制冷方法冰箱空調

課題二

冰箱、空調智能家電技術1第二章制冷方法第一節(jié)物質相變制冷第二節(jié)電、磁、聲制冷第三節(jié)氣體渦流制冷第四節(jié)氣體膨脹制冷第五節(jié)絕熱放氣制冷2第一節(jié)物質相變制冷內容提要一、相變制冷概述二、蒸氣壓縮式制冷三、蒸氣吸收式制冷四、蒸氣噴射式制冷五、吸附制冷3

一、相變制冷概述

物質有三種集態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。

物質集態(tài)的改變稱為“相變”。

相變過程中，由于物質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，這種熱量稱為潛熱。

(1)物質發(fā)生從質密態(tài)到質稀態(tài)的相變時將吸收潛熱；

(2)物質發(fā)生由質稀態(tài)向質密態(tài)的相變時將放出潛熱。

相變制冷就是利用物質發(fā)生從質密態(tài)到質稀態(tài)的相變時的吸熱效應而實現的。利用液體相變的，是液體蒸發(fā)制冷；利用固體相變的，是固體融化或升華冷卻。4

液體蒸發(fā)制冷以流體作制冷劑，通過一定的機器設備構成制冷循環(huán)，可以對被冷卻對象實現連續(xù)制冷。它是制冷技術中使用的主要方法。

固體相變冷卻則是以一定數量的固體物質作制冷劑，作用于被冷卻對象，實現冷卻降溫。一旦固體全部相變，冷卻過程即告終止。51．固體相變冷卻

常用的制冷劑有：冰、冰鹽、干冰，以及其他固體物質。

(1)冰冷卻常壓下冰在0℃融化，冰的融化潛熱為335kJ/kg。能夠滿足0℃以上的制冷要求。

冰冷卻時，常借助空氣或水作中間介質以吸收被冷卻對象的熱量。此時，換熱過程發(fā)生在水或空氣與冰表面之間。被冷卻物體所能達到的溫度一般比冰的融化溫度高5～10℃。為了增大比表面積，可以將冰粉碎成碎冰。6

(2)冰鹽冷卻

冰鹽是指冰與鹽類的混合物。用冰鹽作制冷劑可以獲得更低的溫度。冰鹽冷卻是利用冰鹽融化過程的吸熱。冰鹽融化過程的吸熱包括冰融化吸熱和鹽溶解吸熱這兩種作用。起初冰在0℃下吸熱融化，融化水在冰表面形成一層水膜。接著鹽溶于水，變成鹽水膜，由于溶解要吸收溶解熱，造成鹽水膜的溫度降低。繼而，在較低的溫度下冰進一步融化，并通過其表層的鹽水膜與被冷卻對象發(fā)生熱交換。這樣的過程一直進行到冰全部融化，與鹽形成均勻的鹽水溶液。冰鹽冷卻能達到的低溫程度與鹽的種類和混合物中鹽與冰的質量比有關。7

工業(yè)上應用最廣的冰鹽是塊冰與工業(yè)食鹽NaCl的混合物。表2－1給出NaCl冰鹽的融化溫度和單位制冷能力。表2－1NaCl冰鹽的融化溫度和單位制冷量NaCl與冰的質量比x(%)51015202530融化溫度tm(℃)-3.1-6.2-9.9-13.7-17.8-21.2單位制冷量q0(kJ/kg)314.3284.9259.8238.8213.7192.78

工業(yè)上常用如下經驗公式計算NaCl冰鹽的制冷特性：融化溫度tm=－0.7x

(2－2)

單位制冷能力q0=335+4.187tm(2－3)

密度

ρ=500+0.5x(2－4)

其他種類的冰鹽特性如表2－2所示。冰(雪)與某些酸類的混合物也有與冰鹽類似的冷卻作用和機理，其特性在表2－2中一并列出。9表2－2冰鹽(酸)的混合物特性混合物中的鹽(酸)鹽(酸)與冰的質量比/%混合后的最低溫度/℃CaCl2·6H2ONa2SO4·5H2OKClNH4ClNH4NO3NaNO3NH4NO3NaClNaCl·6H2ONaCl·6H2OH2SO4(濃度60%)H2SO4(濃度60%)413067.530256059623382813－9.0－11.0－11.0－11.0－15.8－17.3－18.5－19.0－21.2－21.5－16.0－20.010

(3)干冰冷卻

固態(tài)CO2俗稱干冰。

CO2的三相點參數為：溫度-56.6℃，壓力0.518MPa。圖2－1是CO2的相平衡圖。圖中示出它的相區(qū)和相變特征。干冰在三相點以上吸熱時融化，成為液態(tài)二氧化碳；在三相點和三相點以下吸熱時，則直接升華，成為二氧化碳氣體。11圖2－1C02的相平衡圖

A—氣－液相界線；B—固－液相界線；C—固－氣相界線；l—沸騰；2—融化；3—升華12

常壓下干冰的升華溫度為-78.5℃，升華潛熱為573.6kJ/kg。升華后的低溫二氧化碳氣體仍具有顯熱制冷能力，若再使它溫度升到0℃，其顯熱為72.8

kJ/kg，則總的制冷能力為646.4kJ/kg。所以干冰的制冷能力比冰和冰鹽都大。在與冰制冷相同的條件下，干冰的單位質量制冷能力是冰的1.9倍，單位容積制冷能力是冰的2.95倍。

干冰的平均密度為1560

kg/m3。干冰融化成液體時，體積約增大28.5%。這一點與水冰融化時體積減小正相反。干冰是良好的制冷劑，它化學性質穩(wěn)定，對人體無害。早在19世紀，干冰冷卻就用于食品工業(yè)、冷藏運輸、醫(yī)療、人工降雨、機械零件冷處理和冷配合等方面。13

