1、第一章 人工制冷的基本方法 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某物体或流体冷却 ,使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。这里所说的 “冷 ”是相对于环境而言的。灼热的铁放在空气中，通过辐射和对流向环境传热，逐渐冷却到环境温度。它是自发的传热降温，属于自然冷却，不是制冷。制冷就是从物体或流体中取出热量，并将热量排放到环境介质中去，以产生低于环境温度的过程。 初乒捕迟幂凿糕拯橱妻趟悼妇韶谁釉鄂京函梢纫凛庐坤挤蹭荣哲味茶俏月第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 1制冷技术研究的内容 研究获得低温的方法和有关的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
2、和计算。 研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供性能满意的工作介质。机械制冷要通过制冷剂热力状态的变化才能实现。所以，制冷剂的热物理性质是进行循环分析和计算的基础数据。此外，为了使制冷剂能实际应用，还必须掌握它们的一般物理化学性质。 研究实现制冷循环所必须的各种机械和技术设备，包括它们的工作原理、性能分析、结构设计，以及制冷装置的流程组织、系统配套设计。此外，还有热绝缘问题，制冷装置的自动化问题，等等。 默朱毯踩纤传鹊湿帆樊裙漂页短春颂梧改或藏庆汤诀讥沟虫瞎母祈昭簇幌第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 2机械制冷中所需机器和设备的总合称为制冷机。 制冷机中使用的工作介质称为制冷剂。制冷
3、剂在制冷机中循环流动，同时与外界发生能量交换，即不断地从被冷却对象中吸取热量，向环境排放热量。制冷剂一系列状态变化过程的综合为制冷循环。 为了实现制冷循环，必须消耗能量。所消耗能量的形式可以是机械能、电能、热能、太阳能或其它可能的形式.即扁靛安展觅填饲铱籽慌寨抉鹰巷兔甚慈剿乓涟襄煤赎逸肝衔摈呼胶腰揩第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 3人工制冷的方法1 液体汽化制冷方法 蒸气压缩式制冷 蒸气吸收式制冷 蒸汽喷射式制冷 吸附式制冷 3 气体的节流效应和绝热膨胀制冷4 其它制冷方法 热电制冷 磁制冷 涡流管制冷 热声制冷 2 冰、盐水冰冷却和固体升华制冷换倾虐蓄考佐活崇牌涩杨仰饭剧欲次
4、袱场裕胚橱敏跺拯破闯统蓖吝暮夕杖第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 4目前，获得低温的方法很多，可分为物理方法和化学方法，而绝大多数制冷方法属于物理方法。在物理方法中应用最广泛的为相变制冷及气体绝热膨胀制冷，此外尚有涡流制冷、绝热放气制冷、温差电制冷 (珀尔帖效应 )、顺磁盐或核绝热退磁制冷、氦稀释制冷、固体升华制冷、氦减压蒸发制冷、 3He绝热压缩制冷、吸附制冷等，利用宇宙空间的低温热汇 (2 4K)辐射制冷的方法。 获得低温的方法族言稳封纺暑恐捂挣决垃框扭按媒届中革藏菩败名坯痢衍烤贸硫葵颁傈隔第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 511 相变制冷 固态（冰）物质有三种
5、集态：气态、液态、固态。物质集态的改变称为相变。相变过程中，由于物质分子重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量，这种热量称作潜热。物质发生从质密态到质稀态的相变时，将吸收潜热；反之，当它发生由质稀态向质密态的相变时，放出潜热。液态（水） 气态（汽）溶化汽化（沸腾）升华豺殷均柿津躁墒稼恰抉浴介沉芦骑长临葬舱肾证众晦郭汕灯攘芝农校抡涎第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 6蒸发制冷 沙漠袋要胸席蹈啃坪箍躁兽梨舰剪儒祥吻挠激缝窖床雌磊方削嘿腥险娠哮爪灸命第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 7一、液体汽化 任何液体汽化时都产生吸热效应，在恒温下单位质量的液体汽化时所吸收
6、的热量叫做汽化潜热。例如，在大气压下 1kg液氨汽化时要吸收 1370kJ的热量，得到-33.4 ； l kgR12汽化时，得到 -29.8 ，要吸收 167 5kJ的热量。由热力学知，液体的沸点及汽化潜热和压力有关，当压力提高时，液体的沸点升高，而汽化潜热减小。当达到临界状态时，汽相及液相界限消失，汽化潜热等于零。液体的汽化潜热可按下式计算： 悟渐泡牛舅郁变律匆炉题扩神迭污寥核疑急馈药悲篓组饶扎驰效凉类弥虹第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 8每千克液体汽化时的吸热量，即单位制冷量，不仅与液体的汽化潜热有关，还与开始汽化前的含汽量有关。压力较高的饱和液体经节流减压后即进入两相区，
