制冷与低温原理
制冷与低温技术原理 吴业正
第一节 制冷的定义及研究内容
三、制冷与低温技术的研究内容
研究内容可以概括为以下四个方面： 研究内容可以概括为以下四个方面： 研究获得低于环境温度的方法 机理以及与此对应 方法、 (1) 研究获得低于环境温度的方法、 机理以及与此对应 循环，并对循环进行热力学的分析和计算。 的循环，并对循环进行热力学的分析和计算。 研究循环中使用的工质的性质 工质的性质， (2) 研究循环中使用的工质的性质， 从而为制冷机和低 温装置提供合适的工作介质。因工质在循环中发生状态变 化，所以工质的热物理性质是进行循环分析和计算的基础 数据。此外，为了使这些工质能实际应用，还必须掌握它 们的一般物理化学基础。 研究气体液化和分离技术。 (3) 研究气体液化和分离技术。 例如液化氧、氮、氢、 氦等气体，将空气或天然气液化、分离，均涉及一系列的 制冷和低温技术。
第二节 制冷与低温技术的应用
二、在工业及农牧业生产方面的应用
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 提供恒温恒湿条件，以保证产品质量 机床、 保证产品质量或机床 各生产环境提供恒温恒湿条件 提供恒温恒湿条件 保证产品质量 机床、 仪表的精度。 仪表的精度。 机械制造中， 钢进行低温处理 钢进行低温处理，可以改变其金相组 机械制造中 ， 对钢进行低温处理 织，使奥氏体变成马氏体，提高钢的硬度和强度。在机器 的装配过程中，利用低温进行零件的过盈配合 零件的过盈配合。化学工业 零件的过盈配合 中，借助于制冷，使气体液化、混合气分离 气体液化、 气体液化 混合气分离，带走化学反 应中的反应热。盐类结晶、润滑油脱脂、石油裂解、合成 橡胶、生产化肥均需要制冷。
制冷与低温技术原理
制冷与低温技术原理制冷与低温技术是一门涉及物理、化学、工程学等多个领域的学科，它的发展与人类的生产生活息息相关。
本文将深入探讨制冷与低温技术的原理，希望能为读者提供一些有益的知识。
首先，我们来了解一下制冷与低温技术的基本原理。
制冷技术是利用一种叫做制冷剂的物质，通过蒸发和凝结的循环过程，将热量从一个地方转移到另一个地方的技术。
而低温技术则是在极低温度下对物体进行处理或保存的技术。
这两者的原理都是基于热力学和热传递的基本规律，通过控制温度和热量的传递，实现对物体温度的调节和控制。
在制冷技术中，制冷剂起着至关重要的作用。
制冷剂是一种能在低温下蒸发并在高温下凝结的物质，常见的制冷剂包括氨、氟利昂、氯化甲烷等。
通过控制制冷剂的蒸发和凝结过程，可以实现对物体温度的降低。
而在低温技术中，除了制冷剂的选择外，还需要考虑绝热材料、保温材料等因素，以防止热量的传递和损失。
另一个重要的原理是热力学的运用。
热力学是研究热量和功的转化关系的学科，它对制冷与低温技术的原理和应用有着重要的指导作用。
通过热力学的分析，可以确定制冷剂的选择、循环过程的设计以及系统的效率等关键参数，从而提高制冷与低温技术的性能和效率。
此外，工程学的原理也是制冷与低温技术的重要基础。
工程学包括热力学、流体力学、传热学等多个学科，它们为制冷与低温技术的设计、制造和应用提供了理论和方法。
例如，流体力学可以用来分析制冷剂在系统中的流动特性，传热学可以用来研究热量的传递规律，这些都为制冷与低温技术的实际应用提供了理论支持。
总的来说，制冷与低温技术的原理是多方面的，涉及物理、化学、工程学等多个学科的知识。
通过对制冷剂的选择、热力学的分析和工程学的应用，可以实现对物体温度的控制和调节，从而满足不同领域的需求。
希望本文能为读者对制冷与低温技术的原理有所了解，并对相关领域的研究和应用有所帮助。
制冷与低温思考题题解(初稿)
18，制冷剂的标准沸点的含义？从循环的性能出发，应该如何选择制冷剂？
