制冷及低溫技術(shù)原理—第2章 制冷方法

1、 常見(jiàn)的制冷方法有四種：常見(jiàn)的制冷方法有四種：2.1.1 相變制冷概述相變制冷概述以流體為制冷劑，通以流體為制冷劑，通過(guò)一定的機(jī)器設(shè)備構(gòu)過(guò)一定的機(jī)器設(shè)備構(gòu)成制冷循環(huán)，利用液成制冷循環(huán)，利用液體汽化時(shí)的吸熱效應(yīng)體汽化時(shí)的吸熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被冷卻對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)被冷卻對(duì)象的連續(xù)制冷。的連續(xù)制冷。 液體蒸發(fā)制冷液體蒸發(fā)制冷以一定數(shù)量的固體以一定數(shù)量的固體物質(zhì)為制冷劑，作物質(zhì)為制冷劑，作用于被冷卻對(duì)象，用于被冷卻對(duì)象， 實(shí)現(xiàn)冷卻降溫。一實(shí)現(xiàn)冷卻降溫。一旦固體全部相變，旦固體全部相變，冷卻過(guò)程即終止。冷卻過(guò)程即終止。 固體相變制冷固體相變制冷1. 固體相變制冷固體相變制冷 原理；利用固體融化或升華冷卻。原理；

2、利用固體融化或升華冷卻。 制冷劑：冰，冰鹽，干冰，其它固體升華冷卻。制冷劑：冰，冰鹽，干冰，其它固體升華冷卻。（1）冰冷卻）冰冷卻 冰冰 水水 水蒸氣水蒸氣 融化融化 升華升華課后問(wèn)題課后問(wèn)題1；冰的物理性質(zhì)。冰的物理性質(zhì)。可滿(mǎn)足可滿(mǎn)足0C0C以上的制冷要求。以上的制冷要求。說(shuō)說(shuō)明明吸熱吸熱吸熱吸熱常壓下，冰在常壓下，冰在0融化，融化，融化潛熱為融化潛熱為335kJ/kg。（2）冰鹽冷卻）冰鹽冷卻 冰鹽冰鹽 鹽水膜鹽水膜 和冰和冰 鹽水鹽水 溶液溶液 鹽溶解鹽溶解課后問(wèn)題課后問(wèn)題2；冰鹽的性質(zhì)。冰鹽的性質(zhì)。1. 冰鹽冷卻能達(dá)到的低溫程度與鹽的種類(lèi)冰鹽冷卻能達(dá)到的低溫程度與鹽的種類(lèi) 和混合物中鹽

3、與冰的質(zhì)量有關(guān)。和混合物中鹽與冰的質(zhì)量有關(guān)。2. 常用的冰鹽是塊冰與工業(yè)食鹽的混合物。常用的冰鹽是塊冰與工業(yè)食鹽的混合物。說(shuō)說(shuō)明明吸熱吸熱吸熱吸熱冰冰00融化融化冰融化冰融化吸熱吸熱（3）干冰冷卻）干冰冷卻 固態(tài)固態(tài)CO2 液態(tài)液態(tài)CO2 氣態(tài)氣態(tài)CO2 融化融化 升華升華課后問(wèn)題課后問(wèn)題3；干冰的物理性質(zhì)干冰的物理性質(zhì)。干冰的制冷能力比冰和冰鹽都大。干冰的制冷能力比冰和冰鹽都大。說(shuō)說(shuō)明明吸熱吸熱吸熱吸熱 CO2的三相點(diǎn)參數(shù)：的三相點(diǎn)參數(shù)： 溫度溫度-56.6， 壓力壓力0.52MPa。常壓下，干冰的升華常壓下，干冰的升華溫度溫度-78.5，升華熱，升華熱為為573.6kJ/kg。2. 液體蒸

4、發(fā)制冷液體蒸發(fā)制冷 常用方法常用方法：蒸氣壓縮式制冷蒸氣壓縮式制冷吸收式制冷吸收式制冷蒸氣噴射式制冷蒸氣噴射式制冷吸附式制冷吸附式制冷 液體蒸發(fā)制冷循環(huán)必須液體蒸發(fā)制冷循環(huán)必須 具備四個(gè)基本過(guò)程：具備四個(gè)基本過(guò)程： 制冷劑液體在低溫低壓下制冷劑液體在低溫低壓下汽化，汽化， 產(chǎn)生低壓蒸氣；產(chǎn)生低壓蒸氣； 將低壓蒸氣抽出并提高壓力將低壓蒸氣抽出并提高壓力變成高壓蒸氣；變成高壓蒸氣； 將高壓蒸氣冷凝成高壓液體；將高壓蒸氣冷凝成高壓液體；高壓液體再降低壓力回到高壓液體再降低壓力回到初始的低壓狀態(tài)。初始的低壓狀態(tài)。2. 制冷系統(tǒng)圖：制冷系統(tǒng)圖：2.1.2 蒸氣壓縮式制冷蒸氣壓縮式制冷 壓縮機(jī)：壓縮機(jī)：起

