第一章制冷方法精选PPT.ppt

第一章制冷方法第1页，本讲稿共74页制冷原理及设备课程内容制冷原理及设备课程内容 1.1.制冷方法制冷方法2.2.单级蒸气压缩式制冷循环单级蒸气压缩式制冷循环3.3.制冷剂制冷剂4.4.两级压缩和复叠式制冷循环两级压缩和复叠式制冷循环5.5.液体吸收式制冷机液体吸收式制冷机 6.6.固体吸附式制冷固体吸附式制冷 7.7.热电制冷热电制冷8.8.制冷压缩机制冷压缩机9.9.制冷机的热交换设备制冷机的热交换设备10.10.制冷机的其它辅助设备及管道制冷机的其它辅助设备及管道11.11.小型制冷装置小型制冷装置12.12.制冷站工艺设计制冷站工艺设计 一、制冷原理一、制冷原理二、制冷设备二、制冷设备2第2页，本讲稿共74页绪绪 论论 *什么叫制冷？什么叫制冷？制冷作为一门科学是指用人工的方法在一定时间和一定空制冷作为一门科学是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将物体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低间内将物体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。温。*制冷技术领域是如何划分的？制冷技术领域是如何划分的？按照制冷所得到的低温范围，制冷技术划分为：按照制冷所得到的低温范围，制冷技术划分为：120K以上，普通制冷；以上，普通制冷；I2020K，深度制冷；，深度制冷；200.3K，低温制冷；，低温制冷；0.3K以下，超低温制冷。以下，超低温制冷。3第3页，本讲稿共74页*制冷技术研究的内容制冷技术研究的内容 研究获得低温的方法、有关机理以及与此相应的制冷循研究获得低温的方法、有关机理以及与此相应的制冷循环，并对制冷循环进行热力学的分析和计算；环，并对制冷循环进行热力学的分析和计算；研究制冷剂的性质；研究制冷剂的性质；研究实现制冷循环所必须的各种机械和技术设备。研究实现制冷循环所必须的各种机械和技术设备。*制冷技术的主要理论基础是什么？制冷技术的主要理论基础是什么？热力学热力学热能与其它形式能量之间相互转换的规律以热能与其它形式能量之间相互转换的规律以及热力系的内、外条件对能量转换的影响。及热力系的内、外条件对能量转换的影响。*制冷技术的应用制冷技术的应用 商业民用商业民用食品冷冻冷藏和舒适性空调；食品冷冻冷藏和舒适性空调；工业农牧业工业农牧业工艺性空调以及育苗、育种；工艺性空调以及育苗、育种；建筑业建筑业冻土法开采土方以及隧道降温；冻土法开采土方以及隧道降温；科学实验研究科学实验研究模拟极端环境；模拟极端环境；医疗卫生医疗卫生冷冻疗法。冷冻疗法。4第4页，本讲稿共74页*制冷工业在技术上的新进展和面临的挑战制冷工业在技术上的新进展和面临的挑战（1 1）制冷领域的节能减排）制冷领域的节能减排新颖高效机器设备的开发新颖高效机器设备的开发可再生能源的利用可再生能源的利用采用冷热电三联供的分布式能量系统采用冷热电三联供的分布式能量系统（2 2）制冷剂替代）制冷剂替代（3 3）微电子和计算机技术在制冷上的应用）微电子和计算机技术在制冷上的应用（4 4）新材料在制冷产品上的应用）新材料在制冷产品上的应用5第5页，本讲稿共74页第一章第一章 制冷方法制冷方法制冷的方法很多，常见的有制冷的方法很多，常见的有 液体汽化制冷；液体汽化制冷；气体膨胀制冷；气体膨胀制冷；涡流管制冷；涡流管制冷；热电制冷。热电制冷。其中液体汽化制冷的应用最为广泛，它是利用液体其中液体汽化制冷的应用最为广泛，它是利用液体汽化时的吸热效应而实现制冷的。压缩式、吸收式、蒸汽化时的吸热效应而实现制冷的。压缩式、吸收式、蒸气喷射式和吸附式制冷都属于液体汽化制冷方式。气喷射式和吸附式制冷都属于液体汽化制冷方式。6第6页，本讲稿共74页1.1 1.1 各种制冷方法各种制冷方法1.1.11.1.1蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷 蒸蒸气气压压缩缩式式制制冷冷是是电电力力驱驱动动的的以以消消耗耗机机械械能能作作为为补补偿偿，利用液体气化的吸热效应实现制冷的。利用液体气化的吸热效应实现制冷的。蒸蒸气气压压缩缩式式制制冷冷系系统统主主要要由由制制冷冷压压缩缩机机、冷冷凝凝器器、膨膨胀胀阀阀和和蒸蒸发发器器四四个个主主要要设设备备组组成成，并并用用管管道道相相连连接接，构构成成一一个个封封闭闭的的循循环系统。环系统。制制冷冷工工质质在在系系统统内内通通过过吸吸热热、放放热热发发生生相相变变过过程程，完完成成将将热量自低温热源送往高温热源的重要使命。