制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
制冷和低温技术原理
第二节 制冷与低温技术的应用
四、在科学研究及医疗卫生方面的应用
第三节 制冷与低温技术的发展史
1875年卡利和林德用氨作制冷剂，从此蒸气压缩式制 冷机开始占有统治地位。在此期间，空气绝热膨胀会显著 降低空气温度的现象开始用于制冷。1844年，医生高里用 封闭循环的空气制冷机为患者建立了一座空调站，空气制 冷机使他一举成名。威廉·西门斯在空气制冷机中引入了回 热器，提高了制冷机的性能。1859年，卡列发明了氨水吸 收式制冷系统，申请了原理专利。1910年左右，马利斯·莱 兰克发明了蒸气喷射式制冷系统。
在基础研究方面：计算机仿真制冷循环始于1960年。 如今，普冷和低温领域中的各种循环，如：焦－汤节流制 冷循环(J－T循环)、斯特林制冷循环、维勒米尔循环(VM 循环)、吉福特－麦克马洪循环(G－M循环)、索尔文循环
第三节 制冷与低温技术的发展史
(SV循环)、逆向布雷顿循环、脉管式循环、吸收式制冷循 环、热电制冷循环；利用声制冷、光制冷、化学方法制冷 的各种循环；以及各种新型的混合型循环，如：热声斯特 林发动机驱动小型脉管制冷机的循环均广泛应用计算机仿 真技术于循环研究。研究制冷系统的热物理过程、系统及 部件的稳态和瞬态特性以及单一工质和混合工质的性质等 等，也离不开微电子和计算机技术的应用。
许多生产场所需要生产用空调系统，例如高温生产车 间、纺织厂、造纸厂、印刷厂、胶片厂、精密仪器车间、 精密加工车间、精密计量室、计算机房等的空调系统，为 各生产环境提供恒温恒湿条件，以保证产品质量或机床、 仪表的精度。
制冷原理大纲及习题(西安交通大学)
西安交通大学“制冷与低温原理”课程教学大纲英文名称：Principles of Refrigeration and Cryogenic课程编码：ENP03117课程类型：工程科学学时：44（含课外学时4）学分：2适用对象：主要用于“动力工程及工程热物理”专业，适当修改后也可用于机械、电机、无线电等相关专业。
先修课程：高等数学、大学物理、普通化学、工程热力学、传热学、流体力学。
使用教材及参考书：[1] 吴业正主编.《制冷及低温技术原理》. 北京：高等教育出版社，2004[2] 周远，王如竹主编.《制冷与低温工程》.北京:中国电力出版社，2003[3] 陈光明，陈国邦主编.《制冷与低温原理》. 北京：机械工业出版社，2000一、课程的性质、目的和任务本课程是研究制冷与低温原理的工程技术类课程，是制冷及低温工程领域专业知识教学的基础，属专业基础课。
它的教学目的与任务是：学生学习本课程后，将学到基本的制冷方法、低温获得、气体液化、气体分离以及其它制冷及低温应用技术的知识，掌握制冷与低温技术中能量转换的理论及节能的措施；为学习后续的专业课、生产实习、毕业设计等提供理论准备。
同时也为学生今后解决低温方面的生产实际问题和科学研究打下必要的理论基础。
二、教学基本要求学生学完本课程后，应达到下列要求：1.掌握各种制冷方法的物理本质；2. 掌握制冷与低温技术中的热力循环及其应用范围；3. 熟悉制冷与低温技术中常用工质及其性质，能熟练地应用工质的物性公式和图表进行热力计算；4．掌握气体的分离方法及精馏计算；5．联系实际地培养学生相关设计和研究能力。
三、教学内容及要求第一章：绪论内容：制冷与低温在现代技术发展和人民生活中的作用；研究对象及理论基础；制冷与低温的应用及发展。
要求：掌握制冷的定义，了解制冷及低温技术研究的主要内容及其在一些领域的应用。
第二章：制冷方法内容：1. 利用物质相变的制冷方法（蒸气压缩式制冷，蒸气吸收式制冷，蒸气喷射式制冷，吸附式制冷）；利用电、磁、声效应制冷的方法（基于半导体特性的热电制冷、基于磁热效应的磁制冷和基于热声效应的声制冷）；气体涡流制冷；气体膨胀制冷；绝热放气制冷；节流和等熵膨胀；绝热去磁；He稀释；2. 制冷的基本热力学原理；以机械能或电能为补偿的和以热能为补偿的两类制冷机的能量转换关系；热能驱动的制冷机的等价关系。
制冷与低温工程
