低温制冷机精品课件

1、低温制冷机第1页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一3.2.1 焦耳-汤姆逊制冷系统 焦耳-汤姆逊(Joule-Thomson, 简写为J-T)制冷机:不使用膨胀机的液化系统，依赖于焦耳-汤姆逊效应来产生低温。图3-68 林德-汉普森制冷机 第2页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一第3页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一运用热力学第一定律: 换热器效率定义为: 制冷量可由工质物性与热交换器效率来表示： 系统所需功为: 林德-汉普森制冷机的COP为: (3.78)(3.79)(3.80)(3.81)(3.82)第4页，共102页，2

2、022年，5月20日，16点8分，星期一图3-69 林德-汉普森制冷的热力循环图 第5页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一图3-70 预冷型林德-汉普森制冷机。 预冷的重要作用:对于比液氮所能得的温度更低的场合，合适可行的工质只能为氖、氢和氦。由于常温下节流会产生热效应，为了系统能够起动降温，必须将气体温度降低到转化温度以下以保证节流制冷。第6页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一第7页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一图3-71 预冷型林德-汉普森制冷机的热力循环图。 第8页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期

3、一运用热力学第一定律，可得到 :定义预冷制冷剂质量流量比为: 由低温换热器和蒸发器得:制冷量可表示为:引入低温换热器的效率: (3.83)(3.85,3.86)(3.87)(3.88)(3.89)(3.90)第9页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一更低的温度可用三级复迭制冷机得到，以氮（或氩），氢（或氖）和氦为工质。图3-72 三级J-T液氦制冷机。 第10页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一第11页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一3.2.2 膨胀机制冷系统 克劳德液化系统或考林斯液化系统作制冷系统。 对三个换热器，膨胀阀和蒸

4、发器应用热力学第一定律，忽略环境漏热和动能，势能变化，可得制冷剂的吸热量:制冷量的表达式可由膨胀机绝热效率表示:若假设膨胀功用来压缩气体，则所需净功为: (3.91)(3.92)(3.93)第12页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一图3-73克劳特制冷机 第13页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一图3-74 克劳特制冷机的热力循环 第14页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一对基本型克劳德系统的两大改进是:采用带液膨胀机（即湿膨胀机）在两相区工作而 代替膨胀阀采用低温压缩机第15页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，

5、星期一图3-76 图3-75所示系统的热力循环 第16页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一3.2.3 斯特林制冷机 斯特林制冷机:由带活塞的汽缸，位移器和回热器组成。在回热器中实现的是等容过程的热交换。图3-77 斯特林制冷机 第17页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一第18页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一 图3-78 理想斯特林制冷机的热力循环 第19页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一 由热力学第一定律，对循环来说Wnet=Qr+Qa,因而理想的斯特林制冷机的性能系数为:工质为理想气体:理想斯特林制

6、冷机的性能系数为:(3.94)(3.95) 斯特林制冷机的成功，绝大部分是依靠系统中所使用的回热器的效能。若回热器效率低于100，这就意味着，气体制冷机在冷源的制冷量将有一部分消耗在将制冷机气体冷却到冷源温度的过程中。 第20页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一低温源吸收的实际的热量为:换热器效率定义为:假定工质为理想气体，在理想情况下从冷负荷中取走的热量为: 换热器效率的不完善性而致理想制冷量损耗所占的比重:(3.96)(3.97)(3.98)第21页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一3.2.4 维尔米勒制冷机 图3-79 维尔米勒制冷机示意图 图

7、3-80 理想维尔米勒制冷机的热力循环T-s图 第22页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一第23页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一 高温热源加热为: 低温热源吸热为: 中间温度热源的放热量为: 因为系统的净传热量为零: COP: (3.99)(3.100)(3.101)(3.102)第24页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一3.2.5 索尔凡制冷机 索尔凡(Solvay) 制冷机:是计划采用膨胀机实现空气液化的第一个系统。图3-81 索尔凡制冷机 图3-82 索尔凡制冷机中单位质量气体在T-s图上的流程第25页，共102页，2

