空調(diào)制冷與熱泵

1、空調(diào)制冷與熱泵第1頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/252第一章 制冷原理制冷方法液體汽化制冷蒸氣壓縮式吸收式蒸氣噴射式吸附式氣體膨脹制冷熱電制冷渦流管制冷其它熱聲制冷電磁制冷電化學(xué)制冷 任何伴隨有吸熱的物理現(xiàn)象原則上都有可能用來(lái)制冷。相變制冷固體升華制冷固體融化制冷第2頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/253第一章 制冷原理液體汽化制冷 物質(zhì)有三種集態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。物質(zhì)集態(tài)的改變稱之為相變。相變過(guò)程中，由于物質(zhì)分子的重新排列和分子熱運(yùn)動(dòng)速度的改變，會(huì)吸收或放出熱量。這種熱量稱作相變潛熱。物質(zhì)發(fā)生從質(zhì)密態(tài)到質(zhì)稀態(tài)

2、的相變是將吸收潛熱；反之，當(dāng)它發(fā)生從質(zhì)稀態(tài)向質(zhì)密態(tài)的相變時(shí)，則放出潛熱。 液體汽氣化形成蒸汽，吸收熱量，利用該過(guò)程的吸熱效應(yīng)制冷的方法稱液體汽化制冷。第3頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/254第一章 制冷原理抽氣吸熱Q蒸發(fā)溫度下降P1P2T1T2飽和蒸氣壓曲線液體汽化制冷第4頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/255第一章 制冷原理液體汽化制冷第5頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/256第一章 制冷原理液體汽化制冷第6頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五202

3、2/9/257第一章 制冷原理液體汽化制冷compressorcondenserexpansiondeviceevaporator第7頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/258第一章 制冷原理 為了使上述過(guò)程得以連續(xù)進(jìn)行，必須不斷地從容器中抽走制冷劑蒸汽，再不斷地將其液體補(bǔ)充進(jìn)去。通過(guò)一定的方法將蒸汽抽出，再令其凝結(jié)為液體后返回到容器中，就能滿足這一要求。 因此，液體蒸發(fā)制冷循環(huán)必須具備以下四個(gè)基本過(guò)程：低壓下蒸發(fā)汽化、蒸氣升壓、高壓氣體液化、高壓液體降壓。其中將低壓蒸汽提高壓力需要能量補(bǔ)償。液體汽化制冷根據(jù)抽取蒸氣的方式不同，主要有4種液體汽化制冷方式。第

4、8頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/259第一章 制冷原理液體汽化制冷蒸氣壓縮式制冷蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥(毛細(xì)管)、蒸發(fā)器組成，用管道將它們連接成一個(gè)密封系統(tǒng)。第9頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2510第一章 制冷原理制冷劑液體在蒸發(fā)器內(nèi)以與被冷卻對(duì)象發(fā)生熱交換，吸收被冷卻對(duì)象的熱量并氣化，產(chǎn)生的低壓蒸汽被壓縮機(jī)吸入；經(jīng)壓縮后排出高溫高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)冷凝器，被常溫的冷卻水或空氣冷卻，凝結(jié)成高壓液體；高壓液體流經(jīng)膨脹閥時(shí)節(jié)流，變成低壓低溫的氣液兩相混合物，進(jìn)入蒸發(fā)器，其中的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中蒸

5、發(fā)制冷；然后蒸發(fā)器中的低壓蒸汽再次被壓縮機(jī)吸入。如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)。 液體汽化制冷蒸氣壓縮式制冷第10頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2511第一章 制冷原理 吸收式制冷機(jī)利用溶液在一定條件下能析出低沸點(diǎn)組分的蒸氣，在另一種條件下又能吸收低沸點(diǎn)組分這一特性完成制冷循環(huán)。 吸收式制冷系統(tǒng)是由發(fā)生器、冷凝器、制冷節(jié)流閥、蒸發(fā)器、吸收器、溶液節(jié)流閥、溶液熱交換器和溶液泵組成。液體汽化制冷蒸氣吸收式制冷第11頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2512第一章 制冷原理 制冷劑回路由冷凝器、制冷劑節(jié)流閥、蒸發(fā)器組成。高壓制冷

