1、制冷原理及设备,主编 吴业正教授主讲 郑爱平教授,1,制冷原理及设备课程内容,1. 制冷方法 2. 单级蒸气压缩式制冷循环 3. 制冷剂 4. 两级压缩和复叠式制冷循环 5. 液体吸收式制冷机 6. 固体吸附式制冷 7. 热电制冷 8. 制冷压缩机 9. 制冷机的热交换设备 10. 制冷机的其它辅助设备及管道 11. 小型制冷装置 12. 制冷站工艺设计,一、制冷原理二、制冷设备,2,绪 论,* 什么叫制冷？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物体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。* 制冷技术领域是如何划分的？按照制冷所得到的低温范围，制冷技术划分为：120K
2、以上，普通制冷；I2020K，深度制冷；200.3K，低温制冷；0.3K以下，超低温制冷。,3,* 制冷技术研究的内容研究获得低温的方法、有关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和计算；研究制冷剂的性质；研究实现制冷循环所必须的各种机械和技术设备。 *制冷技术的主要理论基础是什么？热力学热能与其它形式能量之间相互转换的规律以及热力系的内、外条件对能量转换的影响。 *制冷技术的应用商业民用食品冷冻冷藏和舒适性空调；工业农牧业工艺性空调以及育苗、育种；建筑业冻土法开采土方以及隧道降温；科学实验研究模拟极端环境；医疗卫生冷冻疗法。,4,*制冷工业在技术上的新进展和面临的挑战 （1
3、）制冷领域的节能减排 新颖高效机器设备的开发 可再生能源的利用 采用冷热电三联供的分布式能量系统 （2）制冷剂替代 （3）微电子和计算机技术在制冷上的应用 （4）新材料在制冷产品上的应用,5,第一章 制冷方法,制冷的方法很多，常见的有液体汽化制冷；气体膨胀制冷；涡流管制冷；热电制冷。其中液体汽化制冷的应用最为广泛，它是利用液体 汽化时的吸热效应而实现制冷的。压缩式、吸收式、蒸 气喷射式和吸附式制冷都属于液体汽化制冷方式。,6,1.1 各种制冷方法 1.1.1蒸气压缩式制冷,蒸气压缩式制冷是电力驱动的以消耗机械能作为补偿，利用液体气化的吸热效应实现制冷的。蒸气压缩式制冷系统主要由制冷压缩机、冷凝
4、器、膨胀阀和蒸发器四个主要设备组成，并用管道相连接，构成一个封闭的循环系统。制冷工质在系统内通过吸热、放热发生相变过程，完成将热量自低温热源送往高温热源的重要使命。,7,蒸气压缩式制冷循环工作原理,8,活塞式冷水机组,9,螺杆式冷水机组,10,离心式冷水机组,11,1.1.2 蒸气吸收式制冷,吸收式制冷与蒸气压缩式制冷一样，都是利用液体在汽化时要吸收热量这一物理特性来实现制冷的，不同的是蒸气压缩式制冷是以消耗机械能作为补偿，而吸收式制冷是消耗热能作为补偿，完成热量从低温热源转移到高温热源这一过程的。 与蒸气压缩式制冷不同，吸收式制冷的工质是两种沸点相差较大的物质组成的二元溶液，其中沸点低的物质
5、为制冷剂，沸点高的物质为吸收剂，通常称为“工质对”。,12,目前常用的吸收式制冷装置有两种，一种是氨吸收式制冷机，工质对是氨-水溶液，氨为制冷剂，水为吸收剂。这种制冷机的制冷温度在1-45范围之内，多用来制取-15以下的盐水。另一种是溴化锂吸收式制冷机，其工质对是溴化锂-水溶液，水为制冷剂，溴化锂为吸收剂。溴化锂（LiBr）是一种具有强烈的吸水能力的无色粒状结晶物，其化学性质与食盐相似，性质稳定，在大气中不会变质分解或挥发，沸点为1265。溴化锂吸收式制冷机的制冷温度在0以上，多用来制取空调用冷水或为其它生产工艺过程提供冷却水。,13,吸收式制冷循环工作原理,14,吸收式制冷机,15,1.1.