热量自低温热源送往高温热源的重要使命。7第7页，本讲稿共74页蒸气压缩式制冷循环工作原理蒸气压缩式制冷循环工作原理8第8页，本讲稿共74页活塞式冷水机组活塞式冷水机组9第9页，本讲稿共74页螺杆式冷水机组螺杆式冷水机组10第10页，本讲稿共74页离心式冷水机组离心式冷水机组11第11页，本讲稿共74页1.1.2 1.1.2 蒸气吸收式制冷蒸气吸收式制冷 吸收式制冷与蒸气压缩式制冷一样，都是利用液体在汽化时吸收式制冷与蒸气压缩式制冷一样，都是利用液体在汽化时要吸收热量这一物理特性来实现制冷的，不同的是蒸气压缩式制要吸收热量这一物理特性来实现制冷的，不同的是蒸气压缩式制冷是以消耗机械能作为补偿，而吸收式制冷是消耗热能作为补偿，冷是以消耗机械能作为补偿，而吸收式制冷是消耗热能作为补偿，完成热量从低温热源转移到高温热源这一过程的。完成热量从低温热源转移到高温热源这一过程的。与蒸气压缩式制冷不同，吸收式制冷的工质是两种与蒸气压缩式制冷不同，吸收式制冷的工质是两种沸点相差较大的物质组成的二元溶液，其中沸点低的物沸点相差较大的物质组成的二元溶液，其中沸点低的物质为制冷剂，沸点高的物质为吸收剂，通常称为质为制冷剂，沸点高的物质为吸收剂，通常称为“工质工质对对”。12第12页，本讲稿共74页 目目前前常常用用的的吸吸收收式式制制冷冷装装置置有有两两种种，一一种种是是氨氨吸吸收收式式制制冷冷机机，工工质质对对是是氨氨-水水溶溶液液，氨氨为为制制冷冷剂剂，水水为为吸吸收收剂剂。这这种种制制冷冷机机的的制制冷冷温温度度在在1 1-45-45范范围围之之内内，多多用用来来制制取取-15-15以以下的盐水。下的盐水。另另一一种种是是溴溴化化锂锂吸吸收收式式制制冷冷机机，其其工工质质对对是是溴溴化化锂锂-水水溶溶液液，水水为为制制冷冷剂剂，溴溴化化锂锂为为吸吸收收剂剂。溴溴化化锂锂（LiBrLiBr）是是一一种种具具有有强强烈烈的的吸吸水水能能力力的的无无色色粒粒状状结结晶晶物物，其其化化学学性性质质与与食食盐盐相相似似，性性质质稳稳定定，在在大大气气中中不不会会变变质质分分解解或或挥挥发发，沸沸点点为为12651265。溴溴化化锂锂吸吸收收式式制制冷冷机机的的制制冷冷温温度度在在00以以上上，多多用用来制取空调用冷水或为其它生产工艺过程提供冷却水。来制取空调用冷水或为其它生产工艺过程提供冷却水。13第13页，本讲稿共74页吸收式制冷循环工作原理吸收式制冷循环工作原理14第14页，本讲稿共74页吸收式制冷机吸收式制冷机15第15页，本讲稿共74页1.1.3 1.1.3 蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷 蒸气喷射式制冷与蒸气压缩式及吸收式制冷完全相同，蒸气喷射式制冷与蒸气压缩式及吸收式制冷完全相同，也也是依靠液体汽化来实现制冷的是依靠液体汽化来实现制冷的。不同的是怎样从蒸发器中抽。不同的是怎样从蒸发器中抽取蒸气，并提高其压力。取蒸气，并提高其压力。蒸气喷射式制冷系统由喷射器、冷凝器、蒸发器、节流蒸气喷射式制冷系统由喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀以及泵等组成。喷射器又由喷嘴、吸入室、扩压器三个部阀以及泵等组成。喷射器又由喷嘴、吸入室、扩压器三个部分组成。分组成。16第16页，本讲稿共74页蒸气喷射式制冷工作原理蒸气喷射式制冷工作原理17第17页，本讲稿共74页蒸气喷射式制冷循环热力过程蒸气喷射式制冷循环热力过程18第18页，本讲稿共74页蒸气喷射式制冷循环蒸气喷射式制冷循环热力过程热力过程1-21-2：工作蒸气在喷嘴中的等熵膨胀过程；：工作蒸气在喷嘴中的等熵膨胀过程；2-42-4和和3-4 3-4：等压混合过程；：等压混合过程；4-54-5：混合蒸气在扩压室等熵压缩过程；：混合蒸气在扩压室等熵压缩过程；5-65-6：冷凝器中冷凝过程，放热量：冷凝器中冷凝过程，放热量Q Qk k6-76-7：节流过程；：节流过程；7-37-3：蒸发器中吸热过程，制冷量：蒸发器中吸热过程，制冷量Q Q0 06-9-16-9-1：加热器中加热气化过程，吸热量：加热器中加热气化过程，吸热量Q Qg g19第19页，本讲稿共74页蒸气喷射式制冷循环蒸气喷射式制冷循环热力计算热力计算加热器热负荷20第20页，本讲稿共74页冷凝器热负荷循环热平衡喷射系数蒸气喷射式制冷循环蒸气喷射式制冷循环热力计算热力计算21第21页，本讲稿共74页1.1.4 1.1.4 吸附式制冷吸附式制冷 吸附式制冷系统也是以热能为动力的能量转换系统。