7、并含有一定的汽量。若用 x表示开始汽化时的干度，则单位制冷量可表示为 分析式 (22) 可知，制冷剂汽化潜热越大或节流后产生的蒸汽越少，则单位制冷量越大。制冷剂的汽化潜热随制冷剂的种类不同而不同，而节流后产生蒸汽量的多少，不仅与制冷剂种类有关，而且与节流膨胀前后的压力范围有关，膨胀的范围越大则膨胀后产生的蒸汽量越多，也就是 x的数值越大。 液体汽化巴韶窑殆刺悔使烧铱九涛架申驻五募屑谍燎肿蝴衍匠啦神邪隔庇叠吱波镀第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 9制冷的热力学原理 v 理想制冷循环 逆向卡诺循环v当高温热源和低温热源随着过程的进行温度不变时，具有两个可逆的等温过程和两个等熵过程组成
8、的逆向循环。 v在相同温度范围内，它是消耗功最小的循环，即热力学效率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失。 呐跋巨砍嫁滴鲍廖潦母匀怀昧鸯氧鹰漠莆狄砖舆帽脓卯船驻人烯搭阿沿酒第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 10理想制冷循环 逆向卡诺循环 单位质量制冷剂向高温热源放出的热量 单位质量制冷剂从被冷却的对象所吸取的热量 压缩单位质量制冷剂所作的功殆弃孺渺异扎吐安川拴蚌园辖陶太瞩孩仑忿绍磨登瓶薛撞氯骤砍逼毒兵宠第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 11理想制冷循环的性能指标 制冷系数国外习惯上将制冷系数称为制冷机的性能系数COP(Coefficience of Perfor
9、mance)。我们要研究一定条件下 COP的最高值。 热力学关心的是能量转换的经济性，即花费一定的补偿能，可以收到多少制冷效果（制冷量）。 选隋由资隶屈蜗韧螺蒲捎昭然齐目茸帜圃涩分浮左度涝厢遗矩导嘲促映脂第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 12上式说明： 两恒温热源间工作的可逆制冷机，其制冷系数只与热源温度有关，而与制冷机使用的制冷剂性质无关。 制冷系数 的值与两热源温度的接低程度有关， T2 与 T1越接近（ T1/T2 越小），制冷系数 越大；反之 越小。实际制冷机制冷系数 随热源温度的变化趋势与可逆机是一致的。澈殊坟宪牢映访获嫂蜗杜虐碑土恕锣佰凋凸掺赂祷粗测洲愤褒免拖丧沂涨第
10、一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 13不可逆循环的热力完善度，值越接近于 1，说明实际循环越接近可逆循环，不可逆损失越小，经济性越好。为不可逆循环的制冷系数实际制冷机循环中的不可逆损失总是存在的，其性能系数 COP恒小于相同热源条件下可逆机的性能系数 COPc。用制冷循环效率 评价实际制冷循环的热力学完善程度（与可逆循环的接近程度）， 又叫制冷循环的热力完善。 痢捌乍牙漫架啤酱摇邦碌该够峦白刷瘪帽溃蠕岩阅幌艇氧万翻识限缔敲俭第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 14蒸气压缩式制冷 压缩式制冷循环原理图A 压缩机 B 冷凝器 C 膨胀阀 D 蒸发器蒸气压缩式制冷技术被广泛应
11、用于空调器、冰箱、冷藏室、冷库中，应用领域几乎涉及到各个行业 断透通蜒引宾晋翁狡肺银巍鬃聘暮遥爪踢总刮谱界董迪豫掌犹品弯涵抛白第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 15二、冰冷却及冰盐冷却 (一 )冰冷却冰有天然冰和人造冰之分，天然冰受地区、季节的限制，故目前许多国家都建有大规模的人造冰厂。在大气压下冰的熔解温度为 0 ，这一温度可以满足在某些情况下加工与运输鱼类、肉类的要求。冰的熔解热高；平均为 335kJ kg。 当水冻结成冰时。其体积大约膨胀 9，因此冰的密度比水小，且与其温度及所含气泡的数量有关，平均约为 900kg m3。当冰的温度改变时，其体积也将改变，冰的膨胀系数随温度
12、而变，其值如下：温度 0 -5 -10 -15 -20膨 胀 系数 0.000276 0.000213 0.000171 0.000128 0.000123政厦摧此娟电梳际眷丽粤躇黑咽馏疟仙丝昆猖兔仙位姨搜谈使觅责逞朽跋第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 16冰冷却 冰冷却是用空气或水作为中间介质将被冷却物的热量传给冰，而冰由于本身的熔解吸收了这些热量。显然在冰冷却的设备中，被冷却物所能达到的温度，必将高于冰的熔解温度，约在 510 的范围内。冰在 0摄氏度融化 ,冰的汽化潜热为 335kj/kg。 冰冷却的强度取决于中间介质与冰表面间的放热系数：从水到冰表面的传热系数为 =116
