在低温处无任何运动部件

  • 时间:2020-05-28 22:37
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  低温制冷机_能源/化工_工程科技_专业资料。第二节 制 冷 原 理 与 技 术 低温制冷机 焦耳3.2.1 焦耳-汤姆逊制冷系统 3.2.2 膨胀机制冷系统 3.2.3 斯特林制冷机 3.2.4 维尔米勒制冷机 3.2.5 索尔凡制冷机 吉

  第二节 制 冷 原 理 与 技 术 低温制冷机 焦耳3.2.1 焦耳-汤姆逊制冷系统 3.2.2 膨胀机制冷系统 3.2.3 斯特林制冷机 3.2.4 维尔米勒制冷机 3.2.5 索尔凡制冷机 吉福特3.2.6 吉福特-麦克马洪制冷机 3.2.7 脉冲管制冷机 3.2.8 热声制冷机 3.2.9 吸附式制冷机 3.2.10 磁制冷 3.2.11 稀释制冷机 焦耳3.2.1 焦耳-汤姆逊制冷系统 制 冷 原 理 与 技 术 林德-汉普森制冷机 图3-68 林德 汉普森制冷机 焦耳-汤姆逊(Joule (Joule简写为J T)制 焦耳-汤姆逊(Joule-Thomson, 简写为J-T)制 冷机:不使用膨胀机的液化系统,依赖于焦耳冷机:不使用膨胀机的液化系统,依赖于焦耳汤姆逊效应来产生低温。 汤姆逊效应来产生低温。 制 冷 原 理 与 技 术 运用热力学第一定律: 运用热力学第一定律: Qa = m( h1 ? h2 ) 制 冷 原 理 与 技 术 换热器效率定义为: 换热器效率定义为: ε = h ? hg 1 (3.78) (3.79) h1 ? h g 制冷量可由工质物性与热交换器效率来表示: 制冷量可由工质物性与热交换器效率来表示: Qa / m = (h1 ? h2 ) ? (1 ? ε )(h1 ? hg ) (3.80) 系统所需功为: 系统所需功为: ?W = T2 (s1 ? s2 ) ? (h1 ? h2 ) (3.81) m ηc,o 林德-汉普森制冷机的COP为 林德-汉普森制冷机的COP为: COP ?Qa ηc,o[(h1 ? h2 ) ? (1? ε)(h1 ? hg )] COP = = (3.82) W T(s1 ? s2 ) ? (h1 ? h2 ) 图3-69 林德-汉普森制冷的热力循环图 林德- 制 冷 原 理 与 技 术 制 冷 原 理 与 技 术 预冷的重要作 用:对于比液氮所 能得的温度更低 的场合, 的场合,合适可 行的工质只能为 氢和氦。 氖、氢和氦。由 于常温下节流会 产生热效应, 产生热效应,为 了系统能够起动 降温, 降温,必须将气 体温度降低到转 化温度以下以保 证节流制冷。 证节流制冷。 预冷型林德-汉普森制冷机。 图3-70 预冷型林德-汉普森制冷机。 制 冷 原 理 与 技 术 图3-71 预冷型林德-汉普森制冷机的热力循环图。 预冷型林德-汉普森制冷机的热力循环图。 制 冷 原 理 与 技 术 运用热力学第一定律, 运用热力学第一定律,可得到 : Qa = m( h1 ? h2 ) + m p ( ha ? hb ) (3.83) 制 冷 原 理 与 技 术 定义预冷制冷剂质量流量比为: 定义预冷制冷剂质量流量比为: z = mp / m (3.85,3.86) ε= h1 ?hg h1 ? hg ha ? he εp = ha ? he Q / m= (h1 ?h2) ?(1?ε)(h1 ?hg ) +z[(ha ?hb) ?(1?ε p)(ha ?he )] a 由低温换热器和蒸发器得: 由低温换热器和蒸发器得: (3.87) Q a / m = h7 ? h 4 引入低温换热器的效率: 引入低温换热器的效率: 制冷量可表示为: 制冷量可表示为: εc = h7 ?hg h7 ? hg (3.88) (3.89) Qa / m = (h7 ? h4 ) ? (1 ? ε c )(h7 ? hg ) (3.90) 制 冷 原 理 与 技 术 更低的温度 可用三级复迭 可用三级复迭 得到, 制冷机得到 制冷机得到, 以氮(或氩), 以氮(或氩), 或氖) 氢(或氖)和 氦为工质。 氦为工质。 三级J 图3-72 三级J-T 液氦制冷机。 液氦制冷机。 制 冷 原 理 与 技 术 3.2.2 膨胀机制冷系统 克劳德液化系统或考林斯液化系统作制冷系统。 克劳德液化系统或考林斯液化系统作制冷系统。 制 冷 原 理 与 技 术 对三个换热器, 对三个换热器,膨胀阀和蒸发器应用热力学第一定 忽略环境漏热和动能,势能变化, 律,忽略环境漏热和动能,势能变化,可得制冷剂的 吸热量: 吸热量: Q a / m = ( h1 ? h 2 ) + x ( h 3 ? h e ) (3.91) 制冷量的表达式可由膨胀机绝热效率表示: 制冷量的表达式可由膨胀机绝热效率表示: Qa / m = (h1 ? h2 ) + xη ad (h3 ? he ) (3.92) ?W / m=[T2 (s1 ? s2 ) ?(h1 ?h2 )]/ ηc,o ? xηe,mηad (h3 ?he ) net (3.93) 若假设膨胀功用来压缩气体,则所需净功为: 若假设膨胀功用来压缩气体,则所需净功为: 图3-73克劳特制冷机 73克劳特制冷机 制 冷 原 理 与 技 术 图3-74 克劳特制冷机的热力循环 制 冷 原 理 与 技 术 对基本型克劳德系统的两大改进是: 对基本型克劳德系统的两大改进是: 采用带液膨胀机(即湿膨胀机) 采用带液膨胀机(即湿膨胀机)在两相区工作而 代替膨胀阀 采用低温压缩机 制 冷 原 理 与 技 术 75所示系统的热力循环 图3-76 图3-75所示系统的热力循环 制 冷 原 理 与 技 术 3.2.3 斯特林制冷机 制 冷 原 理 与 技 术 图3-77 斯特林制冷机 斯特林制冷机: 斯特林制冷机: 汽缸, 由带活塞的汽缸 由带活塞的汽缸,位 移器和回热器组成 组成。 移器和回热器组成。 在回热器中实现的 等容过程的热交换 的热交换。 是等容过程的热交换。 制 冷 原 理 与 技 术 图3-78 理想斯特林制冷机的热力循环 制 冷 原 理 与 技 术 由热力学第一定律,对循环来说Wnet=Qr+Qa Wnet=Qr+Qa, 由热力学第一定律,对循环来说Wnet=Qr+Qa,因而 理想的斯特林制冷机的性能系数 性能系数为 理想的斯特林制冷机的性能系数为: 制 冷 原 理 与 技 术 COP = ? Qa Wnet = T3 T1 ( s1 ? s2 ) / ( s4 ? s3 ) ? T3 (3.94) 工质为理想气体: 工质为理想气体: s1 ?s2 =cv ln(T / T2 ) + Rln(v1 / v2 ) = Rln(v1 / v2 ) = Rln(v4 / v3) =s4 ?s3 1 理想斯特林制冷机的性能系数为: 理想斯特林制冷机的性能系数为: COP = T3 T1 ? T3 (3.95) 斯特林制冷机的成功,绝大部分是依靠系统中所 斯特林制冷机的成功,绝大部分是依靠系统中所 使用的回热器的效能。