1、多媒体教学课件多媒体教学课件李文科 制作第二章第二章 制冷方法制冷方法 第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷第二节第二节 电、磁、声制冷电、磁、声制冷第三节第三节 气体涡流制冷气体涡流制冷第四节第四节 气体膨胀制冷气体膨胀制冷第五节第五节 绝热放气制冷绝热放气制冷第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷内内 容容 提提 要要一、一、相变制冷概述相变制冷概述二、二、蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷三、三、蒸气吸收式制冷蒸气吸收式制冷四、四、蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷五、五、吸附制冷吸附制冷第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 一、相变制冷概述一、相变制冷概述 物质有三种集态物质有三种集态( (相
2、态相态) )：气态、液态、固态。：气态、液态、固态。 物质集态的改变称为物质集态的改变称为“相变相变”。 相变过程中，由于物质相变过程中，由于物质分子重新排列分子重新排列和和分子热运动速分子热运动速度的改变度的改变，会吸收或放出热量，这种热量称为，会吸收或放出热量，这种热量称为潜热潜热。 (1)(1)物质发生从质密态到质稀态的相变时将物质发生从质密态到质稀态的相变时将吸收潜热吸收潜热； (2)(2)物质发生由质稀态向质密态的相变时将物质发生由质稀态向质密态的相变时将放出潜热放出潜热。 相变制冷相变制冷就是利用物质发生从质密态到质稀态的相变就是利用物质发生从质密态到质稀态的相变时的吸热效应而实现
3、的。时的吸热效应而实现的。利用液体相变的，是利用液体相变的，是液体蒸发制液体蒸发制冷冷；利用固体相变的，是；利用固体相变的，是固体融化或升华冷却固体融化或升华冷却。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 液体蒸发制冷液体蒸发制冷以流体作制冷剂，通过一定的机器设备以流体作制冷剂，通过一定的机器设备构成构成制冷循环制冷循环，可以对被冷却对象实现连续制冷。实现连续制冷。它是制冷技术中使用的主要方法。 固体相变冷却固体相变冷却则是以一定数量的固体物质作制冷剂，则是以一定数量的固体物质作制冷剂，作用于被冷却对象，实现冷却降温。作用于被冷却对象，实现冷却降温。一旦固体全部相变，冷却过程即告终止。第一节第一
4、节 物质相变制冷物质相变制冷 1 1固体相变冷却固体相变冷却 常用的制冷剂有：常用的制冷剂有：冰冰、冰盐冰盐、干冰干冰，以及，以及其他固体物其他固体物质质。 (1) (1) 冰冷却冰冷却 冰融化或升华均可用于冷却，主要利用冰融化冷却。冰融化或升华均可用于冷却，主要利用冰融化冷却。 常压下冰在0融化，冰的融化潜热为冰的融化潜热为335 kJ/kg。能够满足0以上的制冷要求。 冰冷却时，常借助空气或水作中间介质以吸收被冷却冰冷却时，常借助空气或水作中间介质以吸收被冷却对象的热量。对象的热量。此时，换热过程发生在水或空气与冰表面之间。被冷却物体所能达到的温度一般比冰的融化温度高被冷却物体所能达到的温
5、度一般比冰的融化温度高510。厚度10 cm左右的冰块，其比表面积在2530 m2/m3之间。为了增大比表面积，可以将冰粉碎成碎冰。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 水与冰表面的表面传热系数为水与冰表面的表面传热系数为116 W/(m2K)。空气与冰表面的表面传热系数见表2l。 表表2 21 1 空气与冰表面的表面传热系数空气与冰表面的表面传热系数W/(/(m2 K) 冰的其他物理特性如下：冰的其他物理特性如下： 水冻结成冰时出现膨胀现象，其水冻结成冰时出现膨胀现象，其体积约体积约增大增大9%。冰的平均密度为平均密度为900 kg/m3。冰的冰的膨胀系数膨胀系数与温度有关，见表与温度有关
6、，见表22。温差/K51015自然循环4.17.09.3强制循环11.617.423.2第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷表表2 22 2 冰的膨胀系数冰的膨胀系数 冰的比热容与温度有关冰的比热容与温度有关，用下式表达 kJ/(kgk) (21) 在温度为在温度为- -200范围内，其平均比热容为范围内，其平均比热容为2.093 kJ/(kgK)。 冰的导热系数导热系数也随温度改变。在在- -20以下，冰的导热以下，冰的导热系数的平均值为系数的平均值为2.32 W/(mK)。冰在。冰在0时的导温系数时的导温系数a=0.00419 W/h。温度()05101520膨胀系数104(1/)2.7