6、3 蒸气喷射式制冷,蒸气喷射式制冷与蒸气压缩式及吸收式制冷完全相同，也是依靠液体汽化来实现制冷的。不同的是怎样从蒸发器中抽取蒸气，并提高其压力。蒸气喷射式制冷系统由喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀以及泵等组成。喷射器又由喷嘴、吸入室、扩压器三个部分组成。,16,蒸气喷射式制冷工作原理,17,蒸气喷射式制冷循环热力过程,18,蒸气喷射式制冷循环 热力过程,1-2：工作蒸气在喷嘴中的等熵膨胀过程； 2-4和3-4 ：等压混合过程； 4-5：混合蒸气在扩压室等熵压缩过程； 5-6：冷凝器中冷凝过程，放热量Qk 6-7：节流过程； 7-3：蒸发器中吸热过程，制冷量Q0 6-9-1：加热器中加热气化过程，
7、吸热量Qg,19,蒸气喷射式制冷循环 热力计算,加热器热负荷,20,冷凝器热负荷,循环热平衡,喷射系数,蒸气喷射式制冷循环 热力计算,21,1.1.4 吸附式制冷,吸附式制冷系统也是以热能为动力的能量转换系统。其原理是固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，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，使之交替吸附和解吸。解吸时，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体；吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用。按吸附机理可分为物理吸附与化学吸附。,22,23,吸附式制冷的工作原理及其制冷循环的p-T-s图,吸附器,蒸发器,冷凝器,节流阀,QK,Qg,Qo,Qh,24,1-2过程：吸附床定容
8、加热过程，吸收的显热用Qh表示。 2-3过程：吸附床定压脱附过程，点3表示脱附终了吸附床的状态，解吸态吸附率用Xdil表示，脱附过程吸收的热量用Qg表示。2-5过程：自吸附床解吸出来的制冷剂在冷凝器中定压冷凝过程，此过程可以认为与2-3过程同时发生，冷凝过程放出的热量用Qk表示。5-6过程：冷凝液体经节流阀降压、降温过程，释放出的显热用Qc1表示。6-1过程：制冷剂液体在蒸发器中定压蒸发过程，蒸发过程吸热量用Qo表示。 3-4过程：吸附床定容冷却过程，冷却吸附床带走的热量用Qc2表示。4-1过程：吸附床定压吸附过程，吸附过程中带走的热量用Qa表示。此过程可以认为与6-1过程同时发生。,25,连
9、续回热循环两个吸附器交替运行时，其中一台吸附器在吸附时可通过冷却水将一部分显热和吸附热传给另一台正在解吸的吸附器以实现回热，从而提高循环效率。,吸附器1,吸附器2,蒸发器,冷凝器,冷却水,26,1.固体吸附式制冷对工质的要求： （1）单位体积气化潜热值大； （2）适当的饱和蒸汽压； （3）热稳定性能良好； （4）无毒、无污染、无腐蚀； （5）不可燃。 2.常用吸附工质对： （1）物理吸附工质对：活性炭甲烷 活性炭氨沸石水 硅胶水 （2）化学吸附工质对：金属吸氢材料氢 氯化钙氨,1.1.5 热电制冷,热电制冷又称温差电制冷，它是利用热电效应(即帕尔帖效应)的一种制冷方法。热电制冷的基本元件是电偶
10、，由金属电桥连接两个电偶臂组成，一个电偶臂用P型（空穴型）半导体材料制作，另一个电偶臂用N型（电子型）半导体材料制作。当通以直流电流I时，半导体内的载流子在外电场作用下产生运动。由于载流子在半导体内和金属片内具有的势能不一样，势必在金属片与半导体接头处发生能量的传递及转换。,27,P型半导体的载流子是空穴，金属和N型半导体的载流子是电子。空穴在P型半导体内具有的势能高于在金属片内的势能，在外电场作用下，当空穴从金属流入P型电偶臂时，需要吸收能量，在结点a处可以观察到吸热效应；当它从P型电偶臂流入金属时，则会释放能量，在结点b处可以观察到放热效应。电子的运动方向与空穴相反，电子在金属中的势能低于
