制冷的热力学基础
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主要内容
➢第一节 相变制冷 ➢第二节 气体膨胀制冷 ➢第三节 其它制冷方式 ➢第四节 制冷热力学特性分析
金品质•高追求 我们让你更放心！
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引言：主要制冷方法
➢相变制冷：利用液体在低温下蒸发吸热或固体在低温下融化 或升华吸热来制冷,如蒸气压缩式制冷和吸收式制冷 ➢绝热膨胀制冷：高压气体经绝热膨胀降低温度吸热来制冷 ➢气体涡流制冷：高压气体经涡流管膨胀后可分离为热、冷两 股气流，利用冷气流吸热即可制冷 ➢热电制冷：直流电通过半导体热电堆，即可在一端产生冷效 应，在另一端产生热效应，利用冷端吸热即可制冷
共晶冰：由共晶溶液冰结而成的冰，用于冷藏食品
wk.baidu.com
（0度以下融化）或空调蓄冷（0度以上融化）
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第一节 相变制冷
图2.1 水的相平衡图
图2.2 CO2的相平衡图
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T v v
h
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积分节流效应：当压降为一有限数值时，整个节流过程产生
的温度变化，用下式表示：
p2
金品质•高追求 我们T让你p1更h放dp心！
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第二节 气体膨胀制冷
➢等焓节流膨胀制冷
实际气体的节流效应：
物理解释：
由于节流前后焓值不变，所以节流前后的内能变化等于进出推动功的差 值：u2-u1=p1v1-p2v2 气体的内能包括内动能和内位能两部分，而气体温度是降低升高还是不 变，仅取决于气体内动能是减小、增大还是不变 当p1v1<p2v2时，u2<u1，即节流后内能减小。由于内位能总是增大，所 以内动能必定减小，那么节流后气体温度降低
返回
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第二节 气体膨胀制冷
➢气体等熵膨胀制冷
等熵膨胀的热力学特性：
等熵膨胀总是产生冷效应，而节流膨胀则需要在气体转化曲 线内部才产生冷效应
相同条件下，等熵膨胀的温降比节流膨胀大得多，as-ah=v/cp； 等熵膨胀的制冷量比节流膨胀大，qs-qh=we 等熵膨胀可以回收膨胀功，进一步提高循环的经济性
动当能的p1v减金1=少品p2，v质2节时•流高，后追u2气＝求体u1温，度即我仍节们然流降让后低内你能更不放变心，！此时内位能的增加等返于回内
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第二节 气体膨胀制冷
➢等焓节流膨胀制冷
实际气体的节流效应：
物理解释：
当p1v1>p2v2时，u2>u1，即节流后内能增大。此时，若内能的增加小于 内位能的增加，则内动能是减小的，温度仍是降低；若内能的增加大于内 位能的增加，则内动能必然要增大，温度要上升；若内能的增加等于内位 能的增加，则内动能不变，温度也不变，即微分节流效应等于０，这个温 度称为转化温度
度也不变；对于实际气体，焓是温度和压力的函数，绝热节流
后温度降低、升高和不变３种情况都可能出现 金品质•高追求 我们让你更放心！
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第二节 气体膨胀制冷
➢等焓节流膨胀制冷
实际气体的节流效应：
微分节流效应（焦耳－汤姆逊系数）：实际气体节流时，温 度随微小压降而产生的变化，用下式表示：
图2.24 单级G-M
金品质•高追求 制我冷机们系让统你图 更放心！
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第二节 气体膨胀制冷
➢绝热放气制冷
脉管制冷机：利用高低压气体对脉冲管腔的充放气而获得低 温
图2.26 基本型脉管制冷机结构原理图
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第二节 气体膨胀制冷
➢气体等温膨胀制冷
维勒米尔（ＶＭ）制冷循环：
制冷原理：VM制冷机是用热能驱动的
斯特林制冷机。图中１-2-3-4-1为逆向斯特 林循环，它是在T0下等温吸热，在Ta下等 温放热。1-2-3’-4’-1为正向斯特林循环，它 在Th下从高温热源等温吸热，在Ta下等温 放热。常用VM制冷机的中间温度Ta为环境 温度。可见，VM制冷机不需要动力驱动， 直接消耗高温热源的热能制冷，又称为热
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第一节 相变制冷
➢固体融化制冷
制冷技术中常用纯水冰、冰盐、共晶冰、相变材料 或气体水合物的融化过程来制冷，无法连续制冷
纯水冰：在标准大气下，融化温度为273.15K，融 化潜热为335kJ/kg，实现0度以上的制冷
冰盐：冰和盐类的混和物，实现0度以下的制冷
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第一节 相变制冷
➢相变制冷的原理及特点
相变：物质集聚态（气态、液态或固态）的变化