6、劑氣體在冷凝器中冷凝，產(chǎn)生的高壓制冷劑液體經(jīng)節(jié)流后到蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷。 液體汽化制冷蒸氣吸收式制冷整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)回路：一個(gè)是制冷劑回路，一個(gè)是溶液回路。 目前吸收式制冷機(jī)多用二組分溶液，習(xí)慣上稱低沸點(diǎn)組分為制冷劑，高沸點(diǎn)組分為吸收劑，二者合稱為工質(zhì)對(duì)。最常用的工質(zhì)對(duì)有氨水（氨為制冷劑）和溴化鋰水溶液（水為制冷劑）。第12頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2513第一章 制冷原理 溶液回路由發(fā)生器、吸收器、溶液節(jié)流閥、溶液熱交換器和溶液泵組成。在吸收器中，吸收劑吸收來(lái)自蒸發(fā)器的低壓制冷劑氣體，形成富含制冷劑的稀溶液，并泵送到發(fā)生器，加熱使溶液中的制冷劑重新蒸

7、發(fā)出來(lái)，送入冷凝器。另一方面，產(chǎn)生的濃溶液經(jīng)冷卻、節(jié)流后進(jìn)入吸收器，吸收來(lái)自蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸汽。吸收過(guò)程中伴隨釋放吸收熱，為了保證吸收的順利進(jìn)行，需要冷卻吸收液。液體汽化制冷蒸氣吸收式制冷第13頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2514第一章 制冷原理與壓縮式的共同點(diǎn)是： 四個(gè)基本過(guò)程一樣。它們的不同點(diǎn)是：1)提供的能量不同。 壓縮式消耗機(jī)械功，吸收式消耗熱能。2)吸取制冷劑蒸氣的方式不同。 壓縮式用壓縮機(jī)吸取蒸氣，吸收式用吸收劑在吸收器內(nèi)吸取制冷劑蒸氣。3)將低壓制冷劑蒸氣變?yōu)楦邏褐评鋭┱魵鈺r(shí)采取的方式不同。 壓縮式通過(guò)壓縮機(jī)完成，吸收式則是通過(guò)吸收

8、器、溶液泵、發(fā)生器和節(jié)流閥完成。液體汽化制冷蒸氣吸收式制冷第14頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2515第一章 制冷原理蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)組成部件包括：噴射器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥、泵。噴射器又由噴嘴、吸入室、擴(kuò)壓器三個(gè)部分組成。噴射器的吸入室與蒸發(fā)器相連；擴(kuò)壓器于冷凝器相連。液體汽化制冷蒸氣噴射式制冷第15頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2516第一章 制冷原理工作過(guò)程如下：鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓工作蒸氣進(jìn)入噴嘴，膨脹并以高速流動(dòng)（流速可達(dá)1000m/s以上），在噴嘴出口處造成很低的壓力，使蒸發(fā)器中的水汽化，吸收潛

9、熱，使未汽化的水溫度降低（制冷）產(chǎn)生低溫水。蒸發(fā)器中產(chǎn)生的水蒸氣與工作蒸氣在噴嘴出口處混合，一起進(jìn)入擴(kuò)壓器；在擴(kuò)壓器中流速降低壓力升高；到冷凝器，被冷卻水冷卻為液態(tài)水后分兩路：一路經(jīng)過(guò)節(jié)流閥降壓后送回蒸發(fā)器，繼續(xù)蒸發(fā)制冷；另一路用泵提高壓力送回鍋爐，重新加熱產(chǎn)生工作蒸氣。液體汽化制冷蒸氣噴射式制冷第16頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2517第一章 制冷原理也有四個(gè)基本過(guò)程，其噴射器相當(dāng)于蒸氣壓縮式的壓縮機(jī)。特點(diǎn)：以熱能為補(bǔ)償能量形式；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；加工方便；沒有運(yùn)動(dòng)部件；使用壽命長(zhǎng)，故具有一定的使用價(jià)值，例如用于制取空調(diào)所需的冷水。但這種制冷機(jī)所需的工作蒸