若回热器效率低于100%,这就 100%, 使用的回热器的效能。若回热器效率低于100%,这就 意味着, 意味着,气体制冷机在冷源的制冷量将有一部分消耗 在将制冷机气体冷却到冷源温度的过程中。 在将制冷机气体冷却到冷源温度的过程中。 低温源吸收的实际的热量为: 低温源吸收的实际的热量为: Q a = Q a ,ideal ? ? Q 制 冷 原 理 与 技 术 换热器效率定义为: 换热器效率定义为: ε = Q actual = Q 2 ? 3 ,ideal ? ? Q Q ideal Q 2 ? 3 ,ideal ?Q = (1 ? ε )Q2 ?3,ideal = (1 ? ε )mcv (T2 ? T3 ) (3.96) 假定工质为理想气体, 假定工质为理想气体,在理想情况下从冷负荷中取 走的热量为: 走的热量为: Qa ,ideal = mT3 ( s4 ? s3 ) = mRT3 ln( v 4 / v 3 ) 7) 换热器效率的不完善性而致理想制冷量损耗所占的 比重: 比重: ? Q ? 1 ? ε ??(T2 / T3 )? 1 ? (3.98) = Q a ,ideal = (γ ? 1) mc v T3 ln( v 4 / v 3 ) (3.9 ? ? ?? n( ? γ ? 1 ?? l v 4 /v 3 ) ? Qa,ideal 3.2.4 维尔米勒制冷机 制 冷 原 理 与 技 术 图3-80 理想维尔米勒制冷机 的热力循环T 的热力循环T-s图 图3-79 维尔米勒制冷机示意图 制 冷 原 理 与 技 术 高温热源加热为: 高温热源加热为: Q h = m h Th ( s 2 ? s1 ) = m h RTh ln( v 2 / v 1 ) (3.99) 制 冷 原 理 与 技 术 低温热源吸热为: 低温热源吸热为: Qc = mc Tc ( s6 ? s5 ) = mc RTc ln( v 6 / v 5 ) 中间温度热源的放热量为: 中间温度热源的放热量为: (3.100) (3.101) Qa = (mh + mc )Ta (s4 ? s3) = ?(mh + mc ) RT ln(v3 / v4 ) a 因为系统的净传热量为零: 因为系统的净传热量为零: Qh + Qc + Qa = 0 mRT ln(v2 / v1) + mRT ln(v2 / v1) ?(m +m )RT ln(v2 / v1) = 0 h h c c h c a mc / mh = (Th ? Ta ) / (Ta ? Tc ) COP: COP = Q c / Q h = m cTc / m h Th = Tc (Th ? Ta ) (3.102) Th (Ta ? Tc ) 3.2.5 索尔凡制冷机 索尔凡(Solvay) 制冷机: 索尔凡(Solvay) 制冷机:是计划采用膨胀机实现 空气液化的第一个系统。 空气液化的第一个系统。 制 冷 原 理 与 技 术 图3-81 索尔凡制冷机 图3-82 索尔凡制冷机中单 位质量气体在T 位质量气体在T-s图上的流程 制 冷 原 理 与 技 术 假设膨胀过程输出的功用于压缩过程, 假设膨胀过程输出的功用于压缩过程,则 系统所需净功为: 系统所需净功为: 制 冷 原 理 与 技 术 ?W / m=[T (s1 ?s2) ?(h1 ?h2)]/ ηco ?ηemηad (h3 ?h4) net 2 , , (3.103) 压缩机耗功 膨胀过程的输出功 从低温源取走的热量为: 从低温源取走的热量为: Qa / m = h5 ? h4 = h5 ? h4 ? (1 ? ηad )(h3 ? h4 ) (3.104) 吉福特3.2.6 吉福特-麦克马洪制冷机 系统包括压缩机、两端密封的气缸、 系统包括压缩机、两端密封的气缸、气缸中的位移 压缩机 气缸 回热器。 器,和回热器。 制 冷 原 理 与 技 术 G图3-83 G-M制冷机示意图 G图3-84 G-M制冷机中单位 质量气体在T 质量气体在T-S图上的流程 制 冷 原 理 与 技 术 系统所需净功为: 系统所需净功为: ?W / m = [T1 ( s1 ? s2 ) ? ( h1 ? h2 )] / η c ,o (3.105) 制 冷 原 理 与 技 术 从低温源带走的热量为: 从低温源带走的热量为: Qa / m = ( me / m )( hs ? h4 ) = η ad ( me / m )( hs ? h4 ) (3.106) 因为膨胀过程中膨胀腔的体积保持不变,me/m可 因为膨胀过程中膨胀腔的体积保持不变,me/m可 表示为密度比 密度比: 表示为密度比: (3.107) m / m = ρ / ρ 机 性 能 的 因 素 影 响 制 冷 e 4 3 回热器效率 沿着位移器的导热和壳体漏热 气体与回热器往复换热 回热器中存在的一定容积 在Solvay和G-M制冷机中,回热器是关键部件。一台 Solvay和 制冷机中,回热器是关键部件。 较好的制冷机,其回热器效率需高达98%以上。 98%以上 较好的制冷机,其回热器效率需高达98%以上。 制 冷 原 理 与 技 术 图3-85 回热器示意图 Solvay和 Solvay和G-M制冷机有共同的优点 制冷机有共同的优点 制 冷 原 理 与 技 术 阀门和位移器活塞密封可在室温下实现, 阀门和位移器活塞密封可在室温下实现,因 此不存在低温密封问题。 此不存在低温密封问题。 通过使用回热器代替通常的换热器, 通过使用回热器代替通常的换热器,可得到 很高的换热效率, 很高的换热效率,系统可使用稍稍不纯的气 体为工质。 体为工质。 由于气体在回热器中来回流动, 由于气体在回热器中来回流动,回热器中的 杂质可在吸入过程中积存下来,在排气过程 杂质可在吸入过程中积存下来, 中清除出去。 中清除出去。 相同表面积下,回热器的造价比换热器低。 相同表面积下,回热器的造价比换热器低。 Solvay系统与G 系统相比有两大优点: Solvay系统与G-M系统相比有两大优点: 系统与 两大优点 制 冷 原 理 与 技 术 Solvay系统COP总是比G 系统高, Solvay系统COP总是比G-M系统高,因为工质 系统COP总是比 在对外作功过程中,可带走更多能量; 在对外作功过程中,可带走更多能量; 系统中,需要一个小马达来移动位移器, G-M系统中,需要一个小马达来移动位移器, 而在Solvay系统中,由膨胀气体来移动活塞。 