制冷技术基础-单元7 其他制冷循环及制冷方法

制冷技术基础

目录单元一工程热力学基础单元二流体力学基础单元三传热学基础单元四制冷剂、载冷剂与冷冻机油单元五蒸气压缩式制冷原理单元六吸收式制冷循环单元七其他制冷循环及制冷方法单元七其他制冷循环及制冷方法制冷空调技术的进步伴随着相关技术与制冷空调技术的结合与渗透，呈现出节能化、环保化、复合化的显著特点。制冷空调领域中除技术成熟、应用广泛的蒸汽压缩是制冷和吸收式制冷以外，还有很多新技术。本单元主要介绍其中的蒸气喷射式制冷技术、空气压缩式制冷技术、混合制冷剂制冷技术、热电制冷技术、热声制冷技术、热管制冷技术、磁制冷技术、太阳能制冷技术。在这些新技术的介绍中，阐述了这些新技术的基本理论、应用这些新技术制造的制冷机，及发展和研究方向。单元七其他制冷循环及制冷方法单元目标1.能叙述蒸气喷射式制冷、空气压缩式制冷、混合制冷剂制冷、热电制冷、热声制冷、热管制冷、磁制冷、太阳能制冷的工作原理。2.能分析蒸气喷射式制冷、空气压缩式制冷、混合制冷剂制冷、热电制冷、热声制冷、热管制冷、磁制冷、太阳能制冷的工作流程。3.能描述蒸气喷射式制冷、空气压缩式制冷、混合制冷剂制冷、热电制冷、热声制冷、热管制冷、磁制冷、太阳能制冷的特点和应用范围。任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环任务概述蒸气喷射式制冷机与吸收式制冷机一样，同属于液体汽化制冷的一种，并且都是依靠热能驱动。在蒸气喷射式制冷机中，蒸气喷射器相当于压缩式制冷机中的压缩机。高压工作蒸气在喷射器中引射蒸发器的低压气态制冷剂，并使之增压。这种设备不直接消耗机械能，并且比机械增压设备（如压缩机）更为简单。空气压缩式制冷循环是基于压缩空气的节流效应或绝热膨胀效应来制取冷量的。空气压缩式制冷是以空气为工质，将常温下较高压力的空气进行绝热膨胀，从而获得低温低压空气。任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环任务目标1.能叙述蒸气喷射式制冷、空气压缩式制冷的工作原理和工作流程。2.能描述蒸气喷射式制冷、空气压缩式制冷的特点和应用范围。3.会分析影响蒸气喷射式制冷循环的因素。4.能识别不同类型的蒸汽喷射式制冷机5.能说出空气压缩式制冷循环的基本组成和每个部件的主要作用。任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环知识链接一、蒸气喷射式制冷循环蒸汽喷射式制冷也是一种压缩式制冷方式，所不同的是用蒸汽喷射器代替了压缩机，利用一定压力（一般为0.4～0.7MPa）蒸汽喷射、吸引和扩压来实现对制冷剂的压缩。它和吸收式制冷一样，也是以消耗热能来工作的；它与吸收式制冷的区别是：它只用单一工质工作，因为用于喷射器工作的介质与制冷剂是同一工质，这样就不存在介质与制冷剂的分离问题，使制冷机工作过程简化。通常用水为制冷剂，可以制取空调或生产工艺需要的0℃以上的低温。近年来也用氨和氟利昂作为制冷剂，来制取0℃以下的低温。任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环（1）喷射式制冷的工作原理任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环蒸气喷射式制冷循环的热力系数任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环2.影响蒸气喷射式制冷循环的因素（1）工作蒸气压力的影响（2）蒸发温度的影响（3）冷凝压力的影响任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环3.蒸气喷射式制冷循环的特点（1）蒸气喷射式制冷的设备结构简单，金属耗量少，造价低廉，运行可靠性高，使用寿命长，一般都不需备用设备。（2）制冷系统操作简便，维修量少。（3）蒸气喷射式制冷循环耗电量少，如果用于有较多工业余气的场合，能节约能源。（4）蒸气喷射式制冷以水作为制冷剂，并且根据需要可使制冷剂、载冷剂合为一体，或者采用开式循环形式。由于水具有汽化潜热大、无毒等优点，所以系统安全可靠。（5）用水作为制冷剂制取低温时受到水的凝固点的限制，为了获得更低的蒸发温度，正在研制用氨、氟利昂为制冷剂的蒸气喷射式制冷机。另外，将蒸气喷射器与活塞式制冷压缩机、吸收式制冷机等串联作为低压级，也能获得较低的蒸发温度。（6）蒸气喷射器的加工精度要求较高，蒸气喷射式制冷循环的工作蒸气消耗量较大，制冷循环效率较低，这一切都限制了蒸气喷射式制冷的实际应用。任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环（1）蒸汽喷射式制冷机分类蒸汽喷射式制冷机根据蒸发器结构的不同，可分为单效式和多效式两种。蒸发器中只有一种蒸发温度的，称为单效式蒸汽喷射式制冷机；蒸发器中有两种或多种蒸发温度的，称为多效式蒸汽喷射式制冷机。根据冷凝器结构的不同，蒸汽喷射式制冷机可分为大气式和蒸发式两种。采用大气式冷凝器的称为大气式蒸汽喷射式制冷机；采用蒸发式冷凝器的称为蒸发式蒸汽喷射式制冷机。任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环（2）蒸汽喷射式制冷机的蒸发器任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环（3）蒸汽喷射式制冷机的冷凝器任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环1.空气压缩式制冷循环的工作原理空气压缩式制冷循环是利用高压常温空气进行膨胀获得低温实现制冷。空气被压缩，其压力增加温度升高。若将高压高温空气在等压下冷却到环境介质温度，再进行绝热膨胀对外作功，空气的内能减少，温度降低，然后让低压低温空气吸收被冷却物体的热量，从而达到制冷的目的。任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环任务1蒸气喷射式制冷循环与空气压缩式制冷循环3.空气压缩式制冷循环的特点