8、022年，5月20日，16点8分，星期一第26页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一假设膨胀过程输出的功用于压缩过程，则系统所需净功为: 从低温源取走的热量为: (3.103)(3.104)压缩机耗功膨胀过程的输出功第27页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一3.2.6 吉福特-麦克马洪制冷机 系统包括压缩机、两端密封的气缸、气缸中的位移器，和回热器。 图3-84 G-M制冷机中单位质量气体在T-S图上的流程 图3-83 G-M制冷机示意图 第28页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一第29页，共102页，2022年，5月20日，16

9、点8分，星期一 系统所需净功为: 从低温源带走的热量为: 因为膨胀过程中膨胀腔的体积保持不变，me/m可表示为密度比:回热器效率沿着位移器的导热和壳体漏热气体与回热器往复换热回热器中存在的一定容积 (3.105)(3.106)(3.107)影响G-M制冷机性能的因素第30页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一在Solvay和G-M制冷机中，回热器是关键部件。一台较好的制冷机，其回热器效率需高达98%以上。图3-85 回热器示意图 第31页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一Solvay和G-M制冷机有共同的优点阀门和位移器活塞密封可在室温下实现，因此不存

10、在低温密封问题。通过使用回热器代替通常的换热器，可得到很高的换热效率，系统可使用稍稍不纯的气体为工质。由于气体在回热器中来回流动，回热器中的杂质可在吸入过程中积存下来，在排气过程中清除出去。相同表面积下，回热器的造价比换热器低。 第32页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一Solvay系统与G-M系统相比有两大优点: Solvay系统COP总是比G-M系统高，因为工质在对外作功过程中，可带走更多能量； G-M系统中，需要一个小马达来移动位移器，而在Solvay系统中，由膨胀气体来移动活塞。G-M系统与Solvay系统相比也有优点: 位移器两端压差小，所以在G-M系统中经位移

11、器的泄漏很少； 在G-M系统中位移器和曲柄不用承受很大的力，因此驱动机构可以十分简单，很少有振动的问题。第33页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一 G-M系统的突出优点之一是它可实现多级化。多级系统中的所有阀门都在室温下工作，三个位移器由一个驱动机构操纵。图3-86 三级G-M制冷机三个位移器由同一个驱动机构驱动，在此制冷机中可同时制取三种不同的温度。第34页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一3.2.7 脉冲管制冷机 脉冲管制冷机省去了常规气体制冷机中的冷腔膨胀活塞，采用一根低热导的管子来代替，具有结构简单、运转可靠、冷头振动小、寿命长、成本低等优势

12、。图3-87 脉冲管制冷机的演变与发展 第35页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一1. 基本型脉冲管制冷机2. 小孔型脉冲管制冷机 3. 双向进气脉冲管制冷机 4. 多路旁通脉冲管制冷机 5. 双活塞脉冲管制冷机 6. 四阀式脉冲管制冷机 7 多级脉管制冷机 本节内容:第36页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一 基本型脉冲管制冷机 最初的基本型脉冲管制冷机的制冷流程由压缩机、切换阀、回热器、冷端换热器、导流器、脉冲管本体以及脉冲管封闭端的水冷却器所组成。图3-88 基本型脉冲管制冷机原理图1切换阀；2回热器；3冷端换热器； 4脉冲管；5水冷却器；6导

13、流器。 基本原理是利用高低压气体对脉冲管腔的充放气而获得制冷效果的。第37页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一第38页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一 基本型脉冲管制冷机利用充放气获得低温的方法实质上是西蒙膨胀制冷的一种型式。基本型脉冲管制冷机与西蒙膨胀过程的不同点: 脉冲管制冷机运行时，脉冲管气体轴向存在一温度梯度，入口端温度低，封闭端温度高；而西蒙膨胀的容器内气体温度均匀； 充气完毕后，脉冲管取走热量的方式是靠封闭端的水冷换热器；而西蒙膨胀的热量是靠整个容器表面与外部环境的对流换热。 基本型脉冲管制冷机除了压缩气源和切换阀是室温运动部件外，在低

