制冷与低温技术原理绪论

1、 1.1.1 制冷制冷: 是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将 某物体冷却，使其温度降低到环境温度以下，并保某物体冷却，使其温度降低到环境温度以下，并保 持这个温度。持这个温度。（1）制冷不同于自然冷却。制冷不同于自然冷却。（2）制冷的实现必须包括消耗能量的补偿）制冷的实现必须包括消耗能量的补偿 过程。过程。说明说明（3）制冷就是从物体中吸取热量，并将）制冷就是从物体中吸取热量，并将 热量排放到环境介质中去，以产生热量排放到环境介质中去，以产生 低于环境温度的过程。低于环境温度的过程。 制冷机：制冷机： 机械制冷中所必须的机器和设备的总和。机械制冷中

2、所必须的机器和设备的总和。 1.1.3 制冷设备：制冷设备： 压缩式制冷机：压缩式制冷机： 吸收式制冷机：吸收式制冷机： 1.1.4 制冷剂：制冷剂： 制冷机中所使用的工作介质。制冷机中所使用的工作介质。（1）制冷剂在制冷机中循环流动，同时与）制冷剂在制冷机中循环流动，同时与 外界发生能量交换，即不断地从被冷外界发生能量交换，即不断地从被冷 却介质中吸取热量，向环境放出热量，却介质中吸取热量，向环境放出热量， 从而实现制冷的目的。从而实现制冷的目的。（2）制冷剂必须在工作温度范围内能够制冷剂必须在工作温度范围内能够 汽汽化和冷凝。化和冷凝。 1.1.5 制冷循环制冷循环: 制冷剂一系列状态变化

3、过程的综合。制冷剂一系列状态变化过程的综合。说明说明 1.1.6 制冷技术划分领域制冷技术划分领域图图1-1 1-1 低温温度范围低温温度范围 按照所获得的温度：按照所获得的温度：研究内容概括为四个方面：研究内容概括为四个方面： 研究获得低于环境温度的方法，机理以及与此相研究获得低于环境温度的方法，机理以及与此相应的循环，并对循环进行热力学分析和计算。应的循环，并对循环进行热力学分析和计算。 研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供合适的工研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供合适的工 作介质。作介质。 研究所需的各种机械和设备，包括它们的工作原研究所需的各种机械和设备，包括它们的工作原 理，性能分析，

4、结构设计，热绝缘问题，装置的理，性能分析，结构设计，热绝缘问题，装置的 自动化问题等。自动化问题等。 研究气体的液化和分离技术。研究气体的液化和分离技术。英吉利海峡隧道英吉利海峡隧道英吉利海峡隧道英吉利海峡隧道 现代制冷技术是现代制冷技术是1818世纪后期发展起来的世纪后期发展起来的 1755年，爱丁堡化学教授年，爱丁堡化学教授William Cullen利用乙醚蒸发利用乙醚蒸发 使水结冰；他的学生使水结冰；他的学生Black提出潜热概念，发明了冰量热提出潜热概念，发明了冰量热 器，标志着现代制冷技术的开始。器，标志着现代制冷技术的开始。 1834年，美国发明家年，美国发明家 Perkins造

5、出了第一台乙醚为工质造出了第一台乙醚为工质 的蒸汽压缩式制冷机。的蒸汽压缩式制冷机。 1875年，氨为制冷剂的蒸汽压缩式制冷机产生。年，氨为制冷剂的蒸汽压缩式制冷机产生。 1844年，美国医生年，美国医生 Gorrie发明了空气循环式制冷机，为发明了空气循环式制冷机，为 患者建立了一座空调站。患者建立了一座空调站。 1859年年，Curre发明了氨水吸收式制冷系统，并申请了原发明了氨水吸收式制冷系统，并申请了原 理专利。理专利。 1910年，年，Maurice发明了蒸汽喷射式制冷系统。发明了蒸汽喷射式制冷系统。 1910年，第一台家用冰箱问世。年，第一台家用冰箱问世。 1930年，氟利昂制冷工

6、质出现。年，氟利昂制冷工质出现。 20世纪后，制冷技术有了更大的发展，热泵列入制冷技术世纪后，制冷技术有了更大的发展，热泵列入制冷技术 范畴。范畴。 1877年，年，Louis Cailletet 液化了氧气。液化了氧气。 1895年，年，Linde 液化了空气。液化了空气。 1898年，年，Dewar 液化了氢气。液化了氢气。 1908年年，K.Onnes 液化了氦气。液化了氦气。 1934年，年，Kapitsa 发明了氦液化器。发明了氦液化器。 1947年，柯林斯采用双膨胀机于氦的预冷。年，柯林斯采用双膨胀机于氦的预冷。 1926年，年，P.Debye 和和 分别提出了用顺磁盐分别提出了用

7、顺磁盐 绝热退磁的方法获取低温，绝热退磁的方法获取低温，1933年可获得年可获得0.25K。 1950年，年，Pomeranchuk 提出利用压缩液态提出利用压缩液态3He 的绝热固化的绝热固化 方法获取低温，方法获取低温，1965年获得年获得0.018K，1978年获得年获得0.001K。 1951年，年，H.London 发明了发明了3He - 4He 混合液稀释制冷法，混合液稀释制冷法， 可获得低温可获得低温410-3K。 1956年，年，N.Kurti 和和 F.Simon 提出了核子绝热去磁的方法提出了核子绝热去磁的方法 获得更低温，在获得更低温，在1956年用该方法可获得年用该方法

