制冷与空调课件00

制取冷量的方法:蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷是目前应用最为广泛的两种制冷方式，也是本课程所讲述的主要内容，我们会在以后的章节中着重讲述，本章只简单介绍其它的制冷方式。利用天然冷源：如冬天贮冰、深井水可获取低温的目的。受季节、地区、贮存条件限制，只能制取0以上的低温。人工制冷相 变 制 冷：蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷和吸附式制冷气体膨胀制冷涡流管制冷热电制冷 一、蒸汽喷射式制冷原理：利用液体汽化时吸收热量来制冷的。系统组成：喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀及泵五部分。系统流程图：用锅炉产生高温高压的工作蒸汽，将其送入喷嘴，膨胀并以高速流动（流速可达1000m/s以上），于是在喷嘴出口处，造成很低的压力，由于吸入室和蒸发器相连，所以蒸发器中的压力也会很低，低温低压的部分水吸热而汽化，将未汽化的水的温度降低。这部分低温水就可用于制冷。蒸发器中产生的冷剂水蒸气和工作蒸汽在喷嘴出口处混合，一起进入冷凝器，被外部的冷却水冷却而变成液态水，这些冷凝水再由冷凝器引出，分两路，一路经过节流降压后送往蒸发器，继续蒸发制冷，另一部分用泵提高压力送往锅炉，重新加热产生工作蒸汽。蒸汽喷射式制冷循环的特点：1）蒸汽喷射式制冷的设备结构简单，金属耗量少，造价低廉，运行可靠性高，使用寿命长，一般都不需备用设备。2）制冷系统操作简便，维修量少。3）蒸汽喷射式制冷循环耗电量少，如果使用于有较多工业余汽的场合，能节约能源。4）蒸汽喷射式制冷以水作为制冷剂，并且根据需要可使制冷剂、载冷剂合为一体，或者采用开式循环形式。由于水具有汽化潜热大，无毒等优越性，所以系统安全可靠。5）用水作为制冷剂制取低温时受到水的凝固点的限制，（只能制取0 以上的低温）为了获得更低的蒸发温度，正在研制以用氨、氟利昂为制冷剂的蒸汽喷射式制冷机。另外将蒸汽喷射器与活塞式制冷压缩机、吸收式制冷机等串联，用以作为低压级，也能获得较低的蒸发温度。6）蒸汽喷射器的加工精度要求较高，蒸汽喷射式制冷循环的工作蒸汽消耗量较大，制冷循环效率较低。这一切都限制了蒸汽喷射式制冷的实际应用。利用发电、石化、纺织、冶金、焦化、化纤、制药、造纸、食品等工业放散的蒸气尾气，以低压蒸汽尾气的势能转化为动能，以水为制冷剂和载冷剂制取低温水,温度范围从0到20，制冷量从300kw20000kw或更大，运用广泛，在提供工艺冷冻、冷却冷源的同时，还可为厂区的办公、会议、礼堂、控制室等场所提供冷暖空调，服务半径可达10公里。太阳能空调装置是利用太阳能集热器收集太阳辐射热量来驱动制冷机达到制冷目的的装置。太阳能空调装置的突出优点在于它具有良好的季节适应性。在夏季空调负荷高峰段正是太阳辐射最强的时候，因此可以大大缓解夏季电力供应紧张的问题。采用的混合工质（如水和HFE7300），不仅环保，且潜热比高，在一定喷射系数下，可获得非常高的制冷系数；混合工质互不相溶，且比重比高，可采用简单的重力分离的方式实现引射流体和制冷工质的分离。吸附制冷系统是以热能为动力的能量转换系统。吸附式制冷基本结构由太阳能集热器、冷凝器、储液器、蒸发器和阀门五个模块组成。吸附式制冷系统的运作机制为：在白天，集热器温度随着气温的升高而升高，制冷剂蒸发集热器中压力升高，气体进入冷凝器并冷凝、制成液体；在晚上，温度降低，吸附剂会吸收制冷剂蒸汽，蒸发器中压力降低，于是会有更多液体气化，蒸发中吸收热量降温。u其原理是：一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，并且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，使之对制冷剂交替吸附和解吸。吸附时制冷剂液体蒸发，产生制冷作用，解吸时，释放出制冷剂气体，并使之冷凝成液体，从而完成整个制冷循环。工作原理u工作介质：吸附剂和制冷剂。脱附：脱附：对吸附床加热，制冷剂获得能量克服吸附剂的吸引力从吸附剂表面脱附，进入右边管道，系统压力增加，C1导通，C2关闭。