14、温处无任何运动部件，因此其结构简单、运行可靠，但是其制冷效率低。 第39页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一带有切换阀的基本型脉冲管制冷机:由于气体在通过阀门时有节流损失而降低了制冷效率。可逆基本型脉冲管制冷机:直接利用活塞在气缸内往复运动，使制冷系统内产生压力波动而导致脉冲管内气体的压缩和膨胀过程。 图3-89 可逆基本型脉冲管制冷机原理图 1活塞 2水冷却器 3脉冲管 4负荷换热器 5回热器第40页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一第41页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一图3-90 相同压比下带切换阀式脉冲管与可逆基本型脉

15、冲管内部压力波图。a-基本型脉冲管 b-可逆基本型脉冲管. 第42页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一常规气体制冷机的冷腔膨胀活塞与压力之间有一定的运动相位差，冷端可获得制冷的膨胀功。其中的能量平衡有:脉冲管冷端的焓流表示一周期内脉冲管冷端向热端传输的能量，可称之为脉冲管的毛制冷量。 脉冲管传递热量的能力（即制冷能力）取决于P和u1在相位上能否接近，以及两者振幅的大小。 可逆基本型脉冲管制冷机的最主要特点是:将上一个循环的能量存储起来，在下一个循环，其所需的能量一部分来自马达，另一部分则由储存的能量提供，这样就能大大减少外部所需的能量而提高热效率。 (3.108)(3.1

16、09)第43页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一图3-91 基本型脉冲管的能量传递及压力与流速的相位关系 第44页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一2. 小孔型脉冲管制冷机 小孔型脉冲管制冷机中由于小孔和气库的加入，制冷机理发生了变化，运转频率也大幅度提高。 考察脉冲管热端的焓流变化，因为气库的容积大，其压力基本稳定为系统的平均压力，热端的气体流向取决于脉冲管与气库的压差。 小孔对P和u的振幅有调节作用，小孔开度增大，压力振幅减小，流速振幅增大。这样小孔型脉冲管中冷端气团可以向斯特林制冷机中的膨胀活塞一般获得一定的相位需求，利用膨胀功制冷。 脉冲管由

17、冷端向热端的泵热能力大大增强。(3.110)第45页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一3. 双向进气脉冲管制冷机 无功气体:在小孔型脉管制冷机中，通过回热器的气体中有一部分气体并不产生制冷效应，降低了回热器效率。这部分不作功的气体在脉管中来回震荡，既不通过小孔进入气库，也不从冷端换热器进入回热器。这些气体柱塞随时间膨胀和收缩，但并不产生制冷。图3-92 双向进气型脉管制冷机.a)无阀压缩机驱动 b) 有阀压缩机驱动 第46页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一4. 多路旁通脉冲管制冷机 多路旁通方案对制冷过程的影响主要在于它在旁通点处形成了一次膨胀制冷

18、过程。 在多路旁通处一股焓流由回热器流入脉冲管中，旁通点成为制冷部位。其在低温区性能优越的主要原因是脉冲管旁通部位加一换热器以利于制冷，出现两次膨胀制冷过程。 图3-93 多路旁通脉冲管制冷机中的能量传递 第47页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一5. 双活塞脉冲管制冷机 双活塞脉冲管制冷机能克服小孔调节作用对于P和u的相位匹配并不是完美的缺陷，采用一配气活塞来调节脉冲管中P和u的相位。 配气活塞与产生压力波的主活塞之间存在一定相位差，两者的运动规律如下:(3.111)(3.112)第48页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一6. 四阀式脉冲管制冷机

19、图3-94 四阀式脉冲管制冷机的当量PV图 四阀式脉冲管制冷机理可以由脉冲管中P和u的变化来说明。根据四个阀门的开关变化，脉冲管压力和脉冲管热端阀门两端的压力变化可定性表示，图中压差的正负对应气体的流向。图3-95 四阀式脉冲管中压力与小孔两端压差的关系第49页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一7多级脉管制冷机 为获得更低的制冷温度，可以采用多级脉管制冷方案。脉管制冷机冷端无运动部件，不存在机械运动的耦合，易于进行多级布置。图3-96 三级脉冲管制冷机结构示意图。1 压缩机， 2 旋转阀， 3 气库， 4 小孔阀， 5 双向进气阀， 6 第一级蓄冷器， 7 第二级蓄冷器，

