第一章 人工制冷的基本方法

在-115℃到-183．1℃温度范围内干冰的平均比热值为1.189kJ／kg· K。 在-56℃到-110℃温度范围内干冰的比热值如下： t，℃ -56.6 -60 -70 -80 -90 -100 -110
274 .8 1.216 T
w／m，K
K c pk J／kg·
Байду номын сангаас
1.563
1.528
1.428
热力学关心的是能量转换的经济性，即花费一定的补 偿能，可以收到多少制冷效果（制冷量）。
制冷系数


0
q2
T2 ( s m s n ) q2 T2 0 q1 q2 (T1 T2 )(s m s n ) (T1 T2 ) q2
国外习惯上将制冷系数称为制冷机的性能系数 COP(Coefficience of Performance)。我们要研究一定条 件下COP的最高值。
制冷技术研究的内容
①研究获得低温的方法和有关的机理以及与此相应的制冷循环， 并对制冷循环进行热力学的分析和计算。 ②研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供性能满意的工作介质。 机械制冷要通过制冷剂热力状态的变化才能实现。所以，制冷剂 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 制冷剂能实际应用，还必须掌握它们的一般物理化学性质。 ③研究实现制冷循环所必须的各种机械和技术设备，包括它们 的工作原理、性能分析、结构设计，以及制冷装置的流程组织、 系统配套设计。此外，还有热绝缘问题，制冷装置的自动化问 题，等等。
冰冷却
冰的比热与温度有关，可按下式计算c=2.165-0.0264T 在0～-20℃的温度范围内，其比热的平均值为=2.093KJkg· k 冰的导热系数也随温度而变： 对于-20℃以上的温度，可 取导热系数的平均值为2.32W／m· K。 冰的导热系数λ： 温 度 ℃ 0 2．23 -50 2．77 -100 3．47 λ ，W／m· K 冰的导温系数： 在0℃时冰的导温系数为a=0.00419m2/h。
q0 r (1 x)
分析式(2—2)可知，制冷剂汽化潜热越大或节流后产 生的蒸汽越少，则单位制冷量越大。制冷剂的汽化潜热随 制冷剂的种类不同而不同，而节流后产生蒸汽量的多少， 不仅与制冷剂种类有关，而且与节流膨胀前后的压力．范 围有关，膨胀的范围越大则膨胀后产生的蒸汽量越多，也 就是x的数值越大。
第一章 人工制冷的基本方法
制冷作为一门科学是指用人工的方法在一定时间 和一定空间内将某物体或流体冷却,使其温度降到环 境温度以下，并保持这个低温。 这里所说的“冷”是相对于环境而言的。灼热的铁 放在空气中，通过辐射和对流向环境传热，逐渐冷却 到环境温度。它是自发的传热降温，属于自然冷却， 不是制冷。 制冷就是从物体或流体中取出热量，并将热量 排放到环境介质中去，以产生低于环境温度的过程。
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实际制冷机循环中的不可逆损失总是存在的，其性能系数COP 恒小于相同热源条件下可逆机的性能系数COPc。用制冷循环效 η 率 评价实际制冷循环的热力学完善程度（与可逆循环的接近 程度）， 又叫制冷循环的热力完善。 不可逆循环的热力完善度，

'

'
为不可逆循环的制冷系数
值越接近于1，说明实际循环越接近可逆循环，不可逆损失
干冰
干冰在化学上是稳定的，且对人无害。它的平均比重约为1．56。干 冰的升华潜热与温度的关系为：
rsub 665.5 T 0.00626 2 0.000018 3 T T
在大气压力下其升华温度为-78.5℃，升华潜热为573.6kJ／kg。如果将 气体二氧化碳从升华温度加热到0℃的制冷效应考虑在内，则总制冷量为 646.4kJ／kg。 干冰的平均导热系数为0.383W／m· K。干冰的导热系数与温度的关系 可用下式表示：
