1、第2章 制冷方法,2.1 物質(zhì)相變制冷,固體相變冷卻 冰融化 冰鹽冷卻 干冰升華 液體汽化制冷 蒸汽壓縮式 吸收式 蒸汽噴射式 吸附式,2.1.1 相變制冷概述,固體相變冷卻 冰融化 335kj/kg 冰鹽冷卻 NaCl冰鹽，溫度-0.7x 干冰升華 646kj/kg -78攝氏度,1） 固體相變制冷,2） 液體汽化制冷,（1） 原理,蒸發(fā)過程,汽,液,1,補(bǔ)充水,抽出蒸汽,2,被冷卻物質(zhì),是否可行？,是否可行？,1,2,冷卻 介質(zhì),蒸發(fā),冷凝,增壓,降壓,怎樣才能制冷制熱呢?,2.1.2 蒸氣壓縮式制冷,利用制冷劑由液體狀態(tài)汽化為蒸氣狀態(tài)過程中吸收熱量，達(dá)到制冷的目的。,蒸氣壓縮式制冷,蒸氣

2、壓縮式制冷基本系統(tǒng),2.1.2 蒸汽壓縮式制冷,2.1.3 吸收式制冷,1）吸收式制冷原理,2.1.3 吸收式制冷,吸收式制冷機(jī)是一種以熱能為主要?jiǎng)恿Φ闹评錂C(jī) 。 蒸汽壓縮制冷循環(huán)：壓縮機(jī)（消耗機(jī)械功） 吸收式制冷循環(huán)：吸收塔，解吸器，換熱器，泵（消耗低品位熱量）,氣體制冷劑回復(fù)液體狀態(tài) 利用吸收或吸附方式,制冷劑蒸發(fā),吸收熱量制冷,2.1.3 吸收式制冷循環(huán),吸收式制冷循環(huán),由于它是利用工質(zhì)對(duì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，完成制冷劑的循環(huán)，因而被稱為吸收式制冷,蒸汽吸收式制冷,2.1.4 蒸汽噴射式制冷,工作過程,2.1.4 蒸汽噴射式制冷,圖2-5 蒸汽噴射式制冷系統(tǒng) 1噴射器（噴嘴 b擴(kuò)壓器 c吸入室

3、） 2冷凝器 3蒸發(fā)器 4節(jié)流閥 5 、6泵,2.1.4 蒸汽噴射式制冷,2.1.4 蒸氣噴射式制冷循環(huán),蒸氣噴射式制冷機(jī)只用單一物質(zhì)為工質(zhì),雖然從理論上談可應(yīng)用一般的制冷劑作為工質(zhì),但到目前為止，只有以水為工質(zhì)的蒸氣噴射式制冷機(jī)得到實(shí)際應(yīng)用。,當(dāng)用水為工質(zhì)所制取的低溫必須在0以上，故蒸氣噴射式制冷機(jī)目前只用于空調(diào)裝置或用來制備某些工藝過程需要的冷媒水。,2.1.4 蒸汽噴射式制冷,圖2-6 蒸汽噴射式制冷機(jī)理論工作循環(huán)的溫熵圖,現(xiàn)在可根據(jù)圖2-6進(jìn)行理論循環(huán)的熱力計(jì)算。,(2-6),式中 被引射制冷蒸氣的流量,鍋爐的供熱量,(2-7),式中 工作蒸氣流量,冷凝器放熱量,(2-8),制冷量,泵

4、功較小，如果予以忽略，則整個(gè)制冷機(jī)的熱平衡式為,其中比值,稱為 噴射系數(shù)，它表示1Kg工作蒸氣能引射的低壓蒸氣的數(shù)量,(2-9),(2-10),2.1.5 吸附式制冷方法,吸附式制冷原理 對(duì)制冷劑氣體具有吸附作用固體吸附劑。 固體吸附劑吸附時(shí)，產(chǎn)生制冷作用，吸附能力與溫度有關(guān)； 解析時(shí)，加熱吸附劑，釋放出制冷劑氣體，并使之凝為液體。 是以熱能為動(dòng)力的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。,吸附式制冷,水,吸附床,冷凝器,蒸發(fā)器,白天脫附,水,夜間吸附,吸附式制冷系統(tǒng)的特點(diǎn),具有不耗電、無任何運(yùn)動(dòng)部件、系統(tǒng)簡單、沒有噪聲、無污染、不需維修。 提供家庭用熱水和冬季采暖用熱源。 缺點(diǎn)是循環(huán)屬于間歇性的，太陽能的波動(dòng)會(huì)進(jìn)一步

