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制冷与低温技术原理第1章绪论 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第第 1 1 章章 绪绪 论论内容要求：制冷的基本概念 制冷和低温技术的研究内容 制冷和低温技术的应用 制冷和低温技术的发展历史 制冷和低温技术的热力学基础1.1 制冷的基本概念制冷的基本概念 1.1.1 制冷制冷:是指用是指用人工的方法人工的方法在一定时间和一定空间内将在一定时间和一定空间内将 某物体冷却，使其温度降低到环境温度以下，并保某物体冷却，使其温度降低到环境温度以下，并保 持这个温度。持这个温度。（1）制冷不同于自然冷却。制冷不同于自然冷却。（2）制冷的实现必须包括消耗能量的补偿）制冷的实现必须包括消耗能量的补偿 过程。过程。说明说明（3）制冷就是从物体中吸取热量，并将）制冷就是从物体中吸取热量，并将 热量排放到环境介质中去，以产生热量排放到环境介质中去，以产生 低于环境温度的过程。低于环境温度的过程。1.1.2 制冷机：制冷机：机械制冷中所必须的机器和设备的总和。机械制冷中所必须的机器和设备的总和。1.1.3 制冷设备：制冷设备：压缩式制冷机：压缩式制冷机：压缩机压缩机压缩机压缩机 蒸发器蒸发器蒸发器蒸发器 冷凝器冷凝器冷凝器冷凝器节流机构节流机构节流机构节流机构辅助设备辅助设备辅助设备辅助设备 发生器发生器发生器发生器 蒸发器蒸发器蒸发器蒸发器 冷凝器冷凝器冷凝器冷凝器节流机构等节流机构等节流机构等节流机构等 吸收器吸收器吸收器吸收器 吸收式制冷机：吸收式制冷机：1.1.4 制冷剂：制冷剂：制冷机中所使用的工作介质。制冷机中所使用的工作介质。（1）制冷剂在制冷机中循环流动，同时与）制冷剂在制冷机中循环流动，同时与 外界发生能量交换，即不断地从被冷外界发生能量交换，即不断地从被冷 却介质中吸取热量，向环境放出热量，却介质中吸取热量，向环境放出热量，从而实现制冷的目的。从而实现制冷的目的。（2）制冷剂必须在工作温度范围内能够制冷剂必须在工作温度范围内能够 汽汽化和冷凝。化和冷凝。1.1.5 制冷循环制冷循环:制冷剂一系列状态变化过程的综合。制冷剂一系列状态变化过程的综合。说明说明 1.1.6 制冷技术划分领域制冷技术划分领域图图1-1 1-1 低温温度范围低温温度范围 按照所获得的温度：按照所获得的温度：普通制冷普通制冷普通制冷普通制冷 120K 120K以上以上以上以上 深度制冷深度制冷深度制冷深度制冷 1200.3K 1200.3K 超低温制冷超低温制冷超低温制冷超低温制冷 0.3K 0.3K以下以下以下以下 学术用语的统一学术用语的统一学术用语的统一学术用语的统一120K-80K120K-80K液化天然气温度（液化天然气温度（LNGLNG温度）温度）空气分离温度（氮，氧，氩）空气分离温度（氮，氧，氩）100K 100K 60K-63K 60K-63K 氮温度（氮液化温度）氮温度（氮液化温度）22K-14K 22K-14K 氢温度（氢液化温度）氢温度（氢液化温度）5.2K-1K 5.2K-1K 氦氦-4-4温度，氦温度，氦-3-3温度温度 （液（液4 4He,He,液液3 3HeHe温度温度)2K 2K 氦氦-4-4负压抽气负压抽气,得超流氦相得超流氦相 He-IIHe-II 1K 1K以下以下 超低温（超低温（ULTULT）1.2 制冷和低温技术的研究内容制冷和低温技术的研究内容研究内容概括为四个方面：研究内容概括为四个方面：研究获得低于环境温度的方法，机理以及与此相研究获得低于环境温度的方法，机理以及与此相应的循环，并对循环进行热力学分析和计算。