(4)其他固體升華冷卻近代科學研究中，為了冷卻紅外探測器、射線探測器、機載紅外設備等的需要，采用了固態(tài)制冷劑升華的制冷系統(tǒng)。其制冷溫度取決于固體的種類、系統(tǒng)中的壓力和被冷卻對象的熱負荷。通過改變升華氣體的流量來調節(jié)系統(tǒng)中的背壓和溫度，就可以保持一個特定的溫度。這種制冷系統(tǒng)的工作壽命由固體制冷劑的用量和被冷卻對象的負荷決定，有達1年之久的。固體升華制冷的主要優(yōu)點是升華潛熱大，制冷溫度低，固體制冷劑的貯存密度大。142．液體蒸發(fā)制冷

液體汽化形成蒸氣，利用該過程的吸熱效應制冷的方法稱液體蒸發(fā)制冷。液體蒸發(fā)制冷循環(huán)的基本原理如下(參照圖2－2)。當液體處在密閉的容器內時，若容器內除了液體和液體本身的蒸氣外不含任何其他氣體，那么液體和蒸氣在某一壓力下將達到平衡。這種狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)。如果將一部分飽和蒸氣從容器中抽出，液體中就必然要再汽化出一部分蒸氣來維持平衡。以液體為制冷劑，它在汽化時要吸收汽化潛熱，該熱量來自被冷卻對象，只要液體的蒸發(fā)溫度比環(huán)境溫度低，便可使被冷卻對象變冷或者使它維持在環(huán)境溫度以下的某一低溫。15(a)飽和壓力曲線(b)構成循環(huán)的原理圖2－2液體蒸發(fā)制冷原理圖16

為使過程連續(xù)進行，必須不斷地從容器中抽走制冷劑蒸氣，再不斷地將液體補充進去。為使制冷劑蒸氣的冷凝過程可在常溫下實現，需要將制冷劑蒸氣的壓力提高到常溫下的飽和壓力。這樣，制冷劑將在低溫低壓下蒸發(fā)，產生制冷效應；然后在常溫和高壓下凝結，向環(huán)境溫度的冷卻介質排放熱量；凝結后的制冷劑液體由于壓力較高，返回容器之前需要先降低壓力。液體蒸發(fā)制冷循環(huán)必須具備以下四個基本過程：①制冷劑液體在低壓下汽化產生低壓蒸氣；②將低壓蒸氣抽出并提高壓力變成高壓蒸氣；③將高壓蒸氣冷凝成高壓液體；④高壓液體再降低壓力回到初始的低壓狀態(tài)。如此便完成循環(huán)。17

按照實現循環(huán)所采用的方式不同，液體蒸發(fā)制冷有蒸氣壓縮式制冷、蒸氣吸收式制冷、蒸氣噴射式制冷和吸附式制冷等幾種形式。18

二、蒸氣壓縮式制冷蒸氣壓縮式制冷的基本系統(tǒng)如圖2－3所示。

系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器組成，用管道將它們連接成一個密封的系統(tǒng)。

在蒸發(fā)器內處于低溫低壓的制冷劑液體與被冷卻對象發(fā)生熱交換，吸收被冷卻對象的熱量并汽化。產生的低壓蒸氣被壓縮機吸入，經壓縮后以高壓排出。壓縮機排出的高壓氣態(tài)制冷劑進冷凝器，被常溫的冷卻水或空氣冷卻，凝結成高壓液體。高壓液體流經膨脹閥時節(jié)流，變成低壓低溫的氣、液兩相混合物，進入蒸發(fā)器，其中的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷，產生的低壓氣再次被壓縮機吸入。如此周而復始，不斷循環(huán)。19圖2－3蒸氣壓縮式制冷的基本系統(tǒng)20

三、蒸氣吸收式制冷蒸氣吸收式制冷的基本系統(tǒng)如圖2－4所示。整個系統(tǒng)包括兩個回路：制冷劑回路和溶液回路。系統(tǒng)中使用制冷劑和吸收劑作為工作流體，稱為吸收式制冷的工質對。吸收劑對制冷劑氣體具有很強的吸收能力。吸收劑吸收了制冷劑氣體后形成溶液。溶液經加熱又能釋放出制冷劑氣體。因此，可以用溶液回路取代壓縮機的作用，構成蒸氣吸收式制冷循環(huán)。圖2－4中，制冷劑回路由冷凝器2、制冷劑節(jié)流閥3和蒸發(fā)器4組成。高壓制冷劑氣體在冷凝器中冷凝，產生的高壓制冷劑液體經節(jié)流后到蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷。溶液回路由發(fā)生器1、吸收器5、溶液節(jié)流閥6、溶液熱交換器7和溶液泵821

圖2－4蒸氣吸收式制冷的基本系統(tǒng)1-發(fā)生器；2-冷凝器；3-制冷劑節(jié)流閥；4-蒸發(fā)器；5-吸收器；6-溶液節(jié)流閥；7-溶液熱交換器；8-溶液泵。22

組成。在吸收器中，吸收劑吸收來自蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸氣，形成富含制冷劑的溶液，將該溶液用泵送到發(fā)生器，經加熱使溶液中的制冷劑重新以高壓氣態(tài)發(fā)生出來，送入冷凝器。另一方面，發(fā)生后的溶液重新恢復到原來成分，經冷卻、節(jié)流后成為具有吸收能力的吸收液，進入吸收器，吸收來自蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸氣。吸收過程中伴隨釋放吸收熱，為了保證吸收的順利進行，需要用冷卻的方法帶走吸收熱，以免吸收液溫度升高。

將吸收式制冷系統(tǒng)與壓縮式制冷系統(tǒng)做個對比：在蒸氣吸收式制冷系統(tǒng)中，吸收器好比壓縮式制冷系統(tǒng)中壓縮機的吸入側；發(fā)生器好比壓縮機的排出側；對發(fā)生器內溶液的加熱，提供提高制冷劑蒸氣壓力的能量。23

