制冷与热泵技术

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第一章 制冷原理
气体膨胀制冷——布雷顿制冷循环
为了提高制冷效率，通常采用回热 循环：所谓回热就是把由冷箱返回 的冷气流引入一个热交换器—“回 热器”，用来冷却从冷却器来的高 压常温气流，使其温度进一步降低， 而从冷箱返回的气流则被加热，温 度升高。这样就使压缩机的吸气温 度升高，降低压缩机的压力比。
吸附制冷的工作介质是吸附剂-制冷剂工质对。常用的有：活性 炭-甲醇（太阳能吸附制冷中应用最广）、沸石-水、硅胶-水、 金属氢化物-氢（物理吸附）、氯化锶-氨、氯化钙-氨（化学吸 附）。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——吸附式制冷
包括吸附床、冷凝器和蒸发器。吸附床 是充装了吸附剂（沸石）的金属盒；制 冷剂液体（水）贮集在蒸发器中。
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第一章 制冷原理
气体膨胀制冷——布雷顿制冷循环
布雷顿(Brayton)制冷循环又称焦耳 (Joule)循环或气体制冷机循环，是 以气体为工质的制冷循环，其工作过 程包括等熵压缩，等压冷却，等熵膨 胀及等压吸热四个过程，这与蒸气压 缩式制冷机的四个工作过程相近，两 者的区别在于工质在布雷顿循环中不 发生集态改变(相变)。根据不同的使 用 目 的 ， 工 质 可 以 是 空 气 ， CO2 ， N2，He 等气体。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——吸附式制冷
吸附制冷以热能驱动，可利用低品位热能；不采用氟氯烃，无CFCs 问题，无温室效应，对环境友好；结构简单，无运动部件，噪声低， 寿命长，适用范围广。但效率低，体积大。
目前，吸附制冷已开始工业化生产，并有少量产品进入市场：（1） 发动机余热驱动的吸附式空调，可用于大客车、中巴和小轿车、火 车。（2）太阳能吸附式冰箱。
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第一章 制冷原理
气体膨胀制冷
气体膨胀制冷是利用高压气体的绝热膨胀来达到低温，并利用膨胀 后的气体在低压下的复热过程来制冷的。
由于气体绝热膨胀的设备不同，一般有两种方式:
一种是将高压气体经膨胀机膨胀，有外功输出，因而气体的温降大， 制冷量也大，但膨胀机结构比较复杂； 另一种方式是令气体经节流阀膨胀，无外功输出，气体的温降小， 制冷量也小，但节流阀的结构比较简单，便于进行气体流量的调节。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷
为了使上述过程得以连续进行，必须不断地从容器中 抽走制冷剂蒸汽，再不断地将其液体补充进去。通过一定 的方法将蒸汽抽出，再令其凝结为液体后返回到容器中， 就能满足这一要求。
因此，液体蒸发制冷循环必须具备以下四个基本过程： 低压下蒸发汽化、蒸气升压、高压气体液化、高压液体降 压。其中将低压蒸汽提高压力需要能量补偿。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——蒸气喷射式制冷
工作过程如下：锅炉产生的高温高压工作 蒸气进入喷嘴，膨胀并以高速流动（流速 可达1000m/s以上），在喷嘴出口处造成 很低的压力，使蒸发器中的水汽化，吸收 潜热，使未汽化的水温度降低（制冷）产 生低温水。蒸发器中产生的水蒸气与工作 蒸气在喷嘴出口处混合，一起进入扩压器； 在扩压器中流速降低压力升高；到冷凝器， 被冷却水冷却为液态水后分两路：一路经 过节流阀降压后送回蒸发器，继续蒸发制 冷；另一路用泵提高压力送回锅炉，重新 加热产生工作蒸气。
热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它主要是利用热电效 应中的帕尔帖效应的一种制冷方法。
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第一章 制冷原理
热电制冷——热电效应
白天，吸附床受到日照加热，沸石温度 升高，产生解吸作用。从沸石中脱附出 水蒸气，系统内的水蒸气压力上升，达 到与环境温度对应的饱和压力时，水蒸 气在冷凝器中凝结，同时放出潜热，凝 水贮存在蒸发器中。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——吸附式制冷
夜间，吸附床冷下来，沸石温度逐渐降 低，它吸附水蒸气的能力逐步提高，造 成系统内气体压力降低，同时，蒸发器 中的水不断蒸发出来，用以补充沸石对 水蒸气的吸附。蒸发过程吸热，达到制 冷的目的。
热风机
冷凝器 吸附床ຫໍສະໝຸດ Baidu
节流阀
热风机 气体 加热
