人工制冷的基本方法,隨書

1、2022年5月5日 報(bào)告人：盛報(bào)告人：盛 偉偉 （博士，副教授）（博士，副教授） 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)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裝置，以消耗機(jī)人工制冷是指借助于制冷裝置，以消耗機(jī)械能或電磁能、熱能、太陽(yáng)能等形式的能量械能或電磁能、熱能、太陽(yáng)能等形式的能量為代價(jià)，把熱量從低溫系統(tǒng)向高溫系統(tǒng)轉(zhuǎn)移為代價(jià)，把熱量從低溫系統(tǒng)向高溫系統(tǒng)轉(zhuǎn)移而得到低溫，并維持這個(gè)低溫。而得到低溫，并維持這個(gè)低溫。 17:232weisean制冷的熱力學(xué)原理制冷的熱力學(xué)原理 1 理想制冷循環(huán)理想制冷循

2、環(huán)逆向卡諾循環(huán)逆向卡諾循環(huán) 2 理想制冷循環(huán)的性能指標(biāo)理想制冷循環(huán)的性能指標(biāo) 17:233weisean制冷的熱力學(xué)原理制冷的熱力學(xué)原理 理想制冷循環(huán)理想制冷循環(huán)逆向卡諾循環(huán)逆向卡諾循環(huán)當(dāng)高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩措S著過(guò)程的進(jìn)行溫度不變時(shí)，當(dāng)高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩措S著過(guò)程的進(jìn)行溫度不變時(shí)，具有兩個(gè)可逆的等溫過(guò)程和兩個(gè)等熵過(guò)程組成的逆向具有兩個(gè)可逆的等溫過(guò)程和兩個(gè)等熵過(guò)程組成的逆向循環(huán)。循環(huán)。 在相同溫度范圍內(nèi)，它是消耗功最小的循環(huán)，即熱力在相同溫度范圍內(nèi)，它是消耗功最小的循環(huán)，即熱力學(xué)效率最高的制冷循環(huán)，因?yàn)樗鼪](méi)有任何不可逆損失。學(xué)效率最高的制冷循環(huán)，因?yàn)樗鼪](méi)有任何不可逆損失。 17:234weisean

3、理想制冷循環(huán)理想制冷循環(huán)逆向卡諾循環(huán)逆向卡諾循環(huán) )(11nmssTq)(22nmssTq單位質(zhì)量制冷劑向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃繂挝毁|(zhì)量制冷劑向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃?單位質(zhì)量制冷劑從被冷卻的對(duì)象所吸取的熱量單位質(zhì)量制冷劑從被冷卻的對(duì)象所吸取的熱量 17:235weisean理想制冷循環(huán)的性能指標(biāo)理想制冷循環(huán)的性能指標(biāo) 02q制冷系數(shù))()()(21221221202TTTssTTssTqqqqnmnm17:236weisean不可逆循環(huán)的熱力完善度，不可逆循環(huán)的熱力完善度，值越接近于值越接近于1，說(shuō)明實(shí)際循環(huán)越接近可逆循環(huán)，不可逆損失，說(shuō)明實(shí)際循環(huán)越接近可逆循環(huán)，不可逆損失越小，經(jīng)濟(jì)性越好。越小，經(jīng)

4、濟(jì)性越好。為不可逆循環(huán)的制冷系數(shù)為不可逆循環(huán)的制冷系數(shù)17:237weisean人工制冷的幾種方法人工制冷的幾種方法1 液體汽化制冷方法液體汽化制冷方法 蒸氣壓縮式制冷 蒸氣吸收式制冷 蒸汽噴射式制冷 吸附式制冷 2 氣體的節(jié)流效應(yīng)和絕熱膨脹制冷氣體的節(jié)流效應(yīng)和絕熱膨脹制冷 3 其它制冷方法其它制冷方法 熱電制冷 磁制冷 渦流管制冷 熱聲制冷 1 、液體汽化制冷、液體汽化制冷 物質(zhì)有三種集態(tài)：物質(zhì)有三種集態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。物質(zhì)集態(tài)的改變。物質(zhì)集態(tài)的改變稱為相變。相變過(guò)程中，由于物質(zhì)分子重新排列和分子熱稱為相變。相變過(guò)程中，由于物質(zhì)分子重新排列和分子熱運(yùn)動(dòng)速度的改變，會(huì)吸收或

