制冷技術(shù)基礎-單元7 其他制冷循環(huán)及制冷方法

制冷技術(shù)基礎

目錄單元一工程熱力學基礎單元二流體力學基礎單元三傳熱學基礎單元四制冷劑、載冷劑與冷凍機油單元五蒸氣壓縮式制冷原理單元六吸收式制冷循環(huán)單元七其他制冷循環(huán)及制冷方法單元七其他制冷循環(huán)及制冷方法制冷空調(diào)技術(shù)的進步伴隨著相關(guān)技術(shù)與制冷空調(diào)技術(shù)的結(jié)合與滲透，呈現(xiàn)出節(jié)能化、環(huán)?；?、復合化的顯著特點。制冷空調(diào)領(lǐng)域中除技術(shù)成熟、應用廣泛的蒸汽壓縮是制冷和吸收式制冷以外，還有很多新技術(shù)。本單元主要介紹其中的蒸氣噴射式制冷技術(shù)、空氣壓縮式制冷技術(shù)、混合制冷劑制冷技術(shù)、熱電制冷技術(shù)、熱聲制冷技術(shù)、熱管制冷技術(shù)、磁制冷技術(shù)、太陽能制冷技術(shù)。在這些新技術(shù)的介紹中，闡述了這些新技術(shù)的基本理論、應用這些新技術(shù)制造的制冷機，及發(fā)展和研究方向。單元七其他制冷循環(huán)及制冷方法單元目標1.能敘述蒸氣噴射式制冷、空氣壓縮式制冷、混合制冷劑制冷、熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷、磁制冷、太陽能制冷的工作原理。2.能分析蒸氣噴射式制冷、空氣壓縮式制冷、混合制冷劑制冷、熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷、磁制冷、太陽能制冷的工作流程。3.能描述蒸氣噴射式制冷、空氣壓縮式制冷、混合制冷劑制冷、熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷、磁制冷、太陽能制冷的特點和應用范圍。任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)任務概述蒸氣噴射式制冷機與吸收式制冷機一樣，同屬于液體汽化制冷的一種，并且都是依靠熱能驅(qū)動。在蒸氣噴射式制冷機中，蒸氣噴射器相當于壓縮式制冷機中的壓縮機。高壓工作蒸氣在噴射器中引射蒸發(fā)器的低壓氣態(tài)制冷劑，并使之增壓。這種設備不直接消耗機械能，并且比機械增壓設備（如壓縮機）更為簡單?？諝鈮嚎s式制冷循環(huán)是基于壓縮空氣的節(jié)流效應或絕熱膨脹效應來制取冷量的。空氣壓縮式制冷是以空氣為工質(zhì)，將常溫下較高壓力的空氣進行絕熱膨脹，從而獲得低溫低壓空氣。任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)任務目標1.能敘述蒸氣噴射式制冷、空氣壓縮式制冷的工作原理和工作流程。2.能描述蒸氣噴射式制冷、空氣壓縮式制冷的特點和應用范圍。3.會分析影響蒸氣噴射式制冷循環(huán)的因素。4.能識別不同類型的蒸汽噴射式制冷機5.能說出空氣壓縮式制冷循環(huán)的基本組成和每個部件的主要作用。任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)知識鏈接一、蒸氣噴射式制冷循環(huán)蒸汽噴射式制冷也是一種壓縮式制冷方式，所不同的是用蒸汽噴射器代替了壓縮機，利用一定壓力（一般為0.4～0.7MPa）蒸汽噴射、吸引和擴壓來實現(xiàn)對制冷劑的壓縮。它和吸收式制冷一樣，也是以消耗熱能來工作的；它與吸收式制冷的區(qū)別是：它只用單一工質(zhì)工作，因為用于噴射器工作的介質(zhì)與制冷劑是同一工質(zhì)，這樣就不存在介質(zhì)與制冷劑的分離問題，使制冷機工作過程簡化。通常用水為制冷劑，可以制取空調(diào)或生產(chǎn)工藝需要的0℃以上的低溫。近年來也用氨和氟利昂作為制冷劑，來制取0℃以下的低溫。任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)（1）噴射式制冷的工作原理任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)蒸氣噴射式制冷循環(huán)的熱力系數(shù)任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)2.