国科大《制冷与低温原理》研究生期末考试题库

国科大《制冷与低温原理》研究生考试题库（2017级）制冷与低温基础部分：1、按照国际制冷学会的建议，普冷与低温的分界温度是多少？答：按照国际制冷学会第13届制冷大会（1971年）的建议，普冷与低温的分界温度是120K。

2、请举出几个制冷与低温的应用领域。

答：制冷技术的应用：（1）大中型建筑物的中央空调；（2）工业空调；（3）住宅空调；（4）运输空调；（5）食品贮藏与配送；（6）食品加工；（7）化学工业和加工工业；（8）制冷的特殊应用：制冰机、滑冰场、建筑工业（青藏高原筑路采用“冻土法”）；医疗卫生（如药品疫苗冷藏保存）低温技术的应用：（1）能源与交通（如液化天然气、核聚变中利用大型低温超导磁体对聚变反应器中的高温等离子体进行磁约束、超导列车、低温液氢燃料等）；（2）航空与航天（如用液氧做火箭推进剂、高真空环境要用低温泵产生、航天飞机用液氢和液氧做推进剂、高空军用飞机上的液氧呼吸机、冷氮气的低温风洞等）；（3）科学实验（超低温状态下的电子偏离实验、超导性理论的研究等）；（4）工业（如液氧用于钢铁工业、金属的切割、采用纯痒进行活水处理、液氮速冻高档鱼虾、液氮还可用于汽车轮胎和橡胶制品的再利用处理等）；（5）生物医疗（血细胞的低温保存、手术中低温麻醉、以及骨髓、组织、肿瘤细胞和皮肤的低温冷冻保存等）。

3、请给出氦、氢、氖、氮、氧、氩、甲烷的正常沸点温度、临界压力和临界温度数据（考试重点）。

答：（1）氦的正常沸点温度4.25K、临界压力0.227MPa和临界温度5.15k（2）氢的正常沸点温度20.35k、临界压力1.297MPa和临界温度33.15K（3）氖的正常沸点温度27.108K、临界压力2.65MPa和临界温度44.4k（4）氮的正常沸点温度77.35K、临界压力3.3944MPa和临界温度126.15K（5）氧的正常沸点温度90.15K、临界压力5.046MPa和临界温度154.55K（6）氩的正常沸点温度87.29K、临界压力4.86MPa和临界温度151.15K （7）甲烷（R50）的正常沸点温度111.65K、临界压力4.65MPa和临界温度-190.65K 4、请给出R12、R22、R290、R600a、NH3、CO2等工质的正常沸点数据，并评述比较一下它们的温室效应（GWP、ODP）、可燃性等。

答：（1）R12（二氯二氟甲烷）工质的正常沸点243.35K，温室效应（GWP=10890、ODP=1）：对臭氧层的破坏能力很大，并且存在温室效应、可燃性；（2）R22（二氟一氯甲烷）工质的正常沸点232.39K，温室效应（GWP=1810、ODP=0.04~0.06）：属于HCFC（氢氯氟烃）类制冷工质，对臭氧层的破坏能力很大、不燃烧；（3）R290（丙烷）工质的正常沸点231.08K，温室效应（GWP=20、ODP=0），对臭氧层没有破坏，温室效应危害程度较低，在空气中可燃；（4）R600a（异丁烷）工质的正常沸点261.42K，温室效应（GWP=20、ODP=0），对臭氧层没有破坏，温室效应危害程度较低，在空气中可燃；（5）NH3工质的正常沸点239.85K，温室效应（GWP=1、ODP=0）：自然制冷工质，环境友好型，有一定的可燃性；（6）CO2工质的正常沸点194.65K，温室效应（GWP=1、ODP=0）：有一定的温室效应、不燃；综上，氟氯烃类制冷剂（R12和R22）的环境影响指标较差，目前R12的替代制冷剂为R134a，R22相对于R12的破坏较小，仍在使用，最终会被淘汰。

自然工质（R290、R600a、NH3、CO2）的环境影响指标较好，危害较小。

（注：ODP是表示全球变暖潜能值，是描述物质对平流层臭氧破坏能力的一种量值。

GWP 是全球变暖潜能值，用来表示和比较消耗臭氧层物质对全球气候变暖影响力的大小的一种量值。

）5、请给出环境温度为T0、制冷温度为Tc时的理想制冷制冷系数COP的表达式形式；假设环境温度为300K时，试求出制冷温度分别为280K、250K、150K、120K、80K、20K、4K、1K时的理想制冷系数。