图(a)是脱附过程的简单模型图。吸附床内充满了吸附剂，吸附有制冷剂，冷凝器与冷却系统相连，一般冷却介质为水。工作时，太阳能集热器当压力与冷凝器中对应温度下的饱和压力相等时，制冷剂开始液化冷凝，最终制冷剂凝结在蒸发器中，脱附过程结束。在这个过程中，太阳能集热器供能Q1，冷凝器放热Q4由冷却水排除到系统之外。图(a)固体吸附式制冷技术的原理包括吸附和脱附两个过程。吸附：吸附：图(b)是吸附过程的简单模型图。冷却系统对吸附床进行冷却，温度下降，吸附剂开始吸附制冷剂，左边管道内压力降低，C2导通，C1关闭，蒸发器中的制冷剂因压力瞬间降低而蒸发吸热，达到制冷效果，制冷剂达到吸附床，吸附过程结束。在此过程中，吸附床放热Q2，被冷却水排除到系统之外，蒸发器从环境中吸收Q3的热量。图(b)以上只是最简单的模型图，由上可知单台吸附床工作时制冷是间歇式的，不能连续制冷，要达到连续制冷的效果，必须使用两台或两台以上的吸附床，交错运行，制冷的循环就连续了。以沸石以沸石水工质对为例：水工质对为例：图 沸石太阳能制冷系统原理图a）白天脱附 b）夜间吸附1沸石密封盒 2冷凝器 3贮水箱（蒸发器）当白天有阳光的时候太阳能集热器收集热能，吸附床温度升高，制冷剂从吸附剂中解吸出来，这样吸附床中压强升高，推动制冷剂进入冷凝器和储热器，当夜晚等太阳能不足的时候，则过程正好相反，蒸发器中液态制冷剂蒸发，产生制冷效应，制冷剂蒸气进入吸附床重新被吸附，完成一次制冷循环。说明：说明：吸附床的作用相当于压缩机所起的作用，吸附床的作用相当于压缩机所起的作用，单个吸附床可实现间歇制冷，如想实现连续制冷，单个吸附床可实现间歇制冷，如想实现连续制冷，可采用两个或多个吸附器。可采用两个或多个吸附器。1.对吸附剂的要求适宜于工业应用的吸附剂，应具有以下性质：适宜于工业应用的吸附剂，应具有以下性质：比表面积大，内部具有网络结构的微孔通道；比表面积大，内部具有网络结构的微孔通道；（表面积越大，（表面积越大，吸附能力越大）吸附能力越大）再生和多次使用；再生和多次使用；吸附容量大，而且在吸附容量大，而且在30-10030-100间对温度比较敏感；间对温度比较敏感；吸附力小，再生温度低，活化后吸附物的残留少；吸附力小，再生温度低，活化后吸附物的残留少；吸附热小，循环经济性高；吸附热小，循环经济性高；吸附速度快，较易达到吸附平衡；吸附速度快，较易达到吸附平衡；比热容小，导热系数高；比热容小，导热系数高；化学性质稳定，与吸收物接触无破坏作用；化学性质稳定，与吸收物接触无破坏作用；有足够的机械强度：有足够的机械强度：气流阻力小气流阻力小 容易制取且价格便宜。容易制取且价格便宜。2.2.目前，常用于吸附制冷的固体吸附剂有：目前，常用于吸附制冷的固体吸附剂有：1 1、硅胶、硅胶水水2 2、氯化钙、氯化钙水、氯化钙水、氯化钙氨、氯化钙氨、氯化钙甲醇甲醇3 3、沸石分子筛、沸石分子筛水水4 4、活性炭、活性炭氨、甲醇氨、甲醇甲醇凝固点低（甲醇凝固点低（-98），适合于具有冷冻），适合于具有冷冻室的吸附式家用冰箱中使用。室的吸附式家用冰箱中使用。n具有不耗电、无任何运动部件、系统简单、没有噪声、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。n另外，还可利用吸附剂吸附吸附质时所放出的吸附热，提供家庭用热水和冬季采暖用热源。n缺点是循环属于间歇性的，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，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。n吸附剂的寿命有待提高。世博国家电网馆变压器余热驱动空调技术应用：110 kV变压器冷却余热驱动两台吸附式制冷机组，设计工况下，热水温度为6065，制冷量达到10 kW以上。承担变电站的部分空调冷负荷。热电偶测温原理：由两种不同导体组成一个闭合环路，当其中一个节点被加热，另一个节点被冷却时，环路中就产生电势。温差电势的大小，与结点的温度和导体材料的性质有关。当冷端温度一定，根据电势的大小，就可确定热端的温度。