空調(diào)制冷與熱泵第一頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/292第一章制冷原理制冷方法液體汽化制冷蒸氣壓縮式吸收式蒸氣噴射式吸附式氣體膨脹制冷熱電制冷渦流管制冷其它熱聲制冷電磁制冷電化學(xué)制冷·

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·任何伴隨有吸熱的物理現(xiàn)象原則上都有可能用來制冷。相變制冷固體升華制冷固體融化制冷√第二頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/293第一章制冷原理液體汽化制冷

物質(zhì)有三種集態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。物質(zhì)集態(tài)的改變稱之為相變。相變過程中，由于物質(zhì)分子的重新排列和分子熱運(yùn)動速度的改變，會吸收或放出熱量。這種熱量稱作相變潛熱。物質(zhì)發(fā)生從質(zhì)密態(tài)到質(zhì)稀態(tài)的相變是將吸收潛熱；反之，當(dāng)它發(fā)生從質(zhì)稀態(tài)向質(zhì)密態(tài)的相變時，則放出潛熱。液體汽氣化形成蒸汽，吸收熱量，利用該過程的吸熱效應(yīng)制冷的方法稱液體汽化制冷。第三頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/294第一章制冷原理抽氣吸熱Q蒸發(fā)溫度下降P1P2T1T2飽和蒸氣壓曲線液體汽化制冷第四頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/295第一章制冷原理液體汽化制冷第五頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/296第一章制冷原理液體汽化制冷第六頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/297第一章制冷原理液體汽化制冷compressorcondenserexpansiondeviceevaporator第七頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/298第一章制冷原理

為了使上述過程得以連續(xù)進(jìn)行，必須不斷地從容器中抽走制冷劑蒸汽，再不斷地將其液體補(bǔ)充進(jìn)去。通過一定的方法將蒸汽抽出，再令其凝結(jié)為液體后返回到容器中，就能滿足這一要求。因此，液體蒸發(fā)制冷循環(huán)必須具備以下四個基本過程：低壓下蒸發(fā)汽化、蒸氣升壓、高壓氣體液化、高壓液體降壓。其中將低壓蒸汽提高壓力需要能量補(bǔ)償。液體汽化制冷根據(jù)抽取蒸氣的方式不同，主要有4種液體汽化制冷方式。第八頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/299第一章制冷原理液體汽化制冷——蒸氣壓縮式制冷蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥(毛細(xì)管)、蒸發(fā)器組成，用管道將它們連接成一個密封系統(tǒng)。

第九頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2910第一章制冷原理制冷劑液體在蒸發(fā)器內(nèi)以與被冷卻對象發(fā)生熱交換，吸收被冷卻對象的熱量并氣化，產(chǎn)生的低壓蒸汽被壓縮機(jī)吸入；經(jīng)壓縮后排出高溫高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)冷凝器，被常溫的冷卻水或空氣冷卻，凝結(jié)成高壓液體；高壓液體流經(jīng)膨脹閥時節(jié)流，變成低壓低溫的氣液兩相混合物，進(jìn)入蒸發(fā)器，其中的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷；然后蒸發(fā)器中的低壓蒸汽再次被壓縮機(jī)吸入。如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)。

液體汽化制冷——蒸氣壓縮式制冷第十頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2911第一章制冷原理

吸收式制冷機(jī)利用溶液在一定條件下能析出低沸點(diǎn)組分的蒸氣，在另一種條件下又能吸收低沸點(diǎn)組分這一特性完成制冷循環(huán)。吸收式制冷系統(tǒng)是由發(fā)生器、冷凝器、制冷節(jié)流閥、蒸發(fā)器、吸收器、溶液節(jié)流閥、溶液熱交換器和溶液泵組成。液體汽化制冷——蒸氣吸收式制冷第十一頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2912第一章制冷原理