20、 8第三级蓄冷器， 9 第一级脉冲管， 10 第二级脉冲管， 11第三级脉冲管，12 第一级冷头， 13 第二级冷头， 14 第三级冷头，15 回热管， 16 辐射屏， 17 真空罩。第50页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一第51页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一图3-97 两级脉管制冷机结构示意图。1 压缩机， 2 旋转阀， 3 气库， 4 小孔阀， 5 双向进气阀， 6 第一级蓄冷器， 7 第二级蓄冷器， 8 第一级脉管， 9 第二级脉管， 10 第一级冷头， 11 第二级冷头 ，12 辐射屏， 13 真空罩。第52页，共102页，2022年

21、，5月20日，16点8分，星期一图3-98 双小孔型二级脉管制冷机示意图。1 第一级蓄冷器， 2 第一级脉管， 3 第二级蓄冷器， 4 第二级脉管， 5、6 气库， 7 、9 双向进气阀， 8、10 小孔阀， 11 第二小孔。 第53页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一3.2.8热声制冷机 热声制冷机的基本工作原理:谐振管内的气体受到声压作用产生绝热压缩和膨胀。处于热声板叠左端的气团受到驻波的压缩，温度升高，向板叠放热；在热声板叠的右端，由于驻波低压相的绝热膨胀,气团的温度低于当地板叠温度，气团从板叠吸热.热声制冷机与热声驱动器的不同之处，是热声板叠上的温度梯度不同且具有

22、较小的温度梯度。 图3-99热声制冷机原理图 第54页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一 谐振管的底部带有一个球体，模拟管端是开口的。驱动器为一动圈式扬声器，装于热端换热器的顶端。 驱动器活塞处正是驻波压力的波谷，以便向谐振管传输最强的声功，同时驱动器产生的热量可直接被换热器排除。压力波的波节在谐振管与球体连接的扩口处。图3-100 热声制冷机实验装置图1.磁声线圈 2.冷却水夹套 3.活塞 4.冷端换热器 5.塑料棒 6.热声板叠 7.热端换热器 第55页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一 热声驱动器是一种没有机械运动部件的新型压力波发生器。脉管制

23、冷机则是除了室温下的机械压缩机之外，在低温区没有运动部件。因此若采用热声驱动器取代脉管制冷机常规的机械压缩机就能构成从室温至低温均没有运动部件的新型制冷机。图3-101 热声驱动的脉管制冷装置 第56页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一 驻波型热声机的运行是基于内部不可逆性的热力学循环，其气体和板叠之间的不可逆换热导致的熵产限制了驻波热声机的效率，其热力学效率往往不可能很高。 行波热声机其过程是可逆的, 因此行波热声机的效率在理论上高于具有本征不可逆性的驻波热声机。驻波和行波的区别:相同: 由于速度是位移对时间的导数，故速度振荡与位移振荡都是相差90度相位。不同:不同之处

24、在于驻波的压力振荡与位移振荡同相，而行波的压力振荡与速度振荡同相。行波声场中的声速波形和声压波形一致，相位差为零；而驻波声场中的声速波形和声压波形相位差90度。第57页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一图3-102 声波的位移、速度、压力振荡的相位关系图 (a) 驻波 (b) 行波 第58页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一3.2.9 吸附式制冷机 用于低温温区的吸附制冷工质对只能采用低温气体工质，吸附剂也主要采用活性炭、分子筛或一些化学吸附物质。 由于采用J-T节流制冷方式，解吸出的气体必须先经预冷至转化温度以下，否则不可能实现低温气体工质的液化。