5、著起著壓縮壓縮和和輸送輸送制冷劑蒸汽并造成蒸發(fā)器制冷劑蒸汽并造成蒸發(fā)器 中低壓力，冷凝器中高壓力的作用，是中低壓力，冷凝器中高壓力的作用，是整整 個(gè)系統(tǒng)的心臟。個(gè)系統(tǒng)的心臟。 膨脹閥：膨脹閥：對(duì)制冷劑起到對(duì)制冷劑起到節(jié)流降壓節(jié)流降壓的作用，并的作用，并調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量。進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量。 蒸發(fā)器：蒸發(fā)器：是是輸出冷量輸出冷量的設(shè)備。制冷劑在蒸發(fā)器中的設(shè)備。制冷劑在蒸發(fā)器中 吸收被冷卻物體的熱量，從而達(dá)到制取吸收被冷卻物體的熱量，從而達(dá)到制取 冷量的目的。冷量的目的。 冷凝器：是冷凝器：是輸出熱量輸出熱量的設(shè)備。從蒸發(fā)器中吸取的的設(shè)備。從蒸發(fā)器中吸取的 熱量連同壓縮機(jī)消耗的

6、功所轉(zhuǎn)化的熱量熱量連同壓縮機(jī)消耗的功所轉(zhuǎn)化的熱量 在冷凝器中被冷卻介質(zhì)帶走。在冷凝器中被冷卻介質(zhì)帶走。3. 工作過(guò)程：工作過(guò)程：低溫低壓的低溫低壓的制冷劑液體制冷劑液體與被冷卻對(duì)與被冷卻對(duì)象發(fā)生熱交象發(fā)生熱交換，吸收被換，吸收被冷卻對(duì)象的冷卻對(duì)象的熱量并汽化熱量并汽化形成冷劑蒸形成冷劑蒸氣。氣。低壓蒸氣被低壓蒸氣被壓縮機(jī)吸入壓縮機(jī)吸入，經(jīng)壓縮后，經(jīng)壓縮后形成高溫高形成高溫高壓蒸氣排壓蒸氣排出出 。壓縮機(jī)排出壓縮機(jī)排出的高壓制冷的高壓制冷劑氣體進(jìn)入劑氣體進(jìn)入冷凝器，被冷凝器，被冷卻水或空冷卻水或空氣冷卻、冷氣冷卻、冷凝，成高壓凝，成高壓液體。液體。高壓液體流高壓液體流經(jīng)膨脹閥節(jié)經(jīng)膨脹閥節(jié)流，形成

7、低流，形成低壓低溫的壓低溫的氣，液兩相氣，液兩相混合物進(jìn)入混合物進(jìn)入蒸發(fā)器。蒸發(fā)器。4. 應(yīng)用：應(yīng)用： 蒸氣壓縮式制冷機(jī)是應(yīng)用最廣泛的制冷機(jī)。蒸氣壓縮式制冷機(jī)是應(yīng)用最廣泛的制冷機(jī)。 是本課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一。是本課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一。 具有具有100多年的歷史，相當(dāng)完備，廣泛應(yīng)用多年的歷史，相當(dāng)完備，廣泛應(yīng)用 在空氣調(diào)節(jié)，各種冰箱，食品冷藏，冷加工在空氣調(diào)節(jié)，各種冰箱，食品冷藏，冷加工 方面。方面。 制冷的溫度范圍為制冷的溫度范圍為5 -150。 1. 系統(tǒng)組成；系統(tǒng)組成； 蒸發(fā)器，冷凝器，節(jié)流閥，發(fā)生器，吸收器，蒸發(fā)器，冷凝器，節(jié)流閥，發(fā)生器，吸收器， 熱交換器和溶液泵組成。熱交換器和溶液泵組成

