第一章 人工制冷基本方法

1、2021年10月17日人工制冷的基本方法人工制冷的基本方法第一章第一章 人工制冷的基本方法人工制冷的基本方法 人工制冷是指借助于制冷裝置，以消耗機人工制冷是指借助于制冷裝置，以消耗機械能或電磁能、熱能、太陽能等形式的能量械能或電磁能、熱能、太陽能等形式的能量為代價，把熱量從低溫系統(tǒng)向高溫系統(tǒng)轉(zhuǎn)移為代價，把熱量從低溫系統(tǒng)向高溫系統(tǒng)轉(zhuǎn)移而得到低溫，并維持這個低溫。而得到低溫，并維持這個低溫。 制冷的熱力學(xué)原理制冷的熱力學(xué)原理 1 理想制冷循環(huán)理想制冷循環(huán)逆向卡諾循環(huán)逆向卡諾循環(huán) 2 理想制冷循環(huán)的性能指標(biāo)理想制冷循環(huán)的性能指標(biāo) 制冷的熱力學(xué)原理制冷的熱力學(xué)原理 理想制冷循環(huán)理想制冷循環(huán)逆向卡諾循環(huán)

2、逆向卡諾循環(huán)當(dāng)高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩措S著過程的進行溫度不變時，當(dāng)高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩措S著過程的進行溫度不變時，具有兩個可逆的等溫過程和兩個等熵過程組成的逆向具有兩個可逆的等溫過程和兩個等熵過程組成的逆向循環(huán)。循環(huán)。 在相同溫度范圍內(nèi)，它是消耗功最小的循環(huán)，即熱力在相同溫度范圍內(nèi)，它是消耗功最小的循環(huán)，即熱力學(xué)效率最高的制冷循環(huán)，因為它沒有任何不可逆損失。學(xué)效率最高的制冷循環(huán)，因為它沒有任何不可逆損失。 理想制冷循環(huán)理想制冷循環(huán)逆向卡諾循環(huán)逆向卡諾循環(huán) )(11nmssTq)(22nmssTq單位質(zhì)量制冷劑向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃繂挝毁|(zhì)量制冷劑向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃?單位質(zhì)量制冷劑從被冷卻的對象所吸取的熱量

3、單位質(zhì)量制冷劑從被冷卻的對象所吸取的熱量 理想制冷循環(huán)的性能指標(biāo)理想制冷循環(huán)的性能指標(biāo) 02q制冷系數(shù))()()(21221221202TTTssTTssTqqqqnmnm不可逆循環(huán)的熱力完善度，不可逆循環(huán)的熱力完善度，值越接近于值越接近于1，說明實際循環(huán)越接近可逆循環(huán)，不可逆損失，說明實際循環(huán)越接近可逆循環(huán)，不可逆損失越小，經(jīng)濟性越好。越小，經(jīng)濟性越好。為不可逆循環(huán)的制冷系數(shù)為不可逆循環(huán)的制冷系數(shù)人工制冷的幾種方法人工制冷的幾種方法1 液體汽化制冷方法液體汽化制冷方法 蒸氣壓縮式制冷 蒸氣吸收式制冷 蒸汽噴射式制冷 吸附式制冷 2 氣體的節(jié)流效應(yīng)和絕熱膨脹制冷氣體的節(jié)流效應(yīng)和絕熱膨脹制冷 3

