1、2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室12015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室绪绪 论论1.制冷制冷定义：定义：采用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或流体采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，使其温度降到冷却，使其温度降到环境温度以下环境温度以下，并保持这个低温。，并保持这个低温。制冷不同于自然冷却。制冷不同于自然冷却。相关概念相关概念(1)制制 冷冷 剂：在制冷机中使用的工质称为制冷剂。剂：在制冷机中使用的工质称为制冷剂。(2)制制 冷冷 机：机械制冷中所需机器和设备的总合称为制冷机。机：机械制冷中所需机器和设备的总合称为制冷机。(3
2、)制冷循环：制冷剂在制冷机中循环流动，同时与外界发生能量制冷循环：制冷剂在制冷机中循环流动，同时与外界发生能量交换，不断的从被冷却对象中吸取热量，向环境排放热量。交换，不断的从被冷却对象中吸取热量，向环境排放热量。低温低温高温高温2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室根据热力学第二定律，为了实现根据热力学第二定律，为了实现制冷制冷，必须，必须消耗能量消耗能量消耗能量可以是机械能、电能、热能、太阳能消耗能量可以是机械能、电能、热能、太阳能制冷的分类制冷的分类 按照制冷所得到的低温范围，制冷技术划分为以下按照制冷所得到的低温范围，制冷技术划分为以下4个领域：个领域：普通制冷普通制冷
3、 120K以上以上 深度制冷深度制冷 120K20K 低温制冷低温制冷 20K0.3K 超低温制冷超低温制冷 0.3K以下以下 本课程主要讲普通制冷。本课程主要讲普通制冷。低温制冷低温制冷2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室2.2.制冷技术的研究内容及理论基础制冷技术的研究内容及理论基础(1)(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，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。并对制冷循环进行热力学的分析和计算。(如压缩式制冷如压缩式制冷)(2)(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。研究制冷
4、剂的性质，从而为制冷机提供性能满意的工作介质。(3)(3)研究实现制冷循环所必需的各种机械和技术设备，包括他们的研究实现制冷循环所必需的各种机械和技术设备，包括他们的工作原理、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 （1 1）（）（2 2）是制冷原理研究内容，（）是制冷原理研究内容，（3 3）是制冷设备的研究内容。）是制冷设备的研究内容。三大基础课程，即三大基础课程，即工程热力学工程热力学、工程流体力学工程流体力学、传热
5、传热学学是重要理论基础。学习和从事质量工作的人员应主要在这三是重要理论基础。学习和从事质量工作的人员应主要在这三门课程方面打好坚实的理论基础，门课程方面打好坚实的理论基础，尤其是尤其是工程热力学工程热力学。2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室.制冷技术的应用制冷技术的应用 制冷是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的，制冷是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的，是人们社会实践的结晶，并随着现代技术的发展以及人们生活是人们社会实践的结晶，并随着现代技术的发展以及人们生活水平的提高，制冷在工业、农业、建筑、航天等国民经济各个水平的提高，制冷在工业、农业、建筑、航天等
6、国民经济各个部门的作用和地位日益重要。部门的作用和地位日益重要。制冷的应用几乎渗透到各个生产技术、科学领域以及人们生制冷的应用几乎渗透到各个生产技术、科学领域以及人们生活的各个方面中，概括起来主要有以下几个领域：活的各个方面中，概括起来主要有以下几个领域：2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室(1)(1)商业及人民生活商业及人民生活 比如人工冰厂、空调、冰箱、冷柜以及食品的冷冻冷藏、保鲜、冷藏运输等。比如人工冰厂、空调、冰箱、冷柜以及食品的冷冻冷藏、保鲜、冷藏运输等。(2)(2)工业生产及农牧业工业生产及农牧业 比如制药、啤酒、精密仪器车间等；比如制药、啤酒、精密仪器车间等；农