应的循环，并对循环进行热力学分析和计算。研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供合适的工研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供合适的工 作介质。作介质。研究所需的各种机械和设备，包括它们的工作原研究所需的各种机械和设备，包括它们的工作原 理，性能分析，结构设计，热绝缘问题，装置的理，性能分析，结构设计，热绝缘问题，装置的 自动化问题等。自动化问题等。研究气体的液化和分离技术。研究气体的液化和分离技术。1.3 制冷和低温技术的应用制冷和低温技术的应用 商业及人民生活商业及人民生活商业及人民生活商业及人民生活 工业生产及农牧业工业生产及农牧业工业生产及农牧业工业生产及农牧业 建筑工程建筑工程建筑工程建筑工程 科学研究科学研究科学研究科学研究 医疗卫生医疗卫生医疗卫生医疗卫生 空间技术空间技术空间技术空间技术 低温物理研究低温物理研究低温物理研究低温物理研究 商业及人民生活商业及人民生活商业及人民生活商业及人民生活 商业制冷：各类食品的冷加工，冷藏储存，冷藏运输商业制冷：各类食品的冷加工，冷藏储存，冷藏运输商业制冷：各类食品的冷加工，冷藏储存，冷藏运输商业制冷：各类食品的冷加工，冷藏储存，冷藏运输食品冷加工车间食品冷加工车间食品冷加工车间食品冷加工车间冷库物流冷库物流冷库物流冷库物流冷藏车冷藏车冷藏车冷藏车冷藏库冷藏库冷藏库冷藏库冷柜冷柜冷柜冷柜冷柜冷柜冷柜冷柜 空气调节空气调节空气调节空气调节:为人们创造适宜的生活和工作环境为人们创造适宜的生活和工作环境为人们创造适宜的生活和工作环境为人们创造适宜的生活和工作环境柜式家用空调柜式家用空调柜式家用空调柜式家用空调中央空调中央空调中央空调中央空调组合中央空调组合中央空调组合中央空调组合中央空调户式中央空调户式中央空调户式中央空调户式中央空调家庭中央空调家庭中央空调家庭中央空调家庭中央空调风柜空调风柜空调风柜空调风柜空调工业生产及农牧业工业生产及农牧业工业生产及农牧业工业生产及农牧业 工业空调工业空调工业空调工业空调六轴五联动车铣加工精密零件六轴五联动车铣加工精密零件六轴五联动车铣加工精密零件六轴五联动车铣加工精密零件 发动机低温测试发动机低温测试发动机低温测试发动机低温测试 计算机房温度计算机房温度计算机房温度计算机房温度20-3020-3020-3020-30 球铁马氏体球铁马氏体球铁马氏体球铁马氏体 农牧业农牧业农牧业农牧业春春春春 化化化化闷麦法闷麦法闷麦法闷麦法 交通运输业交通运输业交通运输业交通运输业压缩天然气单燃料城市客车压缩天然气单燃料城市客车压缩天然气单燃料城市客车压缩天然气单燃料城市客车 建筑工程建筑工程建筑工程建筑工程 冻土挖掘冻土挖掘冻土挖掘冻土挖掘 英吉利海峡隧道英吉利海峡隧道 英吉利海峡隧道英吉利海峡隧道 科学研究科学研究科学研究科学研究 NASANASA模拟月球环境进行登陆勘测演练模拟月球环境进行登陆勘测演练模拟月球环境进行登陆勘测演练模拟月球环境进行登陆勘测演练 云雾室云雾室云雾室云雾室 医疗卫生医疗卫生医疗卫生医疗卫生 空间技术空间技术空间技术空间技术 液氮罐液氮罐液氮罐液氮罐火箭推进器火箭推进器火箭推进器火箭推进器 低温物理研究低温物理研究低温物理研究低温物理研究 低温声学，低温光学，低温电子学等。低温声学，低温光学，低温电子学等。