相变潜热：物质发生相变时，由于分子重新排列和 分子热运动速度改变，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：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目的
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第一节 相变制冷
➢液体汽化制冷
蒸气吸收式制冷
循环：通过液体
吸收剂对制冷剂
蒸气进行吸收，
再利用驱动热源
加热吸收工质对，
来产生较高压力
和温度的制冷剂 蒸气 金品质•高追求
图2.6 蒸气吸收式制冷系统图
我们让你更放心！
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➢等焓节流膨胀制冷
等焓节流过程：
定义：节流是高压流体在稳定流动中，遇到缩口或调节阀门 等阻力元件时由于局部阻力产生，压力显著下降的过程。
特点：在工程上节流过程进行得很快，近似作为绝热过程处
理，前后的比焓值不变，是不可逆过程，熵必定增大。对于处
于气液两相区的单一物质，节流后温度总是降低的；对于理想
气体，焓是温度的单值函数，所以绝热节流前后焓值不变，温
蒸气喷射式制冷 循环：使用热能 作为驱动能源， 利用喷射器实现 从蒸发器中抽取 蒸气并压缩到高 压
金品质•高追求
图2.9 蒸气喷射式制冷系统图
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第二节 气体膨胀制冷
➢气体膨胀制冷的原理及特点
在气体低温制冷机和气体液化装置中，普遍采用气 体膨胀的方法获得低温
第三节 其它制冷方式
工质不发生相变，又称为气体制冷循环。由于是利用气体吸收显热实现制 冷，而气体比热容很小，因此单位容积制冷很小、制冷效率低。目前主要 用于飞机座舱的空调和获取-70度以下的温度
图2.17 无回热气体制冷机
金图2品.16质无•回高热追气求体制冷机我系们统图让你更放心！理论循环T-s图 返回
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节流膨胀和等熵膨胀各有优势，在实际中都有应用：节流阀 结构比较简单，还可在气液两相区工作；而等熵膨胀的膨胀机
结构复金杂品，质且•高带追液求的两相我膨们胀让机你的更设放计心技！术尚不成熟 返回
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第二节 气体膨胀制冷
➢气体等熵膨胀制冷
布雷顿制冷循环：以气体为工质，由两个等压和等熵过程组成，
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第一节 相变制冷
➢液体汽化制冷
利用液体汽化过程的吸热效应来制冷，制冷剂是流 体（液体或气体），可以构筑制冷循环实现连续制冷
制冷循环的四个基本过程：１、制冷剂液体在低温下蒸
发，成为低压蒸气；２、将低压蒸气提高压力，使之成为高压 蒸气；３、将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体；４、将高压 液体降低压力，使之重新变为低压液体返回过程１，从而完成 循环
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第二节 气体膨胀制冷
➢等焓节流膨胀制冷
节流液化循环：气体液化循环是一开式循环，所用 的气体在循环过程中既起制冷剂的作用，本身又被部 分或全部地液化并作为液态产品输出
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第二节 气体膨胀制冷
气体制冷机
图2.22 VM制冷理论循环的p-V图
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第二节 气体膨胀制冷
➢绝热放气制冷
定义：又称为西蒙膨胀，它是容器中的高压气体向低压空间 放气的膨胀过程。在此过程中，留在容器中的气体向放出的气 体作推动功，消耗自身的一部分内能而降温，产生制冷效应， 介于节流膨胀与等熵膨胀之间，是目前获得低温的重要方法之 一。吉福特－麦克马洪（G-M)制冷和脉管制冷最为典型。
第一节 相变制冷
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第一节 相变制冷
➢固体升华制冷
目前使用得最多的固体升华制冷剂是CO2，N2，Ne， Ar
CO2：在标准大气下，升华温度为-78.5度，升华潜 热为573.6kJ/kg。升华后的低温CO2若再升温到０度， 则总的制冷量为646.4kJ/kg，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倍
➢气体等熵膨胀制冷
等熵膨胀的热力学特性：理想情况下，气体在膨胀 机中的膨胀过程对外有功输出，膨胀后气体内位能增 大，消耗的这些能量需要内动能来补偿，因此气体温 度必然降低，产生冷效应：
微分等熵效应
s
T P
s
T cP
v T
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积分等熵效应 T s dp
p1
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气体膨胀制冷主要分为四种方式：１、气体经节流 阀膨胀，称为绝热节流，节流前后焓值不变；２、高 压气体在膨胀机内等熵膨胀，温度降低，对外输出功； ３、气体等温膨胀，从外界吸热；４、绝热放气，容 器内的存留气体温度下降