解：理想制冷制冷系数COP的表达式形式：假设环境温度为300K时，制冷温度为280K时的理想制冷系数：制冷温度为250K时的理想制冷系数：制冷温度为150K时的理想制冷系数：制冷温度为120K时的理想制冷系数：制冷温度为80K时的理想制冷系数：制冷温度为20K时的理想制冷系数：制冷温度为4K时的理想制冷系数：制冷温度为1K时的理想制冷系数：6、请给出电驱动热泵制热系数的表达式，并说明与电加热供热相比，为什么热泵是一种节能供热技术？电驱动热泵的制热系数与低温热源和供热温度是什么关系？与燃烧供热相比，在什么情况下电驱动热泵是节能的？解：（1）热泵制热系数的表达式：式中，为热泵向高温热源的输送热量；为热泵系统消耗的外功；为制冷系数；为热泵从低温热源吸收的热量（2）理想情况下，电加热供热=，热泵热＞电，相同的功，热泵电能提供更多的热量，所以与电加热供热相比，热泵是一种节能供热技术。

（3）电驱动热泵的制热系数为：（4）从能量利用角度比，电能驱功的热泵在任何条件下都比燃烧供热更节能。

7、气体或液体的膨胀降温过程主要有哪些方法？对于理想气体，其绝热指数为k,如需要降温应采用什么膨胀方式？当其从高压p2、温度T2膨胀到低压p1,其理想等熵膨胀的温降为多少？解：（1）气体或液体的膨胀降温过程主要有有外功输出的膨胀过程、绝热放气过程、节流膨胀过程。

（2）对于理想气体，其绝热指数为k，如需要降温应采用有外功输出的膨胀过程和绝热放气过程。

（3）理想等熵膨胀（即有外功输出的膨胀过程）的温降：交变流动制冷部分：8请给出基本斯特林制冷机包括的热力部件，并叙述理想斯特林循环中热力部件的热力过程及T-s图。

（考试重点）基本斯特林制冷机包括的热力部件主要有：回热器、冷却器、冷量热交换器以及两个气缸（膨胀腔和压缩腔）、两个活塞（膨胀活塞，也称排出器和压缩活塞）。

理想斯特林循环中热力部件的热力过程包括两个等温过程和两个等容回热过程。

1)等温压缩过程(1-2)：压缩活塞向左移动而膨胀活塞不动，气体被等温压缩，压缩产生的热量由冷却器带走，温度保持恒值T1，压力升高到p2，容积减小到V22)定容放热过程(2-3)两个活塞同时向左移动，气体的容积保持不变，即V2=V3，直至压缩活塞到达左止点。

当气体通过回热器R时，将热量传给填料，因而温度由T1降为T3，同时压力由p2降到p3。

3)等温膨胀过程(3-4)压缩活塞停止在左止点，膨胀活塞继续向左移动，直至左止点，温度为T3的气体进行等温膨胀，T4=T3，通过冷量换热器C从低温热源吸收热量(制冷量)Q0，容积增大到V4，压力降低到p4。

4)定容吸热过程(4-1)两个活塞同时向右移动，直至右止点，气体容积保持不变，V1=V4，回复到起始位置。

当温度为T4的气体流经回热器时，从填料吸热，温度升高到T1，同时压力增加到p1。

T-s图：9请给出基本型脉冲管、小孔型脉冲管、惯性管脉冲管三种制冷系统的热力部件构成，并定性说明三种系统中回热器中压力波和速度波的相位差变化及制冷性能情况。

（考试重点）基本型脉管制冷机包括基本型脉管制冷机和可逆型脉管制冷机（斯特林型脉管制冷机）两种，其中基本型脉冲管热力部件包括压缩机、切换阀、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器等。

可逆型脉管制冷机热力部件包括无阀压缩机、回热器、冷端换热器、脉管、热端换热器等图1 基本型脉管制冷机图2 可逆型脉管制冷机小孔型脉冲管热力部件包括压缩机、热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、次热端换热器、小孔阀、气库等。

