第四章1 制冷与低温的热力学基础

第四章第一节第一节 制冷与低温的热力学基础一一一一 制冷与低温原理的热力学基础制冷与低温原理的热力学基础制冷与低温原理的热力学基础制冷与低温原理的热力学基础二二二二 制冷与低温工质制冷与低温工质制冷与低温工质制冷与低温工质三三三三 制冷技术与学科交叉制冷技术与学科交叉制冷技术与学科交叉制冷技术与学科交叉制冷工艺过程：制冷工艺过程：现现代代的的制制冷冷技技术术最最普普遍遍的的方方法法是是消消耗耗机机械械功功来来制冷。制冷。压压缩缩机机先先把把制制冷冷工工质质(可可以以是是氨氨、氟氟里里昂昂、空空气气、氢气、氦气或其它气体氢气、氦气或其它气体)压缩；压缩；用冷却水或风冷把压缩气体的发热带走；用冷却水或风冷把压缩气体的发热带走；经经换换热热器器预预冷冷后后的的压压缩缩气气体体工工质质，再再经经膨膨胀胀机机膨膨胀降温制冷或通过节流阀降温。胀降温制冷或通过节流阀降温。例如：例如：用氨作为制冷工质，最冷能达到零下用氨作为制冷工质，最冷能达到零下33.5；用氟里昂用氟里昂-14最低能达零下最低能达零下128；用氦气作为制冷工质可以达到零下用氦气作为制冷工质可以达到零下271。最低温度是以制冷工质的凝固点为限。最低温度是以制冷工质的凝固点为限。历史回顾：历史回顾：18231823年年英英国国科科学学家家法法拉拉第第采采用用加加压压与与冷冷却却方方法法液液化化了了二氧化碳；二氧化碳；18771877年利用同样方法使氧气液化；年利用同样方法使氧气液化；18851885年年德德国国科科学学家家林林德德利利用用气气体体的的狭狭口口膨膨胀胀效效应应发发展展制冷技术，达到零下制冷技术，达到零下190190使空气液化；使空气液化；随后又实现了氮气和氢气的液化；随后又实现了氮气和氢气的液化；19081908年年荷荷兰兰科科学学家家荷荷兰兰科科学学家家卡卡曼曼林林-昂昂内内斯斯液液化化了了温温度最低的氦气。度最低的氦气。随随着着科科学学技技术术的的发发展展，出出现现了了其其它它制制冷冷方方法法，诸诸如如半半导导体体温温差差制制冷冷、涡涡流流管管制制冷冷、吸吸收收式式制制冷冷、脉脉冲冲管管制制冷冷、太阳能光太阳能光-电转换制冷电转换制冷和和光光-热转换制冷热转换制冷等等；等等；在在极极低低温温领领域域，还还有有3 3He-He-4 4HeHe的的稀稀释释制制冷冷(可可达达绝绝对对温温度度1010-3-3K)K)；顺顺磁磁盐盐绝绝热热去去磁磁制制冷冷(可可达达1010-3-3K K温温度度)和和核核去去磁磁制冷制冷(可达到可达到1010-6-6-10-10-8-8K K低温低温)等方法。等方法。一一 制冷与低温原理的热力学基础制冷与低温原理的热力学基础 自自然然界界中中的的一一切切物物质质都都具具有有能能量量，能能量量不不可可能能被被创创造造，也也不不可可能能被被消消灭灭；但但能能量量可可以以从从一一种种形形态态转转变变为为另另一一种种形形态态，且且在在能能量量的的转转化化过过程中能量的总量保持不变。程中能量的总量保持不变。能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一。能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一。4.1.1 4.1.1 热力学基础热力学基础1.1.热力学第一定律热力学第一定律能量守恒与转化能量守恒与转化用符号用符号U U表示，单位是焦耳表示，单位是焦耳 （J J）热力学能热力学能1kg1kg物质的热力学能称比热力学能物质的热力学能称比热力学能用符号用符号u u表示，单位是焦耳表示，单位是焦耳/千克千克 （J Jkgkg）比热力学能比热力学能热力学能热力学能热力学能和总能热力学能和总能热力状态的单值函数。热力状态的单值函数。两个独立状态参数的函数。两个独立状态参数的函数。状态参数状态参数，与路径无关。与路径无关。工质的总能工质的总能内部储存能内部储存能外部储存能外部储存能热力学能热力学能动动 能能势势 能能 E E总能，总能，E Ek k 动能动能 E Ep p 势能势能 E=U+E E=U+Ek k+E+Ep p (1-2)(1-2)内部储存能和外部储存能的和，即热力学能与宏观内部储存能和外部储存能的和，即热力学能与宏观 运动动能及势能的总和。运动动能及势能的总和。若工质质量若工质质量m m，速度速度c cf f，重力场中高度重力场中高度z z宏观动能宏观动能 重力势能重力势能工质的总能工质的总能(1-3)(1-3)能量从一个物体传递到另一个物体有能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式两种方式作功作功借作功来传递能量总和物体宏观位移有关。借作功来传递能量总和物体宏观位移有关。传热传热借传热来传递能量无需物体的宏观移动。借传热来传递能量无需物体的宏观移动。推动功推动功因工质在开口系统中流动而传递的功。因工质在开口系统中流动而传递的功。对开口系统进行功的计算时需要考虑这种功。对开口系统进行功的计算时需要考虑这种功。推动功只有在工质移动位置时才起作用。推动功只有在工质移动位置时才起作用。力学参数力学参数c cf f和和z z只取决于工质在参考系中的速度和高度只取决于工质在参考系中的速度和高度2.2.能量的传递和转化能量的传递和转化 (1-4)(1-4)比总能比总能研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律。件及限度的定律。热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体；温物体；1.1.制冷循环的热力学分析制冷循环的热力学分析 热力学循环热力学循环 正向循环正向循环 热能转化为机械功热能转化为机械功 逆向循环逆向循环 消耗功消耗功 循环当中，除了一二个不可避免的不可逆过程循环当中，除了一二个不可避免的不可逆过程外，其余均为可逆过程。可逆循环是理想循环。外，其余均为可逆过程。