制冷概念、方法、发展

  • 时间:2020-07-05 10:48
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  制冷概念、方法、发展_其它_职业教育_教育专区。制冷原理、分类及发展应用 制冷与空调教研室 周艳蕊 2013年 ? 人工制冷(人工致冷)的定义: 用人为的方法在一定的时间和一 定的空间内将某物体或流体冷却,使 其温度降到环境温度以下并维持这

  制冷原理、分类及发展应用 制冷与空调教研室 周艳蕊 2013年 ? 人工制冷(人工致冷)的定义: 用人为的方法在一定的时间和一 定的空间内将某物体或流体冷却,使 其温度降到环境温度以下并维持这个 低温的一门工程技术。 ? 区分“自然冷却” 与“制冷” : 自发过程与非自发过程 ? 冷却 ? 制冷 概念区分 类比 ? 热量传递与水的流动 自发过程与非自发过程 冷却(自发过程) 水往低处流 制冷(非自发过程) 水泵抽水 ? 人工制冷(人工致冷)的定义: 用人为的方法在一定的时间和一 定的空间内将某物体或流体冷却,使 其温度降到环境温度以下并维持这个 低温的一门工程技术。 ?结论: 制冷是一个非自发的过程,需要消耗一定量 的功 制冷循环的基本原理 被加热系统 QK 制冷机、热泵 或热化机 W(Q) Q0 被冷却系统 补偿能量:W(Q) 能量守恒:QK=QO+W(Q) 制冷机 机械制冷中所需机器和设备的总合 制冷剂(制冷工质) 制冷机中使用的工作介质(半导体制冷除外) 制冷循环 为了获得持续的低温,需要连续不断地制冷,制 冷剂也就需要连续不断地吸热和放热,从而在制 冷机器、设备内形成一个周而复始的流动循环 制冷循环的基本原理 被加热系统 QK 制冷机、热泵或 热化机 W(Q) Q0 被冷却系统 补偿能量:W(Q) 能量守恒:QK=QO+W(Q) 热泵循环 ? 基本原理:以环境介质作为低温热源, 并从中获取热量将其转移给高于环境 温度的高温热源(被加热系统)的循环。 ? 循环不是用来制冷,而是为了把热量释放给某物体或空间 使之温度升高,即实现用冷凝器放出的热量来供热的采暖 设备称之为热泵(也可以同时实现供冷和供热)。它是制 冷循环的另一种应用。 ? 与制冷循环的形式和原理相同。 P Pk 3 C 2 2 P0 4 1 h Qk =Q0+ P0 COP: 供热系数ζ=Qk/P =(P+Q0 ) /P=1+ε 节能效益显著 制冷技术的分类 按照制冷所得到的低温范围,制冷技术分为几个领域: 120K以上,普通制冷 120~20K,深度制冷 20~0.3K,低温制冷 低温制冷 0.3K以下,超低温制冷 “普通制冷”与“低温制冷”的区别及联系 通过120K来分界温区 体现在:工质、制取低温方法及使用的机器设备 制冷技术的发展历程 天然冷时代 冰雪的贮藏 ? 早在3000多年前,聪明的中国人就已经利用天然 冰在夏天消署。 ? 周朝的时候,政府里有专门负责取冰、用冰的官 员——“凌人”。 ? 唐朝时,京城长安出现了专门靠冰发财的商人。 ? 大多取自本地的河湖,冬季“打冰” (将冰面断 开成方块,浮起后继续冻结加厚),在“冰窖” 里面贮存到夏季使用。 ? 皇宫和官僚使用、商品。 ? 清代的官僚按品级可以配给定量的冰,地方官员 每年要给京官的衙门变相行贿叫“冰敬” 。 ? 北京市的冰窖,最后在1982年还有。 制冷技术的发展历程 人工制冷时代(机械制冷技术从工业革命开始) 1)1755年,英国人库仑发现了蒸发制冷,其学生布拉 克导出了潜热的概念,并发明了冰量热器,标志着现代制冷 技术的开始 2)英国人布拉克发展了气液相变和潜热方面理论 制冷技术的发展历程 3)1834年,美国人波尔金斯发明了第一台以为工质的 蒸汽压缩式制冷机 4)1844年,美国人戈里发明了第一台制冷和空调用的空气 制冷机 5)1859年,法国人卡列设计制造了第一台氨吸收式制冷机 6)1910年,法国人马列斯?