1、2015-9-22机械学院能动教研室制冷原理及设备制冷原理及设备第第1 1章章 制冷方法制冷方法2015-9-22机械学院能动教研室制冷方法液体汽化制冷蒸气压缩式吸收式蒸气喷射式吸附式气体膨胀制冷热电制冷涡流管制冷其它热声制冷电磁制冷电化学制冷 相变制冷固体升华制冷固体融化制冷1.1 1.1 低温的产生低温的产生2015-9-22机械学院能动教研室 制冷的方法很多，常见的主要是以下四种：制冷的方法很多，常见的主要是以下四种：液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷及其热电制冷。液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷及其热电制冷。其中应用最广泛的就是液体汽化制冷（原理），它常见的应用其中应用最广泛
2、的就是液体汽化制冷（原理），它常见的应用形式又有以下四种：形式又有以下四种：蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷和吸附式制冷。蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷和吸附式制冷。蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷是目前应用最为广泛的两种制冷蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷是目前应用最为广泛的两种制冷方式，也是本课程所讲述的主要内容，我们会在以后的章节中方式，也是本课程所讲述的主要内容，我们会在以后的章节中着重讲述，本节只简单介绍其它的制冷方式。着重讲述，本节只简单介绍其它的制冷方式。1.2 1.2 制冷方法制冷方法2015-9-22机械学院能动教研室 液体气化制冷液体气化制冷 物质有三种集态：气态
3、、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。液体气化形成蒸汽，吸收热量，利用该过程的吸热效应制冷的方法称液体气化制冷。2015-9-22机械学院能动教研室抽气吸热Q蒸发温度下降T12002202402602803003203403603804004200500100015002000250030003500P/KPaT/KP1P2T2饱和蒸气压曲线液体气化制冷原理液体气化制冷原理2015-9-22机械学院能
4、动教研室液体气化制冷原理液体气化制冷原理2015-9-22机械学院能动教研室液体气化制冷原理液体气化制冷原理2015-9-22机械学院能动教研室液体气化制冷原理液体气化制冷原理2015-9-22机械学院能动教研室 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气，再不断地将其液体补充进去。通过一定的方法将蒸气抽出，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。其中将低压蒸气提高压力需要能量补偿。液体气化制冷液体气化制冷根据抽取蒸气的方式不同，主要有4种液体气化制冷方式：蒸气压缩
5、式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷和吸附式制冷2015-9-22机械学院能动教研室1.2.1 蒸气压缩式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。2015-9-22机械学院能动教研室液体气化制冷原理2015-9-22机械学院能动教研室蒸气压缩式制冷的理论循环2015-9-22机械学院能动教研室蒸汽喷射式制冷蒸汽喷射式制冷原理：原理：和蒸气压缩式相似，均是利用液体汽化时吸收热量来制冷的和蒸气压缩式相似，均是利用液体汽化时吸收热量来制冷的。系统组成：系统组成：喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀及泵五部分。喷射器、冷凝器、蒸发器
6、、节流阀及泵五部分。系统流程图：系统流程图：2015-9-22机械学院能动教研室 工作过程：工作过程：用锅炉产生高温高压的工作蒸汽，将其送入喷嘴，膨胀并以高用锅炉产生高温高压的工作蒸汽，将其送入喷嘴，膨胀并以高速流动（流速可达速流动（流速可达1000m/s1000m/s以上），于是在喷嘴出口处，造成很低以上），于是在喷嘴出口处，造成很低的压力，由于吸入室和蒸发器相连，所以蒸发器中的压力也会很的压力，由于吸入室和蒸发器相连，所以蒸发器中的压力也会很低，低温低压的部分水吸热而汽化，将未汽化的水的温度降低。低，低温低压的部分水吸热而汽化，将未汽化的水的温度降低。这部分低温水就可用于制冷。蒸发器中产生