11、在N型半导体内的势能，同理，当它从金属流入N型电偶臂时，要吸收能量，在结点d处可以观察到吸热效应；当它从N型电偶臂流入金属时，会释放能量，在结点c处可以观察到放热效应。,28,如果将电源极性互换，则电偶的制冷端与发热端也随之互换。由此可见，电偶既可以作制冷器用，又可以通过改变电流的方向作热泵使用。 热电制冷器的结构和机理显然不同于液体汽化制冷，它不需要制冷工质来实现能量的转移，每对热电偶只需零点几伏电压，产生的冷量很小，所以需要将许多热电偶联成热电堆后才能使用。 灵活性强、使用方便可靠，非常适合于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场合。,29,30,温差电制冷热力计算： 由热平衡关系式： Qh=Q
12、o+W系统制冷系数：o=Qo/W 系统热力系数： h=Qh/W =(Qo+W)/W=1+o,Q0,P,N,W,-,+,Qh,一对电偶的制冷量是很小的，如一对6L7的电偶，其制冷量仅为3.3kJ/h4.2kJ/h。 可用串联、并联及串并联的方法组成多级热电堆，上一级热电堆的热端贴在下一级热电堆的冷端，组成多级热电堆。,多级热电堆的结构形式,（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,31,32,1.1.6 磁制冷,*磁制冷是利用磁热效应的制冷方式。 *什么叫磁热效应？固体磁性物质，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；将其去磁时，则 磁有序
13、度下降(磁熵增大)，要从外界吸收热量。这种磁 性离子系统在磁场的磁化与去磁过程中所出现的热现象 称为磁热效应。 *磁制冷是在顺磁体绝热去磁过程中获得冷效应的。,33,*什么叫顺磁体？,不同的磁介质产生的附加磁场情况不问，附加磁场 与原磁场方向相同的磁介质为顺磁体，如铁、锰；附加 磁场与原磁场方向相反的磁介质为抗磁体，如铋、氢等。* 磁热效应的热力学解释？设物体的磁矩为M0，物体在磁场H中磁矩增加dM时， 磁场对物体作功为0HdM，该过程中物体吸热dQ，内能 增加dU。则由热力学第一定律有:dU =dQ+0HdM,34,低温磁制冷,在16K以下的极低温区，采用稀土顺磁盐材料实现逆卡若循环,磁制冷
14、装置，首先需要有超导强磁体。日本川崎公司研究的转动式磁制冷机需要的最大磁场强度为4.5T，制冷温度达4.2一11. 5K；制冷量为0.12W。,35,室温磁制冷,在20K以上低温区，采用金属釓Gd材料实现高温磁制冷,布朗用7T的磁场和金属釓，按艾里克森循环成功地从室温制取到-30 的低温。,1-2-3-4-1为逆卡若循环，制冷量甚微； 1-2-3-4-1为艾里克森循环： 1-2为等温磁化； 2- 3为等磁场过程（温度降低）； 3- 4为等温退磁(吸热制冷)； 4- 1为等磁场过程（温度上升）。,36,1.1.7 气体膨胀制冷,制冷原理：高压气体绝热膨胀时对膨胀机作功，同时气体的温 度降低，从而