制冷劑回路由冷凝器、制冷劑節(jié)流閥、蒸發(fā)器組成。高壓制冷劑氣體在冷凝器中冷凝，產(chǎn)生的高壓制冷劑液體經(jīng)節(jié)流后到蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷。液體汽化制冷——蒸氣吸收式制冷整個系統(tǒng)包括兩個回路：一個是制冷劑回路，一個是溶液回路。目前吸收式制冷機(jī)多用二組分溶液，習(xí)慣上稱低沸點(diǎn)組分為制冷劑，高沸點(diǎn)組分為吸收劑，二者合稱為工質(zhì)對。最常用的工質(zhì)對有氨水（氨為制冷劑）和溴化鋰水溶液（水為制冷劑）。第十二頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2913第一章制冷原理

溶液回路由發(fā)生器、吸收器、溶液節(jié)流閥、溶液熱交換器和溶液泵組成。在吸收器中，吸收劑吸收來自蒸發(fā)器的低壓制冷劑氣體，形成富含制冷劑的稀溶液，并泵送到發(fā)生器，加熱使溶液中的制冷劑重新蒸發(fā)出來，送入冷凝器。另一方面，產(chǎn)生的濃溶液經(jīng)冷卻、節(jié)流后進(jìn)入吸收器，吸收來自蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸汽。吸收過程中伴隨釋放吸收熱，為了保證吸收的順利進(jìn)行，需要冷卻吸收液。液體汽化制冷——蒸氣吸收式制冷第十三頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2914第一章制冷原理與壓縮式的共同點(diǎn)是：四個基本過程一樣。它們的不同點(diǎn)是：1)提供的能量不同。