1、制冷剂在标准大气压下的沸腾温度称为标准蒸发温度（或标准沸点） ，用符号 表示。制 冷剂的标准蒸发温度大体上可以反映用它制冷时能够达到的低温范围。 越低的制冷剂能够 达到的制冷温度越低。 2， （选择制冷剂的标准）人们期望的是：它冷凝压力不太高；蒸发压力在常压以上或不 要比大气压低的太多；压力比适中；排气温度不太高；单位制冷量大；循环的性能系数高；
8、压缩式制冷循环简图 冷凝器 节 流 阀 压 缩 机
蒸发器
-3-
制冷低温原理大纲习题答案
理想循环的假定： （1）高温热汇和低温热源的温度 TH、TL 恒定，制冷剂在相变传热过程中没有传热温差，即
TK=TH,T0=TL
（2）不计过热度和过冷度； （3）除膨胀装置和压缩机外，制冷剂流经其他部件和管道没有压力变化； （4）除换热器外，其他部件和管道与外界没有热交换； （5）压缩过程为可逆的等熵绝热压缩过程。
排气管
热交换：制冷剂向环境散热，起到冷却高压排气的作用，减少了冷凝器的负荷， 是有利无害的。 压力损失：使压缩机排气压力必须高于冷凝压力才能保证制冷剂流入冷凝器，增 大了压缩机的工作压力比，使比功增大，排气温度升高。
高压液管
热交换： （1）向环境散热：使高压液体过冷，对循环有益； （2）被环境加热:高 压液管中部分液体汽化，膨胀阀前出现气泡，大大降低阀的流通性，并使阀的工 作不稳定。阀能力下降使蒸发器缺液，则制冷能力大大降低；阀工作不稳定会危 及压缩机的安全。 压力损失：使膨胀阀前的制冷剂压力降低，阀前后压差变小，造成其通流能力减 少。若来自冷凝器的制冷液体是饱和液，压力损失将使阀前液体中出现闪蒸汽， 阀前液体汽化，更加严重影响膨胀阀的能力，并使阀的工作不稳定。
低温与制冷原理
低温与制冷原理
低温与制冷原理是指通过降低物体的温度来达到特定目的的一种技术或方法。
低温与制冷技术广泛应用于医学、化工、食品等领域。
低温的物理原理是基于物体的分子活动程度与温度之间的关系。
当物体的温度降低时，分子的活动减慢，它们之间的相互作用力增加。
这会导致物体的性质发生变化，例如固体可能变得更加脆弱，液体可能变得更加黏稠。
制冷的基本原理是通过抽取物体的热量来使其温度下降。
制冷过程中常用的方法包括蒸发制冷、压缩制冷和吸收制冷。
在蒸发制冷中，液体通过蒸发释放热量，从而引起温度下降。
蒸发制冷常用于制作制冷剂，例如空调中使用的氟利昂。
压缩制冷是通过利用气体的压缩和膨胀来实现冷却效果。
在制冷循环中，气体通过压缩变为高压气体，并通过换热器散热降温。
然后气体通过膨胀阀放松压力，变为低压气体，从而引起温度下降。
吸收制冷是利用吸收剂对制冷剂的吸收和释放来实现冷却效果。
当制冷剂与吸收剂接触时，制冷剂被吸收剂吸收，形成复合物。
然后通过加热使复合物分解，制冷剂被释放出来，从而引起温度下降。
总之，低温与制冷原理是利用物质的性质变化和能量转移来实
现温度降低的技术。
不同的制冷方法适用于不同的应用领域，但它们的基本原理都是基于热量转移和物质相互作用的基础物理原理。
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
制冷与低温技术原理
制冷与低温技术原理制冷与低温技术是一门涉及物理、化学、工程学等多个学科知识的交叉领域，它广泛应用于工业生产、生活和科学研究等各个领域。
在现代社会中，制冷与低温技术已经成为不可或缺的一部分，它为人类的生产生活提供了便利，同时也推动了科学技术的发展。
本文将从制冷与低温技术的原理入手，对其进行深入探讨。
首先，制冷技术是利用物质的热力学性质，通过能量转移的方式将热量从一个物体转移到另一个物体，以达到降低物体温度的目的。
在制冷技术中，常用的原理包括蒸发冷却原理、压缩冷却原理和热电制冷原理等。
蒸发冷却原理是利用液体蒸发时吸收热量的特性，通过蒸发器将被制冷物体的热量吸收，从而降低其温度。
压缩冷却原理是通过压缩机将制冷剂压缩成高温高压气体，然后通过冷凝器散热，使其冷凝成液体，释放热量，从而降低被制冷物体的温度。
热电制冷原理则是利用热电材料在电场作用下产生冷热效应，实现制冷的原理。
其次，低温技术是指将物体的温度降低到较低的温度范围内，通常在零下100摄氏度以下。
