制冷與低溫技術(shù)原理 吳業(yè)正

制冷與低溫技術(shù)原理

(一)多媒體教學(xué)課件李文科制作第一章緒論第一節(jié)制冷的定義及研究內(nèi)容第二節(jié)制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用第三節(jié)制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展史第一節(jié)制冷的定義及研究內(nèi)容內(nèi)容提要一、制冷與低溫技術(shù)的重要性二、制冷與低溫的定義三、制冷與低溫技術(shù)的研究內(nèi)容第一節(jié)制冷的定義及研究內(nèi)容

一、制冷與低溫技術(shù)的重要性在長期的生產(chǎn)實(shí)踐和日常生活中，人們發(fā)現(xiàn)許多現(xiàn)象與溫度有密切關(guān)系。炎熱條件下希望降溫以提供適宜的工作和生活環(huán)境。所有生物過程都受溫度影響，低溫抑制食品發(fā)酵、霉菌的增殖，對食品保鮮起重要作用。材料的某些重要特性與溫度有關(guān)，如機(jī)械材料具有冷脆性，塑料、橡膠也有同樣的性質(zhì)；又如金屬的導(dǎo)電性隨溫度下降而提高，有些純金屬或合金當(dāng)溫度降到某一數(shù)值時(shí)出現(xiàn)超導(dǎo)性，人為地利用這些特性，需要人工創(chuàng)造低溫環(huán)境。通過降溫產(chǎn)生物態(tài)變化，可使混合氣體分離、氣體液化。擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)與溫度也有直接關(guān)系，許多生產(chǎn)工藝過程中溫度對產(chǎn)品性能和第一節(jié)制冷的定義及研究內(nèi)容

產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響?？臻g和遙感遙控技術(shù)更是與制冷技術(shù)緊密聯(lián)系，等等。綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，制冷和低溫技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、建設(shè)、科學(xué)研究等國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門中的作用和地位日益重要。第一節(jié)制冷的定義及研究內(nèi)容

二、制冷與低溫的定義

制冷是指用人工的方法在一定時(shí)間和一定空間內(nèi)將物體冷卻，使其溫度降低到環(huán)境溫度以下，保持并利用這個(gè)溫度。按照所獲得的溫度，通常將制冷的溫度范圍劃分為以下幾個(gè)領(lǐng)域：120

K以上為普冷；120

K～0.3

K為深冷，也稱為低溫；0.3

K以下為極低溫。由于溫度范圍不同，所采用的降溫方式，使用的工質(zhì)、機(jī)器設(shè)備以及依據(jù)的具體原理有很大差別。第一節(jié)制冷的定義及研究內(nèi)容

三、制冷與低溫技術(shù)的研究內(nèi)容

研究內(nèi)容可以概括為以下四個(gè)方面：

(1)研究獲得低于環(huán)境溫度的方法、機(jī)理以及與此對應(yīng)的循環(huán)，并對循環(huán)進(jìn)行熱力學(xué)的分析和計(jì)算。

(2)研究循環(huán)中使用的工質(zhì)的性質(zhì)，從而為制冷機(jī)和低溫裝置提供合適的工作介質(zhì)。因工質(zhì)在循環(huán)中發(fā)生狀態(tài)變化，所以工質(zhì)的熱物理性質(zhì)是進(jìn)行循環(huán)分析和計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，為了使這些工質(zhì)能實(shí)際應(yīng)用，還必須掌握它們的一般物理化學(xué)基礎(chǔ)。

(3)研究氣體液化和分離技術(shù)。例如液化氧、氮、氫、氦等氣體，將空氣或天然氣液化、分離，均涉及一系列的制冷和低溫技術(shù)。第一節(jié)制冷的定義及研究內(nèi)容

