人工制冷的基本方法,随书

1、2022年5月5日 报告人：盛报告人：盛 伟伟 （博士，副教授）（博士，副教授） 机械与动力工程学院机械与动力工程学院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装置，以消耗机人工制冷是指借助于制冷装置，以消耗机械能或电磁能、热能、太阳能等形式的能量械能或电磁能、热能、太阳能等形式的能量为代价，把热量从低温系统向高温系统转移为代价，把热量从低温系统向高温系统转移而得到低温，并维持这个低温。而得到低温，并维持这个低温。 17:232weisean制冷的热力学原理制冷的热力学原理 1 理想制冷循环理想制冷循

2、环逆向卡诺循环逆向卡诺循环 2 理想制冷循环的性能指标理想制冷循环的性能指标 17:233weisean制冷的热力学原理制冷的热力学原理 理想制冷循环理想制冷循环逆向卡诺循环逆向卡诺循环当高温热源和低温热源随着过程的进行温度不变时，当高温热源和低温热源随着过程的进行温度不变时，具有两个可逆的等温过程和两个等熵过程组成的逆向具有两个可逆的等温过程和两个等熵过程组成的逆向循环。循环。 在相同温度范围内，它是消耗功最小的循环，即热力在相同温度范围内，它是消耗功最小的循环，即热力学效率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失。学效率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失。 17:234weisean

3、理想制冷循环理想制冷循环逆向卡诺循环逆向卡诺循环 )(11nmssTq)(22nmssTq单位质量制冷剂向高温热源放出的热量单位质量制冷剂向高温热源放出的热量 单位质量制冷剂从被冷却的对象所吸取的热量单位质量制冷剂从被冷却的对象所吸取的热量 17:235weisean理想制冷循环的性能指标理想制冷循环的性能指标 02q制冷系数)()()(21221221202TTTssTTssTqqqqnmnm17:236weisean不可逆循环的热力完善度，不可逆循环的热力完善度，值越接近于值越接近于1，说明实际循环越接近可逆循环，不可逆损失，说明实际循环越接近可逆循环，不可逆损失越小，经济性越好。越小，经

4、济性越好。为不可逆循环的制冷系数为不可逆循环的制冷系数17:237weisean人工制冷的几种方法人工制冷的几种方法1 液体汽化制冷方法液体汽化制冷方法 蒸气压缩式制冷 蒸气吸收式制冷 蒸汽喷射式制冷 吸附式制冷 2 气体的节流效应和绝热膨胀制冷气体的节流效应和绝热膨胀制冷 3 其它制冷方法其它制冷方法 热电制冷 磁制冷 涡流管制冷 热声制冷 1 、液体汽化制冷、液体汽化制冷 物质有三种集态：物质有三种集态：气态、液态、固态气态、液态、固态。物质集态的改变。物质集态的改变称为相变。相变过程中，由于物质分子重新排列和分子热称为相变。相变过程中，由于物质分子重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或

5、放出热量，这种热量称作潜热。运动速度的改变，会吸收或放出热量，这种热量称作潜热。 物质发生从质密态到质稀态的相变时，将物质发生从质密态到质稀态的相变时，将吸收潜热吸收潜热；反之，当它发生由质稀态向质密态的相变时，放出反之，当它发生由质稀态向质密态的相变时，放出潜热潜热。 相变制冷就是利用前者的相变制冷就是利用前者的吸热效应吸热效应而实现的。利用液而实现的。利用液体相变的，是液体汽化制冷；体相变的，是液体汽化制冷；17:239weisean蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷 压缩式制冷循环原理图A 压缩机 B 冷凝器 C 膨胀阀 D 蒸发器蒸气压缩式制冷技术被广泛应用于空调器、冰箱、冷藏室、冷库中，应

6、用领域几乎涉及到各个行业 17:2310weisean蒸气吸收式制冷蒸气吸收式制冷 吸收式制冷的基本原理吸收式制冷的基本原理 17:2311weisean蒸气吸收式制冷蒸气吸收式制冷 吸收式制冷机基本循环吸收式制冷机基本循环A 动力部分动力部分B冷凝器冷凝器C 节流阀节流阀 D 蒸发器蒸发器 a 冷却水冷却水 b 热源热源1 发生器发生器 2吸收器吸收器 3溶液溶液热交换器热交换器 4 溶液泵溶液泵 5 节流节流阀阀 17:2312weisean蒸气吸收式制冷蒸气吸收式制冷 吸收式制冷最突出的优点，是可以直接利吸收式制冷最突出的优点，是可以直接利用各种热能来驱动，除可以利用燃料燃烧的高用各种热

7、能来驱动，除可以利用燃料燃烧的高势能外，还可利用生产过程和自然界中大量存势能外，还可利用生产过程和自然界中大量存在的低势能，如低压蒸气、热水、烟道气等工在的低势能，如低压蒸气、热水、烟道气等工业余热以及太阳能、地热能等自然界热量。业余热以及太阳能、地热能等自然界热量。 17:2313weisean蒸汽喷射式制冷蒸汽喷射式制冷 蒸汽喷射式制冷系统的原理A 喷射器 B 冷凝器 C 蒸发器 D 节流阀 E 锅炉 F 水泵 热交换器在蒸汽喷射式制冷机中，按正向循环工作的喷在蒸汽喷射式制冷机中，按正向循环工作的喷射器起着压缩机的作用，故称为喷射式压缩机。射器起着压缩机的作用，故称为喷射式压缩机。 蒸汽喷