低温技术的应用领域非常广泛，包括超导、超流体、超低温物理、医学冷冻、食品冷藏等多个领域。
在低温技术中，常用的原理包括制冷机制冷原理、液氮制冷原理和制冷剂制冷原理等。
制冷机制冷原理是通过制冷机将低温制冷剂制冷后传递给被制冷物体，实现降温的原理。
液氮制冷原理是利用液氮的低温特性，将其用作制冷剂，实现对被制冷物体的低温冷藏。
制冷剂制冷原理则是利用特定的制冷剂对被制冷物体进行制冷，以达到降温的目的。
综上所述，制冷与低温技术的原理涉及到多个方面的知识，包括热力学、物理学、化学等多个学科。
通过对制冷与低温技术原理的深入理解，我们可以更好地应用这些技术，推动科学技术的发展，为人类的生产生活提供更多的便利。
希望本文能够对读者有所帮助，也希望制冷与低温技术能够在未来得到更广泛的应用和发展。
制冷与低温原理
Applications of R&C Tech.
6
Refrigerants
• Halocarbon compounds (卤化碳制冷剂：甲、 乙、丙烷的衍生物) • Hydrocarbons (甲、乙、丙烷等） • Inorganic compounds (无机化合物：水、氨、 CO2等) • Mixed refrigerant (混合制冷剂) • Cryogenic working fluids (低温工质：CH4, air, fluorin, argon, nitrogen, neon等)
3
Exordium（绪论） • Refrigeration & cryogenic technology The tech. to get a temperature artificially below the temperature of circumstance and to keep it. • Temperature range of refrigeration >120k/-153℃ • Temperature range of cryogenics <120k/-153℃
• Throttling evaporation（闪发、节流气化） • Refrigeration effect （制冷量、制冷效应）
q0 = r (1 − χ )
11
§1.1 Phase Transformation Refrigeration
• Thaw(融化) & sublimation(升华) of solid substances
κ −1 κ
18
§1.2 Refrigeration of gas adiabatic expansion
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➢气体等熵膨胀时，压力的微小变化所引起的 温度变化。
s(T P)sC TP(T)P
(1-58)
对理想气体(为绝热指数)
TsT1T2T1[1(P P12)1]
(1-60)
等熵膨胀过程的温差，随着膨胀压力比 P1/P2的增大而增大，还随初温T1的提高而增大。
3.绝热放气
(1)假定放气过程进行很慢，活塞左侧气体始终 处于平衡状态而等熵膨胀，所作功按其本身压 力计算，因而对外作功最大，温降也最大。
T
=0 可逆循环 ＜0 不可逆循环 ＞0 不可能实行的循环
p、T状态下的比熵定义为
sp、 T
sp0、 T0
p、 T
p0、 T0
q T
(1-33)
2.热源温度不变时的逆向可逆循环 ——逆卡诺循环
➢当高温热源和低温热源随着过程的进行温度 不变时，具有两个可逆的等温过程和两个等 熵过程组成的逆向循环。 ➢在相同温度范围内，它是消耗功最小的循 环，即热力学效率最高的制冷循环，因为它 没有任何不可逆损失。
热力学能和总能
热力学能 ➢用符号U表示，单位是焦耳 （J） 比热力学能 ➢1kg物质的热力学能称比热力学能 ➢用符号u表示，单位是焦耳/千克 （J／kg）
热力学能
热力状态的单值函数。 状态参数，与路径无关。 两个独立状态参数的函数 。
总能
内部储存能 外部储存能
热力学能 动能 位能