影響蒸氣噴射式制冷循環(huán)的因素（1）工作蒸氣壓力的影響（2）蒸發(fā)溫度的影響（3）冷凝壓力的影響任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)3.蒸氣噴射式制冷循環(huán)的特點（1）蒸氣噴射式制冷的設備結(jié)構(gòu)簡單，金屬耗量少，造價低廉，運行可靠性高，使用壽命長，一般都不需備用設備。（2）制冷系統(tǒng)操作簡便，維修量少。（3）蒸氣噴射式制冷循環(huán)耗電量少，如果用于有較多工業(yè)余氣的場合，能節(jié)約能源。（4）蒸氣噴射式制冷以水作為制冷劑，并且根據(jù)需要可使制冷劑、載冷劑合為一體，或者采用開式循環(huán)形式。由于水具有汽化潛熱大、無毒等優(yōu)點，所以系統(tǒng)安全可靠。（5）用水作為制冷劑制取低溫時受到水的凝固點的限制，為了獲得更低的蒸發(fā)溫度，正在研制用氨、氟利昂為制冷劑的蒸氣噴射式制冷機。另外，將蒸氣噴射器與活塞式制冷壓縮機、吸收式制冷機等串聯(lián)作為低壓級，也能獲得較低的蒸發(fā)溫度。（6）蒸氣噴射器的加工精度要求較高，蒸氣噴射式制冷循環(huán)的工作蒸氣消耗量較大，制冷循環(huán)效率較低，這一切都限制了蒸氣噴射式制冷的實際應用。任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)（1）蒸汽噴射式制冷機分類蒸汽噴射式制冷機根據(jù)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的不同，可分為單效式和多效式兩種。蒸發(fā)器中只有一種蒸發(fā)溫度的，稱為單效式蒸汽噴射式制冷機；蒸發(fā)器中有兩種或多種蒸發(fā)溫度的，稱為多效式蒸汽噴射式制冷機。根據(jù)冷凝器結(jié)構(gòu)的不同，蒸汽噴射式制冷機可分為大氣式和蒸發(fā)式兩種。采用大氣式冷凝器的稱為大氣式蒸汽噴射式制冷機；采用蒸發(fā)式冷凝器的稱為蒸發(fā)式蒸汽噴射式制冷機。任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)（2）蒸汽噴射式制冷機的蒸發(fā)器任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)（3）蒸汽噴射式制冷機的冷凝器任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)1.空氣壓縮式制冷循環(huán)的工作原理空氣壓縮式制冷循環(huán)是利用高壓常溫空氣進行膨脹獲得低溫實現(xiàn)制冷?？諝獗粔嚎s，其壓力增加溫度升高。若將高壓高溫空氣在等壓下冷卻到環(huán)境介質(zhì)溫度，再進行絕熱膨脹對外作功，空氣的內(nèi)能減少，溫度降低，然后讓低壓低溫空氣吸收被冷卻物體的熱量，從而達到制冷的目的。任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)任務1蒸氣噴射式制冷循環(huán)與空氣壓縮式制冷循環(huán)3.空氣壓縮式制冷循環(huán)的特點

與蒸氣壓縮式制冷循環(huán)相比，空氣壓縮式制冷循環(huán)具有下列特點。（1）在使用溫度高于－80℃時，空氣壓縮式制冷循環(huán)的制冷系數(shù)小于蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，且溫度越高，差值越大，所以在高于—80℃范圍內(nèi)，空氣壓縮式制冷循環(huán)只用于僅需獲得冷量而不考慮能耗的特定場合。