5、影響到系統(tǒng)的循環(huán)特性。,2.2 電磁聲制冷,熱電制冷 磁制冷 聲制冷,2.2.1熱電制冷,珀?duì)栙N效應(yīng)，在兩種不同金屬組成的閉合線路中，若通以直流電，就會(huì)使一個(gè)接點(diǎn)變冷，一個(gè)變熱，亦稱溫差電現(xiàn)象。 （正效應(yīng)塞貝克效應(yīng)，會(huì)在兩接觸點(diǎn)間產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差接觸電動(dòng)勢(shì)。 ） 熱電制冷溫差電制冷。,半導(dǎo)體制冷,半導(dǎo)體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，決定了它產(chǎn)生的溫差電現(xiàn)象比其他金屬要顯著得多，所以熱電制冷都采用半導(dǎo)體材料，亦稱半導(dǎo)體制冷。,熱電制冷,圖2-11 由P型和N型半導(dǎo)體組成的熱電制冷元件,制冷方法,單級(jí)熱電堆,熱電制冷具有其顯著特點(diǎn),不用制冷劑 無機(jī)械傳動(dòng)部分 冷卻速度和制冷溫可任意調(diào)節(jié) 可將冷熱端互換 體積和

6、功率都可做得很小 方便的可逆操作 可做成家用冰箱，或小型低溫冰箱 可制成低溫醫(yī)療器具 可對(duì)儀器進(jìn)行冷卻 可做成零點(diǎn)儀,2.3 渦流管制冷,是利用人工方法產(chǎn)生漩渦，使氣流分為冷熱兩部分。利用分離出來的冷氣流即可制冷。,渦流管制冷裝置,渦流管制冷裝置,渦流管制冷系統(tǒng),2.4 氣體膨脹制冷,歷史上第一次實(shí)現(xiàn)的氣體制冷機(jī)是以空氣作為工質(zhì)的，并且稱為空氣制冷機(jī),2.4.1 氣體絕熱節(jié)流,1.實(shí)際氣體的節(jié)流,理想氣體的焓值僅是溫度的函數(shù)，氣體節(jié)流時(shí)溫度保持不變，而實(shí)際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，節(jié)流后溫度一般會(huì)發(fā)生變化。,焦耳湯姆遜系數(shù),(2-34),（2） 焦耳湯姆遜效應(yīng),由熱力學(xué)微分方程式推導(dǎo)得,(

7、2-35),(2-34),節(jié)流過程的物理特征,對(duì)實(shí)際氣體,對(duì)空氣和氧 在P15103kPa,(2-36),對(duì)理想氣體,(3) 轉(zhuǎn)化溫度與轉(zhuǎn)化曲線,在TP圖上繪制絕熱節(jié)流條件下的等焓曲線,3）零效應(yīng)的連線稱為轉(zhuǎn)化曲線，如圖上虛線所示。,2）若節(jié)流后氣體溫度保持不變，這樣的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度。,1）焦耳湯姆遜系數(shù)就是圖上等焓線的斜率,4）節(jié)流后升溫,5）節(jié)流后降溫,曲線分析,表2-7 最大轉(zhuǎn)化溫度 列出了一部分氣體的最高轉(zhuǎn)化溫度。,轉(zhuǎn)化溫度與轉(zhuǎn)化曲線理論推導(dǎo),范德瓦爾,氣體狀態(tài)方程帶入定義式,(2-37),(2-38),轉(zhuǎn)化曲線,2.4.1 氣體絕熱節(jié)流,2.絕熱節(jié)流制冷循環(huán),圖2-23 預(yù)冷型林德

