第二章制冷概述12§2—1制冷的概念、分類和應(yīng)用§2—2制冷的方法及基本原理§2—3熱泵及其原理3一、制冷的概念二、制冷的分類三、制冷的應(yīng)用§2—1制冷的概念、分類和應(yīng)用4一、制冷的概念電冰箱、空調(diào)器、制冰機(jī)、冷凍機(jī)等都是制冷設(shè)備，它們能持續(xù)地吸收某特定區(qū)域的熱量并把這些熱量送到自然環(huán)境中釋放掉，使得特定區(qū)域的溫度保持在較低數(shù)值，如圖所示為制冷概念示意圖?！?—1制冷的概念、分類和應(yīng)用制冷概念示意圖5二、制冷的分類簡(jiǎn)稱普冷，取得的溫度在稍低于環(huán)境溫度到-153.15℃之間,這類制冷常用于一般的生產(chǎn)和日常生活?！?—1制冷的概念、分類和應(yīng)用1、普通制冷6簡(jiǎn)稱深冷，取得的溫度在-253.15～-153.15℃之間，這類制冷常用于氣體的液化和分離等?！?—1制冷的概念、分類和應(yīng)用2、深度制冷7取得的溫度在-273.15（絕對(duì)零度）～-253.15℃之間，這類制冷多用于超導(dǎo)等現(xiàn)代尖端科技和軍事領(lǐng)域。必須指出，上述三類制冷的劃分在溫度上并無嚴(yán)格界限?！?—1制冷的概念、分類和應(yīng)用3、低溫和超低溫技術(shù)8三、制冷的應(yīng)用為了防止魚肉、禽蛋、蔬菜、水果、糧食以及名貴皮毛、服裝等物品變質(zhì)，常使用冰箱、冷柜、冷庫(kù)、冷藏車（船）對(duì)物品進(jìn)行冷凍或冷藏?！?—1制冷的概念、分類和應(yīng)用1．物品的冷凍和冷藏9釀酒、飲料、乳制品等食品的加工、裝瓶、儲(chǔ)存都需要低溫環(huán)境。例如在啤酒的生產(chǎn)中，發(fā)酵應(yīng)在8～12℃進(jìn)行，散裝啤酒的儲(chǔ)存和灌裝要在制冷室中進(jìn)行；冰激凌的混合料要冷卻到6℃才能進(jìn)入凍結(jié)器，并在-5℃下變稠后流入容器，然后在低于其凍結(jié)溫度下儲(chǔ)存；速溶咖啡要采用冷凍干燥工藝進(jìn)行生產(chǎn)?！?—1制冷的概念、分類和應(yīng)用2．食品工業(yè)生產(chǎn)10在石油化工、有機(jī)合成、化學(xué)制品、造紙等工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，如液化、冷凝、凝固、分離、精煉、結(jié)晶、濃縮、提純以及控制反應(yīng)等過程的溫度都要用到制冷技術(shù)?！?—1制冷的概念、分類和應(yīng)用3．化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)11耐寒品種的培育、良種精卵的保存、微生物除蟲、人造雨雪等都需要制冷技術(shù)?！?—1制冷的概念、分類和應(yīng)用4．農(nóng)業(yè)生產(chǎn)12建筑工程中也有許多方面需要用到制冷技術(shù)，例如，用凍結(jié)土壤的辦法以利挖掘；用冷卻巨型混凝土塊的辦法，以除去混凝土固化時(shí)釋放的化學(xué)能，從而避免熱膨脹和混凝土應(yīng)力的產(chǎn)生等?！?—1制冷的概念、分類和應(yīng)用5．建筑工程13醫(yī)務(wù)人員利用制冷技術(shù)對(duì)病人進(jìn)行低溫手術(shù)、低溫麻醉，在低溫條件下保存血液、人體干細(xì)胞、人體器官和其他藥品等?！?—1制冷的概念、分類和應(yīng)用6．醫(yī)療衛(wèi)生14液態(tài)氧、氫、氮、氦是醫(yī)療、國(guó)防等諸多領(lǐng)域需要的特殊物質(zhì)，這些物質(zhì)的獲得通常只能采用在加高壓的同時(shí)冷凍空氣的辦法將它們分離出并保存起來?！?—1制冷的概念、分類和應(yīng)用7．氣體的液化15超導(dǎo)的研究和開發(fā)、高真空的獲得、半導(dǎo)體激光、紅外線探測(cè)等需要用到深度制冷，甚至是低溫和超低溫技術(shù)?！?—1制冷的概念、分類和應(yīng)用8．