工质的总储存能
➢ 内部储存能和外部储存能的和，即热力学能与宏观 运动动能及位能的总和 。
JT
1[T()P] Cp T
(1-50)
对理想气体 JT = 0
实际气体表达式可通过实验来建立
对空气和氧
在P＜15×103kPa
JT (a0b0P)(2T73)2 (1-51)
(2) 节流过程的物理特征
T( )P> T
JT > 0 节流时温度降低
T( )P= T
JT = 0 节流时温度不变
图1-11
高 温 热 源 T0 (环 境 )
两类制冷循环能量转换关系图
高 温 热 源 T0 (环 境 )
驱动热源 Th
qa
qa
w 制冷机
q0 w
q0
COP Q 0 W低 温 热 源 TR
(被 冷 却 对 象 )
制冷机 q0
qh
q0 qg
低 温 热 源 TR
(被 冷 却 对 象 )
(a)以电能(或a ) 机械能驱动 (b)以热(b能) 驱动
该式只对节流前后稳定段成立，而不适合节 流过程段。
2.热力学第二定律
➢热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高 温物体 ➢研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条 件及限度的定律
1.制冷循环的热力学分析
正向循环 热力学循环
逆向循环
热能转化为机械功 消耗功
理想循环
➢循环除了一二个不可避免的不可逆过程外其 余均为可逆过程。可逆循环是理想循环。
能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式 ➢作功
借作功来传递能量总和物体宏观位移有关。 ➢传热
借传热来传递能量无需物体的宏观移动。
推动功 ➢因工质在开口系统中流动而传递的功。
对开口系统进行功的计算时需要考虑这种功。 推动功只有在工质移动位置时才起作用。
图1-1b所示考察开口系统和外界之间功的交换。 取一开口系统，1kg工质从截面1-1流入该热力系，
热量Q
系统吸热Q+
功W
代数值 系统对外作功W+
热力学能变量ΔU
系统热力学能增大ΔU+
可逆过程 W pdV
QdU pd,Q V U2pdV 1
(1-13)
qd
2
upd,qvu pd
v
1
(1-14)
完成一循环后，工质恢复原来状态 dU0
QW
(1-15)
➢闭口系完成一循环后，循环中与外界交换的
热量等于与外界交换的净功量 Qnet W net
5.能量方程式的应用
图1-3 压缩机能量平衡
工质流经压缩机时，机器对工
质做功wc,使工质升压，工质对 外放热q
每kg工质需作功
w c(h2h1)(q) (1-24)
图1-4 膨胀机能量平衡
膨胀过程均采用绝热过程
稳定流动能量平衡方程
wi h1h2
(1-25)
图1-5 换热器能量平衡
图1-6 喷管能量转换
热力学第一定律的解析式
QW UU 2U 1 QUW
(1-11)
➢加给工质的热量一部分用于增加工质的热 力学能储存于工质内部，余下一部分以作功 的方式传递至外界。
对微元过程，第一定律解析式的微分形式
QdUW
(1-12a)
对于1 kg工质， quw (1-12b)
qduw (1-12c)
➢式(1-12) 对闭口系普遍适用，适用于可逆 过程也适用于不可逆过程，对工质性质也无 限制。
由系统能量平衡的基本表达式有
d 1 p E 1 d 1 V Q ( d 2 E p 2 d 2 V W i) d CE V (1-17)
由E=me,V=mv,h=u+pv,得
Q d C E V ( h 2 1 2 c 2 f2 g 2 )m z 2 ( h 1 1 2 c 2 f1 g 1 )m z 1 (1W -i 19)
以卡诺循环作为比较依据，第一类循环就是卡诺循 环制冷机，而第二类循环则是理想的热源驱动逆向可逆 循环——三热源循环。
对可逆制冷机 热力系数
0q q h 0(T 0T R T R)T (hT hT 0)cT hT hT 0 (1-45)