壓縮式消耗機(jī)械功，吸收式消耗熱能。2)吸取制冷劑蒸氣的方式不同。

壓縮式用壓縮機(jī)吸取蒸氣，吸收式用吸收劑在吸收器內(nèi)吸取制冷劑蒸氣。3)將低壓制冷劑蒸氣變?yōu)楦邏褐评鋭┱魵鈺r采取的方式不同。

壓縮式通過壓縮機(jī)完成，吸收式則是通過吸收器、溶液泵、發(fā)生器和節(jié)流閥完成。液體汽化制冷——蒸氣吸收式制冷第十四頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2915第一章制冷原理蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)組成部件包括：噴射器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥、泵。噴射器又由噴嘴、吸入室、擴(kuò)壓器三個部分組成。噴射器的吸入室與蒸發(fā)器相連；擴(kuò)壓器于冷凝器相連。液體汽化制冷——蒸氣噴射式制冷第十五頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2916第一章制冷原理工作過程如下：鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓工作蒸氣進(jìn)入噴嘴，膨脹并以高速流動（流速可達(dá)1000m/s以上），在噴嘴出口處造成很低的壓力，使蒸發(fā)器中的水汽化，吸收潛熱，使未汽化的水溫度降低（制冷）產(chǎn)生低溫水。蒸發(fā)器中產(chǎn)生的水蒸氣與工作蒸氣在噴嘴出口處混合，一起進(jìn)入擴(kuò)壓器；在擴(kuò)壓器中流速降低壓力升高；到冷凝器，被冷卻水冷卻為液態(tài)水后分兩路：一路經(jīng)過節(jié)流閥降壓后送回蒸發(fā)器，繼續(xù)蒸發(fā)制冷；另一路用泵提高壓力送回鍋爐，重新加熱產(chǎn)生工作蒸氣。液體汽化制冷——蒸氣噴射式制冷第十六頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2917第一章制冷原理也有四個基本過程，其噴射器相當(dāng)于蒸氣壓縮式的壓縮機(jī)。特點(diǎn)：以熱能為補(bǔ)償能量形式；結(jié)構(gòu)簡單；加工方便；沒有運(yùn)動部件；使用壽命長，故具有一定的使用價值，例如用于制取空調(diào)所需的冷水。但這種制冷機(jī)所需的工作蒸氣的壓力高，噴射器的流動損失大，因而效率較低。液體汽化制冷——蒸氣噴射式制冷第十七頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2918液體汽化制冷——吸附式制冷第一章制冷原理吸附現(xiàn)象根據(jù)氣體-固體有無化學(xué)反應(yīng)物理吸附：是氣體分子在范德瓦爾力作用下向吸附劑運(yùn)動，并在吸附勢場作用下壓縮而在吸附劑內(nèi)凝聚成液體的過程，沒有化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)吸附：吸附劑和被吸附的氣體或液體相互接觸時發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了化學(xué)鍵。吸附制冷的工作介質(zhì)是吸附劑-制冷劑工質(zhì)對。常用的有：活性炭-甲醇（太陽能吸附制冷中應(yīng)用最廣）、沸石-水、硅膠-水、金屬氫化物-氫（物理吸附）、氯化鍶-氨、氯化鈣-氨（化學(xué)吸附）。第十八頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2919第一章制冷原理液體汽化制冷——吸附式制冷包括吸附床、冷凝器和蒸發(fā)器。吸附床是充裝了吸附劑（沸石）的金屬盒；制冷劑液體（水）貯集在蒸發(fā)器中。白天，吸附床受到日照加熱，沸石溫度升高，產(chǎn)生解吸作用。從沸石中脫附出水蒸氣，系統(tǒng)內(nèi)的水蒸氣壓力上升，達(dá)到與環(huán)境溫度對應(yīng)的飽和壓力時，水蒸氣在冷凝器中凝結(jié)，同時放出潛熱，凝水貯存在蒸發(fā)器中。第十九頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2920第一章制冷原理夜間，吸附床冷下來，沸石溫度逐漸降低，它吸附水蒸氣的能力逐步提高，造成系統(tǒng)內(nèi)氣體壓力降低，同時，蒸發(fā)器中的水不斷蒸發(fā)出來，用以補(bǔ)充沸石對水蒸氣的吸附。