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：
两个回路
节 流 阀 蒸发器 Qo
Qk
发生器 冷凝器
QH
溶液热 交换器 溶 液 泵
制冷剂回路 溶液回路
QA
源自文库
吸收器
蒸气吸收式制冷的基本系统
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
热源： 煤（早期）；蒸汽，水；燃油，燃天然气加热； 化学反应热，太阳能热。 5. 应用： 生产冷水。 可供集中式空气调节或提供生产 冷水。 溴化锂制冷机只能制取0℃以上的冷量。 氨水吸收式制冷机能够制取的温度可达 -20℃ 或更低。
2.1.4 蒸气喷射式制冷
1. 系统组成：
1- 喷射器（a- 喷嘴，b- 扩压室，c- 吸入室）， 2- 冷凝器，3- 蒸发器，4- 节流阀，5,6 - 泵。
高压蒸气液化 高压液体降压
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
冷却介质
2
膨 胀 阀
4
冷凝器 蒸发器
1
压缩机
被冷却介质 蒸气压缩式制冷的基本系统图
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。
一方面在吸收器中，吸 收剂吸收来自蒸发器的 低压制冷剂蒸气，形成 富含制冷剂的溶液，再 将该溶液用泵送到发生 器，经加热使溶液中的 制冷剂重新以高压气态 发生出来，送入冷凝器。
另一方面，发生后 的溶液重新恢复到 原来成分，经冷 却，节流后成为具 有吸收能力的吸收 液，进入吸收器， 吸收来自蒸发器的 低压制冷剂蒸气。
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。
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
融化 吸热
常压下，冰在0℃融化， 融化潜热为335kJ/kg。
冰
水
升华
水蒸气
吸热
说 明
2. 制冷系统图： 3. 工作过程：
空调回水 3 冷水 5 6 4 去锅炉 工作蒸气
a
1
2
c
b
冷却水
蒸气喷射式制冷的基本原理
4. 理论工作循环的 T-s 图表示
1-2： 工作蒸气在喷嘴内的膨胀过程； 4状态：工作蒸气与制冷剂水蒸气混合后状态； 4-5： 混合蒸气在扩压器中流动升压过程； 5-6： 冷凝器中气体的凝结过程； 6-7-3：凝结水经过节流进入蒸发器； 6-9-1：凝结水经过水泵进入锅炉，产生工作蒸气。
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。
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。
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℃。
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
a: 压缩式：只需要制冷剂工质。
b: 吸收式：吸收剂--制冷剂工质对。
（3）补偿能量
a: 压缩式：机械能或电能。 b: 吸收式：热能。
3. 工作介质：
吸附剂——制冷剂工质对
物理吸附
化学吸附
沸石
吸附床 （沸石密封盒）
• 沸石-水 • 硅胶-水 • 活性炭-甲醇 • 金属氢化物-氢 • 氯化锶-氦
• 氯化钙-氨
太阳辐射
肋片 （冷凝器） 储水器 （蒸发器）
白天脱附
夜间吸附
太阳能沸石-水吸附制冷原理
4. 吸附式制冷的特点：
（1）优点：不耗电，无任何运动部件，系统简单，无噪声， 无污染，不需维修，寿命长，安全可靠，投资回收期 短，对大气臭氧层无破坏作用等一系列优点。 （2）另外，可利用吸附剂吸附效应时所放出的吸附热， 提供家庭用热水和冬季采暖用热源。 （3）缺点：循环属于间歇性的，热力状态不断地发生变化， 难以实现自动化运行；对能量的贮存也较困难。 特别是太阳能吸附式制冷系统，太阳能的波动会进一步 影响到系统的循环特性。
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。
CO2的三相点参数： • 温度-56.6℃， • 压力0.52MPa。
融化
常压下，干冰的升华 温度-78.5℃，升华热 为573.6kJ/kg。
液态CO2 固态CO2 气态CO2 升华 吸热
课后问题3； 干冰的物理性质 。
说 明
干冰的制冷能力比冰和冰盐都大。
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
课后问题1； 冰的物理性质。
可满足0ºC以上的制冷要求。
（2）冰盐冷却
冰0℃融化
吸热
吸热 冰融化
冰盐
盐水膜 和冰 盐溶解
盐水 溶液
课后问题2； 冰盐的性质。
吸热