上式说明： ①两恒温热源间工作的可逆制冷机，其制冷系数只与热 源温度有关，而与制冷机使用的制冷剂性质无关。 ②制冷系数 的值与两热源温度的接低程度有关，T2 与 T1越接近（T1/T2 越小），制冷系数 越大；反之 越小。实 际制冷机制冷系数 随热源温度的变化趋势与可逆机是一致 的。
2013-8-22
人工制冷的方法
1 液体汽化制冷方法
蒸气压缩式制冷 蒸气吸收式制冷
蒸汽喷射式制冷 吸附式制冷
2 冰、盐水冰冷却和固体升华制冷 3 气体的节流效应和绝热膨胀制冷 热电制冷 4 其它制冷方法 磁制冷 涡流管制冷 热声制冷
获得低温的方法
目前，获得低温的方法很多，可分为物理方法 和化学方法，而绝大多数制冷方法属于物理方法。 在物理方法中应用最广泛的为相变制冷及气体绝热 膨胀制冷，此外尚有涡流制冷、绝热放气制冷、温 差电制冷(珀尔帖效应)、顺磁盐或核绝热退磁制冷、 氦稀释制冷、固体升华制冷、氦减压蒸发制冷、 3He绝热压缩制冷、吸附制冷等，利用宇宙空间的 低温热汇(2～4K)辐射制冷的方法。
r h h T (s s )
q0 r (1 x)
液体汽化
每千克液体汽化时的吸热量，即单位制冷量，不仅与液 体的汽化潜热有关，还与开始汽化前的含汽量有关。压力 较高的饱和液体经节流减压后即进入两相区，并含有一定 的汽量。若用x表示开始汽化时的干度，则单位制冷量可表 示为
制冷的热力学原理
理想制冷循环——逆向卡诺循环
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。
理想制冷循环——逆向卡诺循环
单位质量制冷剂向高温热源放出的热量
§1—1 相变制冷
物质有三种集态：气态、液态、固态。物质集态的改变称 为相变。相变过程中，由于物质分子重新排列和分子热运动速 度的改变，会吸收或放出热量，这种热量称作潜热。
物质发生从质密态到质稀态的相变时，将吸收潜热；反之， 当它发生由质稀态向质密态的相变时，放出潜热。
固态（冰）
溶化 升华
液态（水）
机械制冷中所需机器和设备的总合称为制冷机。
制冷机中使用的工作介质称为制冷剂。制冷 剂在制冷机中循环流动，同时与外界发生能量交 换，即不断地从被冷却对象中吸取热量，向环境 排放热量。制冷剂一系列状态变化过程的综合为 制冷循环。 为了实现制冷循环，必须消耗能量。所消耗 能量的形式可以是机械能、电能、热能、太阳能 或其它可能的形式.
213.69
192.74
三、固体升华
(一)干冰制冷 远在上19世纪，在实验室研究方面就使用了干冰，但在工 业上应用干冰作为制冷剂还是近八十多年的事。
干冰即是固体二氧化碳，它是一种良好的制冷剂，广泛应 用于实验研究、食品工业、冷藏运输、医疗、人工降雨、机械 零件的冷处理和配合等方面。
二氧化碳的三相点的状态参数为：ttr=-56．6℃及 Ptr=5．2×102kPa。(0.52MPa )
汽化（沸腾）
气态（汽）
蒸发制冷—沙漠袋
一、液体汽化
任何液体汽化时都产生吸热效应，在恒温下单位质 量的液体汽化时所吸收的热量叫做汽化潜热。
例如，在大气压下1kg液氨汽化时要吸收1370kJ的 热量，得到-33.4℃；l kgR12汽化时，得到-29.8℃，要 吸收167．5kJ的热量。由热力学知，液体的沸点及汽 化潜热和压力有关，当压力提高时，液体的沸点升高， 而汽化潜热减小。当达到临界状态时，汽相及液相界限 消失，汽化潜热等于零。液体的汽化潜热可按下式计算：
越小，经济性越好。
蒸气压缩式制冷
压缩式制冷循环原理图 A 压缩机 B 冷凝器 C 膨胀阀 D 蒸发器 蒸气压缩式制冷技术被广泛应用于空调器、冰箱、冷藏 室、冷库中，应用领域几乎涉及到各个行业
二、冰冷却及冰盐冷却