7、的冷剂水蒸气和工作这部分低温水就可用于制冷。蒸发器中产生的冷剂水蒸气和工作蒸汽在喷嘴出口处混合，一起进入冷凝器，被外部的冷却水冷却蒸汽在喷嘴出口处混合，一起进入冷凝器，被外部的冷却水冷却而变成液态水，这些冷凝水再由冷凝器引出，分两路，一路经过而变成液态水，这些冷凝水再由冷凝器引出，分两路，一路经过节流降压后送往蒸发器，继续蒸发制冷，另一部分用泵提高压力节流降压后送往蒸发器，继续蒸发制冷，另一部分用泵提高压力送往锅炉，重新加热产生工作蒸汽。送往锅炉，重新加热产生工作蒸汽。2015-9-22机械学院能动教研室蒸气喷射器的原理图pk2015-9-22机械学院能动教研室特点：特点：(1)(1)以热能为
8、能量的补偿形式；以热能为能量的补偿形式；(2)(2)结构简单，加工方便，无运动部件，使用寿命长；结构简单，加工方便，无运动部件，使用寿命长；(3)(3)效率低。效率低。(工作蒸汽的压力高，喷射器的流动损失大工作蒸汽的压力高，喷射器的流动损失大)如果要获得更低的温度，工作介质可以采用低沸点的工质，如果要获得更低的温度，工作介质可以采用低沸点的工质，如氟利昂。如氟利昂。2015-9-22机械学院能动教研室吸附式制冷吸附式制冷 吸附式制冷也是以吸附式制冷也是以“热能热能”为动力的能量转换系统。为动力的能量转换系统。工作原理：工作原理：一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，并且吸附能力随吸附剂
9、温一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，并且吸附能力随吸附剂温度的不同而不同。周期性地冷却和加热吸附剂，使之对制冷剂交替吸附和解吸。度的不同而不同。周期性地冷却和加热吸附剂，使之对制冷剂交替吸附和解吸。吸附时制冷剂液体蒸发，产生制冷作用，解吸时，释放出制冷剂气体，并使之吸附时制冷剂液体蒸发，产生制冷作用，解吸时，释放出制冷剂气体，并使之冷凝成液体，从而完成整个制冷循环。冷凝成液体，从而完成整个制冷循环。工作介质：吸附剂和制冷剂；工作介质：吸附剂和制冷剂；常见的吸附工质对有：常见的吸附工质对有：沸石沸石水；硅胶水；硅胶水，水，氯化钙氯化钙水等水等 物理吸附化学吸附2015-9-22机械学
10、院能动教研室集水箱（蒸发器）集水箱（蒸发器）肋片肋片白天脱附夜间吸附沸石密封盒沸石密封盒沸石沸石沸石太阳能制冷原理2015-9-22机械学院能动教研室 以沸石以沸石水工质对为例说明其工作过程：水工质对为例说明其工作过程：白天，吸附床受日光照射温度升高产生解析作用，从沸石中脱附白天，吸附床受日光照射温度升高产生解析作用，从沸石中脱附出水蒸汽，系统内的水蒸气压力升高，当达到与环境温度对应的饱出水蒸汽，系统内的水蒸气压力升高，当达到与环境温度对应的饱和压力时，水蒸汽在冷凝器中凝结，同时放出潜热，冷凝水储存在和压力时，水蒸汽在冷凝器中凝结，同时放出潜热，冷凝水储存在蒸发器中，夜间，吸附床冷下来，沸石温
11、度逐渐降低，它吸附水蒸蒸发器中，夜间，吸附床冷下来，沸石温度逐渐降低，它吸附水蒸汽的能力逐渐提高，造成系统内压力降低，同时，蒸发器中的水不汽的能力逐渐提高，造成系统内压力降低，同时，蒸发器中的水不断蒸发出来，用以补充沸石对水蒸汽的吸附，水蒸发的过程吸热，断蒸发出来，用以补充沸石对水蒸汽的吸附，水蒸发的过程吸热，达到制冷的目的。达到制冷的目的。说明：吸附床的作用相当于压缩机所起的作用，单个吸附床可实说明：吸附床的作用相当于压缩机所起的作用，单个吸附床可实现间歇制冷，如想实现连续制冷，可采用两个或多个吸附器。现间歇制冷，如想实现连续制冷，可采用两个或多个吸附器。2015-9-22机械学院能动教研室
12、2015-9-22机械学院能动教研室热电制冷热电制冷 热电制冷利用的是热电制冷利用的是热电效应热电效应（帕尔帖效应（帕尔帖效应Peltire）的原理达到）的原理达到制冷目的的。制冷目的的。热电效应：热电效应：是指在两种不同导体组成的闭合回路中通以直流电，是指在两种不同导体组成的闭合回路中通以直流电，当电流流过不同导体的界面时，就会使一个节点变冷，从外界吸收当电流流过不同导体的界面时，就会使一个节点变冷，从外界吸收热量；一个节点变热，向外界放出热量，这种现象称为热电效应，热量；一个节点变热，向外界放出热量，这种现象称为热电效应，即帕尔帖效应。即帕尔帖效应。帕尔帖效应的反效应是帕尔帖效应的反效应是