(4)研究所需的各種機(jī)械和設(shè)備，包括它們的工作原理、性能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外還有熱絕緣問題，裝置的自動化問題，等等。上述前三個(gè)方面構(gòu)成制冷與低溫技術(shù)原理的基本研究內(nèi)容，第四方面涉及具體的設(shè)備和裝置。第二節(jié)制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用內(nèi)容提要一、在商業(yè)及人民生活方面的應(yīng)用二、在工業(yè)及農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用三、在建筑工程方面的應(yīng)用四、在科學(xué)研究及醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用五、在空間技術(shù)與低溫物理方面的應(yīng)用第二節(jié)制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用一、在商業(yè)及人民生活方面的應(yīng)用食品冷凍冷藏和舒適性空氣調(diào)節(jié)是制冷技術(shù)應(yīng)用最為量大面廣的領(lǐng)域。

商業(yè)制冷主要用于各類食品冷加工、冷藏貯存和冷藏運(yùn)輸，使之保質(zhì)保鮮，滿足各個(gè)季節(jié)市場銷售的合理分配，并減少生產(chǎn)和分配過程中的食品損耗?，F(xiàn)代的食品工業(yè)，從生產(chǎn)、貯運(yùn)到銷售，有一條完整的“冷鏈”。所使用的制冷裝置有：各種食品冷加工裝置、大型冷庫、冷藏汽車、冷藏船、冷藏列車、分配性冷庫，供食品零售商店、食堂、餐廳使用的小型裝配式冷庫、冷藏柜、各類冷飲設(shè)備、食品冷藏冷凍展示柜，直至家庭用的電冰箱。第二節(jié)制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用

舒適性空調(diào)為人們創(chuàng)造適宜的生活和工作環(huán)境。如家庭、辦公室用的局部空調(diào)裝置或房間空調(diào)器；大型建筑、公共場所、車站、機(jī)場、賓館、商廈、影劇院、游樂廳、辦公樓等使用的集中式空調(diào)系統(tǒng)；各種交通工具，如轎車、客車、飛機(jī)、火車、船艙等的空調(diào)設(shè)施；文物保藏環(huán)境的空氣調(diào)節(jié)裝置等等。體育、游樂場所除采用制冷提供空氣調(diào)節(jié)外，還用于建造人工冰場。我國人工冰場原集中在東北、華北?，F(xiàn)在南方城市也相繼建造了新型人工冰場，如廣州溜冰俱樂部，冰場面積1000

m2，年上冰人次已達(dá)20萬；上海杰美體育中心的室內(nèi)冰場，面積達(dá)1200

m2。第二節(jié)制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用二、在工業(yè)及農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用許多生產(chǎn)場所需要生產(chǎn)用空調(diào)系統(tǒng)，例如高溫生產(chǎn)車間、紡織廠、造紙廠、印刷廠、膠片廠、精密儀器車間、精密加工車間、精密計(jì)量室、計(jì)算機(jī)房等的空調(diào)系統(tǒng)，為各生產(chǎn)環(huán)境提供恒溫恒濕條件，以保證產(chǎn)品質(zhì)量或機(jī)床、儀表的精度。

機(jī)械制造中，對鋼進(jìn)行低溫處理，可以改變其金相組織，使奧氏體變成馬氏體，提高鋼的硬度和強(qiáng)度。在機(jī)器的裝配過程中，利用低溫進(jìn)行零件的過盈配合?；瘜W(xué)工業(yè)中，借助于制冷，使氣體液化、混合氣分離，帶走化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)熱。鹽類結(jié)晶、潤滑油脫脂、石油裂解、合成橡膠、生產(chǎn)化肥均需要制冷。第二節(jié)制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用

在鋼鐵工業(yè)中，高爐鼓風(fēng)需要用制冷的方法先除濕，再送入高爐，以降低焦鐵比，提高鐵水質(zhì)量。

在農(nóng)牧業(yè)中，利用低溫對農(nóng)作物種子進(jìn)行低溫處理；保存良種牲口的精液，以便進(jìn)行人工授精。

在交通運(yùn)輸業(yè)中，已有采用壓縮天然氣的汽車。因液化天然氣存儲體積小，能量密度大，今后液化天然氣的發(fā)展必定更具優(yōu)勢。第二節(jié)制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用三、在建筑工程方面的應(yīng)用