吸附式制冷系统也是以热能为动力的能量转换系统。其原理是固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，吸附能其原理是固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，吸附能力随吸附剂温度的不同而不同。周期性地冷却和加热吸附剂，使之力随吸附剂温度的不同而不同。周期性地冷却和加热吸附剂，使之交替吸附和解吸。解吸时，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体；交替吸附和解吸。解吸时，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体；吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用。吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用。按吸附机理可分为物理吸附与化学吸附。按吸附机理可分为物理吸附与化学吸附。22第22页，本讲稿共74页23吸附式制冷的工作原理及其制冷循环的吸附式制冷的工作原理及其制冷循环的p-T-sp-T-s图图 吸附器吸附器蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器节流阀QKQgQoQh第23页，本讲稿共74页24 1-21-2过程过程：吸附床定容加热过程，吸收的显热用：吸附床定容加热过程，吸收的显热用Q Qh h表示。表示。2-32-3过过程程：吸吸附附床床定定压压脱脱附附过过程程，点点3 3表表示示脱脱附附终终了了吸吸附附床床的的状状态态，解吸态吸附率用解吸态吸附率用X Xdildil表示，脱附过程吸收的热量用表示，脱附过程吸收的热量用Q Qg g表示。表示。2-52-5过过程程：自自吸吸附附床床解解吸吸出出来来的的制制冷冷剂剂在在冷冷凝凝器器中中定定压压冷冷凝凝过过程程，此此过过程程可可以以认认为为与与2-32-3过过程程同同时时发发生生，冷冷凝凝过过程程放放出出的的热热量量用用Q Qk k表示。表示。5-65-6过过程程：冷冷凝凝液液体体经经节节流流阀阀降降压压、降降温温过过程程，释释放放出出的的显显热热用用Q Qc1c1表表示。示。6-16-1过过程程：制制冷冷剂剂液液体体在在蒸蒸发发器器中中定定压压蒸蒸发发过过程程，蒸蒸发发过过程程吸吸热热量用量用Q Qo o表示。表示。3-43-4过程过程：吸附床定容冷却过程，冷却吸附床带走的热量用：吸附床定容冷却过程，冷却吸附床带走的热量用Q Qc2c2表示。表示。4-14-1过过程程：吸吸附附床床定定压压吸吸附附过过程程，吸吸附附过过程程中中带带走走的的热热量量用用Q Qa a表示。此过程可以认为与表示。此过程可以认为与6-16-1过程同时发生。过程同时发生。第24页，本讲稿共74页25 连续回热循环连续回热循环 两两个个吸吸附附器器交交替替运运行行时时，其其中中一一台台吸吸附附器器在在吸吸附附时时可可通通过过冷冷却却水水将将一一部部分分显显热热和和吸吸附附热热传传给给另另一一台台正正在在解解吸吸的的吸吸附附器器以以实实现现回回热热，从从而而提提高高循环效率。循环效率。吸附器1吸附器2蒸发器冷凝器冷却水第25页，本讲稿共74页26 1.1.1.1.固体吸附式制冷对工质的要求固体吸附式制冷对工质的要求：（1 1）单位体积气化潜热值大；）单位体积气化潜热值大；（2 2）适当的饱和蒸汽压；）适当的饱和蒸汽压；（3 3）热稳定性能良好；）热稳定性能良好；（4 4）无毒、无污染、无腐蚀；）无毒、无污染、无腐蚀；（5 5）不可燃。）不可燃。2.2.常用吸附工质对常用吸附工质对：（1 1 1 1）物理吸附工质对：物理吸附工质对：活性炭活性炭甲烷甲烷 活性炭活性炭氨氨 沸石沸石水水 硅胶硅胶水水（2 2 2 2）化学吸附工质对：化学吸附工质对：金属吸氢材料金属吸氢材料氢氢 氯化钙氯化钙氨氨第26页，本讲稿共74页1.1.5 1.1.5 热电制冷热电制冷 热电制冷又称温差电制冷，它是热电制冷又称温差电制冷，它是利用热电效应利用热电效应(即帕尔帖效即帕尔帖效应应)的一种制冷方法的一种制冷方法。热电制冷的基本元件是电偶，由金属电桥连接两个电偶热电制冷的基本元件是电偶，由金属电桥连接两个电偶臂组成，一个电偶臂用臂组成，一个电偶臂用P型（空穴型）半导体材料制作，另一个型（空穴型）半导体材料制作，另一个电偶臂用电偶臂用N型（电子型）半导体材料制作。当通以直流电流型（电子型）半导体材料制作。