热电制冷基理：热电效应（帕尔帖效应Peltire），即在上述环路中接入一直流电源，则会出现一个结点吸热而另一个结点放热的现象。如改变电流的方向，则吸、放热的结点位置也作相应改变。帕尔帖效应是法国科学家珀尔帖于1834年发现的，所以，一提到帕尔帖的名字，人们很容易将他与帕尔帖效应联系起来，并误以为他是一个物理学家，实际上他至多算个业余的物理学家。帕尔帖生于法国索姆，他本来是一个钟表匠，30岁那年放弃了这个职业，转而投身到实验与科学观测领域之中。在他撰写的大量论文中，绝大部分都是关于自然现象的观测，譬如天电、龙卷风、天空蓝度测量与光偏振、球体水温、极地沸点等，帕尔帖也有少量博物学方面的论文 热电偶由半导体制成，一种为电子型（N型）半导体材料，另一种为空穴型（P型）半导体材料，电偶之间用金属片（又称汇流条）相连，如图所示。接通电流后，金属片A从外界吸热，金属片 B 向 外 界 放。一个热电偶产生的热电效应较小（制冷量较小），实用上是将数十个乃至数百个电偶串联，将冷端排在一起，热端排在一起，组成热电堆。借助热交换器等各种传热手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度，把热电堆的冷端放到被冷却系统中去吸热降温，这就是单级热电堆式半导体制冷器的工作原理。单级热电堆 单级热电堆产生的温差约为50，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。联结的方式有串联、并联及串并联。前一级的冷端是后一级热端的散热器。其中二级、三级热电堆式半导体制冷最为常见 多级热电堆式半导体制冷器原理图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 热电制冷中，热电堆起到压缩机的作用，冷端与热端交换器相当于蒸发器与冷凝器。热电制冷具有其显著特点：不用制冷剂,结构简单 无机械传动部分，无噪声 冷却速度和制冷温度可任意调节 可将冷热端互换，控制灵活 体积和功率都可做得很小。其效率低，能耗大。主要应用 适用于制冷量较小的场合，如电子元器件的冷却、测量空气或油样露点的露点仪、家用冰箱、小型低温冰箱或空调器、低温医疗器（医用冷刀）等。历史上第一次实现的气体制冷机是以空气历史上第一次实现的气体制冷机是以空气作为工质的，并且称为空气制冷机作为工质的，并且称为空气制冷机压缩式空气制冷机的工作过程也是包括压压缩式空气制冷机的工作过程也是包括压缩，冷却，膨胀及吸热四个过程缩，冷却，膨胀及吸热四个过程这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相近，其区别在于工质在循环过程中不发生近，其区别在于工质在循环过程中不发生相变相变 无回热定压循环气体制冷机的流程图无回热定压循环气体制冷机的流程图 无回热定压循环气体制冷机的流程图及温熵图a)系统流程图 b)循环温熵图1压缩机 2冷却器 3膨胀机 4冷箱定压回热气体制冷机的流程图及温熵图a)系统流程图 b)循环温熵图A透平压缩机 B冷却器 C透平膨胀机 D冷箱 E回热器 又称斯特林循环，由两个等温过程和两个等容过程。一个气缸里有两个活塞，压缩活塞A和膨胀活塞B，中间设置回热器R随着热机发展，热力学理论研究提到了重要位置，不少科学家致力于热机理论的研究工作，斯特林便是其中著名的一位。他所提出的斯特林循环，是重要的热机循环之一，亦称“斯特林热气机（即斯特林发动机）循环”。这种循环，是封闭式的，采用定容下吸热的气体循环方式。循环过程是：等容吸热加热；由外热源等温加热；等容放热，供吸热用；向冷体等温放热，完成一个循环。特点：在理想吸热的条件下，这种循环的热效率，等于温度上下限相同的卡诺循环。利用这种循环的“斯特林热机”，具有很多特点，如采用外燃，或外热源供热等。由于这种循环是封闭式循环，可采用传热性能好的工质，同时，工质的腐蚀性也可以很小，如氮气、氢气等气体。充入的气体工质，还可以加大压力，视封闭系统的情况，能够采用远远大于大气压力的高压气体工作，这样可以提高发动机的单位重量的功率，减小发动机的体积和重量。斯特林热机在逆向运转时，可以作为制冷机或热泵机，这种设想在现代已进入了实用研究阶段。