Solvay系统中 而在Solvay系统中,由膨胀气体来移动活塞。 G-M系统与Solvay系统相比也有优点: 系统与Solvay系统相比也有优点: Solvay系统相比也有优点 位移器两端压差小,所以在G 位移器两端压差小,所以在G-M系统中经位移 器的泄漏很少; 器的泄漏很少; 系统中位移器和曲柄不用承受很大的力, 在G-M系统中位移器和曲柄不用承受很大的力, 因此驱动机构可以十分简单,很少有振动的问题。 因此驱动机构可以十分简单,很少有振动的问题。 G-M系统的突出优点之一是它可实现多级化。多 系统的突出优点之一是它可实现多级化。 多级化 级系统中的所有阀门都在室温下工作, 级系统中的所有阀门都在室温下工作,三个位移器 由一个驱动机构操纵。 由一个驱动机构操纵。 制 冷 原 理 与 技 术 图3-86 三级G 三级G-M制冷机 三个位移器由同 一个驱动机构驱 动,在此制冷机 中可同时制取三 种不同的温度。 种不同的温度。 3.2.7 脉冲管制冷机 制 冷 原 理 与 技 术 图3-87 脉冲管制冷机 的演变与发展 脉冲管制冷机省去了常规气体制冷机中的冷腔膨胀 脉冲管制冷机省去了常规气体制冷机中的冷腔膨胀 活塞,采用一根低热导的管子来代替,具有结构简单 结构简单、 活塞,采用一根低热导的管子来代替,具有结构简单、 运转可靠、冷头振动小、寿命长、成本低等优势。 运转可靠、冷头振动小、寿命长、成本低等优势。 等优势 本节内容: 本节内容: 制 冷 原 理 与 技 术 1. 2. 3. 4. 5. 6. 基本型脉冲管制冷机 小孔型脉冲管制冷机 双向进气脉冲管制冷机 多路旁通脉冲管制冷机 双活塞脉冲管制冷机 四阀式脉冲管制冷机 7. 多级脉管制冷机 1. 基本型脉冲管制冷机 制 冷 原 理 与 技 术 最初的基本型脉冲管制冷机的制冷流程由压缩机、 最初的基本型脉冲管制冷机的制冷流程由压缩机、 压缩机 切换阀、回热器、冷端换热器、导流器、脉冲管本体以 切换阀、回热器、冷端换热器、导流器、脉冲管本体以 及脉冲管封闭端的水冷却器所组成。 水冷却器所组成 及脉冲管封闭端的水冷却器所组成。 图3-88 基本型脉冲管制冷机原理图 切换阀; 回热器; 冷端换热器; 1—切换阀;2—回热器;3—冷端换热器; 脉冲管; 水冷却器; 导流器。 4—脉冲管;5—水冷却器;6—导流器。 基本原理是利用高低压气体对脉冲管腔的充放气 基本原理是利用高低压气体对脉冲管腔的充放气 而获得制冷效果的。 而获得制冷效果的。 制 冷 原 理 与 技 术 基本型脉冲管制冷机利用充放气获得低温的 方法实质上是西蒙膨胀制冷的一种型式。 方法实质上是西蒙膨胀制冷的一种型式。 制 冷 原 理 与 技 术 基本型脉冲管制冷机与西蒙膨胀过程的不同 点: 脉冲管制冷机运行时, 脉冲管制冷机运行时,脉冲管气体轴向存在 一温度梯度,入口端温度低,封闭端温度高; 一温度梯度,入口端温度低,封闭端温度高;而西 蒙膨胀的容器内气体温度均匀; 蒙膨胀的容器内气体温度均匀; 充气完毕后, 充气完毕后,脉冲管取走热量的方式是靠封 闭端的水冷换热器; 闭端的水冷换热器;而西蒙膨胀的热量是靠整个容 器表面与外部环境的对流换热。 器表面与外部环境的对流换热。 基本型脉冲管制冷机除了压缩气源和切换阀是 室温运动部件外,在低温处无任何运动部件, 室温运动部件外,在低温处无任何运动部件,因此 结构简单、运行可靠,但是其制冷效率低 制冷效率低。 其结构简单、运行可靠,但是其制冷效率低。 带有切换阀的基本型脉冲管制冷机: 带有切换阀的基本型脉冲管制冷机:由于气 体在通过阀门时有节流损失而降低了制冷效率。 体在通过阀门时有节流损失而降低了制冷效率。 可逆基本型脉冲管制冷机: 可逆基本型脉冲管制冷机:直接利用活塞在气 缸内往复运动, 缸内往复运动,使制冷系统内产生压力波动而导致 脉冲管内气体的压缩和膨胀过程。 脉冲管内气体的压缩和膨胀过程。 制 冷 原 理 与 技 术 图3-89 可逆基本型脉 冲管制冷机原理图 1—活塞 2—水冷却 器 3—脉冲管 4— 负荷换热器 5—回热 器 制 冷 原 理 与 技 术 图3-90 相同压比下带切换阀式脉冲管与可逆基本型 脉冲管内部压力波图。 脉冲管内部压力波图。 可逆基本型脉冲管. a-基本型脉冲管 b-可逆基本型脉冲管. 制 冷 原 理 与 技 术 制 冷 原 理 与 技 术 可逆基本型脉冲管制冷机的最主要特点是 可逆基本型脉冲管制冷机的最主要特点是:将上 最主要特点 一个循环的能量存储起来,在下一个循环, 一个循环的能量存储起来,在下一个循环,其所需的 能量一部分来自马达,另一部分则由储存的能量提供, 能量一部分来自马达,另一部分则由储存的能量提供, 这样就能大大减少外部所需的能量而提高热效率。 这样就能大大减少外部所需的能量而提高热效率。 常规气体制冷机的冷腔膨胀活塞与压力之间有一定 的运动相位差,冷端可获得制冷的膨胀功。 的运动相位差,冷端可获得制冷的膨胀功。 能量平衡有 其中的能量平衡 其中的能量平衡有: (3.108) H r + Qc = H c 脉冲管冷端的焓流表示一周期内脉冲管冷端 向热端传输的能量, 向热端传输的能量,可称之为脉冲管的毛制 AC p τ 冷量。 冷量。 Hc = ∫0 Pu1 dt (3.109) Rτ 脉冲管传递热量的能力(即制冷能力)取决于P 脉冲管传递热量的能力(即制冷能力)取决于P u1在相位上能否接近 以及两者振幅的大小。 在相位上能否接近, 和u1在相位上能否接近,以及两者振幅的大小。 图3-91 基本型脉冲管的能量传递及压力与流速 的相位关系 制 冷 原 理 与 技 术 2. 小孔型脉冲管制冷机 制 冷 原 理 与 技 术 小孔型脉冲管制冷机中由于小孔和气库的加入, 小孔型脉冲管制冷机中由于小孔和气库的加入, 制冷机理发生了变化,运转频率也大幅度提高。 制冷机理发生了变化,运转频率也大幅度提高。 Hc = Hh = ACp Rτ ∫ Pu dt 0 2 τ (3.110) 考察脉冲管热端的焓流变化,因为气库的容积大, 考察脉冲管热端的焓流变化,因为气库的容积大, 其压力基本稳定为系统的平均压力, 其压力基本稳定为系统的平均压力,热端的气体流向 取决于脉冲管与气库的压差。 取决于脉冲管与气库的压差。 小孔对P 的振幅有调节作用,小孔开度增大, 小孔对P和u的振幅有调节作用,小孔开度增大, 压力振幅减小,流速振幅增大。 压力振幅减小,流速振幅增大。这样小孔型脉冲管中 冷端气团可以向斯特林制冷机中的膨胀活塞一般获得 一定的相位需求,利用膨胀功制冷。 一定的相位需求,利用膨胀功制冷。 脉冲管由冷端向热端的泵热能力大大增强。 脉冲管由冷端向热端的泵热能力大大增强。 制 冷 原 理 与 技 术 3. 