蒸發(fā)過程吸熱，達(dá)到制冷的目的。液體汽化制冷——吸附式制冷第二十頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2921第一章制冷原理吸附制冷屬于液體汽化制冷。與蒸氣壓縮式制冷機(jī)相類比，吸附床起到壓縮機(jī)的作用。但上述吸附系統(tǒng)只能間歇制冷。吸附床處于吸附過程中產(chǎn)生冷效應(yīng)，吸附結(jié)束后必須有一個解析過程使吸附劑狀態(tài)還原，這時將停止制冷。為了連續(xù)制冷，可以采用兩個吸附床。液體汽化制冷——吸附式制冷氣體加熱吸附床吸附床熱風(fēng)機(jī)冷凝器蒸發(fā)器冷風(fēng)機(jī)熱風(fēng)機(jī)節(jié)流閥第二十一頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2922第一章制冷原理吸附制冷的循環(huán)速率受吸附床傳熱傳質(zhì)特性的制約。顆粒狀充填的吸附床，其傳熱過程緩慢，使循環(huán)周期拉長。為了提高制冷循環(huán)速率，在改善吸附床傳熱傳質(zhì)方面現(xiàn)采取的主要措施是：1.將導(dǎo)熱性好的鋁粉和石磨加在吸附劑中。2.將吸附劑成型加工，并燒結(jié)在金屬壁面上。這樣做一來可以提高吸附劑的充填量，增加單位體積的吸附能力；二來可以降低吸附劑與金屬壁面之間吸附劑與吸附劑之間的接觸熱阻。3.增大吸附床金屬壁的熱交換表面積。液體汽化制冷——吸附式制冷第二十二頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2923第一章制冷原理液體汽化制冷——吸附式制冷吸附劑/泡沫鋁復(fù)合吸附材料：使用體積比10％～20％的通孔泡沫鋁材料為傳熱骨架，復(fù)合沸石顆?；蚍肿雍Y顆粒，使其導(dǎo)熱性能大幅提高，并具有較高的傳質(zhì)性能。對于使用沸石或分子篩吸附床的吸附式制冷機(jī)可以大大減小吸附脫附時間，提高制冷機(jī)性能。第二十三頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2924第一章制冷原理吸附制冷以熱能驅(qū)動，可利用低品位熱能；不采用氟氯烴，無CFCs問題，無溫室效應(yīng)，對環(huán)境友好；結(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動部件，噪聲低，壽命長，適用范圍廣。但效率低，體積大。目前，吸附制冷已開始工業(yè)化生產(chǎn)，并有少量產(chǎn)品進(jìn)入市場：（1）發(fā)動機(jī)余熱驅(qū)動的吸附式空調(diào)，可用于大客車、中巴和小轎車、火車。（2）太陽能吸附式冰箱。液體汽化制冷——吸附式制冷第二十四頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2925第一章制冷原理氣體膨脹制冷是利用高壓氣體的絕熱膨脹來達(dá)到低溫，并利用膨脹后的氣體在低壓下的復(fù)熱過程來制冷的。氣體膨脹制冷由于氣體絕熱膨脹的設(shè)備不同，一般有兩種方式:一種是將高壓氣體經(jīng)膨脹機(jī)膨脹，有外功輸出，因而氣體的溫降大，制冷量也大，但膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；另一種方式是令氣體經(jīng)節(jié)流閥膨脹，無外功輸出，氣體的溫降小，制冷量也小，但節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)比較簡單，便于進(jìn)行氣體流量的調(diào)節(jié)。第二十五頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2926第一章制冷原理布雷頓(Brayton)制冷循環(huán)又稱焦耳(Joule)循環(huán)或氣體制冷機(jī)循環(huán)，是以氣體為工質(zhì)的制冷循環(huán)，其工作過程包括等熵壓縮，等壓冷卻，等熵膨脹及等壓吸熱四個過程，這與蒸氣壓縮式制冷機(jī)的四個工作過程相近，兩者的區(qū)別在于工質(zhì)在布雷頓循環(huán)中不發(fā)生集態(tài)改變(相變)。根據(jù)不同的使用目的，工質(zhì)可以是空氣，CO2，N2，He等氣體。氣體膨脹制冷——布雷頓制冷循環(huán)

