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第二讲制冷原理与设备主讲：杨东红学时安排章数学时绪论2第一章制冷方法3第二章蒸气压缩式制冷8第三章制冷剂及载冷剂4第四章蒸发器和冷凝器6第五章节流机构和辅助设备4第七章多级蒸气压缩制冷及复叠式制冷3实验2总计32第一章绪论1.制冷的定义作为一门科学，制冷是指采油人工的方法在一定时间和一定空间内将某舞厅或流体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。因此，制冷不同于自然冷却。2.明确以下概念(1)制冷剂：在制冷机中使用的工质称为制冷剂。(2)制冷机：机械制冷中所需机器和设备的总合称为制冷机。(3)制冷装置：将生产冷量的制冷机械和消耗冷量的设备结合在一起的装置。3.制冷的分类按照制冷所得到的低温范围，制冷技术划分为以下4个领域：普通制冷120K以上深度制冷120K~20K低温制冷20K~0.3K低温制冷超低温制冷0.3K以下本课程主要讲普通制冷。4.制冷技术的研究内容及理论基础制冷技术主要研究以下三个方面：(1)研究获得低温的方法和有关的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。（比如压缩式制冷）(2)研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供性能满意的工作介质。(3)研究实现制冷循环所必需的各种机械和技术设备，包括他们的工作原理、性能分析、结构设计，以及制冷装置的流程组织、系统配套设计。此外，还有热绝缘问题、制冷装置的自动化问题等等。制冷技术的理论基础主要为热工的三大基础课程，即《工程热力学》、《工程流体力学》、《传热学》。尤其是《工程热力学》，学习和从事质量工作的人员应主要在这三门课程方面打好坚实的理论基础。5.制冷技术的发展历史制冷技术的发展概括起来可分为两个阶段：（1）天然冷源的应用阶段是从古代~18世纪中期。采用的天然冷源主要是指冬季储存的天然冰和夏季使用的深井水。（2）机械制冷阶段18世纪中期~今。1755年是人工制冷史的起点。现代制冷技术作为一门科学是由19世纪中后期发展起来的，到20世纪具有更大的发展。6.制冷技术的产生背景及应用制冷是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的，是人们社会实践的结晶，并随着现代技术的发展以及人们生活水平的提高，制冷在工业、农业、建筑、航天等国民经济各个部门的作用和地位日益重要。制冷的应用几乎渗透到各个生产技术、科学领域以及人们生活的各个方面中，概括起来主要有以下几个领域：(1)商业及人民生活比如人工冰厂、空调、冰箱、冷柜以及食品的冷冻冷藏、保鲜、冷藏运输等。(2)工业生产及农牧业比如制药、啤酒、精密仪器车间等；农作物的种子进行低温处理，人工气候育秧室、蔬菜水果的保鲜等。(3)建筑工程比如挖掘隧道、建筑河堤时采用的“冻土法”。(4)科学实验研究如各种环境模拟装置中创造的人工环境。(5)医疗卫生如药品、疫苗及人体器官的冷藏保存，手术中采用低温麻醉等。(6)尖端科学领域等如微电子技术、能源、新型材料、宇宙开发等。制冷与低温技术的应用领域举例制冷在空调中的作用(1)干式冷却(2)减湿冷却(3)减湿与干式冷却混合方式1.空气调节图1-26制冷与空调的关系制冷和空调的关系相互联系又独立用人工方法构成各种人们所希望达到的环境条件，包括地面的各种气候变化和高空宇宙及其它特殊的要求。2.人工环境与制冷有关的人工环境试验有以下几种(1)低温环境试验(2)湿热试验(3)盐雾试验(4)多种气候试验(5)空间模拟试验根据对食品处理方式不同，食品低温处理工艺可分三类：(1)食品的冷藏与冷却(2)食品的冻结与冻藏(3)冷冻干燥3.食品冷冻与冷冻干燥研究低温对生物体产生的影响及应用的学科。低温生物学研究温度降低对人类生命过程的影响，以及低温技术在人类同疾病作斗争中的应用的学科。低温医学低温生物医学低温生物学和低温医学的统称。典型应用例子(1)细胞组织程序冷却的低温保存(2)超快速的玻璃化低温保存方法(3)利用低温器械使病灶细胞和组织低温损伤而坏死的低温外科。4.