第一章制冷的热力学基础1、分析高低温热源温度变化对逆向卡诺循环制冷系数的影响。
答：制冷系数与低温热源的温度成正比，与高低温热源的温差成反比。
当高低温热源的温度一定时，制冷系数为定值。
制冷系数与制冷剂的性质无关。
2、比较制冷系数和热力完善度的异同。
答：制冷系数与热力完善度的异同：1.两者同为衡量制冷循环经济性的指标；2.两者定义不同。
制冷系数为制冷循环总的制冷量与所消耗的总功之比。
热力完善度为实际循环的制冷系数与工作于相同温度范围内的逆向卡诺循环的制冷系数之比。
3.两者的作用不同。
制冷系数只能用于衡量两个工作于相同温度范围内的制冷循环的经济性，热力完善度可用于衡量两个工作于不同温度范围内的制冷循环的经济性。
4.两者的数值不同。
制冷系数一般大于1，热力完善度恒小于1。
第二章制冷剂、载冷剂及润滑油1、为下列制冷剂命名：（1）CCI2F2：R12 （2）CO2 :R744 （3）C2H6 :R170 （4）NH3 :R717 （5）CBrF3:R13 （6）CHCIF2 :R22 （7）CH4 :R50 （8）C2H4:R150 （9）H2O :R718 （10）C3H6 R270 2、对制冷剂的要求有哪几方面？答：1、热力学性质方面（1）在工作温度范围内，要有合适的压力和压力比。
即：PO>1at，PK不要过大。
（2）q0和qv要大。
（3）w和wv（单位容积功）小，循环效率高。
（4）t排不要太高，以免润滑油粘度降低、结焦及制冷剂分解。
2、迁移性质方面（1）粘度及密度要小，可使流动阻力减小，制冷剂流量减小。
（2）热导率3、物理化学性质方面（1）无毒，不燃烧，不爆炸，使用安全。
（2）化学稳定性和热稳定性好，经得起蒸发和冷凝的循环变化，不变质，不与油发生反应，不腐蚀，高温下不分解。
（3）对大气环境无破坏作用，即不破坏臭氧层，无温室效应。
4、其它原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜。
要大，可提高换热器的传热系数，减小换热面积。
制冷原理 第2章 制冷方法08
1 pc ( ) p0
k 1 k
1
T1 T4 T2 T1 T3 T4
(2-50)
因为热源温度是恒值，此时比较标准循环应当 是可逆卡诺循环，其 制冷系数 为：
T1 c T3 T1
因此上述理论循环的 热力完善 度为：
T3 T1 Tc T0 T1 ( )( ) c T2 T1 T1 T2 T0
Qc0 Tc0 (s4 s3 )
工质为理想气体:
(2-54)
理想的斯特林制冷机的排热量为:
Qa Ta (s1 s2 )
工质为理想气体:
(2-56)
Qc 0 m R Ta ln(v1 / v2 )
2.3 涡流管制冷
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。
涡流管制冷装置
涡流管制冷装置
涡流管制冷系统
2.4 气体膨胀制冷
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
2.4.1 气体绝热节流
1.实际气体的节流
(1) 节流过程的热力学特征 通过膨胀阀时焓不变，因阀中存在摩擦 阻力损耗，所以它是个不可逆过程，节 流后熵必定增加
2.1.4 蒸汽喷射式制冷
图2-6 蒸汽喷射式制冷机理论工作循环的温－熵图
现在可根据图2-6进行理论循环的热力计算。
制冷量
0 qmo (h3 h6 )
h qm1 (h1 h6 )
(2-6)
式中 qm 0——被引射制冷蒸气的流量 锅炉的供热量 (2-7)
式中 qm1 ——工作蒸气流量
2.1.4 蒸汽喷射式制冷
冷凝器
a
工作蒸汽
第二章 制冷原理
制冷原理 五、制冷剂
制冷剂是进行制冷循环的工作物质。 对制冷剂的要求 理想的制冷剂要求化学性质是无毒、无刺激性气味、对金属腐蚀作用小、与润滑油 不起化学反应，不易燃烧、不易爆炸、并且要求制冷剂有良好的热力学性质，即在 大气压力下它在蒸发器内的蒸发温度要低、蒸发压力最好与大气压相近；制冷剂在 冷凝器中、冷凝温度对应的压力要适中，单位制冷量要大，汽化热要大，而液体的 比热要小，气体的比热要大。要求制冷剂的物理性质：凝固温度要低、临界温度要 高 (最好高于环境温度)，导热系数和放热系数要大，比重和粘度要小，泄漏性要小。