7、作物的种子进行低温处理，人工气候育秧室、蔬菜水果的保鲜等。农作物的种子进行低温处理，人工气候育秧室、蔬菜水果的保鲜等。(3)(3)建筑工程建筑工程 比如挖掘隧道、建筑河堤时采用的比如挖掘隧道、建筑河堤时采用的“冻土法冻土法”。(4)(4)科学实验研究科学实验研究 如各种环境模拟装置中创造的人工环境。如各种环境模拟装置中创造的人工环境。(5)(5)医疗卫生医疗卫生 如药品、疫苗及人体器官的冷藏保存，手术中采用低温麻醉等。如药品、疫苗及人体器官的冷藏保存，手术中采用低温麻醉等。(6)(6)尖端科学领域等尖端科学领域等 如微电子技术、能源、新型材料、宇宙开发等。如微电子技术、能源、新型材料、宇宙开发
8、等。2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室制冷与低温技术的应用领域举例制冷与低温技术的应用领域举例 制冷在空调中的作用制冷在空调中的作用 (1)(1)干式冷却干式冷却 (2)(2)减湿冷却减湿冷却 (3)(3)减湿与干式冷却混合方式减湿与干式冷却混合方式 l 空气调节空气调节图图1-1制冷与空调的关系制冷与空调的关系 制冷和空调的关系相互联系制冷和空调的关系相互联系又独立又独立2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室 用人工方法构成各种人们所希望达到的环境条件，包括地面的用人工方法构成各种人们所希望达到的环境条件，包括地面的各种气候变化和高空宇宙及其它特殊的要求。
9、各种气候变化和高空宇宙及其它特殊的要求。l 人工环境人工环境 与制冷有关的人工环境试验有以下几种与制冷有关的人工环境试验有以下几种 (1)(1)低温环境试验低温环境试验 (2)(2)湿热试验湿热试验 (3)(3)盐雾试验盐雾试验 (4)(4)多种气候试验多种气候试验 (5)(5)空间模拟试验空间模拟试验 2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室根据对食品处理方式不同，食品低温处理工艺可分三类：根据对食品处理方式不同，食品低温处理工艺可分三类：(1)(1)食品的冷藏与冷却食品的冷藏与冷却 (2)(2)食品的冻结与冻藏食品的冻结与冻藏 (3)(3)冷冻干燥冷冻干燥 l 食品冷冻与冷冻
10、干燥食品冷冻与冷冻干燥2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室 研究低温对生物体产生的影响及应用的学科。研究低温对生物体产生的影响及应用的学科。低温生物学低温生物学 研究温度降低对人类生命过程的影响，以及低温技术在人类研究温度降低对人类生命过程的影响，以及低温技术在人类同疾病作斗争中的应用的学科。同疾病作斗争中的应用的学科。低温医学低温医学典型应用例子典型应用例子 (1)(1)细胞组织程序冷却的低温保存细胞组织程序冷却的低温保存 (2)(2)超快速的玻璃化低温保存方法超快速的玻璃化低温保存方法(3)(3)利用低温器械使病灶细胞和组织低温损伤利用低温器械使病灶细胞和组织低温损伤 而
11、坏死的低温外科。而坏死的低温外科。l 低温生物医学技术低温生物医学技术2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室 微波激射器微波激射器必须冷到液氮或液氦温度必须冷到液氮或液氦温度,以使放大器元素原子以使放大器元素原子的热振荡不至于严重干扰微波的吸收与发射。的热振荡不至于严重干扰微波的吸收与发射。超导量子干涉器超导量子干涉器即即SQUIDs,SQUIDs,被用在相当灵敏的数字式磁力计被用在相当灵敏的数字式磁力计和伏安表上。和伏安表上。在在MHDMHD系统、线性加速器和托克马克装置中，超导磁体被用来系统、线性加速器和托克马克装置中，超导磁体被用来产生强磁场。产生强磁场。l 低温电子技术
12、低温电子技术2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室 运用与超导电性有关的运用与超导电性有关的MeissnerMeissner效应效应,用磁场代替油或空用磁场代替油或空气作润滑剂气作润滑剂,可以制成无磨擦轴承。可以制成无磨擦轴承。在船用推进系统中在船用推进系统中,无电力损失的超导电机已获得应用。无电力损失的超导电机已获得应用。偏差极小的超导陀螺也已经被研制出来。偏差极小的超导陀螺也已经被研制出来。时速时速500km/h500km/h的低温超导磁悬浮列车已经在日本投入试验的低温超导磁悬浮列车已经在日本投入试验运行。运行。l 机械设计机械设计2015-9-22机械学院能动教研室机械学