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第二节 气体膨胀制冷
绝热放气制冷的热力学特性：如果放气过程进行得很慢，活 塞左侧和右侧的气体始终处于平衡状态，将按等熵过程膨胀， 做外功最大，温降也最大；如果放气过程很迅速，则做功最小， 温降也最小。
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第二节 气体膨胀制冷
➢绝热放气制冷
吉 福 特 －麦 克 马 洪 (G-M) 制 冷 循 环 ： 由升压、等压进气、 绝热放气、等压排 气４个热力过程组 成
典型的制冷循环：蒸气压缩式、吸收式、吸附式、蒸气
喷射式金品质•高追求 我们让你更放心！
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第一节 相变制冷
➢液体汽化制冷
蒸气压缩式制冷循环：以消耗电能或机械能为能量 补偿，通过压缩机对低压气体做功，使之压力升高
图2.3 蒸气压缩式制冷系统简图
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第二节 气体膨胀制冷
➢气体等温膨胀制冷
斯特林制冷循环：
制 冷 原 理： 低 温 气体 在 等温膨胀过程中要从外界 吸热，产生冷效应，是一 种由两个等温过程和两个 等容回热过程组成的闭式 热力学循环，也称为定容 回热循环
金品质•高追求 我们让图你2.更20 放理心想斯！特林循环的工作过程返回
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1500
NH3
1994
图1-12 实际气体的等焓节流膨胀
零效应的连线称为转化曲线，如图上虚线所示。
金品质•高追若节求流后气我体们温让度你保持更不放变心，！这样的温度称为转化返温回度。
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第二节 气体膨胀制冷
➢等焓节流膨胀制冷
林德制冷循环：
金图品2质.13•高林德追循求环系统图我们让你更放图心2！.14 林德循环T-s图 返回
第一节 相变制冷
➢液体汽化制冷
蒸气吸附式制冷
循环：通过固体
吸附剂对制冷剂
蒸气进行吸收，
再利用驱动热源
加热吸附工质对，
来产生较高压力 和温度的制冷剂
图2.7 间歇型吸附式制冷系统的原理图
蒸气 金品质•高追求 我们让你更放心！
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第一节 相变制冷
➢液体汽化制冷
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第二节 气体膨胀制冷
➢等焓节流膨胀制冷
焦耳－汤姆逊系数就是图上等焓线 的斜率
气体 最高转化温度 气体 最高转化温度
(K)
(K)
He4
45
CO
652
H2
205
Ar
794
Ne
250
O2
761
N2
621
CH4
939
空气
603
CO2
主要内容
➢第一节 相变制冷 ➢第二节 气体膨胀制冷 ➢第三节 其它制冷方式 ➢第四节 制冷热力学特性分析
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引言：主要制冷方法
➢相变制冷：利用液体在低温下蒸发吸热或固体在低温下融化 或升华吸热来制冷,如蒸气压缩式制冷和吸收式制冷 ➢绝热膨胀制冷：高压气体经绝热膨胀降低温度吸热来制冷 ➢气体涡流制冷：高压气体经涡流管膨胀后可分离为热、冷两 股气流，利用冷气流吸热即可制冷 ➢热电制冷：直流电通过半导体热电堆，即可在一端产生冷效 应，在另一端产生热效应，利用冷端吸热即可制冷
共晶冰：由共晶溶液冰结而成的冰，用于冷藏食品
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（0度以下融化）或空调蓄冷（0度以上融化）
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第一节 相变制冷
图2.1 水的相平衡图
图2.2 CO2的相平衡图
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T v v
h
T p cp
积分节流效应：当压降为一有限数值时，整个节流过程产生
的温度变化，用下式表示：
p2
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第二节 气体膨胀制冷
➢等焓节流膨胀制冷
实际气体的节流效应：
物理解释：
由于节流前后焓值不变，所以节流前后的内能变化等于进出推动功的差 值：u2-u1=p1v1-p2v2 气体的内能包括内动能和内位能两部分，而气体温度是降低升高还是不 变，仅取决于气体内动能是减小、增大还是不变 当p1v1<p2v2时，u2<u1，即节流后内能减小。由于内位能总是增大，所 以内动能必定减小，那么节流后气体温度降低
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第二节 气体膨胀制冷
➢气体等熵膨胀制冷
等熵膨胀的热力学特性：
等熵膨胀总是产生冷效应，而节流膨胀则需要在气体转化曲 线内部才产生冷效应
相同条件下，等熵膨胀的温降比节流膨胀大得多，as-ah=v/cp； 等熵膨胀的制冷量比节流膨胀大，qs-qh=we 等熵膨胀可以回收膨胀功，进一步提高循环的经济性