7、62.131.711.281.43Tc0264. 0165. 2第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 (2)(2)冰盐冷却冰盐冷却 冰盐冰盐是指冰与盐类的混合物。是指冰与盐类的混合物。用冰盐作制冷剂可以获得更低的温度。 冰盐冷却是利用冰盐融化过程的吸热。冰盐融化过程冰盐融化过程的吸热包括的吸热包括冰融化吸热冰融化吸热和和盐溶解吸热盐溶解吸热这两种作用。这两种作用。起初冰在0下吸热融化，融化水在冰表面形成一层在冰表面形成一层水膜水膜。接着。接着盐溶于水，变成盐溶于水，变成盐水膜盐水膜，由于溶解要吸收溶解热，造成盐水膜的温度降低。继而，在较低的温度下冰进一步融化，并通过其表层的盐水膜与被冷却对象
8、发生热交换。这样的过程一直进行到冰全部融化，与盐形成均匀的盐水溶液。 冰盐冷却能达到的低温程度与盐的冰盐冷却能达到的低温程度与盐的种类种类和混合物中盐和混合物中盐与冰的与冰的质量比质量比有关。有关。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 工业上应用最广的冰盐是块冰与工业食盐NaCl的混合物。表表23给出给出NaCl冰盐的融化温度和单位制冷冰盐的融化温度和单位制冷能力。能力。表表2 23 3 NaCl冰盐的融化温度和单位制冷量冰盐的融化温度和单位制冷量NaCl与冰的质量比x (%)51015202530融化温度tm()-3.1-6.2-9.9-13.7-17.8-21.2单位制冷量q0(kJ/k
9、g)314.3284.9259.8238.8213.7192.7第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 工业上常用如下经验公式经验公式计算NaCl冰盐的制冷特性： 融化温度 tm =0.7x (22) 单位制冷能力 q0 = 335 + 4.187tm (23) 密度 = 500 + 0.5x (24) NaCl冰盐与空气之间的表面传热系数值：冰盐与空气之间的表面传热系数值： 当温差为515时，若空气自然对流自然对流，表面传热系数为5.88.l W/(m2K)；若空气强制对流强制对流，表面传热系数将增大1.2倍。 其他种类的冰盐特性如表24所示。冰(雪)与某些酸类的混合物也有与冰盐类似的冷却作
10、用和机理，其特性在表24中一并列出。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷表表24 冰盐冰盐(酸酸)的混合物特性的混合物特性混合物中的盐(酸)盐(酸)与冰的质量比/%混合后的最低温度/CaCl26H2ONa2SO45H2OKClNH4ClNH4NO3NaNO3NH4NO3NaClNaCl6H2ONaCl6H2OH2SO4(浓度60%)H2SO4(浓度60%)413067.5302560596233828139.011.011.011.015.817.318.519.021.221.516.020.0第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 (3)(3)干冰冷却干冰冷却 固态固态CO2俗称干冰。俗
11、称干冰。 CO2的三相点参数为：温度的三相点参数为：温度- -56.6，压力，压力0.518MPa。图21是CO2的相平衡图。图中示出它的相区和相变特征。干冰在三相点以上吸热时融化，成为液态二氧化碳；在三相点和三相点以下吸热时，则直接升华，成为二氧化碳气体。 干冰的升华潜热干冰的升华潜热r与温度与温度T之间的关系之间的关系可用下式表达： (25) 式中 r的单位为kJ/kg。3523108 . 11026. 65 .665TTTr第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷图图2 21 C01 C02 2的相平衡图的相平衡图 A A气液相界线；气液相界线；B B固液相界线；固液相界线；C C固气相界
12、线；固气相界线；l l沸腾；沸腾；2 2融化；融化；3 3升华升华第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 常压下干冰的升华温度为常压下干冰的升华温度为- -78.5，升华潜热为，升华潜热为573.6 kJ/kg。升华后的低温二氧化碳气体仍具有显热制冷能力，若再使它温度升到0，其显热为显热为72.8 kJ/kg，则总的制冷总的制冷能力为能力为646.4 kJ/kg。所以干冰的制冷能力比冰和冰盐都大。在与冰制冷相同的条件下，干冰的单位质量制冷能力是冰干冰的单位质量制冷能力是冰的的1.9倍，单位容积制冷能力是冰的倍，单位容积制冷能力是冰的2.95倍倍。 干冰的平均密度为干冰的平均密度为1560 kg
13、/m3。干冰融化成液体时，。干冰融化成液体时，体积约增大体积约增大28.5%。这一点与水冰融化时体积减小正相反。设计和操作干冰液化设备时务必注意此特性。 干冰是良好的制冷剂，它化学性质稳定，对人体无害。早在19世纪，干冰冷却就用于食品工业、冷藏运输、医疗、人工降雨、机械零件冷处理和冷配合等方面。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 (4)(4)其他固体升华冷却其他固体升华冷却 近代科学研究中，为了冷却红外探测器、射线探测器、机载红外设备等的需要，采用了固态制冷剂升华的制冷系统。其制冷温度取决于固体的种类、系统中的压力和被冷却对象的热负荷。通过改变升华气体的流量来调节系统中的背压和温度，就可以