第二十六頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2927第一章制冷原理為了提高制冷效率，通常采用回?zé)嵫h(huán)：所謂回?zé)峋褪前延衫湎浞祷氐睦錃饬饕胍粋€熱交換器—“回?zé)崞鳌?，用來冷卻從冷卻器來的高壓常溫氣流，使其溫度進(jìn)一步降低，而從冷箱返回的氣流則被加熱，溫度升高。這樣就使壓縮機(jī)的吸氣溫度升高，降低壓縮機(jī)的壓力比。氣體膨脹制冷——布雷頓制冷循環(huán)

第二十七頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2928第一章制冷原理1816年斯特林(stirling)提出了一種由兩個等溫過程和兩個等容回?zé)徇^程組成的閉式熱力學(xué)循環(huán)，稱為斯特林循環(huán)，也稱為定容回?zé)嵫h(huán)。氣體膨脹制冷——斯特林制冷循環(huán)第二十八頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2929第一章制冷原理等溫壓縮過程1－2：壓縮活塞向左移動而膨脹活塞不動。氣體被等溫壓縮，壓縮熱經(jīng)冷卻器A傳給冷卻介質(zhì)，溫度不變，壓力升高，同時容積減小。氣體膨脹制冷——斯特林制冷循環(huán)定容放熱過程2－3：兩個活塞同時向左移動，氣體的容積保持不變，直至壓縮活塞到達(dá)左止點(diǎn)。當(dāng)氣體通過回?zé)崞鱎時，將熱量傳給填料，因而溫度下降，同時壓力降低。第二十九頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2930第一章制冷原理等溫膨脹過程3－4：壓縮活塞停止在左止點(diǎn)，而膨脹活塞繼續(xù)向左移動，直至左止點(diǎn)，氣體進(jìn)行等溫膨脹，通過冷量換熱器C從低溫?zé)嵩次諢崃俊Ｈ莘e增大而壓力降低。氣體膨脹制冷——斯特林制冷循環(huán)定容吸熱過程4－1：兩個活塞同時向右移動直至右止點(diǎn),氣體容積保持不變，回復(fù)到起始位置。當(dāng)氣體流經(jīng)時回?zé)崞魈盍蟁時吸熱，溫度升高，同時壓力增加。第三十頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2931第一章制冷原理熱電制冷的理論基礎(chǔ)是固體的熱電效應(yīng)，在無外磁場存在時，它包括五個效應(yīng)：導(dǎo)熱、焦耳熱損失、塞貝克(Seebeck)效應(yīng)、帕爾帖(Peltire)效應(yīng)和湯姆遜(Thomson)效應(yīng)。熱電制冷熱電制冷又稱作溫差電制冷，或半導(dǎo)體制冷，它主要是利用熱電效應(yīng)中的帕爾帖效應(yīng)的一種制冷方法。第三十一頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2932第一章制冷原理熱電制冷——熱電效應(yīng)1.塞貝克效應(yīng)(SeebeckEffect)(西伯克效應(yīng))