25、图3-103 常用吸附式制冷工作对及其工作温区 第59页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一本节内容:1吸附式低温制冷机的相平衡及吸附率方程 2吸附制冷循环及其热力计算 3低温吸附式制冷机的设计原则 4 典型的吸附式制冷机第60页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一1吸附式低温制冷机的相平衡及吸附率方程 对低温气体的吸附可以由Polanyi吸附势理论表述:对于活性炭吸附氖气和氮气吸附势方程为:饱和压力ps (Pa)和温度T(K)的关系可以表示为: 采用经验拟合所得到的吸附率方程经验关系式为: (3.113)(3.114)(3.115)(3.116)第61

26、页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一表3-7示出了各种低温气体对应于活性炭(椰壳炭)的吸附率方程常数。式中下标T表示整个吸附剂所占体积内的吸附，下标E则表示吸附剂有效吸附体积内的吸附。 气体 M/bH2xExT4.410-25.6510-20.5630.7310.0600.063NeXExT0.640.460.5390.3880.1520.128N2XExT0.550.560.7580.7720.1180.108表3-7 活性炭对几种低温气体吸附率方程常数第62页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一图3-104 活性炭和沸石吸氮的等温吸附线。a) 13

27、x-N2,b)C-N2 第63页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一图3-105 LaNi5-H2的等温吸附线 第64页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一图3-106 LaNi4.8Sn0.2Hx、ZrNiHx和VHx的等吸附率图(Vant Hoff图) 第65页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一2吸附制冷循环及其热力计算 温度降低和压力升高可以使得吸附率增大。吸附床可以用作为压缩机，也可以用作为抽气泵。 图3-107 分子筛对氮气的吸附等温线及其吸附式制冷循环过程的表示 吸附式制冷机的制冷量: (3.117)第66页，共102页

28、，2022年，5月20日，16点8分，星期一图3-108 采用2组吸附器的J-T节流 图3-109 J-T节流吸附式制冷机的T-S图 第67页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一1 吸附剂质量m的确定 气体质量流量，该值与吸附床温升过程及吸附床中吸附剂质量m有关: 一般来说，m是吸附剂温度T和吸附床压力p的函数。温升速率是与吸附床结构设计紧密相关的参量，如果设计中通过加强吸附床导热(传热强化)，可以显著地增大温升速率，从而减小吸附剂质量需求。同样，如果所选择的吸附剂对气体工质的吸附等压线很陡(即吸附率随温度变化很敏感)，则也可以有效地减小对吸附剂质量的需求。 (3.118)

29、第68页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一2吸附器容器质量的确定 可以根据筒体最大内压P和金属材料胡克应力来关联吸附器质量ms与吸附剂质量m之比:(3.119)第69页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一3. 加热功率设计 压缩过程中，与加热面相对的百叶窗开启，而与冷源相对的百叶窗关闭，这样，热量就传递给了吸附床热压缩机； 在减压降温过程中，与加热面相对的百叶窗关闭，而与冷源相对的百叶窗开启，这样热量就从压缩机传递给了外部。如果忽略加热气体本身所消耗的热量吸附热可以根据Clausius-Clapeyron 方程来计算(3.120)第70页，共102页，

30、2022年，5月20日，16点8分，星期一 如果吸附床加热解吸通过一恒温源T*向吸附床热辐射来实现，设吸附床热压缩机温度为Th，辐射传热面是黑体，面积为Ah,辐射角系数为1， 则: 吸附热压缩机冷却时，吸附单位质量气体所需排放的热量。假设吸附床向绝对零度的环境中进行热辐射，得:(3.121)(3.122)(3.123)第71页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一图3-110 气体吸附式压缩机的百叶窗设计 图3-111 吸附床压力和温度对热量需求的关系 第72页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一图3-112 吸附压缩机温度对换热面积的影响 第73页，共1