4、 其它制冷方法其它制冷方法 熱電制冷 磁制冷 渦流管制冷 熱聲制冷 1 、液體汽化制冷、液體汽化制冷 物質(zhì)有三種集態(tài)：物質(zhì)有三種集態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。物質(zhì)集態(tài)的改變。物質(zhì)集態(tài)的改變稱為相變。相變過程中，由于物質(zhì)分子重新排列和分子熱稱為相變。相變過程中，由于物質(zhì)分子重新排列和分子熱運動速度的改變，會吸收或放出熱量，這種熱量稱作潛熱。運動速度的改變，會吸收或放出熱量，這種熱量稱作潛熱。 物質(zhì)發(fā)生從質(zhì)密態(tài)到質(zhì)稀態(tài)的相變時，將物質(zhì)發(fā)生從質(zhì)密態(tài)到質(zhì)稀態(tài)的相變時，將吸收潛熱吸收潛熱；反之，當(dāng)它發(fā)生由質(zhì)稀態(tài)向質(zhì)密態(tài)的相變時，放出反之，當(dāng)它發(fā)生由質(zhì)稀態(tài)向質(zhì)密態(tài)的相變時，放出潛熱潛熱。 相變制

5、冷就是利用前者的相變制冷就是利用前者的吸熱效應(yīng)吸熱效應(yīng)而實現(xiàn)的。利用液而實現(xiàn)的。利用液體相變的，是液體汽化制冷；體相變的，是液體汽化制冷；蒸氣壓縮式制冷蒸氣壓縮式制冷 壓縮式制冷循環(huán)原理圖A 壓縮機 B 冷凝器 C 膨脹閥 D 蒸發(fā)器蒸氣壓縮式制冷技術(shù)被廣泛應(yīng)用于空調(diào)器、冰箱、冷藏室、冷庫中，應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到各個行業(yè) 蒸氣吸收式制冷蒸氣吸收式制冷 吸收式制冷的基本原理吸收式制冷的基本原理 蒸氣吸收式制冷蒸氣吸收式制冷 吸收式制冷機基本循環(huán)吸收式制冷機基本循環(huán)A 動力部分動力部分B冷凝器冷凝器C 節(jié)流閥節(jié)流閥 D 蒸發(fā)器蒸發(fā)器 a 冷卻水冷卻水 b 熱源熱源1 發(fā)生器發(fā)生器 2吸收器吸收器 3

6、溶液溶液熱交換器熱交換器 4 溶液泵溶液泵 5 節(jié)流節(jié)流閥閥 蒸氣吸收式制冷蒸氣吸收式制冷 吸收式制冷最突出的優(yōu)點，是可以直接利吸收式制冷最突出的優(yōu)點，是可以直接利用各種熱能來驅(qū)動，除可以利用燃料燃燒的高用各種熱能來驅(qū)動，除可以利用燃料燃燒的高勢能外，還可利用生產(chǎn)過程和自然界中大量存勢能外，還可利用生產(chǎn)過程和自然界中大量存在的低勢能，如低壓蒸氣、熱水、煙道氣等工在的低勢能，如低壓蒸氣、熱水、煙道氣等工業(yè)余熱以及太陽能、地?zé)崮艿茸匀唤鐭崃俊I(yè)余熱以及太陽能、地?zé)崮艿茸匀唤鐭崃俊?蒸汽噴射式制冷蒸汽噴射式制冷 蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)的原理A 噴射器 B 冷凝器 C 蒸發(fā)器 D 節(jié)流閥 E 鍋爐 F 水

7、泵 熱交換器在蒸汽噴射式制冷機中，按正向循環(huán)工作的噴在蒸汽噴射式制冷機中，按正向循環(huán)工作的噴射器起著壓縮機的作用，故稱為噴射式壓縮機。射器起著壓縮機的作用，故稱為噴射式壓縮機。 蒸汽噴射式制冷蒸汽噴射式制冷理論循環(huán)熱力計算理論循環(huán)熱力計算制冷量 )(4100hhGQ0G為被引射制冷蒸汽的流量 鍋爐的供熱量 )(5711hhGQ冷凝器放熱量 kQ)(3201hhGGQk1G工作蒸汽流量 泵所消耗的功 )(351hhGQp泵功較小，如果可以忽略，則整個制冷機的熱平衡式 kQQQ01熱力系數(shù) 1057411010qquhhhhGGQQ10GGu 其中 為噴射系數(shù) 帶有噴射器的氨水吸收式制冷機帶有噴射

