制冷概念、方法、發(fā)展

1、制冷原理、分類及發(fā)展應(yīng)用制冷與空調(diào)教研室周艷蕊2013年人工制冷(人工致冷)的定義：用人為的方法在一定的時(shí)間和一用人為的方法在一定的時(shí)間和一定的空間內(nèi)將某物體或流體冷卻，定的空間內(nèi)將某物體或流體冷卻，使使其溫度其溫度降到環(huán)境溫度以下降到環(huán)境溫度以下并并維持維持這個(gè)這個(gè)低溫低溫的一門工程技術(shù)。的一門工程技術(shù)。 區(qū)分“自然冷卻自然冷卻” 與“制冷制冷” ： 自發(fā)過程與非自發(fā)過程概念區(qū)分 冷卻 制冷類比 熱量傳遞與水的流動(dòng)自發(fā)過程與非自發(fā)過程冷卻（自發(fā)過程）水往低處流制冷（非自發(fā)過程）水泵抽水人工制冷(人工致冷)的定義：用人為的方法在一定的時(shí)間和一用人為的方法在一定的時(shí)間和一定的空間內(nèi)將某物體或流體

2、冷卻，定的空間內(nèi)將某物體或流體冷卻，使使其溫度其溫度降到環(huán)境溫度以下降到環(huán)境溫度以下并并維持維持這個(gè)這個(gè)低溫低溫的一門工程技術(shù)。的一門工程技術(shù)。結(jié)論： 制冷是一個(gè)非自發(fā)的過程，需要消耗一定量的功制冷循環(huán)的基本原理被加熱系統(tǒng)被冷卻系統(tǒng)制冷機(jī)、熱泵或熱化機(jī)W（Q）QKQ0補(bǔ)償能量：補(bǔ)償能量：W（Q）能量守恒：能量守恒：QK=QO+W（Q）制冷機(jī)制冷機(jī)機(jī)械制冷中所需機(jī)器和設(shè)備的總合機(jī)械制冷中所需機(jī)器和設(shè)備的總合制冷機(jī)中使用的工作介質(zhì)（半導(dǎo)體制冷除外）制冷機(jī)中使用的工作介質(zhì)（半導(dǎo)體制冷除外）制冷劑（制冷工質(zhì)）制冷劑（制冷工質(zhì)）制冷循環(huán)制冷循環(huán)為了獲得持續(xù)的低溫，需要連續(xù)不斷地制冷，制為了獲得持續(xù)的低溫

3、，需要連續(xù)不斷地制冷，制冷劑也就需要連續(xù)不斷地吸熱和放熱，從而在制冷劑也就需要連續(xù)不斷地吸熱和放熱，從而在制冷機(jī)器、設(shè)備內(nèi)形成一個(gè)周而復(fù)始的流動(dòng)循環(huán)冷機(jī)器、設(shè)備內(nèi)形成一個(gè)周而復(fù)始的流動(dòng)循環(huán)制冷循環(huán)的基本原理制冷循環(huán)的基本原理熱泵循環(huán) 基本原理：以環(huán)境介質(zhì)作為低溫?zé)嵩?，以環(huán)境介質(zhì)作為低溫?zé)嵩矗闹蝎@取熱量將其轉(zhuǎn)移給高于環(huán)境并從中獲取熱量將其轉(zhuǎn)移給高于環(huán)境溫度的高溫?zé)嵩礈囟鹊母邷責(zé)嵩?被加熱系統(tǒng))的循環(huán)。 循環(huán)不是用來制冷，而是為了把熱量釋放給某物體或空間使之溫度升高，即實(shí)現(xiàn)用冷凝器放出的熱量來供熱的采暖設(shè)備稱之為熱泵（也可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)供冷和供熱）。它是制冷循環(huán)的另一種應(yīng)用。 與制冷循環(huán)的形式和原