当通以直流电流I时，时，半导体内的载流子在外电场作用下产生运动。由于载流子在半导体内的载流子在外电场作用下产生运动。由于载流子在半导体内和金属片内具有的势能不一样，势必在金属片与半半导体内和金属片内具有的势能不一样，势必在金属片与半导体接头处发生能量的传递及转换导体接头处发生能量的传递及转换。27第27页，本讲稿共74页 P型半导体的载流子是空穴，金属和型半导体的载流子是空穴，金属和N型半导体的载流子是电子。空穴在型半导体的载流子是电子。空穴在P型半导体内具有的势能高于在金属片内的势能，在外电场作用下，当空穴从金属型半导体内具有的势能高于在金属片内的势能，在外电场作用下，当空穴从金属流入流入P型型电偶臂时，需要吸收能量，在结点电偶臂时，需要吸收能量，在结点a处可以观察到吸热效应；当它从处可以观察到吸热效应；当它从P型电偶臂流入金型电偶臂流入金属属时，则会释放能量，在结点时，则会释放能量，在结点b处可以观察到放热效应。处可以观察到放热效应。电子的运动方向与空穴相反，电子在金属中的势能低于在电子的运动方向与空穴相反，电子在金属中的势能低于在N型半导体内的势型半导体内的势能，同理，当它从金属能，同理，当它从金属流入流入N型电偶臂时，要吸收能量，在结点型电偶臂时，要吸收能量，在结点d处可以观察到吸热处可以观察到吸热效应；当它从效应；当它从N型电偶臂流入金属型电偶臂流入金属时，会释放能量，在结点时，会释放能量，在结点c处可以观察到处可以观察到放热效应。放热效应。28第28页，本讲稿共74页n如果将电源极性互换，则电偶的制冷端与发热端也随之互换。如果将电源极性互换，则电偶的制冷端与发热端也随之互换。由此可见，电偶由此可见，电偶既可以作制冷器用既可以作制冷器用，又可又可以通过改变电以通过改变电流的方向流的方向作热泵使用作热泵使用。n热电制冷器的结构和机理热电制冷器的结构和机理显然不同于液体汽化制冷，它不显然不同于液体汽化制冷，它不需要制冷工质来实现能量的转移，每对热电偶只需零点几需要制冷工质来实现能量的转移，每对热电偶只需零点几伏电压，产生的冷量很小，所以需要将许多热电偶联成热伏电压，产生的冷量很小，所以需要将许多热电偶联成热电堆后才能使用。电堆后才能使用。n灵活性强灵活性强、使用方便可靠，非常适合于微型制冷领域或有特、使用方便可靠，非常适合于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场合。殊要求的用冷场合。29第29页，本讲稿共74页30 温差电制冷热力计算：温差电制冷热力计算：由热平衡关系式：由热平衡关系式：Q Qh h=Q Qo o+W W 系统制冷系数：系统制冷系数：o o=Q Qo o/W/W 系统热力系数：系统热力系数：h h=Q Qh h/W/W =(Q Qo o+W W)/)/W W =1+=1+o o Q Q Q Q0 0 0 0PN-+Q Q Q Qh h h h第30页，本讲稿共74页 一对电偶的制冷量是很小的，如一对一对电偶的制冷量是很小的，如一对6L7的电偶，其制冷量仅为的电偶，其制冷量仅为3.3kJ/h4.2kJ/h。可用串联、并联及串并联的方法组成多级热电堆，上一级热电堆的热端可用串联、并联及串并联的方法组成多级热电堆，上一级热电堆的热端贴在下一级热电堆的冷端，组成多级热电堆。贴在下一级热电堆的冷端，组成多级热电堆。多多级热电级热电堆的堆的结结构形式构形式（a a）串）串联联二二级热电级热电堆堆（b b）并）并联联二二级热电级热电堆（c c）串、并）串、并联联三三级热电级热电堆堆31第31页，本讲稿共74页32第32页，本讲稿共74页1.1.6 1.1.6 磁制冷磁制冷*磁制冷是利用磁热效应的制冷方式。磁制冷是利用磁热效应的制冷方式。*什么叫磁热效应？什么叫磁热效应？固体磁性物质，在受磁场作用磁化时，系统的磁有固体磁性物质，在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强序度加强(磁熵减小磁熵减小)，对外放出热量；将其去磁时，则，对外放出热量；将其去磁时，则磁有序度下降磁有序度下降(磁熵增大磁熵增大)，要从外界吸收热量。这种磁，要从外界吸收热量。这种磁性离子系统在磁场的磁化与去磁过程中所出现的热现象性离子系统在磁场的磁化与去磁过程中所出现的热现象称为磁热效应。称为磁热效应。*磁制冷是在磁制冷是在顺磁体顺磁体绝热去磁过程中获得冷效应的。绝热去磁过程中获得冷效应的。33第33页，本讲稿共74页*什么叫顺磁体？什么叫顺磁体？