8、器的氨水吸收式制冷機吸收器 發(fā)生器太陽能燃?xì)鉅t冷凝器蒸發(fā)器吸附式制冷吸附式制冷 A 吸附劑密封箱 B冷凝器 C蒸發(fā)器 D 單向閥 原理：一定的固體吸原理：一定的固體吸附劑對某種制冷劑氣體具附劑對某種制冷劑氣體具有吸附作用，而且吸附能有吸附作用，而且吸附能力隨吸附劑溫度的改變而力隨吸附劑溫度的改變而不同。工作介質(zhì)是吸附劑不同。工作介質(zhì)是吸附劑制冷劑工質(zhì)對。按吸附制冷劑工質(zhì)對。按吸附機理說，有物理吸附與化機理說，有物理吸附與化學(xué)吸附之別。學(xué)吸附之別。 各工質(zhì)對的吸附動力學(xué)特性是吸附制冷的基礎(chǔ)研究內(nèi)容。2. 固氣熱化學(xué)制冷： 利用固體與氣體的化學(xué)吸附現(xiàn)象制冷，稱之為固-氣熱化學(xué)制冷，或固-氣反應(yīng)法制

9、冷。1. 1. 物理吸附制冷物理吸附制冷: :以常見的沸石水吸附對為例。 已研究的吸附工質(zhì)對（吸附劑制冷劑）主要有： 沸石水；硅膠水；活性碳甲醇； 金屬氫化物氫；氯化物鹽類氨等。基本型吸附式制冷循環(huán)基本型吸附式制冷循環(huán) 間歇式吸附式制冷系統(tǒng)（太陽能制冷機）間歇式吸附式制冷系統(tǒng)（太陽能制冷機） 氣體的節(jié)流效應(yīng)氣體的節(jié)流效應(yīng) 實際氣體的焓是溫度和壓力的函數(shù)，節(jié)流后溫度一般會實際氣體的焓是溫度和壓力的函數(shù)，節(jié)流后溫度一般會發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為節(jié)流溫度效應(yīng)，也叫做焦耳一湯發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為節(jié)流溫度效應(yīng)，也叫做焦耳一湯姆遜（姆遜（Joule-Thomson）效應(yīng)）效應(yīng) hhpT)(焦耳一湯姆遜效應(yīng)

10、系數(shù)焦耳一湯姆遜效應(yīng)系數(shù) 利用氣體的節(jié)流效應(yīng)可以生產(chǎn)出低溫制冷機利用氣體的節(jié)流效應(yīng)可以生產(chǎn)出低溫制冷機 林德林德-漢普森制冷機的熱力循環(huán)系統(tǒng)漢普森制冷機的熱力循環(huán)系統(tǒng) 絕熱膨脹制冷絕熱膨脹制冷基本原理：高壓氣體通過膨脹機絕熱膨脹時，對外基本原理：高壓氣體通過膨脹機絕熱膨脹時，對外輸出功率，同時氣體的溫度降低輸出功率，同時氣體的溫度降低 sspT)(微分等熵效應(yīng)系數(shù) A 壓縮機 B 空氣冷卻器 C 膨脹機 D 制冷室定壓循環(huán)空氣制冷機系統(tǒng) 熱電制冷熱電制冷 珀爾帖效應(yīng)基本原理 基本原理基本原理： 利用珀爾帖效應(yīng)原理達到制冷目利用珀爾帖效應(yīng)原理達到制冷目的，即在兩種不同金屬組成的閉合的，即在兩種不