4、理相同。ChPPPk012342Qk =Q0+ P0COP: 供熱系數(shù)=Qk/P =(P+Q0 ) /P=1+節(jié)能效益顯著節(jié)能效益顯著按照制冷所得到的低溫范圍，制冷技術(shù)分為幾個(gè)領(lǐng)域：按照制冷所得到的低溫范圍，制冷技術(shù)分為幾個(gè)領(lǐng)域：120K120K以上，普通制冷以上，普通制冷12012020K20K，深度制冷，深度制冷20200.3K0.3K，低溫制冷低溫制冷，低溫制冷低溫制冷0.3K0.3K以下，超低溫制冷以下，超低溫制冷通過通過來分界溫區(qū)來分界溫區(qū)體現(xiàn)在：工質(zhì)、制取低溫方法及使用的機(jī)器設(shè)備體現(xiàn)在：工質(zhì)、制取低溫方法及使用的機(jī)器設(shè)備制冷技術(shù)的分類制冷技術(shù)的分類“普通制冷普通制冷”與與“低溫制冷

5、低溫制冷”的區(qū)別及聯(lián)系的區(qū)別及聯(lián)系冰雪的貯藏冰雪的貯藏制冷技術(shù)的發(fā)展歷程制冷技術(shù)的發(fā)展歷程 早在3000多年前，聰明的中國(guó)人就已經(jīng)利用天然冰在夏天消署。 周朝的時(shí)候，政府里有專門負(fù)責(zé)取冰、用冰的官員“凌人”。 唐朝時(shí)，京城長(zhǎng)安出現(xiàn)了專門靠冰發(fā)財(cái)?shù)纳倘恕?大多取自本地的河湖，冬季“打冰” （將冰面斷開成方塊，浮起后繼續(xù)凍結(jié)加厚），在“冰窖”里面貯存到夏季使用。 皇宮和官僚使用、商品。 清代的官僚按品級(jí)可以配給定量的冰，地方官員每年要給京官的衙門變相行賄叫“冰敬” 。 北京市的冰窖，最后在1982年還有。 1 1）17551755年，英國(guó)人庫侖發(fā)現(xiàn)了年，英國(guó)人庫侖發(fā)現(xiàn)了，其學(xué)生布拉，其學(xué)生布拉克導(dǎo)

6、出了潛熱的概念，并發(fā)明了冰量熱器，克導(dǎo)出了潛熱的概念，并發(fā)明了冰量熱器，2 2）英國(guó)人布拉克發(fā)展了）英國(guó)人布拉克發(fā)展了制冷技術(shù)的發(fā)展歷程制冷技術(shù)的發(fā)展歷程3 3）18341834年，美國(guó)人波爾金斯發(fā)明了第一臺(tái)年，美國(guó)人波爾金斯發(fā)明了第一臺(tái)4 4）18441844年，美國(guó)人戈里發(fā)明了第一臺(tái)年，美國(guó)人戈里發(fā)明了第一臺(tái)5 5）18591859年，法國(guó)人卡列設(shè)計(jì)制造了第一臺(tái)年，法國(guó)人卡列設(shè)計(jì)制造了第一臺(tái)6 6）19101910年，法國(guó)人馬列斯年，法國(guó)人馬列斯萊蘭克發(fā)明了萊蘭克發(fā)明了7 7）19181918年，美國(guó)人考布蘭發(fā)明了第一臺(tái)年，美國(guó)人考布蘭發(fā)明了第一臺(tái)制冷技術(shù)的發(fā)展歷程制冷技術(shù)的發(fā)展歷程8 8

7、）19301930年代年代出現(xiàn)出現(xiàn)9 9）19501950年代年代和和19601960年代年代應(yīng)用應(yīng)用1010）19801980年代以年代以和和協(xié)調(diào)發(fā)展制冷技術(shù)時(shí)代：節(jié)能、協(xié)調(diào)發(fā)展制冷技術(shù)時(shí)代：節(jié)能、ODPODP，GWPGWP：天然制冷劑或：天然制冷劑或HFCHFC制冷技術(shù)的發(fā)展歷程制冷技術(shù)的發(fā)展歷程家用冰箱、空調(diào)器等家用冰箱、空調(diào)器等食品的冷藏鏈：易腐食品的生產(chǎn)、運(yùn)輸和銷售食品的冷藏鏈：易腐食品的生產(chǎn)、運(yùn)輸和銷售舒適性空調(diào)：滿足舒適需要舒適性空調(diào)：滿足舒適需要工藝空調(diào)：滿足生產(chǎn)工藝、設(shè)備需要工藝空調(diào)：滿足生產(chǎn)工藝、設(shè)備需要空調(diào)工程 空調(diào)工程是制冷技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)廣闊領(lǐng)域。光學(xué)儀器儀表、精密計(jì)量