15、获得低温。 制冷工质：与液气化式制冷相比，空气膨胀制冷是一种没有 相变的制冷方式，所采用的工质主要是空气。也可以是 CO2，O2，N2，He等其它理想气体。 循环系统：构成这种理想气体的逆向循环系统的循环型式主要 有定压循环，回热定压循环和定容循环。,37,定压循环,定压循环由两个等压过程和两个等熵过程组成，又称为布雷顿循环。,38,单位制冷量：,单位耗功率：,制冷系数：,定压循环热力计算,压缩比：,39,有回热的定压循环,由于这种情况下透平压缩机的入口温度升高，在相同的工作条件下，有回热的定压循环可以降低压力比。,40,1.1.8 涡流管制冷,涡流管制冷是使压缩气体产生涡流运动并分离成冷、热
16、两部分，其中冷气流用来制冷。,41,涡流管装置由喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀组成。涡流室将管子分为冷端、热端两部分。孔板在涡流室与冷端管子之间，热端管子出口处装控制阀。管外为大气，喷嘴沿涡流室切向布置。,42,43,高压空气经喷嘴绝热膨胀后，从切线方向进入涡流室，在涡流室周边形成自由涡流，经过能量由内向外交换后，分离成冷、热量部分流体，中心部分的冷流体经孔板输出，边缘部分的热流体经涡流管的另一端流出。,高压空气,空气压缩机,冷气流,热气流,孔板,涡流室,喷嘴,44,1,2,3,4,T,S,TA,Th,T,T,V,V,定容循环,循环由两个等温过程和两个等容组成。又称为斯特林循环。,斯特林循环
17、热力计算,单位制冷量： qO=RTA lnV1/V2单位制热量： qK=RTh lnV1/V2热力系数： h=qk/= Th/ Th TA,45,1.1.9 绝热放气制冷,*制冷原理刚性容器中的高压气体在绝热放气时温度降低(该 过程又称焦耳膨胀)，利用此效应可以制冷。如果放气 前容器中气体压力足够高，温度又很低，那么，绝热 放气时残留在容器中的气体将能够降低到液化温度。利用放气制冷而又连续工作的制冷机有G-M循环 制冷机和脉管制冷机。,46,47,与斯特林循环一样，制冷工 质无相变过程，始终为气态。制冷工质一般为氦气。,旋转阀,a,b,浮塞,高压气体,低压气体,1,2,2,3,旋转阀逆时针旋转
18、 50150转/分,蓄冷器,x,*,G-M循环制冷机,G-M循环制冷机是1959年吉福特麦克季洪提出来的。它是利用高压气体抽空来达到制冷目的的。,48,旋转阀,a,b,浮塞,高压气体,低压气体,1,2,2,3,旋转阀逆时针旋转 50150转/分,蓄冷器,x,*,状态1：低压气体与管线 a、b连通，空间1、2均 为0，空间3最大，整个 系统处于低压状态。 状态2：高压气体“x”点 与管线a连通，高压气体 进入空间1 ，浮塞向下 运动，空间3减小，空间 2增大，空间3的低温气 体经蓄冷器一部分进入 空间2，一部分进入低压 容器（冷量留在了蓄冷 器内）,49,旋转阀,a,b,浮塞,高压气体,低压气体
19、,1,2,2,3,旋转阀逆时针旋转 50150转/分,蓄冷器,x,*,状态3：高压气体与管线a、b连通，空间1、2、3均为高压气体， 浮塞停止运动。,状态4：低压气体与管线a连通， 浮塞向上运动，空间2的高压 气体经蓄冷器进入空间3。 状态5：低压气体与管线a、b 连通，空间3的高压气体绝热 膨胀，降温制冷，空间1、2、 3压力平衡之后，浮塞停止运 动。随着旋转阀的转动，开始 下一个循环。,50,状态2：高压气体“x”点与管线a连通，高压气体进入空间1 ，浮塞向下运动，空间3减小，空间2增大，空间3的低温气体经蓄冷器一部分进入空间2，一部分进入低压容器（冷量留在了蓄冷器内）。 状态3：高压气体
