制冷与低温技术原理-第2章制冷方法

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,制冷与低温技术原理,第,2,章 制冷方法,第,2,章,制冷方法,内容要求,物质相变制冷,电，磁，声制冷,气体涡流制冷,气体膨胀制冷,绝热放气制冷,常见的制冷方法有四种：,物质相变制冷,气体绝热膨胀制冷,气体涡流制冷,热电制冷,利用液体在低温下的蒸发过程或固体,在低温下的融化或升华过程从被冷却,物体吸取热量以制取冷量。,高压气体经绝热膨胀即可达到较低,温度，令低压气体复热即可制取冷量。,令直流电通过半导体热电堆，即可在,一端产生冷效应，另一端产生热效应。,高压气体经涡流管膨胀后即可分离冷,热两股气流，用冷气流的复热过程即,可制冷。,2.1.1,相变制冷概述,2.1,物质相变制冷,以流体为制冷剂，通,过一定的机器设备构,成制冷循环，利用液,体汽化时的吸热效应,，实现对被冷却对象,的连续制冷。,液体蒸发制冷,以一定数量的固体,物质为制冷剂，作,用于被冷却对象，,实现冷却降温。一,旦固体全部相变，,冷却过程即终止。,固体相变制冷,1.,固体相变制冷,原理；利用固体融化或升华冷却。,制冷剂：冰，冰盐，干冰，其它固体升华冷却。,（,1,）冰冷却,冰,水,水蒸气,融化,升华,课后问题,1,；,冰的物理性质。,可满足,0C,以上的制冷要求。,说明,吸热,吸热,常压下，冰在,0,融化，,融化潜热为,335kJ/kg,。,（,2,）冰盐冷却,冰盐,盐水膜,和冰,盐水,溶液,盐溶解,课后问题,2,；,冰盐的性质。,1.,冰盐冷却能达到的低温程度与盐的种类,和混合物中盐与冰的质量有关。,2.,常用的冰盐是块冰与工业食盐的混合物。,说明,吸热,吸热,冰,0,融化,冰融化,吸热,（,3,）干冰冷却,固态,CO,2,液态,CO,2,气态,CO,2,融化,升华,课后问题,3,；,干冰的物理性质。,干冰的制冷能力比冰和冰盐都大。,说明,吸热,吸热,CO,2,的三相点参数：,温度,-56.6,，,压力,0.52MPa,。,常压下，干冰的升华,温度,-78.5,，升华热,为,573.6kJ/kg,。,2.,液体蒸发制冷,常用方法,：,蒸气压缩式制冷,吸收式制冷,蒸气喷射式制冷,吸附式制冷,共同特点,：,是利用液体汽化,时的吸热效应而,实现制冷的。,液体蒸发制冷循环必须,具备四个基本过程：,制冷剂液体在低温低压下,汽化，产生低压蒸气。,制冷剂低压汽化,高压蒸气液化,高压液体降压,蒸气升压,将低压蒸气抽出并提高压力,变成高压蒸气。,将高压蒸气冷凝成高压液体。,高压液体再降低压力回到,初始的低压状态。,2.,制冷系统图：,2.1.2,蒸气压缩式制冷,1.,系统组成：,压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器等主要设备,组成，用管道将其连接成一个封闭的系统。,压缩机：,起着,压缩,和,输送,制冷剂蒸汽并造成蒸发器,中低压力，冷凝器中高压力的作用，是整,个系统的心脏。,膨胀,阀：,对制冷剂起到,节流降压,的作用，并,调节,进入蒸发器的制冷剂流量。,蒸发器：,是,输出冷量,的设备。制冷剂在蒸发器中,吸收被冷却物体的热量，从而达到制取,冷量的目的。,冷凝器：是,输出热量,的设备。从蒸发器中吸取的,热量连同压缩机消耗的功所转化的热量,在冷凝器中被冷却介质带走。,3.,工作过程：,蒸发器,低温低压的,制冷剂液体,与被冷却对,象发生热交换，吸收被,冷却对象的,热量并汽化,形成冷剂蒸气。,压缩机,低压蒸气被,压缩机吸入,，经压缩后,形成高温高,压蒸气排,出。,冷凝器,压缩机排出,的高压制冷,剂气体进入,冷凝器，被,冷却水或空,气冷却、冷,凝，成高压,液体。,膨胀阀,高压液体流,经膨胀阀节,流，形成低,压低温的,气，液两相,混合物进入,蒸发器。,4.,应用：,蒸气压缩式制冷机是应用最广泛的制冷机。,是本课程的重点内容之一。,具有,100,多年的历史，相当完备，广泛应用,在空气调节，各种冰箱，食品冷藏，冷加工,方面。,制冷的温度范围为,5,-150,。,1.,系统组成：,蒸发器，冷凝器，节流阀，发生器，吸收器，,热交换器和溶液泵组成。,2.1.3,蒸气吸收式制冷,两个回路,制冷剂回路,溶液回路,2.,制冷系统图：,吸收式制冷的工质对：,名称 制冷剂 吸收剂,硫酸水溶液吸收式制冷机 水 浓硫酸,氨水吸收式制冷机 氨 水,溴化锂吸收式制冷机 水 溴化锂,吸收剂对制冷剂气体有很强的吸收能力。,说明,3.,工作过程：,制冷剂回路,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。,另一方面，发生后,的溶液重新恢复到,原来成分，经冷,却，节流后成为具,有吸收能力的吸收,液，进入吸收器，,吸收来自蒸发器的,低压制冷剂蒸气。,一方面在吸收器中，吸,收剂吸收来自蒸发器的,低压制冷剂蒸气，形成,富含制冷剂的溶液，再,将该溶液用泵送到发生,器，经加热使溶液中的,制冷剂重新以高压气态,发生出来，送入冷凝器。,溶液回路,4.,对比：蒸气吸收式制冷与蒸气压缩式制冷系统,a:,相同：冷凝器，节流阀，蒸发器。,b:,不同：吸收式制冷中，压缩机由吸收器，发生器，,溶液泵，热交换器，节流阀溶液回路所代替。