(一)冰冷却 冰有天然冰和人造冰之分，天然冰受地区、季节的限制， 故目前许多国家都建有大规模的人造冰厂。 在大气压下冰的熔解温度为0℃，这一温度可以满足在某些 情况下加工与运输鱼类、肉类的要求。冰的熔解热高； 平均为335kJ／kg。 当水冻结成冰时。其体积大约膨胀9％，因此冰的密度比水 小，且与其温度及所含气泡的数量有关，平均约为＝900kg／m3。 当冰的温度改变时，其体积也将改变，冰的膨胀系数随温度而变， 其值如下： 0 -5 -10 -15 -20 温度 ℃ 膨胀系数 0.000276 0.000213 0.000171 0.000128 0.000123
q1 T1 (sm sn )
单位质量制冷剂从被冷却的对象所吸取的热量
q2 T2 (sm sn )
压缩单位质量制冷剂所作的功
w0 q1 q2 T1 S m S n T2 (S m S n ) (T1 T2 )(S m S n )
理想制冷循环的性能指标
冰的升华
在水的三相点以下，冰可以直接升华为水蒸汽，其升华压 力与温度的关系如下：
温度 ℃
升华压力，kPa
温 度 ℃
升华压力，kPa
0 -25
0.61 63×10-3
-63 -78
0.71×10-3 0.73×10-3
(二)冰盐冷却
用冰冷却只能获得0℃以上的低温。为了获得较低的温度， 可用冰和各种盐类的混合物来冷却。冰盐冷却的物理化学反应 过程包括冰的融化和盐的溶解过程，可分析如下： 起初是冰吸热而融化，即在冰的表面上蒙上一层水膜，此 时的温度为0℃。接着盐便溶解于水膜中，吸收一定量的溶解 热，因而引起温度的降低。此后冰在较低的温度下融化，而且 冰与介质的热交换将通过冰块表面上的盐水膜进行。 当冰开始融化的时候，因盐量充足，故形成的盐水溶液具 有较大的浓度，随着冰的融化盐水的浓度将逐渐降低，当冰全 部融化和盐全部溶解后，便形成均匀的盐水溶液，各部分的温 度趋于一致。
冰盐冷却
冰盐冷却能达到的温度与盐的种类及浓度有关。冰 盐混合物的融化温度及制冷量：
加 入 冰 中 的 盐 量 质 量 5 融化温度，℃ -3．1 10 -6．2 15 -9．9 20 -13.7 ％ 25 -17．8 30 -21．2
单位制冷量 kJ／kg
314.25
284.90
259.78
238.80
干冰
Ⅰ—沸腾 Ⅱ—融化 Ⅲ—升华 1— 液相 2—气相 3—固相 4—沸腾过 程 5—融化过程 6—升华过程 融化(凝固)温度亦与压力有关， 除了某些例外(例如，水)，它和沸 腾曲线类似，朝一个方向变化。融 化曲线Ⅱ与沸腾曲线I的交点叫三相 点，三相点表示三相(固相、汽相及 液相)能按任何量的比例关系共存的 唯一状态。低于三相点时二氧化碳 或处于固态，或处于汽态。曲线Ⅲ 上的点决定于固相及汽相处于平衡 状态的压力及温度。
二氧化碳相平衡图
干冰
干冰只有在三相点温度和压力下或高于三相点压力时才能 融化成液体。干冰融化时，与水冰相反，其体积增大。在三相 点上其体积增大特别显著，约增大28.5％；而水冰融化为水时， 体积减小10％。由于干冰变为液体二氧化碳时体积会增大，故 在设计和操作干冰液化设备时应充分注意这一点。 在同样条件下干冰的制冷量比水冰及冰盐溶液的制冷量大。 和水冰比较，干冰的单位制冷量为水冰的1．9倍，其单位容积 制冷量为水冰的2.95倍。下表为在不同温度下干冰的制冷量。 t℃ q0 k J／kg -10 628．0 -20 619．6 -30 611．3 -40 602．9
1.340
1.260
1193
冰冷却
冰冷却是用空气或水作为中间介质将被冷却物的热量传给冰， 而冰由于本身的熔解吸收了这些热量。显然在冰冷却的设备中， 被冷却物所能达到的温度，必将高于冰的熔解温度，约在5～ 10℃的范围内。冰在0摄氏度融化,冰的汽化潜热为335kj/kg。 冰冷却的强度取决于中间介质与冰表面间的放热系数： 从水到冰表面的传热系数为=116．3W／m2· K，从空气到冰 表面的传热系数与温差及空气的运动情况有关，如表1—1所 示。尺寸在10cm左右的冰块其比表面积为25～30m2／m3。 空 气 运 动 情 况 当温差为[℃]时的放热系数，W/m2．K 5 10 15 自然循环 强制循环(c＝2m／s) 4．07 11．62 6．97 17．43 9．29 23．24