双向进气脉冲管制冷机 无功气体:在小孔型脉管制冷机中, 无功气体:在小孔型脉管制冷机中,通过回热 器的气体中有一部分气体并不产生制冷效应, 器的气体中有一部分气体并不产生制冷效应, 降低了回热器效率。 降低了回热器效率。这部分不作功的气体在脉管中 来回震荡,既不通过小孔进入气库, 来回震荡,既不通过小孔进入气库,也不从冷端换热器 进入回热器。这些气体柱塞随时间膨胀和收缩, 进入回热器。这些气体柱塞随时间膨胀和收缩,但并不 产生制冷。 产生制冷。 图3-92 双向进气型脉管制冷机. 双向进气型脉管制冷机. a)无阀压缩机驱动 a)无阀压缩机驱动 机驱动 b) 有阀压缩 4. 多路旁通脉冲管制冷机 制 冷 原 理 与 技 术 多路旁通方案对制冷过程的影响主要在于它在旁通 多路旁通方案对制冷过程的影响主要在于它在旁通 点处形成了一次膨胀制冷过程。 点处形成了一次膨胀制冷过程。 在多路旁通处一股焓流由回热器流入脉冲管中, 在多路旁通处一股焓流由回热器流入脉冲管中,旁 通点成为制冷部位。 通点成为制冷部位。其在低温区性能优越的主要原因 是脉冲管旁通部位加一换热器以利于制冷,出现两次 是脉冲管旁通部位加一换热器以利于制冷,出现两次 膨胀制冷过程。 膨胀制冷过程。 图3-93 多路旁通脉冲管制冷机中的能量传递 5. 双活塞脉冲管制冷机 制 冷 原 理 与 技 术 双活塞脉冲管制冷机能克服小孔调节作用对于P 双活塞脉冲管制冷机能克服小孔调节作用对于P和u 能克服小孔调节作用对于 的相位匹配并不是完美的缺陷, 的相位匹配并不是完美的缺陷,采用一配气活塞来调 节脉冲管中P 的相位。 节脉冲管中P和u的相位。 配气活塞与产生压力波的主活塞之间存在一定 相位差,两者的运动规律如下: 相位差,两者的运动规律如下: V c = 0 .5V cs [ 1 + cos ? ] (3.111) V e = 0 . 5V es [1 + cos( ? + θ )] (3.112) 6. 四阀式脉冲管制冷机 制 冷 原 理 与 技 术 四阀式脉冲管制冷机理可以由脉冲管中P 四阀式脉冲管制冷机理可以由脉冲管中P和u 机理可以由脉冲管中 的变化来说明。根据四个阀门的开关变化, 的变化来说明。根据四个阀门的开关变化,脉冲 管压力和脉冲管热端阀门两端的压力变化可定性 表示,图中压差的正负对应气体的流向。 表示,图中压差的正负对应气体的流向。 图3-94 四阀式脉冲管制冷 机的当量P 机的当量P—V图 图3-95 四阀式脉冲管中压力 与小孔两端压差的关系 7.多级脉管制冷机 为获得更低的制冷温度,可以采用多级脉管制 为获得更低的制冷温度,可以采用多级脉管制 方案。脉管制冷机冷端无运动部件, 冷方案。脉管制冷机冷端无运动部件,不存在机械 运动的耦合,易于进行多级布置。 运动的耦合,易于进行多级布置。 图3-96 三级脉冲管制 冷机结构示意图。 冷机结构示意图。1 压 缩机, 旋转阀, 缩机, 2 旋转阀, 3 气库, 小孔阀, 气库, 4 小孔阀, 5 双向进气阀, 双向进气阀, 6 第一 级蓄冷器, 级蓄冷器, 7 第二级 蓄冷器, 蓄冷器, 8第三级蓄冷 第一级脉冲管, 器, 9 第一级脉冲管, 第二级脉冲管, 10 第二级脉冲管, 11 第三级脉冲管, 第三级脉冲管,12 第 一级冷头, 一级冷头, 13 第二级 冷头, 冷头, 14 第三级冷 回热管, 头,15 回热管, 16 辐射屏, 线 真空罩。 制 冷 原 理 与 技 术 制 冷 原 理 与 技 术 制 冷 原 理 与 技 术 图3-97 两级脉管制冷 机结构示意图。 机结构示意图。1 压缩 旋转阀, 机, 2 旋转阀, 3 气 小孔阀, 库, 4 小孔阀, 5 双 向进气阀, 向进气阀, 6 第一级 蓄冷器, 蓄冷器, 7 第二级蓄 冷器, 第一级脉管, 冷器, 8 第一级脉管, 第二级脉管, 9 第二级脉管, 10 第 一级冷头, 一级冷头, 11 第二级 辐射屏, 冷头 ,12 辐射屏, 线 真空罩。 制 冷 原 理 与 技 术 图3-98 双小孔型 二级脉管制冷机 示意图。1 第一 示意图。 级蓄冷器, 2 级蓄冷器, 第一级脉管, 3 第一级脉管, 第二级蓄冷器, 第二级蓄冷器, 4 第二级脉管, 第二级脉管, 5、6 气库, 7 、 气库, 9 双向进气阀, 双向进气阀, 8、10 小孔阀, 小孔阀, 11 第二小孔。 第二小孔。 3.2.8热声制冷机 热声制冷机的基本工作原理:谐振管内的气 制 冷 原 理 与 技 术 体受到声压作用产生绝热压缩和膨胀。 体受到声压作用产生绝热压缩和膨胀。处于热声板叠 左端的气团受到驻波的压缩,温度升高,向板叠放热; 左端的气团受到驻波的压缩,温度升高,向板叠放热; 在热声板叠的右端,由于驻波低压相的绝热膨胀, 在热声板叠的右端,由于驻波低压相的绝热膨胀,气团 的温度低于当地板叠温度,气团从板叠吸热. 的温度低于当地板叠温度,气团从板叠吸热. 热声制冷机与热声驱动器的不同之处 不同之处, 热声制冷机与热声驱动器的不同之处,是热声板叠 上的温度梯度不同且具有较小的温度梯度。 上的温度梯度不同且具有较小的温度梯度。 图3-99热声 99热声 制冷机原理图 制 冷 原 理 与 技 术 谐振管的底部带有一 谐振管的底部带有一 个球体, 个球体,模拟管端是开口 驱动器为一动圈式扬 的。驱动器为一动圈式扬 换热器的 声器,装于热端换热器 声器,装于热端换热器的 顶端。 顶端。 驱动器活塞处正是驻 波压力的波谷, 波压力的波谷,以便向谐 振管传输最强的声功, 振管传输最强的声功,同 时驱动器产生的热量可直 接被换热器排除。 接被换热器排除。压力波 的波节在谐振管与球体连 接的扩口处。 接的扩口处。 图3-100 热声制冷机实验装置图 1.磁声线.冷端换热器 5.塑料棒 6.热声板叠 7.热端换热器 6.热声板叠 7.热端换热器 热声驱动器是一种没有机械运动部件的新 型压力波发生器。 型压力波发生器。脉管制冷机则是除了室温下的机 制 冷 原 理 与 技 术 械压缩机之外,在低温区没有运动部件。 械压缩机之外,在低温区没有运动部件。因此若采用 热声驱动器取代脉管制冷机常规的机械压缩机就能构 成从室温至低温均没有运动部件的新型制冷机。 从室温至低温均没有运动部件的新型制冷机。 平行板叠 共振管 回热器 脉管 小孔 气库 驱动器部分 制冷机部分 图3-101 热声驱动的脉管制冷装置 制 冷 原 理 与 技 术 驻波型热声机的运行是基于内部不可逆性的热力 驻波型热声机的运行是基于内部不可逆性的热力 学循环, 学循环,其气体和板叠之间的不可逆换热导致的熵 产限制了驻波热声机的效率, 产限制了驻波热声机的效率,其热力学效率往往不 可能很高。 可能很高。 