8、。2.1.3 蒸氣吸收式制冷蒸氣吸收式制冷 兩個(gè)回路兩個(gè)回路 制冷劑回路制冷劑回路 溶液回路溶液回路2. 制冷系統(tǒng)圖：制冷系統(tǒng)圖： 吸收式制冷的工質(zhì)對(duì)：吸收式制冷的工質(zhì)對(duì)： 名稱(chēng)名稱(chēng) 制冷劑制冷劑 吸收劑吸收劑 硫酸水溶液吸收式制冷機(jī)硫酸水溶液吸收式制冷機(jī) 水水 濃硫酸濃硫酸 氨水吸收式制冷機(jī)氨水吸收式制冷機(jī) 氨氨 水水 溴化鋰吸收式制冷機(jī)溴化鋰吸收式制冷機(jī) 水水 溴化鋰溴化鋰 吸收劑對(duì)制冷劑氣體有很強(qiáng)的吸收能力。吸收劑對(duì)制冷劑氣體有很強(qiáng)的吸收能力。說(shuō)說(shuō)明明3. 工作過(guò)程：工作過(guò)程：制冷劑回路制冷劑回路高壓制冷劑高壓制冷劑氣體在冷凝氣體在冷凝器中冷凝，器中冷凝，產(chǎn)生的高壓產(chǎn)生的高壓制冷劑液體制

9、冷劑液體經(jīng)節(jié)流后到經(jīng)節(jié)流后到蒸發(fā)器蒸發(fā)蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷。制冷。另一方面，發(fā)生后另一方面，發(fā)生后的溶液重新恢復(fù)到的溶液重新恢復(fù)到原來(lái)成分，經(jīng)冷原來(lái)成分，經(jīng)冷卻，節(jié)流后成為具卻，節(jié)流后成為具有吸收能力的吸收有吸收能力的吸收液，進(jìn)入吸收器，液，進(jìn)入吸收器，吸收來(lái)自蒸發(fā)器的吸收來(lái)自蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸氣。低壓制冷劑蒸氣。一方面在吸收器中，吸一方面在吸收器中，吸收劑吸收來(lái)自蒸發(fā)器的收劑吸收來(lái)自蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸氣，形成低壓制冷劑蒸氣，形成富含制冷劑的溶液，再富含制冷劑的溶液，再將該溶液用泵送到發(fā)生將該溶液用泵送到發(fā)生器，經(jīng)加熱使溶液中的器，經(jīng)加熱使溶液中的制冷劑重新以高壓氣態(tài)制冷劑重新以高壓氣態(tài)發(fā)生出來(lái)

10、，送入冷凝器。發(fā)生出來(lái)，送入冷凝器。溶液回路溶液回路4. 對(duì)比：蒸氣吸收式制冷與蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)對(duì)比：蒸氣吸收式制冷與蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)a: 相同：冷凝器，節(jié)流閥，蒸發(fā)器相同：冷凝器，節(jié)流閥，蒸發(fā)器b: 不同：吸收式制冷中，壓縮機(jī)由吸收器，發(fā)生器，不同：吸收式制冷中，壓縮機(jī)由吸收器，發(fā)生器， 溶液泵，熱交換器，節(jié)流閥溶液回路所代替。溶液泵，熱交換器，節(jié)流閥溶液回路所代替。（1）系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成（2）制冷劑制冷劑 a: 壓縮式：只需要制冷劑工質(zhì)壓縮式：只需要制冷劑工質(zhì) b: 吸收式：吸收劑吸收式：吸收劑-制冷劑工質(zhì)對(duì)。制冷劑工質(zhì)對(duì)。（3）補(bǔ)償能量補(bǔ)償能量 a: 壓縮式：機(jī)械能或電能；壓縮式：機(jī)

11、械能或電能；b: 吸收式：熱能。吸收式：熱能。 熱源：熱源： 煤（早期）；蒸汽，水；燃油，燃天然氣加熱；煤（早期）；蒸汽，水；燃油，燃天然氣加熱； 化學(xué)反應(yīng)熱，太陽(yáng)能熱?；瘜W(xué)反應(yīng)熱，太陽(yáng)能熱。5. 應(yīng)用：應(yīng)用： 生產(chǎn)冷水。生產(chǎn)冷水。 可供集中式空氣調(diào)節(jié)或提供生產(chǎn)可供集中式空氣調(diào)節(jié)或提供生產(chǎn) 冷水。冷水。 溴化鋰制冷機(jī)只能溴化鋰制冷機(jī)只能制取制取0以上的冷量；以上的冷量； 氨水吸收式制冷機(jī)能夠制取的溫度可達(dá)氨水吸收式制冷機(jī)能夠制取的溫度可達(dá) -20 或更低?；蚋?。2.1.4 蒸氣噴射式制冷蒸氣噴射式制冷2. 制冷系統(tǒng)圖：制冷系統(tǒng)圖：3. 工作過(guò)程：工作過(guò)程：4. 理論工作循環(huán)的理論工作循環(huán)的