在挖掘礦井、隧道、建造江河堤壩時(shí)，或者在泥沼、沙水中掘進(jìn)時(shí)，采用凍土法保持工作面，避免坍塌和保證施工安全。拌合混凝土?xí)r，以冰代替水，借冰的熔化熱補(bǔ)償水泥的固化反應(yīng)熱，這在制作大型混凝土構(gòu)件時(shí)十分必要，可以有效地避免大型構(gòu)件因散熱不充分而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂縫等缺陷。

英吉利海底隧道全長52

km，是迄今世界上最長的隧道。列車以160

km/h的速度穿過隧道時(shí)，空氣溫度將上升到(49～55)

℃，必須進(jìn)行降溫處理。為此采用了8套冷水機(jī)組，分裝在隧道兩側(cè)，供隧道降溫，每套機(jī)組的能力達(dá)到(6000～7000)

kW。第二節(jié)制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用四、在科學(xué)研究及醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用

科學(xué)研究往往需要人工的低溫環(huán)境。例如：在軍事科學(xué)中，為了研究高寒條件下使用的發(fā)動機(jī)、汽車、坦克、大炮的性能，需要先在相應(yīng)的環(huán)境條件下作模擬試驗(yàn)；航天儀表、火箭、導(dǎo)彈中的控制儀，也需要在地面作模擬高空環(huán)境下的性能試驗(yàn)，低溫低壓環(huán)境實(shí)驗(yàn)裝置為這類試驗(yàn)提供了條件。

氣象科學(xué)中，云霧室需要(-45～30)

℃的溫度條件。云霧室用于人工氣候?qū)嶒?yàn)，研究雨滴、冰雹的增長過程、各種催化方法及擾動對云霧的宏觀、微觀影響，模擬云的物理現(xiàn)象，等等。第二節(jié)制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用

在醫(yī)療衛(wèi)生方面，冷凍醫(yī)療是可靠、安全、有效、易行和經(jīng)濟(jì)的治療方法，特別是用于治療惡性腫瘤。用局部冷凍配合手術(shù)有很好的治療效果，如：腫瘤、扁桃腺切除、心臟、皮膚、眼球移值，心臟大血管瓣膜凍存和移植，手術(shù)時(shí)采用的低溫麻醉。細(xì)胞組織、疫苗、藥品的冷保存，用真空冷凍干燥法制作血干、皮干、等等?？梢哉f，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已離不開制冷技術(shù)。第二節(jié)制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用五、在空間技術(shù)與低溫物理方面的應(yīng)用

在空間技術(shù)方面，火箭推進(jìn)器所需的液氧和液氫是在低溫下制取的。配合人造衛(wèi)星發(fā)射和使用的紅外技術(shù)也離不開低溫環(huán)境。紅外探測器只有在低溫條件下，才能獲得優(yōu)良的探測結(jié)果。這就促進(jìn)了輻射制冷器、固體制冷器、G-M制冷機(jī)和維納米爾制冷機(jī)的發(fā)展。用液氮、液氦組成的低溫泵可通過冷凝密閉容器內(nèi)的氣體使其達(dá)到高真空，在航天器的地面模擬試驗(yàn)中起重要作用。而以微型制冷機(jī)與真空系統(tǒng)組成的低溫泵，廣泛應(yīng)用于高真空技術(shù)，不但在空間技術(shù)中應(yīng)用，而且在低溫物理研究中起重要作用。第二節(jié)制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用

在低溫物理研究方面，低溫技術(shù)提供的低溫獲得和低溫保存的方法，為低溫物理學(xué)的研究創(chuàng)造了條件。低溫聲學(xué)、低溫光學(xué)、低溫電子學(xué)等一系列學(xué)科得到發(fā)展。超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和超導(dǎo)技術(shù)的