1821年，德國人發(fā)現(xiàn)兩種不同導(dǎo)體組成的開路中，如果導(dǎo)體的兩個結(jié)點(diǎn)存在溫度差，這開路中將產(chǎn)生電動勢E。這就是塞貝克效應(yīng)。由于塞貝克效應(yīng)而產(chǎn)生的電動勢稱作溫差電動勢。V=a△T式中:V為溫差電動勢；a為溫差電動勢率(塞貝克系數(shù))△T為接點(diǎn)之間的溫差熱電偶測溫及溫差發(fā)電就是利用塞貝克效應(yīng)第三十二頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2933第一章制冷原理2.帕爾帖效應(yīng)(PeltireEffect)1834年，法國人JeanCharlesPeltier發(fā)現(xiàn)電流流過兩種不同導(dǎo)體的界面時，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量。這就是帕爾帖效應(yīng)。由帕爾帖效應(yīng)產(chǎn)生的熱流量稱作帕爾帖熱。熱電制冷——熱電效應(yīng)對帕爾帖效應(yīng)的物理解釋是：電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當(dāng)它從高能級向低能級運(yùn)動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運(yùn)動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。第三十三頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2934第一章制冷原理3.湯姆遜效應(yīng)(ThomsonEffect)1845年，英國物理學(xué)家WilliamThomson發(fā)現(xiàn)若電流流過有溫度梯度的導(dǎo)體時，原由的溫度分布將被破壞，為了維持原有的溫度分布，導(dǎo)體將吸收或放出熱量。這就是湯姆遜效應(yīng)。由湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生的熱流量稱作湯姆遜熱。