8、-漢普森制冷機(jī)。,預(yù)冷的重要作用:由于常溫下節(jié)流會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，為了系統(tǒng)能夠起動(dòng)降溫，必須將氣體溫度降低到轉(zhuǎn)化溫度以下以保證節(jié)流制冷。,圖2-24 林德-漢普森制冷的T-S圖,圖2-25 預(yù)冷型林德-漢普森制冷機(jī)的熱力循環(huán)圖。,2.4.2 布雷頓制冷循環(huán),1.等熵膨脹制冷,（2）絕熱膨脹,微分等熵效應(yīng),對(duì)理想氣體(k為絕熱指數(shù)),(2-39),(2-41),2. 氣體工質(zhì)布雷頓制冷循環(huán),壓縮式空氣制冷機(jī)的工作過程也是包括等熵壓縮，等壓冷卻，等熵膨脹及等壓吸熱四個(gè)過程,這與蒸汽壓縮式制冷機(jī)的四個(gè)工作過程相近，其區(qū)別在于工質(zhì)在循環(huán)過程中不發(fā)生集態(tài)改變,NEXT,壓 縮 機(jī),膨脹機(jī),空氣冷卻器,1,2

9、,3,4,(a)系統(tǒng)流程圖,(b)循環(huán)的T-S圖,s,T,氣體膨脹系統(tǒng)流程圖,冷室,1,2,3,4,圖2-26 無回?zé)峥諝庵评錂C(jī)系統(tǒng)圖 -壓縮機(jī) -冷卻器 -膨脹機(jī) -冷箱,圖2-27 無回?zé)峥諝庵评錂C(jī) 理論循環(huán)的p-V圖與T-s圖,1-2是等熵壓縮過程,2-3是等壓冷卻過程,3-4是等熵膨脹過程,4-1是在冷箱中的等壓吸熱過程,四個(gè)工作過程分析,理論循環(huán)的熱力性能計(jì)算,(2-44),(2-45),單位壓縮功 和 膨脹功 分別是：,(2-46),(2-47),單位制冷量,冷卻器的單位熱負(fù)荷,循環(huán)消耗的 單位功,(2-49),(2-48),若不計(jì)比熱隨溫度的變化,制熱系數(shù)：,則上式可簡化為：,(

10、2-50),(2-49),因?yàn)闊嵩礈囟仁呛阒?，此時(shí)比較標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)應(yīng)當(dāng)是可逆卡諾循環(huán)，其 制冷系數(shù) 為：,因此上述理論循環(huán)的 熱力完善 度為：,(2-51),顯然，永遠(yuǎn),8,至客艙,膨脹機(jī),外部空氣,風(fēng)機(jī),冷卻器,飛機(jī)用制冷裝置,回?zé)釟怏w制冷循環(huán),圖2-28 定壓回?zé)釟怏w制冷機(jī)的流程圖及溫熵圖 a) 系統(tǒng)流程圖 b) 循環(huán)溫熵圖 A透平壓縮機(jī) B冷卻器 C透平膨脹機(jī) D冷箱 E回?zé)崞?2.4.3 斯特林制冷機(jī),斯特林制冷循環(huán): 由 兩個(gè)等溫過程， 兩個(gè)等容回?zé)徇^程 組成。 斯特林制冷機(jī): 由回?zé)崞鳌⒗鋮s器、冷量換熱器、兩個(gè)帶活塞的汽缸，位移器等組成。 在回?zé)崞髦袑?shí)現(xiàn)的是等容過程的熱交換。,2.4.

11、3 斯特林制冷機(jī),圖2-34 斯特林制冷機(jī),圖2-34c 理想斯特林制冷機(jī)的熱力循環(huán),理想的斯特林制冷機(jī)的制冷量為:,工質(zhì)為理想氣體:,(2-54),(2-56),工質(zhì)為理想氣體:,理想的斯特林制冷機(jī)的排熱量為:,循環(huán)凈功,理想氣體理想斯特林制冷機(jī)的性能系數(shù)為:,(2-56),(2-57),理想的斯特林制冷機(jī)的性能系數(shù)為:,理想氣體理想斯特林制冷機(jī)的性能系數(shù)為:,(2-57),若回?zé)崞餍实扔?00， Cop與卡諾循環(huán)相等。 斯特林制冷機(jī)的成功，絕大部分是依靠系統(tǒng)中所 使用的回?zé)崞餍堋?若回?zé)崞餍实陀?00，這就意味著，氣體制冷機(jī)在冷源的制冷量將有一部分消耗在將制冷機(jī)氣體冷卻到冷源溫度的過