蒸氣吸收式制冷的機種以其所用的工質對區(qū)分。

當前普遍應用的工質對有兩種：溴化鋰－水(制冷劑是水)，氨－水(制冷劑是氨)。溴化鋰吸收式制冷機用于制取7～10℃的冷水；氨水吸收式制冷機能夠制冷的溫度可達-20℃或更低。24

四、蒸氣噴射式制冷蒸氣噴射式制冷的基本系統(tǒng)如圖2－5所示，其組成部件包括噴射器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥和泵。噴射器由噴嘴、吸入室、混合管和擴壓器四部分組成。噴射器的吸入室與蒸發(fā)器相連，擴壓器出口與冷凝器相連。

工作過程為：用鍋爐產生高溫高壓工作蒸氣，工作蒸氣進入噴嘴，在噴嘴中膨脹并以高速(可達1000

m/s以上)流動，于是在噴嘴出口處造成很低的壓力，使蒸發(fā)器中的水在低溫下蒸發(fā)。由于水汽化時需從未汽化的水中吸收潛熱，因而使未汽化的水溫度降低。這部分低溫水便可用于空氣調節(jié)或其他生產工藝過程。蒸發(fā)器中產生的冷劑水蒸氣與工作蒸氣在噴嘴出口處混合，一起進入擴壓器；在擴25圖2－5蒸氣噴射式制冷的基本系統(tǒng)1—噴射器(a—噴嘴；b—擴壓器；c—吸入室)；2—冷凝器；3—蒸發(fā)器；4—節(jié)流閥；5、6—泵26

壓器中流動的蒸氣流速逐漸降低，壓力逐漸升高，以較高壓力進入冷凝器，被外部冷卻水冷卻變成液態(tài)水。從冷凝器流出的液態(tài)水分兩路：一路經節(jié)流降壓后送回蒸發(fā)器，繼續(xù)蒸發(fā)制冷；另一路用泵提高壓力送回鍋爐，重新加熱產生工作蒸氣。圖2－5表示的是一個封閉循環(huán)系統(tǒng)。在實際使用的系統(tǒng)中，冷凝后的水往往不再進入鍋爐和蒸發(fā)器，而將它排入冷卻水池作為循環(huán)冷卻水的補充水使用。蒸發(fā)器和鍋爐則另設水源供給補充水。27

圖2－6示出在T－s圖上所描述的蒸氣噴射式制冷機的理論工作過程與循環(huán)。圖中1－2表示工作蒸氣在噴嘴內部的膨脹過程。工作蒸氣(狀態(tài)2)與制冷劑水蒸氣(狀態(tài)3)混合后的狀態(tài)是4。4－5表示混合蒸氣在擴壓器中流動升壓的過程。5－6表示冷凝器中氣體的凝結過程。凝結終了的狀態(tài)為6。凝水分為兩部分：一部分經過節(jié)流，進入蒸發(fā)器，產生制冷作用，用過程線6－7－3表示；另一部分用水泵送入鍋爐，產生工作(驅動)蒸氣，用過程線6－9－1表示。28

圖2－6蒸氣噴射式制冷機的理論工作循環(huán)29

蒸氣噴射式制冷機具有如下特點：補償能的形式是熱能，可以不用電能；結構簡單；加工方便；沒有運動部件；使用壽命長。因而具有一定的使用價值，例如用于制取空調所需的冷水。但這種制冷機所需的工作蒸氣壓力高，噴射器的不可逆損失大，效率較低。因此，在空調冷水機組中采用溴化鋰吸收式制冷機比用蒸氣噴射式制冷機具有明顯的優(yōu)勢。30

五、吸附制冷

吸附制冷系統(tǒng)也是以熱能為動力的能量轉換系統(tǒng)。

機理是：利用一定的固體吸附劑對某種制冷劑氣體具有吸附作用，而且吸附能力隨吸附劑溫度的改變而不同的性質，通過周期性地冷卻和加熱吸附劑，使之交替吸附和解吸。解吸時，釋放出制冷劑氣體，并使之凝為液體；吸附時，制冷劑液體蒸發(fā)，產生制冷作用。吸附制冷的工作介質是吸附劑－制冷劑工質對。工質對有多種，按吸附機理說，有物理吸附與化學吸附之別。311．物理吸附制冷

以常見的沸石－水吸附對為例。沸石是一種鋁硅酸鹽礦物，它能夠吸附水蒸氣，且吸附能力的變化對溫度特別敏感。因而它們是較理想的吸附制冷工質對之一。圖2－7示出一個利用太陽能驅動的沸石－水吸附制冷系統(tǒng)原理。它包括吸附床、冷凝器和蒸發(fā)器，用管道連接成一個封閉的系統(tǒng)。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,吸附床受日照加熱，沸石溫度升高，產生解吸作用，從沸石中脫附出水蒸氣，系統(tǒng)內的水蒸氣壓力上升，達到與環(huán)境溫度對應的飽和壓力時，水蒸氣在冷凝器中凝結，同時釋放出潛熱，凝水貯存在蒸發(fā)器中。夜間，吸附床冷下來，沸石溫度逐32圖2－7太陽能沸石－水吸附制冷原理1—吸附床；2—冷凝器；3—儲水器(蒸發(fā)器)

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漸降低，它吸附水蒸氣的能力逐步提高，造成系統(tǒng)內氣體壓力降低，同時，蒸發(fā)器中的水不斷蒸發(fā)出來，用以補充沸石對水蒸氣的吸附。蒸發(fā)過程吸熱，達到制冷的目的。

吸附制冷屬于液體汽化制冷。與蒸氣壓縮式制冷機相類比，吸附床起到壓縮機的作用。但上述吸附系統(tǒng)只能間歇制冷。吸附器處于吸附過程中產生冷效應，吸附結束后必須有一個解吸過程使吸附劑狀態(tài)還原，這時將停止制冷。為了連續(xù)制冷，可以采用兩個以上的吸附器。不僅能實現連續(xù)制冷，還可以利用一個吸附床的排熱去加熱另一個吸附床，從而使熱能充分利用。34

