制冷原理与制冷设备.doc

第一章 人工制冷的基本方法 制冷是指用人工的方法使某一物体或某一空间达到并保持低温。按其所能达到的温度范围，可分为：普冷（120K），深冷（120K----20K）和低温制冷（20K）。在普通制冷范围内，有许多人工制冷方法，即利用吸热效用的物质在相变过程中获得低温，利用气体的节流效应和等墒膨胀获得低温，涡流冷却效用和半导体温差效应。 一、相变制冷的概述 (一) 工程热力学基础 自然界中大多数纯物质都以三种聚集态存在：固相、液相和气相。例如水、制冷剂中的氨、氟里昂、等。 。三项点的概念 （有图） 如图所示，可分为三个区，即固态区、液态区和气态区。其中A点是固液气三态共存的状态，成为三相态。三相态是气液共存曲线的最低点，也称为三相点。每种物质的三相点压力和温度都为定值。如 水 ℃ ℃ ℃ 。气化潜热是指将1kg饱和液体转变成同温度的干饱和蒸汽所需要的热量 用r表示。 。饱和蒸汽和饱和水的混合物称为湿饱和蒸汽，简称湿蒸汽，不含饱和水的饱和蒸汽称为干饱和蒸汽。 。干度：在湿饱和蒸汽区，湿蒸汽成分用干度表示，即 。临界点：在液体的P-V图上，随着饱和压力和饱和温度的提高，液体的预热过程拉长，汽化过程缩短，直到某一压力时，汽化过程线缩为一点，这一点称为临界点。临界点参数称为临界参数，各种物质的临界参数是不同的。 （二）相变制冷的概述 物质有三种集态，即气态、固态、液态。物质集合的改变称为相变。在相变过程中，由于物质分子的重新排列和分子运动速度的改变而吸收或放出热量。这种热量称作潜热。物质从质密态到质稀态将吸收潜热。反之。当它发生由质稀态向质密态相变时将放出潜热。 物质相变制冷是利用液体在低温下的蒸发过程及固体的融化和升华过程向被冷却物体吸收热量——即制冷量。因此，相变制冷有液体气化制冷与固体熔化与升华制冷。在现代制冷技术中，主要是利用制冷工质液体在低压下的气化来制取冷量。 （三）相变制冷的种类 1、液体蒸发制冷 液体气化形成蒸汽，利用该过程的吸热效应制冷的方法称为液体蒸发制冷。 当液体处在密闭容器内时，若容器内除了液体和液体本身的蒸汽外，不含任何其它气体，那么液体和蒸汽在某一压力下达到平衡。如果将一部分饱和蒸汽从容器总抽出，液体就必然要蒸发出来维持平衡，我们以该液体为制冷剂。制冷剂液体气化吸收潜热，该热量来自被冷却的对象，只要液体的蒸发温度比环境温度低，就能使被冷却对象变冷或之它维持在环境温度下某一低温。 2、冰相变冷却 冰相变冷却是最早使用的降温方法，现在仍广泛应用于工、农业、科学研究等领域。冰融化和冰升华均可用于冷却。 常压下冰在零摄氏度融化，冰的汽化潜热为335KJ/Kg，冰冷却时，常借助空气或水作中间介质以吸收被冷却对象的热量，换热过程发生在水或空气与冰表面之间。被冷却物体所能达到的温度一般比冰的溶解温度高5-10摄氏度。为了增大比表面积，可将冰粉碎成碎冰，其表面传热系数可达到116W/（mm*k） 3、冰盐相变冷却 冰盐冷却是利用冰盐融化过程的吸热，冰盐融化过程的吸热分为冰融化吸热和盐溶解吸热这两种作用。起初，冰吸热在零这是度下融化，并在冰表面形成一层水膜；接着，盐溶解于水，变成盐水膜，继而，在较低的温度下盐水膜与被冷却对象发生热交换，这样的过程一直到冰全部融化，与盐形成均匀的盐水溶液，冰盐冷却所能达到的低温程度和混合物与水的比例有关，用冰盐作制冷剂可以获得较低的温度 工业上应用最广的冰盐是冰块与工业食盐NACL的混合物。 4、干冰相变冷却 固态二氧化碳俗称干冰。 二氧化碳的三相点参数为：温度负五十六摄氏度，压力0.52Mpa。干冰在三相点以上吸热时融化为液态二氧化碳；在三相点和三相点以下吸热时变为二氧化碳蒸汽。 干冰是良好的制冷剂，它的化学性质稳定，对人体无害，干冰冷却广泛应用于食品工业，冷藏运输，医疗，人工降雨等方面。 （四）影响液体蒸发吸热的因素 每千克液体汽化时吸热量，即单位制冷量q。， q。=r(1—x)Kj/kg 式中r—液体汽化潜热 x—开始气化时干度 制冷剂的汽化潜热越大或节流后产生的蒸汽越少，则单位制冷量越大，制冷剂的汽化潜热随制冷剂种类的不同而不同，而节流后产生的蒸汽两的多少，不仅与制冷剂的种类有关，而且与节流前后压力范围有关，压力范围越大，则节流后产生的蒸汽量越多，也就是X的数值越大。 二、利用气体的节流效应和等熵膨胀获得低温 实际气体的节流 1、实际过程的热力特性 气体在通过节流阀时 ，由于流速大，时间短，来不及与外界进行热交换，可当作绝热过程来处理，称为绝热节流。节流时存在摩擦损失，所以它是一个不可逆过程，节流后熵值增加，将引起附加功损失，根据稳定流动能量方程式，气体在绝热