制冷原理
德玛仕技术部 主讲人：印定兵 2018年08月15日
第二章
制冷原理
制冷原理
制冷原理 一、蒸气压缩式制冷原理
蒸气制冷是利用某些低沸点的液态制冷剂在不同压力下汽化时吸热的性质来实现 人工制冷的。 在制冷技术中，蒸发是指液态制冷剂达到沸腾时变成气态的过程。液态变成气态 必须从外界吸收热能才能实现，因此是吸热过程，液态制冷剂蒸发汽化时的温度叫做 蒸发温度，凝结是指蒸汽冷却到等于或低于饱和温度，使蒸汽转化为液态。 在日常生活中，我们能够观察到许多蒸发吸热的现象。比如，我们在手上擦一些 酒精，酒精很快蒸发，这时我们感到擦酒精部分反应很凉。又如常用的制冷剂氟利昂 F-12液体喷洒在物体上时，我们会看到物体表面很快结上一层白霜，这是因为F-12的液 体喷到物体表面立即吸热，使物体表面温度迅速下降(当然这是不实用的制冷方法，制 冷剂F-12不能回收和循环使用)。目前一些医疗机构采用的冷冻疗法即是利用了这一原 理。 蒸气压缩式制冷是利用液态制冷剂汽化时吸热，蒸汽凝结时放热的原理进行制冷的。
制冷技术原理与应用基础课件第2章 常用制冷工质及其性质
制冷技术
2.2.1 制冷剂代号与种类
由于制冷剂种类繁多，为了书写和表达方便，国际上统一 规定了制冷剂的简化代号，可用的每种制冷剂均有唯一的、国 际统一的代号，代号与种类是相关的。常用制冷剂按组成区分 有单一制冷剂和混合制冷剂；按化学成分区分有有机制冷剂和 无机制冷剂。
制冷技术
2.3 环境影响指标
自1974年，莫林纳(M.J.Molina)和罗兰(F.S.Rowland) 提出臭氧层问题以来，大量的研究和大气实测数据表明， 臭氧层问题已经非常严重。目前，臭氧层被破坏问题以成 为全球性环境问题。
2.3.1 根据环保观点的命名 2.3.2 消耗臭氧物质对环境的破坏作用 2.3.3 对环境影响的评价指标
链 烷 烃 的 卤 族 元 素 衍 生 物 制 冷 剂 编 号 规 则 为 R(m1)(n+1)(x)B(z) ； 链 烯 烃 的 卤 族 元 素 衍 生 物 制 冷 剂 编 号 规 则 为 R1(m-1)(n+1)(x)B(z)；环烷烃的卤族元素衍生物制冷剂编号规则 为RC(m-1)(n+1)(x)B(z)；如制冷剂中无Br，则在编号中不出现 B(z)项；对于同分异构体，在后面加英文字母来区别。
制冷技术
第2章 常用制冷工质及其性质
2.1制冷剂的演化过程 2.2制冷剂的选用原则 2.3环境影响指标 2.4制冷剂的热力性质 2.5制冷剂的化学性质与实用性质 2.6制冷剂的溶解性质 2.7常用制冷剂 2.8载冷剂简介 2.9润滑油简介
制冷技术
2液体相变制冷_制冷与低温技术原理
蒸气压缩式制冷
工作过程
示意图 压缩过程：1— 2 冷凝过程：2— 3 节流过程：3— 4 蒸发过程：4— 1
蒸气吸收式制冷
系统组成示意图
1. 发生器
6. 溶液节流阀
2. 冷凝器
7. 溶液热交换器
3. 制冷剂节流阀 8. 溶液泵
4. 蒸发器 5. 吸收器
9. 制冷工质对 （制冷剂和吸收剂）
蒸气吸收式制冷
吸附能力 ∝ 吸附剂温度
通过周期性地冷却与加热吸附剂， 实现交替吸附和解吸 → 制冷作用
吸附工质对 （吸附剂－制冷剂）
沸石－水； 活性碳－甲醇；
硅胶－水； 金属氢化物－氢
吸附式制冷
系统组成示意图
1－太阳集热器/吸附床 2－冷凝器 3－储液器 4－膨胀阀 5－截止阀 6－蒸发器 7－工质对 （活性碳－甲醇）
其作用是将热能转换为机械能，并通过喷射器实现逆向 循环过程中压缩制冷剂的作用。
系统循环工作过程 吸附床中的加热及解吸过程 （白天） 冷凝器中的冷凝过程（白天）
蒸发器中的蒸发过程（夜晚） 吸附床中的吸附过程（夜晚）
思考题
在蒸气压缩式制冷系统中压缩机的作用是什么? 与膨胀阀配合维持蒸发器内处于低压，并将来自蒸发器的 制冷剂蒸气提升至高压压力； 驱动制冷剂在系统中循环。
蒸气喷射式制冷循环中包含有正向循环过程和逆向循环过程 正向循环的作用是什么?