已研究的吸附工質對(吸附劑－制冷劑)主要有：沸石－水，硅膠－水，活性炭－甲醇，金屬氫化物－氫，氯化物鹽類－氨等。各工質對的吸附動力學特性是研究吸附制冷的基礎內容。

為了提高制冷循環(huán)速度，在改善吸附床傳熱傳質方面現采取的主要措施是：

(1)將導熱性好的鋁粉和石墨加在吸附劑中。

(2)將吸附劑成型加工，并燒結在金屬壁面上。這樣做可以增加吸附劑的充填量，增大單位體積的吸附能力；同時還可以降低吸附劑與金屬壁面之間以及吸附劑顆粒之間的接觸熱阻。

(3)增加吸附床金屬壁的熱交換表面積。352．固－氣熱化學制冷

利用固體與氣體的化學吸附現象制冷，稱之為固－氣熱化學制冷，或固－氣反應法制冷。目前主要研究的是利用氯化物(鹽)與氨的固－氣反應熱現象，用于熱泵或制冷。以下概要說明利用此原理的三種系統(tǒng)與循環(huán)。

(1)單效液體蒸發(fā)吸附循環(huán)固－氣熱化學制冷系統(tǒng)原理可以用固－氣體系的平衡圖加以說明。以氯化鋇鹽與氨的固－氣反應為例，在壓力－溫度圖上體系的平衡態(tài)特性如圖2－8所示，圖中壓力采用壓力的對數值來標度，溫度用－的數值來標度，體系的壓力－溫度關系呈直線。圖2－8a、b分別是系統(tǒng)所用反應物的相平衡圖和系統(tǒng)組成及兩個階段的工作過程。36

(a)固－氣相平衡圖(b)系統(tǒng)與工作流程圖2－8單效液體蒸發(fā)吸附系統(tǒng)與循環(huán)37

由反應器、熱交換器及二者之間的連接管道組成封閉系統(tǒng)。系統(tǒng)中的物質是氨和BaCl2固體。BaCl2充填在反應器中，NH3在反應器和熱交換器之間循環(huán)。BaCl2與NH3的反應式為

(2－12)

循環(huán)由下面兩個過程組成：

分解/冷凝過程在高溫TH下對反應器加熱，反應器中發(fā)生分解反應，BaCl2中釋放出氣態(tài)NH3，氣態(tài)NH3到熱交換器(作為冷凝器使用)，在常溫下冷卻，凝結為液體。

合成/蒸發(fā)過程再在常溫TM下冷卻反應器，反應器中發(fā)生合成反應。BaCl2吸附NH3氣，造成熱交換器中的液態(tài)NH3在低溫T1下蒸發(fā)。這時熱交換器作為蒸發(fā)器用。液態(tài)NH3蒸發(fā)吸熱，產生制冷效果。38

圖2－8a中，L/G是純NH3的飽和壓力線(即液/氣平衡線)；S/G是NH3－BaCl2的吸附平衡壓力－溫度曲線(即固/氣平衡線)。分解/冷凝過程中系統(tǒng)內部為高壓pH(系NH3的冷凝壓力)，向反應器加入的熱量為QH；熱交換器中氨氣凝結的排熱量為QK。合成/蒸發(fā)過程中系統(tǒng)內部為低壓p1(系NH3的蒸發(fā)壓力)，反應器在溫度TM下的排熱量為QM；熱交換器中NH3液蒸發(fā)的吸熱量為Q0(制冷)。39第二節(jié)電、磁、聲制冷內容提要一、熱電制冷二、磁制冷三、聲制冷40

一、熱電制冷

熱電制冷又稱為溫差電制冷，或半導體制冷，是利用熱電效應(即帕爾帖效應)的一種制冷方法。

1834年，法國物理學家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，再將兩根鉍絲分別接到直流電源的正、負極上，通電后發(fā)現一個接頭變熱，一個接頭變冷。這說明：當有直流電通過兩種不同材料組成的電回路時，兩個接點處分別發(fā)生了吸、放熱效應。這個現象稱為帕爾帖熱電效應。它是熱電制冷的依據。如果接點處熱電效應足夠強，就可以產生有用的制冷作用。41

熱電效應的大小主要取決于兩種材料的熱電勢。純金屬材料的導電性好，導熱性也好。用兩種金屬材料組成電偶回路，其熱電勢小，熱電效應很弱，制冷效果不明顯(制冷效率不到1%)。半導體材料具有較高的熱電勢，可以成功地用來做成小型熱電制冷器。圖2－11示出N型半導體和P型半導體構成的熱電偶制冷元件。用銅板和銅導線將N型半導體和P型半導體連接成一個回路，銅板和銅導線只起導電的作用?；芈酚傻蛪褐绷麟娫垂╇??；芈分薪油娏鲿r，一個接點變熱，一個接點變冷。如果改變電流方向，則兩個接點處的冷熱作用互易，即：原來的熱接點變成冷接點，原來的冷接點變成熱接點。42圖2－11熱電制冷元件43

一對N、P熱電偶只需零點幾伏特的電源電壓，冷端產生的制冷量也很小，所以實際熱電制冷器是將許多熱電偶組成熱電堆使用。熱電制冷器的結構和原理顯然不同于液體氣化制冷。它不需要一定的工質循環(huán)來實現能量轉換，沒有任何運動部件。熱電制冷的效率低，半導體材料的價格又很高，而且，由于必須使用直流電源，變壓和整流裝置往往不可避免，從而增加了電堆以外的附加體積。所以熱電制冷不宜大規(guī)模和大冷量使用。但由于它的靈活性強，簡單方便，使用可靠，冷熱切換容易，非常適宜于微型制冷領域或有特殊要求的用冷場所。例如，為空間飛行器上的科學儀器、電子儀器、醫(yī)療器械中需要冷卻的部位提供冷源等。44

