第五章其它制冷循环.

其它制冷循环1压缩式气体制冷循环2气体涡流制冷3热电制冷4固体吸附制冷历史上第一次实现的气体制冷机是以空气作为工质的，并且称为空气制冷机压缩式空气制冷机的工作过程也是包括等熵压缩，等压冷却，等熵膨胀及等压吸热四个过程这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相近，其区别在于工质在循环过程中不发生集态改变1压缩式气体制冷循环2气体涡流制冷一、气体涡流制冷原理气体涡流制冷是一种借助涡流管的作用使高速气流产生旋涡分离出冷、热两股气流，而利用冷气流获得冷量的方法。涡流管制冷装置涡流管（VortexTube）现象在1922年由一个法国学生所发现，在1960年以后涡流管开始被商业应用，经过几十年的发展和各国工程师的努力，涡流管技术如今已是非常成熟，并在全世界范围内得到广泛应用涡流管制冷•涡流管制冷器是一种结构简单的制冷装置，涡流冷却效应的实质是利用人工方法产生漩涡，使气流分为冷热两部分。利用分离出来的冷气流即可制冷.图涡流管制冷装置1－喷嘴2－孔板3－涡流室4－控制阀气体涡流制冷原理经过压缩并冷却到室温的气体(通常是用空气，也可以用其他气体如二氧化碳、氨等)进入喷嘴内膨胀以后以很高的速度切线方向进入涡流室，形成自由涡流，经过动能的交换并分离成温度不相同的两部分，中心部分的气流经孔板流出，即冷气流；边缘部分的气体从另一端经控制阀流出，即热气流。所以涡流管可以同时得到冷热两种效应根据试验当高压气体的温度为室温时，冷气流的温度可达（－50～－10）℃，热气流的温度可达（100～130）℃。控制阀是用来改变热端管子中气体的压力，因而可调节两部分气流的流量比，从而也改变了他们的温度。图4-16带回热器的涡流管冰箱系统1－干燥器2－冷（冰）箱3－涡流管4－喷射器5－回热器为了提高涡流管制冷效率，可在系统中增加回热器、干燥器、喷射器等设备它不仅可降低进涡流管气体的温度，也可降低冷气流的压力，从而降低冷气流的温度，提高涡流管制冷的经济性压缩空气经干燥器干燥后进入回热器，被由冷箱中排出的冷气流冷却后进入涡流管，获得更低温度的冷气流进入冷箱中。由涡流管内排出的热气流，经喷射器内喷嘴膨胀，造成一真空，吸出由冷箱出来的气体。经回热器升温后的气流，再经喷射器内的扩压器，压力升高后排入大气涡流管制冷的特点：1、涡流管靠压缩空气驱动，非电气设备，纯机械结构，内部无化学物、无污染可能；2、运行可靠，免维护，使用成本很低，涡流管内部无任何活动件、无磨损可能，寿命长达10年以上；3、涡流管材质为不锈钢，耐腐蚀、体积小，重量仅约0.5公斤。涡流管应用：1、制造业：塑料或金属加工、木材加工、焊接件、热封件、模具加工等冷却；2、实验室里用于产生特定低温的气体；3、电子元器件、仪表、开关和温度调节装置等的冷却；4、其它制冷应用，如辅助人工造雪等。美国太空总署NASA利用风洞排气为工作介质的涡流管空调系统，制冷量达到281.35kW。（1）从涡流管出来的冷气直接注入工作人员的保护服来改善操作者的工作环境，涡流管有控制调节旋钮，用来调节制冷量和温度。用涡流管可以做成适应不同工作环境下的空调防护服使用范围更宽。（2）涡流管还可以直接用于冷却电子元件，以防止设备过热引起的控制失灵，使设备可靠运行。3热电制冷热电制冷(亦名温差电制冷、半导体制冷或电子制冷)是以温差电现象为基础的制冷方法，它是利用“塞贝克”效应的逆反应——珀尔帖效应的原理达到制冷目的。塞贝克效应就是在两种不同金属组成的闭合线路中，如果保持两接触点的温度不同，就会在两接触点间产生一个电势差——接触电动势。同时闭合线路中就有电流流过，称为温差电流。反之，在两种不同金属组成的闭合线路中，若通以直流电，就会使一个接点变冷，一个变热，这称为珀尔贴效应，亦称温差电现象半导体材料内部结构的特点，决定了它产生的温差电现象比其他金属要显著得多，所以热电制冷都采用半导体材料，亦称半导体制冷二、热电制冷原理二、热电制冷原理图所示，当电偶通以直流电流时，P型半导体内载流子(空穴)和N型半导体内载流子(电子)在外电场作用下产生运动，并在金属片与半导体接头处发生能量的传递及转换。