熱電制冷——熱電效應(yīng)第三十四頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2935第一章制冷原理4.焦耳效應(yīng)(JouleEffect)1841年，物理學(xué)家Joule發(fā)現(xiàn)電流在導(dǎo)體中通過時，產(chǎn)生熱量。這就是焦耳效應(yīng)。由焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱流量稱作焦耳熱。熱電制冷——熱電效應(yīng)5.傅立葉效應(yīng)(FourierEffect)即熱傳導(dǎo)。在介質(zhì)中由于存在溫度梯度而產(chǎn)生的熱量的傳輸。第三十五頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2936第一章制冷原理熱電制冷由于金屬材料的帕爾帖效應(yīng)很弱，因此長久以來熱電制冷并未得到發(fā)展和應(yīng)用。到20世紀(jì)50年代左右，由于半導(dǎo)體材料帕爾帖效應(yīng)顯著，才隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展而迅速發(fā)展，因此現(xiàn)在也稱為半導(dǎo)體制冷。為了獲得更低的制冷溫度(或更大的溫差)可以采用多級熱電制冷。它由單級電堆聯(lián)結(jié)而成。前一級的冷端是后一級熱端的散熱器。PNIPNNPPN第三十六頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2937第一章制冷原理熱電制冷由于金屬材料的帕爾帖效應(yīng)很弱，因此長久以來熱電制冷并未得到發(fā)展和應(yīng)用。到20世紀(jì)50年代左右，由于半導(dǎo)體材料帕爾帖效應(yīng)顯著，才隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展而迅速發(fā)展，因此現(xiàn)在也稱為半導(dǎo)體制冷。為了獲得更低的制冷溫度(或更大的溫差)可以采用多級熱電制冷。它由單級電堆聯(lián)結(jié)而成。前一級的冷端是后一級熱端的散熱器。第三十七頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2938第一章制冷原理半導(dǎo)體制冷特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，對環(huán)境要求低；無機(jī)械運(yùn)動部件，無噪音，無磨損，可靠性高；無制冷劑；制冷迅速，切換電流方向既可實(shí)現(xiàn)制冷/熱轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)電流大小即可調(diào)節(jié)制冷量；大小形狀可變，可任意排布。制冷效率低，價格高，而且必須使用直流電源。熱電制冷目前主要應(yīng)用于：電子器件冷卻、精密恒溫器、冷凍治療儀、便攜冰箱、高真空冷阱、露點(diǎn)儀、宇航、潛水服等第三十八頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2939第一章制冷原理渦流管制冷渦流管制冷是使用壓縮氣體產(chǎn)生渦流運(yùn)動并分離成冷、熱兩部分。利用分離出的冷氣流即可制冷。1933年，由法國人蘭克(GeorgeRanque)首先發(fā)明，因此又稱蘭克管。渦流管結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，啟動快，能達(dá)到比較低的溫度。其主要缺點(diǎn)是效率低、氣流噪聲大。故渦流管只宜用于那些不經(jīng)常使用的小型低溫試驗設(shè)備。第三十九頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2940第一章制冷原理渦流管制冷渦流管由噴嘴、渦流室、孔板、管子和控制閥組成。渦流室將管子分為冷端和熱端兩部分?？装逶跍u流室與冷端管子之間。噴嘴與渦流室相切。熱端管子出口處裝控制閥。控制閥控制熱端管子中氣體的壓力，從而控制冷暖兩股氣流的流量和溫度。孔板噴嘴渦流室控制閥第四十頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2941第一章制冷原理渦流管制冷常溫下的壓縮氣體進(jìn)入噴嘴，并加速，進(jìn)入渦流室后產(chǎn)生自由渦旋運(yùn)動。氣體溫度上升，沿?zé)岫斯茏右苿又翢岫恕岫硕丝谟锌刂崎y，允許外圈部分熱氣流留出，其余氣流反向形成中心低壓二次渦流。當(dāng)兩股氣流反向運(yùn)動時，由于角動量守恒，內(nèi)部小渦旋氣流角速度應(yīng)當(dāng)增大，但在渦流管內(nèi)卻保持不變，以相同的角速度同一方向旋轉(zhuǎn)，角動量損失，有氣體向外圈擴(kuò)散，相當(dāng)于氣體膨脹，因此溫度降低，成為冷氣流，而外圈相當(dāng)于氣體壓縮，溫度升高，成為熱氣流。第四十一頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2942第一章制冷原理渦流管制冷目前渦流管制冷主要用于：冷風(fēng)槍（冷卻金屬切削、鉆孔及研磨的車床上，可免掉液體冷凍液）工人的個人冷卻電子器件冷卻小型低溫實(shí)驗設(shè)備第四十二頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2943第一章制冷原理熱聲制冷技術(shù)的理論基礎(chǔ)是熱聲效應(yīng)。所謂熱聲效應(yīng)，是指熱和聲之間的相互作用。聲介質(zhì)在作機(jī)械振蕩的同時經(jīng)歷了一個熱力學(xué)循環(huán)過程，在適當(dāng)條件下，循環(huán)的結(jié)果將能實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能間的相互轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生制冷效果。熱聲制冷是根據(jù)熱聲相互作用，由壓力波動引起溫度波動，并通過一定裝置（板疊）將其增強(qiáng)，從而產(chǎn)生制冷作用。熱聲制冷熱聲制冷是20世紀(jì)80年代初才被提出的一種新型制冷方式。第四十三頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2944第一章制冷原理熱聲制冷基本原理如右圖?？疾炻晥鲋袉蝹€氣團(tuán)的熱力過程，過程1中氣團(tuán)在壓力波的作用下自右向左運(yùn)動，由于被壓縮，體積減小溫度上升，并高于板疊溫度，因而過程2氣團(tuán)向板疊放熱，于是體積繼續(xù)減??；然后，過程3中氣團(tuán)向右運(yùn)動，此時氣團(tuán)膨脹，溫度降低，且低于板疊溫度，因而過程4氣團(tuán)從板疊吸熱。從而構(gòu)成一個制冷循環(huán)。把沿板疊長度方向上的氣體看作一個傳遞熱量的氣團(tuán)鏈，這樣就可實(shí)現(xiàn)從板疊的冷段到熱端的熱量傳遞過程。1234板疊第四十四頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2945第一章制冷原理熱聲制冷熱聲制冷機(jī)主要由聲波發(fā)生器、換熱器、板疊、共振腔4部分組成。和傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式制冷相比它的優(yōu)點(diǎn)很明顯（l）它所用的工質(zhì)是對環(huán)境沒有危害作用的惰性氣體如氦，氖等；（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單緊湊，價格便宜，壽命長；（3）運(yùn)動部件少不需要潤滑油；（4）沒有壓縮機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)噪聲很小或無聲音。但效率較低，能量密度低。第四十五頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2946第一章制冷原理熱聲制冷熱聲制冷機(jī)聲波產(chǎn)生的方式主要有：電磁驅(qū)動（包括揚(yáng)聲器和線性電機(jī)）；熱聲驅(qū)動（包括電加熱、廢熱、燃?xì)?、太陽能等）。目前已?jīng)用于軍艦雷達(dá)電子系統(tǒng)冷卻、太空電子器件冷卻、天然氣液化、氣體分離、家用冰箱等第四十六頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2947第一章制冷原理制冷的基本熱力學(xué)原理從熱力學(xué)角度來說，制冷/熱泵系統(tǒng)是利用逆向循環(huán)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。按補(bǔ)償能量的形式，主要的制冷方法可分為兩類：以機(jī)械能或電能為補(bǔ)償（如蒸氣壓縮式、熱電式等），以熱能為補(bǔ)償?shù)模ㄈ缥帐健⑽绞降龋?。制冷機(jī)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系