10、氣的壓力高，噴射器的流動(dòng)損失大，因而效率較低。液體汽化制冷蒸氣噴射式制冷第17頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2518液體汽化制冷吸附式制冷第一章 制冷原理吸附現(xiàn)象根據(jù)氣體-固體有無(wú)化學(xué)反應(yīng)物理吸附：是氣體分子在范德瓦爾力作用下向吸附劑運(yùn)動(dòng)，并在吸附勢(shì)場(chǎng)作用下壓縮而在吸附劑內(nèi)凝聚成液體的過(guò)程，沒有化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)吸附：吸附劑和被吸附的氣體或液體相互接觸時(shí)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了化學(xué)鍵。吸附制冷的工作介質(zhì)是吸附劑-制冷劑工質(zhì)對(duì)。常用的有：活性炭-甲醇（太陽(yáng)能吸附制冷中應(yīng)用最廣）、沸石-水、硅膠-水、金屬氫化物-氫（物理吸附）、氯化鍶-氨、氯化鈣-氨（化學(xué)吸附）

11、。第18頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2519第一章 制冷原理液體汽化制冷吸附式制冷包括吸附床、冷凝器和蒸發(fā)器。吸附床是充裝了吸附劑（沸石）的金屬盒；制冷劑液體（水）貯集在蒸發(fā)器中。白天，吸附床受到日照加熱，沸石溫度升高，產(chǎn)生解吸作用。從沸石中脫附出水蒸氣，系統(tǒng)內(nèi)的水蒸氣壓力上升，達(dá)到與環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，水蒸氣在冷凝器中凝結(jié)，同時(shí)放出潛熱，凝水貯存在蒸發(fā)器中。第19頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2520第一章 制冷原理夜間，吸附床冷下來(lái)，沸石溫度逐漸降低，它吸附水蒸氣的能力逐步提高，造成系統(tǒng)內(nèi)氣體壓力降

12、低，同時(shí)，蒸發(fā)器中的水不斷蒸發(fā)出來(lái)，用以補(bǔ)充沸石對(duì)水蒸氣的吸附。蒸發(fā)過(guò)程吸熱，達(dá)到制冷的目的。液體汽化制冷吸附式制冷第20頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2521第一章 制冷原理吸附制冷屬于液體汽化制冷。與蒸氣壓縮式制冷機(jī)相類比，吸附床起到壓縮機(jī)的作用。但上述吸附系統(tǒng)只能間歇制冷。吸附床處于吸附過(guò)程中產(chǎn)生冷效應(yīng)，吸附結(jié)束后必須有一個(gè)解析過(guò)程使吸附劑狀態(tài)還原，這時(shí)將停止制冷。為了連續(xù)制冷，可以采用兩個(gè)吸附床。液體汽化制冷吸附式制冷氣體加熱吸附床吸附床熱風(fēng)機(jī)冷凝器蒸發(fā)器冷風(fēng)機(jī)熱風(fēng)機(jī)節(jié)流閥第21頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022

13、/9/2522第一章 制冷原理吸附制冷的循環(huán)速率受吸附床傳熱傳質(zhì)特性的制約。顆粒狀充填的吸附床，其傳熱過(guò)程緩慢，使循環(huán)周期拉長(zhǎng)。為了提高制冷循環(huán)速率，在改善吸附床傳熱傳質(zhì)方面現(xiàn)采取的主要措施是：1.將導(dǎo)熱性好的鋁粉和石磨加在吸附劑中。2.將吸附劑成型加工，并燒結(jié)在金屬壁面上。這樣做一來(lái)可以提高吸附劑的充填量，增加單位體積的吸附能力；二來(lái)可以降低吸附劑與金屬壁面之間吸附劑與吸附劑之間的接觸熱阻。3.增大吸附床金屬壁的熱交換表面積。液體汽化制冷吸附式制冷第22頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2523第一章 制冷原理液體汽化制冷吸附式制冷吸附劑/泡沫鋁復(fù)合吸附

