制冷概念、方法、发展

1.蒸气喷射式制冷原理： 液体气化制冷，以消耗热能为动力。 2.特点： 蒸气喷射式制冷机只用单一物质为工质，热 源工作蒸汽和制冷剂是同一种物质。目前多使 用水。 由于水为工质所制取的低温必须在0℃以上， 故蒸气喷射式制冷机目前只用于空调装置或用 来制备某些工艺过程需要的冷媒水。
1.4 固体吸附式制冷 系统组成：压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器 及辅助设备，由管道将其连成一个封闭系统 系统流程图
汽压缩式制冷机
4）1844年，美国人戈里发明了第一台制冷和空调用的空气制 冷机 5）1859年，法国人卡列设计制造了第一台氨吸收式制冷机 6）1910年，法国人马列斯•莱兰克发明了蒸气喷射式制冷系统
7）1918年，美国人考布兰发明了第一台家用电冰箱
制冷技术的发展历程
8）1930年代氟利昂制冷剂出现 9）1950年代共沸制冷剂和1960年代非共沸制冷剂应用 10）1980年代以环保和能源协调发展制冷技术时代：节能、 ODP，GWP：天然制冷剂或HFC
“普通制冷”与“低温制冷”的区别及联系
通过120K来分界温区 体现在：工质、制取低温方法及使用的机器设备
制冷技术的发展历程
天然冷时代
冰雪的贮藏
• 早在3000多年前，聪明的中国人就已经利用天然 冰在夏天消署。 • 周朝的时候，政府里有专门负责取冰、用冰的官 员——“凌人”。 • 唐朝时，京城长安出现了专门靠冰发财的商人。 • 大多取自本地的河湖，冬季“打冰” （将冰面断 开成方块，浮起后继续冻结加厚），在“冰窖” 里面贮存到夏季使用。 • 皇宫和官僚使用、商品。 • 清代的官僚按品级可以配给定量的冰，地方官员 每年要给京官的衙门变相行贿叫“冰敬” 。 • 北京市的冰窖，最后在1982年还有。
• 热量传递与水的流动
自发过程与非自发过程
冷却（自发百度文库程）
水往低处流
制冷（非自发过程）
水泵抽水
•
人工制冷(人工致冷)的定义：
用人为的方法在一定的时间和一 定的空间内将某物体或流体冷却，使 其温度降到环境温度以下并维持这个 低温的一门工程技术。
•结论：
制冷是一个非自发的过程，需要消耗一定量 的功
• 结论：极限工作温度范围是制冷剂的 临界温度至凝固温度
• 循环形式：蒸汽压缩式，吸收式等
• 具备四个基本过程：制冷剂低压下气化、 升压、高压蒸汽液化、降压
蒸汽压缩式制冷循环
高温高压 汽体 低温低压
压缩机
汽体
动力和心脏
冷 凝 器
高压
液 体 低压
冷凝器：高压汽体 冷却冷凝
节流阀：节流降压
蒸 发 器 蒸发器：低压液体 汽化吸热 压缩机：低压汽体 压缩升压
• 绝热去磁制冷的原理为:磁致冷材料(磁工质)等 温磁化时,由于其磁矩取向趋于有序,使磁熵减 小,磁工质向外界放热;当绝热去磁时,由于磁矩 又趋于无序,磁熵增加, 磁工质温度降低。
四个过程： 1)等温磁化:TS1闭合,TS2断开 2)绝热去磁:TS1断开,TS2断开 3)等温去磁:TS1断开,TS2闭合 4)绝热磁化:TS1断开,TS2断开
制冷循环的基本原理
被加热系统
QK Q0 被冷却系统
制冷机、热泵 或热化机
W（Q）
补偿能量：W（Q） 能量守恒：QK=QO+W（Q）
制冷机
机械制冷中所需机器和设备的总合
制冷剂（制冷工质）
制冷机中使用的工作介质（半导体制冷除外）
制冷循环
为了获得持续的低温，需要连续不断地制冷，制
冷剂也就需要连续不断地吸热和放热，从而在制
制冷原理、分类及发展应用
制冷与空调教研室 周艳蕊 2013年
•
人工制冷(人工致冷)的定义：
用人为的方法在一定的时间和一 定的空间内将某物体或流体冷却，使 其温度降到环境温度以下并维持这个 低温的一门工程技术。
• 区分“自然冷却” 与“制冷” ：