可逆循环是理想循环。理想循环理想循环2.2.热力学第二定律热力学第二定律克劳修斯表述：克劳修斯表述：热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。相相应应的的经经验验事事实实有有，当当两两个个不不同同温温度度的的物物体体相相互互接接触触时时，热热量量将将由由高高温温物物体体向向低低温温物物体体传传递递，而而不不可可能能自自发发地地由由低低温温物物体体传传到到高高温温物物体体。如如果果借借助助制制冷冷机机，当当然然可可以以把把热热量量由由低低温温传传递递到到高高温温，但但要要以以外外界界作作功功为为代代价价，也就是引起了其他变化。克氏表述指明热传导过程是不可逆的。也就是引起了其他变化。克氏表述指明热传导过程是不可逆的。开尔文表述：开尔文表述：不不可可能能从从单单一一热热源源吸吸取取热热量量，使使之之完完全全变变成成有有用用的的功功而而不不产生其他影响。产生其他影响。相相应应的的经经验验事事实实有有，功功可可以以完完全全变变热热，但但要要把把热热完完全全变变为为功功而而不不产产生生其其他他影影响响是是不不可可能能的的。如如，利利用用热热机机，但但实实际际中中热热机机的的循循环环除除了了热热变变功功外外，还还必必定定有有一一定定的的热热量量从从高高温温热热源源传传给给低低温温热热源源，即即产产生生了了其其它它效效果果。热热全全部部变变为为功功的的过过程程也也是是有有的的，如如，理理想想气气体体等等温温膨膨胀胀。但但在在这这一一过过程程中中除除了了气气体体从从单单一一热热源源吸吸热热完完全全变变为为功功外外，还还引引起起了了其其它它变变化化，即即过过程程结结束束时时，气体的体积增大了。气体的体积增大了。克氏表述指明热传导过程是不可逆的。克氏表述指明热传导过程是不可逆的。开尔文表述指明功变热的过程是不可逆的。开尔文表述指明功变热的过程是不可逆的。热力学第二定律涉及的温度为热力学温度热力学第二定律涉及的温度为热力学温度(K)(K)T=273.16+t T=273.16+t 熵熵是热力学状态参数，是判别实际过程的方向，是热力学状态参数，是判别实际过程的方向，提供过程能否实现、是否可逆的判据。提供过程能否实现、是否可逆的判据。定义式定义式 q qrevrev是可逆过程的换热量，是可逆过程的换热量，T T为热源温度为热源温度可逆过程可逆过程1-21-2的熵增的熵增 克劳修斯积分克劳修斯积分 0 0 可逆循环可逆循环 0 0 不可逆循环不可逆循环 0 0 不可能实行的循环不可能实行的循环 p p、T T状态下的熵定义为：状态下的熵定义为：2.2.热源温度不变时的逆向可逆循环热源温度不变时的逆向可逆循环 逆卡诺循环逆卡诺循环 当当高高温温热热源源和和低低温温热热源源随随着着过过程程的的进进行行，温温度度不不变变时时，具具有有两两个个可可逆逆的的等等温温过过程程和和两两个个等等熵过程组成的逆向循环熵过程组成的逆向循环。在在相相同同温温度度范范围围内内，它它是是消消耗耗功功最最小小的的循循环环，即即热热力力学学效效率率最最高高的的制制冷冷循循环环，因因为为它它没有任何不可逆损失。没有任何不可逆损失。A AB B 等温膨胀，同时吸热，等温膨胀，同时吸热，维持制冷剂温度恒定维持制冷剂温度恒定 B BC C 绝热膨胀，同时放热，工质绝热膨胀，同时放热，工质从热源温度从热源温度T Th h到冷源温度到冷源温度T Tc c C CD D 等温压缩，同时放热，同时工质做负等温压缩，同时放热，同时工质做负功以使制冷剂维持一定的温度功以使制冷剂维持一定的温度 D DA A 制冷剂从冷源温度可逆绝热压制冷剂从冷源温度可逆绝热压缩到热源温度缩到热源温度卡诺制冷卡诺制冷机机是热力学是热力学理想的等理想的等温制冷机温制冷机一、卡一、卡诺循循环卡卡诺循循环是是1824年法国青年工程年法国青年工程师卡卡诺提出的一种理想提出的一种理想的有重要理的有重要理论意意义的可逆的可逆热机的可逆循机的可逆循环。1.1.卡卡诺循循环的的组成：成：它是工作于两个它是工作于两个热源源间的，由两个可逆的，由两个可逆等温等温过程和两个可逆程和两个可逆绝热过程所程所组成的可逆正向循成的可逆正向循环。2.卡卡诺循循环的效率：的效率：3.结论：（1）热效率效率t,c与工与工质的性的性质无关，只取决于高温无关，只取决于高温热源的温度源的温度T1与低温与低温热源的温度源的温度T2。（2）提高）提高T1降低降低T2，可以使卡，可以使卡诺循循环的的热效率提高。效率提高。（3）热效率效率t,c总是小于是小于1，也就是，也就是说不可能通不可能通过热机机循循环将将热能全部能全部转换为机械能。机械能。（4）T1T2时，t,c0，说明没有温差是不可能明没有温差是不可能连续不断地将不断地将热能能转换为机械能的。机械能的。二、逆卡二、逆卡诺循循环是逆向是逆向进行的卡行的卡诺循循环。作用效果：消耗机械能，从低温作用效果：消耗机械能，从低温热源吸收源吸收热量，降低量，降低温度，向高温温度，向高温热源放出源放出热量。量。制冷系数：制冷系数：供供热系数：系数：三、卡三、卡诺定理定理 在相同高温在相同高温热源和低温源和低温热源源间工作的任何不可逆工作的任何不可逆热机的机的热效率都小于可逆效率都小于可逆热机的机的热效率。效率。四、卡四、卡诺循循环及定理的意及定理的意义1.给出了循出了循环热效率的极限效率的极限值，即，即2.指指出出了了热机机实现热功功能能转换的的条条件件：必必须具具有有两两个个或或两两个个以上温度不同的以上温度不同的热源。源。3.指指出出了了提提高高热机机热效效率率的的途途径径，即即提提高高热源源的的温温度度，降降低低冷源的温度，冷源的温度，尽可能减少或降低不可逆因素的影响。尽可能减少或降低不可逆因素的影响。结论：1.1.制冷系数和供制冷系数和供热系数只取决于高温系数只取决于高温热源和低温源和低温热源的温度，源的温度，与工与工质无关。无关。2.提高提高T2，降低，降低T1，可以使制冷系数和供，可以使制冷系数和供热系数提高。系数提高。3.