不同的磁介质产生的附加磁场情况不问，不同的磁介质产生的附加磁场情况不问，附加磁场附加磁场与原磁场方向相同的磁介质为顺磁体与原磁场方向相同的磁介质为顺磁体，如铁、锰；附加，如铁、锰；附加磁场与原磁场方向相反的磁介质为抗磁体，如铋、氢等。磁场与原磁场方向相反的磁介质为抗磁体，如铋、氢等。*磁热效应的热力学解释？磁热效应的热力学解释？设物体的磁矩为设物体的磁矩为M0，物体在磁场，物体在磁场H中磁矩增加中磁矩增加dM时，时，磁场对物体作功为磁场对物体作功为0HdM，该过程中物体吸热，该过程中物体吸热dQ，内能，内能增加增加dU。则由热力学第一定律有。则由热力学第一定律有:dU=dQ+0HdM34第34页，本讲稿共74页低温磁制冷低温磁制冷在在16K以下的极低温区，采用稀土顺磁盐材料实现逆卡若循环以下的极低温区，采用稀土顺磁盐材料实现逆卡若循环磁制冷装置，首先需要有超导强磁体。日磁制冷装置，首先需要有超导强磁体。日本川崎公司研究的转动式磁制冷机需要的本川崎公司研究的转动式磁制冷机需要的最大磁场强度为最大磁场强度为4.5T，制冷温度达，制冷温度达4.2一一11.5K；制冷量为；制冷量为0.12W。35第35页，本讲稿共74页室温磁制冷室温磁制冷在在20K以上低温区，采用金属釓以上低温区，采用金属釓Gd材料实现高温磁制冷材料实现高温磁制冷 布朗用布朗用7T的磁场和金属釓，按艾里克森循环的磁场和金属釓，按艾里克森循环成功地从室温制取到成功地从室温制取到-30 的低温。的低温。1-2-3-4-1为逆卡若循环，制冷量甚微；为逆卡若循环，制冷量甚微；1-2-3-4-1为艾里克森循环：为艾里克森循环：1-2为等温磁化；为等温磁化；2-3为等磁场过程（温度降低）；为等磁场过程（温度降低）；3-4为等温退磁为等温退磁(吸热制冷吸热制冷)；4-1为等磁场过程（温度上升）。为等磁场过程（温度上升）。36第36页，本讲稿共74页1.1.7 1.1.7 气体膨胀制冷气体膨胀制冷制冷原理：制冷原理：高压气体绝热膨胀时对膨胀机作功，同时气体的温高压气体绝热膨胀时对膨胀机作功，同时气体的温度降低，从而获得低温。度降低，从而获得低温。制冷工质：制冷工质：与液气化式制冷相比，空气膨胀制冷是一种没有与液气化式制冷相比，空气膨胀制冷是一种没有相变的制冷方式，所采用的工质主要是空气。也可以是相变的制冷方式，所采用的工质主要是空气。也可以是CO2，O2，N2，He等其它理想气体等其它理想气体。循环系统：循环系统：构成这种理想气体的逆向循环系统的循环型式主要构成这种理想气体的逆向循环系统的循环型式主要有定压循环，回热定压循环和定容循环。有定压循环，回热定压循环和定容循环。37第37页，本讲稿共74页定压循环定压循环 定压循环由两个等压过程和两个等熵过程组成，定压循环由两个等压过程和两个等熵过程组成，又称为布雷顿循环。又称为布雷顿循环。38第38页，本讲稿共74页单位制冷量：单位制冷量：单位制冷量：单位制冷量：单位耗功率：单位耗功率：单位耗功率：单位耗功率：制冷系数：制冷系数：制冷系数：制冷系数：定压循环热力计算定压循环热力计算压缩比：压缩比：压缩比：压缩比：39第39页，本讲稿共74页有回热的定压循环有回热的定压循环 由于这种情况下透平压缩机的入口温度升高，在相同的工作条件下，有由于这种情况下透平压缩机的入口温度升高，在相同的工作条件下，有回热的定压循环可以降低压力比。回热的定压循环可以降低压力比。40第40页，本讲稿共74页1.1.8 1.1.8 涡流管制冷涡流管制冷 涡流管制冷是使压缩气体产生涡流运动并分离涡流管制冷是使压缩气体产生涡流运动并分离成冷、热两部分，其中冷气流用来制冷。成冷、热两部分，其中冷气流用来制冷。41第41页，本讲稿共74页 涡流管装置由喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀组涡流管装置由喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀组成。涡流室将管子分为冷端、热端两部分。孔板在涡流室成。涡流室将管子分为冷端、热端两部分。孔板在涡流室与冷端管子之间，热端管子出口处装控制阀。管外为大气，与冷端管子之间，热端管子出口处装控制阀。管外为大气，喷嘴沿涡流室切向布置。喷嘴沿涡流室切向布置。42第42页，本讲稿共74页43 高压空气经喷嘴绝热膨胀后，从切线方向进入涡流室，在涡高压空气经喷嘴绝热膨胀后，从切线方向进入涡流室，在涡流室周边形成自由涡流，经过能量由内向外交换后，分离成冷、流室周边形成自由涡流，经过能量由内向外交换后，分离成冷、热量部分流体，中心部分的冷流体经孔板输出，边缘部分的热流热量部分流体，中心部分的冷流体经孔板输出，边缘部分的热流体经涡流管的另一端流出。