莱兰克发明了蒸气喷射式制冷系 统7)1918年,美国人考布兰发明了第一台家用电冰箱 制冷技术的发展历程 8)1930年代氟利昂制冷剂出现 9)1950年代共沸制冷剂和1960年代非共沸制冷剂应用 10)1980年代以环保和能源协调发展制冷技术时代:节能、 ODP,GWP:天然制冷剂或HFC 1.在人民生活方面 家用冰箱、空调器等 2.在商业领域 食品的冷藏链:易腐食品的生产、运输和销售 3.空调行业中 舒适性空调:满足舒适需要 工艺空调:满足生产工艺、设备需要 制冷技术在国民经济中的应用 ?空调工程 空调工程是制冷技术应用的一个广阔领域。光学 仪器仪表、精密计量量具、纺织等生产车间及计算 机房等,都要求对环境的温度、湿度、洁净度进行 不同程度的控制;体育馆、大会堂、宾馆等公共建 筑和小汽车、飞机、大型客车等交通工具也都需有 舒适的空调系统。 日常生活方面 家用冰箱及空调等 ?食品工程 易腐食品从采购或捕捞、加工、贮藏、运输 到销售的全部流通过程中,都必须保持稳定 的低温环境,才能延长和提高食品的质量、 经济寿命与价值。这就需有各种制冷设施, 如冷加工设备、冷冻冷藏库、冷藏运输车或 船、冷藏售货柜台等 ?机械与电子工业 精密机床油压系统利用制冷来控制油温,可 稳定油膜刚度,使机床能正常工作。对钢进 行低温处理可改善钢的性能,提高钢的硬度 和强度,延长工件的使用寿命。多路通讯、 雷达、卫星地面站等电子设备也都需要在低 温下工作。 ?医疗卫生事业 血浆、疫苗及某些特殊药品需要低温保存。 低温麻醉、低温手术及高烧患者的冷敷降温 等也需制冷技术。 ?国防工业和现代科学 在高寒地区使用的发动机、汽车、坦克、大 炮等常规武器的性能需要作环境模拟试验, 火箭、航天器也需要在模拟高空条件下进行 试验,这些都需要人工制冷技术。人工降雨 也需要制冷。 制冷技术的发展趋势 ? 制冷范围进一步扩大 ? 制冷方法日趋增多:脉管制冷、电化学制冷等 ? 制冷机器、设备的种类和形式更加丰富 ? 制冷系统的运行管理采用微机管理 ? 更注重环保、节能:臭氧空洞、全球变暖;能效标识 国家执行《能源效率标识管理办法》,其中规定凡是能效比 低于2.6的空调将严禁销售 人工制冷方法 ? 1. 相变制冷 ? 2. 热电制冷 ? 3. 涡流管制冷 ? 4.空气膨胀制冷 一:单级蒸气压缩式制冷循环的方法、 原理与循环 ? 日常生活中我们都 有这样的疑问:怎样 才能制冷制热呢? 相变制冷方法、原理 a.密闭容器试验 饱和状态 (饱和蒸汽、饱和液体) 饱和压力,饱和温度 密闭容器中的液体,在一定的温度下,蒸气压力会自 动保持在一定数值上,这时液气两相转变就达到了动平 衡,此时空间气态分子的浓度不变。这个状态称之为这 个液体的饱和状态。 饱和状态的蒸气和液体分别称为饱和蒸气和饱和液体。 饱和状态时蒸气压力称为饱和压力。饱和液体的温度称 为饱和温度。 饱和压力与饱和温度是一一对应关系。 水: 饱和压力p=1at=101325Pa时, 饱和温度 t=100℃ 饱和压力p=0.31at=31160Pa时, 饱和温度 t=70℃ 饱和压力p=0.0092at=934.55Pa时,饱和温度 t=6℃ ? 猜想一下:蒸汽被抽走将会发生什么结果? ? 平衡遭到破坏(抽走蒸气)液体蒸 发气化降温吸收外界热量新的 平衡(同时产生低温环境) ? 实际应用 蒸发器:不断抽走蒸气使液体不 断气化降温吸热 压缩机:不断抽取蒸气维持低温状 态 4 5 q0 2 w0 1 利用制冷剂由液体状态汽化为蒸气状态过 程中吸收热量,被冷却介质因失去热量而降 低温度,达到制冷的目的。 制冷剂循环利用制冷循环 制冷原理 qK 4 2 w0 5 1 q0 单级蒸汽压缩制冷循环 ? 制冷剂在变为蒸气之后,需要对它进行压 缩、冷凝、继而进行再次汽化吸热。 ? 冷凝器:散热使气体不断液化 qK 4 2 w0 5 1 q0 单级蒸汽压缩制冷循环 ? 节流阀:降低压力 ? 节流降压的工作原理是制冷工质流过阀门 时流动截面突然收缩,流体流速加快,压 力下降,压力下降的大小取决于流动截面 收缩的比例。 