20、与管线a、b连通，空间1、2、3均为高压气体，浮塞停止运动。 状态4：低压气体与管线a连通，浮塞向上运动，空间2的高压气体经蓄冷器降温进入空间3。 状态5：低压气体与管线a、b连通，空间3的高压气体绝热膨胀，降温制冷，空间1、2、3压力平衡之后，浮塞停止运动。随着旋转阀的转动，开始下一个循环。,状态1：低压气体与管线a、b连通，空间1、2均为0，空间3最大，整个系统处于低压状态。,51,高压气体进来，气体活塞向右运动，压缩气体，产生热量。关闭 高压进气阀，打开低压排气阀，气体活塞向左运动，气体膨胀吸热制 冷。,冷却水,热端换热器,冷端换热器,气体活塞,回热器,切换阀,高压气体,低压气体,脉管,
21、脉管制冷机是1963年由吉福特麦克季洪提出来的。它是利用高压气体膨胀来达到制冷目的的。,脉管制冷机,1.1.10 电化学制冷,制冷原理：利用化学反应伴随的热效应来制取冷量。例如FeCl2电解液在电极上发生氧化一还原反应时：,在负极板发生氧化反应，放热；在正极板上发生还原反应，吸热。将两个极板各置于一个电解槽中，并用泵使电解液在两个槽中循环，则负极板所处的槽为高温槽；正极板所处的槽为低温槽，产生制冷作用。,52,1.1.11 空调用蒸发冷却技术,蒸发冷却是一种节能、环保的冷却技术。使用的介质为水和空气，不会产生环境污染。 1.直接蒸发冷却 以水和空气为介质，水在隔热容器内直接与未饱和空气（称为二
22、次空气）热、质交换时，一部分水蒸发，所吸收的热量使空气和水的温度降低，产生冷却效应。 2.间接蒸发冷却 将水和二次空气直接接触后产生的低温空气和低温水与另一股空气（称为一次空气）换热，使其温度降低。,53,1.2 制冷的基本热力学原理,热力学第一定律解决了热能与机械能在转换过程中能量守恒问题，热力学第二定律解决了热力过程中的方向问题。自然界所有的热力过程必须符合热力学第一定律，但符合热力学第一定律的过程不一定都可以实现，只有符合热力学第一定律又符合热力学第二定律的热力过程才能实现。,54,55,S,T,Tk,To,1,2,3,4,在热力学中，把由互相交替的两个等温过程和两个绝热过程组成的正向循
23、环，称为卡诺循环。它是工作在一个恒温热源和一个恒温冷源之间的理想热机循环。与卡诺循环路径相同方向相反的循环，称为逆卡诺循环。逆卡诺循环是可逆的理想制冷循环。,逆卡诺循环,逆卡诺循环热力计算,1kg制冷剂从低温热源吸取热量q0，消耗的循环净功为，向高温热源放出热量qk。根据热力学第一定律： qk=q0+制冷循环的制冷系数：,56,结 论, 逆卡诺循环的制冷系数与制冷工质的性质无关，仅仅取决于低温热源的温度To和高温热源的温度 Tk。 逆卡诺循环的制冷系数与两热源温度的接近程度有关，Tk越低，To越高，制冷系数越大，制冷循环的经济性越好。,57,热力完善度,定义：通常将工作于相同温度间的实际制冷循
24、环的制冷系数与逆卡诺循环的制冷系数o的比值，称为该不可逆循环的热力完善度，用表示，即热力完善度用来表示实际制冷循环接近逆卡诺循环的程度，它的值愈接近1，说明实际循环的不可逆程度愈小，循环的经济性愈好。,58,越大，说明循环越好，热力学的不可逆损失越小；反之，越小，则说明循环中热力学不可逆损失越大，循环经济型越差。一般说来，压缩式制冷机的循环经济性最好；吸收式次之；热电式最次。,59,1.3 热泵,定义：逆卡诺循环是以耗功作为补偿，通过工质的循环，从低温热源中吸收热量，并向高温热源排放热量的。因此，逆卡诺循环既可以制冷，也可以制热，或者说可以同时制冷和制热。用来制冷的逆卡诺循环称为制冷循环；用来
25、制热的逆卡诺循环称为热泵循环；同时用来制冷和制热的逆卡诺循环称为热化制冷循环，或联合热机循环。,60,1kg制冷剂从低温热源吸取热量q0，消耗的循环净功为，向高温热源放出热量qk。根据热力学第一定律： qk=q0+热泵的供热系数：,热泵的供热系数,61,联合热机循环,联合热机循环效率：,从能量利用角度来看，它的性能系数最高，最经济。,62,63,热泵的发展历史 热泵理论起源于1824年卡诺循环理论。30年后，1854年开尔文提出冷冻装置可以用于加热之后，激发了许多科学家和工程师大量研究，这个研究一直持续了80年之久，直到二十世纪2030年代，热泵才取得较快的发展。在此期间，英国安装了第一台热泵