11、同金屬組成的閉合線路中，通以線路中，通以直流電流直流電流，會產(chǎn)生一，會產(chǎn)生一個接點熱，另一個接點冷的現(xiàn)象，個接點熱，另一個接點冷的現(xiàn)象，稱為溫差電現(xiàn)象。半導(dǎo)體材料所產(chǎn)稱為溫差電現(xiàn)象。半導(dǎo)體材料所產(chǎn)生的溫差電現(xiàn)象較其他金屬要顯著生的溫差電現(xiàn)象較其他金屬要顯著得多，一般熱電制冷都采用半導(dǎo)體得多，一般熱電制冷都采用半導(dǎo)體材料，所以也稱之為半導(dǎo)體制冷。材料，所以也稱之為半導(dǎo)體制冷。 熱電偶對熱電偶對 三級復(fù)疊式熱電堆三級復(fù)疊式熱電堆磁制冷磁制冷卡諾型磁性制冷循環(huán) 基本原理基本原理絕熱變化時，系統(tǒng)的熵變?yōu)?，即S=ST+SB=0 當(dāng)絕熱去磁時，即在絕熱條件下，使介質(zhì)的磁場迅速下當(dāng)絕熱去磁時，即在絕熱條件

12、下，使介質(zhì)的磁場迅速下降為降為0時，介質(zhì)中的分子磁矩平行于外磁場的方向的排列時，介質(zhì)中的分子磁矩平行于外磁場的方向的排列狀態(tài)便不能維持，而又將逐步恢復(fù)到磁化前的混亂狀態(tài)，狀態(tài)便不能維持，而又將逐步恢復(fù)到磁化前的混亂狀態(tài)，即無序性增加，即無序性增加，SB變大（變大（SB0）。由于）。由于S =0，故，故ST0，即受熱運動影響的無序性減少，介質(zhì)的溫度降低。，即受熱運動影響的無序性減少，介質(zhì)的溫度降低?？梢姡^熱去磁可以使磁介質(zhì)的溫度降低可見，絕熱去磁可以使磁介質(zhì)的溫度降低 也叫絕熱去磁制冷。也叫絕熱去磁制冷。渦流管制冷渦流管制冷 1931年，法國工程師蘭克（年，法國工程師蘭克（Ranque）發(fā)現(xiàn)旋

13、風(fēng)分離器中旋）發(fā)現(xiàn)旋風(fēng)分離器中旋轉(zhuǎn)的空氣流具有低溫，于是他在轉(zhuǎn)的空氣流具有低溫，于是他在1933年發(fā)明了一種裝置，可以年發(fā)明了一種裝置，可以使壓縮氣體產(chǎn)生渦流并能將氣流冷、熱兩部分，其中冷氣流用使壓縮氣體產(chǎn)生渦流并能將氣流冷、熱兩部分，其中冷氣流用來制冷，該裝置稱為渦流管，又叫蘭克管。這種制冷方法稱為來制冷，該裝置稱為渦流管，又叫蘭克管。這種制冷方法稱為渦流管制冷渦流管制冷 渦流管裝置結(jié)構(gòu)簡圖 渦流管實物渦流管實物 2021-10-17292021-10-17302021-10-17312021-10-1732威致渦流管的特點 1、威致渦流管可產(chǎn)生比壓縮空氣溫度低 - 40的潔凈氣流。2、無冷卻劑，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的冷卻液，環(huán)保 衛(wèi)生，可降低采購成本；更可應(yīng)用于無法使用液態(tài)冷卻液的場合。3、免維護，無活動部件，無電氣件，無化學(xué)物質(zhì)，安全可靠。4、結(jié)構(gòu)簡單，非常易于安裝。2021-10-1733威致渦流管的應(yīng)用 1、威致渦流管可替代機械加工中的冷卻液對加 工 工件、刀具進行冷卻，延長刀具使用壽命 2-3倍，并提高加工工件表面精度及光潔度。2、可用于焊接冷卻。3、可用于鑄造中的部分冷卻。4、可用于模具中的冷卻。5、可給高溫環(huán)境中的電子元件、電控箱、馬達冷卻。6、可給在高溫環(huán)境中作業(yè)