行波热声机其过程是可逆的, 行波热声机其过程是可逆的, 因此行波热声机的 效率在理论上高于具有本征不可逆性的驻波热声机。 效率在理论上高于具有本征不可逆性的驻波热声机。 驻波和行波的区别: 驻波和行波的区别: 相同: 相同: 由于速度是位移对时间的导数, 由于速度是位移对时间的导数,故速度振荡与 位移振荡都是相差90度相位。 90度相位 位移振荡都是相差90度相位。 不同: 不同: 不同之处在于驻波的压力振荡与位移振荡同相,而 不同之处在于驻波的压力振荡与位移振荡同相, 行波的压力振荡与速度振荡同相。 行波的压力振荡与速度振荡同相。行波声场中的声 速波形和声压波形一致,相位差为零; 速波形和声压波形一致,相位差为零;而驻波声场 中的声速波形和声压波形相位差90 90度 中的声速波形和声压波形相位差90度。 声波的位移、速度、 图3-102 声波的位移、速度、压力振荡的相位关系图 制 冷 原 理 与 技 术 位移S S o π π t o V t 速度振荡V o t o P t 压力振荡P o t o 膨胀 冷却 压缩 加热 冷却 压缩 加热 膨胀 t (a) 驻波 (b) 行波 3.2.9 制 冷 原 理 与 技 术 吸附式制冷机 用于低温温区的吸附制冷工质对只能采用低温 气体工质,吸附剂也主要采用活性炭 分子筛或一 活性炭、 气体工质,吸附剂也主要采用活性炭、分子筛或一 些化学吸附物质。 些化学吸附物质。 由于采用J 由于采用J-T节 流制冷方式, 流制冷方式,解吸 出的气体必须先经 预冷至转化温度以 下,否则不可能实 现低温气体工质的 液化。 液化。 图3-103 常用吸 附式制冷工作对及 其工作温区 本节内容: 制 冷 原 理 与 技 术 3.低温吸附式制冷机的设计原则 2.吸附制冷循环及其热力计算 1.吸附式低温制冷机的相平衡及吸附率方程 4. 典型的吸附式制冷机 1.吸附式低温制冷机的相平衡及吸附率方程 对低温气体的吸附可以由Polanyi吸附势理论表述: 对低温气体的吸附可以由Polanyi吸附势理论表述: Polanyi吸附势理论表述 制 冷 原 理 与 技 术 T (3.113) ε = ln( ? )2 β p T cr 对于活性炭吸附氖气和氮气吸附势方程为: 对于活性炭吸附氖气和氮气吸附势方程为: ps 2 RT ε = ln( ) (3.114) β p 饱和压力ps (Pa)和温度T(K)的关系可以表示为 和温度T(K)的关系可以表示为: 饱和压力ps (Pa)和温度T(K)的关系可以表示为: cr RT p 81.57 306.3 lg ps = 8.268? , Ne lg ps = 8.9558? , N2 (3.115) T T 采用经验拟合所得到的吸附率方程经验关系式为: 采用经验拟合所得到的吸附率方程经验关系式为: M x= α exp( ?γε ) b (3.116) 制 冷 原 理 与 技 术 表3-7示出了各种低温气体对应于活性炭(椰壳炭) 示出了各种低温气体对应于活性炭(椰壳炭) 的吸附率方程常数。式中下标T表示整个吸附剂 的吸附率方程常数。式中下标T 所占体积内的吸附,下标E 所占体积内的吸附,下标E则表示吸附剂有效吸 附体积内的吸附。 附体积内的吸附。 气体 α M/b xE xT XE xT XE xT 4.4×10-2 5.65×10-2 0.64 0.46 0.55 0.56 α 0.563 0.731 0.539 0.388 0.758 0.772 γ 0.060 0.063 0.152 0.128 0.118 0.108 H2 Ne N2 表3-7 活性炭对几种低温气体吸附率方程常数 活性炭和沸石吸氮的等温吸附线 活性炭和沸石吸氮的等温吸附线 制 冷 原 理 与 技 术 图3-105 LaNi5-H2的等温吸附线的等温吸附线 制 冷 原 理 与 技 术 LaNi4.8Sn0.2Hx、ZrNiHx和 图3-106 LaNi4.8Sn0.2Hx、ZrNiHx和VHx 的等吸附率图(Van’t Hoff图 的等吸附率图(Van’t Hoff图) 制 冷 原 理 与 技 术 2.吸附制冷循环及其热力计算 图3-107 分子筛 对氮气的吸附等 温线及其吸附式 制冷循环过程的 表示 制 冷 原 理 与 技 术 温度降低 和压力升高可 以使得吸附率 增大。 增大。吸附床 可以用作为压 缩机, 缩机,也可以 用作为抽气泵。 用作为抽气泵。 吸附式制冷机的制冷量: 吸附式制冷机的制冷量: ? Q = m(h5 ? h1 ) (3.117) 图3-108 采用2组吸附器的J 采用2组吸附器的J-T节流 加热 原 理 与 技 术 预冷 冷却 逆流式热 交换器 加热 冷腔 冷负荷 图3-109 节流吸附式制冷机的T J-T节流吸附式制冷机的T-S图 吸附器 B 冷 吸附器 A 制 冷却 1 吸附剂质量m的确定 吸附剂质量m 制 冷 原 理 与 技 术 气体质量流量, 气体质量流量,该值与吸附床温升过程及吸附床 中吸附剂质量m有关: 中吸附剂质量m有关: ? m ?x dT =( )p m ?T dt (3.118) 一般来说,m是吸附剂温度T和吸附床压力p的函数。 一般来说, 是吸附剂温度T和吸附床压力p的函数。 温升速率是与吸附床结构设计紧密相关的参量, 温升速率是与吸附床结构设计紧密相关的参量,如果 设计中通过加强吸附床导热(传热强化),可以显著地 设计中通过加强吸附床导热(传热强化) 增大温升速率,从而减小吸附剂质量需求。同样, 增大温升速率,从而减小吸附剂质量需求。同样,如 果所选择的吸附剂对气体工质的吸附等压线很陡( 果所选择的吸附剂对气体工质的吸附等压线很陡(即吸 附率随温度变化很敏感) 附率随温度变化很敏感),则也可以有效地减小对吸附 剂质量的需求。 剂质量的需求。 2.吸附器容器质量的确定 制 冷 原 理 与 技 术 可以根据筒体最大内压P 可以根据筒体最大内压P和金属材料胡克应力 σ来关联吸附器质量ms与吸附剂质量m之比: 来关联吸附器质量ms与吸附剂质量m之比: ms与吸附剂质量 X = m s m = 2 ρ s P ρσ (3.119) 3. 加热功率设计 制 冷 原 理 与 技 术 压缩过程中,与加热面相对的百叶窗开启, 压缩过程中,与加热面相对的百叶窗开启,而与 冷源相对的百叶窗关闭,这样, 冷源相对的百叶窗关闭,这样,热量就传递给了吸附 床热压缩机; 床热压缩机; 在减压降温过程中,与加热面相对的百叶窗关闭, 在减压降温过程中,与加热面相对的百叶窗关闭, 而与冷源相对的百叶窗开启, 而与冷源相对的百叶窗开启,这样热量就从压缩机传 递给了外部。 递给了外部。 