31、02页，2022年，5月20日，16点8分，星期一4温度循环设计 制冷工质确定后，吸附压力(低压)就受制冷温度限制，可以认为是一个设计常数。因此只有解吸压力可调。解吸压力越高，系统气体流量需求就越小，当然T4温度也越高。 如果T2固定(冷却温度)， 则有一温度循环，, 这是吸附剂为了获得气体吸附浓度差，所必需的；对应的在解吸过程中为了解吸出气体，造成对应的吸附浓度差，过程3-4也经历了一个温度循环。循环温差加大或T2降低均会促使循环吸附量的提高。从质流量角度看，T2越低越好，但从传热角度看T2高可以有效地减小传热面积。吸附式制冷机循环最大温差为 。第74页，共102页，2022年，5月20日，

32、16点8分，星期一5. 循环时间 吸附剂吸附气体，实现吸附率差所需的时间为: 根据具体吸附式制冷机的构成方式可确定其相应的循环周期计算方法。低温吸附式制冷机往往采用了2台、4台、8台吸附器，以充分地回收热量，提高吸附式制冷的效率。相应的循环时间表示方式也有所不同。 (3.124)第75页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一6. 制冷系数吸附式制冷循环的制冷系数: 早期的空间用低温吸附式制冷机中，较多地考虑采用余热对吸附器加热、采用对外层绝对零度空间的热辐射对吸附器进行冷却，很少用回热循环。 然而近年来，在低温吸附式制冷机研究开发中已经较多的受吸附式空调制冷的影响，高效回热循

33、环方面已经有成功实例。图3-113 吸附式制冷机与机械式制冷机的比功耗比较 (3.125)第76页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一7 回热回路设计 回热措施即使高温吸附床降温的显热和吸附过程中产生的吸附热传递给低温吸附床，提供低温吸附床部分热量（回热量 ）。 回热循环的制冷系数COP与基本循环制冷系数COP的关系为 : 吸附式制冷系统中还采用回质循环方式，即在高压解吸吸附床与低压吸附吸附床之间串接了一连接管道和阀门，使二台吸附器平衡在一接近于平均压力的中间压力下，这样会造成高压解吸床解吸更充分(受抽吸)，而低压吸附床则产生了附加吸附，因而循环吸附率变化可以增大，制冷量可

34、以提高。 (3.126)第77页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一 具有传热流体的吸附筒结构，在不锈钢筒内它充填了泡沫铜活性炭，吸附筒外钎焊了盘管换热器，管内流体为氦气。为了强化传热，泡沫铜吸附床也与吸附筒内壁通过钎焊连接成一体。利用这种方式的吸附筒可以方便地构筑回热型吸附式制冷机，以提高吸附式制冷机的制冷系数。图3-114 回热型吸附式制冷机所采用的吸附筒结构 第78页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一 采用回热型吸附式系统需要构建加热/冷却流体回路，以实现对多个吸附床之间的热量传递 。图3-115 多吸附床回热型吸附式制冷机的换热流体回路构成 第

35、79页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一 回热型吸附式制冷机换热流体回路的工作充分利用了换热流体的热量，使得外部输入热量或向外界耗散的热量有较大幅度的减小，因而这种回热型多床系统制冷系数可以有较显著的提高。图3-116 加热/冷却流体回路设计(8台吸附器) 第80页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一3低温吸附式制冷机的设计原则 如果可能，尽量采用化学吸附代替物理吸附，化学吸附往往在高温热源下工作，其效率较高，这样的话排热系统可以做得较轻。如果采用物理吸附，尽可能采用沸点高的气体作为工质，这样其与吸附剂间的范德瓦尔斯吸附力会大些，因而不需要过高的操作压

36、比。吸附剂应具有吸附率大、吸附空隙容积小的特性，这样可以减小对总耗能的需求，并使得制冷效率得到提高。尽量在较高温度水平对吸附式压缩机进行冷却，吸附式压缩机散热应通过热辐射或对流方式进行，尽量避免采用其它形式制冷源来冷却。对制冷气流应尽可能降低温度，甚至在其到达J-T节流阀前使其液化，这样可以有效地提高J-T节流冷却装置的节流效果。第81页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一JPL的 LaNi5-H2吸附式制冷机用节流系统，节流阀的开启度由节流阀上、下流的压差和弹簧的预紧力所决定，其原理和开启压力可调节的自动旁通阀(或自动压力调节阀)一样，这种调节阀的优点是比小孔节流阀的抗堵