13、西伯克效应西伯克效应（Secbeck），就是在两种导），就是在两种导体组成的回路中，如果保持两接触点的温度不同，就会在两个接触体组成的回路中，如果保持两接触点的温度不同，就会在两个接触点之间产生一个电势差点之间产生一个电势差即接触电动势。即接触电动势。2015-9-22机械学院能动教研室帕尔贴效应原理图西伯克效应原理图因为帕尔帖效应和西伯克效应产生的强烈程度因为帕尔帖效应和西伯克效应产生的强烈程度取决于这两种材料的导热性和导电性，纯金属取决于这两种材料的导热性和导电性，纯金属材料的导热性和导电性都好，所以其帕尔帖效材料的导热性和导电性都好，所以其帕尔帖效应和西伯克效应都很弱，而半导体材料可以产
14、应和西伯克效应都很弱，而半导体材料可以产生强烈的帕尔帖效应和西伯克效应。生强烈的帕尔帖效应和西伯克效应。空穴型（P型）材料：电子型（N型）热电制冷2015-9-22机械学院能动教研室热电制冷2015-9-22机械学院能动教研室原理：原理：是使压缩气体产生涡流运动并分离成冷、热两部分，其中冷是使压缩气体产生涡流运动并分离成冷、热两部分，其中冷 气体用来制冷。气体用来制冷。组成：组成：喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀。喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀。原理图：原理图：涡流管制冷涡流管制冷 2015-9-22机械学院能动教研室 工作过程：工作过程：经过压缩并冷却到常温的气体（空气、经过压缩并冷却到常
15、温的气体（空气、CO2CO2、N2N2等）等）进入喷嘴，在喷嘴中膨胀并加速到音速，从切线方向射向进入喷嘴，在喷嘴中膨胀并加速到音速，从切线方向射向涡流室，形成自由涡流，自由涡轮的旋转角速度离中心越涡流室，形成自由涡流，自由涡轮的旋转角速度离中心越近则越大，由于角速度不同，环形气流的层与层之间产生近则越大，由于角速度不同，环形气流的层与层之间产生摩擦，外层气流的角速度逐渐升高，动能增加，又由于与摩擦，外层气流的角速度逐渐升高，动能增加，又由于与管壁之间的摩擦，将部分动能变成了热能，故从控制阀流管壁之间的摩擦，将部分动能变成了热能，故从控制阀流出的气体具有较高的温度；而中心层部分的角速度逐渐降出的
16、气体具有较高的温度；而中心层部分的角速度逐渐降低，失去能量，从孔板流出时温度较低，用于制冷。低，失去能量，从孔板流出时温度较低，用于制冷。2015-9-22机械学院能动教研室 控制阀的作用：控制阀的作用：控制热端管子中气体的压力，从而控制冷、热控制热端管子中气体的压力，从而控制冷、热两股气流的流量和温度。两股气流的流量和温度。控制阀全关：控制阀全关：过程为不可逆节流过程；不存在冷热分流现象过程为不可逆节流过程；不存在冷热分流现象。讨论：讨论：控制阀全开：控制阀全开：涡流管相当于气体喷射器；涡流管相当于气体喷射器；控制阀部分开启：控制阀部分开启：出现冷热分流现象。出现冷热分流现象。特点：特点：(
17、1)(1)由于管内气流之间的传导和对流情况复杂，故对冷、热端温度由于管内气流之间的传导和对流情况复杂，故对冷、热端温度 值的定量地理论计算困难；值的定量地理论计算困难；(2)(2)效率太低，气流噪声大；效率太低，气流噪声大；(3)(3)结构简单、维护方便、启动快、使用灵活；结构简单、维护方便、启动快、使用灵活；适用于有高压气源或可以廉价获得高压气体的场合。适用于有高压气源或可以廉价获得高压气体的场合。2015-9-22机械学院能动教研室气体膨胀制冷气体膨胀制冷 常用的是常用的是布雷顿制冷循环布雷顿制冷循环，工作过程包括：等熵压缩、，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。
18、等压冷却、等熵膨胀及等压吸热四个过程。制冷工质有：制冷工质有：空气、空气、COCO2 2、N N2 2、HeHe等。等。工作原理：工作原理：2015-9-22机械学院能动教研室飞机用空气制冷装置原理图2015-9-22机械学院能动教研室从热力学角度来说，制冷/热泵系统是利用逆向循环的能量转换系统。按补偿能量的形式，主要的制冷方法可分为两类：以机械能或电能为补偿（如蒸气压缩式、热电式等），以热能为补偿的（如蒸汽喷射式、吸收式和吸附式等）。制冷机的能量转换关系(a)以电能或机械能驱动的制冷机 (b)以热能驱动的制冷机1.3 制冷的基本热力学原理2015-9-22机械学院能动教研室对于机械或电驱动方