供供热系数系数总是大于是大于1，制冷系数可以大于、等于、小于，制冷系数可以大于、等于、小于1。4.4.逆卡逆卡诺循循环可分可分别用来制冷或供用来制冷或供热，也可以，也可以联合交替合交替进行。行。温温 度度 T熵熵 S图图1-10 洛伦兹循环的洛伦兹循环的T-s图图 3.3.热源温度可变时的逆向可逆循环热源温度可变时的逆向可逆循环洛伦兹循环洛伦兹循环 洛伦兹循环洛伦兹循环工作在工作在二个变温热源间。二个变温热源间。与卡诺循环主要不与卡诺循环主要不同之处：同之处：蒸发吸热蒸发吸热和冷却放热均为变和冷却放热均为变温过程。温过程。(假设制冷过程和冷却过程传热温差均为假设制冷过程和冷却过程传热温差均为T)T)制冷量制冷量 排热量排热量 耗功耗功 以卡诺循环作为比较依据：以卡诺循环作为比较依据：第一类循环是卡诺循环制冷机；第一类循环是卡诺循环制冷机；第二类循环是理想的热源驱动逆向可逆循环第二类循环是理想的热源驱动逆向可逆循环三热源循环。三热源循环。图图1-11 1-11 两类制冷循环能量转换关系图两类制冷循环能量转换关系图(a)(a)以电能或机械能驱动以电能或机械能驱动 (b)(b)以热能驱动以热能驱动 4.4.热源驱动的逆向可逆循环热源驱动的逆向可逆循环三热源循环三热源循环 洛伦兹循环制冷系数洛伦兹循环制冷系数 对可逆制冷机对可逆制冷机热力系数热力系数(1-45)1.1.2 1.1.2 制冷及其方法制冷及其方法 通过一定的方式将物体冷却到环境温度以下。通过一定的方式将物体冷却到环境温度以下。“冷冷”相对于环境温度而言，一般是指环境温相对于环境温度而言，一般是指环境温度至绝对零度。度至绝对零度。制冷制冷物质相变制冷物质相变制冷 分为液体气化制冷与固体熔化与升华制冷。分为液体气化制冷与固体熔化与升华制冷。气体膨胀制冷气体膨胀制冷 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，并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制冷。并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制冷。气气体体绝绝热热膨膨胀胀的的设设备备不不同同，一一般般有有两两种种方方式式: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，复复热热时时制制冷冷量量也也大大。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，气体的温降小。出，气体的温降小。绝热放气制冷绝热放气制冷 刚刚性性容容器器绝绝热热放放气气过过程程是是一一个个降降温温过过程程。在在P1、T1给给定定的的情情况况下下，放放气气过过程程终终了了时时的的压压力力越越低低，所所能能达达到到的的温温度度也也越越低。低。热电制冷热电制冷 热热电电制制冷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、西西 伯伯 克克(Seebeck)效效 应应、帕帕 尔尔 帖帖(Peltire)效应和汤姆逊效应和汤姆逊(Thomson)效应。效应。气体涡流制冷气体涡流制冷 涡涡流流冷冷却却效效应应的的实实质质是是利利用用人人工工方方法法产产生生漩漩涡涡使使气气体体分分为为冷冷热热两两部部分分。利利用用分分离离出出来来的的冷冷气气流即可制冷。流即可制冷。例例 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，它是利用热电效应（帕尔帖效应）制冷的方法。它是利用热电效应（帕尔帖效应）制冷的方法。有有些些半半导导体体材材料料具具有有较较高高的的热热电电势势，可可以以做做成成小型热电制冷器。小型热电制冷器。如如图图示示出出N型型半半导导体体和和P型型半半导体构成的热电偶制冷元件。导体构成的热电偶制冷元件。用用铜铜板板和和铜铜导导线线将将N型型半半导导体体和和P型型半半导导体体连连接接成成一一个个回回路路，铜铜板和铜导线只起导电的作用。板和铜导线只起导电的作用。此此时时，一一个个接接点点变变热热，一一个个接接点变冷。点变冷。如如果果电电流流方方向向反反向向，那那么么结结点点处的冷热作用互易。处的冷热作用互易。帕帕尔尔帖帖效效应应的的物理解释：物理解释：电电荷荷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，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；从从低低能能级级向向高高能能级级运运动时，从外界吸收能量。动时，从外界吸收能量。能能量量在在两两材材料料的的交交界界面面处处以热的形式吸收或放出。以热的形式吸收或放出。磁制冷技术：磁制冷技术：当当磁磁性性材材料料磁磁化化时时，dH 0，T0，系系统统温温度度升升高高；当当磁磁性性材材料料去去磁磁时时，dH0,T0，系系统统的温度降低。的温度降低。早早在在1920年年，德德拜拜(Debye)和和吉吉奥奥克克就就在在理理论论上上提出利用磁热效应可以进行制冷。提出利用磁热效应可以进行制冷。1933年年用用“绝绝热热去去磁磁冷冷却却”法法，从从4.2 K开开始始降降温获得了温获得了0.8 K的低温。的低温。随随后后发发展展为为“核核去去磁磁冷冷却却”。对对极极低低温温，特特别别对对 K级级温温度度环环境境的的形形成成发发挥挥了了巨巨大大的的作作用用，成成为为现代低温物理不可缺少的研究手段之一。现代低温物理不可缺少的研究手段之一。“绝热去磁冷却绝热去磁冷却”法法(1)等等温温磁磁化化过过程程(图图中中的的Ac-Bc过过程程)，将将磁磁场场从从B1增增大大到到B2，有有热热量量 Q1向向高高温温热热源源排排出出，同同时时磁磁性性工工质质等等温温地地将将自自己己的的熵减少。熵减少。(2)绝绝热热去去磁磁过过程程(图图中中的的Bc-Cc过过程程)，将将磁磁场场从从B2减减小小到到B3。