低温声学，低温光学，低温电子学等。低温声学，低温光学，低温电子学等。超导现象。超导现象。超导现象。超导现象。1.4 制冷和低温技术的发展历史制冷和低温技术的发展历史 现代制冷技术是现代制冷技术是1818世纪后期发展起来的世纪后期发展起来的 1755年，爱丁堡化学教授年，爱丁堡化学教授William Cullen利用乙醚蒸发利用乙醚蒸发 使水结冰；他的学生使水结冰；他的学生Black提出潜热概念，发明了冰量热提出潜热概念，发明了冰量热 器，标志着现代制冷技术的开始。器，标志着现代制冷技术的开始。1834年，美国发明家年，美国发明家 Perkins造出了第一台乙醚为工质造出了第一台乙醚为工质 的蒸汽压缩式制冷机。的蒸汽压缩式制冷机。1875年，氨为制冷剂的蒸汽压缩式制冷机产生。年，氨为制冷剂的蒸汽压缩式制冷机产生。1844年，美国医生年，美国医生 Gorrie发明了空气循环式制冷机，为发明了空气循环式制冷机，为 患者建立了一座空调站。患者建立了一座空调站。1859年年，Curre发明了氨水吸收式制冷系统，并申请了原发明了氨水吸收式制冷系统，并申请了原 理专利。理专利。普冷方面普冷方面普冷方面普冷方面 1910年，年，Maurice发明了蒸汽喷射式制冷系统。发明了蒸汽喷射式制冷系统。1910年，第一台家用冰箱问世。年，第一台家用冰箱问世。1930年，氟利昂制冷工质出现。年，氟利昂制冷工质出现。20世纪后，制冷技术有了更大的发展，热泵列入制冷技术世纪后，制冷技术有了更大的发展，热泵列入制冷技术 范畴。范畴。低温方面低温方面低温方面低温方面 1877年，年，Louis Cailletet 液化了氧气。液化了氧气。1895年，年，Linde 液化了空气。液化了空气。1898年，年，Dewar 液化了氢气。液化了氢气。1908年年，K.Onnes 液化了氦气。液化了氦气。1934年，年，Kapitsa 发明了氦液化器。发明了氦液化器。1947年，柯林斯采用双膨胀机于氦的预冷。年，柯林斯采用双膨胀机于氦的预冷。1926年，年，P.Debye 和和 W.F.Giauque 分别提出了用顺磁盐分别提出了用顺磁盐 绝热退磁的方法获取低温，绝热退磁的方法获取低温，1933年可获得年可获得0.25K。1950年，年，Pomeranchuk 提出利用压缩液态提出利用压缩液态3He 的绝热固化的绝热固化 方法获取低温，方法获取低温，1965年获得年获得0.018K，1978年获得年获得0.001K。1951年，年，H.London 发明了发明了3He-4He 混合液稀释制冷法，混合液稀释制冷法，可获得低温可获得低温410-3K。1956年，年，N.Kurti 和和 F.Simon 提出了核子绝热去磁的方法提出了核子绝热去磁的方法 获得更低温，在获得更低温，在1956年用该方法可获得年用该方法可获得210-5K，1963年可获得年可获得1.2K。超低温方面超低温方面超低温方面超低温方面 微电子和计算机技术的应用：微电子和计算机技术的应用：基础研究：计算机仿真技术用于循环研究基础研究：计算机仿真技术用于循环研究;制冷产品的设计制造：应用计算机广泛用于产品的辅助；制冷产品的设计制造：应用计算机广泛用于产品的辅助；综合技术：高级自动控制系统。综合技术：高级自动控制系统。新材料在制冷产品中的应用：新材料在制冷产品中的应用：陶瓷及陶瓷复合物，聚合材料的使用。陶瓷及陶瓷复合物，聚合材料的使用。机器，设备的发展：机器，设备的发展：压缩机的发展；压缩机的发展；低温机器和设备的开发；低温机器和设备的开发；气体分离设备，热交换器以及低温恒温器的进展。