斯特林循环热空气发动机不排废气，除燃烧室内原有的空气外，不需要其他空气，所以适用于都市环境和外层空间。斯特林发动机斯特林发动机是一种热力发动机，与汽车上的是一种热力发动机，与汽车上的内内燃机燃机有很大的区别。有很大的区别。该发动机于该发动机于1816年由罗伯年由罗伯特特斯特林发明。斯特林发动机可能比汽油发动机斯特林发明。斯特林发动机可能比汽油发动机或或柴油发动机柴油发动机的效率更高。的效率更高。但现在，斯特林发动但现在，斯特林发动机的使用还仅限于一些特殊领域，如机的使用还仅限于一些特殊领域，如潜艇潜艇或用于或用于游艇的辅助发电机，这些地方静音操作非常重要。游艇的辅助发电机，这些地方静音操作非常重要。尽管斯特林发动机在市场上的应用还没有取得普尽管斯特林发动机在市场上的应用还没有取得普遍成功，但一些权威发明者正在研究这个问题。遍成功，但一些权威发明者正在研究这个问题。它是由两个定容吸热过程和两个定温膨胀过程组它是由两个定容吸热过程和两个定温膨胀过程组成的可逆循环，而且定容放热过程放出的热量恰成的可逆循环，而且定容放热过程放出的热量恰好为定容吸热过程所吸收。热机在定温好为定容吸热过程所吸收。热机在定温(T1)膨胀膨胀过程中从高温热源吸热，而在定温过程中从高温热源吸热，而在定温(T2)压缩过程压缩过程中向低温热源放热。中向低温热源放热。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程行这样的循环过程 斯特林发动机使用斯特林环，这不同于内燃机中的循环。斯特林发动机使用斯特林环，这不同于内燃机中的循环。其原理：其原理：它是由两个定容吸热过程和两个定温膨胀过程组成它是由两个定容吸热过程和两个定温膨胀过程组成的可逆循环，而且定容放热过程放出的热量恰好为定容吸的可逆循环，而且定容放热过程放出的热量恰好为定容吸热过程所吸收。热机在定温热过程所吸收。热机在定温(T1)膨胀过程中从高温热源吸膨胀过程中从高温热源吸热，而在定温热，而在定温(T2)压缩过程中向低温热源放热。压缩过程中向低温热源放热。l 斯特林发动机中使用的气体从来都不会离开发动机。斯特林发动机中使用的气体从来都不会离开发动机。与汽与汽油发动机或柴油发动机不同，它没有排放高压气体的排气油发动机或柴油发动机不同，它没有排放高压气体的排气阀，并且不会发生爆炸过程。阀，并且不会发生爆炸过程。因此，斯特林发动机的噪音因此，斯特林发动机的噪音很低。很低。l 斯特林循环使用外热源，可以是汽油、太阳能或由腐烂植斯特林循环使用外热源，可以是汽油、太阳能或由腐烂植物产生的热量。物产生的热量。发动机气缸中不会发生燃烧过程。发动机气缸中不会发生燃烧过程。l 斯特林发动机的主要原理是，首先在发动机内封入一定量斯特林发动机的主要原理是，首先在发动机内封入一定量的气体，然后斯特林循环的一系列活动会改变发动机内部的气体，然后斯特林循环的一系列活动会改变发动机内部的气压，从而导致其做功。的气压，从而导致其做功。热气机的优点热气机的优点与内燃机比较热气机所具备的优点：适用于各种能源，无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源(太阳能放射性同位素和核反应等)，而发动机本身(除加热器外)不需要作任何更改。同时热气机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量。热气机在运行时，由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，独立于燃气的工质通过加热器吸热，并按斯特林循环对外做功，因此避免了类似内燃机的爆震做功和间歇燃烧过程，从而实现了高效、低噪和低排放运行。高效：总能效率达到80%以上；低噪：1米处裸机噪音底于68dBA；低排放：尾气排放达到欧5标准。热气机单机容量小，机组容量从2050kw，可以因地制宜的增减系统容量。结构简单，零件数比内燃机少40，降价空间大，同时维护成本也较低。热气机存在的主要问题热气机存在的主要问题热气机尚存在的主要问题和缺点是制造成本较高，工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题，功率调节控制系统较复杂，机器较为笨重。