12、T-s 圖表示圖表示 1-2： 工作蒸氣在噴嘴內(nèi)的膨脹過(guò)程；工作蒸氣在噴嘴內(nèi)的膨脹過(guò)程； 4狀態(tài)：工作蒸氣與制冷劑水蒸氣混合后狀態(tài)；狀態(tài)：工作蒸氣與制冷劑水蒸氣混合后狀態(tài)； 4-5： 混合蒸氣在擴(kuò)壓器中流動(dòng)升壓過(guò)程；混合蒸氣在擴(kuò)壓器中流動(dòng)升壓過(guò)程； 5-6： 冷凝器中氣體的凝結(jié)過(guò)程；冷凝器中氣體的凝結(jié)過(guò)程； 6-7-3：凝結(jié)水經(jīng)過(guò)節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器；：凝結(jié)水經(jīng)過(guò)節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器； 6-9-1：凝結(jié)水經(jīng)過(guò)水泵進(jìn)入鍋爐，產(chǎn)生工作蒸氣。：凝結(jié)水經(jīng)過(guò)水泵進(jìn)入鍋爐，產(chǎn)生工作蒸氣。5. 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 工作介質(zhì)：水，氟利昂（低沸點(diǎn)）。工作介質(zhì)：水，氟利昂（低沸點(diǎn)）。 優(yōu)點(diǎn)：使用熱能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，優(yōu)點(diǎn)：使用

13、熱能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便， 沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，使用壽命長(zhǎng)。沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，使用壽命長(zhǎng)。 缺點(diǎn)：工作蒸汽壓力高，噴射器不可逆損失缺點(diǎn)：工作蒸汽壓力高，噴射器不可逆損失 大，效率很低。大，效率很低。6. 應(yīng)用：應(yīng)用： 可用于制取空調(diào)用冷水。曾被應(yīng)用過(guò)?？捎糜谥迫】照{(diào)用冷水。曾被應(yīng)用過(guò)。 在空調(diào)冷水機(jī)中采用溴化鋰吸收式制冷機(jī)比在空調(diào)冷水機(jī)中采用溴化鋰吸收式制冷機(jī)比 噴射式制冷機(jī)有明顯優(yōu)勢(shì)。噴射式制冷機(jī)有明顯優(yōu)勢(shì)。1. 系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成： 吸附床，冷凝器，蒸發(fā)器吸附床，冷凝器，蒸發(fā)器 用管道連成一個(gè)封閉系統(tǒng)。用管道連成一個(gè)封閉系統(tǒng)。2.1.5 吸附式制冷吸附式制冷2. 工作原理：工作原理： 吸附時(shí)，制冷劑

14、液體蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷作用。吸附時(shí)，制冷劑液體蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷作用。 一定的固體一定的固體吸附劑吸附劑對(duì)某種對(duì)某種 制冷劑制冷劑氣體具有吸附作用，氣體具有吸附作用， 而且吸附能力隨吸附劑溫而且吸附能力隨吸附劑溫 度的改變而不同。度的改變而不同。 通過(guò)周期性地冷卻和加熱吸附劑，通過(guò)周期性地冷卻和加熱吸附劑， 使之交替地吸附和解吸。使之交替地吸附和解吸。 解吸時(shí)，釋放制冷劑氣體，使之凝結(jié)為液體。解吸時(shí)，釋放制冷劑氣體，使之凝結(jié)為液體。3. 工作介質(zhì)：工作介質(zhì)： 吸附劑吸附劑制冷劑工質(zhì)對(duì)制冷劑工質(zhì)對(duì) 沸石沸石-水水 硅膠硅膠-水水 活性炭活性炭-甲醇甲醇 金屬氫化物金屬氫化物-氫氫 氯化鍶氯化鍶-氦氦 氯