二、磁制冷

磁制冷是利用磁熱效應的制冷方式。早在1907年郎杰裴(P.Langevin)就注意到：順磁體絕熱去磁過程中，其溫度會降低。從機理上說，固體磁性物質(磁性離子構成的系統(tǒng))在受磁場作用磁化時，系統(tǒng)的磁有序度加強(磁熵減小)，對外放出熱量；再將其去磁，則磁有序度下降(磁熵增大)，又要從外界吸收熱量。這種磁性離子系統(tǒng)在磁場施加與除去過程中所出現的熱現象稱為磁熱效應。451.低溫磁制冷在16K以下的極低溫區(qū)，由于固體的晶格振動和傳導電子的熱運動可以忽略，故磁系統(tǒng)的磁熵變近似等于整個固體的總熵變。磁制冷卡諾循環(huán)如圖2－12所示。它由四個過程組成：

1－2為等溫磁化(排放熱量)；

2－3為絕熱退磁(溫度降低)；

3－4為等溫退磁(吸收熱量制冷)；

4－1為絕熱磁化(溫度升高)。

現已開發(fā)出的磁材料有：釓鎵石榴石(Gd3Ga5O12)、鏑鋁石榴石(Dy3Al5O12)、釓鎵鋁石榴石(Gd3(Ga1-xAl2)5O12)。其制冷溫度范圍為4.2－20K。46圖2－12磁制冷卡諾循環(huán)

1－2：等溫磁化(放出熱量)；2－3：絕熱退磁(溫度降低)；3－4：等溫退磁(吸熱制冷)；4－1：絕熱磁化(溫度升高)。47

正在開發(fā)的磁材料有：RAl2和RNi2(R代表Gd,Dy,Ho,Er等重稀土)。其制冷溫度范圍為15－77K。磁制冷裝置首先需要有超導強磁體，用于產生強度達4－7T的磁場。用旋轉法實現以下循環(huán)：將釓鎵石榴石(磁介質)做成小球狀，充填入一個空心環(huán)中。使圓環(huán)繞中心軸旋轉，轉到冰箱外的半環(huán)受磁場作用，溫度升高后磁化放熱；再轉到冰箱內的半環(huán)時退磁，溫度降低后吸熱制冷。日本川崎公司研究的這類轉動式磁制冷機需要的最大磁場強度為4.5T；旋轉速度為0.72r/min；制冷溫度達4.2－11.5K；制冷量為0.12W。482．高溫磁制冷圖2－13示出金屬釓(Gd)在200－300K條件下的S－T圖。如圖，若按卡諾循環(huán)制冷(圖中1'23'4'1')，則溫降很小。這時采用艾里克森(Ericsson)循環(huán)比較適宜。艾里克森循環(huán)如圖中12341所示。它由四個過程組成：

1－2為等溫磁化過程；

2－3為等磁場過程(溫度降低)；

3－4為等溫退磁過程(吸熱制冷)；

4－1為等磁場過程(溫度上升)。49

圖2－13高溫磁制冷循環(huán)的S－T圖1－2：等溫磁化過程(放出熱量)；2－3：等磁場過程(溫度降低)；3－4：等溫退磁過程(吸熱制冷)；4－1：等磁場過程(溫度上升)。50

布朗用7T的磁場和金屬釓按上述循環(huán)成功地從室溫得到－30℃低溫。布朗的實驗裝置如圖2－14所示。將金屬釓板(磁材料)浸在蓄冷筒的蓄冷液體(水+乙二醇溶液)中，利用磁場變化配合蓄冷筒上下運動實現循環(huán)。圖2－14中示出了一個周期的變化過程。經過多次反復，筒體上部達到323

K；下部達到243

K。51圖2－14布朗的高溫磁制冷實驗1—磁體；2—蓄冷筒；3—釓板52

目前，力圖使高溫磁制冷實用化的研究包括以下三個主要方面：

(1)尋找合適的磁材料(工質)。它應具有的特點是：離子磁矩大，居里點接近室溫，以較小的磁場(例如lT)作用與除去作用時能夠引起足夠大的磁熵變(即磁熱效應顯著)?，F已研制出一系列稀土化合物作磁制冷材料，如R－Al，R－Ni，R－Si等系列的物質(其中R代表稀土元素)，還有復合型制冷物質(由居里點不同的幾種材料組成)。

(2)外磁場需采用高磁通密度的永磁體。

(3)研究最合適的磁循環(huán)并解決實現循環(huán)所涉及到的熱交換問題。53

三、聲制冷

聲制冷是利用熱聲效應的一種制冷方法。熱聲效應是指可壓縮流體的聲振蕩與固體介質之間由于熱相互作用而產生的時均能量效應。聲能是一種振蕩形式的能量，聲波在空氣中傳播時會產生壓力的波動和位移的波動，還會引起溫度的波動。當聲波所引起的壓力、位移、溫度波動作用到固體邊界時，就會發(fā)生明顯的聲波能量與熱能的相互轉換，這就是熱聲效應。如果能夠實現熱能與聲能的相互轉化并與外界熱源的熱量交換，即可制成聲發(fā)動機和聲制冷機。54

可產生熱聲效應的流體介質必須具備的特性是：具有可壓縮性，熱膨脹系數較大，普朗特數小。此外，對于要求制冷溫差大、能量流密度較小的場合，流體比熱容要小；對于要求制冷溫差小、能量流密度較大的場合，流體比熱容要大。因此，在低溫制冷領域，聲制冷的適宜流體是理想氣體，如空氣、氦氣，特別是氦氣；在普通制冷溫度領域，聲制冷的適宜流體為處于近臨界區(qū)的液體，如液態(tài)CO2、碳氫化合物等。55