体经涡流管的另一端流出。高压空气高压空气空气压缩机空气压缩机冷气流冷气流热气流热气流孔板孔板涡流室涡流室涡流室涡流室喷嘴喷嘴第43页，本讲稿共74页441234TSTATh TTVV定容循环定容循环 循环由两个等温过程循环由两个等温过程和两个等容组成。又和两个等容组成。又称为称为斯特林循环。斯特林循环。第44页，本讲稿共74页斯特林循环热力计算斯特林循环热力计算 单位制冷量：单位制冷量：单位制冷量：单位制冷量：q q q qO O O O=RTRTRTRTA A A A lnlnlnlnV V V V1 1 1 1/V/V/V/V2 2 2 2 单位制热量：单位制热量：单位制热量：单位制热量：q q q qK K K K=RTRTRTRTh h h h lnlnlnlnV V V V1 1 1 1/V/V/V/V2 2 2 2 热力系数：热力系数：热力系数：热力系数：h h h h=q q q qk k k k/=T T T Th h h h/T/T/T/Th h h h T T T TA A A A 45第45页，本讲稿共74页1.1.9 1.1.9 绝热放气制冷绝热放气制冷*制冷原理制冷原理 刚性容器中的高压气体在绝热放气时温度降低刚性容器中的高压气体在绝热放气时温度降低(该该过程又称焦耳膨胀过程又称焦耳膨胀)，利用此效应可以制冷。如果放气，利用此效应可以制冷。如果放气前容器中气体压力足够高，温度又很低，那么，绝热前容器中气体压力足够高，温度又很低，那么，绝热放气时残留在容器中的气体将能够降低到液化温度。放气时残留在容器中的气体将能够降低到液化温度。利用放气制冷而又连续工作的制冷机有利用放气制冷而又连续工作的制冷机有G-M循环循环制冷机和脉管制冷机。制冷机和脉管制冷机。46第46页，本讲稿共74页47 与斯特林循环一样，制冷工与斯特林循环一样，制冷工质无相变过程，始终为气态。质无相变过程，始终为气态。制冷工质一般为氦气。制冷工质一般为氦气。旋转阀ab浮塞高压气体低压气体1223旋转阀逆时针旋转50150转/分蓄冷器x*G-M循环制冷机循环制冷机 G-MG-M循循环环制制冷冷机机是是19591959年年吉吉福福特特麦麦克克季季洪洪提提出出来来的的。它它是是利利用用高高压压气气体体抽抽空空来来达达到到制制冷冷目的的。目的的。第47页，本讲稿共74页48旋转阀ab浮塞高压气体低压气体1223旋转阀逆时针旋转50150转/分蓄冷器x*状态状态1 1：低压气体与管线低压气体与管线低压气体与管线低压气体与管线a a a a、b b b b连通，空间连通，空间连通，空间连通，空间1 1 1 1、2 2 2 2均均均均为为为为0 0 0 0，空间，空间，空间，空间3 3 3 3最大，整个最大，整个最大，整个最大，整个系统处于低压状态。系统处于低压状态。系统处于低压状态。系统处于低压状态。状态状态状态状态2 2 2 2：高压气体高压气体高压气体高压气体“x x x x”点点点点与管线与管线与管线与管线a a a a连通，高压气体连通，高压气体连通，高压气体连通，高压气体进入空间进入空间进入空间进入空间1 1 1 1，浮塞向下，浮塞向下，浮塞向下，浮塞向下运动，空间运动，空间运动，空间运动，空间3 3 3 3减小，空间减小，空间减小，空间减小，空间2 2 2 2增大，空间增大，空间增大，空间增大，空间3 3 3 3的低温气的低温气的低温气的低温气体经蓄冷器一部分进入体经蓄冷器一部分进入体经蓄冷器一部分进入体经蓄冷器一部分进入空间空间空间空间2 2 2 2，一部分进入低压，一部分进入低压，一部分进入低压，一部分进入低压容器（冷量留在了蓄冷容器（冷量留在了蓄冷容器（冷量留在了蓄冷容器（冷量留在了蓄冷器内）器内）器内）器内）第48页，本讲稿共74页49旋转阀ab浮塞高压气体低压气体1223旋转阀逆时针旋转50150转/分蓄冷器x*状态状态状态状态3 3 3 3：高压气体与管线高压气体与管线高压气体与管线高压气体与管线a a a a、b b b b连通，空间连通，空间连通，空间连通，空间1 1 1 1、2 2 2 2、3 3 3 3均为高压气体，均为高压气体，均为高压气体，均为高压气体，浮塞停止运动。浮塞停止运动。浮塞停止运动。浮塞停止运动。状态状态状态状态4 4 4 4：低压气体与管线低压气体与管线低压气体与管线低压气体与管线a a a a连通，连通，连通，连通，浮塞向上运动，空间浮塞向上运动，空间浮塞向上运动，空间浮塞向上运动，空间2 2 2 2的高压的高压的高压的高压气体经蓄冷器进入空间气体经蓄冷器进入空间气体经蓄冷器进入空间气体经蓄冷器进入空间3 3 3 3。