低温生物医学技术微波激射器必须冷到液氮或液氦温度,以使放大器元素原子的热振荡不至于严重干扰微波的吸收与发射。超导量子干涉器即SQUIDs,被用在相当灵敏的数字式磁力计和伏安表上。在MHD系统、线性加速器和托克马克装置中，超导磁体被用来产生强磁场。5.低温电子技术运用与超导电性有关的Meissner效应,用磁场代替油或空气作润滑剂,可以制成无磨擦轴承。在船用推进系统中,无电力损失的超导电机已获得应用。偏差极小的超导陀螺也已经被研制出来。时速500km/h的低温超导磁悬浮列车已经在日本投入试验运行。6.机械设计采用红外光学镜头可以拍摄热源外形，并可以对热源进行跟踪。一些红外材料往往工作在120K以下的低温下，使得热源遥感信号更为清晰，为了拍摄高灵敏度的信号往往需要更低的温度。一般红外卫星需要70-120K的低温，往往通过斯特林制冷机、脉冲管制冷机、辐射制冷器来实现。空间远红外观测则需要2K以下的温度，往往通过超流氦的冷却技术来实现。7.红外遥感技术炼钢时氧起到某些重要的作用。制取氨时也用到低温系统。压力容器加工时,将预成形的圆柱体放在冷却到液氮温度的模具中,在容器中充入高压氮气,让其扩胀15%,然后容器被从模具中移开并恢复到室温。使用这个方法,材料的屈服强度能增加4至5倍。8.加工过程目前低温技术是回收钢结构轮胎中橡胶的唯一有效的方法，这种方法采用了低温粉碎技术。利用材料在低温状态下的冷脆性能，对物料进行粉粹。低温粉碎技术材料温度降低到一定程度，材料内部原子间距显著减小，结合紧密的原子无退让余地，吸收外力使其变形的能力很差，失去弹性而显示脆性。9.材料回收所有大型的发射的飞行器均使用液氧作氧化剂。宇宙飞船的推进也使用液氧和液氢。观察研究大型粒子加速器产生的粒子的氢泡室要用到液氢。10.火箭推力系统与高能物理LHC-CERN27km超导磁体过冷态超流氦冷却第二章制冷方法制冷的方法很多，常见的主要是以下四种：液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷及其热电制冷。其中应用最广泛的就是液体汽化制冷（原理），它常见的应用形式又有以下四种：蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷和吸附式制冷。蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷是目前应用最为广泛的两种制冷方式，也是本课程所讲述的主要内容，我们会在以后的章节中着重讲述，本节只简单介绍其它的制冷方式。液体气化制冷原理§1.1蒸汽喷射式制冷原理：和蒸汽压缩式及吸收式制冷相似，均是利用液体汽化时吸收热量来制冷的。系统组成：喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀及泵五部分。系统流程图：工作过程：用锅炉产生高温高压的工作蒸汽，将其送入喷嘴，膨胀并以高速流动（流速可达1000m/s以上），于是在喷嘴出口处，造成很低的压力，由于吸入室和蒸发器相连，所以蒸发器中的压力也会很低，低温低压的部分水吸热而汽化，将未汽化的水的温度降低。这部分低温水就可用于制冷。蒸发器中产生的冷剂水蒸气和工作蒸汽在喷嘴出口处混合，一起进入冷凝器，被外部的冷却水冷却而变成液态水，这些冷凝水再由冷凝器引出，分两路，一路经过节流降压后送往蒸发器，继续蒸发制冷，另一部分用泵提高压力送往锅炉，重新加热产生工作蒸汽。蒸气喷射器的原理图特点：(1)以热能为能量的补偿形式；(2)结构简单，加工方便，无运动部件，使用寿】命长；(3)效率低。(工作蒸汽的压力高，喷射器的流动损失大。)如果要获得更低的温度，工作介质可以采用低沸点的工质，如氟利昂。§1.2吸附式制冷吸附式制冷也是以“热能”为动力的能量转换系统。工作原理：一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，并且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，使之对制冷剂交替吸附和解吸。吸附时制冷剂液体蒸发，产生制冷作用，解吸时，释放出制冷剂气体，并使之冷凝成液体，从而完成整个制冷循环。