1.1.2 制冷与低温的获得方法
1.焦耳汤姆逊效应 (1) 节流过程的热力学特征
T
2
T
1(
P2
1
)
P1
(2)设想阀门打开后活塞右侧气体立即从P1降到 P2，因而当活塞左侧气体膨胀时只针对一恒定 不变压力P2作功，对外作功最小，温降也最小。
T2 1P2 1
T1
P1 Leabharlann (1-61)TT1T2 1T11P P1 2
(1-62)
式 (1-62)
式 (1-60)
图1-14 放气过程中温度与压力的变化关系
第一章 制冷与低温的热力学基础
第一节 制冷与低温原理的热工基础 第二节 制冷与低温工质 第三节 制冷技术与学科交叉
第一节 制冷与低温原理的热工基础
1.1.1 制冷与低温原理的热力学基础
1.热力学第一定律
➢ 自然界中的一切物质都具有能量，能量不 可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从 一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化 过程中能量的总量保持不变。 ➢ 能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一。
q net wnet (1-16)
4.2 开口系统的能量平衡
图1-2 开口系统流动过程中的能量平衡
图示开口系统，dτ时间内，质量m1(体积d为 V 1)的微 元工质流入截面1-1，质量m2(体积d为 V 2)的微元工质流出
2-2，系统从外界得到热量Q ，对机器设备作功 W i 。 过程完成后系统内工质质量增加dm, 系统总能增加dECV
稳定流动
ddC EV0,
d m in
m out d
系统只有单股流体进出，qm 1d m 1qm2d m 2qm
qh1 2c2 f gzwi
(1-21)
微量形式
qdh 1 2d2 fcgdzwi
(1-22)
当流入质量为m的流体时，稳定流动能量方程
QH1 2m c2 f m gzW i QdH1 2m dc2 f m gdzW i
焦耳－汤姆逊系数
JT
T
( )h
P
(1-46)
图1-12 实际气体的等焓节流膨胀
焦耳－汤姆 逊系数就是 图上等焓线 的斜率
转化曲线上
JT 0
节流后升温
JT < 0
节流后降温
JT > 0
零效应的连线称为转化曲线，如图上虚线所示。
若节流后气体温度保持不变，这样的温度称为 转化温度。
进一步推导得
工质流经换热器时和外 界有热量交换而无功的 交换，动能差和位能差 也可忽略不计
1kg的工质吸热量
qh2 h1
工质流经喷管和扩压 管时不对设备作功 ， 热量交换可忽略不计
1kg工质动能的增加 12(c2f 2 c2f1)h1h2
节流
➢工质流过阀门时流动截面突然收缩，压力下 降，这种流动称为节流。
设流动绝热，前后两截面间的动能差和位 能差忽略，因过程无对外做功，故节流前后的 焓相等 h1 h2
T( )P< T
JT < 0 节流时温度升高
(3) 转化温度与转化曲线
范德瓦尔 状态方程
(Pa2)(b)RT
转化温度
Ti b2Ra(1b)2
(1-53) (1-55)
转化温度与 压力的关系
Ti 2a [2 13b2 P]2
9Rb
a
(1-56)
在T－P图上为一连续曲线，称为转化曲线
针对范德瓦尔气体的最高转化
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
制冷系统中的节流元件
➢节流阀、毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀等 多种形式。
结构简单，价格低廉，在小型制冷空调装置中应用广泛
焦耳－汤姆逊效应 理想气体的焓值仅是温度的函数，气体节流时温 度保持不变，而实际气体的焓值是温度和压力的 函数，节流后温度一般会发生变化。
制冷工质向高温热源放热量 qi T0s12 制冷工质从低温热源吸热量 q0 TRs12
(1-34) (1-35)