5、放出熱量，這種熱量稱作潛熱。運(yùn)動(dòng)速度的改變，會(huì)吸收或放出熱量，這種熱量稱作潛熱。 物質(zhì)發(fā)生從質(zhì)密態(tài)到質(zhì)稀態(tài)的相變時(shí)，將物質(zhì)發(fā)生從質(zhì)密態(tài)到質(zhì)稀態(tài)的相變時(shí)，將吸收潛熱吸收潛熱；反之，當(dāng)它發(fā)生由質(zhì)稀態(tài)向質(zhì)密態(tài)的相變時(shí)，放出反之，當(dāng)它發(fā)生由質(zhì)稀態(tài)向質(zhì)密態(tài)的相變時(shí)，放出潛熱潛熱。 相變制冷就是利用前者的相變制冷就是利用前者的吸熱效應(yīng)吸熱效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的。利用液而實(shí)現(xiàn)的。利用液體相變的，是液體汽化制冷；體相變的，是液體汽化制冷；17:239weisean蒸氣壓縮式制冷蒸氣壓縮式制冷 壓縮式制冷循環(huán)原理圖A 壓縮機(jī) B 冷凝器 C 膨脹閥 D 蒸發(fā)器蒸氣壓縮式制冷技術(shù)被廣泛應(yīng)用于空調(diào)器、冰箱、冷藏室、冷庫(kù)中，應(yīng)

6、用領(lǐng)域幾乎涉及到各個(gè)行業(yè) 17:2310weisean蒸氣吸收式制冷蒸氣吸收式制冷 吸收式制冷的基本原理吸收式制冷的基本原理 17:2311weisean蒸氣吸收式制冷蒸氣吸收式制冷 吸收式制冷機(jī)基本循環(huán)吸收式制冷機(jī)基本循環(huán)A 動(dòng)力部分動(dòng)力部分B冷凝器冷凝器C 節(jié)流閥節(jié)流閥 D 蒸發(fā)器蒸發(fā)器 a 冷卻水冷卻水 b 熱源熱源1 發(fā)生器發(fā)生器 2吸收器吸收器 3溶液溶液熱交換器熱交換器 4 溶液泵溶液泵 5 節(jié)流節(jié)流閥閥 17:2312weisean蒸氣吸收式制冷蒸氣吸收式制冷 吸收式制冷最突出的優(yōu)點(diǎn)，是可以直接利吸收式制冷最突出的優(yōu)點(diǎn)，是可以直接利用各種熱能來(lái)驅(qū)動(dòng)，除可以利用燃料燃燒的高用各種熱

7、能來(lái)驅(qū)動(dòng)，除可以利用燃料燃燒的高勢(shì)能外，還可利用生產(chǎn)過(guò)程和自然界中大量存勢(shì)能外，還可利用生產(chǎn)過(guò)程和自然界中大量存在的低勢(shì)能，如低壓蒸氣、熱水、煙道氣等工在的低勢(shì)能，如低壓蒸氣、熱水、煙道氣等工業(yè)余熱以及太陽(yáng)能、地?zé)崮艿茸匀唤鐭崃俊I(yè)余熱以及太陽(yáng)能、地?zé)崮艿茸匀唤鐭崃俊?17:2313weisean蒸汽噴射式制冷蒸汽噴射式制冷 蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)的原理A 噴射器 B 冷凝器 C 蒸發(fā)器 D 節(jié)流閥 E 鍋爐 F 水泵 熱交換器在蒸汽噴射式制冷機(jī)中，按正向循環(huán)工作的噴在蒸汽噴射式制冷機(jī)中，按正向循環(huán)工作的噴射器起著壓縮機(jī)的作用，故稱為噴射式壓縮機(jī)。射器起著壓縮機(jī)的作用，故稱為噴射式壓縮機(jī)。 蒸汽噴