由由于于没没有有热热量量流流入入或或流流出出系系统统，磁磁性性工工质质的的熵熵保保持持不不变变。对对于于相相变变温温度度Tc很很低低的的磁磁性性物物质质，温温度度与与磁磁场的关系近似于场的关系近似于(B2/T1)=(B3/T2)。(3)等等温温去去磁磁过过程程(图图中中的的CcDc过过程程)，将将磁磁场场从从B3减减小小到到B4。磁磁性性工工质质的的熵熵等等温温地增加，从低温热源吸收热量地增加，从低温热源吸收热量 Q2。(4)绝绝热热磁磁化化过过程程(图图中中的的DcAc过过程程)，将将磁磁场场从从B4增增大大到到B3。这这刚刚好好与与过过程程2相相反反，磁磁性性工工质质沿沿Dc-Ac线线等等熵熵变变化化，其其温温度从度从T2上升到上升到T1。绝热节流制冷循环绝热节流制冷循环(焦焦-汤效应汤效应)绝绝热热节节流流制制冷冷循循环环也也称称作作林林德德循循环环，系系统统组组成如上图所示，下图为循环的成如上图所示，下图为循环的T-sT-s图。图。系系统统由由压压缩缩机机、冷冷却却器器、逆逆流流换换热热器器、节节流流阀和蒸发器组成。阀和蒸发器组成。对对于于理理想想循循环环，制制冷冷工工质质在在压压缩缩机机里里从从低低压压p p1 1压压缩缩到到p p2 2，经经冷冷却却器器等等压压冷冷却却至至常常温温(点点2)2)。上上述述过过程程可可近近似似地地认认为为压压缩缩与与冷冷却却过过程程同同时时进进行行，是是一一个个等等温温压压缩缩过过程程(由由此此引引起起的的误误差差由由等等温温效效率率修修正正，见见后后)，在在T Ts s图图上上简简单单地地用用等等温温线线1 1/2 2表示。表示。然然后后经经逆逆流流换换热热器器器器冷冷却却至至状状态态3 3，经经节节流流阀阀节节流流后后到到状状态态4 4并并进进入入蒸蒸发发器器。在在蒸蒸发发器器中中，节节流流后后形形成成的的液液体体工工质质吸吸收收被被冷冷却却物物体体的的热热量量（即即冷冷量）蒸发为蒸气。量）蒸发为蒸气。处处于于饱饱和和状状态态的的蒸蒸气气回回流流至至换换热热器器中中，用用于于冷冷却却高高压压正正流流气气体体，在在理理想想情情况况下下，本本身身复复热热到到温度温度T T1 1，然后被吸入压缩机，完成整个循环。，然后被吸入压缩机，完成整个循环。3He-4He稀释制冷稀释制冷4.1.3 4.1.3 低温温区的划分低温温区的划分 1.1.低温温区的划分低温温区的划分 通过通过123123来分界温区来分界温区制冷温区制冷温区 123K123K以上以上低温温区低温温区 123K123K以下以下图图 低温温度范围低温温度范围 制制冷冷的的温温度度范范围围是是从从环环境境温温度度开开始始，直直到接近绝对零度即到接近绝对零度即0 0。2.2.制冷与低温技术的发展历史制冷与低温技术的发展历史 (1)(1)制冷技术的发展历史制冷技术的发展历史 人工制冷的方法是随着工业革命而开始的。人工制冷的方法是随着工业革命而开始的。空气制冷机的发明比蒸气压缩式制冷机稍晚。空气制冷机的发明比蒸气压缩式制冷机稍晚。空调技术的应用起始于空调技术的应用起始于19191919年。年。19081908年，年，OnnesOnnes最先液化了氦气最先液化了氦气19111911年，超导电性首次被发现年，超导电性首次被发现 19421942年，德国年，德国V-2V-2武器试验成功，低温技术军事应用开始武器试验成功，低温技术军事应用开始 19611961年，土星年，土星V V号是首个用液氢液氧混合推进剂的飞行器号是首个用液氢液氧混合推进剂的飞行器 我我国国的的低低温温研研究究工工作作从从2020世世纪纪5050年年代代开开始始。制制冷冷与与低温技术已广泛应用于工农业各个部门及一切科学领域低温技术已广泛应用于工农业各个部门及一切科学领域二二 制冷与低温工质制冷与低温工质 5.2.1 5.2.1 制冷剂的发展、应用与选用原则制冷剂的发展、应用与选用原则 只有在工作温度范围内能够汽化和凝结的物质才有只有在工作温度范围内能够汽化和凝结的物质才有可能作为制冷剂使用。可能作为制冷剂使用。乙醚是最早使用的制冷剂。乙醚是最早使用的制冷剂。18661866年年 威德豪森威德豪森(Windhausen)(Windhausen)提出使用提出使用COCO2 2作制冷剂。作制冷剂。18701870年年 卡尔卡尔林德林德(Cart Linde)(Cart Linde)用用NHNH3 3作制冷剂。作制冷剂。18741874年年 拉乌尔拉乌尔皮克特皮克特(Raul Pictel)(Raul Pictel)采用采用SOSO2 2作制冷剂。作制冷剂。SOSO2 2和和COCO2 2在历史上曾经是比较重要的制冷剂。在历史上曾经是比较重要的制冷剂。SOSO2 2毒性大，但作为重要制冷剂曾有毒性大，但作为重要制冷剂曾有6060年历史。年历史。COCO2 2在使用温度范围内压力特高，致使机器极为笨重，但在使用温度范围内压力特高，致使机器极为笨重，但它无毒使用安全。曾在船用冷藏装置中作制冷剂达它无毒使用安全。曾在船用冷藏装置中作制冷剂达5050年年之久，之久，19551955年才被氟里昂所取代。年才被氟里昂所取代。氟里昂：氟里昂：氟里昂（freon）是氟氯代甲烷和氟氯代乙烷的总称，因此又称“氟氯烷”或“氟氯烃”，可用符号“CFC”表示。氟里昂包括20多种化合物，其中最常用的是氟里昂-12（化学式CCl2F2），其次是氟里昂-11（化学式CCl3F）。氟里昂是一种性能优良的冷冻剂，在家用电冰箱和空调机中广泛使用。人们最早使用的冷冻剂是二氧化硫和氨。在1.01105Pa时，二氧化硫于10液化，氢在33液化。若在常温下，对二氧化硫施加2.525105Pa，对氨施加8.888105Pa，它们也能液化。这两种物质也都不能燃烧。但美中不足的是，它们都有强烈的刺激性气味，浓度大时还有毒性，并对金属有腐蚀作用。不过，它们的价格比较便宜，所以至今仍用于大型冷冻机中。美国化学家密得烈经过长期的研究，终于制成了CCl2F2，即氟里昂-12。它的性能优于二氧化硫和氨。CCl2F2可由四氯化碳与无水氟化氢在催化剂存在下反应制得。