状态状态状态状态5 5 5 5：低压气体与管线低压气体与管线低压气体与管线低压气体与管线a a a a、b b b b连通，空间连通，空间连通，空间连通，空间3 3 3 3的高压气体绝热的高压气体绝热的高压气体绝热的高压气体绝热膨胀，降温制冷，空间膨胀，降温制冷，空间膨胀，降温制冷，空间膨胀，降温制冷，空间1 1 1 1、2 2 2 2、3 3 3 3压力平衡之后，浮塞停止运压力平衡之后，浮塞停止运压力平衡之后，浮塞停止运压力平衡之后，浮塞停止运动。随着旋转阀的转动，开始动。随着旋转阀的转动，开始动。随着旋转阀的转动，开始动。随着旋转阀的转动，开始下一个循环。下一个循环。下一个循环。下一个循环。第49页，本讲稿共74页50 状态状态状态状态2 2 2 2：高压气体高压气体高压气体高压气体“x x x x”点与管线点与管线点与管线点与管线a a a a连通，高压气体进入空间连通，高压气体进入空间连通，高压气体进入空间连通，高压气体进入空间1 1 1 1，浮塞向，浮塞向，浮塞向，浮塞向 下运动，空间下运动，空间下运动，空间下运动，空间3 3 3 3减小，空间减小，空间减小，空间减小，空间2 2 2 2增大，空间增大，空间增大，空间增大，空间3 3 3 3的低温气体经蓄冷器一的低温气体经蓄冷器一的低温气体经蓄冷器一的低温气体经蓄冷器一 部分进入空间部分进入空间部分进入空间部分进入空间2 2 2 2，一部分进入低压容器（冷量留在了蓄冷器内）。，一部分进入低压容器（冷量留在了蓄冷器内）。，一部分进入低压容器（冷量留在了蓄冷器内）。，一部分进入低压容器（冷量留在了蓄冷器内）。状态状态状态状态3 3 3 3：高压气体与管线高压气体与管线高压气体与管线高压气体与管线a a a a、b b b b连通，空间连通，空间连通，空间连通，空间1 1 1 1、2 2 2 2、3 3 3 3均为高压气体，浮塞停均为高压气体，浮塞停均为高压气体，浮塞停均为高压气体，浮塞停 止运动。止运动。止运动。止运动。状态状态状态状态4 4 4 4：低压气体与管线低压气体与管线低压气体与管线低压气体与管线a a a a连通，浮塞向上运动，空间连通，浮塞向上运动，空间连通，浮塞向上运动，空间连通，浮塞向上运动，空间2 2 2 2的高压气体经蓄的高压气体经蓄的高压气体经蓄的高压气体经蓄 冷器降温进入空间冷器降温进入空间冷器降温进入空间冷器降温进入空间3 3 3 3。状态状态状态状态5 5 5 5：低压气体与管线低压气体与管线低压气体与管线低压气体与管线a a a a、b b b b连通，空间连通，空间连通，空间连通，空间3 3 3 3的高压气体绝热膨胀，降温制的高压气体绝热膨胀，降温制的高压气体绝热膨胀，降温制的高压气体绝热膨胀，降温制 冷，空间冷，空间冷，空间冷，空间1 1 1 1、2 2 2 2、3 3 3 3压力平衡之后，浮塞停止运动。压力平衡之后，浮塞停止运动。压力平衡之后，浮塞停止运动。压力平衡之后，浮塞停止运动。随着旋转阀的转动，开始下一个循环。随着旋转阀的转动，开始下一个循环。随着旋转阀的转动，开始下一个循环。随着旋转阀的转动，开始下一个循环。状态状态1 1：低压气体与管线低压气体与管线低压气体与管线低压气体与管线a a a a、b b b b连通，空间连通，空间连通，空间连通，空间1 1 1 1、2 2 2 2均为均为均为均为0 0 0 0，空间，空间，空间，空间3 3 3 3最大，最大，最大，最大，整个系统处于低压状态。整个系统处于低压状态。整个系统处于低压状态。整个系统处于低压状态。第50页，本讲稿共74页51 高压气体进来，气体活塞向右运动，压缩气体，产生热量。关闭高压气体进来，气体活塞向右运动，压缩气体，产生热量。关闭高压进气阀，打开低压排气阀，气体活塞向左运动，气体膨胀吸热制高压进气阀，打开低压排气阀，气体活塞向左运动，气体膨胀吸热制冷。冷。冷却水冷却水热端换热器热端换热器冷端换热器冷端换热器气体活塞气体活塞回热器回热器切换阀切换阀高压气体高压气体低压气体低压气体脉管脉管 脉脉管管制制冷冷机机是是19631963年年由由吉吉福福特特麦麦克克季季洪洪提提出出来来的的。它它是是利利用用高高压压气气体体膨膨胀胀来达到制冷目的的。来达到制冷目的的。脉管制冷机脉管制冷机第51页，本讲稿共74页1.1.10 1.1.10 电化学制冷电化学制冷制冷原理：制冷原理：利用化学反应伴随的热效应来制取冷量。利用化学反应伴随的热效应来制取冷量。例如例如FeCl2电解液在电极上发生氧化一还原反应时：电解液在电极上发生氧化一还原反应时：在负极板发生氧化反应，放热；在正极板上发生还原反应，在负极板发生氧化反应，放热；在正极板上发生还原反应，吸热。