14、保持一个特定的温度。这种制冷系统的工作寿命由固体制冷剂的用量和被冷却对象的负荷决定，有达1年之久的。固体升华制冷的主要优点是升华潜热大，制冷温度低，固体制冷剂的贮存密度大。 表表25列出了一些固体制冷剂的工作温度范围、升华列出了一些固体制冷剂的工作温度范围、升华潜热和密度的值。潜热和密度的值。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 2 2液体蒸发制冷液体蒸发制冷 液体汽化形成蒸气，利用该过程的吸热效应制冷的方液体汽化形成蒸气，利用该过程的吸热效应制冷的方法称液体蒸发制冷。法称液体蒸发制冷。液体蒸发制冷循环的基本原理基本原理如下如下(参参照图照图22)。 当液体处在密闭的容器内时，若容器内除了液
15、体和液体本身的蒸气外不含任何其他气体，那么液体和蒸气在某一压力下将达到平衡。这种状态称为饱和状态饱和状态。如果将一部分饱和蒸气从容器中抽出，液体中就必然要再汽化出一部分蒸气来维持平衡。以液体为制冷剂，它在汽化时要吸收汽化潜热，该热量来自被冷却对象，只要液体的蒸发温度比环境温度低，便可使被冷却对象变冷或者使它维持在环境温度以下的某一低温。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 (a) (a)饱和压力曲线饱和压力曲线 (b)(b)构成循环的原理构成循环的原理图图2 22 2 液体蒸发制冷原理图液体蒸发制冷原理图第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 为使过程连续进行，必须不断地从容器中抽走制冷剂蒸
16、气，再不断地将液体补充进去。为使制冷剂蒸气的冷凝过程可在常温下实现，需要将制冷剂蒸气的压力提高到常温下的饱和压力。这样，制冷剂将在低温低压下蒸发，产生制冷效应；然后在常温和高压下凝结，向环境温度的冷却介质排放热量；凝结后的制冷剂液体由于压力较高，返回容器之前需要先降低压力。 液体蒸发制冷循环必须具备以下四个基本过程：液体蒸发制冷循环必须具备以下四个基本过程：制制冷剂液体在低压下汽化产生低压蒸气；冷剂液体在低压下汽化产生低压蒸气；将低压蒸气抽出将低压蒸气抽出并提高压力变成高压蒸气；并提高压力变成高压蒸气；将高压蒸气冷凝成高压液体；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。高
17、压液体再降低压力回到初始的低压状态。如此便完成循环。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 按照实现循环所采用的方式不同，按照实现循环所采用的方式不同，液体蒸发制冷有液体蒸发制冷有蒸蒸气压缩式制冷气压缩式制冷、蒸气吸收式制冷蒸气吸收式制冷、蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷和和吸附吸附式制冷式制冷等几种形式。等几种形式。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 二、蒸气压缩式制冷二、蒸气压缩式制冷 蒸气压缩式制冷的基本系统如图23所示。 系统由系统由压缩机压缩机、冷凝器冷凝器、膨胀阀膨胀阀、蒸发器蒸发器组成，用管组成，用管道将它们连接成一个密封的系统。道将它们连接成一个密封的系统。 在蒸发器内处于低温
18、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。产生的低压蒸气被压缩机吸入，经压缩后以高压排出。压缩机排出的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，产生的低压气再次被压缩机吸入。如此周而复始，不断循环。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷图图2 23 3 蒸气压缩式制冷的基本系统蒸气压缩式制冷的基本系统第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 蒸气压缩式制冷系统中，用压缩机抽出低压气并将其提高压力后排出。气体压缩过程需要气体压缩过程需要消耗能量
19、消耗能量，由输入压，由输入压缩机的缩机的机械能机械能或或电能电能提供。提供。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 三、蒸气吸收式制冷三、蒸气吸收式制冷 蒸气吸收式制冷的基本系统如图24所示。整个系统整个系统包括两个回路：包括两个回路：制冷剂回路制冷剂回路和和溶液回路溶液回路。 系统中使用系统中使用制冷剂制冷剂和和吸收剂吸收剂作为工作流体，称为吸收作为工作流体，称为吸收式制冷的式制冷的工质对工质对。吸收剂对制冷剂气体具有很强的吸收能吸收剂对制冷剂气体具有很强的吸收能力。吸收剂吸收了制冷剂气体后形成溶液。溶液经加热又力。吸收剂吸收了制冷剂气体后形成溶液。溶液经加热又能释放出制冷剂气体。能释放出制