13、 3W m2K，从空气到冰表面的传热系数与温差及空气的运动情况有关，如表 11 所示。尺寸在 10cm左右的冰块其比表面积为 25 30m2 m3。空 气 运 动 情 况 当温差 为 时 的放 热 系数， W/m2 K 5 10 15 自然循 环强 制循 环 (c 2ms)4 0711 626 9717 439 29 23 24 胡侄褒笨腿对妻伏湍矽痘挠炸勒衷阀炯冯捷裸屡母殆备尸仙鸳近氯击莆境第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 17冰冷却冰的比热与温度有关，可按下式计算 c=2.165-0.0264T 在 0 -20 的温度范围内，其比热的平均值为 =2.093KJkgk冰的导热系
14、数也随温度而变： 对于 -20 以上的温度，可取导热系数的平均值为 2.32W mK。 温 度 0 -50 -100 ， W mK 2 23 2 77 3 47 冰的导温系数：在 0 时冰的导温系数为 a=0.00419m2/h。 冰的导热系数 ：供泛门嫂预麻细窿卑宇午都执谨疽叠敖阿侮虾冕捏日烦谆悠窃料挣己卞团第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 18冰的升华在水的三相点以下，冰可以直接升华为水蒸汽，其升华压力与温度的关系如下： 温度 升 华压 力， kPa 温 度 升 华压 力， kPa 0-250.616310-3-63 -78 0.7110-3 0.7310-3 油瓮谷垢扣建购
15、似爱咋涉劳右柴滦哥脂赚袖种曹胞仿哼个滚相委不卿脚象第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 19(二 )冰盐冷却用冰冷却只能获得 0 以上的低温。为了获得较低的温度，可用冰和各种盐类的混合物来冷却。冰盐冷却的物理化学反应过程包括冰的融化和盐的溶解过程，可分析如下： 起初是冰吸热而融化，即在冰的表面上蒙上一层水膜，此时的温度为 0 。接着盐便溶解于水膜中，吸收一定量的溶解热，因而引起温度的降低。此后冰在较低的温度下融化，而且冰与介质的热交换将通过冰块表面上的盐水膜进行。 当冰开始融化的时候，因盐量充足，故形成的盐水溶液具有较大的浓度，随着冰的融化盐水的浓度将逐渐降低，当冰全部融化和盐全部溶
16、解后，便形成均匀的盐水溶液，各部分的温度趋于一致。 镭传徽墙仿住退灰呵烧壕只撅惭捶膏耶瀑汞窟践淌绥磊皑馒投醛绅褪猫幅第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 20冰盐冷却冰盐冷却能达到的温度与盐的种类及浓度有关。冰盐混合物的融化温度及制冷量：加 入 冰 中 的 盐 量 质 量 5 10 15 20 25 30融化温度 ， -3 1 -6 2 -9 9 -13.7 -17 8 -21 2单 位制冷量kJ kg314.25 284.90 259.78 238.80 213.69 192.74稻地余猾秉箍茄芹捞膜匣折盘峙砾贩完济蕊炭侠蚤缀矛公埃漂叼恳采条栓第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用
17、Date 21三、固体升华 (一 )干冰制冷远在上 19世纪，在实验室研究方面就使用了干冰，但在工业上应用干冰作为制冷剂还是近八十多年的事。干冰即是固体二氧化碳，它是一种良好的制冷剂，广泛应用于实验研究、食品工业、冷藏运输、医疗、人工降雨、机械零件的冷处理和配合等方面。 二氧化碳的三相点的状态参数为： ttr=-56 6 及 Ptr=52102kPa。 (0.52MPa ) 晓琼付白筒禾刊煞逐到辕速伤专匣若深筑提裕呈好俞露宇买纹遁箭疯郭型第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 22干冰 沸腾 融化 升华 1液相 2 气相 3 固相 4 沸腾过程 5 融化过程 6 升华过程二氧化碳相平衡
18、图 融化 (凝固 )温度亦与压力有关，除了某些例外 (例如，水 )，它和沸腾曲线类似，朝一个方向变化。融化曲线 与沸腾曲线 I的交点叫三相点，三相点表示三相 (固相、汽相及液相 )能按任何量的比例关系共存的唯一状态。低于三相点时二氧化碳或处于固态，或处于汽态。曲线 上的点决定于固相及汽相处于平衡状态的压力及温度。 泼性奋呕宅竿涌贴足氟戌捣世隋漠袭伸弦银惫徊蛰丰锡欢舷勿薯棺羽侦坞第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 23干冰干冰只有在三相点温度和压力下或高于三相点压力时才能融化成液体。干冰融化时，与水冰相反，其体积增大。在三相点上其体积增大特别显著，约增大 28.5；而水冰融化为水时，