自发过程与非自发过程
概念区分
• 冷却
• 制冷
类比
饱和压力与饱和温度是一一对应关系。 水：
饱和压力p=1at=101325Pa时， 饱和温度t=100℃ 饱和压力p=0.31at=31160Pa时， 饱和温度t=70℃ 饱和压力p=0.0092at=934.55Pa时，饱和温度t=6℃

• 猜想一下：蒸汽被抽走将会发生什么结果？
• 平衡遭到破坏（抽走蒸气）液体蒸 发气化降温吸收外界热量新的 平衡（同时产生低温环境）
•医疗卫生事业
血浆、疫苗及某些特殊药品需要低温保存。 低温麻醉、低温手术及高烧患者的冷敷降温 等也需制冷技术。
•国防工业和现代科学
在高寒地区使用的发动机、汽车、坦克、大 炮等常规武器的性能需要作环境模拟试验， 火箭、航天器也需要在模拟高空条件下进行 试验，这些都需要人工制冷技术。人工降雨 也需要制冷。
制冷技术的发展趋势
制冷范围进一步扩大
制冷方法日趋增多：脉管制冷、电化学制冷等
制冷机器、设备的种类和形式更加丰富 制冷系统的运行管理采用微机管理 更注重环保、节能：臭氧空洞、全球变暖；能效标识
国家执行《能源效率标识管理办法》，其中规定凡是能效比
低于2.6的空调将严禁销售
人工制冷方法 1. 相变制冷 2. 热电制冷 3. 涡流管制冷
复习思考题
1. 制冷技术与低温技术的分界值 ？ 2. 人工制冷的基本方法有哪些？ 3. 汽化潜热有什么性质？ 4. 液体汽化相变制冷的极限工作温度范围？ 为什么？
5. 制冷循环实现的条件？
1
• 制冷剂在变为蒸气之后，需要对它进行压 缩、冷凝、继而进行再次汽化吸热。
• 冷凝器：散热使气体不断液化
qK
4 2 w0
5 q0 单级蒸汽压缩制冷循环
1
• 节流阀：降低压力
• 节流降压的工作原理是制冷工质流过阀门 时流动截面突然收缩，流体流速加快，压 力下降，压力下降的大小取决于流动截面 收缩的比例。
1.在人民生活方面
家用冰箱、空调器等
2.在商业领域
食品的冷藏链：易腐食品的生产、运输和销售
3.空调行业中
舒适性空调：满足舒适需要
工艺空调：满足生产工艺、设备需要
制冷技术在国民经济中的应用
•空调工程
空调工程是制冷技术应用的一个广阔领域。光学 仪器仪表、精密计量量具、纺织等生产车间及计算 机房等，都要求对环境的温度、湿度、洁净度进行 不同程度的控制；体育馆、大会堂、宾馆等公共建 筑和小汽车、飞机、大型客车等交通工具也都需有 舒适的空调系统。
日常生活方面
家用冰箱及空调等
•食品工程
易腐食品从采购或捕捞、加工、贮藏、运输 到销售的全部流通过程中，都必须保持稳定 的低温环境，才能延长和提高食品的质量、 经济寿命与价值。这就需有各种制冷设施， 如冷加工设备、冷冻冷藏库、冷藏运输车或 船、冷藏售货柜台等
•机械与电子工业
精密机床油压系统利用制冷来控制油温，可 稳定油膜刚度，使机床能正常工作。对钢进 行低温处理可改善钢的性能，提高钢的硬度 和强度，延长工件的使用寿命。多路通讯、 雷达、卫星地面站等电子设备也都需要在低 温下工作。
2. 热电制冷 半导体制冷由P型和N型半导体材料、金属片铜 片、铜导线和电源连接而成，形成一个封闭的回 路 工作过程


当电偶通以直流电流时，P型半导体内载流子(空穴)和 N型半导体内载流子(电子)在外电场作用下产生运动， 并在金属片与半导体接头处发生能量的传递及转换 如果将电源极性互换，则电偶对的制冷端与发热端也 随之互换
冷机器、设备内形成一个周而复始的流动循环
制冷循环的基本原理
被加热系统
QK 制冷机、热泵或 热化机 W（Q） Q0
被冷却系统
补偿能量：W（Q） 能量守恒：QK=QO+W（Q）
热泵循环
• 基本原理：以环境介质作为低温热源，
并从中获取热量将其转移给高于环境 温度的高温热源(被加热系统)的循环。