动当能的p1v减金1=少品p2，v质2节时•流高，后追u2气＝求体u1温，度即我仍节们然流降让后低内你能更不放变心，！此时内位能的增加等返于回内
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第二节 气体膨胀制冷
➢等焓节流膨胀制冷
实际气体的节流效应：
物理解释：
当p1v1>p2v2时，u2>u1，即节流后内能增大。此时，若内能的增加小于 内位能的增加，则内动能是减小的，温度仍是降低；若内能的增加大于内 位能的增加，则内动能必然要增大，温度要上升；若内能的增加等于内位 能的增加，则内动能不变，温度也不变，即微分节流效应等于０，这个温 度称为转化温度
度也不变；对于实际气体，焓是温度和压力的函数，绝热节流
后温度降低、升高和不变３种情况都可能出现 金品质•高追求 我们让你更放心！
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➢等焓节流膨胀制冷
实际气体的节流效应：
微分节流效应（焦耳－汤姆逊系数）：实际气体节流时，温 度随微小压降而产生的变化，用下式表示：
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第二节 气体膨胀制冷
➢绝热放气制冷
脉管制冷机：利用高低压气体对脉冲管腔的充放气而获得低 温
图2.26 基本型脉管制冷机结构原理图
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第二节 气体膨胀制冷
➢气体等温膨胀制冷
维勒米尔（ＶＭ）制冷循环：
制冷原理：VM制冷机是用热能驱动的
斯特林制冷机。图中１-2-3-4-1为逆向斯特 林循环，它是在T0下等温吸热，在Ta下等 温放热。1-2-3’-4’-1为正向斯特林循环，它 在Th下从高温热源等温吸热，在Ta下等温 放热。常用VM制冷机的中间温度Ta为环境 温度。可见，VM制冷机不需要动力驱动， 直接消耗高温热源的热能制冷，又称为热
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第一节 相变制冷
➢固体融化制冷
制冷技术中常用纯水冰、冰盐、共晶冰、相变材料 或气体水合物的融化过程来制冷，无法连续制冷
纯水冰：在标准大气下，融化温度为273.15K，融 化潜热为335kJ/kg，实现0度以上的制冷
冰盐：冰和盐类的混和物，实现0度以下的制冷
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第一节 相变制冷
➢相变制冷的原理及特点
相变：物质集聚态（气态、液态或固态）的变化
相变潜热：物质发生相变时，由于分子重新排列和 分子热运动速度改变，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：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目的
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第一节 相变制冷
➢液体汽化制冷
蒸气吸收式制冷
循环：通过液体
吸收剂对制冷剂
蒸气进行吸收，
再利用驱动热源
加热吸收工质对，
来产生较高压力
和温度的制冷剂 蒸气 金品质•高追求
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➢等焓节流膨胀制冷
等焓节流过程：
定义：节流是高压流体在稳定流动中，遇到缩口或调节阀门 等阻力元件时由于局部阻力产生，压力显著下降的过程。
特点：在工程上节流过程进行得很快，近似作为绝热过程处
理，前后的比焓值不变，是不可逆过程，熵必定增大。对于处
于气液两相区的单一物质，节流后温度总是降低的；对于理想
气体，焓是温度的单值函数，所以绝热节流前后焓值不变，温
蒸气喷射式制冷 循环：使用热能 作为驱动能源， 利用喷射器实现 从蒸发器中抽取 蒸气并压缩到高 压
金品质•高追求
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第二节 气体膨胀制冷
➢气体膨胀制冷的原理及特点
在气体低温制冷机和气体液化装置中，普遍采用气 体膨胀的方法获得低温
第三节 其它制冷方式
工质不发生相变，又称为气体制冷循环。由于是利用气体吸收显热实现制 冷，而气体比热容很小，因此单位容积制冷很小、制冷效率低。目前主要 用于飞机座舱的空调和获取-70度以下的温度
图2.17 无回热气体制冷机
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节流膨胀和等熵膨胀各有优势，在实际中都有应用：节流阀 结构比较简单，还可在气液两相区工作；而等熵膨胀的膨胀机
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第二节 气体膨胀制冷
➢气体等熵膨胀制冷
布雷顿制冷循环：以气体为工质，由两个等压和等熵过程组成，
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第一节 相变制冷
➢液体汽化制冷
利用液体汽化过程的吸热效应来制冷，制冷剂是流 体（液体或气体），可以构筑制冷循环实现连续制冷
制冷循环的四个基本过程：１、制冷剂液体在低温下蒸