用SbCl5催化时，CCl2F2 产率为90，CCl3F为9，CClF3为0.5；用FeCl3催化时，CCl2F2产率为75，CCl3F为20。用氟里昂作冷冻剂，优点很多：（1）容易液化。如氟里昂-12，沸点29.8；氟里昂-11，沸点23.8；（2）没有气味，没有毒性。不像氨、二氧化硫那样，一旦管道漏气，就会产生强烈的刺激性气味，甚至造成事故；（3）不腐蚀金属，这一点也优于二氧化硫和氨；（4）跟大多数有机物不同，氟里昂不能燃烧，因而避免了发生火灾和爆炸的危险。氟里昂有许多重要应用，除在冷冻装置中作冷冻剂外，还常用作喷雾装置中气溶胶推进剂、电子器件清洗剂以及泡沫塑料的发泡剂等。随着环境科学的发展，人们逐渐认识到并越来越关注逸到大气平流层中的氟里昂对臭氧的破坏作用。臭氧层是地球生命的保护层，它大约能把太阳辐射来的高能紫外线的5吸收掉，使地球上的生物免遭强紫外线的杀伤。科学家指出，地球大气中臭氧每减少1，就会增加5的皮肤癌和2的黑色素瘤疾患，并使农作物减产。如果没有臭氧层的保护，所有强紫外辐射全部落到地面的话，那么，地球上的林木将会被烤焦，飞禽走兽都将被杀死。臭氧层的破坏是触目惊心的。近些年，在南极和北极上空都曾出现过巨大的季节性的臭氧“空洞”，空洞的面积有时相当于美国国土的2倍。科学观测表明，19691986年，北纬3060地区上空臭氧浓度下降了1.73。主要包括美国、欧洲、加拿大、日本、中国和前苏联人口稠密地区。近年来科学家还发现，臭氧层损耗的速度比预想的还要快。为拯救臭氧层，大量减少并最终停止生产和使用氟里昂类物质，发达国家负有不可推卸的责任。1985年，联合国通过了保护臭氧层公约，1987年通过了蒙特利尔议定书。我国政府批准了保护臭氧层公约，并于1991年宣布加入蒙特利尔议定书。1992年，我国编制了中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案，方案说，我国当前主要生产和消费氟里昂-12、氟里昂-11、氟里昂-113和哈龙-1211、哈龙-1301、四氯化碳、1，1，1-三氯乙烷等7种受控物质。我国将在2010年完全淘汰消耗臭氧层的物质。消耗臭氧层物质被淘汰后要有相应的替代物。氟里昂的代价 氟里昂于30年代开发出来。属于氯氟烃化合物（CFCs），氟里昂是它的商品名称。它不易燃烧，不具腐蚀性，无毒，性能稳定，价格便宜，作为一种工业用化学物质，被广泛使用在各种冷冻空调的冷媒、电子和光学元件的清洗溶剂、化妆品等喷雾剂，以及泡沫塑料PU、PS、PE的发泡剂等等。从20世纪的30年代初到90年代的五六十年中，人类总共生产了1500万吨氯氟烃。在对氟里昂实行控制之前，全世界向大气中排放的氟里昂已达到了2000万吨。由于它们在大气中的平均寿命达数百年，所以排放的大部分仍留在大气层中，其中大部分仍然停留在对流层，一小部分升入平流层。由于世界各主要工业国家多位北半球，因此北半球大气中CFCs的平均浓度较南半球高。CFCs排出后在大气中迅速扩散，但南北两半球的大气，要穿越赤道完全混合，需时约2年。北半球大气中CFCs的平均年增率为4-5%，而南半球CFCs的平均浓度则较北半球约低8-10%，故南半球的CFCs大约也刚好是以落后北半球2年的时间，而以相同的速率在增加中。积存在对流层的大量CFCs，会随着大气运动进入平流层。对流层上部是对流层顶，对流层顶的高度各地并不相同，因季节和纬度而异，在赤道附近最高，约18公里；在高纬度的两极，只有8公里左右，而且夏季比冬季略高。由于各地对流层顶高度不同，在纬度30度左右的副热带地区，产生不连续现象，对流层顶缺口（青藏高原也位于30度地区）。在这个缺口处，上下层空气混合非常强烈，CFCs等物质便因而趁隙进入平流层。1.1.热力学性质方面热力学性质方面 2.2.迁移性质方面迁移性质方面 (1)(1)工作温度范围内有合适的压力和压力比。工作温度范围内有合适的压力和压力比。(2)(2)单位制冷量单位制冷量q q0 0和单位容积制冷量和单位容积制冷量q qv v较大。较大。(3)(3)比功比功w w和单位容积压缩功和单位容积压缩功w wv v小，循环效率高。小，循环效率高。蒸发压力蒸发压力大气压力大气压力冷凝压力不要过高冷凝压力不要过高冷凝压力与蒸发压力之比不宜过大冷凝压力与蒸发压力之比不宜过大 (4)(4)等熵压缩终了温度等熵压缩终了温度t t2 2不能太高，以免润滑条件恶化不能太高，以免润滑条件恶化或制冷剂自身在高温下分解。或制冷剂自身在高温下分解。(1)(1)粘度、密度尽量小。粘度、密度尽量小。(2)(2)导热系数大，可提高传热系数，减少传热面积。导热系数大，可提高传热系数，减少传热面积。作为制冷剂应符合的要求作为制冷剂应符合的要求 3.3.物理化学性质方面物理化学性质方面 4.4.其它其它 (1)(1)无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全。(2)(2)化学稳定性和热稳定性好。化学稳定性和热稳定性好。(3)(3)对大气环境无破坏作用。对大气环境无破坏作用。原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜。原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜。5.2.2 5.2.2 制冷剂命名制冷剂命名制冷剂按其化学组成主要有三类制冷剂按其化学组成主要有三类 无机物无机物 氟里昂氟里昂 碳氢化合物碳氢化合物 字母字母“R”R”和它后面的一组数字或字和它后面的一组数字或字母母 表示制冷剂表示制冷剂 根据制冷剂分子组成按一定规则编写根据制冷剂分子组成按一定规则编写 1.1.无机化合物无机化合物 2.2.氟里昂和烷烃类氟里昂和烷烃类 简写符号规定为简写符号规定为R7()()R7()()括号中填入的数字是该无机物分子量的整数部分。括号中填入的数字是该无机物分子量的整数部分。