制冷方法

第2章制冷方法

制冷的方法很多，常见的有：物质相变制冷，气体膨胀制冷，绝热放气制冷，电、磁制冷。

本章介绍现有的各种制冷方法，概述其基本原理和应用领域。

利用天然冷源也是获得低温的一个方面(例如，采集和贮存天然冰、冬灌蓄冷、深井水空调等)。面对工业化伴随而来的环境问题压力，利用天然冷源的环保意义日益突出。天然冷源利用会受到更多重视。

2．1 物质相变制冷

2．1．1 相变制冷概述

物质有三种集态：气态、液态、固态。物质集态的改变称为相变。相变过程中，由于物质分子重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量，这种热量称为潜热。物质发生从质密态到质稀态的相变时，将吸收潜热；反之，当它发生由质稀态向质密态的相变时，放出潜热。相变制冷就是利用前者的吸热效应而实现的。利用液体相变的，是液体蒸发制冷；利用固体相变的，是固体融化或升华冷却。

液体蒸发制冷以流体作制冷剂，通过一定的机器设备构成制冷循环，可以对被冷却对象实现连续制冷。它是制冷技术中使用的主要方法。

固体相变冷却则是以一定数量的固体物质作制冷剂，作用于被冷却对象，实现冷却降温。一旦固体全部相变，冷却过程即告终止。

1．固体相变冷却

常用的制冷剂是冰、冰盐、干冰，此外还有一些其他固体物质。

(1) 冰冷却

冰冷却是最早使用的降温方法，现在仍广泛应用于日常生活、工农业、科学研究等各种领域。冰融化和冰升华均可用于冷却，实际主要是利用冰融化冷却。

常压下冰在0℃融化，冰的融化潜热为335 kJ/kg。能够满足0℃以上的制冷要求。

冰冷却时，常借助空气或水作中间介质以吸收被冷却对象的热量。此时，换热过程发生在水或空气与冰表面之间。被冷却物体所能达到的温度一般比冰的融化温度高5－10℃。厚度10 cm左右的冰块，其比表面积在25－30 m2/m3之间。为了增大比表面积，可以将冰粉碎成碎冰。水到冰表面的表面传热系数为116 W/(m2·K)。空气到冰表面的表面传热系数与二者之间的温度差以及空气的运动情况有关。其值见表2－l。

表2－1 空气到冰表面的表面传热系数W/（m2·K）

冰的其他物理特性如下。

水冻结成冰时出现膨胀现象，其体积约增大9%。冰的膨胀系数与温度有关；见表2－2。冰的

平均密度为900 kg/m3。

表2－2 冰的膨胀系数

冰的比热容与温度有关，用下式表达

165

=kJ/(kg·k) (2－1)

.2-

T

c0264

.0

在温度为－20－0℃范围内，其平均比热容为2.093 kJ/(kg·K)。

冰的导热系数也随温度改变。在－20℃以下，冰的导热系数的平均值为2.32 W/(m·K)。冰在0℃时的导温系数a=0.00419 W/h。

(2) 冰盐冷却

冰盐是指冰与盐类的混合物。用冰盐作制冷剂可以获得更低的温度。

冰盐冷却是利用冰盐融化过程的吸热。冰盐融化过程的吸热包括冰融化吸热和盐溶解吸热这两种作用。起初，冰在0℃下吸热融化，融化水在冰表面形成一层水膜。接着，盐溶于水，变成盐水膜，由于溶解要吸收溶解热，造成盐水膜的温度降低。继而，在较低的温度下冰进一步融化，并通过其表层的盐水膜与被冷却对象发生热交换。这样的过程一直进行到冰全部融化，与盐形成均匀的盐水溶液。

冰盐冷却能达到的低温程度与盐的种类和混合物中盐与冰的质量比有关。

工业上应用最广的冰盐是块冰与工业食盐NaCl的混合物。表2－3给出NaCl冰盐的融化温度和单位制冷能力。

表2－3 NaCl冰盐的融化温度和单位制冷能力

工业上还常用如下经验公式计算NaCl冰盐的制冷特性：

融化温度t m =－0.7 x (2－2) 单位制冷能力q0 = 335 + 4.187 t m(2－3) 密度ρ= 500 + 0.5 x (2－4) NaCl冰盐与空气之间的表面传热系数值：当温差为5－15℃时，若空气自然对流，表面传热系数为5.8－8.l W/(m2·K)；若空气强制对流，表面传热系数将增大1.2倍。

其他种类的冰盐特性如表2－4所示。冰(雪)与某些酸类的混合物也有与冰盐类似的冷却作用和机理，其特性在表2－4中一并列出。

表2－4 冰盐（酸）混合物特性

NH 4NO 3

25 －15.8 NaNO 3

60 －17.3 (NH 4)NO 3

59 －18.5 NaCl

62 －19.0

NaCl ·6H 2O

33 －21.2 82 －21.5 125 －40.3

H 2SO 4(浓度60%) 143 －55.0 8 －16 13 －20 25

－25 40

－30 72

－35 100 －37

(3) 干冰冷却

固态CO 2俗称干冰。

CO 2的三相点参数为：温度－56.6℃，压力0.518 MPa 。图2－1是CO 2的相平衡图。图中示出它的相区和相变特征。干冰在三相点以上吸热时融化，成为液态二氧化碳；在三相点和三相点以下吸热时，则直接升华，成为二氧化碳气体。

图2－1 CO 2的相平衡图

A —气－液相界线；

B —固－液相界线；

C —固－气相界线；l —沸腾；2—融化；3—升华

干冰的升华潜热r 与温度T 之间的关系可用下式表达：

3523108.11026.65.665T T T r --⨯-⨯--= kJ/kg (2－5) 常压下干冰的升华温度为－78.5℃，升华潜热为573.6 kJ/kg 。升华后的低温二氧化碳气体仍具有显热制冷能力，若再使它温度升到0℃，则总的制冷能力为646.4 kJ/kg 。所以干冰的制冷能力比冰和冰盐都大。在与冰制冷相同的条件下，干冰的单位质量制冷能力是冰的1.9倍，单位容积制冷能力是冰的2.95倍。

干冰的平均密度为1560 kg/m 3。干冰融化成液体时，体积约增大28.5%。这一点与水冰融化时