说 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。
（3）干冰冷却
吸热
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。
冷却介质
2 3
3. 工作过程：
蒸发器 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。 压缩机 冷凝器
膨 胀 阀
4
冷凝器 蒸发器
1
压缩机
被冷却介质 蒸气压缩式制冷的基本系统图
膨胀阀
低压蒸气被 压缩机吸入 ，经压缩后 形成高温高 压蒸气排 出。
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。
热声效应：可压缩流体的声振荡与固体介质之间由于 热相互作用而产生的时均能量效应。
2.3 气体涡流制冷
2.3.1 气体涡流制冷的基本原理
涡流制冷效应的实质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 气流进行制冷。
进气口 涡流室 控制阀
冷端气体出口
热端气体出口
涡流管结构及工作过程
说 明
制冷剂 水 氨 水
吸收剂 浓硫酸 水 溴化锂
吸收剂对制冷剂气体有很强的吸收能力。
Qk
发生器 冷凝器 节 流 阀 蒸发器 Qo
QH
3. 工作过程：
制冷剂回路
溶液热 交换器 溶 液 泵
QA
吸收器
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。
单级热电堆式半导体制冷
工作原理： 借助热交换器等设备，使热电堆的热端不断散热， 且保持一定温度。将热电堆的冷端放到被冷却系统中 完成吸热降温。
3. 多级热电堆式半导体制冷的基本原理
为了获得更低的温度或更大的温差可采用多级热电堆式 半导体制冷。它是由单级热电联结而成。 联结的方式有：串联，并联，及串并联。其中二级， 三级热电堆式半导体制冷最为常见。
吸热（冷接点） P N 铜片
放热（热接点）
-
+
半导体制冷原理图
吸热（冷接点）
热电制冷一般采用半导体材料。 N型半导体和P型半导体 构成的热电偶制冷元件。 2. 单级热电堆式半导体制冷 的基本原理
铜片
P
N
放热（热接点）
-
+
半导体制冷原理图
单级热电堆： 将数十至数百个热电偶电堆串联，将冷端排在一起， 热端排在一起，组成热电堆，称为单级热电堆。
5. 热源：工业废热，太阳能，化学反应能。
2.2 电、磁、声制冷
2.2.1 热电制冷
1. 工作原理： 以温差电现象为基础的制冷方法，利用 帕尔帖效应达到制冷的目的。
帕尔帖效应 1934年，法国物理学家帕尔帖在 铜丝的两头各接一根铋丝，再将 两根铋丝分别接在直流电源的正 负极上，通电后，发现一个接头 变热， 另一个接头变冷的现象。
2.4 气体膨胀制冷
主要方法： 压缩气体绝热节流 等熵膨胀 等温膨胀
2.5 绝热放气制冷
主要原理：利用刚性容器绝热放气过程是一个 降温过程实现制冷。
a) 串联二级热电堆
b) 并联二级热电堆
c) 串，并联三级热电堆
多级热电堆式半导体制冷器原理图
4. 热电制冷的特点：
不需要制冷剂，无泄露，无污染； 无机械传动部件和设备，无噪声，无磨损，可靠性高； 可通过改变工作电流的大小控制制冷温度和制冷速度； 操作具有可逆性，可实现冷热端互换； 不适用于大规模和大冷量使用； 适宜于微型制冷领域和特殊要求的用冷场所， 制冷功率在20W以下时，效率高于压缩式制冷循环； 可做成家用冰箱，或小型低温冰箱； 可制成低温医疗器具； 可对仪器进行冷却； 可做成零点仪。
制冷与低温技术原理
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
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。 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。
工作蒸气
a
1
2
c
空调回水 3 冷水
b
冷却水
5 6 4
去锅炉
蒸气喷射式制冷的基本原理
5. 特点： 工作介质：水，氟利昂（低沸点）。 优点：使用热能，结构简单，加工方便， 没有运动部件，使用寿命长。 缺点：工作蒸汽压力高，喷射器不可逆损失 大，效率很低。
6. 应用：
可用于制取空调用冷水。曾被应用过。 在空调冷水机中采用溴化锂吸收式制冷机比 喷射式制冷机有明显优势。
冷却流体
降压
升压
被冷却流体 构成循环的原理
冷却流体
液体蒸发制冷循环必须 具备四个基本过程：
制冷剂低压汽化
降压
升压
被冷却流体 构成循环的原理
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。
将高压蒸气冷凝成高压液体。 高压液体再降低压力回到 初始的低压状态。