与蒸气压缩式制冷循环相比，空气压缩式制冷循环具有下列特点。（1）在使用温度高于－80℃时，空气压缩式制冷循环的制冷系数小于蒸气压缩式制冷循环，且温度越高，差值越大，所以在高于—80℃范围内，空气压缩式制冷循环只用于仅需获得冷量而不考虑能耗的特定场合。

（2）－80℃以下使用空气压缩式制冷循环，其制冷系数高于蒸气压缩式制冷循环，并且易于获得低温。这种制冷循环降温性能可靠，设备、系统简单，所以空气制冷是获得—80℃~—110℃使用温度的一种很有前途的制冷手段。（3）制冷工质无害、无污染并容易获得。制冷系统的气密性要求低，运行可靠。（4）空气压缩式制冷循环的使用系统较灵活，对不同的使用目的和要求适应性较强。（5）利用普通低压空气压缩机，有利于设备的综合利用，也易于组成特殊容量的制冷机组。（6）制冷量容易调节，设备维护操作简单。（7）空气压缩式制冷循环所采用的空气需进行干燥和净化处理，所以工作时噪声较大。任务2混合制冷剂制冷循环任务概述混合制冷剂制冷循环是利用混合制冷剂作制冷工质的压缩式制冷循环，混合制冷剂制冷循环主要由等熵压缩、等压冷却等熵膨胀、及等压吸热四个过程组成。混合制冷剂制冷循环理论性能系数较高，制冷工质易于获得，且成本低，对环境和大气无污染。采用混合制冷剂制冷循环的制冷机和热泵，还具有实际性能系数较高、转速低、功率输入容易、使用和维护简便、寿命长等优点。任务2混合制冷剂制冷循环任务目标1.能说出常用共沸制冷剂和非共沸制冷剂的热力性质。2.能画出混合制冷剂单级蒸气压缩制冷系统原理图。3.会分析混合制冷剂单级蒸气压缩制冷系统的工作过程。4.能总结回答混合制冷剂单级蒸气压缩制冷的特点任务2混合制冷剂制冷循环知识链接一、混合制冷剂混合制冷剂是由两种或两种以上的单一制冷剂按一定比例混合而成的制冷剂，可分为共沸混合物制冷剂（如R500、R501、R502等）和非共沸混合物制冷剂（如R401A、R402A等）。任务2混合制冷剂制冷循环任务2混合制冷剂制冷循环任务2混合制冷剂制冷循环任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷任务概述热电制冷利用电能直接使热量从低温物体转移至高温物体。热电制冷装置没有任何机器部件，不需要明显的工质来实现能量的转移。热声制冷是近的二十多年出现的一种全新的制冷技术，是基于热声理论的新型热机和制冷机。热管是一种高效传热性能元件。利用热管实现制冷的技术称热管制冷技术。热管制冷具有低能耗、高效率、冷热源多样性、绿色环保的特点。实现人与自然和谐相处以及可持续发展。任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷任务目标1.能描述热电效应、热声效应、热管效应现象2.会分析热电制冷、热声制冷、热管制冷的工作原理。3.能说出热电制冷、热声制冷、热管制冷的的特点和应用前景。任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷知识链接一、热电制冷热电制冷利用电能直接使热量从低温物体转移至高温物体。热电制冷是借助于电子或空穴在运动中由势能变化而引起能量的传递。热电制冷器的热电偶是由半导体材料组成的，所以又称半导体制冷或“电子冷冻”。任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷3.热电制冷的特点（1）热电制冷不使用制冷剂，无运动部件，无污染，无噪声，并且尺寸小，重量轻，特别适用于深潜、仪器、高压试验仓等有特殊要求的场合。（2）热电制冷器参数不受空间方向的影响，即不受重力场影响，因而在航天航空领域中应用具有明显的优点。（3）作用速度快，工作可靠，使用寿命长，易控制，调节方便，可通过调节工作电流大小来调节其制冷能力，也可通过切换电流方向来改变其制冷或供暖的工作状态。（4）目前热电制冷的制冷量