15、化鈣氯化鈣-氨氨5. 熱源：工業(yè)廢熱，太陽(yáng)能，化學(xué)反應(yīng)能。熱源：工業(yè)廢熱，太陽(yáng)能，化學(xué)反應(yīng)能。（1）優(yōu)點(diǎn)：不耗電，無(wú)任何運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無(wú)噪聲，）優(yōu)點(diǎn)：不耗電，無(wú)任何運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無(wú)噪聲， 無(wú)污染，不需維修，壽命長(zhǎng)，安全可靠，投資回收期無(wú)污染，不需維修，壽命長(zhǎng)，安全可靠，投資回收期 短，對(duì)大氣臭氧層無(wú)破壞作用等一系列優(yōu)點(diǎn)。短，對(duì)大氣臭氧層無(wú)破壞作用等一系列優(yōu)點(diǎn)。4. 吸附式制冷的特點(diǎn)：吸附式制冷的特點(diǎn)：（2）另外，可利用吸附劑吸附效應(yīng)時(shí)所放出的吸附熱，另外，可利用吸附劑吸附效應(yīng)時(shí)所放出的吸附熱， 提供家庭用熱水和冬季采暖用熱源。提供家庭用熱水和冬季采暖用熱源。（3）缺點(diǎn)：循環(huán)屬于間歇

16、性的，熱力狀態(tài)不斷地發(fā)生變化，缺點(diǎn)：循環(huán)屬于間歇性的，熱力狀態(tài)不斷地發(fā)生變化， 難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行；對(duì)能量的貯存也較困難。難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行；對(duì)能量的貯存也較困難。 特別是太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)，太陽(yáng)能的波動(dòng)會(huì)進(jìn)一步特別是太陽(yáng)能吸附式制冷系統(tǒng)，太陽(yáng)能的波動(dòng)會(huì)進(jìn)一步 影響到系統(tǒng)的循環(huán)特性。影響到系統(tǒng)的循環(huán)特性。2.2.1 熱電制冷熱電制冷1. 工作原理：工作原理： 以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法，利用以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法，利用 帕爾帖效應(yīng)達(dá)到制冷的目的。帕爾帖效應(yīng)達(dá)到制冷的目的。1934年，法國(guó)物理學(xué)家帕爾帖在年，法國(guó)物理學(xué)家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，再將銅絲的兩頭各接一根鉍絲，再將兩

17、根鉍絲分別接在直流電源的正兩根鉍絲分別接在直流電源的正負(fù)極上，通電后，發(fā)現(xiàn)一個(gè)接頭負(fù)極上，通電后，發(fā)現(xiàn)一個(gè)接頭變熱，變熱， 另一個(gè)接頭變冷的現(xiàn)象。另一個(gè)接頭變冷的現(xiàn)象。帕爾帖效應(yīng)帕爾帖效應(yīng) 熱電制冷一般采用半導(dǎo)體材料。熱電制冷一般采用半導(dǎo)體材料。 N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 構(gòu)成的熱電偶制冷元件構(gòu)成的熱電偶制冷元件2. 單級(jí)熱電堆式半導(dǎo)體制冷單級(jí)熱電堆式半導(dǎo)體制冷 的基本原理的基本原理 單級(jí)熱電堆：?jiǎn)渭?jí)熱電堆： 將數(shù)十至數(shù)百個(gè)熱電偶電堆串聯(lián)，將冷端排在一起，將數(shù)十至數(shù)百個(gè)熱電偶電堆串聯(lián)，將冷端排在一起， 熱端排在一起，組成熱電堆，稱(chēng)為單級(jí)熱電堆。熱端排在一起，組成熱電堆，稱(chēng)為單級(jí)

18、熱電堆。 工作原理：工作原理： 借助熱交換器等設(shè)備，使熱電堆的熱端不斷散熱，借助熱交換器等設(shè)備，使熱電堆的熱端不斷散熱， 且保持一定溫度。將熱電堆的冷端放到被冷卻系統(tǒng)中且保持一定溫度。將熱電堆的冷端放到被冷卻系統(tǒng)中 完成吸熱降溫。完成吸熱降溫。3. 多級(jí)熱電堆式半導(dǎo)體制冷的基本原理多級(jí)熱電堆式半導(dǎo)體制冷的基本原理 為了獲得更低的溫度或更大的溫差可采用多級(jí)熱電堆式為了獲得更低的溫度或更大的溫差可采用多級(jí)熱電堆式 半導(dǎo)體制冷。它是由單級(jí)熱電聯(lián)結(jié)而成。半導(dǎo)體制冷。它是由單級(jí)熱電聯(lián)結(jié)而成。 聯(lián)結(jié)的方式有：串聯(lián)，并聯(lián)，及串并聯(lián)。其中二級(jí)，聯(lián)結(jié)的方式有：串聯(lián)，并聯(lián)，及串并聯(lián)。其中二級(jí)， 三級(jí)熱電堆式半導(dǎo)體制冷最為常見(jiàn)。三級(jí)熱電堆式半導(dǎo)體制冷最為常見(jiàn)。 4. 熱電制