简写符号规定为简写符号规定为R(m-1)(n+1)(x)B(z)R(m-1)(n+1)(x)B(z)数值为零时省去写，同分异构体则在其最后加小写数值为零时省去写，同分异构体则在其最后加小写英文字母以示区别。英文字母以示区别。正丁烷和异丁烷例外，用正丁烷和异丁烷例外，用R600R600和和R600a(R600a(或或R601)R601)表示表示编写规则编写规则制冷剂的简写符号制冷剂的简写符号3.3.非共氟混合工质非共氟混合工质 简写符号为简写符号为R4()()R4()()括号中的数字为该工质命名的先后顺序号，从括号中的数字为该工质命名的先后顺序号，从0000开始开始若构成非共氟混合工质的纯物质种类相同，但成分含若构成非共氟混合工质的纯物质种类相同，但成分含量不同，则分别在最后加上大写英文字母以示区别量不同，则分别在最后加上大写英文字母以示区别 4.4.共氟混合工质共氟混合工质 简写符号为简写符号为R5()()R5()()括号中的数字为该工质命名的先后顺序号，从括号中的数字为该工质命名的先后顺序号，从0000开始开始 5.5.环烷烃、链烯烃以及它们的卤代物环烷烃、链烯烃以及它们的卤代物 简写符号规定：环烷烃及环烷烃的卤代物用字母简写符号规定：环烷烃及环烷烃的卤代物用字母“RC”RC”开头，链烯烃及链烯烃的卤代物用字母开头，链烯烃及链烯烃的卤代物用字母“R1”R1”开开头，其后的数字排写规则与氟里昂及烷烃类符号表示中头，其后的数字排写规则与氟里昂及烷烃类符号表示中的数字排写规则相同。的数字排写规则相同。表表1-4 1-4 制冷剂符号举例制冷剂符号举例 化合物名称化合物名称分子式分子式m、n、x、z值值简写符号简写符号一氟三氯甲烷一氟三氯甲烷CFCl3m=1,n=0,x=1R11二氟二氯甲烷二氟二氯甲烷CF2Cl2m=1,n=0,x=2R12三氟一溴甲烷三氟一溴甲烷CF3Brm=1,n=0,x=3,z=1R13B1二氟一氯甲烷二氟一氯甲烷CHF2Clm=1,n=1,x=2R22二氟甲烷二氟甲烷CH2F2m=1,n=2,x=2R32甲烷甲烷CH4m=1,n=4,x=0R50三氟二氯乙烷三氟二氯乙烷C2HF3Cl2m=2,n=1,x=3R123五氟乙烷五氟乙烷C2HF5m=2,n=1,x=5R125四氟乙烷四氟乙烷C2H2F4m=2,n=2,x=4R134a乙烷乙烷C2H6m=2,n=6,x=0R170丙烷丙烷C3H8m=3,n=8,x=0R290此外，有机氧化物、脂肪族胺用此外，有机氧化物、脂肪族胺用R6R6开头，其后数字任选。开头，其后数字任选。详细可从详细可从表表1-5 1-5 制冷剂标准符号表示制冷剂标准符号表示中查出。中查出。为简单定性判别制冷剂对臭氧层的破坏能力为简单定性判别制冷剂对臭氧层的破坏能力 将氯氟烃类物质代号中的将氯氟烃类物质代号中的R R改用字母改用字母CFCCFC氢氯氟烃类物质代号中的氢氯氟烃类物质代号中的R R改用字母改用字母HCFCHCFC氢氟烃类物质代号中的氢氟烃类物质代号中的R R改用字母改用字母HFCHFC碳氢化合物代号中的碳氢化合物代号中的R R改用字母改用字母HCHC，数字编号不变数字编号不变5.2.3 5.2.3 制冷剂的物理化学性质及其应用制冷剂的物理化学性质及其应用1.1.安全性安全性(1)(1)毒性毒性 虽然一些氟里昂制冷剂其毒性都较低，但在高温或虽然一些氟里昂制冷剂其毒性都较低，但在高温或火焰作用下会分解出极毒的光气。火焰作用下会分解出极毒的光气。表表16 16 制冷剂的毒性指标制冷剂的毒性指标给出常用制冷剂给出常用制冷剂TLVsTLVs或或AELAEL值值 制冷剂制冷剂代代 号号TLVs或或AELppmhr制冷剂制冷剂代代 号号TLVs或或AELppmhr制冷剂制冷剂代代 号号TLVs或或AEL ppmhr111000124500290100012100012510005001000221000134a10005021000231000142b1000600a1000321000143a1000717112310152a10007181000(2)(2)燃烧性和爆炸性燃烧性和爆炸性在空气中发生燃烧或爆炸的体积百分比范围。在空气中发生燃烧或爆炸的体积百分比范围。这一范围的下限值越小，表示越易燃；下限这一范围的下限值越小，表示越易燃；下限值相同，则范围越宽越易燃。值相同，则范围越宽越易燃。(3)(3)安全分类安全分类表表1818与表与表1919分别给出了分别给出了6 6个安全等级的划分定义个安全等级的划分定义和一些制冷剂的安全分类。和一些制冷剂的安全分类。2.2.热稳定性热稳定性 制冷剂在正常运转条件下不发生裂解。在温度较高又制冷剂在正常运转条件下不发生裂解。在温度较高又有油、钢铁、铜存在长时间使用会发生变质甚至热解。有油、钢铁、铜存在长时间使用会发生变质甚至热解。爆炸极限爆炸极限表表17 17 一些制冷剂的易燃易爆特性一些制冷剂的易燃易爆特性制冷剂制冷剂代代 号号爆炸爆炸极限极限(容积容积%)制冷剂制冷剂代代 号号爆炸爆炸极限极限(容积容积%)制冷剂制冷剂代代 号号爆炸爆炸极限极限(容积容积%)11None124 None2902.3-7.312 None125 None500 None22 None134a None502 None23 None142b6.7-14.9 600a1.8-8.43214-31143a6.0-na71716.0-25.0123 None152a3.9-16.9 718 None注：注：NoneNone表示不燃烧，表示不燃烧，nana表示未知。表示未知。表表18 18 ASHRAE34-1992ASHRAE34-1992以毒性和可燃性为界限的安全分以毒性和可燃性为界限的安全分类类 毒毒 性性 可可 燃燃 性性TLVs值值确确定定或或一一定定的的系系数数，制制冷冷剂剂体体积积分分数数410-4TLVs值值确确定定或或一一定定的的系系数数，制制冷冷剂剂体体积积分分数数0.1kg/m3,燃烧热燃烧热2/3)(Z2/3)5.5.