8、量具、紡織等生產(chǎn)車間及計(jì)算機(jī)房等，都要求對(duì)環(huán)境的溫度、濕度、潔凈度進(jìn)行不同程度的控制；體育館、大會(huì)堂、賓館等公共建筑和小汽車、飛機(jī)、大型客車等交通工具也都需有舒適的空調(diào)系統(tǒng)。制冷技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用制冷技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用日常生活方面家用冰箱及空調(diào)等食品工程易腐食品從采購或捕撈、加工、貯藏、運(yùn)輸?shù)戒N售的全部流通過程中，都必須保持穩(wěn)定的低溫環(huán)境，才能延長(zhǎng)和提高食品的質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)壽命與價(jià)值。這就需有各種制冷設(shè)施，如冷加工設(shè)備、冷凍冷藏庫、冷藏運(yùn)輸車或船、冷藏售貨柜臺(tái)等 機(jī)械與電子工業(yè)精密機(jī)床油壓系統(tǒng)利用制冷來控制油溫，可穩(wěn)定油膜剛度，使機(jī)床能正常工作。對(duì)鋼進(jìn)行低溫處理可改善鋼的性能，提高鋼的硬度

9、和強(qiáng)度，延長(zhǎng)工件的使用壽命。多路通訊、雷達(dá)、衛(wèi)星地面站等電子設(shè)備也都需要在低溫下工作。 醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)血漿、疫苗及某些特殊藥品需要低溫保存。低溫麻醉、低溫手術(shù)及高燒患者的冷敷降溫等也需制冷技術(shù)。 國(guó)防工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)在高寒地區(qū)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車、坦克、大炮等常規(guī)武器的性能需要作環(huán)境模擬試驗(yàn)，火箭、航天器也需要在模擬高空條件下進(jìn)行試驗(yàn)，這些都需要人工制冷技術(shù)。人工降雨也需要制冷。 制冷范圍進(jìn)一步擴(kuò)大制冷范圍進(jìn)一步擴(kuò)大 制冷方法日趨增多：脈管制冷、電化學(xué)制冷等制冷方法日趨增多：脈管制冷、電化學(xué)制冷等 制冷機(jī)器、設(shè)備的種類和形式更加豐富制冷機(jī)器、設(shè)備的種類和形式更加豐富 制冷系統(tǒng)的運(yùn)行管理采用微機(jī)管理制

10、冷系統(tǒng)的運(yùn)行管理采用微機(jī)管理 更注重環(huán)保、節(jié)能：臭氧空洞、全球變暖；能效標(biāo)識(shí)更注重環(huán)保、節(jié)能：臭氧空洞、全球變暖；能效標(biāo)識(shí)制冷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)制冷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 人工制冷方法人工制冷方法 1. 1. 相變制冷相變制冷 2. 2. 熱電制冷熱電制冷 3. 3. 渦流管制冷渦流管制冷 4. 4.空氣膨脹制冷空氣膨脹制冷一：?jiǎn)渭?jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的方法、原理與循環(huán) 日常生活中我們都日常生活中我們都有這樣的疑問有這樣的疑問:怎樣怎樣才能制冷制熱呢才能制冷制熱呢?相變制冷方法、原理相變制冷方法、原理a.密閉容器試驗(yàn) 飽和狀態(tài) （飽和蒸汽、飽和液體）飽和壓力，飽和溫度 密閉容器中的液體，在一定的溫度下，蒸氣

11、壓力會(huì)自動(dòng)保持在一定數(shù)值上，這時(shí)液氣兩相轉(zhuǎn)變就達(dá)到了動(dòng)平衡，此時(shí)空間氣態(tài)分子的濃度不變。這個(gè)狀態(tài)稱之為這個(gè)液體的飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)。 飽和狀態(tài)的蒸氣和液體分別稱為飽和蒸氣飽和蒸氣和飽和液體飽和液體。飽和狀態(tài)時(shí)蒸氣壓力稱為飽和壓力飽和壓力。飽和液體的溫度稱為飽和溫度飽和溫度。飽和壓力與飽和溫度是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。水：飽和壓力飽和壓力p=1at=101325Pap=1at=101325Pa時(shí)，時(shí)， 飽和溫度飽和溫度t=100t=100飽和壓力飽和壓力p=0.31at=31160Pap=0.31at=31160Pa時(shí)，時(shí)， 飽和溫度飽和溫度t=70t=70飽和壓力飽和壓力p=0.0092at=934.55

