1、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 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 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 课后问题1 冰的
2、物理性质 吸热 吸热 常压下 冰在0 融化 融化潜热为335kJ kg 2 冰盐冷却 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 吸热 3 干冰冷却 气态CO2 融化 升华 课后问题3 干冰的物理性质 吸热 吸热 CO2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
3、程 制冷剂液体在低温低压下汽化 产生低压蒸气 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
4、的热量在冷凝器中被冷却介质带走 3 工作过程 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 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 3 工作过程 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
5、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
6、 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
7、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 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
8、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 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
9、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 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