14、材料：使用體積比1020的通孔泡沫鋁材料為傳熱骨架，復(fù)合沸石顆?；蚍肿雍Y顆粒，使其導(dǎo)熱性能大幅提高，并具有較高的傳質(zhì)性能。對(duì)于使用沸石或分子篩吸附床的吸附式制冷機(jī)可以大大減小吸附脫附時(shí)間，提高制冷機(jī)性能。第23頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2524第一章 制冷原理吸附制冷以熱能驅(qū)動(dòng)，可利用低品位熱能；不采用氟氯烴，無(wú)CFCs問(wèn)題，無(wú)溫室效應(yīng)，對(duì)環(huán)境友好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，噪聲低，壽命長(zhǎng)，適用范圍廣。但效率低，體積大。目前，吸附制冷已開始工業(yè)化生產(chǎn)，并有少量產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)：（1）發(fā)動(dòng)機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)的吸附式空調(diào)，可用于大客車、中巴和小轎車、火車。（2）太陽(yáng)能

15、吸附式冰箱。液體汽化制冷吸附式制冷第24頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2525第一章 制冷原理氣體膨脹制冷是利用高壓氣體的絕熱膨脹來(lái)達(dá)到低溫，并利用膨脹后的氣體在低壓下的復(fù)熱過(guò)程來(lái)制冷的。氣體膨脹制冷由于氣體絕熱膨脹的設(shè)備不同，一般有兩種方式:一種是將高壓氣體經(jīng)膨脹機(jī)膨脹，有外功輸出，因而氣體的溫降大，制冷量也大，但膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；另一種方式是令氣體經(jīng)節(jié)流閥膨脹，無(wú)外功輸出，氣體的溫降小，制冷量也小，但節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，便于進(jìn)行氣體流量的調(diào)節(jié)。第25頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2526第一章 制冷原理

16、布雷頓(Brayton)制冷循環(huán)又稱焦耳(Joule)循環(huán)或氣體制冷機(jī)循環(huán)，是以氣體為工質(zhì)的制冷循環(huán)，其工作過(guò)程包括等熵壓縮，等壓冷卻，等熵膨脹及等壓吸熱四個(gè)過(guò)程，這與蒸氣壓縮式制冷機(jī)的四個(gè)工作過(guò)程相近，兩者的區(qū)別在于工質(zhì)在布雷頓循環(huán)中不發(fā)生集態(tài)改變(相變)。根據(jù)不同的使用目的，工質(zhì)可以是空氣，CO2，N2，He 等氣體。氣體膨脹制冷布雷頓制冷循環(huán) 第26頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2527第一章 制冷原理為了提高制冷效率，通常采用回?zé)嵫h(huán)：所謂回?zé)峋褪前延衫湎浞祷氐睦錃饬饕胍粋€(gè)熱交換器“回?zé)崞鳌?，用?lái)冷卻從冷卻器來(lái)的高壓常溫氣流，使其溫度進(jìn)一步降

17、低，而從冷箱返回的氣流則被加熱，溫度升高。這樣就使壓縮機(jī)的吸氣溫度升高，降低壓縮機(jī)的壓力比。氣體膨脹制冷布雷頓制冷循環(huán) 第27頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2528第一章 制冷原理1816年斯特林(stirling)提出了一種由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)等容回?zé)徇^(guò)程組成的閉式熱力學(xué)循環(huán)，稱為斯特林循環(huán)，也稱為定容回?zé)嵫h(huán)。氣體膨脹制冷斯特林制冷循環(huán) 第28頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2529第一章 制冷原理等溫壓縮過(guò)程12：壓縮活塞向左移動(dòng)而膨脹活塞不動(dòng)。氣體被等溫壓縮，壓縮熱經(jīng)冷卻器A傳給冷卻介質(zhì)，溫度不變，壓力升

18、高，同時(shí)容積減小。氣體膨脹制冷斯特林制冷循環(huán)定容放熱過(guò)程23：兩個(gè)活塞同時(shí)向左移動(dòng)，氣體的容積保持不變，直至壓縮活塞到達(dá)左止點(diǎn)。當(dāng)氣體通過(guò)回?zé)崞鱎時(shí)，將熱量傳給填料，因而溫度下降，同時(shí)壓力降低。第29頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2530第一章 制冷原理等溫膨脹過(guò)程34：壓縮活塞停止在左止點(diǎn)，而膨脹活塞繼續(xù)向左移動(dòng)，直至左止點(diǎn)，氣體進(jìn)行等溫膨脹，通過(guò)冷量換熱器C從低溫?zé)嵩次諢崃俊Ｈ莘e增大而壓力降低。氣體膨脹制冷斯特林制冷循環(huán)定容吸熱過(guò)程41：兩個(gè)活塞同時(shí)向右移動(dòng)直至右止點(diǎn),氣體容積保持不變，回復(fù)到起始位置。當(dāng)氣體流經(jīng)時(shí)回?zé)崞魈盍蟁時(shí)吸熱，溫度升高，同