(a)以電能或機(jī)械能驅(qū)動的制冷機(jī)(b)以熱能驅(qū)動的制冷機(jī)

第四十七頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2948對于機(jī)械或電驅(qū)動方式的制冷機(jī)引入制冷系數(shù)ε來衡量；對于熱能驅(qū)動方式的制冷機(jī)，引入熱力系數(shù)ξ來衡量：

(1)

(2)式中：

Q0

-----制冷機(jī)的制冷量；

W

-----制冷機(jī)的輸入功；

Qg

-----驅(qū)動熱源向制冷機(jī)輸入的熱量。國際上習(xí)慣將制冷系數(shù)和熱力系數(shù)統(tǒng)稱為制冷機(jī)的性能系數(shù)COP(CoefficientofPerformance)第一章制冷原理制冷的基本熱力學(xué)原理第四十八頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2949對于以電能或機(jī)械能驅(qū)動的制冷機(jī)，假定熱源為恒溫?zé)嵩?，制冷機(jī)為可逆循環(huán)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律有：Q0+W=Qa

(3)根據(jù)熱力學(xué)第二定律有：(4)

可逆制冷機(jī)的制冷系數(shù)為：(5)第一章制冷原理制冷的基本熱力學(xué)原理此式說明：①兩恒溫?zé)嵩撮g工作的可逆制冷機(jī)，其制冷系數(shù)只與熱源溫度有關(guān)，而與制冷機(jī)使用的制冷劑性質(zhì)無關(guān)。②εmax的值與兩熱源溫度的接近程度有關(guān)，二者越接近，則εmax越大，反之越小。實(shí)際制冷機(jī)制冷系數(shù)隨熱源溫度的變化趨勢與可逆機(jī)是一致的。第四十九頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2950對于以熱能驅(qū)動的制冷機(jī)，假定熱源為恒溫?zé)嵩?，制冷機(jī)為可逆循環(huán)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律有：Qa=Q0+Qg

(6)根據(jù)熱力學(xué)第二定律有：(7)熱能驅(qū)動可逆制冷機(jī)的熱力系數(shù)為：(8)第一章制冷原理制冷的基本熱力學(xué)原理上式右邊第一個因子為工作在Ta和Tc之間的可逆機(jī)械制冷機(jī)的制冷系數(shù)εmax，而第二個因子為工作在Tg和Ta之間的可逆熱機(jī)的熱效率。故相當(dāng)于用一個可逆熱機(jī)，將驅(qū)動熱源的熱量Qg轉(zhuǎn)換成機(jī)械功W，再去驅(qū)動一個可逆機(jī)械制冷機(jī)。第五十頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2951第一章制冷原理制冷的基本熱力學(xué)原理上式右邊第一個因子為工作在Ta和Tc之間的可逆機(jī)械制冷機(jī)的制冷系數(shù)εmax，而第二個因子為工作在Tg和Ta之間的可逆熱機(jī)的熱效率。故相當(dāng)于用一個可逆熱機(jī)，將驅(qū)動熱源的熱量Qg轉(zhuǎn)換成機(jī)械功W，再去驅(qū)動一個可逆機(jī)械制冷機(jī)。第五十一頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2952第一章制冷原理這同時也說明ε和ξ在數(shù)量上不具可比性，因為補(bǔ)償能W與Q的品位不同。同樣說明，熱能驅(qū)動的可逆制冷機(jī)的性能系數(shù)（或熱力系數(shù)）也只與熱源的溫度有關(guān)，而與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。Tg越高（驅(qū)動熱源的品位越高）、Ta與Tc越接近，則ξmax越大；反之越小。制冷的基本熱力學(xué)原理第五十二頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2953第一章制冷原理制冷的基本熱力學(xué)原理對于一個制冷系統(tǒng)，性能系數(shù)COP（ε和ξ）值越大，循環(huán)越經(jīng)濟(jì)，但性能系數(shù)和熱源溫度有關(guān)，因此對于不同制冷機(jī)的循環(huán)性能進(jìn)行比較時，必須是同類制冷機(jī)在相同的熱源工況下。此時，COP大的性能好。對于不同類型的制冷機(jī)在不同工況下，如何比較性能的高低？第五十三頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2954引入制冷循環(huán)熱力完善度η進(jìn)行評價。定義為實(shí)際制冷機(jī)的效率與工作在相同熱源下的逆卡諾機(jī)的效率之比：對于機(jī)械能或電能驅(qū)動的制冷機(jī)

(9)對于熱能驅(qū)動的制冷機(jī)(10)

一定熱源條件下的制冷機(jī)性能系數(shù)的最大值COPmax是評價實(shí)際制冷機(jī)性能的基準(zhǔn)值。實(shí)際制冷循環(huán)總有不可逆損失，而熱力完善度η越大，說明循環(huán)的熱力學(xué)的不可逆損失越小，性能就越好。第一章制冷原理制冷的基本熱力學(xué)原理第五十四頁，共六十頁，2022年，8月28日2023/3/2955COP和η的區(qū)別第一章制冷原理制冷的基本熱力學(xué)原理COP反映制冷循環(huán)中收益能與補(bǔ)償能之間的在數(shù)量上的比值，不涉及二者的能量品位，數(shù)值可以大于1、小于1、等于1。η反應(yīng)制冷循環(huán)趨于熱力