热气机的应用热气机的应用随着全球能源与环保的形势日趋严峻，热气机由于其具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越受到重视，所以，在水下动力、太阳能动力、空间站动力、热泵空调动力、车用混合推进动力等方面得到了广泛的研究与重视，并且已得到了一些成功的应用。涡流管制冷器是一种结构简单的制冷装置，涡流冷却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。利用分离出来的冷气流即可制冷。组成：喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀。组成：喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀。图 涡流管制冷装置1喷嘴 2孔板 3涡流室 4控制阀工作过程：工作过程：经过压缩并冷却到常温的气体（空气、经过压缩并冷却到常温的气体（空气、CO2、N2等）进入喷嘴，在喷嘴中膨胀并加速到音速，从切线方向等）进入喷嘴，在喷嘴中膨胀并加速到音速，从切线方向射向涡流室，形成自由涡流，自由涡轮的旋转角速度离中射向涡流室，形成自由涡流，自由涡轮的旋转角速度离中心越近则越大，由于角速度不同，环形气流的层与层之间心越近则越大，由于角速度不同，环形气流的层与层之间产生摩擦，外层气流的角速度逐渐升高，动能增加，又由产生摩擦，外层气流的角速度逐渐升高，动能增加，又由于与管壁之间的摩擦，将部分动能变成了热能，故从控制于与管壁之间的摩擦，将部分动能变成了热能，故从控制阀流出的气体具有较高的温度；而中心层部分的角速度逐阀流出的气体具有较高的温度；而中心层部分的角速度逐渐降低，失去能量，从孔板流出时温度较低，用于制冷。渐降低，失去能量，从孔板流出时温度较低，用于制冷。控制阀的作用：控制阀的作用：控制热端管子中气体的压力，从而控制冷、控制热端管子中气体的压力，从而控制冷、热两股气流的流量和温度。热两股气流的流量和温度。控制阀全关：过程为不可逆节流过程；不存在冷热分流现象。控制阀全关：过程为不可逆节流过程；不存在冷热分流现象。讨论讨论 控制阀全开：涡流管相当于气体喷射器；控制阀全开：涡流管相当于气体喷射器；控制阀部分开启：出现冷热分流现象。控制阀部分开启：出现冷热分流现象。涡流管（Vortex Tube）现象在1922年由一个法国学生所发现，在1960年以后涡流管开始被商业应用，经过几十年的发展和各国工程师的努力，涡流管技术如今已是非常成熟，并在全世界范围内得到广泛应用 涡流管制冷装置涡流管制冷装置 带回热器的涡流管冰箱系统1干燥器 2冷（冰）箱 3涡流管 4喷射器 5回热器为了提高涡流管制冷效率，可在系统中增加回热器、干燥器、喷射器等设备 回热器不仅可降低进涡流管气体的温度，也可降低冷气流的压力，从而降低冷气流的温度，提高涡流管制冷的经济性 压缩空气经干燥器干燥后进入回热器，被由冷箱中排出的冷气流冷却后进入涡流管，获得更低温度的冷气流进入冷箱中。由涡流管内排出的热气流，经喷射器内喷嘴膨胀，造成一真空，吸出由冷箱出来的气体。经回热器升温后的气流，再经喷射器内的扩压器，压力升高后排入大气 1、涡流管靠压缩空气驱动，非电气设备，纯机械结构，内部无化学物、无污染可能；2、运行可靠，免维护，使用成本很低，涡流管内部无任何活动件、无磨损可能，寿命长达10年以上；3、涡流管材质为不锈钢，耐腐蚀、体积小，重量仅约0.5公斤。适用于有高压气源或可以廉价获得高压气体的场合。适用于有高压气源或可以廉价获得高压气体的场合。1、制造业：塑料或金属加工、木材加工、焊 接件、热封件、模具加工等冷却；2、实验室里用于产生特定低温的气体；3、电子元器件、仪表、开关和温度调节装置等的冷却；4、其它制冷应用，如辅助人工造雪等。美国NASA利用风洞排气为工作介质的涡流管空调系统，制冷量达到281.35kW。从涡流管出来的冷气直接注入工作人员的保护服来改善操作者的工作环境，涡流管有控制调节旋钮，用来调节制冷量和温度。用涡流管可以做成适应不同工作环境下的空调防护服使用范围更宽。涡流管还可以直接用于冷却电子元件，以防止设备过热引起的控制失灵，使设备可靠运行。