系统循环工作过程
稀溶液的加压和预热过程：1—2—3 发生器中的蒸气发生过程：3—4、5 浓溶液的冷却与节流过程：5—6—7 吸收器中的吸收过程：7、10—1 制冷剂冷凝过程：4—8 制冷剂节流过程：8—9 制冷剂蒸发过程：9—10
蒸气射式制冷
系统组成示意图
1. 喷射器 2. 冷凝器 3. 膨胀阀 4. 蒸发器 5. 泵 6. 发生器
制冷与低温技术原理-布雷顿制冷循环
第一节 物质相变制冷
蒸气吸收式制冷的机种以其所用的工质对区分。 当前普遍应用的工质对有两种：溴化锂－水(制冷剂是 水)，氨－水(制冷剂是氨)。溴化锂吸收式制冷机用于制取 7～10℃的冷水；氨水吸收式制冷机能够制冷的温度可达20℃或更低。
第一节 物质相变制冷
图2－3 蒸气压缩式制冷的基本系统
第一节 物质相变制冷
蒸气压缩式制冷系统中，用压缩机抽出低压气并将其 提高压力后排出。气体压缩过程需要消耗能量，由输入压 缩机的机械能或电能提供。
第一节 物质相变制冷
三、蒸气吸收式制冷
蒸气吸收式制冷的基本系统如图2－4所示。整个系统 包括两个回路：制冷剂回路和溶液回路。
(2－1)
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。
第一节 物质相变制冷
第一节 物质相变制冷
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。
第一节 物质相变制冷
1．固体相变冷却 常用的制冷剂有：冰、冰盐、干冰，以及其他固体物
制冷原理第二章制冷剂
爆炸极限 1.8~8.4 16.0~25.0 None None
制冷剂代号 R23 R32 R22 R744
爆炸极限 None 14~31 None None
18
制冷剂的物理化学性质及其应用
3、安全分类 毒性分为A、B两级
（A——低毒性、B——高毒性） 可燃性分为1、2、3三级
（1——不燃；2——低度可燃；3——高度可燃）
料无腐蚀作用。
30
目录
制冷剂概述 制冷剂的物理化学性质及其应用 载冷剂 ➢ 润滑油
31
润滑油
一、润滑油的功效 在制冷装置中，润滑油保证压缩机正常运转，对压缩机各
个运动部件起润滑与冷却作用，在保证压缩机运行的可靠性和 使用寿命中起着极其重要的作用。
减少运动零件摩擦量，延长寿命； 带走摩擦热； 防止制冷剂气体泄露； 清洗润画面，带走污垢； 保护零件防止锈蚀；
臭氧层有潜在消耗能力。
22
23
制冷剂的物理化学性质及其应用
臭氧衰减指数ODP CFC高、HCHC低、HFC为0
温室效应指数GWP CFC高、HCHC和 HFC低
总等效温室效应TEWI • 第一部分：直接温室效应——温室气体排放、泄露 或维修报废时进入大气产生的温室效应； • 第二部分：间接温室效应——使用这些温室气体的 装置因耗能引起的二氧化碳排放所带来的温室效应。
上节回顾
相变制冷——液体汽化、固体熔化与升华；压焓图 有外功输出（等熵）
绝热膨胀制冷 无外功输出（等焓）
（温度随微小压力变化而变化的关系） 逆卡诺循环
制冷的热力学特征 洛伦兹循环 热能驱动的制冷循环
（制冷量、制冷系数、热力系数、热力完善度、热泵系数）
1
第二章 制冷剂、载冷剂及润滑油
制冷与低温技术原理-小组讨论题---答案
制冷与低温技术原理-小组讨论题---答案第一章绪论（小组讨论题-课堂完成）填空题1.制冷是指用（人工）的方法在一定时间和一定空间内将（物体）冷却，使其温度降低到（环境温度）以下，并保持这个低温。
2.制冷是一个逆向循环，为了实现制冷循环，必须（消耗功）。
3. 在科学研究和工业生产中，常将制冷分为（制冷）和（低温技术）两个体系。
4. 根据国际制冷学会第13次制冷大会（1971年）的建议，将（120K ）温度定义为普冷和低温的分界线。
5. （氦气）是自然界诸元素中沸点最低的气体，也是最后被液化的气体。
6. 定压下，单位质量液体汽化时所吸收的热量称为（汽化潜热）。
7. 任何一种物质，随着（温度）的提高其汽化热不断减小，当到达（临界）状态时，汽化热为零。
8. 节流过程是（流体流动时由于流通面积突然减小，压力降低的热力过程），节流前后，（焓值）保持不变，（温度）和（压力）降低。
9. 制冷机按照逆卡诺循环工作时，制冷系数只与（热源和热汇的温度）有关，与（制冷剂性质）无关。
10. 制冷机制冷系数的数值范围为（大于0 ），热泵泵热系数的数值范围为（大于1 ），热机热效率的数值范围为（0～1 ）。
选择题（单选）1.空调用制冷技术属于（A）A. 普通制冷B. 深度制冷C. 低温制冷D. 极低温制冷2.人工制冷技术的发展起源于（A ）A. 蒸气压缩式制冷B. 吸收式制冷C. 蒸汽喷射制冷D. 气体膨胀制冷3.实际制冷循环的制冷系数与逆卡诺循环的制冷系数之比称为（C ）A. 压缩比B. 输气效率C. 热力完善度D. 能效比4.热泵循环中的制热过程是（D）A．电热加热B．热水供热C．制冷剂汽化D．制冷剂的冷却冷凝第二章制冷方法（小组讨论题-课堂完成）填空题1. 制冷的方法有很多，常见的方法有（相变制冷），（气体膨胀制冷），（绝热放气制冷），和（电磁制冷）等方法。