如果将电源极性互换，则电偶对的制冷端与发热端也随之互换。当电偶对通以直流电I时，因珀尔贴效应产生的吸热量与电流I成正比式中——珀尔贴系数IQ它与导体的物理化学性质有关三、热电制冷与机械压缩式制冷比较热电制冷中，热电堆起到压缩机的作用，冷端与热端交换器相当于蒸发器与冷凝器。一对电偶的制冷量是很小的，如φ6xL7的电偶对,其制冷量仅为3.3～4.2kJ/h为了获得较大的冷量可将很多对电偶对串联成热电堆，称单级热电堆七、多级热电制冷循环图4单级热电堆将数十个乃至数百个热电电偶串联，将冷端排在一起，热端排在一起，组成热电堆，称单级热电堆，借助热交换器等各种传热手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度，把热电堆的冷端放到被冷却系统中去吸热降温，这就是单级热电堆式半导体制冷器的工作原理。单级热电堆产生的温差约为50℃，为了获得更低的温度或更大的温差可采用多级热电堆式半导体制冷。它是由单级热电联结而成。联结的方式有串联、并联及串并联。其中二级、三级热电堆式半导体制冷最为常见半导体制冷设备的特点及应用1、半导体制冷设备的特点及应用不用制冷剂无机械传动部分冷却速度和制冷温可任意调节可将冷热端互换体积和功率都可做得很小2、半导体制冷的用途方便的可逆操作可做成家用冰箱，或小型低温冰箱可制成低温医疗器具可对仪器进行冷却可做成零点仪汽车冰箱：CPU冷却装置七彩虹半导体制冷X1950PRO饮水机电子冰胆实验装置4固体吸附制冷某些固体物质在一定的温度及压力下，能吸附某种气体或水蒸气，在另一温度及压力下，又能将它释放出来。这种吸附与解吸的过程引起的压力变化，相当于制冷压缩机的作用。一、吸附剂适宜于工业应用的吸附剂，应具有以下性质：（1）对吸附质有高的吸附能力；（2）再生和多次使用；（3）有足够的机械强度：（4）化学性质稳定；（5）容易制取且价格便宜。吸附剂目前，用于吸附制冷的固体吸附剂有：1、硅胶2、活性氧化铝3、沸石分子筛4、活性炭1.对吸附剂的要求适宜于工业应用的吸附剂，应具有以下性质：比表面积大，内部具有网络结构的微孔通道；再生和多次使用；吸附容量大，而且在30-100℃间对温度比较敏感；吸附力小，再生温度低，活化后吸附物的残留少；吸附热小，循环经济性高；吸附速度快，较易达到吸附平衡；比热容小，导热系数高；化学性质稳定，与吸收物接触无破坏作用；有足够的机械强度：气流阻力小容易制取且价格便宜。吸附式制冷系统的特点•具有不耗电、无任何运动部件、系统简单、没有噪声、无污染、不需维修、寿命长、安全可靠、投资回收期短、对大气臭氧层无破坏作用等一系列优点。•另外，还可利用吸附剂吸附吸附质时所放出的吸附热，提供家庭用热水和冬季采暖用热源。•缺点是循环属于间歇性的，热力状态不断地发生变化，难以实现自动化运行；对能量的贮存也较困难，特别是太阳能吸附式制冷系统，太阳能的波动会进一步影响到系统的循环特性。•吸附剂的寿命有待提高。应用实例：-世博国家电网馆世博国家电网馆变压器余热驱动空调技术应用：110kV变压器冷却余热驱动两台吸附式制冷机组，设计工况下，热水温度为60～65℃，制冷量达到10kW以上。承担变电站的部分空调冷负荷。二、吸附制冷循环闭式吸附制冷循环吸附式制冷•吸附制冷系统是以热能为动力的能量转换系统。•其道理是：一定的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，使之交替吸附和解析。解析时，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体；•吸附时，制冷级液体蒸发，产生制冷作用.图4-8吸附式制冷系统原理1－吸附剂容器2、5－单向阀3－冷凝器4－贮液器三、吸附制冷循环的应用1.白天，阀门关闭，工质部分脱附，至冷凝压力；2.