19、時(shí)壓力增加。第30頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2531第一章 制冷原理熱電制冷的理論基礎(chǔ)是固體的熱電效應(yīng)，在無(wú)外磁場(chǎng)存在時(shí)，它包括五個(gè)效應(yīng)：導(dǎo)熱、焦耳熱損失、塞貝克(Seebeck)效應(yīng)、帕爾帖(Peltire)效應(yīng)和湯姆遜(Thomson)效應(yīng)。熱電制冷熱電制冷又稱作溫差電制冷，或半導(dǎo)體制冷，它主要是利用熱電效應(yīng)中的帕爾帖效應(yīng)的一種制冷方法。第31頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2532第一章 制冷原理熱電制冷熱電效應(yīng)1.塞貝克效應(yīng)(Seebeck Effect) (西伯克效應(yīng) )1821年，德國(guó)人發(fā)現(xiàn)兩種不

20、同導(dǎo)體組成的開路中，如果導(dǎo)體的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)存在溫度差，這開路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E。這就是塞貝克效應(yīng)。由于塞貝克效應(yīng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱作溫差電動(dòng)勢(shì)。V=aT 式中:V為溫差電動(dòng)勢(shì)；a為溫差電動(dòng)勢(shì)率(塞貝克系數(shù)) T為接點(diǎn)之間的溫差 熱電偶測(cè)溫及溫差發(fā)電就是利用塞貝克效應(yīng)第32頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2533第一章 制冷原理2. 帕爾帖效應(yīng) (Peltire Effect)1834年，法國(guó)人Jean Charles Peltier發(fā)現(xiàn)電流流過(guò)兩種不同導(dǎo)體的界面時(shí)，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量。這就是帕爾帖效應(yīng)。由帕爾帖效應(yīng)產(chǎn)生的熱流量稱作帕爾帖熱。熱電制

21、冷熱電效應(yīng)對(duì)帕爾帖效應(yīng)的物理解釋是：電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級(jí)，當(dāng)它從高能級(jí)向低能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便釋放出多余的能量；相反，從低能級(jí)向高能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。第33頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2534第一章 制冷原理3. 湯姆遜效應(yīng)(Thomson Effect)1845年，英國(guó)物理學(xué)家William Thomson發(fā)現(xiàn)若電流流過(guò)有溫度梯度的導(dǎo)體時(shí)，原由的溫度分布將被破壞，為了維持原有的溫度分布，導(dǎo)體將吸收或放出熱量。這就是湯姆遜效應(yīng)。由湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生的熱流量稱作

22、湯姆遜熱。熱電制冷熱電效應(yīng)第34頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2535第一章 制冷原理4. 焦耳效應(yīng)(Joule Effect)1841年，物理學(xué)家Joule發(fā)現(xiàn)電流在導(dǎo)體中通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生熱量。這就是焦耳效應(yīng)。由焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱流量稱作焦耳熱。熱電制冷熱電效應(yīng)5. 傅立葉效應(yīng)(Fourier Effect)即熱傳導(dǎo)。在介質(zhì)中由于存在溫度梯度而產(chǎn)生的熱量的傳輸。第35頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2536第一章 制冷原理熱電制冷由于金屬材料的帕爾帖效應(yīng)很弱，因此長(zhǎng)久以來(lái)熱電制冷并未得到發(fā)展和應(yīng)用。到20世紀(jì)50年代