8、射式制冷蒸汽喷射式制冷理论循环热力计算理论循环热力计算制冷量 )(4100hhGQ0G为被引射制冷蒸汽的流量 锅炉的供热量 )(5711hhGQ冷凝器放热量 kQ)(3201hhGGQk1G工作蒸汽流量 泵所消耗的功 )(351hhGQp泵功较小，如果可以忽略，则整个制冷机的热平衡式 kQQQ01热力系数 1057411010qquhhhhGGQQ10GGu 其中 为喷射系数 17:2316weisean带有喷射器的氨水吸收式制冷机带有喷射器的氨水吸收式制冷机吸收器 发生器太阳能燃气炉冷凝器蒸发器17:2317weisean吸附式制冷吸附式制冷 A 吸附剂密封箱 B冷凝器 C蒸发器 D 单向阀

9、 原理：一定的固体吸原理：一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，而且吸附能有吸附作用，而且吸附能力随吸附剂温度的改变而力随吸附剂温度的改变而不同。工作介质是吸附剂不同。工作介质是吸附剂制冷剂工质对。按吸附制冷剂工质对。按吸附机理说，有物理吸附与化机理说，有物理吸附与化学吸附之别。学吸附之别。17:2318weisean 各工质对的吸附动力学特性是吸附制冷的基础研究内容。2. 固气热化学制冷： 利用固体与气体的化学吸附现象制冷，称之为固-气热化学制冷，或固-气反应法制冷。1. 1. 物理吸附制冷物理吸附制冷: :以常见的沸石水吸附对为例。 已研究的吸附工质对（吸附剂

10、制冷剂）主要有： 沸石水；硅胶水；活性碳甲醇； 金属氢化物氢；氯化物盐类氨等。17:2319weisean基本型吸附式制冷循环基本型吸附式制冷循环 间歇式吸附式制冷系统（太阳能制冷机）间歇式吸附式制冷系统（太阳能制冷机） 气体的节流效应气体的节流效应 实际气体的焓是温度和压力的函数，节流后温度一般会实际气体的焓是温度和压力的函数，节流后温度一般会发生变化，这一现象称为节流温度效应，也叫做焦耳一汤发生变化，这一现象称为节流温度效应，也叫做焦耳一汤姆逊（姆逊（Joule-Thomson）效应）效应 hhpT)(焦耳一汤姆逊效应系数焦耳一汤姆逊效应系数 17:2321weisean利用气体的节流效应

11、可以生产出低温制冷机利用气体的节流效应可以生产出低温制冷机 林德林德-汉普森制冷机的热力循环系统汉普森制冷机的热力循环系统 17:2322weisean绝热膨胀制冷绝热膨胀制冷基本原理：高压气体通过膨胀机绝热膨胀时，对外基本原理：高压气体通过膨胀机绝热膨胀时，对外输出功率，同时气体的温度降低输出功率，同时气体的温度降低 sspT)(微分等熵效应系数 A 压缩机 B 空气冷却器 C 膨胀机 D 制冷室定压循环空气制冷机系统 17:2323weisean热电制冷热电制冷 珀尔帖效应基本原理 基本原理基本原理： 利用珀尔帖效应原理达到制冷目利用珀尔帖效应原理达到制冷目的，即在两种不同金属组成的闭合的

12、，即在两种不同金属组成的闭合线路中，通以直流电流，会产生一线路中，通以直流电流，会产生一个接点热，另一个接点冷的现象，个接点热，另一个接点冷的现象，称为温差电现象。半导体材料所产称为温差电现象。半导体材料所产生的温差电现象较其他金属要显著生的温差电现象较其他金属要显著得多，一般热电制冷都采用半导体得多，一般热电制冷都采用半导体材料，所以也称之为半导体制冷。材料，所以也称之为半导体制冷。 17:2324weisean热电偶对热电偶对 三级复叠式热电堆三级复叠式热电堆17:2325weisean磁制冷磁制冷卡诺型磁性制冷循环 基本原理基本原理绝热变化时，系统的熵变为0，即S=ST+SB=0 当绝热

13、去磁时，即在绝热条件下，使介质的磁场迅速下当绝热去磁时，即在绝热条件下，使介质的磁场迅速下降为降为0时，介质中的分子磁矩平行于外磁场的方向的排列时，介质中的分子磁矩平行于外磁场的方向的排列状态便不能维持，而又将逐步恢复到磁化前的混乱状态，状态便不能维持，而又将逐步恢复到磁化前的混乱状态，即无序性增加，即无序性增加，SB变大（变大（SB0）。由于）。由于S =0，故，故ST0，即受热运动影响的无序性减少，介质的温度降低。，即受热运动影响的无序性减少，介质的温度降低。可见，绝热去磁可以使磁介质的温度降低可见，绝热去磁可以使磁介质的温度降低 也叫绝热去磁制冷。也叫绝热去磁制冷。17:2326weisean涡流管制冷涡流管制冷 1931年，法国工程师兰克（年，法国工程师兰克（Ranque）发现旋风分离器中旋）发现旋风分离器中旋转的空气流具有低温，于是他在转的空气流具有低温，于是他在1933年发明了一种装置，可以年发明了一种装置，可以使压缩气体产生涡流并能将气流冷、热两部分，其中冷气流用使压缩气体产生涡流并能将气流冷、热两部分，其中冷气流用来制冷，该装置称为涡流管，又叫兰克管。这种制冷方法称为来制冷，该装置称为涡流管，又叫兰克管。这种制冷方法称为涡流管制冷涡流管制冷 涡流管装置结构简图 17:2327weisean涡流管实物涡流管实物 17:2328