气体分离设备，热交换器以及低温恒温器的进展。新制冷剂的研究：新制冷剂的研究：氟利昂工质，共沸混合工质，非共沸混合工质；氟利昂工质，共沸混合工质，非共沸混合工质；氟利昂的替代工质。氟利昂的替代工质。突破性的进展和挑战突破性的进展和挑战突破性的进展和挑战突破性的进展和挑战1.5.1 基本概念基本概念1.工质；工质；2.热力系统；热力系统；3.状态参数；状态参数；4.温度；温度；5.压力；压力；6.比体积和密度；比体积和密度；7.热力学能；热力学能；8.焓；焓；9.熵；熵；10.热量，热流量；热量，热流量；11.功量，功率；功量，功率；12.比热容；比热容；13.过程和循环；过程和循环；14.显热，潜热；显热，潜热；15.节流。节流。课堂问题课堂问题1 1；节流过程的特点？节流过程的特点？1.5 制冷的热力学原理制冷的热力学原理1.5.2 坐标图坐标图 常见的坐标图有：常见的坐标图有：P-v图，图，T-s图，图，P-h图。图。课堂问题课堂问题2 2：思考水蒸气在不同：思考水蒸气在不同压力下产生过程的坐标图表示。压力下产生过程的坐标图表示。1.5.3 热力循环和制冷循环热力循环和制冷循环课堂问题课堂问题3 3：分析卡诺循环和卡诺定理。分析卡诺循环和卡诺定理。1.5.4 性能系数性能系数 COP（Coefficient of Performance）经济指标经济指标=得到的收益得到的收益/所花费的代价所花费的代价机械能或电能驱动的制冷机机械能或电能驱动的制冷机（蒸汽压缩式，热电式）（蒸汽压缩式，热电式）热能驱动的制冷机热能驱动的制冷机（吸收式，蒸汽喷射式，吸附式）（吸收式，蒸汽喷射式，吸附式）1.1.制冷系数：制冷系数：制冷系数：制冷系数：2.2.热力系数：热力系数：热力系数：热力系数：3.可逆制冷机的性能指标可逆制冷机的性能指标 机械能或电能驱动机械能或电能驱动 （蒸汽压缩式，热电式）（蒸汽压缩式，热电式）热能驱动热能驱动（吸收式，蒸汽喷射式，吸附式）（吸收式，蒸汽喷射式，吸附式）4.制冷循环效率制冷循环效率 （1）COP 和和都是反映制冷循环经济性能的指标，都是反映制冷循环经济性能的指标，但含义不同但含义不同:COP反映了制冷循环中收益能与补偿能在数量上的比值，反映了制冷循环中收益能与补偿能在数量上的比值，不涉及二者的能量品位。不涉及二者的能量品位。COP1,=1,2 2 3 3，压缩式制冷机循环经济性能最好，吸收式次之，压缩式制冷机循环经济性能最好，吸收式次之，压缩式制冷机循环经济性能最好，吸收式次之，压缩式制冷机循环经济性能最好，吸收式次之，热电式最差。热电式最差。热电式最差。热电式最差。结论结论1.5.5 热泵热泵1.制冷机与热泵制冷机与热泵:热力学上无区别热力学上无区别,工作循环都是逆向循环。工作循环都是逆向循环。使用目的不同，热泵的目的是向高温热源释放热量。使用目的不同，热泵的目的是向高温热源释放热量。工作温度区域不同。工作温度区域不同。泵热系数泵热系数2.热泵的性能系数热泵的性能系数：泵热系数恒大于泵热系数恒大于1。说明说明 性能指标性能指标COP=供热量供热量/补偿能补偿能思考思考题题1.试分析：在炎热的夏天，把室内的冰箱门打开，试分析：在炎热的夏天，把室内的冰箱门打开，2.可以起到空调的作用，降低室内温度。此观点可以起到空调的作用，降低室内温度。此观点3.是否正确。是否正确。2.回答什么是热效率，制冷系数，泵热系数，回答什么是热效率，制冷系数，泵热系数，3.它们的数值：大于它们的数值：大于1，等于，等于1，还是小于，还是小于1。