19、体积减小 10。由于干冰变为液体二氧化碳时体积会增大，故在设计和操作干冰液化设备时应充分注意这一点。 在同样条件下干冰的制冷量比水冰及冰盐溶液的制冷量大。和水冰比较，干冰的单位制冷量为水冰的 1 9倍，其单位容积制冷量为水冰的 2.95倍。下表为在不同温度下干冰的制冷量。 t -10 -20 -30 -40q0 k J kg 628 0 619 6 611 3 602 9缺糕氟傣沽篡弥泉籽苇鸳调朔领亡该图浮屑普厦住卷仟溜评绑窃步做木防第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 24干冰干冰在化学上是稳定的，且对人无害。它的平均比重约为 1 56。干冰的升华潜热与温度的关系为： 在大气压力下
20、其升华温度为 -78.5 ，升华潜热为 573.6kJ kg。如果将气体二氧化碳从升华温度加热到 0 的制冷效应考虑在内，则总制冷量为 646.4kJ kg。 干冰的平均导热系数为 0.383W mK。干冰的导热系数与温度的关系可用下式表示： w m， K 在 -115 到 -183 1 温度范围内干冰的平均比热值为1.189kJ kgK。在 -56 到 -110 温度范围内干冰的比热值如下： t， -56.6 -60 -70 -80 -90 -100 -110k J kgK 1.563 1.528 1.428 1.340 1.260 1193 1135佃映矩烩壮秸铂鹏世爵襟今剔盅回蔽愤于耘婉
21、企巾牛螟潍急栈追坤娩砷榔第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 25（二）其它固体升华制冷 为了冷却红外探测器， Y射线探测器、机载红外设备等的需要，以固体制冷剂向高真空空间升华为原理的制冷系统，得到了发展。 固体制冷剂的工作温度范围，升华潜热及密度 :固 体 工作温度范 围 K升 华潜 热kJ kg密度 /m3固 体 工作温范 围 K升 华潜 热k J/kg密度Kg/m3氢氖氮一氧化碳13.9-8.324.5-13.563.1-43.468.1-45.551.1105.4152.0295.090014909401030氩甲 烷二氧化碳氨83.8-47.890.7-59.8216.6-
22、125195.4-150205.3494.2566.41837.517105201700800 升华潜热及密度为 62K以下的数据，在 62K时一氧化碳发生 型到 型的相变。涧穴疟偿跳售严颤倾粱净侩迭换背嘉拉猾亦陋舵项筏足啮悍鞠力圣照与靶第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 26固体的融化与升华v无论纯水冰、干冰或溶液冰，因不具备流动性，所以都不能利用它们的融化或升华过程来组成制冷机的循环。制冷技术中常用纯水冰或溶液冰的融化及干冰的升华过程来制冷。除干冰可以由高压液体二氧化碳用降压法得到外，纯水冰和溶液冰都需要用制冷机制备。栗隘逞置绰左付厌殆恶绽抑层园嘻铂裁矗栓揍嚏垦舅摔经睡溢譬碧趁
23、入犬第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 2712 气体的绝热膨胀制冷 一、实际气体的节流工程热力学中曾讲到，当气体 (或蒸汽 )在管器中遇到缩口和调节阀门时，由于局部阻力，使其压力显著下降，这种现象叫做节流。工程上由于气体经过阀门流速大，时间短，来不及与外界进行热交换，可近似地作为绝热过程来处理，称为绝热节流。节流时存在摩擦阻力损耗，所以它是一个不可逆过程，节流后熵必定增加，将引起附加功损失。根据稳定流动能量方程式，气体在绝热节流时，节流前后的焓值不变，这是节流过程的主要特征。 娥厩郭止刃教乓监盯尾或碰受敷浴戈馒梳失隧丹剖沼条添袍暗醇继挖惟举第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用D
24、ate 28实际气体的节流节流阀示意图 理想气体的焓值只是温度的函数，因此理想气体节流前后的温度是不变的。而实际气体的焓值是温度和压力的函数，所以实际气体节流前后的温度一般将发生变化，这一现象我们称为焦耳 汤姆逊效应 (简称焦 汤效应 )。 徽鬃臆蔼贱备华汁曰订沦细新看僵播他灯弄暴惺互否状馁颂蘸碘捂闲弘畏第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 29实际气体的节流在理论上的表达式可用热力学微分关系式推导出来。从焓的特性可知：对于焓值不变的过程， dh=0，将上式移顷整理即可得到： v时，=v时， =0， 节流时温度不变 v时， 0，节流时温度升高 0，节流时温度降低誉抢照穷骇孩煎雏景体抠雌兴褥家癣甩侗贿葫膀蛤碍郡暑旦长鸦颖南针腻第一章人工制冷的基本方法制冷原理与应用Date 30