（2）－80℃以下使用空氣壓縮式制冷循環(huán)，其制冷系數(shù)高于蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，并且易于獲得低溫。這種制冷循環(huán)降溫性能可靠，設備、系統(tǒng)簡單，所以空氣制冷是獲得—80℃~—110℃使用溫度的一種很有前途的制冷手段。（3）制冷工質(zhì)無害、無污染并容易獲得。制冷系統(tǒng)的氣密性要求低，運行可靠。（4）空氣壓縮式制冷循環(huán)的使用系統(tǒng)較靈活，對不同的使用目的和要求適應性較強。（5）利用普通低壓空氣壓縮機，有利于設備的綜合利用，也易于組成特殊容量的制冷機組。（6）制冷量容易調(diào)節(jié)，設備維護操作簡單。（7）空氣壓縮式制冷循環(huán)所采用的空氣需進行干燥和凈化處理，所以工作時噪聲較大。任務2混合制冷劑制冷循環(huán)任務概述混合制冷劑制冷循環(huán)是利用混合制冷劑作制冷工質(zhì)的壓縮式制冷循環(huán)，混合制冷劑制冷循環(huán)主要由等熵壓縮、等壓冷卻等熵膨脹、及等壓吸熱四個過程組成?；旌现评鋭┲评溲h(huán)理論性能系數(shù)較高，制冷工質(zhì)易于獲得，且成本低，對環(huán)境和大氣無污染。采用混合制冷劑制冷循環(huán)的制冷機和熱泵，還具有實際性能系數(shù)較高、轉(zhuǎn)速低、功率輸入容易、使用和維護簡便、壽命長等優(yōu)點。任務2混合制冷劑制冷循環(huán)任務目標1.能說出常用共沸制冷劑和非共沸制冷劑的熱力性質(zhì)。2.能畫出混合制冷劑單級蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)原理圖。3.會分析混合制冷劑單級蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)的工作過程。4.能總結(jié)回答混合制冷劑單級蒸氣壓縮制冷的特點任務2混合制冷劑制冷循環(huán)知識鏈接一、混合制冷劑混合制冷劑是由兩種或兩種以上的單一制冷劑按一定比例混合而成的制冷劑，可分為共沸混合物制冷劑（如R500、R501、R502等）和非共沸混合物制冷劑（如R401A、R402A等）。任務2混合制冷劑制冷循環(huán)任務2混合制冷劑制冷循環(huán)任務2混合制冷劑制冷循環(huán)任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷任務概述熱電制冷利用電能直接使熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移至高溫物體。熱電制冷裝置沒有任何機器部件，不需要明顯的工質(zhì)來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。熱聲制冷是近的二十多年出現(xiàn)的一種全新的制冷技術(shù)，是基于熱聲理論的新型熱機和制冷機。熱管是一種高效傳熱性能元件。利用熱管實現(xiàn)制冷的技術(shù)稱熱管制冷技術(shù)。熱管制冷具有低能耗、高效率、冷熱源多樣性、綠色環(huán)保的特點。實現(xiàn)人與自然和諧相處以及可持續(xù)發(fā)展。任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷任務目標1.能描述熱電效應、熱聲效應、熱管效應現(xiàn)象2.會分析熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷的工作原理。3.能說出熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷的的特點和應用前景。任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷知識鏈接一、熱電制冷熱電制冷利用電能直接使熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移至高溫物體。熱電制冷是借助于電子或空穴在運動中由勢能變化而引起能量的傳遞。熱電制冷器的熱電偶是由半導體材料組成的，所以又稱半導體制冷或“電子冷凍”。任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷3.熱電制冷的特點（1）熱電制冷不使用制冷劑，無運動部件，無污染，無噪聲，并且尺寸小，重量輕，特別適用于深潛、儀器、高壓試驗倉等有特殊要求的場合。（2）熱電制冷器參數(shù)不受空間方向的影響，即不受重力場影響，因而在航天航空領(lǐng)域中應用具有明顯的優(yōu)點。（3）作用速度快，工作可靠，使用壽命長，易控制，調(diào)節(jié)方便，可通過調(diào)節(jié)工作電流大小來調(diào)節(jié)其制冷能力，也可通過切換電流方向來改變其制冷或供暖的工作狀態(tài)。（4）目前熱電制冷的制冷量