将两个极板各置于一个电解槽中，并用泵使电解液在两个槽吸热。将两个极板各置于一个电解槽中，并用泵使电解液在两个槽中循环，则负极板所处的槽为高温槽；正极板所处的槽为低温槽，中循环，则负极板所处的槽为高温槽；正极板所处的槽为低温槽，产生制冷作用。产生制冷作用。52第52页，本讲稿共74页1.1.11 1.1.11 空调用蒸发冷却技术空调用蒸发冷却技术n蒸发冷却是一种节能、环保的冷却技术。使用的介质为水蒸发冷却是一种节能、环保的冷却技术。使用的介质为水和空气，不会产生环境污染。和空气，不会产生环境污染。1.直接蒸发冷却直接蒸发冷却 以水和空气为介质，水在隔热容器内直接与以水和空气为介质，水在隔热容器内直接与未饱和空气（称为二次空气）热、质交换时，一部分水蒸发，所吸未饱和空气（称为二次空气）热、质交换时，一部分水蒸发，所吸收的热量使空气和水的温度降低，产生冷却效应。收的热量使空气和水的温度降低，产生冷却效应。2.间接蒸发冷却间接蒸发冷却 将水和二次空气直接接触后产生的低温空将水和二次空气直接接触后产生的低温空气和低温水与另一股空气（称为一次空气）换热，使其温度降气和低温水与另一股空气（称为一次空气）换热，使其温度降低。低。53第53页，本讲稿共74页1.2 1.2 制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理 热力学第一定律解决了热能与机械能在转换过程中能量守热力学第一定律解决了热能与机械能在转换过程中能量守恒问题，热力学第二定律解决了热力过程中的方向问题。自然恒问题，热力学第二定律解决了热力过程中的方向问题。自然界所有的热力过程必须符合热力学第一定律，但符合热力学第界所有的热力过程必须符合热力学第一定律，但符合热力学第一定律的过程不一定都可以实现，只有符合热力学第一定律又一定律的过程不一定都可以实现，只有符合热力学第一定律又符合热力学第二定律的热力过程才能实现。符合热力学第二定律的热力过程才能实现。54第54页，本讲稿共74页55STTkTo1234 在热力学中，把由互相交替在热力学中，把由互相交替的两个等温过程和两个绝热过程的两个等温过程和两个绝热过程组成的正向循环，称为卡诺循环。组成的正向循环，称为卡诺循环。它是工作在一个恒温热源和一个它是工作在一个恒温热源和一个恒温冷源之间的理想热机循环。恒温冷源之间的理想热机循环。与卡诺循环路径相同方向相反与卡诺循环路径相同方向相反的循环，称为逆卡诺循环。逆卡诺的循环，称为逆卡诺循环。逆卡诺循环是可逆的理想制冷循环。循环是可逆的理想制冷循环。逆卡诺循环逆卡诺循环第55页，本讲稿共74页逆卡诺循环热力计算逆卡诺循环热力计算 1kg制冷剂从低温热源吸取热量制冷剂从低温热源吸取热量q0，消耗的循环净功为，消耗的循环净功为，向高温热源放出热量，向高温热源放出热量qk。根据热力学第一定律：根据热力学第一定律：qk=q0+制冷循环的制冷系数：制冷循环的制冷系数：56第56页，本讲稿共74页结结 论论 逆卡诺循环的制冷系数与制冷工质的性质无关，逆卡诺循环的制冷系数与制冷工质的性质无关，仅仅取决于低温热源的温度仅仅取决于低温热源的温度To和高温热源的温和高温热源的温 度度 Tk。逆卡诺循环的制冷系数与两热源温度的接近程逆卡诺循环的制冷系数与两热源温度的接近程 度有关，度有关，Tk越低，越低，To越高，制冷系数越大，制越高，制冷系数越大，制 冷循环的经济性越好。冷循环的经济性越好。57第57页，本讲稿共74页热力完善度热力完善度 定义：定义：通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数数与逆卡诺循环的制冷系数与逆卡诺循环的制冷系数o的比值，称为该不可逆循环的热的比值，称为该不可逆循环的热力完善度，用力完善度，用表示，即表示，即 热力完善度用来表示实际制冷循环接近逆卡诺循环热力完善度用来表示实际制冷循环接近逆卡诺循环的程度，它的值愈接近的程度，它的值愈接近1，说明实际循环的不可逆程度愈小，说明实际循环的不可逆程度愈小，循环的经济性愈好。循环的经济性愈好。58第58页，本讲稿共74页 越大，说明循环越好，热力学的不可逆损失越小；反之，越大，说明循环越好，热力学的不可逆损失越小；反之，越小，则说明循环中热力学不可逆损失越大，循环经济越小，则说明循环中热力学不可逆损失越大，循环经济型越差。型越差。一般说来，压缩式制冷机的循环经济性最好；吸收式次之；一般说来，压缩式制冷机的循环经济性最好；吸收式次之；热电式最次。热电式最次。59第59页，本讲稿共74页1.3 1.3