2. 在制冷技术中，常应用纯水冰或冰盐的（冰融化吸热）过程以及干冰的（升华吸热）过程来制冷。
制冷和低温技术原理—第2章 制冷方法
高压液体流 经膨胀阀节 流，形成低 压低温的 气，液两相 混合物进入 蒸发器。
4. 应用： 蒸气压缩式制冷机是应用最广泛的制冷机。 是本课程的重点内容之一。 具有100多年的历史，相当完备，广泛应用 在空气调节，各种冰箱，食品冷藏，冷加工 方面。 制冷的温度范围为5℃ — -150℃。
2.1.5 吸附式制冷
1. 系统组成：
吸附床，冷凝器，蒸发器 用管道连成一个封闭系统。
太阳辐射 沸石 吸附床 （沸石密封盒）
2. 工作原理：
肋片 （冷凝器） 储水器
一定的固体吸附剂对某种 （蒸发器） 制冷剂气体具有吸附作用， 白天脱附 夜间吸附 而且吸附能力随吸附剂温 太阳能沸石-水吸附制冷原理 度的改变而不同。 通过周期性地冷却和加热吸附剂， 使之交替地吸附和解吸。 解吸时，释放制冷剂气体，使之凝结为液体。 吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用。
热电制冷
气体绝热膨胀制冷
高压气体经绝热膨胀即可达到较低 温度，令低压气体复热即可制取冷量。 高压气体经涡流管膨胀后即可分离冷, 热两股气流，用冷气流的复热过程即 可制冷。
气体涡流制冷
2.1 物质相变制冷
2.1.1 相变制冷概述
液体蒸发制冷 固体相变制冷
以流体为制冷剂，通 过一定的机器设备构 成制冷循环，利用液 体汽化时的吸热效应 ，实现对被冷却对象 的连续制冷。
2.2.2 磁制冷
1. 工作原理： 是利用磁热效应的一种制冷方式。
既是固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场 作用磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小）， 对外放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵 增大），又要从外界吸收热量。
2.2.3 声制冷
1. 工作原理： 是利用热声效应的一种制冷方式。
第2章 制冷方法
热电制冷
● 基本计算公式 描述半导体制冷的重要性能参数是：制冷量、放热量、耗功率和制 冷系数 。
制冷量： 放热量：
Qc
ITc
KT
ห้องสมุดไป่ตู้
1 2
I
2R
Qh
ITh
KT
1 2
I 2R
15
热电制冷
消耗功率：
N Qh Qc I 2R IT
制冷系数：
ITc
KT
1 2
I 2R
IT I 2R
16
17
热电制冷
●吸附分类：物理吸附与化学吸附 ●吸附工质对（吸附剂－制冷剂）：
沸石－水； 硅胶－水； 活性碳－甲醇； 金属氢化物－氢
21
吸附式制冷(adsorption
refrigeration)
●系统组成与工作过程（以物理吸附为例）
吸附床、冷凝器、蒸发器和工质对（沸石与水蒸气）
22
气体涡流制冷(vortex refrigeration)
2
液体蒸发制冷原理
原 理 示 意 图 ：
➢实现连续制冷——循环的过程 低压低温下蒸发过程
增压过程 高压高温下凝结过程 降压过程
※液体蒸发制冷实际循环方式 ● 蒸气压缩式 ● 蒸气吸收式 ● 蒸气喷射式 ● 吸附式
3
蒸气压缩式制冷
(vapor-compression refrigeration )
最大制冷温差
在不改变热电对材料及几何尺寸的前提下，增加冷、热
端之间的温差时，制冷量降低，因而在确定冷、热端之
间的最大温差时，取
Qc 0
那么：
(ITc
T
1 2
I
2
R)
制冷与低温技术原理
制冷与低温技术原理制冷和低温技术是为了提供低温环境而开发出的一项技术。
制冷技术主要用于在一定的环境温度下，将热量从一个物体或空间中移除，以降低其温度。
而低温技术则是使温度进一步降低到极低的水平，通常用于实验室研究、医疗设备和工业应用等领域。
制冷技术的原理主要基于热力学和热传导的原理。
按照热力学原理，热量会从高温的物体流向低温的物体，直到两者达到热平衡。
因此，通过制冷技术，我们可以利用一些工具和材料来降低物体的温度，使其与环境温度相比更低。
通常采用的制冷原理之一是蒸发冷却。
这种原理运用液体蒸发时吸收热量的特性。
当液体（通常是制冷剂）处于较低的压力下时，其沸点也会降低，因此液体会蒸发。
在蒸发的过程中，液体吸收周围环境的热量，使得周围环境的温度降低。
这就是为什么在身体上喷洒酒精或水会感觉凉爽，因为当它们蒸发时会吸收皮肤表面的热量。
制冷技术还可以利用压缩循环来实现。
这种原理基于两种物质经历压缩和膨胀阶段时温度的变化。
在压缩阶段，制冷剂被压缩成高温高压气体，然后通过冷凝器散热，变成高温高压液体。
接下来，液体通过膨胀阀控制放松到较低的压力，以降低温度。
在膨胀的过程中，制冷剂从液体变为气体，吸收周围环境的热量，然后进入蒸发器。
在蒸发器中，制冷剂在降低周围温度的同时，释放蒸发时所吸收的热量，重复循环使用。
低温技术则需要更加复杂的工艺来实现极低的温度。
其中最常用的技术是梯级制冷。
梯级制冷依赖于多级的制冷循环，每个循环都有一个深冷剂和一个浅冷剂组成。
深冷剂的制冷剂在较低的温度下工作，将其对应的温度传递给下一个浅冷剂的制冷剂。