低，效率較低，單位制冷量的能耗大，成本高。任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷4.熱電制冷的應用由于熱電制冷的上述特點，在不能使用普通制冷系統(tǒng)的特殊場合以及小容量、小尺寸的制冷工作條件下，顯示出它的優(yōu)越性，已成為現(xiàn)代制冷技術(shù)的一個重要組成部分。目前熱電制冷技術(shù)主要應用于車輛、核潛艇、驅(qū)逐艦、深潛器、減壓艙、地下建筑等特殊環(huán)境下使用的熱電空調(diào)以及冷藏的降濕裝置，各種儀器和設備中使用的小型熱電恒溫制冷器件，高真空擴散泵冷階，工業(yè)氣體含水量的測定與控制，保存血漿、疫苗、血清、藥品等藥用熱電冷藏箱與半導體冷凍刀等。任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷（1）熱聲效應

所有的熱聲產(chǎn)品的工作原理都基于所謂的熱聲效應。熱聲效應機理可以簡單描述為在聲波稠密時加入熱量，在聲波稀疏時排出熱量，則聲波得到加強；反之聲波稠密時排出熱量，在聲波稀疏時吸入熱量，則聲波得到削弱。實際的熱聲理論遠比這復雜得多。任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷（2）熱聲裝置

熱聲裝置是指利用熱聲技術(shù)的各種能量轉(zhuǎn)換功能制成的裝置，包括各種制熱機和制冷機，如利用熱聲技術(shù)的功率引擎、脈動燃燒、熱泵、制冷機和混合物分離機等，是十分廣泛的一類裝置?？偟膩碚f，熱聲裝置可以分為兩個方向，一個是熱聲發(fā)動機，將熱聲轉(zhuǎn)化為聲能，通過自激振蕩的方式實現(xiàn)的；另一個是熱聲制冷機，利用聲波泵熱，實現(xiàn)制冷，其關(guān)鍵在于聲場的相位匹配。熱聲制冷技術(shù)和熱聲制冷裝置只是熱聲技術(shù)和熱聲裝置中一個重要的分支。任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷2．熱聲制冷機及其應用（1）熱聲驅(qū)動的熱聲制冷機（2）熱聲驅(qū)動的脈管制冷（3）開式熱聲制冷和空調(diào)（4）高頻微型熱聲制冷任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷3.熱聲制冷的特點熱聲制冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)相比，熱聲制冷機具有無可比擬的優(yōu)勢：無需使用污染環(huán)境的制冷劑，而是使用惰性氣體或其混合物作為工質(zhì)，減小了因使用CFCS和HFCS對臭氧層的破壞、產(chǎn)生的溫室效應對環(huán)境的危害；其基本機構(gòu)非常簡單和可靠，無需貴重材料，成本上具有很大優(yōu)勢；無需往復運動的活塞、汽缸密封和潤滑，無運動部件，壽命長。熱聲制冷技術(shù)幾乎克服了傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的缺點，可成為下一代制冷新技術(shù)的發(fā)展方向。任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷三、熱管制冷熱管是一種在密閉管道中，使液體經(jīng)二相變化的循環(huán)流動，將熱量從一端高效地傳送到另一端的高效傳熱性能元件。通過其很小的截面積，可將大量熱量遠距離傳輸而無需外加動力，其工作溫區(qū)從－273℃一直到1000℃。熱管具有卓越的傳熱效率及可靠性、隔離性、低阻力、體積小、可控制等其他傳熱技術(shù)所不具備的優(yōu)點。在制冷空調(diào)行業(yè)由于冷熱流體間的溫差小，熱管技術(shù)更能體現(xiàn)其優(yōu)越性，使之成為實現(xiàn)制冷空調(diào)低能耗、高效率、冷熱源多樣性、走綠色空調(diào)之路的現(xiàn)實技術(shù)基礎之一，在實現(xiàn)人與自然和諧相處以及可持續(xù)發(fā)展方面，具有廣闊的發(fā)展前景。