圖2－15是一個聲制冷機的基本組成，包括聲源、第一介質、第二介質和聲共振管。聲源可以是一個低頻活塞式聲發(fā)生器，或者是經過改裝的中頻揚聲器。要求聲源能在1.0MPa以上的壓力下工作，并能產生35kPa(185dB)以上的交變壓強。聲源還是一個熱匯。第一介質使用熱膨脹性較大的可壓縮流體，比如4He，工作壓力為1.0MPa或更高。第二介質是聲制冷機的最重要部件，對它的要求是熱附面層厚度大、熱容量大、縱向熱導率小。通常是靠特殊的幾何結構來實現這些要求，如不銹鋼薄片或塑料布疊層結構。聲共振管的作用是在其內部建立起聲駐波場，這樣聲源的輸出功率不要太大，而波腹處的聲壓級卻可以很高。56圖2－15聲制冷機的基本組成57

聲制冷機的研究和開發(fā)興起于20世紀80年代。首先開展這方面工作的有美國LosAlamos實驗室及美國海軍研究院。當前，聲制冷原理已用于紅外傳感、雷達及其他低溫電子器件的降溫。低溫電子器件的制冷問題與常規(guī)民用制冷相比，有自己的獨特之處，它要求制冷溫度低(-50～-200℃)，但制冷量不大。要求制冷機的機械振動小，可靠性高和小型輕量化。聲制冷裝置的特點恰好能適應這些方面的要求，因此可以期望聲制冷技術在低溫電子學器件制冷方面有好的應用前景。58

目前，家用電冰箱和空調器均采用機械式的壓縮機制冷技術。由于廣大用戶對靜音化的要求極為迫切，國內外在家電制冷設備的降噪技術方面已做出不少的成績，而更高水平的靜音化目前困難不少。設想在不久的將來能在電冰箱制冷系統(tǒng)上附加一套結構簡單的聲制冷系統(tǒng)，并以電冰箱壓縮機的噪聲作為聲制冷系統(tǒng)的能源，將會使整臺電冰箱或空調器的制冷效率進一步提高，而其噪聲還將會有突破性的下降。59第三節(jié)氣體渦流制冷內容提要一、氣體渦流制冷的機理60

一、氣體渦流制冷的機理

渦流冷卻效應的實質是：利用人工方法產生旋渦使氣體分為冷、熱兩部分。利用分離出來的冷氣流即可制冷。

渦旋管是一個構造比較簡單的管子，如圖2－17所示，它主要是由噴嘴、渦流室、分離孔板及冷熱兩端的管子組成。氣體分離成兩部分是在渦流管的渦流室內進行。渦流室內部形狀為阿基米德螺旋線，噴嘴沿切線方向裝在渦流室的邊緣，其連接可以有不同的方法。61圖2－17渦流管結構及工作過程示意圖

1—進氣管；2—噴嘴；3—渦流室；4—孔板；5—冷端管子；6—熱端管子；7—控制閥62

在渦流室的一側裝有一個分離孔板，其中心孔徑約為管子內徑的一半(或稍小)，它與噴嘴中心線的距離大約為管子內徑的一半。分離孔板之外即為冷端管子。熱端裝在分離孔板的另一側，在其外端裝有一個控制閥，控制閥離開渦流室的距離約為管子內徑的10倍。經過壓縮并冷卻到室溫的氣體(空氣或二氧化碳、氨氣等)，進入噴嘴膨脹后以很高的速度切線方向進入渦流室，形成自由渦流，經過動能的交換并分離成溫度不相同的兩部分，中心部分的氣流經孔板流出，即冷氣流；邊緣部分的氣體從另一端經控制閥流出，即熱氣流。所以渦流管可以同時得到冷熱兩種效應。63

根據試驗，當高壓氣體的溫度為室溫時，冷氣流的溫度可達-50～-10℃，熱氣流的溫度可達100～130℃?？刂崎y用來改變熱端管子中氣體的壓力，因而可調節(jié)兩部分氣流的流量比，以改變它們的溫度。在渦流室內氣體的分離過程是相當復雜的，它的物理實質可說明如下。壓力為p1、溫度為T1的高壓氣體，在噴嘴中膨脹到壓力p2，此時，理論上為等熵膨脹時可達到的溫度Ts為并且獲得超聲速的速度c2。這樣高速的氣流沿切線方向進入渦流室，便在渦流室的周邊部分形成自由渦流，其旋轉質量角速度在渦流室邊緣部分較小，而越接近軸心部64

分越大，于是在渦流室中沿半徑方向形成不同角速度的氣流層。由于氣流層之間的摩擦，內層的角速度要降低而外層的角速度要提高，因而內層氣流便將一部分動能傳給外層氣流。渦流室中心部分的氣體當經孔板流出時便具有了較低的溫度Tc；而當邊緣部分的熱氣體流經熱端管子時，由于摩擦的存在，使動能又轉化為熱能，因而經控制閥流出時便具有了較高的溫度Th。65

渦流管的優(yōu)點是：結構簡單、維護方便、啟動快，且能達到比較低的溫度；其主要缺點是效率低。因此，渦流管只宜用于那些不經常使用的小型低溫試驗設備。應用回熱原理及噴射器來降低渦流管冷氣流的壓力，不僅可以進一步降低渦流管所能獲得的低溫，而且還可以提高渦流管的經濟性。為了獲得更低的溫度還可以采用多級渦流管。66第四節(jié)氣體膨脹制冷內容提要一、氣體絕熱節(jié)流制冷循環(huán)二、制冷工質67

氣體膨脹制冷是人工制冷方法中發(fā)明最早的方法之一。目前，在氣體液化裝置及低溫制冷機中。主要采用的膨脹制冷方法有：壓縮氣體絕熱節(jié)流、等熵膨脹和等溫膨脹。前兩種方法造成氣體降溫，有時稱為內冷法，后一種方法使氣體在等溫下吸熱。68