20、冷剂气体。因此，可以用溶液回路取代压缩机可以用溶液回路取代压缩机的作用，构成蒸气吸收式制冷循环。的作用，构成蒸气吸收式制冷循环。 图24中，制冷剂回路制冷剂回路由冷凝器2、制冷剂节流阀3和蒸发器4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。溶液回路溶液回路由发生器1、吸收器5、溶液节流阀6、溶液热交换器7和溶液泵8第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 图图2 24 4 蒸气吸收式制冷的基本系统蒸气吸收式制冷的基本系统1-1-发生器；发生器；2-2-冷凝器；冷凝器；3-3-制冷剂节流阀；制冷剂节流阀；4-4-蒸发器；蒸发器；5-5-吸收器；吸收器；6-6-
21、溶液节流阀；溶液节流阀；7-7-溶液热交换器；溶液热交换器；8-8-溶液泵。溶液泵。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 组成。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，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。吸收过程中伴随释放吸收热，为了保证吸收的顺利进行，需要用冷却的方法带走吸收热，以免吸收液温度升高。 将吸收式制冷系统与压缩式制冷系统做个对比：将吸收式制冷系统与压缩式制冷系统做个对比：在蒸在
22、蒸气吸收式制冷系统中，吸收器好比压缩式制冷系统中压缩气吸收式制冷系统中，吸收器好比压缩式制冷系统中压缩机的吸入侧；发生器好比压缩机的排出侧；对发生器内溶机的吸入侧；发生器好比压缩机的排出侧；对发生器内溶液的加热，提供提高制冷剂蒸气压力的能量。液的加热，提供提高制冷剂蒸气压力的能量。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 蒸气吸收式制冷的蒸气吸收式制冷的机种机种以其所用的以其所用的工质对工质对区分。区分。 当前普遍应用的工质对有两种：当前普遍应用的工质对有两种：溴化锂水溴化锂水(制冷剂是制冷剂是水水)，氨水氨水(制冷剂是氨制冷剂是氨)。溴化锂吸收式制冷机用于制取710的冷水；氨水吸收式制冷机能够
23、制冷的温度可达-20或更低。 第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 四、蒸气喷射式制冷四、蒸气喷射式制冷 蒸气喷射式制冷的基本系统如图蒸气喷射式制冷的基本系统如图25所所示，其组成部示，其组成部件包括件包括喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀和泵。喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀和泵。喷射器由喷射器由喷嘴、吸入室、混合室和扩压器四部分组成。喷嘴、吸入室、混合室和扩压器四部分组成。喷射器的吸入室与蒸发器相连，扩压器出口与冷凝器相连。 工作过程为：工作过程为：用锅炉产生高温高压工作蒸气，工作蒸气进入喷嘴，在喷嘴中膨胀并以高速(可达可达1000 m/s以上以上)流动，于是在喷嘴出口处造成很低的压力，使蒸发
24、器中的水在低温下蒸发。由于水汽化时需从未汽化的水中吸收潜热，因而使未汽化的水温度降低。这部分低温水便可用于空气调节或其他生产工艺过程。蒸发器中产生的冷剂水蒸气与工作蒸气在喷嘴出口处混合，一起进入扩压器；在扩第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷图图2 25 5 蒸气喷射式制冷的基本系统蒸气喷射式制冷的基本系统1 1喷射器喷射器(a(a喷嘴；喷嘴；b b扩压器；扩压器；c c吸入室吸入室) )；2 2冷凝器；冷凝器；3 3蒸发器；蒸发器；4 4节流阀；节流阀；5 5、6 6泵泵第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 压器中流动的蒸气流速逐渐降低，压力逐渐升高，以较高压力进入冷凝器，被外部冷却水冷
25、却变成液态水。从冷凝器流出的液态水分两路：一路经节流降压后送回蒸发器，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。 图25表示的是一个封闭循环系统。在实际使用的系统中，冷凝后的水往往不再进入锅炉和蒸发器，而将它排入冷却水池作为循环冷却水的补充水使用。蒸发器和锅炉则另设水源供给补充水。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 图图26示出在示出在Ts图上所描述的蒸气喷射式制冷机的图上所描述的蒸气喷射式制冷机的理论工作过程与循环。理论工作过程与循环。图中12表示工作蒸气在喷嘴内部的膨胀过程。工作蒸气(状态2)与制冷剂水蒸气(状态3)混合后的状态是4。45表示混合蒸气在扩压器中流动