如果忽略加热气体本身所消耗的热量 dT dT ? Q h = mC p ( ) + m s C ps ( ) + m?u dt dt (3.120) Qh ?x ?x = [( ) p ? u + C p + XC ps ] /( )p ? m ?T ?T 吸附热可以根据Clausius Clausius吸附热可以根据ClausiusClapeyron 方程来计算 ? ? ln p ? ?u = R ? ? ? (1 / T ) ? c ? ? 如果吸附床加热解吸通过一恒温源T*向吸附床 如果吸附床加热解吸通过一恒温源T*向吸附床 T* 热辐射来实现,设吸附床热压缩机温度为Th Th, 热辐射来实现,设吸附床热压缩机温度为Th,辐射 传热面是黑体,面积为Ah,辐射角系数为1, 则: 传热面是黑体,面积为Ah,辐射角系数为1 Ah,辐射角系数为 制 冷 原 理 与 技 术 Q h = A h σ (T *4 ? T h4 ) ?x ( ) p ?u + C p + XC ps Ah = ?T ?x ? m ( ) p [σ (T *4 ? Th4 )] ?T (3.121) (3.122) 吸附热压缩机冷却时, 吸附热压缩机冷却时,吸附单位质量气体所需排 放的热量。 放的热量。假设吸附床向绝对零度的环境中进行热辐 射,得: ?x ( ) p ?u + C p + XC ps Ac = ?T (3.123) ?x ? m ( ) p σTc4 ?T 图3-110 气体吸附式压缩机的百叶窗设计 制 冷 原 理 与 技 术 图3-111 吸附床压力和温度对热量需求的关系 图3-112 吸附压缩机温度对换热面积的影响 制 冷 原 理 与 技 术 4.温度循环设计 制冷工质确定后,吸附压力(低压) 制冷工质确定后,吸附压力(低压)就受制冷温度 限制,可以认为是一个设计常数。因此只有解吸压力 限制,可以认为是一个设计常数。 可调。解吸压力越高,系统气体流量需求就越小, 可调。解吸压力越高,系统气体流量需求就越小,当 T4温度也越高 温度也越高。 然T4温度也越高。 如果T2固定(冷却温度) (? 如果T2固定(冷却温度), T)max =T4 ?T2 则有一温度 T2固定 循环, 这是吸附剂为了获得气体吸附浓度差, 循环,, 这是吸附剂为了获得气体吸附浓度差,所必 需的;对应的在解吸过程中为了解吸出气体, 需的;对应的在解吸过程中为了解吸出气体,造成对 应的吸附浓度差,过程3 也经历了一个温度循环。 应的吸附浓度差,过程3-4也经历了一个温度循环。循 环温差加大或T2降低均会促使循环吸附量的提高。从 环温差加大或T2降低均会促使循环吸附量的提高。 T2降低均会促使循环吸附量的提高 质流量角度看,T2越低越好 但从传热角度看T2 越低越好, T2高可 质流量角度看,T2越低越好,但从传热角度看T2高可 以有效地减小传热面积。 以有效地减小传热面积。吸附式制冷机循环最大温差 为 (?T)swing = T1 ?T2 。 制 冷 原 理 与 技 术 5. 循环时间 吸附剂吸附气体,实现吸附率差所需的时间为: 吸附剂吸附气体,实现吸附率差所需的时间为: 制 冷 原 理 与 技 术 m ?t = ?x ? m (3.124) 根据具体吸附式制冷机的构成方式可确定其相 应的循环周期计算方法。低温吸附式制冷机往往采 应的循环周期计算方法。 用了2 台吸附器,以充分地回收热量, 用了2台、4台、8台吸附器,以充分地回收热量,提 高吸附式制冷的效率。 高吸附式制冷的效率。相应的循环时间表示方式也 有所不同。 有所不同。 6. 制冷系数 COP = Q Qh 吸附式制冷循环的制冷系数: 吸附式制冷循环的制冷系数: (3.125) 制 冷 原 理 与 技 术 早期的空间用低温吸附式制冷机中, 早期的空间用低温吸附式制冷机中,较多地考虑 的空间用低温吸附式制冷机中 采用余热对吸附器加热、 采用余热对吸附器加热、采用对外层绝对零度空间的 热辐射对吸附器进行冷却,很少用回热循环。 热辐射对吸附器进行冷却,很少用回热循环。 然而近年来 近年来, 然而近年来,在低温吸附式制冷机研究开发中已 经较多的受吸附式空调制冷的影响,高效回热循环方 经较多的受吸附式空调制冷的影响,高效回热循环方 面已经有成功实例。 面已经有成功实例。 图3-113 吸附式制冷机 与机械式制冷 机的比功耗比 较 7. 回热回路设计 回热措施即使高温吸附床降温的显热和吸附过程 中产生的吸附热传递给低温吸附床, 中产生的吸附热传递给低温吸附床,提供低温吸附 床部分热量( 床部分热量(回热量 )。 回热循环的制冷系数COP与基本循环制冷系数 回热循环的制冷系数COP与基本循环制冷系数 COP COP的关系为 COP的关系为 : COP COP r = (3.126) 1? r 吸附式制冷系统中还采用回质循环方式, 吸附式制冷系统中还采用回质循环方式,即在高 回质循环方式 压解吸吸附床与低压吸附吸附床之间串接了一连接管 道和阀门, 道和阀门,使二台吸附器平衡在一接近于平均压力的 中间压力下,这样会造成高压解吸床解吸更充分( 中间压力下,这样会造成高压解吸床解吸更充分(受 抽吸) 而低压吸附床则产生了附加吸附, 抽吸),而低压吸附床则产生了附加吸附,因而循环 吸附率变化可以增大,制冷量可以提高。 吸附率变化可以增大,制冷量可以提高。 制 冷 原 理 与 技 术 制 冷 原 理 与 技 术 具有传热流体的吸附筒结构, 具有传热流体的吸附筒结构,在不锈钢筒内它 结构 充填了泡沫铜活性炭,吸附筒外钎焊了盘管换热器, 充填了泡沫铜活性炭,吸附筒外钎焊了盘管换热器, 管内流体为氦气。为了强化传热, 管内流体为氦气。为了强化传热,泡沫铜吸附床也 与吸附筒内壁通过钎焊连接成一体。 与吸附筒内壁通过钎焊连接成一体。利用这种方式 的吸附筒可以方便地构筑回热型吸附式制冷机, 的吸附筒可以方便地构筑回热型吸附式制冷机,以 提高吸附式制冷机的制冷系数。 提高吸附式制冷机的制冷系数。 图3-114 回热型吸附式制冷机所采用的吸附筒结构 采用回热型吸附式系统需要构建加热/ 采用回热型吸附式系统需要构建加热/冷却流 体回路, 体回路,以实现对多个吸附床之间的热量传递 。 制 冷 原 理 与 技 术 图3-115 多吸 附床回热型吸附 式制冷机的换热 流体回路构成 制 冷 原 理 与 技 术 回热型吸附式制冷机换热流体回路的工作充分 回热型吸附式制冷机换热流体回路的工作充分 换热流体回路 利用了换热流体的热量, 利用了换热流体的热量,使得外部输入热量或向外 界耗散的热量有较大幅度的减小, 界耗散的热量有较大幅度的减小,因而这种回热型 多床系统制冷系数可以有较显著的提高。 多床系统制冷系数可以有较显著的提高。 解吸床 加热 预冷 切换 预冷 预热 吸附床 吸附床 冷却 冷却 预热 加热 解吸床 加热/冷却流体回路设计(8台吸附器) (8台吸附器 图3-116 加热/冷却流体回路设计(8台吸附器) 3.