这样，随着级数的增加，整个系统可以实现更低的温度。
目前最低的实现的温度约为100mK，也就是0.1K。
为实现这样低的温度，需要采用超导材料和特殊的制冷手段。
另一个常用的低温技术是制冷剂的制冷。
这种方法依赖于制冷剂的相变性质。
当制冷剂压缩时，其温度会升高，然后通过冷凝器和膨胀阀实现制冷剂的降温，然后进入蒸发器。
空分制氧技术-第2章 制冷技术
第二章制冷技术为使空气液化，需要获得低温，工业上常用两种方法，即空气通过节流阀或膨胀机的膨胀制冷获得低温，甚至液化。
这两种方法是以气体的膨胀为基础的。
2.1 空气的液化2.1.1 流膨胀效应通常把高压流体流经管道中的小孔后压力显著降低的过程称为节流。
节流孔径越小，则局部阻力越大，节流前后的压力变化也越大；反之，就越小。
在实际工作中，为了调节，通常用节流阀代替节流孔。
气体在节流时，既无能量输出，也无能量输入，所以气体节流前后的能量保持不变，即节流前后的焓值相等。
这是节流过程的基本特点，因此节流过程可看作是近似的绝热过程。
实际气体的焓值是温度和压力的函数，所以实际气体节流后的温度是发生变化的。
这种现象叫节流效应（焦耳－汤姆逊效应）。
空气经过节流，虽然可降低温度，但对外没有热量交换，也没有做功，因此节流过程本身并没有产生冷量。
节流特点：节流效应与节流前的压力和温度有关。
节流前的温度降低，节流效应增大。
节流前的压力增高，节流效应变小。
等温节流制冷时，气体需经历等温压缩和节流膨胀两过程才具有制冷量。
2.1.2 膨胀制冷气体对外做功的机器称为膨胀机。
气体在膨胀机中一边膨胀，其内位能增加，又一边对外做功，这两部分能量消耗都需要用内动能来补偿，所以气体在膨胀机中等熵膨胀，焓值下降，温度必然降低。
高压气体等熵膨胀时向外输出机械功，这样消耗了大量的气体内能（焓值减小）。
另外，还由于膨胀时气体体积增大，分子距离也要增大，但是分子间有吸引力，为了克服分子间的吸引力又要消耗气体分子的一些动能（动能减小）。
这样气体分子的内能和动能在等熵膨胀时大量消耗，从而降低了气体温度。
所以等熵膨胀后，气体温度总是下降的。
气体等熵膨胀产生的温差，不但随着膨胀前后的压力比值增大而增加，而在膨胀前后压力不变的情况下，还随着膨胀前的温度的变化而变化。
所以为了获得较大的温降和单位制冷量，可采用增加膨胀比和提高膨胀前温度的方法。
但不是无限制的，而是在合理的等熵效应范围内进行。
制冷与低温技术原理
制冷与低温技术原理
制冷技术的原理是通过将热量从一个物体或空间转移到另一个物体或空间，从而降低物体或空间的温度。
主要有以下几种原理：
1. 蒸发冷却：利用液体蒸发过程中吸收热量的特性来降低温度。
例如，制冷机中的制冷剂在蒸发器中蒸发时吸收空气中的热量，使得空气变得冷。
2. 压缩膨胀循环：通过压缩和膨胀的过程来实现制冷。
制冷机中的制冷剂被压缩成高温高压气体，然后通过膨胀阀发生膨胀，降低温度。
3. 热电效应：在一些材料中，当电流通过时会发生热量的吸收或释放。
通过控制电流的大小和方向，可以实现温度的调节。
低温技术是在制冷技术的基础上进一步降低温度的技术。
常见的低温技术包括：
1. 冷冻机：使用制冷剂循环制冷的机器，能够将物体或空间的温度降低到较低的程度。
2. 液氮冷却：利用液氮的低沸点来实现低温。
液氮的沸点为-196°C，可以通过倒入液氮来使物体或空间迅速冷却。
3. 超导技术：超导材料在极低温度下具有无电阻的特性。
通过将材料冷却到超导温度，可以实现超导电流的高效传输。
这些制冷和低温技术被广泛应用于各个领域，如制冷设备、食品储存、科学实验、医疗保健等。
《制冷技术与原理》——第2章 单级蒸汽压缩式制冷循环
的。
(4)单位冷凝热
qk
单位（1kg）制冷剂蒸气在冷凝器中 放出的热量，称为单位冷凝热。单位冷凝 热包括显热和潜热两部分
q k h 2 h 3 h 3 h 4 h 2 h 4(2-9)
比较式（2-5）、（2-8）和（2-9） 可以看出，对于单级压缩式蒸气制冷机理 论循环，存在着下列关系
2.1.1系统与循环
液体蒸发制冷构成循环的四个基本过程是：
①制冷剂液体在低压（低温）下蒸发， 成为低压蒸气
②将该低压蒸气提高压力为高压蒸气 ③将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体 ④高压液体降低压力重新变为低压液体， 返回到①从而完成循环。
压缩机:
压缩和输送制冷蒸汽，并造成蒸发 器中低压、冷凝器中高压，是整个
等容线----向右上方倾斜的虚线；
等干度线----只存在于湿蒸气区域内，其方向 大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近，视干度 大小而定。
2.1.3 制冷循环过程在压焓图 和温熵图上的表示
3 4
B C
5D
p
2 1A
单级蒸气压缩 式制冷系统图
A—压缩机； B—冷凝器； C—节流阀； D—蒸发器。
4
pk 3 2
上面所述的循环，是单级压缩蒸气制 冷机的基本循环，也是最简单的循环。在 实用上，根据实际条件对循环往往要作一 些改进，以便提高循环的热力完善度。在 单级制冷机循环中，这一改进主要有液体 过冷、吸气过热及由此而产生的回热循环。