低，效率较低，单位制冷量的能耗大，成本高。任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷4.热电制冷的应用由于热电制冷的上述特点，在不能使用普通制冷系统的特殊场合以及小容量、小尺寸的制冷工作条件下，显示出它的优越性，已成为现代制冷技术的一个重要组成部分。目前热电制冷技术主要应用于车辆、核潜艇、驱逐舰、深潜器、减压舱、地下建筑等特殊环境下使用的热电空调以及冷藏的降湿装置，各种仪器和设备中使用的小型热电恒温制冷器件，高真空扩散泵冷阶，工业气体含水量的测定与控制，保存血浆、疫苗、血清、药品等药用热电冷藏箱与半导体冷冻刀等。任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷（1）热声效应

所有的热声产品的工作原理都基于所谓的热声效应。热声效应机理可以简单描述为在声波稠密时加入热量，在声波稀疏时排出热量，则声波得到加强；反之声波稠密时排出热量，在声波稀疏时吸入热量，则声波得到削弱。实际的热声理论远比这复杂得多。任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷（2）热声装置

热声装置是指利用热声技术的各种能量转换功能制成的装置，包括各种制热机和制冷机，如利用热声技术的功率引擎、脉动燃烧、热泵、制冷机和混合物分离机等，是十分广泛的一类装置。总的来说，热声装置可以分为两个方向，一个是热声发动机，将热声转化为声能，通过自激振荡的方式实现的；另一个是热声制冷机，利用声波泵热，实现制冷，其关键在于声场的相位匹配。热声制冷技术和热声制冷装置只是热声技术和热声装置中一个重要的分支。任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷2．热声制冷机及其应用（1）热声驱动的热声制冷机（2）热声驱动的脉管制冷（3）开式热声制冷和空调（4）高频微型热声制冷任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷3.热声制冷的特点热声制冷系统与传统的蒸气压缩式制冷系统相比，热声制冷机具有无可比拟的优势：无需使用污染环境的制冷剂，而是使用惰性气体或其混合物作为工质，减小了因使用CFCS和HFCS对臭氧层的破坏、产生的温室效应对环境的危害；其基本机构非常简单和可靠，无需贵重材料，成本上具有很大优势；无需往复运动的活塞、汽缸密封和润滑，无运动部件，寿命长。热声制冷技术几乎克服了传统制冷系统的缺点，可成为下一代制冷新技术的发展方向。任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷三、热管制冷热管是一种在密闭管道中，使液体经二相变化的循环流动，将热量从一端高效地传送到另一端的高效传热性能元件。通过其很小的截面积，可将大量热量远距离传输而无需外加动力，其工作温区从－273℃一直到1000℃。热管具有卓越的传热效率及可靠性、隔离性、低阻力、体积小、可控制等其他传热技术所不具备的优点。在制冷空调行业由于冷热流体间的温差小，热管技术更能体现其优越性，使之成为实现制冷空调低能耗、高效率、冷热源多样性、走绿色空调之路的现实技术基础之一，在实现人与自然和谐相处以及可持续发展方面，具有广阔的发展前景。