23、左右，由于半導(dǎo)體材料帕爾帖效應(yīng)顯著，才隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展而迅速發(fā)展，因此現(xiàn)在也稱為半導(dǎo)體制冷。為了獲得更低的制冷溫度(或更大的溫差)可以采用多級(jí)熱電制冷。它由單級(jí)電堆聯(lián)結(jié)而成。前一級(jí)的冷端是后一級(jí)熱端的散熱器。PNIPNNPPN第36頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2537第一章 制冷原理熱電制冷由于金屬材料的帕爾帖效應(yīng)很弱，因此長(zhǎng)久以來(lái)熱電制冷并未得到發(fā)展和應(yīng)用。到20世紀(jì)50年代左右，由于半導(dǎo)體材料帕爾帖效應(yīng)顯著，才隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展而迅速發(fā)展，因此現(xiàn)在也稱為半導(dǎo)體制冷。為了獲得更低的制冷溫度(或更大的溫差)可以采用多級(jí)熱電制冷。它由單級(jí)電堆聯(lián)結(jié)

24、而成。前一級(jí)的冷端是后一級(jí)熱端的散熱器。第37頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2538第一章 制冷原理半導(dǎo)體制冷特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境要求低；無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)噪音，無(wú)磨損，可靠性高；無(wú)制冷劑；制冷迅速，切換電流方向既可實(shí)現(xiàn)制冷/熱轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)電流大小即可調(diào)節(jié)制冷量；大小形狀可變，可任意排布。制冷效率低，價(jià)格高，而且必須使用直流電源。熱電制冷目前主要應(yīng)用于：電子器件冷卻、精密恒溫器、冷凍治療儀、便攜冰箱、高真空冷阱、露點(diǎn)儀、宇航、潛水服等第38頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2539第一章 制冷原理渦流管制冷渦流管制

25、冷是使用壓縮氣體產(chǎn)生渦流運(yùn)動(dòng)并分離成冷、熱兩部分。利用分離出的冷氣流即可制冷。1933年，由法國(guó)人蘭克(George Ranque)首先發(fā)明，因此又稱蘭克管。渦流管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，啟動(dòng)快，能達(dá)到比較低的溫度。其主要缺點(diǎn)是效率低、氣流噪聲大。故渦流管只宜用于那些不經(jīng)常使用的小型低溫試驗(yàn)設(shè)備。第39頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2540第一章 制冷原理渦流管制冷渦流管由噴嘴、渦流室、孔板、管子和控制閥組成。渦流室將管子分為冷端和熱端兩部分?？装逶跍u流室與冷端管子之間。噴嘴與渦流室相切。熱端管子出口處裝控制閥?？刂崎y控制熱端管子中氣體的壓力，從而控制冷暖

26、兩股氣流的流量和溫度。孔板噴嘴渦流室控制閥第40頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2541第一章 制冷原理渦流管制冷常溫下的壓縮氣體進(jìn)入噴嘴，并加速，進(jìn)入渦流室后產(chǎn)生自由渦旋運(yùn)動(dòng)。氣體溫度上升，沿?zé)岫斯茏右苿?dòng)至熱端。熱端端口有控制閥，允許外圈部分熱氣流留出，其余氣流反向形成中心低壓二次渦流。當(dāng)兩股氣流反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于角動(dòng)量守恒，內(nèi)部小渦旋氣流角速度應(yīng)當(dāng)增大，但在渦流管內(nèi)卻保持不變，以相同的角速度同一方向旋轉(zhuǎn)，角動(dòng)量損失，有氣體向外圈擴(kuò)散，相當(dāng)于氣體膨脹，因此溫度降低，成為冷氣流，而外圈相當(dāng)于氣體壓縮，溫度升高，成為熱氣流。第41頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5

27、月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2542第一章 制冷原理渦流管制冷目前渦流管制冷主要用于：冷風(fēng)槍（冷卻金屬切削、鉆孔及研磨的車床上，可免掉液體冷凍液）工人的個(gè)人冷卻電子器件冷卻小型低溫實(shí)驗(yàn)設(shè)備第42頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2543第一章 制冷原理熱聲制冷技術(shù)的理論基礎(chǔ)是熱聲效應(yīng)。所謂熱聲效應(yīng)，是指熱和聲之間的相互作用。聲介質(zhì)在作機(jī)械振蕩的同時(shí)經(jīng)歷了一個(gè)熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程，在適當(dāng)條件下，循環(huán)的結(jié)果將能實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能間的相互轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生制冷效果。熱聲制冷是根據(jù)熱聲相互作用，由壓力波動(dòng)引起溫度波動(dòng)，并通過(guò)一定裝置（板疊）將其增強(qiáng)，從而產(chǎn)生制冷作