12、Pap=0.0092at=934.55Pa時(shí)，飽和溫度時(shí)，飽和溫度t=6t=6 猜想一下：蒸汽被抽走將會(huì)發(fā)生什么結(jié)果？ 平衡遭到破壞（抽走蒸氣）平衡遭到破壞（抽走蒸氣）液體蒸液體蒸發(fā)氣化發(fā)氣化降溫降溫吸收外界熱量吸收外界熱量新的新的平衡（同時(shí)產(chǎn)生低溫環(huán)境）平衡（同時(shí)產(chǎn)生低溫環(huán)境） 實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用 蒸發(fā)器：蒸發(fā)器：不斷抽走蒸氣不斷抽走蒸氣使液體不使液體不斷氣化斷氣化降溫吸熱降溫吸熱 壓縮機(jī)：壓縮機(jī)：不斷抽取蒸氣不斷抽取蒸氣維持維持低溫狀低溫狀態(tài)態(tài)q 0w05421 利用制冷劑由液體狀態(tài)汽化為蒸氣狀態(tài)過利用制冷劑由液體狀態(tài)汽化為蒸氣狀態(tài)過程中吸收熱量，被冷卻介質(zhì)因失去熱量而降程中吸收熱量，被冷卻

13、介質(zhì)因失去熱量而降低溫度，達(dá)到制冷的目的。低溫度，達(dá)到制冷的目的。 制冷劑循環(huán)利用制冷劑循環(huán)利用制冷循環(huán)制冷循環(huán)制冷原理q 0w054q K21單級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán)單級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán) 制冷劑在變?yōu)檎魵庵?，需要?duì)它進(jìn)行壓制冷劑在變?yōu)檎魵庵?，需要?duì)它進(jìn)行壓縮、冷凝、繼而進(jìn)行再次汽化吸熱?？s、冷凝、繼而進(jìn)行再次汽化吸熱。 冷凝器：散熱散熱使氣體不斷液化使氣體不斷液化q 0w054q K21單級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán)單級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán) 節(jié)流閥：降低壓力 節(jié)流降壓的工作原理是制冷工質(zhì)流過閥門時(shí)流動(dòng)截面突然收縮，流體流速加快，壓力下降，壓力下降的大小取決于流動(dòng)截面收縮的比例。以沸騰過程考慮制冷劑的工作溫

14、度范圍 沸騰的幾個(gè)特點(diǎn)： 液變汽 吸熱 過程中溫度保持不變 壓力越低，沸點(diǎn)越低 是否可以通過降低壓力，無限度的降低其沸點(diǎn)？相 變 制 冷 制冷劑： 基本原理：液體汽化相變吸熱效應(yīng) 吸熱量 = 液體汽化量 汽化潛熱 臨界溫度：每種物質(zhì)都有一個(gè)特定的溫度,在這個(gè)溫度以上,無論怎樣增大壓強(qiáng),氣態(tài)物質(zhì)不會(huì)液化,這個(gè)溫度就是臨界溫度。因此要使物質(zhì)液化必須先達(dá)到它的臨界溫度 結(jié)論：極限工作溫度范圍是制冷劑的至 循環(huán)形式：蒸汽壓縮式，吸收式等 具備四個(gè)基本過程：制冷劑低壓下氣化、升壓、高壓蒸汽液化、降壓蒸汽壓縮式制冷循環(huán)冷凝器：高壓汽體 冷卻冷凝節(jié)流閥：節(jié)流降壓蒸發(fā)器：低壓液體 汽化吸熱壓縮機(jī)：低壓汽體 壓

15、縮升壓壓縮機(jī)節(jié)流閥冷凝器蒸發(fā)器低溫低壓汽體高溫高壓汽體 高壓 液 體低壓液 體動(dòng)力和心臟動(dòng)力和心臟1.1 1.1 蒸氣壓縮式制冷蒸氣壓縮式制冷 系統(tǒng)組成：壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器系統(tǒng)組成：壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器及輔助設(shè)備，由管道將其連成一個(gè)封閉系統(tǒng)及輔助設(shè)備，由管道將其連成一個(gè)封閉系統(tǒng) 系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)流程圖1.2 1.2 蒸氣吸收式制冷蒸氣吸收式制冷 系統(tǒng)組成：發(fā)生器、吸收器取代了壓縮機(jī)系統(tǒng)組成：發(fā)生器、吸收器取代了壓縮機(jī) 系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)流程圖1.3 1.3 蒸氣噴射式制冷蒸氣噴射式制冷 系統(tǒng)組成：噴射器（噴嘴、吸入室、擴(kuò)壓器）、系統(tǒng)組成：噴射器（噴嘴、吸入室、擴(kuò)壓器）、冷凝器、