蒸发器 吸附床
冷风机
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——吸附式制冷
吸附制冷的循环速率受吸附床传热传质特性的制约。颗粒状充填的 吸附床，其传热过程缓慢，使循环周期拉长。为了提高制冷循环速 率，在改善吸附床传热传质方面现采取的主要措施是： 1.将导热性好的铝粉和石磨加在吸附剂中。 2.将吸附剂成型加工，并烧结在金属壁面上。这样做一来可以提高 吸附剂的充填量，增加单位体积的吸附能力；二来可以降低吸附剂 与金属壁面之间吸附剂与吸附剂之间的接触热阻。 3.增大吸附床金属壁的热交换表面积。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——吸附式制冷
吸附制冷属于液体汽化制 冷。与蒸气压缩式制冷机 相类比，吸附床起到压缩 机的作用。但上述吸附系 统只能间歇制冷。吸附床 处于吸附过程中产生冷效 应，吸附结束后必须有一 个解析过程使吸附剂状态 还原，这时将停止制冷。 为了连续制冷，可以采用 两个吸附床。
定容放热过程2－3：两个活塞同时 向左移动，气体的容积保持不变， 直至压缩活塞到达左止点。当气体 通过回热器R时，将热量传给填料， 因而温度下降，同时压力降低。
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第一章 制冷原理
气体膨胀制冷——斯特林制冷循环
等温膨胀过程3－4：压缩活塞停止 在左止点，而膨胀活塞继续向左移 动，直至左止点，气体进行等温膨 胀，通过冷量换热器C从低温热源 吸收热量。容积增大而压力降低。
液体汽气化形成蒸汽，吸收热量，利用该过程的吸热 效应制冷的方法称液体汽化制冷。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷
T2 T1
3500
3000
2500
2000
P1
P / KPa
1500
1000
P2
500
0
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420
T/K
饱和蒸气压曲线
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温度下 降
抽 气
蒸 发
吸 热 Q
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷
evaporator
expansion device
condenser
compressor
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——吸附式 吸附制剂冷/泡沫铝复合吸附材料：使用体积比10％～20％的通孔泡沫
铝材料为传热骨架，复合沸石颗粒或分子筛颗粒，使其导热性能大 幅提高，并具有较高的传质性能。对于使用沸石或分子筛吸附床的 吸附式制冷机可以大大减小吸附脱附时间，提高制冷机性能。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——蒸气吸收式制冷
吸收式制冷机利用溶液在一定条件 下能析出低沸点组分的蒸气，在另一种 条件下又能吸收低沸点组分这一特性完 成制冷循环。
吸收式制冷系统是由发生器、冷凝 器、制冷节流阀、蒸发器、吸收器、溶 液节流阀、溶液热交换器和溶液泵组成。
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定容吸热过程4－1：两个活塞同时 向右移动直至右止点,气体容积保持 不变，回复到起始位置。当气体流 经时回热器填料R时吸热，温度升 高，同时压力增加。
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第一章 制冷原理
热电制冷
热电制冷的理论基础是固体的热电效应，在无外磁场存在时，它包 括五个效应：导热、焦耳热损失、塞贝克(Seebeck)效应、帕尔帖 (Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。
根据抽取蒸气的方式不同，主要有4种液体汽化制冷方式。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——蒸气压缩式制冷
蒸汽压缩式制冷系统 由压缩机、冷凝器、 膨胀阀(毛细管)、蒸 发器组成，用管道将 它们连接成一个密封 系统。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——蒸气压缩式制冷
制冷剂液体在蒸发器内以与被冷却对象 发生热交换，吸收被冷却对象的热量并 气化，产生的低压蒸汽被压缩机吸入； 经压缩后排出高温高压气态制冷剂进冷 凝器，被常温的冷却水或空气冷却，凝 结成高压液体；高压液体流经膨胀阀时 节流，变成低压低温的气液两相混合物， 进入蒸发器，其中的液态制冷剂在蒸发 器中蒸发制冷；然后蒸发器中的低压蒸 汽再次被压缩机吸入。如此周而复始， 不断循环。