2.2.1 液体过冷对循环性能的影响
将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝 温度的状态，称为过冷。 带有过冷的循环，叫做过冷循环。
qkq0w 0
(2-10)
(5)制冷系数 0
对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，
第二章 制冷方法
吸收和吸附式制冷的特点
制冷剂蒸发
吸收热量制冷
气体制冷剂回复液体状态 利用吸收或吸附方式
吸收式制冷与压缩式制冷相比有以下特点
(1)可以利用各种热能驱动 (1)可以利用各种热能驱动 (2)可以大量节约用电 (2)可以大量节约用电 (3)结构简单，运动部件少，安全可靠 (3)结构简单，运动部件少， 结构简单 (4)对环境和大气臭氧层无害 (4)对环境和大气臭氧层无害 (5)热力系数COP低于压缩式制冷循环 (5)热力系数COP低于压缩式制冷循环 热力系数COP
2）固体升华制冷
使用最多的固体升华制冷剂是二氧化碳、 使用最多的固体升华制冷剂是二氧化碳、氮、氖和氩。 氖和氩。 固体CO 俗称干冰，干冰的三相点参数为：温度固体CO2俗称干冰，干冰的三相点参数为：温度56.6℃ 压力0.52MPa。 56.6℃，压力0.52MPa。干冰在三相点和三相点以下吸 热时直接升华为二氧化碳蒸气。 热时直接升华为二氧化碳蒸气。 常压下干冰的升华温度为常压下干冰的升华温度为-78.5 ℃，升华潜热为573.6 升华潜热为573.6 kJ/kg。干冰的制冷能力比冰和冰盐都要大， kJ/kg。干冰的制冷能力比冰和冰盐都要大，其单位质 量制冷能力是冰的1.9倍 单位容积制冷能力是冰的2.95 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。 干冰化学性质稳定，对人体无害，是良好的制冷剂。 干冰化学性质稳定，对人体无害，是良好的制冷剂。
相变是指物质集聚态的变化 物质在发生相变时，由于分子重新排列和分子 物质在发生相变时， 热运动速度改变， 热运动速度改变，必然伴随着吸收或放出一定 的热量，这种热量称为相变潜热。相变制冷就 的热量，这种热量称为相变潜热 相变潜热。 是利用物质由质密态到质稀态的相变（融化、 是利用物质由质密态到质稀态的相变（融化、 蒸发、升华）时的吸热效应，达到制冷的目的。 蒸发、升华）时的吸热效应，达到制冷的目的。
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2.1.1 相变制冷概述
液体蒸发制冷
固体相变制冷
以流体为制冷剂，通 过一定的机器设备构 成制冷循环，利用液 体汽化时的吸热效应 ，实现对被冷却对象 的连续制冷。
以一定数量的固体 物质为制冷剂，作 用于被冷却对象， 实现冷却降温。一 旦固体全部相变， 冷却过程即终止。
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
压缩机排出 的高压制冷 剂气体进入 冷凝器，被 冷却水或空 气冷却、冷 凝，成高压 液体。
高压液体流 经膨胀阀节 流，形成低 压低温的 气，液两相 混合物进入 蒸发器。
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
4. 应用： ➢ 蒸气压缩式制冷机是应用最广泛的制冷机。 是本课程的重点内容之一。 ➢ 具有100多年的历史，相当完备，广泛应用 在空气调节，各种冰箱，食品冷藏，冷加工 方面。 ➢ 制冷的温度范围为5℃ — -150℃。
制冷与低温技术原理
第2
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
第 2 章 制冷方法
内容要求 物质相变制冷 电，磁，声制冷 气体涡流制冷 气体膨胀制冷 绝热放气制冷
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
常见的制冷方法有四种：
物质相变制冷
利用液体在低温下的蒸发过程或固体 在低温下的融化或升华过程从被冷却 物体吸取热量以制取冷量。
1. 固体相变制冷 原理；利用固体融化或升华冷却。 制冷剂：冰，冰盐，干冰，其它固体升华冷却。
（1）冰冷却 吸热
融化
常压下，冰在0℃融化， 融化潜热为335kJ/kg。
冰
水
水蒸气
升华
吸热
课后问题1；
说
冰的物理性质。
明 可满足0ºC以上的制冷要求。
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
（2）冰盐冷却
吸热 冰0℃融化
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
压缩机：起着压缩和输送制冷剂蒸汽并造成蒸发器 中低压力，冷凝器中高压力的作用，是整 个系统的心脏。
膨胀阀：对制冷剂起到节流降压的作用，并调节 进入蒸发器的制冷剂流量。
蒸发器：是输出冷量的设备。制冷剂在蒸发器中 吸收被冷却物体的热量，从而达到制取 冷量的目的。