16、蒸發(fā)器、膨脹閥等組成冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥等組成 系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)流程圖1.蒸氣噴射式制冷原理：蒸氣噴射式制冷原理： 液體氣化制冷，以消耗熱能為動(dòng)力。液體氣化制冷，以消耗熱能為動(dòng)力。2.特點(diǎn)：特點(diǎn)： 蒸氣噴射式制冷機(jī)只用單一物質(zhì)為工質(zhì)，蒸氣噴射式制冷機(jī)只用單一物質(zhì)為工質(zhì)，熱熱源工作蒸汽和制冷劑是同一種物質(zhì)。目前多使源工作蒸汽和制冷劑是同一種物質(zhì)。目前多使用水。用水。 由于水為工質(zhì)所制取的低溫必須在由于水為工質(zhì)所制取的低溫必須在0以上，以上，故蒸氣噴射式制冷機(jī)目前只用于空調(diào)裝置或用故蒸氣噴射式制冷機(jī)目前只用于空調(diào)裝置或用來制備某些工藝過程需要的冷媒水。來制備某些工藝過程需要的冷媒水。 1.4 1.

17、4 固體吸附式制冷固體吸附式制冷 系統(tǒng)組成：壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器系統(tǒng)組成：壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器及輔助設(shè)備，由管道將其連成一個(gè)封閉系統(tǒng)及輔助設(shè)備，由管道將其連成一個(gè)封閉系統(tǒng) 系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)流程圖沸石沸石水水2. 2. 熱電制冷熱電制冷 基本原理：是以基本原理：是以為基礎(chǔ)的制冷方法。為基礎(chǔ)的制冷方法。利用利用“塞貝克塞貝克”效應(yīng)的逆反應(yīng)效應(yīng)的逆反應(yīng)的的原理達(dá)到制冷目的原理達(dá)到制冷目的塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)就是在兩種不同金屬組成的閉合線路就是在兩種不同金屬組成的閉合線路中，如果保持兩接觸點(diǎn)的溫度不同，就會(huì)在兩接中，如果保持兩接觸點(diǎn)的溫度不同，就會(huì)在兩接觸點(diǎn)間產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差觸點(diǎn)間產(chǎn)生

18、一個(gè)電勢(shì)差接觸電動(dòng)勢(shì)接觸電動(dòng)勢(shì)。同時(shí)閉。同時(shí)閉合線路中就有電流流過，稱為溫差電流。反之，合線路中就有電流流過，稱為溫差電流。反之，在兩種不同金屬組成的閉合線路中，若通以直流在兩種不同金屬組成的閉合線路中，若通以直流電，就會(huì)使一個(gè)接點(diǎn)變冷，一個(gè)變熱，這稱為電，就會(huì)使一個(gè)接點(diǎn)變冷，一個(gè)變熱，這稱為珀珀?duì)栙N效應(yīng)爾貼效應(yīng)，亦稱，亦稱溫差電現(xiàn)象溫差電現(xiàn)象2. 2. 熱電制冷熱電制冷 半導(dǎo)體制冷由半導(dǎo)體制冷由P P型和型和N N型半導(dǎo)體材料、金屬片銅型半導(dǎo)體材料、金屬片銅片、銅導(dǎo)線和電源連接而成，形成一個(gè)封閉的回片、銅導(dǎo)線和電源連接而成，形成一個(gè)封閉的回路路 工作過程工作過程當(dāng)電偶通以直流電流時(shí)，當(dāng)電偶通以直流電流時(shí)，P型半導(dǎo)體內(nèi)載流子型半導(dǎo)體內(nèi)載流子(空穴空穴)和和N型半導(dǎo)體內(nèi)載流子型半導(dǎo)體內(nèi)載流子(電子電子)在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，并在金屬片與半導(dǎo)體接頭處發(fā)生能量的傳遞及