,（,1,）,系统组成,（,2,）,制冷剂,a:,压缩式：只需要制冷剂工质。,b:,吸收式：吸收剂,-,制冷剂工质对。,（,3,）,补偿能量,a:,压缩式：机械能或电能。,b:,吸收式：热能。,热源：,煤（早期）；蒸汽，水；燃油，燃天然气加热；,化学反应热，太阳能热。,5.,应用：,生产冷水。可供集中式空气调节或提供生产,冷水。,溴化锂制冷机只能,制取,0,以上的冷量。,氨水吸收式制冷机能够制取的温度可达,-20,或更低。,1.,系统组成：,1-,喷射器（,a-,喷嘴，,b-,扩压室，,c-,吸入室），,2-,冷凝器，,3-,蒸发器，,4-,节流阀，,5,6-,泵。,2.1.4,蒸气喷射式制冷,2.,制冷系统图：,3.,工作过程：,4.,理论工作循环的,T-s,图表示,1-2,：工作蒸气在喷嘴内的膨胀过程；,4,状态：工作蒸气与制冷剂水蒸气混合后状态；,4-5,：混合蒸气在扩压器中流动升压过程；,5-6,：冷凝器中气体的凝结过程；,6-7-3,：凝结水经过节流进入蒸发器；,6-9-1,：凝结水经过水泵进入锅炉，产生工作蒸气。,5.,特点：,工作介质：水，氟利昂（低沸点）。,优点：使用热能，结构简单，加工方便，,没有运动部件，使用寿命长。,缺点：工作蒸汽压力高，喷射器不可逆损失,大，效率很低。,6.,应用：,可用于制取空调用冷水。曾被应用过。,在空调冷水机中采用溴化锂吸收式制冷机比,喷射式制冷机有明显优势。,1.,系统组成：,吸附床，冷凝器，蒸发器,用管道连成一个封闭系统。,2.1.5,吸附式制冷,2.,工作原理：,吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用。,一定的固体,吸附剂,对某种,制冷剂,气体具有吸附作用，,而且吸附能力随吸附剂温,度的改变而不同。,通过周期性地冷却和加热吸附剂，,使之交替地吸附和解吸。,解吸时，释放制冷剂气体，使之凝结为液体。,3.,工作介质：,吸附剂,制冷剂工质对,物理吸附,沸石,-,水,硅胶,-,水,活性炭,-,甲醇,金属氢化物,-,氢,氯化锶,-,氦,化学吸附,氯化钙,-,氨,5.,热源：工业废热，太阳能，化学反应能。,（,1,）优点：不耗电，无任何运动部件，系统简单，无噪声，,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。,4.,吸附式制冷的特点：,（,2,）,另外，可利用吸附剂吸附效应时所放出的吸附热，,提供家庭用热水和冬季采暖用热源。,（,3,）,缺点：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。,2.2,电、磁、声制冷,2.2.1,热电制冷,1.,工作原理：,以温差电现象为基础的制冷方法，利用,帕尔帖效应达到制冷的目的。,1934,年，法国物理学家帕尔帖在,铜丝的两头各接一根铋丝，再将,两根铋丝分别接在直流电源的正,负极上，通电后，发现一个接头,变热，另一个接头变冷的现象。,帕尔帖效应,热电制冷一般采用半导体材料。,N,型半导体和,P,型半导体,构成的热电偶制冷元件。,2.,单级热电堆式半导体制冷,的基本原理,单级热电堆：,将数十至数百个热电偶电堆串联，将冷端排在一起，,热端排在一起，组成热电堆，称为单级热电堆。,工作原理：,借助热交换器等设备，使热电堆的热端不断散热，,且保持一定温度。将热电堆的冷端放到被冷却系统中,完成吸热降温。,3.,多级热电堆式半导体制冷的基本原理,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。其中二级，,三级热电堆式半导体制冷最为常见。,4.,热电制冷的特点：,不需要制冷剂，无泄露，无污染；,无机械传动部件和设备，无噪声，无磨损，可靠性高；,可通过改变工作电流的大小控制制冷温度和制冷速度；,操作具有可逆性，可实现冷热端互换；,不适用于大规模和大冷量使用；,适宜于微型制冷领域和特殊要求的用冷场所，,制冷功率在,20W,以下时，效率高于压缩式制冷循环；,可做成家用冰箱，或小型低温冰箱；,可制成低温医疗器具；,可对仪器进行冷却；,可做成零点仪。,2.2.2,磁制冷,1.,工作原理：,是利用磁热效应的一种制冷方式。,既是固体磁性物质（磁性离子构成的系统）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；再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵,增大），又要从外界吸收热量。,2.2.3,声制冷,1.,工作原理：,是利用热声效应的一种制冷方式。,热声效应：可压缩流体的声振荡与固体介质之间由于,热相互作用而产生的时均能量效应。,涡流制冷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,气流进行制冷。,2.3,气体涡流制冷,2.3.1,气体涡流制冷的基本原理,2.4,气体膨胀制冷,主要方法：压缩气体绝热节流,等熵膨胀,等温膨胀,2.5,绝热放气制冷,主要原理：利用刚性容器绝热放气过程是一个,降温过程实现制冷。,