28、用。熱聲制冷熱聲制冷是20世紀(jì)80年代初才被提出的一種新型制冷方式。第43頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2544第一章 制冷原理熱聲制冷基本原理如右圖?？疾炻晥?chǎng)中單個(gè)氣團(tuán)的熱力過(guò)程，過(guò)程1中氣團(tuán)在壓力波的作用下自右向左運(yùn)動(dòng)，由于被壓縮，體積減小溫度上升，并高于板疊溫度，因而過(guò)程2氣團(tuán)向板疊放熱，于是體積繼續(xù)減?。蝗缓螅^(guò)程3中氣團(tuán)向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)氣團(tuán)膨脹，溫度降低，且低于板疊溫度，因而過(guò)程4氣團(tuán)從板疊吸熱。從而構(gòu)成一個(gè)制冷循環(huán)。把沿板疊長(zhǎng)度方向上的氣體看作一個(gè)傳遞熱量的氣團(tuán)鏈，這樣就可實(shí)現(xiàn)從板疊的冷段到熱端的熱量傳遞過(guò)程。1234板疊第44頁(yè)，共60頁(yè)，

29、2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2545第一章 制冷原理熱聲制冷熱聲制冷機(jī)主要由聲波發(fā)生器、換熱器、板疊、共振腔4部分組成。和傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式制冷相比它的優(yōu)點(diǎn)很明顯（l）它所用的工質(zhì)是對(duì)環(huán)境沒有危害作用的惰性氣體如氦，氖等；（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單緊湊，價(jià)格便宜，壽命長(zhǎng)；（3）運(yùn)動(dòng)部件少不需要潤(rùn)滑油；（4）沒有壓縮機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)噪聲很小或無(wú)聲音。但效率較低，能量密度低。第45頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2546第一章 制冷原理熱聲制冷熱聲制冷機(jī)聲波產(chǎn)生的方式主要有：電磁驅(qū)動(dòng)（包括揚(yáng)聲器和線性電機(jī)）；熱聲驅(qū)動(dòng)（包括電加熱、廢熱、燃?xì)狻?/p>

30、太陽(yáng)能等）。目前已經(jīng)用于軍艦雷達(dá)電子系統(tǒng)冷卻、太空電子器件冷卻、天然氣液化、氣體分離、家用冰箱等第46頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2547第一章 制冷原理制冷的基本熱力學(xué)原理從熱力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，制冷/熱泵系統(tǒng)是利用逆向循環(huán)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。按補(bǔ)償能量的形式，主要的制冷方法可分為兩類：以機(jī)械能或電能為補(bǔ)償（如蒸氣壓縮式、熱電式等），以熱能為補(bǔ)償?shù)模ㄈ缥帐?、吸附式等）。制冷機(jī)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系(a) 以電能或機(jī)械能驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī) (b) 以熱能驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)第47頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2548對(duì)于機(jī)械或電驅(qū)動(dòng)方式的

31、制冷機(jī)引入制冷系數(shù)來(lái)衡量；對(duì)于熱能驅(qū)動(dòng)方式的制冷機(jī)，引入熱力系數(shù)來(lái)衡量： (1) (2)式中： Q0 - 制冷機(jī)的制冷量； W - 制冷機(jī)的輸入功； Qg - 驅(qū)動(dòng)熱源向制冷機(jī)輸入的熱量。國(guó)際上習(xí)慣將制冷系數(shù)和熱力系數(shù)統(tǒng)稱為制冷機(jī)的性能系數(shù)COP (Coefficient of Performance)第一章 制冷原理制冷的基本熱力學(xué)原理第48頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2549對(duì)于以電能或機(jī)械能驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)，假定熱源為恒溫?zé)嵩?，制冷機(jī)為可逆循環(huán)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律有：Q0+W=Qa (3)根據(jù)熱力學(xué)第二定律有： (4) 可逆制冷機(jī)的制冷系數(shù)為： (