26、升压的过程。56表示冷凝器中气体的凝结过程。凝结终了的状态为6。凝水分为两部分：一部分经过节流，进入蒸发器，产生制冷作用，用过程线673表示；另一部分用水泵送入锅炉，产生工作(驱动) 蒸气，用过程线691表示。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 图图2 26 6 蒸气喷射式制冷机的理论工作循环蒸气喷射式制冷机的理论工作循环第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 参照图26进行循环的热力分析： 制冷量制冷量 kW (26) 式中 qm0被引射蒸气的质量流量，kg/s； h3制冷剂蒸气出蒸发器时的比焓，kJ/kg； h6凝结水出冷凝器时的比焓，kJ/kg。 锅炉热负荷锅炉热负荷 kW (27)
27、 式中 qm1工作蒸气的质量流量，kg/s； h1工作蒸气出锅炉时的比焓，kJ/kg。 冷凝器热负荷冷凝器热负荷 kW (28) 式中 h5混合蒸气进冷凝器时的比焓，kJ/kg。 如果忽略水泵消耗功而产生的热量，则循环的热平衡式为 (29)(6300hhqm)(611hhqmh)(6510hhqqmmkhk0第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 在蒸气喷射式制冷机中用喷射系数喷射系数(质量喷射比质量喷射比)n作为作为评定喷射器性能的参数。评定喷射器性能的参数。它的定义为：定义为：每单位质量工作蒸每单位质量工作蒸气所能引射的制冷剂蒸气量，气所能引射的制冷剂蒸气量，即质量混合比为质量混合比为 (
28、210) 理论情况下，喷射系数的值通过喷射器的喷射系数的值通过喷射器的热平衡式热平衡式求得求得： 因而 (211) 实际上，由于流动过程中存在阻力，混合过程中有冲击损失等因素，蒸气喷射式制冷机的实际工作过程与图26所示的理论循环过程有较大的区别。5101130)(hqqhqhqmmmm)( )(/355110hhhhqqnmm10/mmqqn 第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 蒸气喷射式制冷机具有如下特点：蒸气喷射式制冷机具有如下特点：补偿能的形式是补偿能的形式是热热能能，可以不用电能；结构简单；加工方便；没有运动部件；，可以不用电能；结构简单；加工方便；没有运动部件；使用寿命长。使用寿
29、命长。因而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压力高，喷这种制冷机所需的工作蒸气压力高，喷射器的不可逆损失大，效率较低。射器的不可逆损失大，效率较低。因此，在空调冷水机组中采用溴化锂吸收式制冷机比用蒸气喷射式制冷机具有明显的优势。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 五、吸附制冷五、吸附制冷 吸附制冷系统也是以热能为动力的能量转换系统。吸附制冷系统也是以热能为动力的能量转换系统。 机理是：机理是：利用一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具利用一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，而且有吸附作用，而且吸附能力随吸附剂温度的改变而不同吸附能力随吸附剂温度
30、的改变而不同的的性质，通过周期性地冷却和加热吸附剂，使之交替吸附和性质，通过周期性地冷却和加热吸附剂，使之交替吸附和解吸。解吸时，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体；吸解吸。解吸时，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体；吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用。附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用。 吸附制冷的工作介质是吸附剂制冷剂吸附剂制冷剂工质对工质对。工质对有多种，按吸附机理说，有按吸附机理说，有物理吸附物理吸附与与化学吸附化学吸附之别。之别。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷图图2-7a 2-7a 蒸气吸附式制冷的原理图蒸气吸附式制冷的原理图1-1-吸附解吸器；吸附解吸器；2-2-冷凝器；冷凝
31、器；3-3-节流阀；节流阀；4-4-蒸发器蒸发器第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 1 1物理吸附制冷物理吸附制冷 以常见的沸石水吸附对为例。以常见的沸石水吸附对为例。沸石是一种沸石是一种铝硅酸盐铝硅酸盐矿物矿物，它能够吸附水蒸气，且吸附能力的变化对温度特别，它能够吸附水蒸气，且吸附能力的变化对温度特别敏感。敏感。因而它们是较理想的吸附制冷工质对之一。 图27示出一个利用太阳能驱动的沸石水吸附制冷系统原理。它包括吸附床吸附床、冷凝器冷凝器和蒸发器蒸发器，用管道连接成一个封闭的系统。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。白天,吸附床受日照加热，沸石温度升高，产