发，成为低压蒸气；２、将低压蒸气提高压力，使之成为高压 蒸气；３、将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体；４、将高压 液体降低压力，使之重新变为低压液体返回过程１，从而完成 循环
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第二节 气体膨胀制冷
➢等焓节流膨胀制冷
节流液化循环：气体液化循环是一开式循环，所用 的气体在循环过程中既起制冷剂的作用，本身又被部 分或全部地液化并作为液态产品输出
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第二节 气体膨胀制冷
气体制冷机
图2.22 VM制冷理论循环的p-V图
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第二节 气体膨胀制冷
➢绝热放气制冷
定义：又称为西蒙膨胀，它是容器中的高压气体向低压空间 放气的膨胀过程。在此过程中，留在容器中的气体向放出的气 体作推动功，消耗自身的一部分内能而降温，产生制冷效应， 介于节流膨胀与等熵膨胀之间，是目前获得低温的重要方法之 一。吉福特－麦克马洪（G-M)制冷和脉管制冷最为典型。
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第一节 相变制冷
➢固体升华制冷
目前使用得最多的固体升华制冷剂是CO2，N2，Ne， Ar
CO2：在标准大气下，升华温度为-78.5度，升华潜 热为573.6kJ/kg。升华后的低温CO2若再升温到０度， 则总的制冷量为646.4kJ/kg，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倍
➢气体等熵膨胀制冷
等熵膨胀的热力学特性：理想情况下，气体在膨胀 机中的膨胀过程对外有功输出，膨胀后气体内位能增 大，消耗的这些能量需要内动能来补偿，因此气体温 度必然降低，产生冷效应：
微分等熵效应
s
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积分等熵效应 T s dp
p1
金品质•高追求 我们让你更放心！
气体膨胀制冷主要分为四种方式：１、气体经节流 阀膨胀，称为绝热节流，节流前后焓值不变；２、高 压气体在膨胀机内等熵膨胀，温度降低，对外输出功； ３、气体等温膨胀，从外界吸热；４、绝热放气，容 器内的存留气体温度下降
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第二节 气体膨胀制冷
绝热放气制冷的热力学特性：如果放气过程进行得很慢，活 塞左侧和右侧的气体始终处于平衡状态，将按等熵过程膨胀， 做外功最大，温降也最大；如果放气过程很迅速，则做功最小， 温降也最小。
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第二节 气体膨胀制冷
➢绝热放气制冷
吉 福 特 －麦 克 马 洪 (G-M) 制 冷 循 环 ： 由升压、等压进气、 绝热放气、等压排 气４个热力过程组 成
典型的制冷循环：蒸气压缩式、吸收式、吸附式、蒸气
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第一节 相变制冷
➢液体汽化制冷
蒸气压缩式制冷循环：以消耗电能或机械能为能量 补偿，通过压缩机对低压气体做功，使之压力升高
图2.3 蒸气压缩式制冷系统简图
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第二节 气体膨胀制冷
➢气体等温膨胀制冷
斯特林制冷循环：
制 冷 原 理： 低 温 气体 在 等温膨胀过程中要从外界 吸热，产生冷效应，是一 种由两个等温过程和两个 等容回热过程组成的闭式 热力学循环，也称为定容 回热循环
金品质•高追求 我们让图你2.更20 放理心想斯！特林循环的工作过程返回
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1500
NH3
1994
图1-12 实际气体的等焓节流膨胀
零效应的连线称为转化曲线，如图上虚线所示。
金品质•高追若节求流后气我体们温让度你保持更不放变心，！这样的温度称为转化返温回度。
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第二节 气体膨胀制冷
➢等焓节流膨胀制冷
林德制冷循环：
金图品2质.13•高林德追循求环系统图我们让你更放图心2！.14 林德循环T-s图 返回
第一节 相变制冷
➢液体汽化制冷
蒸气吸附式制冷
循环：通过固体
吸附剂对制冷剂
蒸气进行吸收，
再利用驱动热源
加热吸附工质对，
来产生较高压力 和温度的制冷剂
图2.7 间歇型吸附式制冷系统的原理图
蒸气 金品质•高追求 我们让你更放心！
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第一节 相变制冷
➢液体汽化制冷
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第二节 气体膨胀制冷
➢等焓节流膨胀制冷
焦耳－汤姆逊系数就是图上等焓线 的斜率
气体 最高转化温度 气体 最高转化温度
(K)
(K)
He4
45
CO
652
H2
205
Ar
794
Ne
250
O2
761
N2
621
CH4
939
空气
603
CO2