开阀门，工质继续脱附，冷凝，液体进入蒸发器；3.闭阀门，晚上，吸附器被冷却，压力下降至蒸发压力；4.开阀门，蒸发器蒸发，蒸汽进入吸附器被吸附。（1）基本型吸附式制冷循环间歇式吸附式制冷系统（太阳能制冷机）蒸气喷射式制冷机也是一种压缩式制冷，不同的是用蒸汽喷射器代替压缩机，也是以消耗热能来工作的，利用一定压力蒸汽喷射、吸引和扩压来实现制冷剂的压缩。虽然从理论上谈可应用一般的制冷剂作为工质,但到目前为止，只有以水为工质的蒸气喷射式制冷机得到实际应用。当用水为工质所制取的低温必须在0℃以上，故蒸气喷射式制冷机目前只用于空调装置或用来制备某些工艺过程需要的冷媒水。5蒸气喷射式制冷循环蒸气喷射式制冷机只用单一物质为工质蒸汽喷射式制冷循环主要部件1．锅炉2．蒸汽喷射器3．冷凝器4．凝结水泵5．蒸发器与节流器由锅炉供给的压力较高的水蒸汽(称为工作蒸汽)进入主喷射器中,在拉瓦尔喷嘴中绝热膨胀，利用这一高速汽流不断从蒸发器中抽汽，在其中保持较高的真空，即较低的蒸发压力。从制冷装置来的冷水，经节流减压后进入蒸发器，其中一部分蒸发并吸收其余水的热量而使之温度降低。降温后的冷水由泵输出，供给冷量之后反复使用。在喷射器中的工作蒸汽连同从蒸发器中抽吸的蒸汽，一起流经扩压管使压力升高到冷凝压力（仍为真空），进入冷凝器中与冷却水直接接触并凝结于冷却水中。冷凝器中的不凝性气体用一两级辅助喷射器抽除，以使冷凝器保持一定的真空度。图中的冷凝器称为混合式冷凝器。蒸汽喷射式制冷机也可使用管壳式冷凝器，这时进入冷凝器中的水蒸汽通过传热管被冷却并冷凝成水，凝结水即可用冷却水泵注入锅炉中，重复使用。蒸汽喷射式制冷机依靠蒸汽喷射器的作用完成制冷循环的制冷机。它由蒸汽喷射器、蒸发器和冷凝器（即凝汽器）等设备组成，依靠蒸汽喷射器（见水蒸汽喷射真空泵）的抽吸作用在蒸发器中保持一定的真空，使水在其中蒸发而制冷。蒸汽喷射式制冷机用水作为制冷剂,蒸发温度在0℃以上，仅可用于空气调节和某些生产工艺过程。蒸汽喷射式制冷机设备庞大,需要高位安装,一般在10米以上，以便冷水泵和冷却水泵吸入处为正压,且需要较高压力（0.5～5兆帕）的工作蒸汽，所以应用日渐减少,有被溴化锂吸收式制冷机取代的趋势。应用实例利用发电、石化、纺织、冶金、焦化、化纤、制药、造纸、食品等工业放散的蒸气尾气，以低压蒸汽尾气的势能转化为动能，以水为制冷剂和载冷剂制取低温水,温度范围从0℃到20℃，制冷量从300kw～20000kw或更大，运用广泛，在提供工艺冷冻、冷却冷源的同时，还可为厂区的办公、会议、礼堂、控制室等场所提供冷暖空调，服务半径可达10公里。应用实例-太阳能喷射式空调太阳能空调装置是利用太阳能集热器收集太阳辐射热量来驱动制冷机达到制冷目的的装置。太阳能空调装置的突出优点在于它具有良好的季节适应性。在夏季空调负荷高峰段正是太阳辐射最强的时候，因此可以大大缓解夏季电力供应紧张的问题。•采用的混合工质（如水和HFE7300），不仅环保，且潜热比高，在一定喷射系数下，可获得非常高的制冷系数；•混合工质互不相溶，且比重比高，可采用简单的重力分离的方式实现引射流体和制冷工质的分离。6.磁制冷磁制冷的工作原理是利用磁性材料的“磁热效应”从事制冷。当磁性材料被置于磁场中时，它的温度会升高，升高的热量被水带走后，它的温度回落如初；待磁场消失后，材料的温度会下降到比它进入磁场前还要低。磁制冷被认为是一种“绿色”的制冷方式，有望代替现在正在使用的耗能大且有害环境的气体压缩制冷方式。和现在最好的制冷系统相比，磁制冷可以少消耗20％至30％的能源且不破坏臭氧层和排放温室气体，而现在使用的冰箱和空调系统则正在成为全世界能源消耗的主体。在美国，夏季用在制冷方面的能源消耗大约接近这个国家总能耗的50％。由于磁致冷有许多优点，很快就受到人们的重视，在低温磁致冷研究方面取得较显著的成果。至于高温磁致冷，由于电子自旋热骚动很大，必须用强磁场，受到一定限制。1976年布朗（Brown）用钆（Gd）做制冷剂，在室温附近做致冷实验，实验表明，制成室温磁致冷机是可能的据报