相变制冷 以沸腾过程考虑制冷剂的工作温度范围 ? 沸腾的几个特点: 液变汽 吸热 过程中温度保持不变 压力越低,沸点越低 是否可以通过降低压力,无限度的降低其 沸点? ? 制冷剂: ? 基本原理:液体汽化相变吸热效应 吸热量 = 液体汽化量× 汽化潜热 ? 临界温度:每种物质都有一个特定的 温度,在这个温度以上,无论怎样增大 压强,气态物质不会液化,这个温度就 是临界温度。因此要使物质液化必须 先达到它的临界温度 ? 结论:极限工作温度范围是制冷剂的 临界温度至凝固温度 ? 循环形式:蒸汽压缩式,吸收式等 ? 具备四个基本过程:制冷剂低压下气化、 升压、高压蒸汽液化、降压 蒸汽压缩式制冷循环 高温高压 汽体 压缩机 低温低压 汽体 动力和心脏 冷 凝 器 蒸 发 器 高压 液体 低压 节流阀 液 体 冷凝器:高压汽体 冷却冷凝 节流阀:节流降压 蒸发器:低压液体 汽化吸热 压缩机:低压汽体 压缩升压 1.1 蒸气压缩式制冷 ? 系统组成:压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器 及辅助设备,由管道将其连成一个封闭系统 ? 系统流程图 1.2 蒸气吸收式制冷 ? 系统组成:发生器、吸收器取代了压缩机 ? 系统流程图 1.3 蒸气喷射式制冷 ? 系统组成:喷射器(喷嘴、吸入室、扩压器)、 冷凝器、蒸发器、膨胀阀等组成 ? 系统流程图 1.蒸气喷射式制冷原理: 液体气化制冷,以消耗热能为动力。 2.特点: 蒸气喷射式制冷机只用单一物质为工质,热 源工作蒸汽和制冷剂是同一种物质。目前多使 用水。 由于水为工质所制取的低温必须在0℃以上, 故蒸气喷射式制冷机目前只用于空调装置或用 来制备某些工艺过程需要的冷媒水。 1.4 固体吸附式制冷 ? 系统组成:压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器 及辅助设备,由管道将其连成一个封闭系统 ? 系统流程图 沸石—水 2. 热电制冷 ? 基本原理:是以温差电现象为基础的制冷方法。 利用“塞贝克”效应的逆反应——珀尔帖效应的 原理达到制冷目的 塞贝克效应就是在两种不同金属组成的闭合线路 中,如果保持两接触点的温度不同,就会在两接 触点间产生一个电势差——接触电动势。同时闭 合线路中就有电流流过,称为温差电流。反之, 在两种不同金属组成的闭合线路中,若通以直流 电,就会使一个接点变冷,一个变热,这称为珀 尔贴效应,亦称温差电现象 2. 热电制冷 ? 半导体制冷由P型和N型半导体材料、金属片铜 片、铜导线和电源连接而成,形成一个封闭的回 路 ? 工作过程 当电偶通以直流电流时,P型半导体内载流子(空穴)和 N型半导体内载流子(电子)在外电场作用下产生运动, 并在金属片与半导体接头处发生能量的传递及转换 如果将电源极性互换,则电偶对的制冷端与发热端也 随之互换 3. 涡流管制冷 ? 基本原理:借助涡流管的作用使高速气流产生 旋涡分离出冷、热两股气流,利用冷气流而获得 制冷 ? 系统组成:喷嘴、涡流室、分离孔板、管子和 控制阀 ? 系统流程图 4. 空气膨胀制冷 ? 基本原理:利用气体吸收显热实现制冷 ? 系统组成:压缩机、冷却器、膨胀机和冷室 ? 系统流程图 5.磁制冷 ? 绝热去磁制冷的原理为:磁致冷材料(磁工质)等 温磁化时,由于其磁矩取向趋于有序,使磁熵减 小,磁工质向外界放热;当绝热去磁时,由于磁矩 又趋于无序,磁熵增加, 磁工质温度降低。 四个过程: 1)等温磁化:TS1闭合,TS2断开 2)绝热去磁:TS1断开,TS2断开 3)等温去磁:TS1断开,TS2闭合 4)绝热磁化:TS1断开,TS2断开 复习思考题 1. 制冷技术与低温技术的分界值 ? 2. 人工制冷的基本方法有哪些? 3. 汽化潜热有什么性质? 4. 液体汽化相变制冷的极限工作温度范围? 为什么? 5. 制冷循环实现的条件?

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