任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷任务3热电制冷、热声制冷、热管制冷2.热管技术在制冷空调行业中的应用（1）热管式房间空调器（2）热管技术在房间空调器上的应用（3）热管技术在空调热回收上的应用任务4磁制冷、太阳能制冷任务概述利用磁性粒子系统在磁场的施加与去除过程中所呈现的磁热效应原理的制冷称磁制冷。磁制冷以其高效节能、无环境污染、运行可靠、尺寸小、重量轻等优点备受关注。应用太阳能驱动实现制冷，称太阳能制冷。太阳能制冷目前主要是通过光----热转换的方式，以热能制冷。研究较多的是太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷。任务4磁制冷、太阳能制冷任务目标1.能叙述磁制冷的基本原理和工作过程。2.能描述太阳能喷射式制冷的特点和应用范围。3.会分析太阳能吸附式制冷的原理。4.能说出太阳能吸收式制冷空的基本组成工作过程。任务4磁制冷、太阳能制冷知识链接一、磁制冷随着蒙特利尔等协议的签订，制冷空调行业的环保与节能问题受到了广泛的重视。磁制冷是一种极具开发潜力的节能环保制冷技术，以其高效节能、无环境污染、运行可靠、尺寸小、重量轻等优点备受关注。磁制冷循环效率最大可达卡诺循环的60％，COP高达15，最大制冷量可达600W，未来磁制冷将可能替代传统的气体压缩式制冷。任务4磁制冷、太阳能制冷任务4磁制冷、太阳能制冷任务4磁制冷、太阳能制冷（1）不同温区磁制冷的研究①低温区磁制冷的研究②中温区磁制冷的研究③高温区磁制冷的研究任务4磁制冷、太阳能制冷（2）磁制冷机的研究①Brown室温磁制冷机②Steyert回转式磁冷机③Zimm往复式磁制冷机④Ames旋转式磁制冷机任务4磁制冷、太阳能制冷任务4磁制冷、太阳能制冷任务4磁制冷、太阳能制冷二、太阳能制冷太阳能是取之不尽用之不竭的一种清洁型可再生能源，其蕴含的庞大能量及长效特征令其备受科学家关注并在深入研究中实现了迅猛发展。太阳制冷系统具有广阔的发展前景与良好的发展趋势，是当前研究制冷技术的亮点与热点。太阳能制冷具有大大减少电力消耗，不会造成对大气臭氧层的破坏而产生环境温室效应，热量的供给和冷量的需求在季节和数量上高度匹配的优点。任务4磁制冷、太阳能制冷任务4磁制冷、太阳能制冷（2）太阳能吸收式制冷系统的工作原理太阳能吸收式制冷系统的工作原理是利用太阳能集热器采集热量加热热水，再以热水加热发生器中的溶液产生制冷剂蒸气，制冷剂经过冷却、冷凝和节流降压在蒸发器中由液体汽化吸热实现制冷，之后制冷剂蒸气被吸收器中的吸收溶液吸收，吸收完成后再由泵加压将含有制冷剂的溶液送入发生器进行加热蒸发，完成一个制冷循环。任务4磁制冷、太阳能制冷（3）太阳能吸收式制冷机的应用①太阳能溴化锂吸收式制冷机②热管式太阳能吸制冷机任务4磁制冷、太阳能制冷2.太阳能吸附式制冷吸附式制冷同其他利相变制冷循环一样，固体吸附剂（如沸石、活性炭等）在一定的温度和压力下，吸附某种制冷剂（如水、甲醇等）气体，在另一种温度和压力下将其脱附出来，并使之凝为液体，而在冷却吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用。吸附式制冷可以利用较低温度的工业废热、太阳能等作为驱动热源。利用太阳能作