低温吸附式制冷机的设计原则 如果可能,尽量采用化学吸附代替物理吸附, 如果可能,尽量采用化学吸附代替物理吸附,化学吸 采用化学吸附代替物理吸附 附往往在高温热源下工作,其效率较高, 附往往在高温热源下工作,其效率较高,这样的话排 热系统可以做得较轻。 热系统可以做得较轻。 如果采用物理吸附,尽可能采用沸点高的气体作为工 如果采用物理吸附,尽可能采用沸点高的气体作为工 采用物理吸附 这样其与吸附剂间的范德瓦尔斯吸附力会大些, 质,这样其与吸附剂间的范德瓦尔斯吸附力会大些, 因而不需要过高的操作压比。吸附剂应具有吸附率大、 因而不需要过高的操作压比。吸附剂应具有吸附率大、 吸附空隙容积小的特性, 吸附空隙容积小的特性,这样可以减小对总耗能的需 并使得制冷效率得到提高。 求,并使得制冷效率得到提高。 尽量在较高温度水平对吸附式压缩机进行冷却, 尽量在较高温度水平对吸附式压缩机进行冷却,吸附 在较高温度水平对吸附式压缩机进行冷却 式压缩机散热应通过热辐射或对流方式进行, 式压缩机散热应通过热辐射或对流方式进行,尽量避 免采用其它形式制冷源来冷却。 免采用其它形式制冷源来冷却。 对制冷气流应尽可能降低温度,甚至在其到达J 对制冷气流应尽可能降低温度,甚至在其到达J-T节 尽可能降低温度 流阀前使其液化,这样可以有效地提高J 流阀前使其液化,这样可以有效地提高J-T节流冷却装 置的节流效果。 置的节流效果。 制 冷 原 理 与 技 术 制 冷 原 理 与 技 术 JPL的 LaNi5-H2吸附式制冷机用节流系统 吸附式制冷机用节流系统, JPL的 LaNi5-H2吸附式制冷机用节流系统,节流阀 的开启度由节流阀上、 的开启度由节流阀上、下流的压差和弹簧的预紧力所 决定,其原理和开启压力可调节的自动旁通阀( 决定,其原理和开启压力可调节的自动旁通阀(或自动 压力调节阀)一样, 压力调节阀)一样,这种调节阀的优点是比小孔节流阀 的抗堵性能好。 的抗堵性能好。 图3-117 JPL 氢制冷系统节 流阀。 金属流阀。1-金属聚四氟乙烯圈, 聚四氟乙烯圈, 可动阀芯, 2-可动阀芯, 3-弹簧力调节 螺母, 螺母,4-温度 液氢罐, 计,5-液氢罐, 加热器( 6-加热器(模拟 热负荷) 热负荷),7-解 冻加热器。 冻加热器。 氢吸附式制冷机节流阀结构, 氢吸附式制冷机节流阀结构,它采用了侧向出 气形式,节流阀的通量通过弹簧预置, 气形式,节流阀的通量通过弹簧预置,显然它也需 要一定的压差驱动。 要一定的压差驱动。 制 冷 原 理 与 技 术 AESC氢制冷系统节流阀 氢制冷系统节流阀。 调节螺母, 图3-118 AESC氢制冷系统节流阀。1-调节螺母,2-锁 紧螺母, 后盖, 弹簧, 球体(6.35mm) (6.35mm)。 紧螺母,3-后盖,4-弹簧,5-球体(6.35mm)。 制 冷 原 理 与 技 术 热开关型吸附器,加热器在吸附筒中心, 热开关型吸附器,加热器在吸附筒中心,筒外为 低温热沉,吸附筒和热沉之间为气体间隙型热开关。 低温热沉,吸附筒和热沉之间为气体间隙型热开关。 气隙式热开关与各种热开关相比, 气隙式热开关与各种热开关相比,非常适用于吸附式 压缩机。 压缩机。 热开关型吸附筒结构示意图。 图3-119 热开关型吸附筒结构示意图。1-气体间隙式热开关 2-加热器, 吸附剂, 辐射屏, 热沉, (0.25~2.5mm), 2-加热器, 3-吸附剂, 4-辐射屏,5-热沉, 进气阀, 6-进气阀,7-排气阀 4. 典型的吸附式制冷机 制 冷 原 理 与 技 术 (1)活性炭-甲烷物理吸附制冷机(110K(1)活性炭-甲烷物理吸附制冷机(110K-150K) 活性炭 (110K 110K-150K温区内 从长寿命、无振动角度考虑, 温区内, 在110K-150K温区内,从长寿命、无振动角度考虑, 采用活性炭-甲烷物理吸附制冷机是比较有效的。 采用活性炭-甲烷物理吸附制冷机是比较有效的。 活性炭图3-120 活性炭-甲 烷物理吸附制冷机 提高吸附式制冷机的热效率,可以通过回热设 提高吸附式制冷机的热效率,可以通过回热设 来实现回热型制冷循环,对于C/CH4吸附式制冷机, C/CH4吸附式制冷机 计来实现回热型制冷循环,对于C/CH4吸附式制冷机, 采用回热设计比功率获得了较大提高。 采用回热设计比功率获得了较大提高。 制 冷 原 理 与 技 术 制冷机采用了四台吸附式压缩机,吸附压缩机 制冷机采用了四台吸附式压缩机, 的加热解吸和冷却吸附由特定设计的流体回路实现, 流体回路实现 的加热解吸和冷却吸附由特定设计的流体回路实现, 并采用回热 。 图3-121:2W,137K 121:2W, 回热型吸附式制冷机 制 冷 原 理 与 技 术 (2)镨铈氧化物(Pr1PCO)化学吸附制冷机 (2)镨铈氧化物(Pr1-nCenOx, PCO)化学吸附制冷机 镨铈氧化物(Pr1 采用活性炭 甲烷作为第一级吸附式制冷,PCO-O2是 活性炭/ 采用活性炭/甲烷作为第一级吸附式制冷,PCO-O2是 一种非常稳定的化学吸附工作对, 一种非常稳定的化学吸附工作对,其循环工作次数在 上万次时, 上万次时,吸附性能也不会有明显衰减 PCO图3-122 PCO-O2 化学吸附式制冷机 采用活性炭-氪气(C/Kr)物理吸附压缩机作为第一 采用活性炭-氪气(C/Kr)物理吸附压缩机作为第一 (C/Kr) PCO-O2是作为第二级的低温吸附制冷系统 是作为第二级的低温吸附制冷系统, 级、PCO-O2是作为第二级的低温吸附制冷系统,制冷机 PCO为吸附剂 以氧气为制冷剂, 为吸附剂, 以PCO为吸附剂,以氧气为制冷剂,其吸附方式为化学 吸附,吸附/解吸完全可逆。 吸附,吸附/解吸完全可逆。 制 冷 原 理 与 技 术 图3-123: 二级 123: 80K/140K吸附式 80K/140K吸附式 低温制冷机系统 金属吸氢材料吸氢的化学吸附式制冷机(14K (14K(3) 金属吸氢材料吸氢的化学吸附式制冷机(14K-30K) 金属吸氢材料金属吸氢材料-氢吸附式低温制冷机他们采用了 LaNi5作为吸附剂吸附氢气 获得了20K的低温。 作为吸附剂吸附氢气, 20K的低温 LaNi5作为吸附剂吸附氢气,获得了20K的低温。 制 冷 原 理 与 技 术 图3-124 金属 吸氢材料吸氢 吸附式制冷机 制 冷 原 理 与 技 术 25K吸附式制冷机系统以四个吸附床构成吸附压缩 25K吸附式制冷机系统以四个吸附床构成吸附压缩 吸附式制冷机系统以四个吸附床 机,采用 LaNi4.8Sn0.2 作为吸氢材料,并构造了附加 作为吸氢材料, 吸附压缩机以通过冷却和加热来控制 LaNi4.8 Sn0.2 吸 附压缩机中气相空间热开关以免去阀门的操作 。 图3-125:25K吸附式制冷机系统。