惯性管脉冲管热力部件包括压缩机、热端换热器、回热器、冷端换热器、脉管、次热端换热器、惯性管、气库等。

根据相位理论分析，脉冲管制冷机要能产生制冷效应的一个必要条件是压力波和速度波的相位差ϕ满足02πϕ≤≤，此时时均焓流H 为正值，才会有焓流从冷端换热器流向热端换热器，当0ϕ=时，时均焓流H 有最大值；当2πϕ=时，时均焓流H 有最小值。

对于基本型脉冲管，压力波和质量流量的相位差大约为2π，根据质量流量m q 的计算公式：m q Av ρ=，（A 是脉管的流通面积，v 是气体的流动速度，ρ是气体密度，压力波和速度波的相位差大约为2π。

由于在基本型脉冲管中，真正的相移只是由工作气体与脉管管壁的热接触引起的传热温差以及要求低频运行导致轴向热传导的损失，使得基本型脉冲管的调相功能非常有限，其制冷性能不理想。

对于小孔型脉冲管，由于气库的体积比脉管的体积大得多，气库的压力始终处于全系统的平均压力，在这种情况下，质量流的方向不完全取决于脉管中的压力变化率，而在很大程度上取决于气库与脉管之间的压力差，通过气库的调相作用使得小孔型脉冲管的质量流与压力波之间同相位，即0ϕ=，如图1所示，所以小小孔型脉冲管的制冷性能要比基本型脉冲管优越。

在脉管制冷机中采用惯性管代替小孔阀，也可以实现相位的调节功能。

惯性管利用振荡气流的惯性效应控制制冷机中压力和速度之间的相位关系，是适用于高频脉冲管制冷机的一种理想调相方式，惯性管结构的调相性能优于小孔型，它不仅具有很强的调相能力，还能放大脉管内的压比，同时不产生直流现象。

10对于交变流动制冷系统中的回热器，假设回热器长度为L,回热器两端的温度分别为T0、Tc 。

回热器中的工作气体为理想气体，其中的一个气体微团处于行波声场，其压力波动变化与速度波动为行波相位，即二者同相，压力波为p0+p1.cos(2πft),速度波u1.cos(2πft)（式中f是气体微团往复运动的频率）。

同时假设气体在运动始终处于与周围回热器固体介质的理想热交换。

气体所在平衡位置的温度为Tm 。

试分析处于回热器中部的一个气体微团（该气体微团的位移不会超出回热器的冷热端换热器）的热力过程：a) 以气体平衡位置为0时刻，当气体从平衡位置经过时间t 时，其位移x1为多少？此时气体的温度T(t)为多少？()1cos 2u dx u d ft tπ==，则()1cos 2t d t u x d f π= 所以，当气体从平衡位置经过时间t 时，其位移x 1为()()()1101cos 2sin 2sin 212t d x d u ft u ft f t f t X ππππ===⎰其中，112d X u f π=根据等温热交换假设，m m dT T T xdx =+，则 ()()11(t)2sin 2sin 2mm m d u ft ft dT T T f dx T T πππ=+=+其中，112m d u dT T f dxπ= b) 气体的密度为多少ρ（t ）？气体比容v(t)为多少？根据理想气体状态方程：pV mRT =得到m p V RTρ==，代入(t)T 和p ，得 ()cos(2)sin (t 2)01m dp p f R T t t T f πρπ+=+⎡⎤⎣⎦ ()sin (t)cos(2)2m d 01R T T v p ft t p f ππ+⎡⎤⎣⎦=+ c) 在上述时间(0-t)内，单位气体工质的内能变化ΔU 为多少？气体的膨胀功ΔW 为多少？气体与周围回热器的换热量ΔQ 为多少？()()(t)sin 2v v m v d U c T c T T T ft cπ∆=-∆=--=-[]()00sin cos(2)cos(22)t tm d 0101R T T W pdv p ft p ft d p p ft πππ⎡⎤+⎡⎤⎣⎦∆==+∙⎢⎥+⎢⎥⎣⎦⎰⎰ 由热力学第一定律()[]()0sin 2sin 2=cos(2)cos(2)tm d v d 0101R T T Q U W c T p p ft d ft f p p ft t ππππ⎡⎤+⎡⎤⎣⎦∆=∆+∆-++∙⎢⎥+⎢⎥⎣⎦⎰d) 计算微团单位气体工质经过一个热力循环过程在平衡位置左右两侧的换热量及该循环过程中消耗的声功。