32、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，同时释放出潜热，凝水贮存在蒸发器中。夜间，吸附床冷下来，沸石温度逐第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷图图2 27 7 太阳能沸石水吸附制冷原理太阳能沸石水吸附制冷原理1 1吸附床；吸附床；2 2冷凝器；冷凝器；3 3储水器储水器( (蒸发器蒸发器) ) 第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 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。 吸附制冷属于液体汽化制冷。吸附制冷属于
33、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。吸附器处于吸附过程中产生冷效应，吸附结束后必须有一个解吸过程使吸附剂状态还原，这时将停止制冷。为了连续制冷，可以采用两个以上的吸附器。为了连续制冷，可以采用两个以上的吸附器。不仅能实现连续制冷，还可以利用一个吸附床的排热去加热另一个吸附床，从而使热能充分利用。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 已研究的吸附工质对吸附工质对(吸附剂制冷剂吸附剂制冷剂)主要有：主要有：沸石沸石水，硅胶水，活性炭甲醇，金属氢化物氢，氯化水，硅胶水，活性炭甲醇，金属氢化物氢，氯化物盐类氨等。物盐类氨等
34、。各工质对的吸附动力学特性是研究吸附制冷的基础内容。 为了提高制冷循环速度，在改善吸附床传热传质方面为了提高制冷循环速度，在改善吸附床传热传质方面现采取的主要措施是：现采取的主要措施是： (1)(1)将导热性好的铝粉和石墨加在吸附剂中。将导热性好的铝粉和石墨加在吸附剂中。 (2)(2)将吸附剂成型加工，并烧结在金属壁面上。这样做将吸附剂成型加工，并烧结在金属壁面上。这样做可以可以增加增加吸附剂的吸附剂的充填量充填量，增大单位体积的吸附能力；同，增大单位体积的吸附能力；同时还可以时还可以降低降低吸附剂与金属壁面之间以及吸附剂颗粒之间吸附剂与金属壁面之间以及吸附剂颗粒之间的的接触热阻接触热阻。 (
35、3)(3)增加吸附床金属壁的热交换表面积。增加吸附床金属壁的热交换表面积。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 2 2固气热化学制冷固气热化学制冷 利用固体与气体的化学吸附现象制冷，称之为利用固体与气体的化学吸附现象制冷，称之为固气固气热化学制冷热化学制冷，或，或固气反应法制冷固气反应法制冷。目前主要研究的是利用氯化物氯化物(盐盐)与氨氨的固气反应热现象，用于热泵或制冷。以下概要说明利用此原理的三种系统与循环。 (1) (1) 单效液体蒸发吸附循环单效液体蒸发吸附循环 固气热化学制冷系统原理可以用固气体系的平衡图加以说明。以氯化钡盐与氨的固气反应为例，以氯化钡盐与氨的固气反应为例，在压力温度
36、图上体系的平衡态特性如图28所示，图中压力采用压力的对数值来标度，温度用 的数值来标度，体系的压力温度关系呈直线。图28a、b分别是系统所用反应物的相平衡图和系统组成及两个阶段的工作过程。T1第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 (a)(a)固气相平衡图固气相平衡图 (b)(b)系统与工作流程系统与工作流程 图图2 28 8 单效液体蒸发吸附系统与循环单效液体蒸发吸附系统与循环第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 由反应器、热交换器及二者之间的连接管道组成封闭由反应器、热交换器及二者之间的连接管道组成封闭系统。系统。系统中的物质是氨和BaCl2固体。BaCl2充填在反应器中，NH3在反应器
37、和热交换器之间循环。BaCl2与NH3的反应式为 (212) 循环由下面两个过程组成：循环由下面两个过程组成： 分解分解/ /冷凝过程冷凝过程 在高温TH下对反应器加热，反应器中发生分解反应，BaCl2中释放出气态NH3，气态气态NH3到热交到热交换器换器(作为冷凝器使用作为冷凝器使用)，在常温下冷却，凝结为液体。，在常温下冷却，凝结为液体。 合成合成/ /蒸发过程蒸发过程 再在常温TM下冷却反应器，反应器中发生合成反应。BaCl2吸附NH3气，造成热交换器中的液造成热交换器中的液态态NH3在低温在低温T1下蒸发。这时热交换器作为蒸发器用。液下蒸发。这时热交换器作为蒸发器用。液态态NH3蒸发吸