12、程中。,3.2.6 吉福特-麥克馬洪制冷機(jī),系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、兩端密封的氣缸、氣缸中的位移器，和回?zé)崞鳌?圖3-84 G-M制冷機(jī)中單位 質(zhì)量氣體在T-S圖上的流程,圖3-83 G-M制冷機(jī)示意圖,G-M系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)之一是它可實(shí)現(xiàn)多級(jí)化。多級(jí)系統(tǒng)中的所有閥門都在室溫下工作，三個(gè)位移器由一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)操縱。,圖3-86 三級(jí)G-M制冷機(jī) 三個(gè)位移器由同一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，在此制冷機(jī)中可同時(shí)制取三種不同的溫度。,3.2.7 脈沖管制冷機(jī),脈沖管制冷機(jī)省去了常規(guī)氣體制冷機(jī)中的冷腔膨脹活塞，采用一根低熱導(dǎo)的管子來代替，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、冷頭振動(dòng)小、壽命長、成本低等優(yōu)勢(shì)。,圖3-87 脈沖管制冷機(jī) 的

13、演變與發(fā)展,基本型脈沖管制冷機(jī)利用充放氣獲得低溫的方法實(shí)質(zhì)上是西蒙膨脹制冷的一種型式。 基本型脈沖管制冷機(jī)與西蒙膨脹過程的不同點(diǎn): 脈沖管制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)，脈沖管氣體軸向存在一溫度梯度，入口端溫度低，封閉端溫度高；而西蒙膨脹的容器內(nèi)氣體溫度均勻； 充氣完畢后，脈沖管取走熱量的方式是靠封閉端的水冷換熱器；而西蒙膨脹的熱量是靠整個(gè)容器表面與外部環(huán)境的對(duì)流換熱。,基本型脈沖管制冷機(jī)除了壓縮氣源和切換閥是室溫運(yùn)動(dòng)部件外，在低溫處無任何運(yùn)動(dòng)部件，因此其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，但是其制冷效率低。,帶有切換閥的基本型脈沖管制冷機(jī):由于氣體在通過閥門時(shí)有節(jié)流損失而降低了制冷效率。 可逆基本型脈沖管制冷機(jī):直接利用活塞

14、在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使制冷系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生壓力波動(dòng)而導(dǎo)致脈沖管內(nèi)氣體的壓縮和膨脹過程。,圖3-89 可逆基本型脈沖管制冷機(jī)原理圖 1活塞 2水冷卻器 3脈沖管 4負(fù)荷換熱器 5回?zé)崞?圖3-97 兩級(jí)脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。1 壓縮機(jī)， 2 旋轉(zhuǎn)閥， 3 氣庫， 4 小孔閥， 5 雙向進(jìn)氣閥， 6 第一級(jí)蓄冷器， 7 第二級(jí)蓄冷器， 8 第一級(jí)脈管， 9 第二級(jí)脈管， 10 第一級(jí)冷頭， 11 第二級(jí)冷頭 ，12 輻射屏， 13 真空罩。,第4章 其它制冷方法,思考題 1. 吸收式制冷的能量補(bǔ)償是什么？ 2. 吸收式制冷的基本組成有那些設(shè)備? 3. 吸收式制冷循環(huán)對(duì)工質(zhì)選擇的要求有那些？ 4. 常用工質(zhì)對(duì)有那些？它們誰做為制冷劑？常用工質(zhì)對(duì)的性質(zhì)、特點(diǎn)有那些？ 5. 單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)的組成？原理圖怎樣？發(fā)生的過程有那些？ 6. 雙效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)的組成？原理圖怎樣的？ 7. 其它形式溴化鋰吸收式制冷循環(huán)的種類？ 8. 溴化鋰吸收式制冷循環(huán)的特點(diǎn)？ 9. 溴化鋰吸收式制冷機(jī)中溶液熱交換器起什么作用？不設(shè)行不