与水的溶解性与水的溶解性“冰堵现象冰堵现象”当温度降到当温度降到00以下时，水结成冰而堵塞节流以下时，水结成冰而堵塞节流阀或毛细管的通道形成阀或毛细管的通道形成“冰堵冰堵”，致使制冷机，致使制冷机不能正常工作。不能正常工作。6.6.泄漏性泄漏性氨氨有强烈臭气，靠嗅觉易判是否泄漏。易溶于有强烈臭气，靠嗅觉易判是否泄漏。易溶于水故不用肥皂水检漏，水故不用肥皂水检漏，用酚酞试剂和试纸检漏用酚酞试剂和试纸检漏 氟利昂氟利昂无色无臭，无色无臭，卤素喷灯卤素喷灯和和电子检漏仪电子检漏仪检漏检漏表表110 110 水分在一些制冷剂中的溶解度水分在一些制冷剂中的溶解度（2525）制冷剂制冷剂代代 号号溶解度溶解度(质量质量%)制冷剂制冷剂代代 号号溶解度溶解度(质量质量%)制冷剂制冷剂代代 号号溶解度溶解度(质量质量%)110.00981240.07290na120.011250.075000.05220.13134a0.115020.06230.15142b0.05600ana320.12143a0.081230.08152a0.17注：注：nana表示没有找到可用的数据。表示没有找到可用的数据。氟点氟点-33.3-33.3，凝固点，凝固点-77.9-77.9 单位容积制冷量大粘性小，传热性好，流动阻力小单位容积制冷量大粘性小，传热性好，流动阻力小 毒性较大，有一定的可燃性，安全分类为毒性较大，有一定的可燃性，安全分类为B2 B2 氨蒸气无色，具有强烈的刺激性臭味氨蒸气无色，具有强烈的刺激性臭味 氨液飞溅到皮肤上会引起肿胀甚至冻伤氨液飞溅到皮肤上会引起肿胀甚至冻伤 氨系统中有水分会加剧对金属腐蚀同时减小制冷量氨系统中有水分会加剧对金属腐蚀同时减小制冷量 以任意比与水互溶但在矿物润滑油中的溶解度很小以任意比与水互溶但在矿物润滑油中的溶解度很小 系统中氨分离的游离氢积累至一定程度遇空气爆炸系统中氨分离的游离氢积累至一定程度遇空气爆炸 氨液比重比矿物润滑油小，油沉积下部需定期放出氨液比重比矿物润滑油小，油沉积下部需定期放出 在氨制冷机中不用铜和铜合金材料在氨制冷机中不用铜和铜合金材料(磷青铜除外磷青铜除外)5.2.4 5.2.4 常用制冷剂常用制冷剂1.1.无机物无机物氨氨2.2.氟利昂氟利昂(1)R12(1)R12（二氟二氯甲烷二氟二氯甲烷 CFCF2 2ClCl2 2）氟点氟点-29.8-29.8，凝固点，凝固点-158-158。无色，有较弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全。无色，有较弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全。系统里应严格限制含水量，一般规定不得超过系统里应严格限制含水量，一般规定不得超过0.001%0.001%常用温度范围内能与矿物性润滑油以任意比互溶常用温度范围内能与矿物性润滑油以任意比互溶 不腐蚀一般金属但能腐蚀镁及含镁量超过不腐蚀一般金属但能腐蚀镁及含镁量超过2%2%铝镁合金。铝镁合金。对天然橡胶和塑料有膨润作用。对天然橡胶和塑料有膨润作用。(2)R134a(2)R134a（四氟乙烷四氟乙烷 CHCH2 2FCFFCF3 3）毒性非常低，不可燃，安全。毒性非常低，不可燃，安全。与矿物润滑油不相溶，但能完全溶解于多元醇酯类。与矿物润滑油不相溶，但能完全溶解于多元醇酯类。化学稳定性很好，溶水性比化学稳定性很好，溶水性比R12R12强得多，对系统干燥和强得多，对系统干燥和清洁性要求更高，用与清洁性要求更高，用与R12R12不同的干燥剂。不同的干燥剂。5.2.5 5.2.5 低温液体的性质低温液体的性质表表1-13 1-13 大气压下一些饱和低温液体的性质大气压下一些饱和低温液体的性质(1)(1)常规气体常规气体 液氮液氮纯净无色纯净无色具有两种稳定的同素异形体。具有两种稳定的同素异形体。标准大气压下在标准大气压下在77.36K77.36K氟腾氟腾,63.2K,63.2K凝固。凝固。液氧液氧蓝色，有轻微磁性蓝色，有轻微磁性。在在0.1MPa0.1MPa大气压下在大气压下在90.18K90.18K时氟腾，时氟腾，54.4K54.4K时凝固。时凝固。具有三种稳定的同素异形体。具有三种稳定的同素异形体。液氩液氩纯净无色纯净无色 氩是无毒的惰性气体。氩是无毒的惰性气体。在在0.1MPa0.1MPa大气压下在大气压下在87.3K87.3K氟腾氟腾,83.8K,83.8K凝固。凝固。具有三种稳定的同素异形体。具有三种稳定的同素异形体。液氖液氖纯净无色纯净无色 氖是惰性气体氖是惰性气体。在在0.1MPa0.1MPa大气压下在大气压下在27.09K27.09K氟腾氟腾,24.54K,24.54K凝固。凝固。具有三种稳定的同素异形体。具有三种稳定的同素异形体。液氟液氟淡黄色，密度最大的低温液体之一淡黄色，密度最大的低温液体之一。通常状态下氟点为通常状态下氟点为85.24K85.24K，在在0.1MPa,53.5K0.1MPa,53.5K时时,液氟凝结液氟凝结成黄色固体成黄色固体,过冷到过冷到45.6K45.6K时转变为白色固体。时转变为白色固体。氟有剧毒，化学性质非常活泼氟有剧毒，化学性质非常活泼。甲烷甲烷纯净无色，天然气的主要成分纯净无色，天然气的主要成分。在在0.1MPa0.1MPa大气压下在大气压下在111.7K111.7K氟腾氟腾,88.7K,88.7K凝固。凝固。液态甲烷能装在容器中大量运输。液态甲烷能装在容器中大量运输。(2)(2)氢氢 液氢无色无味，不自燃，低温液体中最轻之一。液氢无色无味，不自燃，低温液体中最轻之一。氢与氧气或空气混合时氢与氧气或空气混合时,极易燃烧甚至爆炸。极易燃烧甚至爆炸。天然氢气是两种同素异形体的混合物：氢和氘。天然氢气是两种同素异形体的混合物：氢和氘。还存在第三种不稳定的氢的同素异形体：氚。还存在第三种不稳定的氢的同素异形体：氚。