任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷任務3熱電制冷、熱聲制冷、熱管制冷2.熱管技術(shù)在制冷空調(diào)行業(yè)中的應用（1）熱管式房間空調(diào)器（2）熱管技術(shù)在房間空調(diào)器上的應用（3）熱管技術(shù)在空調(diào)熱回收上的應用任務4磁制冷、太陽能制冷任務概述利用磁性粒子系統(tǒng)在磁場的施加與去除過程中所呈現(xiàn)的磁熱效應原理的制冷稱磁制冷。磁制冷以其高效節(jié)能、無環(huán)境污染、運行可靠、尺寸小、重量輕等優(yōu)點備受關(guān)注。應用太陽能驅(qū)動實現(xiàn)制冷，稱太陽能制冷。太陽能制冷目前主要是通過光----熱轉(zhuǎn)換的方式，以熱能制冷。研究較多的是太陽能吸收式制冷、太陽能吸附式制冷和太陽能噴射式制冷。任務4磁制冷、太陽能制冷任務目標1.能敘述磁制冷的基本原理和工作過程。2.能描述太陽能噴射式制冷的特點和應用范圍。3.會分析太陽能吸附式制冷的原理。4.能說出太陽能吸收式制冷空的基本組成工作過程。任務4磁制冷、太陽能制冷知識鏈接一、磁制冷隨著蒙特利爾等協(xié)議的簽訂，制冷空調(diào)行業(yè)的環(huán)保與節(jié)能問題受到了廣泛的重視。磁制冷是一種極具開發(fā)潛力的節(jié)能環(huán)保制冷技術(shù)，以其高效節(jié)能、無環(huán)境污染、運行可靠、尺寸小、重量輕等優(yōu)點備受關(guān)注。磁制冷循環(huán)效率最大可達卡諾循環(huán)的60％，COP高達15，最大制冷量可達600W，未來磁制冷將可能替代傳統(tǒng)的氣體壓縮式制冷。任務4磁制冷、太陽能制冷任務4磁制冷、太陽能制冷任務4磁制冷、太陽能制冷（1）不同溫區(qū)磁制冷的研究①低溫區(qū)磁制冷的研究②中溫區(qū)磁制冷的研究③高溫區(qū)磁制冷的研究任務4磁制冷、太陽能制冷（2）磁制冷機的研究①Brown室溫磁制冷機②Steyert回轉(zhuǎn)式磁冷機③Zimm往復式磁制冷機④Ames旋轉(zhuǎn)式磁制冷機任務4磁制冷、太陽能制冷任務4磁制冷、太陽能制冷任務4磁制冷、太陽能制冷二、太陽能制冷太陽能是取之不盡用之不竭的一種清潔型可再生能源，其蘊含的龐大能量及長效特征令其備受科學家關(guān)注并在深入研究中實現(xiàn)了迅猛發(fā)展。太陽制冷系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景與良好的發(fā)展趨勢，是當前研究制冷技術(shù)的亮點與熱點。太陽能制冷具有大大減少電力消耗，不會造成對大氣臭氧層的破壞而產(chǎn)生環(huán)境溫室效應，熱量的供給和冷量的需求在季節(jié)和數(shù)量上高度匹配的優(yōu)點。任務4磁制冷、太陽能制冷任務4磁制冷、太陽能制冷（2）太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的工作原理太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的工作原理是利用太陽能集熱器采集熱量加熱熱水，再以熱水加熱發(fā)生器中的溶液產(chǎn)生制冷劑蒸氣，制冷劑經(jīng)過冷卻、冷凝和節(jié)流降壓在蒸發(fā)器中由液體汽化吸熱實現(xiàn)制冷，之后制冷劑蒸氣被吸收器中的吸收溶液吸收，吸收完成后再由泵加壓將含有制冷劑的溶液送入發(fā)生器進行加熱蒸發(fā)，完成一個制冷循環(huán)。任務4磁制冷、太陽能制冷（3）太陽能吸收式制冷機的應用①太陽能溴化鋰吸收式制冷機②熱管式太陽能吸制冷機任務4磁制冷、太陽能制冷2.太陽能吸附式制冷吸附式制冷同其他利相變制冷循環(huán)一樣，固體吸附劑（如沸石、活性炭等）在一定的溫度和壓力下，吸附某種制冷劑（如水、甲醇等）氣體，在另一種溫度和壓力下將其脫附出來，并使之凝為液體，而在冷卻吸附時，制冷劑液體蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷作用。吸附式制冷可以利用較低溫度的工業(yè)廢熱、太陽能等作為驅(qū)動熱源。利用太陽能作