38、热，产生蒸发吸热，产生制冷效果。制冷效果。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 图图28a中，中，L/G是纯NH3的饱和压力线(即液/气平衡线)；S/G是NH3BaCl2的吸附平衡压力温度曲线(即固/气平衡线)。分解/冷凝过程中系统内部为高压pH(系NH3的冷凝压力)，向反应器加入的热量为QH；热交换器中氨气凝结的排热量为QK。合成/蒸发过程中系统内部为低压p1(系NH3的蒸发压力)，反应器在温度TM下的排热量为QM；热交换器中NH3液蒸发的吸热量为Q0(制冷)。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 (2)(2)单效再吸附循环单效再吸附循环 其组成如图组成如图29b所示。所示。系统由两个反
39、应器和它们之间系统由两个反应器和它们之间的连接管道组成。的连接管道组成。两个反应器中分别充填不同的盐。不同的盐与NH3具有不同的吸附平衡特性。例如，反应器1中充填BaCl2固体，反应器2中充填NiCl固体。BaCl2和NiCl与NH3的化学吸附反应式分别由式(212)和下式表达： (212) (213) 图图29a中中S/G1是是BaCl2与与NH3的吸附平衡曲线；的吸附平衡曲线；S/G2是NiCl与NH3的吸附平衡曲线。 循环的两个过程如下：循环的两个过程如下：第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 再生过程再生过程 在高温TH下加热反应器2，其中NiCl发生式(213)的分解反应，释放出N
40、H3气；同时在常温TM下冷却反应器1，其中BaCl2发生式(212)的合成反应，BaCl2吸附来自反应器2的NH3气。 制冷过程制冷过程 在常温TM下冷却反应器2，其中NiCl发生式(213)的合成反应，吸附气态NH3，使反应器1中BaCl2发生分解反应。分解反应要吸收热量，产生制冷作用。 (3)(3)双效再吸附循环双效再吸附循环 图图210所示，所示，是在基本循环基础上经过改进了的高效循环方式。用三种不同的盐充填4个反应器。图中示出了三种盐与NH3的吸附平衡曲线以及4个反应器的连接关系和两个工作阶段。图210a是工作阶段A的情况；图210b是工作阶段B的情况。第一节第一节 物质相变制冷物质相
41、变制冷(a)(a)固气反应的相平衡图固气反应的相平衡图 (b)(b)系统及两个反应过程系统及两个反应过程图图2 29 9 单效再吸附循环单效再吸附循环第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷(a)(a)工作阶段工作阶段A A的情况的情况图图2 210 10 双效再吸附循环双效再吸附循环第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷(b) (b) 工作阶段工作阶段B B的情况的情况图图2 210 10 双效再吸附循环双效再吸附循环第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 阶段阶段A 利用反应器1*中的反应物1在p1、T1下的分解反应(吸热)实现制冷，而反应物2在p1、TM下合成(排热)。同时，在反应器1和反
42、应器3的系统中，在高压pH下反应物3被加热，发生分解反应，而反应物1被冷却发生合成反应。 阶段阶段B 利用反应器1中的反应物1在p1、T1下的分解反应(吸热)实现制冷，而反应物3在低压p1及回热温度Trec下合成(排热)。同时，反应物2在高压pH及回热温度Trec下分解，而反应器1*中的反应物l在pH和TM条件下合成(排热)。该阶段发生热回收，即反应物2分解所需要的部分热能由回收反应物3的合成排热来提供。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 双效再吸附循环的重要改进在于：双效再吸附循环的重要改进在于： (1)每一阶段都产生制冷作用，故可实现假连续制冷； (2)两阶段中，有一个阶段在过程进行中
43、，可以获得内部回热，从而改善了循环的经济性。 这类基于固气反应的化学制冷，同样是通过工作循环的能量平衡关系来计算其制冷的性能系数COP。各种盐的反应热具有相同的数量级，且大约是NH3汽化潜热的2倍。若不计反应物的显热、反应器和传热流体的显热以及热量损失，理想循环的性能系数理想循环的性能系数COPCOPI I定义如下：定义如下： 单效液体蒸发吸附循环单效液体蒸发吸附循环 COPIQ0/QH (214) 式中Q0为制冷剂蒸发时的热量；QH为发生分解反应时加入反应器的热量(见图28)。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 单效再吸附循环单效再吸附循环 COPIQ1/QH (215) 式中Q1为发生