氢具有两种不同的分子形态氢具有两种不同的分子形态:o-Ho-H2 2和和p-Hp-H2 2氘也有氘也有o-Do-D2 2和和p-Dp-D2 2存在，温度降低时氘中的存在，温度降低时氘中的p-Dp-D2 2向向o-Do-D2 2转变而氢在温度降低时由转变而氢在温度降低时由o-Ho-H2 2向向p-Hp-H2 2转变转变 (3)(3)氦氦4 4氦有两种同位素氦有两种同位素:He4:He4 和和He3 He3 液氦液氦4 4在其蒸气压下不会凝固。故在其蒸气压下不会凝固。故不存在氦的固、不存在氦的固、液、气三相点液、气三相点,而其它物质都存在三相点。而其它物质都存在三相点。液液HeHe有两种不同液相有两种不同液相液氦液氦(HeIHeI)正常液体正常液体液氦液氦(HeIIHeII)超流体超流体线与蒸汽压曲线线与蒸汽压曲线相交的点叫相交的点叫点点点温度为点温度为2.172K2.172K压力为压力为5.073kPa 5.073kPa 区分两种液相的相区分两种液相的相转变曲线叫转变曲线叫线线压压 力力固态固态临临界界点点点点液氦液氦 液氦液氦IIII 温温 度度 (K)图图1-21 氦氦4的相图的相图热导率随温度的下降而下降。热导率随温度的下降而下降。氦氦液氦液氦热导率非常大热导率非常大,在气泡生成之前热量已迅速传到在气泡生成之前热量已迅速传到液体表面液体表面,使液体中无法生成气泡，这种特性在使液体中无法生成气泡，这种特性在自然界是独一无二。自然界是独一无二。在特定条件下在特定条件下,它表现为粘度为零。它表现为粘度为零。由常流体和超流体组成的混合物由常流体和超流体组成的混合物,其常流体成分其常流体成分和超流体成分比随温度的变化而变化。和超流体成分比随温度的变化而变化。当温度降低通当温度降低通过过点时，液点时，液体比热有一个体比热有一个大幅度跳跃。大幅度跳跃。图图1-22 饱和液态氦饱和液态氦4的比热的比热 温温 度度 (K)饱和液体的比热饱和液体的比热 KJ/KgK 喷泉效应喷泉效应氦氦3 30.827K0.827K以下，液氦以下，液氦3 3和液氦和液氦4 4的混合物能自发分的混合物能自发分离为两相，一种是离为两相，一种是超流体超流体(富含氦富含氦4 4相相)，另一另一种是种是常流体常流体(富含氦富含氦3 3相相)。这种。这种相的分离现象相的分离现象成为氦稀释制冷机的基础。成为氦稀释制冷机的基础。无色无味液体无色无味液体,标准氟点标准氟点3.19K 3.19K 液氦液氦3 3在其蒸汽压下即使降到绝对零度也保在其蒸汽压下即使降到绝对零度也保持为液态持为液态 第三节第三节 制冷技术与学科交叉制冷技术与学科交叉制冷与低温技术的学科交叉领域举例制冷与低温技术的学科交叉领域举例 10.10.火箭推力系统与高能物理火箭推力系统与高能物理 1.1.空气调节空气调节2.2.人工环境人工环境3.3.食品冷冻与冷冻干燥食品冷冻与冷冻干燥4.4.低温生物医学技术低温生物医学技术5.5.低温电子技术低温电子技术6.6.机械设计机械设计7.7.红外遥感技术红外遥感技术8.8.加工过程加工过程9.9.材料回收材料回收制冷在空调中的作用制冷在空调中的作用 (1)(1)干式冷却干式冷却 (2)(2)减湿冷却减湿冷却 (3)(3)减湿与干式冷却混合方式减湿与干式冷却混合方式 1.1.空气调节空气调节图图1-26 制冷与空调的关系制冷与空调的关系 制冷和空调制冷和空调的关系相互的关系相互联系又独立联系又独立用人工方法构成各种人们所希望达到的环境条用人工方法构成各种人们所希望达到的环境条件，包括地面的各种气候变化和高空宇宙及其件，包括地面的各种气候变化和高空宇宙及其它特殊的要求。它特殊的要求。2.2.人工环境人工环境与制冷有关的人工环境试验有以下几种与制冷有关的人工环境试验有以下几种 (1)(1)低温环境试验低温环境试验 (2)(2)湿热试验湿热试验 (3)(3)盐雾试验盐雾试验 (4)(4)多种气候试验多种气候试验 (5)(5)空间模拟试验空间模拟试验 根据对食品处理方式不同，食品低温处理工艺根据对食品处理方式不同，食品低温处理工艺可分可分三类三类：(1)(1)食品的冷藏与冷却食品的冷藏与冷却 (2)(2)食品的冻结与冻藏食品的冻结与冻藏 (3)(3)冷冻干燥冷冻干燥 3.3.食品冷冻与冷冻干燥食品冷冻与冷冻干燥研究低温对生物体产生的影响及应用的学科。研究低温对生物体产生的影响及应用的学科。低温生物学低温生物学研究温度降低对人类生命过程的影响，以及低温研究温度降低对人类生命过程的影响，以及低温技术在人类同疾病作斗争中的应用的学科。技术在人类同疾病作斗争中的应用的学科。低温医学低温医学低温生物医学低温生物医学 低温生物学和低温医学的统称。低温生物学和低温医学的统称。典型应用例子典型应用例子 (1)(1)细胞组织程序冷却的低温保存细胞组织程序冷却的低温保存 (2)(2)超快速的玻璃化低温保存方法超快速的玻璃化低温保存方法(3)(3)利用低温器械使病灶细胞和组织低温损伤利用低温器械使病灶细胞和组织低温损伤 而坏死的低温外科。而坏死的低温外科。4.4.低温生物医学技术低温生物医学技术微波激射器微波激射器必须冷到液氮或液氦温度必须冷到液氮或液氦温度,以使放大以使放大器元素原子的热振荡不至于严重干扰微波的吸器元素原子的热振荡不至于严重干扰微波的吸收与发射。收与发射。超导量子干涉器超导量子干涉器即即SQUIDsSQUIDs,被用在相当灵敏的数被用在相当灵敏的数字式磁力计和伏安表上。字式磁力计和伏安表上。在在MHDMHD系统、线性加速器和托克马克装置中，超系统、线性加速器和托克马克装置中，超导磁体被用来产生强磁场。导磁体被用来产生强磁场。5.5.低温电子技术低温电子技术 运用与超导电性有关的运用与超导电性有关的MeissnerMeissner效应效应,用用磁场代替油或空气作润滑剂磁场代替油或空气作润滑剂,可以制成无磨擦可以制成无磨擦轴承。轴承。在船用推进系统中在船用推进系统中,无电力损失的超导电无电力损失的超导电机已获得应用。机已获得应用。偏差极小的超导陀螺也已经被研制出来。偏差极小的超导陀螺也已经被研制出来。时速时速500km/h500km/h的低温超导磁悬浮列车已经的低温超导磁悬浮列车已经在日本投入试验运行。在日本投入试验运行。6.6.机械设计机械设计 采用红外光学镜头可采用红外光学