冷凝器：是输出热量的设备。从蒸发器中吸取的 热量连同压缩机消耗的功所转化的热量 在冷凝器中被冷却介质带走。
冷却流体
降压
升压
被冷却流体 构成循环的原理
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
冷却流体
液体蒸发制冷循环必须 具备四个基本过程：
降压
升压
被冷却流体 构成循环的原理
制冷剂低压汽化 制冷剂液体在低温低压下 汽化， 产生低压蒸气。
蒸气升压
将低压蒸气抽出并提高压力 变成高压蒸气。
高压蒸气液化 将高压蒸气冷凝成高压液体。
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
2.1.3 蒸气吸收式制冷
1. 系统组成： 蒸发器，冷凝器，节流阀，发生器，吸收器，
热交换器和溶液泵组成。
2. 制冷系统图：
Qk
发生器
两个回路
冷凝器
节
QH
流 阀
溶液热 交换器
制冷剂回路 溶液回路
蒸发器 溶
液
Qo QA 吸收器
泵
蒸气吸收式制冷的基本系统
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
热电制冷
气体绝热膨胀制冷
气体涡流制冷
令直流电通过半导体热电堆，即可在 一端产生冷效应，另一端产生热效应。
高压气体经绝热膨胀即可达到较低 温度，令低压气体复热即可制取冷量。
高压气体经涡流管膨胀后即可分离冷, 热两股气流，用冷气流的复热过程即 可制冷。
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
2.1 物质相变制冷
冰融化
吸热
冰盐
盐水膜 和冰
盐水 溶液
课后明
1. 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有关。
2. 常用的冰盐是块冰与工业食盐的混合物。
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
（3）干冰冷却
吸热
融化
CO2的三相点参数： • 温度-56.6℃，
• 压力0.52MPa。
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
4. 对比：蒸气吸收式制冷与蒸气压缩式制冷系统
（1）系统组成
a: 相同：冷凝器，节流阀，蒸发器。 b: 不同：吸收式制冷中，压缩机由吸收器，发生器，
溶液泵，热交换器，节流阀溶液回路所代替。
（2）制冷剂
高压液体降压 高压液体再降低压力回到 初始的低压状态。
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
2.1.2 蒸气压缩式制冷
1. 系统组成： 压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器等主要设备
组成，用管道将其连接成一个封闭的系统。
2. 制冷系统图：
3
膨 胀 阀
4
冷却介质
冷凝器 蒸发器
2
压缩机
1
被冷却介质
蒸气压缩式制冷的基本系统图
固态CO2
液态CO2
常压下，干冰的升华 温度-78.5℃，升华热 为573.6kJ/kg。
升华
气态CO2
课后问题3； 干冰的物理性质 。
吸热
说
明 干冰的制冷能力比冰和冰盐都大。
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
2. 液体蒸发制冷
共同特点： 是利用液体汽化 时的吸热效应而 实现制冷的。
常用方法： ✓ 蒸气压缩式制冷 ✓ 吸收式制冷 ✓ 蒸气喷射式制冷 ✓ 吸附式制冷
吸收式制冷的工质对： 名称
• 硫酸水溶液吸收式制冷机 • 氨水吸收式制冷机 • 溴化锂吸收式制冷机
制冷剂 水 氨 水
吸收剂 浓硫酸 水 溴化锂
说
明 吸收剂对制冷剂气体有很强的吸收能力。
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
3. 工作过程：
制冷剂回路
Qk 冷凝器
发生器
节
QH
流 阀
溶液热 交换器
蒸发器 溶
制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
3. 工作过程：
蒸发器
压缩机
3 膨 胀 阀
4
冷却介质
冷凝器 蒸发器
2 压缩机
1 被冷却介质
蒸气压缩式制冷的基本系统图
冷凝器
膨胀阀
低温低压的 制冷剂液体 与被冷却对
象发生热交 换，吸收被 冷却对象的 热量并汽化
形成冷剂蒸 气。
低压蒸气被 压缩机吸入 ，经压缩后 形成高温高 压蒸气排 出。
液
Qo
QA 吸收器
泵
蒸气吸收式制冷的基本系统
溶液回路
高压制冷剂 气体在冷凝 器中冷凝， 产生的高压 制冷剂液体 经节流后到 蒸发器蒸发 制冷。
一方面在吸收器中，吸 另一方面，发生后 收剂吸收来自蒸发器的 的溶液重新恢复到 低压制冷剂蒸气，形成 原来成分，经冷 富含制冷剂的溶液，再 却，节流后成为具 将该溶液用泵送到发生 有吸收能力的吸收 器，经加热使溶液中的 液，进入吸收器， 制冷剂重新以高压气态 吸收来自蒸发器的 发生出来，送入冷凝器。 低压制冷剂蒸气。