44、分解反应时产生制冷效应的吸热量；QH为发生分解反应时加入反应器的热量(见图29)。 双效再吸附循环双效再吸附循环 COPI2Q1/(Q3+Q2Qrec) (216) 式中Q1为发生分解反应时产生制冷效应的吸热量；Q2和Q3分别为反应器2和3中发生分反应时吸入的热量；Qrec为反应器中2和3之间的回热量(见图210)。第二节第二节 电、磁、声制冷电、磁、声制冷内内 容容 提提 要要一、一、热电制冷热电制冷二、二、磁制冷磁制冷三、三、声制冷声制冷第二节第二节 电、磁、声制冷电、磁、声制冷 一、热电制冷一、热电制冷 热电制冷热电制冷又称为又称为温差电制冷，温差电制冷，或或半导体制冷，半导体制冷，是利
45、用是利用热电效应热电效应(即即帕尔帖效应帕尔帖效应)的一种制冷方法。的一种制冷方法。 1834年，法国物理学家帕尔帖在铜丝铜丝的两头各接一根铋丝铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正、负极上，通电后发现一个接头变热，一个接头变冷。这说明：当有直流电通过两种不同材料组成的电回路时，两个接点处分别发生了吸、放热效应。这个现象称为帕尔帖热电效应帕尔帖热电效应。它是热电制冷的依据。如果接点处热电效应足够强，就可以产生有用的制冷作用。第二节第二节 电、磁、声制冷电、磁、声制冷 热电效应的大小主要取决于两种材料的热电效应的大小主要取决于两种材料的热电势热电势。纯金属材料的导电性好，导热性也好。用两种金属材
46、料组成电偶回路，其热电势小，热电效应很弱，制冷效果不明显(制冷效率不到1%)。半导体材料具有较高的热电势，可以成半导体材料具有较高的热电势，可以成功地用来做成小型热电制冷器。功地用来做成小型热电制冷器。按电流载体的不同，半导体分为N型型半导体(电子型电子型)和P型型半导体(空穴型空穴型)。图211示出N型半导体和P型半导体构成的热电偶制冷元件。用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路，铜板和铜导线只起导电的作用。回路由低压直流电源供电。回路中接通电流时，一个接点变热，一个接点变冷。如果改变电流方向，则两个接点处的冷热作用互易，即：原来的热接点变成冷接点，原来的冷接点变成热接点。第二
47、节第二节 电、磁、声制冷电、磁、声制冷图图2 211 11 热电制冷元件热电制冷元件第二节第二节 电、磁、声制冷电、磁、声制冷 一对N、P热电偶只需零点几伏特的电源电压，冷端产生的制冷量也很小，所以实际热电制冷器是将许多热电偶实际热电制冷器是将许多热电偶组成组成热电堆热电堆使用。使用。 热电制冷器的结构和原理显然不同于液体气化制冷。它不需要一定的工质循环来实现能量转换，没有任何运动部件。热电制冷的效率低，半导体材料的价格又很高，热电制冷的效率低，半导体材料的价格又很高，而且，由于必须使用直流电源使用直流电源，变压和整流装置往往不可避免，从而增加了电堆以外的附加体积。所以热电制冷不宜热电制冷不宜
48、大规模和大冷量便用。大规模和大冷量便用。但由于它的灵活性强，简单方便，使用可靠，冷热切换容易，非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。例如，为空间飞行器上的科学仪器、电子仪器、医疗器械中需要冷却的部位提供冷源等。第二节第二节 电、磁、声制冷电、磁、声制冷 二、磁制冷二、磁制冷 磁制冷是利用磁热效应的制冷方式。磁制冷是利用磁热效应的制冷方式。 早在1907年郎杰斐郎杰斐(P.Langevin)就注意到：顺磁体绝热去磁过程中，其温度会降低。从机理上说，固体磁性物质固体磁性物质(磁性离子构成的系统磁性离子构成的系统)在受磁场作用在受磁场作用磁化磁化时，系统的磁有时，系统的磁有序度加强序度加强(
49、磁熵减小磁熵减小)，对外，对外放出热量放出热量；再将其；再将其去磁去磁，则磁，则磁有序度下降有序度下降(磁熵增大磁熵增大)，又要，又要从外界从外界吸收热量吸收热量。这种磁性。这种磁性离子系统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为离子系统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁磁热效应热效应。第二节第二节 电、磁、声制冷电、磁、声制冷 1 1基本概念基本概念 螺旋线圈通电时，产生感应磁场 。在线圈中插入磁性物体(比如铁棒)，物体磁化后产生附加磁场 。于是，总的磁感应强度为 (2-17) 不同的磁介质产生的附加磁场情况不同，附加磁场与原磁场方向相同的磁介质称为顺磁体顺磁体(如铁、锰)；附加磁场
50、与原磁场方向相反的磁介质称为抗磁体抗磁体(如铋、氢等)。磁感应强度的单位是磁感应强度的单位是T(特特斯拉斯拉)。 设物体的磁矩为M。物体在磁场H中磁矩增加dM时，磁场对物体做功为 。该过程中物体吸热dQ，内能增加dU。则由热力学第一定律有BBB00BBHdM0第二节第二节 电、磁、声制冷电、磁、声制冷 (2-18) 式中 真空磁导率，H/m； H磁场强度，A/m； M磁矩，Am2； 将式(2-18)与熟知的气体热力学第一定律表达式 相类比。磁系统中 的相当于气体系统中的压力p；M则相当于体积V。由此可以类似地引出磁熵S的概念，用S-T图可以描述磁性物体的磁热状态，反映出物体温度T、磁熵S与磁场