工作介质：吸附剂和制冷剂；常见的吸附工质对有：沸石——水；硅胶——水，氯化钙——氨等物理吸附化学吸附以沸石——水工质对为例说明其工作过程：白天，吸附床受日光照射温度升高产生解析作用，从沸石中脱附出水蒸汽，系统内的水蒸气压力升高，当达到与环境温度对应的饱和压力时，水蒸汽在冷凝器中凝结，同时放出潜热，凝水储存在蒸发器中，夜间，吸附床冷下来，沸石温度逐渐降低，它吸附水蒸汽的能力逐渐提高，造成系统内压力降低，同时，蒸发器中的水不断蒸发出来，用以补充沸石对水蒸汽的吸附，谁蒸发的过程吸热，达到制冷的目的。说明：吸附床的作用相当于压缩机所起的作用，单个吸附床可实现间歇制冷，如想实现连续制冷，可采用两个或多个吸附器。§1.3热电制冷热电制冷利用的是热电效应（帕尔帖效应Peltire）的原理达到制冷目的的。热电效应：是指在两种不同导体组成的闭合回路中通以直流电，当电流流过不同导体的界面时，就会使一个节点变冷，从外界吸收热量；一个节点变热，向外界放出热量，这种现象称为热电效应，即帕尔帖效应帕尔帖效应的反效应是西伯克效应（Secbeck），就是在两种导体组成的回路中，如果保持两接触点的温度不同，就会在两个接触点之间产生一个电势差——即接触电动势。因为帕尔帖效应和西伯克效应产生的强烈程度取决于这两种材料的导热性和导电性，纯金属材料的导热性和导电性都好，所以其帕尔帖效应和西伯克效应都很弱，而半导体材料可以产生强烈的帕尔帖效应和西伯克效应。空穴型（P型）材料：电子型（N型）帕尔贴效应原理图西伯克效应原理图热电制冷的原理：原理：是使压缩气体产生涡流运动并分离成冷、热两部分，其中冷气体用来制冷。组成：喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀。原理图：§1.4涡流管制冷工作过程：经过压缩并冷却到常温的气体（空气、CO2、N2等）进入喷嘴，在喷嘴中膨胀并加速到音速，从切线方向射向涡流室，形成自由涡流，自由涡轮的旋转角速度离中心越近则越大，由于角速度不同，环形气流的层与层之间产生摩擦，外层气流的角速度逐渐升高，动能增加，又由于与管壁之间的摩擦，将部分动能变成了热能，故从控制阀流出的气体具有较高的温度；而中心层部分的角速度逐渐降低，失去能量，从孔板流出时温度较低，用于制冷。控制阀的作用：控制热端管子中气体的压力，从而控制冷、热两股气流的流量和温度。控制阀全关：过程为不可逆节流过程；不存在冷热分流现象。讨论控制阀全开：涡流管相当于气体喷射器；控制阀部分开启：出现冷热分流现象。特点：(1)由于管内气流之间的传导和对流情况复杂，故对冷、热端温度值得定量地理论计算困难；(2)效率太低，气流噪声大；(3)结构简单、维护方便、启动快、使用灵活；适用于有高压气源或可以廉价获得高压气体的场合。§1.5气体膨胀制冷常用的是布雷顿制冷循环，工作过程包括：等熵压缩、等压冷、等熵膨胀及等压吸热四个过程。制冷工质有：空气、CO2、N2、He等。工作原理：飞机用空气制冷装置原理图气体节流制冷原理图2.1单级蒸气压缩制冷的理论循环1.理论循环定义：在没有任何实际损失下的制冷循环。2.条件：①无温差传热；②压缩过程是可逆绝热压缩过程即等熵过程；③管路中无任何耗损。第二章蒸气压缩式制冷装置T-S图LgP-h图3.理想制冷循环：逆卡诺循环（原理图）4.实际采用的制冷理论循环组成（原理图）：两个定压过程；一个绝热压缩过程；一个绝热节流过程。5.特点(与卡诺循环比较）：①用节流阀代替膨胀机：②损失膨胀功、产生“闪发气体”；但简化装置、便于调节，产生节流损失。③用干压缩代替湿压缩；实现“干冲程”；但耗功量、制冷量均增加，制冷系数下降。④产生过热损失蒸气压缩式制冷的理想循环蒸气压缩式制冷的理论循环2.2改善蒸气压缩制冷循环的措施节流损失过热损失再冷度过热度Pk/P08膨胀阀前液态制冷剂的再冷却；蒸气回热循环；中间冷却的多级压缩有再冷却器的蒸气压缩式制冷回热式蒸气压缩式制冷多级蒸气压缩式制冷循环2.3单级蒸气压缩式制冷理论循环的性能指标与热力计算LgP-h图•单位质量制冷量q0kJ/kgq0=h1-h4•单位容积制冷量qvkJ/m3qv=q0/v1=(h1-h4)/v1制冷剂质量流量MR=Q0/q0kg/s制冷剂体积流量VR=MRv1=Q0/qvm3/s•单位质量冷凝热qkkJ/kgqk=h