1-吸附床;2-斯特林制冷机;3125:25K吸附式制冷机系统。 吸附床; 斯特林制冷机; 吸附式制冷机系统 电控箱; 传输杆; 高电子迁移晶体管接收放大器, 冷头, 电控箱;4-传输杆;5- 高电子迁移晶体管接收放大器,6-冷头, 节流阀, 热交换器, 波导管,10-高压容器,11-低压床。 7-J-T节流阀,8-热交换器,9-波导管,10-高压容器,11-低压床。 (4) SH2金属吸氢材料吸氢化学吸附低温制冷机 金属吸氢材料吸氢化学吸附低温制冷机(7K-10K) 金属吸氢材料吸氢化学吸附低温制冷机 为了获得 为了获得7K-10K的 获得 的 低温,可以通过对LH2 低温,可以通过对 的减压来实现, 的减压来实现,通过低 压吸氢材料(如钯 如钯)吸氢可 压吸氢材料 如钯 吸氢可 以将氢气饱和蒸汽压降 得很低。 得很低。 如采用两只液氢杜瓦, 如采用两只液氢杜瓦, 通过采用热开关进行切 换,就可以使得低温器 件连续保持在10K温度 件连续保持在 温度 下。 SH2金属吸氢材 图3-126 SH2金属吸氢材 料吸氢 低压吸氢材料 制 冷 原 理 与 技 术 升华氢气 氢气气流 10K 固态氢 制 冷 原 理 与 技 术 10K间断式氢气吸附式低温制冷系统,采用了60K左右 10K间断式氢气吸附式低温制冷系统,采用了60K左右 间断式氢气吸附式低温制冷系统 60K 的冷源预冷, 为吸附剂使氢气在24 24的冷源预冷,以 LaNi4.8Sn0.2 为吸附剂使氢气在24-30K 中间制冷级循环,并采用ZrNi ZrNi吸氢材料达到真空 的J-T中间制冷级循环,并采用ZrNi吸氢材料达到线毫米汞柱) 低压(压力小于2毫米汞柱),通过对液氢的吸附使液氢 降温并固化,最后通过固态氢的升华达到10K的低温。 10K的低温 降温并固化,最后通过固态氢的升华达到10K的低温。 图3-127:10K间断式氢气吸附式低温制冷系统。 127:10K间断式氢气吸附式低温制冷系统。 间断式氢气吸附式低温制冷系统 LPSB-低压ZrNi吸附床,HPSB ZrNi吸附床,HPSBLPSB-低压ZrNi吸附床,HPSB-高压吸附床 (5) 其它低温吸附制冷机 制 冷 原 理 与 技 术 采用低压吸氢材料吸附氢气,使得液氢固化, 采用低压吸氢材料吸附氢气,使得液氢固化, 固态氢气升华制冷的特殊办法, 固态氢气升华制冷的特殊办法,就必须采用氦制冷 工质,让高压氦气通过20K或更低温度预冷。 20K或更低温度预冷 工质,让高压氦气通过20K或更低温度预冷。 要获得4K-5K的低温, 要获得4K-5K的低温,有2种可能的办法: 4K 的低温 种可能的办法: 磁制冷,采用顺磁盐材料绝热去磁。 磁制冷,采用顺磁盐材料绝热去磁。 采用氦机械压缩机让氦在室温下排热, 采用氦机械压缩机让氦在室温下排热,系统采用 多重复叠制冷可以满足氦制冷要求。 多重复叠制冷可以满足氦制冷要求。 3.2.10 制 冷 原 理 与 技 术 磁制冷 顺磁物质可代替气体或液体, 顺磁物质可代替气体或液体,磁场可代替流体的膨 图3-128 实现绝热去磁过程的装置 胀来得到低温。 胀来得到低温。 制 冷 原 理 与 技 术 热去磁过程只能在极低温下实现, 热去磁过程只能在极低温下实现,若要实现显 著的温降,晶格热必须远小于顺磁盐的磁极熵。 著的温降,晶格热必须远小于顺磁盐的磁极熵。在 极低温下,晶格熵为 极低温下,晶格熵为: (3.127) s 晶格 = 77.9 R(T / θ D ) 3 ( ) 最大偶极子熵为 最大偶极子熵为: s( 偶极子,H = 0) = R ln 2 (3.128) 为确保绝热去磁过程成功的温度条件为 为确保绝热去磁过程成功的温度条件为: 温度条件 77.9 R ( T / θ D ) 3 = ( 0.01) R ln 2 温度上限T0为 温度上限T0为: T0 T0 = θ D [(ln 2) / 7790]1/ 3 = 0.0446θ D (3.129) 制 冷 原 理 与 技 术 要维持温度低于1.0K所采用的绝热去磁制冷机如图, 要维持温度低于1.0K所采用的绝热去磁制冷机如图, 1.0K所采用的绝热去磁制冷机如图 制冷循环为卡诺循环但由于环境漏热及磁场变化需一定 时间的不可逆性, 时间的不可逆性,引入了绝热过程的熵增和理想等温过 程的温升。 程的温升。 图3-129 磁制冷机 图3-130 磁制冷机的热力循环 图3-131 磁制冷机的实际和理想性能 制 冷 原 理 与 技 术 理想状况下,从储存盐中吸热量为: 理想状况下,从储存盐中吸热量为: 制 冷 原 理 与 技 术 Qa = mT3 ( s4 ? s3 ) 理想情况下,工质盐对外放热为: 理想情况下,工质盐对外放热为: (3.130) Qr = mT1 ( s2 ? s1 ) = ?mT2 ( s4 ? s3 ) (3.131) 对整个循环应用第一定律,循环净功为: 对整个循环应用第一定律,循环净功为: Wnet = Qa + Qr = ?m(T1 ? T3 )( s4 ? s3 ) (3.132) 理想磁制冷机的COP同卡诺制冷机的相同。 理想磁制冷机的COP同卡诺制冷机的相同。 COP同卡诺制冷机的相同 磁制冷机可以在失重状态下运行。 磁制冷机可以在失重状态下运行。 3.2.11 制 冷 原 理 与 技 术 稀释制冷机 稀释制冷机用超流氦- 稀释氦- 的办法来制冷。 稀释制冷机用超流氦-4稀释氦-3的办法来制冷。 图3-132 氦-3/氦-4稀释制冷机 3/氦 制 冷 原 理 与 技 术 气体(纯氦 ) 气体(纯氦-3) 由真空泵压缩, 由真空泵压缩,后 在换热器和4.2K的 在换热器和 的 液氦浴中冷却。 液氦浴中冷却。压 缩气体然后通过 1.2K的氦浴冷却而 的氦浴冷却而 冷凝。液氦-3经一 冷凝。液氦 经一 毛细管膨胀,进一 毛细管膨胀, 步在冷却。 步在冷却。液体进 入混合室( 入混合室(氦-3在 在 0.005K和0.050K间 和 间 与氦-4混合 混合) 与氦 混合)之前 在另一换热器中冷 却。 图3-132 氦-3/氦氦 4稀释制冷机 稀释制冷机 制 冷 原 理 与 技 术 图3-133 氦-3/氦-4混合物的相图 氦 混合物的相图 在混合室中, 在混合室中,液 体分离成两相—氦 体分离成两相 氦-3 的稀释相和氦-3的浓 的稀释相和氦 的浓 相。氦-3分子从浓缩 分子从浓缩 相膨胀到稀释相( 相膨胀到稀释相(向 稀释相扩散), ),混合 稀释相扩散),混合 物的温度下降, 物的温度下降,而混 合室从低温区吸热以 维持定温。 维持定温。 制 冷 原 理 与 技 术

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