一、氣體絕熱節(jié)流制冷循環(huán)

1．實際氣體的節(jié)流

(1)節(jié)流過程的熱力學特征當氣體在管道中流動時，由于局部阻力，如遇到縮口和調節(jié)閥門時，其壓力顯著下降，這種現象叫做節(jié)流。工程上由于氣體經過閥門等流阻元件時，流速大、時間短，來不及與外界進行熱交換，可近似地作為絕熱過程來處理，稱為絕熱節(jié)流。見圖2－19。根據穩(wěn)定流動的能量方程式，得

(2－32)

即氣體在絕熱節(jié)流時，節(jié)流前后的比焓值不變。這是節(jié)流過程的主要特征。由于節(jié)流時氣流內部存在摩擦阻力損耗,69

所以它是一個典型的不可逆過程，節(jié)流后的比熵必定增大，即s1＜s2(2－33)

這是節(jié)流過程的另一個主要特征。

圖2－19絕熱節(jié)流過程

702.絕熱節(jié)流制冷循環(huán)簡單絕熱節(jié)流制冷循環(huán)稱為林德循環(huán)，是林德在1895年首先提出的，系統(tǒng)組成如圖2－23所示。圖2－24為循環(huán)的T－s圖。系統(tǒng)由壓縮機、冷卻器、逆流換熱器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器組成。對于理想循環(huán)，制冷工質在壓縮機里從低壓p1壓縮到p2，經冷卻器等壓冷卻至常溫(點2)。上述過程可近似認為壓縮與冷卻過程同時進行，是一個等溫壓縮過程，在T－s圖上簡單地用等溫線1'－2表示。然后經逆流換熱器冷卻至狀態(tài)3，經節(jié)流閥節(jié)流后到狀態(tài)4并進入蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器中，節(jié)流后形成的液體工質吸收被冷卻物體的熱量(即冷量)蒸發(fā)為蒸氣。處于飽和狀態(tài)的蒸氣回流至換熱器中用于冷卻高壓正流氣體，在理想情況下本身復熱到溫度T1，然后被吸入壓縮機，完成整個循環(huán)。71圖2－23絕熱節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)圖72圖2－24絕熱節(jié)流制冷循環(huán)T－s圖73

絕熱節(jié)流制冷循環(huán)用于氣體的液化，又稱為節(jié)流液化循環(huán)。節(jié)流制冷循環(huán)的性能系數低，經濟性較差。這是因為，作為節(jié)流循環(huán)的主要工作過程—節(jié)流過程，是典型的不可逆熱力過程，此外在熱交換器中存在由換熱溫差引起的不可逆損失。為了減少這兩個損失，提高節(jié)流循環(huán)的性能指標，人們提出了有預冷的節(jié)流循環(huán)和雙壓節(jié)流循環(huán)及其他流程形式。要特別注意的是，由于氖、氫和氦的轉化溫度遠低于室溫，利用這些氣體進行節(jié)流制冷循環(huán)時，預冷成為循環(huán)實現的必要條件。盡管節(jié)流制冷循環(huán)效率較低，但是由于其組成簡單，無低溫下的運動部件，可靠性高，該循環(huán)仍得到了重視。74圖2－26無回熱氣體制冷機系統(tǒng)圖75圖2－27無回熱氣體制冷機理論循環(huán)p－v圖與T－s圖76

現在進行理論循環(huán)的性能計算。單位制冷量q0及單位熱負荷qc分別是

(2－44)(2－45)

壓縮消耗的單位功wc和膨脹獲得的單位功we分別是

(2－46)(2－47)

從而可以計算出循環(huán)消耗的單位功w及性能系數COP：

(2－48)(2－49)77

氣體按理想氣體處理時

則上式可簡化為

(2－50)

由式(2－50)可以看出，無回熱氣體制冷機理論循環(huán)的性能系數與循環(huán)的壓力比或壓縮機的溫度比、膨脹機的溫度比有關，壓力比或者溫度比越大，循環(huán)性能系數越低。因而，為了提高循環(huán)的經濟性應采用較小的壓力比。78

因為熱源溫度是恒值，此時可逆卡諾循環(huán)的性能系數為

因此上述理論循環(huán)的循環(huán)效率為

(2－51)

由于Tc小于T0，所以無回熱氣體制冷機理論循環(huán)的性能系數小于同溫限下的可逆卡諾循環(huán)的性能系數，即COP＜COPc。這是因為，在Tc和T2不變的情況下，無回熱氣體制冷機理論循環(huán)冷卻器中的放熱過程2－3和冷箱中的吸熱過程4－1具有傳熱溫差，因而存在不可逆損失。壓力比越大則傳熱溫差越大，不可逆損失越大，循環(huán)的制冷系數越小，循環(huán)的熱力完善度也越低。79

由式(2－50)可以看出，當pc及P0給定時，COP將保持不變，但隨著T0的降低(或Tc的升高)可逆卡諾循環(huán)的性能系數COPc將下降，使氣體制冷機理論循環(huán)的熱力完善度提高。因此，用氣體制冷機制取較低的溫度時效率較高。實際循環(huán)中壓縮機與膨脹機中并非等熵過程，換熱器中存在傳熱溫差和流動阻力損失，這些因素使得實際循環(huán)的單位制冷量減小，單位功增大，性能系數與熱力完善度降低，并引起循環(huán)特性的某些變化。80圖2－28定壓回熱氣體制冷機813．VM制冷機的特點和用途