19、式的制冷机引入制冷系数来衡量；对于热能驱动方式的制冷机，引入热力系数来衡量：(1)(2)式中：Q0 -制冷机的制冷量；W -制冷机的输入功；Qg -驱动热源向制冷机输入的热量。国际上习惯将制冷系数和热力系数统称为制冷机的性能系数COP(Coefficient of Performance)WQ0gQQ01.3 制冷的基本热力学原理2015-9-22机械学院能动教研室对于以电能或机械能驱动的制冷机，假定热源为恒温热源，制冷机为可逆循环。根据热力学第一定律有：Q0+W=Qa (3)根据热力学第二定律有：(4)可逆制冷机的制冷系数为：(5)00TQTQaa11000maxTTTTTaa此式说明：两恒
20、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。max的值与两热源温度的接近程度有关，二者越接近，则max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。0ds1.3 制冷的基本热力学原理2015-9-22机械学院能动教研室对于以热能驱动的制冷机，假定热源为恒温热源，制冷机为可逆循环。根据热力学第一定律有：Qa=Q0+Qg (6)根据热力学第二定律有：(7)热能驱动可逆制冷机的热力系数为：(8)ggcaaTQTQTQ00dsgacaTTTT111max 上式右边第一个因子为工作在Ta和Tc之间的可逆机械制冷机的制冷系数max，而第二
21、个因子为工作在Tg和Ta之间的可逆热机的热效率。故相当于用一个可逆热机，将驱动热源的热量Qg转换成机械功W，再去驱动一个可逆机械制冷机。1.3 制冷的基本热力学原理2015-9-22机械学院能动教研室相当于用一个可逆热机，将驱动热源的热量Qg转换成机械功W，再去驱动一个可逆机械制冷机。1.3 制冷的基本热力学原理这同时也说明和在数量上不具可比性，因为补偿能W与Q的品位不同。同样说明，热能驱动的可逆制冷机的性能系数（或热力系数）也只与热源的温度有关，而与工质的性质无关。Tg越高（驱动热源的品位越高）、Ta与Tc越接近，则max越大；反之越小。2015-9-22机械学院能动教研室对于一个制冷系统，
22、性能系数COP（和）值越大，循环越经济，但性能系数和热源温度有关，因此对于不同制冷机的循环性能进行比较时，必须是同类制冷机在相同的热源工况下。此时，COP大的性能好。对于不同类型的制冷机在不同工况下，如何比较性能的高低？2015-9-22机械学院能动教研室引入制冷循环热力完善度进行评价。定义为实际制冷机的效率与工作在相同热源下的逆卡诺机的效率之比：对于机械能或电能驱动的制冷机 (9)对于热能驱动的制冷机 (10)制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理maxCOPCOPmaxmax一定热源条件下的制冷机性能系数的最大值COPmax是评价实际制冷机性能的基准值。实际制冷循环总有不可逆损失，而热力
23、完善度越大，说明循环的热力学的不可逆损失越小，性能就越好。2015-9-22机械学院能动教研室C O P 和 的 区 别COP反映制冷循环中收益能与补偿能之间的在数量上的比值，不涉及二者的能量品位，数值可以大于1、小于1、等于1。反应制冷循环趋于热力学完善（可逆）的程度，数值小于1。用COP值比较实际制冷机的循环性能时，必须是同类制冷机，并以相同工况为前提才具有可比性。用作为评价指标，对任意实际制冷机在循环的热力学经济性方面都具可比性。2015-9-22机械学院能动教研室 11-4 热泵热泵Heat pumpq2q2q1q1wwT2T0T0T12qw制冷系数：制热系数：11qw12qqwww制冷热泵1.4 热泵2015-9-22机械学院能动教研室热泵循环和供热热泵循环和供热系数系数卡诺逆循环wTsT2T0T1不变,T0 CT0不变,T1 CT12015-9-22机械学院能动教研室蒸气压缩式热泵蒸气压缩式热泵装置装置环境T0 房间供暖化工温度提升节能1.4 热泵2015-9-22机械学院能动教研室(a)夏季制冷循环(b)冬季热泵循环 制冷与热泵两用装置示意图A 四通换向阀，B 毛细节流装置，C 压缩机制冷制热1.4 热泵