• 循环不是用来制冷，而是为了把热量释放给某物体或空间 使之温度升高，即实现用冷凝器放出的热量来供热的采暖 设备称之为热泵（也可以同时实现供冷和供热）。它是制 冷循环的另一种应用。
• 实际应用 蒸发器：不断抽走蒸气使液体不
断气化降温吸热
压缩机：不断抽取蒸气维持低温状
态
4
2
w0
5 q0
1
利用制冷剂由液体状态汽化为蒸气状态过 程中吸收热量，被冷却介质因失去热量而降 低温度，达到制冷的目的。
制冷剂循环利用制冷循环
制冷原理
qK
4 2 w0
5 q0 单级蒸汽压缩制冷循环
节流阀
液
体
1.1 蒸气压缩式制冷 系统组成：压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器 及辅助设备，由管道将其连成一个封闭系统 系统流程图
1.2 蒸气吸收式制冷 系统组成：发生器、吸收器取代了压缩机 系统流程图
1.3 蒸气喷射式制冷 系统组成：喷射器（喷嘴、吸入室、扩压器）、 冷凝器、蒸发器、膨胀阀等组成 系统流程图
4.空气膨胀制冷
一：单级蒸气压缩式制冷循环的方法、 原理与循环
• 日常生活中我们都 有这样的疑问:怎样 才能制冷制热呢?
相变制冷方法、原理
a.密闭容器试验
饱和状态
（饱和蒸汽、饱和液体）
饱和压力，饱和温度
密闭容器中的液体，在一定的温度下，蒸气压力会自 动保持在一定数值上，这时液气两相转变就达到了动平 衡，此时空间气态分子的浓度不变。这个状态称之为这 个液体的饱和状态。 饱和状态的蒸气和液体分别称为饱和蒸气和饱和液体。 饱和状态时蒸气压力称为饱和压力。饱和液体的温度称 为饱和温度。
制冷技术的发展历程
人工制冷时代（机械制冷技术从工业革命开始）
1）1755年，英国人库仑发现了乙醚蒸发制冷，其学生布拉 克导出了潜热的概念，并发明了冰量热器，标志着现代制冷
技术的开始
2）英国人布拉克发展了气液相变和潜热方面理论
制冷技术的发展历程
3）1834年，美国人波尔金斯发明了第一台以乙醚为工质的蒸
• 与制冷循环的形式和原理相同。
P C Pk P0 3 2' 2
4
1
h
Qk =Q0+ P0 COP: 供热系数ζ=Qk/P =(P+Q0 ) /P=1+ε
节能效益显著
制冷技术的分类
按照制冷所得到的低温范围，制冷技术分为几个领域：
120K以上，普通制冷 120～20K，深度制冷 20～0.3K，低温制冷 0.3K以下，超低温制冷 低温制冷
沸石—水
2. 热电制冷 基本原理：是以 温差电现象为基础的制冷方法。 利用“塞贝克”效应的逆反应—— 珀尔帖效应 的 原理达到制冷目的 塞贝克效应就是在两种不同金属组成的闭合线路 中，如果保持两接触点的温度不同，就会在两接 触点间产生一个电势差——接触电动势。同时闭 合线路中就有电流流过，称为温差电流。反之， 在两种不同金属组成的闭合线路中，若通以直流 电，就会使一个接点变冷，一个变热，这称为珀 尔贴效应，亦称温差电现象
3. 涡流管制冷 基本原理：借助涡流管的作用使高速气流产生 旋涡分离出冷、热两股气流，利用冷气流而获得 制冷
系统组成：喷嘴、涡流室、分离孔板、管子和 控制阀
系统流程图
4. 空气膨胀制冷 基本原理：利用气体吸收显热实现制冷 系统组成：压缩机、冷却器、膨胀机和冷室
系统流程图
5.磁制冷
相变制冷
以沸腾过程考虑制冷剂的工作温度范围
• 沸腾的几个特点： 液变汽 吸热 过程中温度保持不变 压力越低，沸点越低
是否可以通过降低压力，无限度的降低其 沸点？
• 制冷剂： • 基本原理：液体汽化相变吸热效应
吸热量 = 液体汽化量× 汽化潜热
• 临界温度：每种物质都有一个特定的 温度,在这个温度以上,无论怎样增大 压强,气态物质不会液化,这个温度就 是临界温度。因此要使物质液化必须 先达到它的临界温度