32、5)第一章 制冷原理制冷的基本熱力學(xué)原理此式說(shuō)明：兩恒溫?zé)嵩撮g工作的可逆制冷機(jī)，其制冷系數(shù)只與熱源溫度有關(guān)，而與制冷機(jī)使用的制冷劑性質(zhì)無(wú)關(guān)。 max的值與兩熱源溫度的接近程度有關(guān)，二者越接近，則max越大，反之越小。實(shí)際制冷機(jī)制冷系數(shù)隨熱源溫度的變化趨勢(shì)與可逆機(jī)是一致的。第49頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2550對(duì)于以熱能驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)，假定熱源為恒溫?zé)嵩矗评錂C(jī)為可逆循環(huán)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律有：Qa=Q0+Qg (6)根據(jù)熱力學(xué)第二定律有： (7)熱能驅(qū)動(dòng)可逆制冷機(jī)的熱力系數(shù)為： (8)第一章 制冷原理制冷的基本熱力學(xué)原理上式右邊第一個(gè)因子為工作在T

33、a和Tc之間的可逆機(jī)械制冷機(jī)的制冷系數(shù)max，而第二個(gè)因子為工作在Tg和Ta之間的可逆熱機(jī)的熱效率。故相當(dāng)于用一個(gè)可逆熱機(jī)，將驅(qū)動(dòng)熱源的熱量Qg轉(zhuǎn)換成機(jī)械功W，再去驅(qū)動(dòng)一個(gè)可逆機(jī)械制冷機(jī)。第50頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2551第一章 制冷原理制冷的基本熱力學(xué)原理上式右邊第一個(gè)因子為工作在Ta和Tc之間的可逆機(jī)械制冷機(jī)的制冷系數(shù)max，而第二個(gè)因子為工作在Tg和Ta之間的可逆熱機(jī)的熱效率。故相當(dāng)于用一個(gè)可逆熱機(jī)，將驅(qū)動(dòng)熱源的熱量Qg轉(zhuǎn)換成機(jī)械功W，再去驅(qū)動(dòng)一個(gè)可逆機(jī)械制冷機(jī)。第51頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/

34、9/2552第一章 制冷原理這同時(shí)也說(shuō)明和在數(shù)量上不具可比性，因?yàn)檠a(bǔ)償能W與Q的品位不同。同樣說(shuō)明，熱能驅(qū)動(dòng)的可逆制冷機(jī)的性能系數(shù)（或熱力系數(shù)）也只與熱源的溫度有關(guān)，而與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。Tg越高（驅(qū)動(dòng)熱源的品位越高）、Ta與Tc越接近，則max越大；反之越小。制冷的基本熱力學(xué)原理第52頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2553第一章 制冷原理制冷的基本熱力學(xué)原理對(duì)于一個(gè)制冷系統(tǒng)，性能系數(shù)COP（和）值越大，循環(huán)越經(jīng)濟(jì)，但性能系數(shù)和熱源溫度有關(guān)，因此對(duì)于不同制冷機(jī)的循環(huán)性能進(jìn)行比較時(shí)，必須是同類制冷機(jī)在相同的熱源工況下。此時(shí)，COP大的性能好。對(duì)于不同類型的制冷機(jī)在不同工況下，如何比較性能的高低？第53頁(yè)，共60頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)13分，星期五2022/9/2554引入制冷循環(huán)熱力完善度進(jìn)行評(píng)價(jià)。定義為實(shí)際制冷機(jī)的效率與工作在相同熱源下的逆卡諾機(jī)的效率之比：對(duì)于機(jī)械能或電能驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī) (9)對(duì)于熱能驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī) (10) 一定熱源條件下的制冷機(jī)性能系數(shù)的最大值COPmax是評(píng)價(jià)實(shí)際制冷機(jī)性能的基準(zhǔn)值。實(shí)際制冷循環(huán)總有不可逆損失，而熱力完善度越大，說(shuō)明循環(huán)的熱力學(xué)的不可逆損失越小，性能就越好。第一章 制冷原理制冷的基本熱力學(xué)原理第54頁(yè)，共60頁(yè)，2