8、射式制冷蒸汽噴射式制冷理論循環(huán)熱力計(jì)算理論循環(huán)熱力計(jì)算制冷量 )(4100hhGQ0G為被引射制冷蒸汽的流量 鍋爐的供熱量 )(5711hhGQ冷凝器放熱量 kQ)(3201hhGGQk1G工作蒸汽流量 泵所消耗的功 )(351hhGQp泵功較小，如果可以忽略，則整個(gè)制冷機(jī)的熱平衡式 kQQQ01熱力系數(shù) 1057411010qquhhhhGGQQ10GGu 其中 為噴射系數(shù) 17:2316weisean帶有噴射器的氨水吸收式制冷機(jī)帶有噴射器的氨水吸收式制冷機(jī)吸收器 發(fā)生器太陽(yáng)能燃?xì)鉅t冷凝器蒸發(fā)器17:2317weisean吸附式制冷吸附式制冷 A 吸附劑密封箱 B冷凝器 C蒸發(fā)器 D 單向閥

9、 原理：一定的固體吸原理：一定的固體吸附劑對(duì)某種制冷劑氣體具附劑對(duì)某種制冷劑氣體具有吸附作用，而且吸附能有吸附作用，而且吸附能力隨吸附劑溫度的改變而力隨吸附劑溫度的改變而不同。工作介質(zhì)是吸附劑不同。工作介質(zhì)是吸附劑制冷劑工質(zhì)對(duì)。按吸附制冷劑工質(zhì)對(duì)。按吸附機(jī)理說(shuō)，有物理吸附與化機(jī)理說(shuō)，有物理吸附與化學(xué)吸附之別。學(xué)吸附之別。17:2318weisean 各工質(zhì)對(duì)的吸附動(dòng)力學(xué)特性是吸附制冷的基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容。2. 固氣熱化學(xué)制冷： 利用固體與氣體的化學(xué)吸附現(xiàn)象制冷，稱之為固-氣熱化學(xué)制冷，或固-氣反應(yīng)法制冷。1. 1. 物理吸附制冷物理吸附制冷: :以常見的沸石水吸附對(duì)為例。 已研究的吸附工質(zhì)對(duì)（吸附劑

10、制冷劑）主要有： 沸石水；硅膠水；活性碳甲醇； 金屬氫化物氫；氯化物鹽類氨等。17:2319weisean基本型吸附式制冷循環(huán)基本型吸附式制冷循環(huán) 間歇式吸附式制冷系統(tǒng)（太陽(yáng)能制冷機(jī)）間歇式吸附式制冷系統(tǒng)（太陽(yáng)能制冷機(jī)） 氣體的節(jié)流效應(yīng)氣體的節(jié)流效應(yīng) 實(shí)際氣體的焓是溫度和壓力的函數(shù)，節(jié)流后溫度一般會(huì)實(shí)際氣體的焓是溫度和壓力的函數(shù)，節(jié)流后溫度一般會(huì)發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為節(jié)流溫度效應(yīng)，也叫做焦耳一湯發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為節(jié)流溫度效應(yīng)，也叫做焦耳一湯姆遜（姆遜（Joule-Thomson）效應(yīng)）效應(yīng) hhpT)(焦耳一湯姆遜效應(yīng)系數(shù)焦耳一湯姆遜效應(yīng)系數(shù) 17:2321weisean利用氣體的節(jié)流效應(yīng)

11、可以生產(chǎn)出低溫制冷機(jī)利用氣體的節(jié)流效應(yīng)可以生產(chǎn)出低溫制冷機(jī) 林德林德-漢普森制冷機(jī)的熱力循環(huán)系統(tǒng)漢普森制冷機(jī)的熱力循環(huán)系統(tǒng) 17:2322weisean絕熱膨脹制冷絕熱膨脹制冷基本原理：高壓氣體通過(guò)膨脹機(jī)絕熱膨脹時(shí)，對(duì)外基本原理：高壓氣體通過(guò)膨脹機(jī)絕熱膨脹時(shí)，對(duì)外輸出功率，同時(shí)氣體的溫度降低輸出功率，同時(shí)氣體的溫度降低 sspT)(微分等熵效應(yīng)系數(shù) A 壓縮機(jī) B 空氣冷卻器 C 膨脹機(jī) D 制冷室定壓循環(huán)空氣制冷機(jī)系統(tǒng) 17:2323weisean熱電制冷熱電制冷 珀?duì)柼?yīng)基本原理 基本原理基本原理： 利用珀?duì)柼?yīng)原理達(dá)到制冷目利用珀?duì)柼?yīng)原理達(dá)到制冷目的，即在兩種不同金屬組成的閉合的

