运动，并在吸附势场作用下压缩而在吸附剂内凝聚成液体的过程，没有化学反应。化学吸附：吸附剂和被吸附的气体或液体相互接触时发生了化学反应，形成了化学键。吸附制冷的工作介质是吸附剂-制冷剂工质对。常用的有：活性炭-甲醇（太阳能吸附制冷中应用最广）、沸石-水、硅胶-水、金属氢化物-氢（物理吸附）、氯化锶-氨、氯化钙-氨（化学吸附）。2020/9/1719第一章制冷原理液体汽化制冷——吸附式制冷包括吸附床、冷凝器和蒸发器。吸附床是充装了吸附剂（沸石）的金属盒；制冷剂液体（水）贮集在蒸发器中。白天，吸附床受到日照加热，沸石温度升高，产生解吸作用。从沸石中脱附出水蒸气，系统内的水蒸气压力上升，达到与环境温度对应的饱和压力时，水蒸气在冷凝器中凝结，同时放出潜热，凝水贮存在蒸发器中。2020/9/1720第一章制冷原理夜间，吸附床冷下来，沸石温度逐渐降低，它吸附水蒸气的能力逐步提高，造成系统内气体压力降低，同时，蒸发器中的水不断蒸发出来，用以补充沸石对水蒸气的吸附。蒸发过程吸热，达到制冷的目的。液体汽化制冷——吸附式制冷2020/9/1721第一章制冷原理吸附制冷属于液体汽化制冷。与蒸气压缩式制冷机相类比，吸附床起到压缩机的作用。但上述吸附系统只能间歇制冷。吸附床处于吸附过程中产生冷效应，吸附结束后必须有一个解析过程使吸附剂状态还原，这时将停止制冷。为了连续制冷，可以采用两个吸附床。液体汽化制冷——吸附式制冷气体加热吸附床吸附床热风机冷凝器蒸发器冷风机热风机节流阀2020/9/1722第一章制冷原理吸附制冷的循环速率受吸附床传热传质特性的制约。颗粒状充填的吸附床，其传热过程缓慢，使循环周期拉长。为了提高制冷循环速率，在改善吸附床传热传质方面现采取的主要措施是：1.将导热性好的铝粉和石磨加在吸附剂中。2.将吸附剂成型加工，并烧结在金属壁面上。这样做一来可以提高吸附剂的充填量，增加单位体积的吸附能力；二来可以降低吸附剂与金属壁面之间吸附剂与吸附剂之间的接触热阻。3.增大吸附床金属壁的热交换表面积。液体汽化制冷——吸附式制冷2020/9/1723第一章制冷原理液体汽化制冷——吸附式制冷吸附剂/泡沫铝复合吸附材料：使用体积比10％～20％的通孔泡沫铝材料为传热骨架，复合沸石颗粒或分子筛颗粒，使其导热性能大幅提高，并具有较高的传质性能。对于使用沸石或分子筛吸附床的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。2020/9/1724第一章制冷原理吸附制冷以热能驱动，可利用低品位热能；不采用氟氯烃，无CFCs问题，无温室效应，对环境友好；结构简单，无运动部件，噪声低，寿命长，适用范围广。但效率低，体积大。目前，吸附制冷已开始工业化生产，并有少量产品进入市场：（1）发动机余热驱动的吸附式空调，可用于大客车、中巴和小轿车、火车。（2）太阳能吸附式冰箱。液体汽化制冷——吸附式制冷2020/9/1725第一章制冷原理气体膨胀制冷是利用高压气体的绝热膨胀来达到低温，并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制冷的。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:一种是将高压气体经膨胀机膨胀，有外功输出，因而气体的温降大，制冷量也大，但膨胀机结构比较复杂；另一种方式是令气体经节流阀膨胀，无外功输出，气体的温降小，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。2020/9/1726第一章制冷原理布雷顿(Brayton)制冷循环又称焦耳(Joule)循环或气体制冷机循环，是以气体为工质的制冷循环，其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，这与蒸气压缩式制冷机的四个工作过程相近，两者的区别在于工质在布雷顿循环中不发生集态改变(相变)。根据不同的使用目的，工质可以是空气，CO2，N2，He等气体。气体膨胀制冷——布雷顿制冷循环2020/9/1727第一章制冷原理为了提高制冷效率，通常采用回热循环：所谓回热就是把由冷箱返回的冷气流引入一个热交换器—“回热器”，用来冷却从冷却器来的高压常温气流，使其温度进一步降低，而从冷箱返回的气流则被加热，温度升高。这样就使压缩机的吸气温度升高，降低压缩机的压力比。气体膨胀制冷——布雷顿制冷循环2020/9/1728第一章制冷原理1816年斯特林(stirling)提出了一种由两个等温过程和两个等容回热过程组成的闭式热力学循环，称为斯特林循环，也称为定容回热循环。气体膨胀制冷——斯特林制冷循环2020/9/1729第一章制冷原理等温压缩过程1－2：压缩活塞向左移动而膨胀活塞不动。气体被等温压缩，压缩热经冷却器A传给冷却介质，温度不变，压力升高，同时容积减小。气体膨胀制冷——斯特林制冷循环定容放热过程2－3：两个活塞同时向左移动，气体的容积保持不变，直至压缩活塞到达左止点。当气体通过回热器R时，将热量传给填料，因而温度下降，同时压力降低。2020/9/1730第一章制冷原理等温膨胀过程3－4：压缩活塞停止在左止点，而膨胀活塞继续向左移动，直至左止点，气体进行等温膨胀，通过冷量换热器C从低温热源吸收热量。容积增大而压力降低。气体膨胀制冷——斯特林制冷循环定容吸热过程4－1：两个活塞同时向右移动直至右止点,气体容积保持不变，回复到起始位置。当气体流经时回热器填料R时吸热，温度升高，同时压力增加。2020/9/1731第一章制冷原理热电制冷的理论基础是固体的热电效应，在无外磁场存在时，它包括五个效应：导热、焦耳热损失、塞贝克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。热电制冷热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它主要是利用热电效应中的帕尔帖效应的一种制冷方法。2020/9/1732第一章制冷原理热电制冷——热电效应1.塞贝克效应(SeebeckEffect)(西伯克效应)1821年，德国人T.J.Seebeck发现两种不同导体组成的开路中，如果导体的两个结点存在温度差，这开路中将产生电动势E。这就是塞贝克效应。由于塞贝克效应而产生的电动势称作温差电动势。V=a△T式中:V为温差电动势；a为温差电动势率(塞贝克系数)△T为接点之间的温差热电偶测温及温差发电就是利用塞贝克效应2020/9/1733第一章制冷原理2.帕尔帖效应(P