8、可获得210-5K， 1963年可获得年可获得1.2K。 微电子和计算机技术的应用：微电子和计算机技术的应用： 基础研究：计算机仿真技术用于循环研究基础研究：计算机仿真技术用于循环研究; 制冷产品的设计制造：应用计算机广泛用于产品的辅助；制冷产品的设计制造：应用计算机广泛用于产品的辅助； 综合技术：高级自动控制系统。综合技术：高级自动控制系统。 新材料在制冷产品中的应用：新材料在制冷产品中的应用： 陶瓷及陶瓷复合物，聚合材料的使用。陶瓷及陶瓷复合物，聚合材料的使用。 机器，设备的发展：机器，设备的发展： 压缩机的发展；压缩机的发展； 低温机器和设备的开发；低温机器和设备的开发； 气体分离设备，

9、热交换器以及低温恒温器的进展。气体分离设备，热交换器以及低温恒温器的进展。 新制冷剂的研究：新制冷剂的研究： 氟利昂工质，共沸混合工质，非共沸混合工质；氟利昂工质，共沸混合工质，非共沸混合工质； 氟利昂的替代工质。氟利昂的替代工质。 1.5.1 基本概念基本概念1. 工质；工质；2. 热力系统；热力系统；3. 状态参数；状态参数；4. 温度；温度；5. 压力；压力；6. 比体积和密度；比体积和密度；7. 热力学能；热力学能；8. 焓；焓；9. 熵；熵；10. 热量，热流量；热量，热流量；11. 功量，功率；功量，功率；12. 比热容；比热容；13. 过程和循环；过程和循环；14. 显热，潜热；

10、显热，潜热；15. 节流。节流。课堂问题课堂问题1 1；节流过程的特点？节流过程的特点？1.5.2 坐标图坐标图 常见的坐标图有：常见的坐标图有：P-v图，图，T-s图，图，P-h图。图。课堂问题课堂问题2 2：思考水蒸气在不同：思考水蒸气在不同压力下产生过程的坐标图表示。压力下产生过程的坐标图表示。1.5.3 热力循环和制冷循环热力循环和制冷循环课堂问题课堂问题3 3：分析卡诺循环和卡诺定理。分析卡诺循环和卡诺定理。1.5.4 性能系数性能系数 COP（Coefficient of Performance） 经济指标经济指标 = = 得到的收益得到的收益/ /所花费的代价所花费的代价机械能或

11、电能驱动的制冷机机械能或电能驱动的制冷机（蒸汽压缩式，热电式）（蒸汽压缩式，热电式） WQ0 热能驱动的制冷机热能驱动的制冷机 （吸收式，蒸汽喷射式，吸附式）（吸收式，蒸汽喷射式，吸附式）gQQ03. 可逆制冷机的性能指标可逆制冷机的性能指标cccCOP,212TTTc 机械能或电能驱动机械能或电能驱动 （蒸汽压缩式，热电式）（蒸汽压缩式，热电式）)1(11121gcTTTT 热能驱动热能驱动（吸收式，蒸汽喷射式，吸附式）（吸收式，蒸汽喷射式，吸附式）4. 制冷循环效率制冷循环效率 cCOPCOP /cc（1）COP 和和都是反映制冷循环经济性能的指标，都是反映制冷循环经济性能的指标， 但含义

12、不同但含义不同: : COP反映了制冷循环中收益能与补偿能在数量上的比值，反映了制冷循环中收益能与补偿能在数量上的比值， 不涉及二者的能量品位。不涉及二者的能量品位。COP1, =1, 1均可。均可。反映了制冷机循环趋于热力学完善的程度。热力学的反映了制冷机循环趋于热力学完善的程度。热力学的 不可逆损失越小，循环越好，不可逆损失越小，循环越好，越大。效率总小于越大。效率总小于1。5. 制冷机的性能指标和循环效率的比较制冷机的性能指标和循环效率的比较 （2）实际制冷机实际制冷机: : COP与工作温度与工作温度，制冷剂性质制冷剂性质，制冷机制冷机 各组成部件各组成部件的的效率有关效率有关。 理想

13、制冷机理想制冷机: : COP只与热源温度有关只与热源温度有关。 （4）反映了实际制冷循环的热力学完善程度。反映了实际制冷循环的热力学完善程度。用用作作为为 评价指标评价指标，可，可使任意两台制冷机在循环的热力学经济性使任意两台制冷机在循环的热力学经济性 方面具有可比性方面具有可比性。（3）用用COP 的大小比较两台实际制冷机的循环经济性时的大小比较两台实际制冷机的循环经济性时， 必须是同类制冷机必须是同类制冷机，并以，并以相同热源条件相同热源条件为前提才具有为前提才具有 可比性。可比性。举例举例结论结论1.5.5 热泵热泵1. 制冷机与热泵制冷机与热泵: : 热力学上无区别热力学上无区别, ,工作循环都是逆向循环。工作循环都是逆向循环。 使用目的不同，热泵的目的是向高温热源释放热量。使用目的不同，热泵的目的是向高温热源释放热量。 工作温度区域不同。工作温度区域不同。 泵热系数泵热系数1WQa2. 热泵的性能系数热泵的性能系数：泵热系数恒大于泵热系数恒大于1