13、院能动教研室 采用红外光学镜头可以拍摄热源外形，采用红外光学镜头可以拍摄热源外形，并可以对热源进行跟踪。一些红外材料并可以对热源进行跟踪。一些红外材料往往工作在往往工作在120K120K以下的低温下，使得热以下的低温下，使得热源遥感信号更为清晰，为了拍摄高灵敏源遥感信号更为清晰，为了拍摄高灵敏度的信号往往需要更低的温度。度的信号往往需要更低的温度。一般红外卫星需要一般红外卫星需要70-120K70-120K的低温，的低温，往往通过斯特林制冷机、脉冲管制冷机、往往通过斯特林制冷机、脉冲管制冷机、辐射制冷器来实现。辐射制冷器来实现。空间远红外观测则需要空间远红外观测则需要2K2K以下的温度，以下的
14、温度，往往通过超流氦的冷却技术来实现。往往通过超流氦的冷却技术来实现。l 红外遥感技术红外遥感技术2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室 炼钢时氧起到某些重要的作用。炼钢时氧起到某些重要的作用。制取氨时也用到低温系统。制取氨时也用到低温系统。压力容器加工时压力容器加工时,将预成形的圆柱体放在冷却到液氮温度将预成形的圆柱体放在冷却到液氮温度的模具中的模具中,在容器中充入高压氮气在容器中充入高压氮气,让其扩胀让其扩胀15%,15%,然后容器然后容器被从模具中移开并恢复到室温。使用这个方法被从模具中移开并恢复到室温。使用这个方法,材料的屈服材料的屈服强度能增加强度能增加4 4至至5
15、5倍。倍。l 加工过程加工过程2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室 目前低温技术是回收钢结构轮胎中橡胶的唯一有效的目前低温技术是回收钢结构轮胎中橡胶的唯一有效的方法，这种方法采用了低温粉碎技术。方法，这种方法采用了低温粉碎技术。利用材料在低温状态下的冷脆性能，对物料进行粉粹。利用材料在低温状态下的冷脆性能，对物料进行粉粹。低温粉碎技术低温粉碎技术 材料温度降低到一定程度，材料内部原子间距显著减小，材料温度降低到一定程度，材料内部原子间距显著减小，结合紧密的原子无退让余地，吸收外力使其变形的能力很结合紧密的原子无退让余地，吸收外力使其变形的能力很差，失去弹性而显示脆性。差，失去
16、弹性而显示脆性。l 材料回收材料回收2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室所有大型的发射的飞行器均使用液氧作氧化剂。所有大型的发射的飞行器均使用液氧作氧化剂。宇宙飞船的推进也使用液氧和液氢。宇宙飞船的推进也使用液氧和液氢。观察研究大型粒子加速器产生的粒子的氢泡室要用到液氢。观察研究大型粒子加速器产生的粒子的氢泡室要用到液氢。l 火箭推力系统与高能物理火箭推力系统与高能物理 LHC-CERNLHC-CERN27km27km超导磁体超导磁体过冷态超流氦冷却过冷态超流氦冷却2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室制冷技术的发展概括起来可分为两个阶段：制冷技术的发展概括起
17、来可分为两个阶段：（1 1）天然冷源的应用阶段（古代）天然冷源的应用阶段（古代1818世纪中期）世纪中期）采用的天然冷源主要是指冬季储存的天然冰和夏季使用的深井水。采用的天然冷源主要是指冬季储存的天然冰和夏季使用的深井水。（2 2）机械制冷阶段（）机械制冷阶段（1818世纪中期今）世纪中期今）17551755年是人工制冷史的起点，乙醚制冰。年是人工制冷史的起点，乙醚制冰。现代制冷技术作为一门科学是由现代制冷技术作为一门科学是由1919世纪中后期（世纪中后期（18751875年）发展年）发展起来的，氨做制冷剂的蒸气压缩式制冷循环。起来的，氨做制冷剂的蒸气压缩式制冷循环。到到2020世纪具有更大的发展。世纪具有更大的发展。4.4.制冷技术的发展简史制冷技术的发展简史2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室制冷技术面临的新挑战制冷技术面临的新挑战1 1）制冷领域的节能减排）制冷领域的节能减排2 2）制冷剂的替代）制冷剂的替代3 3）微电子和计算机技术在制冷上的应用）微电子和计算机技术在制冷上的应用4 4）新材料在制冷产品上的应用）新材料在制冷产品上的应用5 5）制冷空调与信息技术的融合）制冷空调与信息技术的融合