VM制冷機的特點：

(1)其能源是熱能，可以利用廢熱(廢蒸汽、發(fā)動機排氣等)、太陽能、礦物燃料、放射性同位素或電熱器等產生的熱能。

(2)這種制冷機內氣體的總容積不變，工作腔中各部分只有流動阻力形成的壓差，且轉速比較低，因而軸承負荷輕、密封要求低、磨損小、振動小、噪聲低、壽命長。

(3)VM制冷機只需要少量(小型機在10W以下)的機械動力，或者不需要機械動力，甚至在制冷的同時還可以輸出一定量的軸功率。82

電熱是VM制冷機用得最多的能源形式。廢熱的利用使VM制冷機在食品工業(yè)和空調中也有應用前景。當只需白天用空調時，可考慮采用太陽能的VM制冷機。83二、制冷工質混合工質制冷循環(huán)所用制冷(熱)工質應包含氣體成分和相變成分兩部分。相變成分可以是一種或者兩種物質。制冷工質應當滿足下述必要條件：

1)氣體成分在整個循環(huán)中只發(fā)生狀態(tài)變化，不發(fā)生相變；

2)在循環(huán)的某一過程中，相變成分應發(fā)生所要求的相變；

3)氣體成分和相變成分之間及相變成分之間不應發(fā)生化學反應。

4)還需考慮相變物質在壓縮過程中的汽化量和在等壓排熱過程中的冷凝量要大。這就要求在壓縮和冷凝過程的溫度范圍內，飽和的相變成分含量的變化要大；相變成分汽化及融化潛熱要大；使用溫度應高于凝固點；制冷工質粘度小，價格便宜，對機器不腐蝕，無污染和安全性好等。84

目前，空調和普冷領域大多用空氣和水組成的混合成分做制冷工質。這是因為，這兩種物質最容易獲得，且水的汽化潛熱很大，又易于霧化的緣故?；旌瞎べ|制冷循環(huán)理論性能系數較高，制冷工質易于獲得，且成本低，對環(huán)境和大氣無污染。采用混合工質制冷循環(huán)的混合工質制冷機和熱泵，還具有實際性能系數較高、轉速低、功率輸入容易、使用和維護簡便、壽命長、成本低等優(yōu)點。85第五節(jié)絕熱放氣制冷內容提要一、氣體的絕熱放氣二、G-M制冷循環(huán)三、脈管制冷機86

一、氣體的絕熱放氣設一剛性容器的容積為V，放氣前容器內氣體處于狀態(tài)1(p1，T1)，氣體質量為m1；放氣后變?yōu)闋顟B(tài)2(p2，T2)，氣體質量為m2。在這一過程中Q=0，W=0。在放氣過程中，放出的氣體的狀態(tài)即是容器內氣體在該瞬間的狀態(tài)，故h為變值。過程的特性由下述微分方程描述：

(2－58)

求解這一方程即可得到放氣量及放氣后的溫度。若容器內的氣體可當作理想氣體處理，cp、cv為定值，并代入比內能u及比焓h的表達式得87

整理上式，并注意到，得對整個過程進行積分，注意到容積V＝常數，得

(2－59)

再將理想氣體的狀態(tài)方程代入上式，經化簡后即得

(2－60)

而且

(2－61)88

由式(2－60)可以看出，剛性容器絕熱放氣過程是一個降溫過程。在p1、T1給定的情況下，放氣過程終了時的壓力越低,所能達到的溫度也越低。

如圖2－40所示，設有一容器，內充高壓氣體，狀態(tài)參數為p1、T1。有一活塞將氣體分成兩部分，右側部分在放氣過程中可全部放出，左側部分在放氣結束后將占據整個容器，且壓力降低到p2，溫度降低到T2。如果放氣過程進行得很慢，活塞左側和右側的氣體始終處于平衡狀態(tài)，則將按等熵過程膨脹，初終兩態(tài)的壓力和溫度將符合上式所89

表示的關系。在這種情況下，活塞左側氣體所做的功是按其本身的壓力計算，因而所作的外功最大，溫降也最大。但是，這樣的理想情況實際上是不可能達到的，它只是理論上可以設想的極限情況。90圖2－40絕熱放氣過程91圖2－41放氣過程中溫度與壓力的變化關系

92

通過分析可得下列兩點結論：

(1)從分析式(2－60)、(2－63)可以看出，氣體的絕熱指數k越大，溫度比T2/T1(當p2/p1一定時)越小，溫降

T也就越大，因此用單原子氣體可以得到較大的溫降；

(2)由圖2－41可以看出，隨著放氣壓力比p1/p2的增大，溫度比T2/T1減小得越來越緩慢，因此，從經濟考慮單級放氣壓力比不宜過大，一般為3－5。93

二、G-M制冷循環(huán)

G－M循環(huán)由吉福特(Gifford)和麥克馬洪(Mcmahon)二人發(fā)明，其原理是絕熱氣體放氣制冷。目前已研制出單級、雙級和三級G－M循環(huán)的制冷機，制冷溫度從液氦溫度(4K)到液氮溫度(77K)，制冷量為1－100

W；目前G－M型制冷機已得到廣泛應用。94

圖2-42為單級G-M制冷機的系統(tǒng)圖。單級G-M機由壓縮機組1、進氣閥2、排氣閥3、回熱器4、換熱器5和膨脹機6等組成。壓縮機組包括低壓儲氣罐a、高壓儲氣罐b、冷卻器c和往復式壓縮機d四大部分，彼此間用管道相連。進氣閥2和排氣閥3都處在室溫下，由機械控制其開啟和關閉，用來控制通過回熱器與膨脹機的氣流和循環(huán)的壓力及容積。回熱器4內裝有金屬網片，冷、熱氣流交替地流過它，起著儲存和回收冷量的作用。通過該作用達到冷熱氣流間換熱的目的，并建立室溫和制冷機冷端之間的溫差。要求其換熱效率在99%以上，否則直接影響制冷機的性能。換熱器5供輸出冷量用。膨脹機6由薄壁不銹鋼氣缸e和位于氣缸兩端的兩個有效容積(1)和(2)組成。容積(1)處在室溫下,95圖2－42G－M制冷機的系統(tǒng)示意圖1—壓縮機組；2—進氣閥；3—排氣閥；4—回熱器；5—換熱器