第一章 制冷原理
相变制冷
制 冷
气体膨胀制冷
方
热电制冷
法
涡流管制冷
其它
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固体融化制冷 固体升华制冷 液体汽化制冷
蒸气压缩式 √ 吸收式
蒸气喷射式 吸附式
热声制冷 电磁制冷 电化学制冷
任何伴随有吸 热的物理现象 原则上都有可 能用来制冷。
······
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷
物质有三种集态：气态、液态、固态。物质集态的改 变称之为相变。相变过程中，由于物质分子的重新排列和 分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量。这种热量称 作相变潜热。物质发生从质密态到质稀态的相变是将吸收 潜热；反之，当它发生从质稀态向质密态的相变时，则放 出潜热。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——蒸气吸收式制冷
溶液回路由发生器、吸收器、溶液节流阀、 溶液热交换器和溶液泵组成。在吸收器中， 吸收剂吸收来自蒸发器的低压制冷剂气体， 形成富含制冷剂的稀溶液，并泵送到发生器， 加热使溶液中的制冷剂重新蒸发出来，送入 冷凝器。另一方面，产生的浓溶液经冷却、 节流后进入吸收器，吸收来自蒸发器的低压 制冷剂蒸汽。吸收过程中伴随释放吸收热， 为了保证吸收的顺利进行，需要冷却吸收液。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——蒸气吸收式制冷
与压缩式的共同点是：
四个基本过程一样。
它们的不同点是：
1)提供的能量不同。 压缩式消耗机械功，吸收式消耗热能。
2)吸取制冷剂蒸气的方式不同。 压缩式用压缩机吸取蒸气，吸收式用吸收剂
在吸收器内吸取制冷剂蒸气。 3)将低压制冷剂蒸气变为高压制冷剂蒸气时 采取的方式不同。
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第一章 制冷原理
气体膨胀制冷——斯特林制冷循环
1816 年斯特 林 (stirling)提 出 了 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，称为 斯特林循环，也称为定容回热循环。
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第一章 制冷原理
气体膨胀制冷——斯特林制冷循环
等温压缩过程1－2：压缩活塞向左 移动而膨胀活塞不动。气体被等温 压缩，压缩热经冷却器A传给冷却 介质，温度不变，压力升高，同时 容积减小。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——吸附式制冷
吸附现象
根据气体-固体 有无化学反应
物理吸附：是气体分子在范德瓦尔力作用下向吸附 剂运动，并在吸附势场作用下压缩而在吸附剂内凝 聚成液体的过程，没有化学反应。
化学吸附：吸附剂和被吸附的气体或液体相互接触 时发生了化学反应，形成了化学键。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——蒸气吸收式制冷
目前吸收式制冷机多用二组分溶液，习惯上 称低沸点组分为制冷剂，高沸点组分为吸收 剂，二者合称为工质对。最常用的工质对有 氨水（氨为制冷剂）和溴化锂水溶液（水为 制冷剂）。
整个系统包括两个回路：一个是制冷剂回路， 一个是溶液回路。
制冷剂回路由冷凝器、制冷剂节流阀、蒸 发器组成。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。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——蒸气喷射式制冷
也有四个基本过程，其喷射器相当于蒸气压 缩式的压缩机。
特点：以热能为补偿能量形式；结构简单； 加工方便；没有运动部件；使用寿命长，故 具有一定的使用价值，例如用于制取空调所 需的冷水。但这种制冷机所需的工作蒸气的 压力高，喷射器的流动损失大，因而效率较 低。
压缩式通过压缩机完成，吸收式则是通过吸 收器、溶液泵、发生器和节流阀完成。
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第一章 制冷原理
液体汽化制冷——蒸气喷射式制冷
蒸气喷射式制冷系统组成部件包 括：喷射器、冷凝器、蒸发器、 节流阀、泵。喷射器又由喷嘴、 吸入室、扩压器三个部分组成。 喷射器的吸入室与蒸发器相连； 扩压器于冷凝器相连。