37、性能好。 图3-117 JPL氢制冷系统节流阀。1-金属-聚四氟乙烯圈，2-可动阀芯，3-弹簧力调节螺母，4-温度计，5-液氢罐，6-加热器(模拟热负荷)，7-解冻加热器。第82页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一 氢吸附式制冷机节流阀结构，它采用了侧向出气形式，节流阀的通量通过弹簧预置，显然它也需要一定的压差驱动。 图3-118 AESC氢制冷系统节流阀。1-调节螺母，2-锁紧螺母，3-后盖，4-弹簧，5-球体(6.35mm)。第83页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一 热开关型吸附器，加热器在吸附筒中心，筒外为低温热沉，吸附筒和热沉之间为气体间隙

38、型热开关。气隙式热开关与各种热开关相比，非常适用于吸附式压缩机。图3-119 热开关型吸附筒结构示意图。1-气体间隙式热开关(0.252.5mm), 2-加热器， 3-吸附剂， 4-辐射屏，5-热沉，6-进气阀，7-排气阀第84页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一4 典型的吸附式制冷机(1)活性炭-甲烷物理吸附制冷机(110K-150K)在110K-150K温区内，从长寿命、无振动角度考虑，采用活性炭-甲烷物理吸附制冷机是比较有效的。 图3-120 活性炭-甲烷物理吸附制冷机 第85页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一 提高吸附式制冷机的热效率，可以

39、通过回热设计来实现回热型制冷循环，对于C/CH4吸附式制冷机，采用回热设计比功率获得了较大提高。 制冷机采用了四台吸附式压缩机，吸附压缩机的加热解吸和冷却吸附由特定设计的流体回路实现，并采用回热 。图3-121：2W，137K回热型吸附式制冷机第86页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一(2)镨铈氧化物(Pr1-nCenOx, PCO)化学吸附制冷机 采用活性炭/甲烷作为第一级吸附式制冷，PCO-O2是一种非常稳定的化学吸附工作对，其循环工作次数在上万次时，吸附性能也不会有明显衰减图3-122 PCO-O2化学吸附式制冷机 第87页，共102页，2022年，5月20日，16

40、点8分，星期一 采用活性炭-氪气(C/Kr)物理吸附压缩机作为第一级、PCO-O2是作为第二级的低温吸附制冷系统，制冷机以PCO为吸附剂，以氧气为制冷剂，其吸附方式为化学吸附，吸附/解吸完全可逆。 图3-123： 二级80K/140K吸附式低温制冷机系统 第88页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一(3) 金属吸氢材料吸氢的化学吸附式制冷机(14K-30K) 金属吸氢材料-氢吸附式低温制冷机他们采用了LaNi5作为吸附剂吸附氢气，获得了20K的低温。图3-124 金属吸氢材料吸氢吸附式制冷机 第89页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一图3-125：25

41、K吸附式制冷机系统。1-吸附床；2-斯特林制冷机；3-电控箱；4-传输杆；5- 高电子迁移晶体管接收放大器，6-冷头，7-J-T节流阀，8-热交换器，9-波导管，10-高压容器，11-低压床。25K吸附式制冷机系统以四个吸附床构成吸附压缩机，采用 作为吸氢材料，并构造了附加吸附压缩机以通过冷却和加热来控制 吸附压缩机中气相空间热开关以免去阀门的操作 。 第90页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一(4) SH2金属吸氢材料吸氢化学吸附低温制冷机(7K-10K) 为了获得7K-10K的低温，可以通过对LH2的减压来实现，通过低压吸氢材料(如钯)吸氢可以将氢气饱和蒸汽压降得很低。 如采用两只液氢杜瓦，通过采用热开关进行切换，就可以使得低温器件连续保持在10K温度下。图3-126 SH2金属吸氢材料吸氢 第91页，共102页，2022年，5月20日，16点8分，星期一10K