26、，1927年苏格兰出现了第一台家用热泵。最大容量的热泵是19301931年建出现在美国加利福尼亚爱迪生公司的洛杉矶办事处。日本在1930年第一次报道了热泵的试验，1937年在大型建筑物里装置了热泵型空调系统。,64,热泵工业的第一个景胜时期是二十世纪5060年代，1952年，美国生产约1000套热泵，1954年翻一翻，约2000套，1957年增长了10倍，1963年发货量增加到了6000套。60年代电价的持续下降，再加上热泵可靠性低、费用高等问题而几乎被毁灭，直到二十世纪70年代“能源危机”出现，又唤醒了人们对热泵的关注。1977年美国年产热泵50万套，日本后来居上超过了50万套。据报道，19
27、76年，美国已有160万台热泵在运行着，1979年运行的热泵达到了200万套，联邦德国也有5000套热泵在运行之中。,65,热泵的种类 一. 1.按理论循环分： 蒸气压缩式热泵； 吸收式热泵： 喷射式热泵； 化学热泵。 2.按热泵的低温热源分： 空气源热泵； 水源热泵； 土壤源热泵； 太阳能热泵。,66,空气源热泵以空气作为低位热源来吸收热量的热泵称为空气源热泵（Air Source Heat Pump）。空气源热泵的主要系统形式是空气-空气热泵和空气-水热泵，其中空气-空气热泵在住宅、商店、学校、写字间等小型建筑物中应用十分广泛。 空气源热泵除了像制冷机组一样有制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸
28、发器以及电器控制部分之外，还增加了一个电磁换向阀和冷热控制开关。,67,空气源热泵的工作原理,水源热泵,以水作为低位热源来吸收热量的热泵称为水源热泵（Water Source Heat Pump），其工作原理与空气源热泵相同。,68,以土壤作为低位热源来吸收热量的热泵称为土壤源热泵（Soil Source Heat Pump）。土壤源热泵的工作原理与水源热泵一样，只是室外侧换热器的载热介质不是从水源中吸取热量，而是从土壤中吸取热量的。,土壤源热泵,69,70,土壤源热泵的主要系统形式是土壤-水热泵和土壤-空气热泵，土壤-空气热泵的系统组成与水-空气热泵一样，只是室外侧换热器的载热介质不是从水源
29、中吸取热量，而是从土壤中吸取热量的。土壤-空气热泵的工作原理如图所示。,71,土壤源热泵系统包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以U形管状垂直安装在竖井之中，将各个地沟或竖井中的热交换器并联连接，再通过不同的集管进入建筑物中，与建筑物内的热泵机组相连接。土壤耦合地热交换器内的传热介质一般是水、盐水或乙二醇。,72,太阳能热泵 太阳能热泵的工作原理如图所示。我国地域辽阔，年日照时间大于2000h的地区约占全国面积的2/3。,太阳能集热器,压缩机,室内侧,室外侧,Qk,Qo,Qk,Qo,沈阳北京石家庄太原成都昆明一线以西和以北地区大气透明度都在4度以上，尤其是西藏、新疆、甘肃、青海、宁夏等地区的日照率大多都在50%以上，且日照时数长而辐射强度高，在太阳能利用研究领域很有发展前途。,夏季,冬季,第一章 习题,1. 什么叫制冷？ 2. 制冷技术领域是如何划分的？ 3. 制冷的方法很多，常见的有哪些方法？ 4. 简述蒸气压缩式制冷原理及系统组成。,73,谢谢大家 ！,74,