12、，即在兩種不同金屬組成的閉合線路中，通以直流電流，會(huì)產(chǎn)生一線路中，通以直流電流，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)接點(diǎn)熱，另一個(gè)接點(diǎn)冷的現(xiàn)象，個(gè)接點(diǎn)熱，另一個(gè)接點(diǎn)冷的現(xiàn)象，稱為溫差電現(xiàn)象。半導(dǎo)體材料所產(chǎn)稱為溫差電現(xiàn)象。半導(dǎo)體材料所產(chǎn)生的溫差電現(xiàn)象較其他金屬要顯著生的溫差電現(xiàn)象較其他金屬要顯著得多，一般熱電制冷都采用半導(dǎo)體得多，一般熱電制冷都采用半導(dǎo)體材料，所以也稱之為半導(dǎo)體制冷。材料，所以也稱之為半導(dǎo)體制冷。 17:2324weisean熱電偶對(duì)熱電偶對(duì) 三級(jí)復(fù)疊式熱電堆三級(jí)復(fù)疊式熱電堆17:2325weisean磁制冷磁制冷卡諾型磁性制冷循環(huán) 基本原理基本原理絕熱變化時(shí)，系統(tǒng)的熵變?yōu)?，即S=ST+SB=0 當(dāng)絕熱

13、去磁時(shí)，即在絕熱條件下，使介質(zhì)的磁場(chǎng)迅速下當(dāng)絕熱去磁時(shí)，即在絕熱條件下，使介質(zhì)的磁場(chǎng)迅速下降為降為0時(shí)，介質(zhì)中的分子磁矩平行于外磁場(chǎng)的方向的排列時(shí)，介質(zhì)中的分子磁矩平行于外磁場(chǎng)的方向的排列狀態(tài)便不能維持，而又將逐步恢復(fù)到磁化前的混亂狀態(tài)，狀態(tài)便不能維持，而又將逐步恢復(fù)到磁化前的混亂狀態(tài)，即無(wú)序性增加，即無(wú)序性增加，SB變大（變大（SB0）。由于）。由于S =0，故，故ST0，即受熱運(yùn)動(dòng)影響的無(wú)序性減少，介質(zhì)的溫度降低。，即受熱運(yùn)動(dòng)影響的無(wú)序性減少，介質(zhì)的溫度降低。可見，絕熱去磁可以使磁介質(zhì)的溫度降低可見，絕熱去磁可以使磁介質(zhì)的溫度降低 也叫絕熱去磁制冷。也叫絕熱去磁制冷。17:2326weisean渦流管制冷渦流管制冷 1931年，法國(guó)工程師蘭克（年，法國(guó)工程師蘭克（Ranque）發(fā)現(xiàn)旋風(fēng)分離器中旋）發(fā)現(xiàn)旋風(fēng)分離器中旋轉(zhuǎn)的空氣流具有低溫，于是他在轉(zhuǎn)的空氣流具有低溫，于是他在1933年發(fā)明了一種裝置，可以年發(fā)明了一種裝置，可以使壓縮氣體產(chǎn)生渦流并能將氣流冷、熱兩部分，其中冷氣流用使壓縮氣體產(chǎn)生渦流并能將氣流冷、熱兩部分，其中冷氣流用來(lái)制冷，該裝置稱為渦流管，又叫蘭克管。這種制冷方法稱為來(lái)制冷，該裝置稱為渦流管，又叫蘭克管。這種制冷方法稱為渦流管制冷渦流管制冷 渦流管裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 17:2327weisean渦流管實(shí)物渦流管實(shí)物 17:2328