其他方面16一、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)二、吸收式制冷循環(huán)三、蒸汽噴射式制冷循環(huán)§2—2制冷的方法及基本原理四、空氣壓縮式制冷循環(huán)五、溫差熱電制冷六、磁制冷17一、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)在蒸氣壓縮式制冷循環(huán)中，為保證制冷效果和制冷劑的循環(huán)利用，制冷系統(tǒng)必須包含蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流元件4個(gè)基本部件，如圖所示為蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)組成圖。§2—2制冷的方法及基本原理1、蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的組成蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)組成圖18（1）制冷劑汽化吸熱如圖所示為蒸氣壓縮式制冷循環(huán)示意圖，在蒸氣壓縮式制冷中，蒸發(fā)器用于制冷劑的汽化吸熱，而壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流元件則用來處理“廢氣”，具體工作原理如下：§2—2制冷的方法及基本原理2、蒸氣壓縮式制冷的工作原理蒸氣壓縮式制冷循環(huán)示意圖19（1）制冷劑汽化吸熱當(dāng)高壓液態(tài)制冷劑從節(jié)流元件的小孔“擠過”時(shí)壓力下降，進(jìn)入蒸發(fā)器管道后沿程沸騰汽化，吸收蒸發(fā)器周圍介質(zhì)的熱量，使該特定區(qū)域的溫度下降，至蒸發(fā)器出口處，制冷劑已完全成為低壓氣體，如圖所示為蒸發(fā)器中制冷劑熱力狀態(tài)變化示意圖?！?—2制冷的方法及基本原理2、蒸氣壓縮式制冷的工作原理蒸發(fā)器中制冷劑熱力狀態(tài)變化示意圖20（2）壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流元件處理“廢氣”過程1）回收加壓。2）放熱冷凝。如圖所示為冷凝器中制冷劑熱力狀態(tài)變化示意圖。3）節(jié)流降壓?！?—2制冷的方法及基本原理2、蒸氣壓縮式制冷的工作原理冷凝器中制冷劑熱力狀態(tài)變化示意圖21制冷設(shè)備是用節(jié)流元件來實(shí)現(xiàn)節(jié)流降壓的，節(jié)流元件的基本原理如圖所示，它在通道某處的流通截面積急速變小。當(dāng)流體經(jīng)過該處時(shí)，會(huì)受到較大的流動(dòng)阻力，待流出狹道時(shí)，壓力顯著下降，同時(shí)伴隨著溫度下降?！?—2制冷的方法及基本原理2、蒸氣壓縮式制冷的工作原理節(jié)流元件的基本原理22通過上述對(duì)蒸氣壓縮式制冷的分析，可知蒸氣壓縮式制冷實(shí)際上就是在外界（壓縮機(jī)）的幫助下，依靠流體（制冷劑）在適當(dāng)條件下能吸收、攜帶、釋放熱能的特性，把熱能從低溫處轉(zhuǎn)移到高溫處的過程，如圖所示為制冷中的能量轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化示意圖。§2—2制冷的方法及基本原理3、蒸氣壓縮式制冷的實(shí)質(zhì)制冷中的能量轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化示意圖23二、吸收式制冷循環(huán)吸收式制冷系統(tǒng)的組成如圖所示，從圖中可以看到它也由蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流元件等組成。與蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)組成不同的是，壓縮機(jī)被吸收器、溶液泵、發(fā)生器和調(diào)壓閥等取代，它們的作用與壓縮機(jī)類似，故被稱為“熱化學(xué)壓縮機(jī)”?！?—2制冷的方法及基本原理1、吸收式制冷系統(tǒng)的組成蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)組成圖24從上圖可見，吸收式制冷循環(huán)也包括高溫制冷劑蒸氣的放熱冷凝過程、高壓制冷劑液體的節(jié)流降壓過程和低壓制冷劑液體的吸熱汽化過程，這些過程與蒸氣壓縮式制冷循環(huán)過程類似。但是，制冷劑回氣的增壓過程與蒸氣壓縮式制冷循環(huán)不同，而是在吸收式制冷中依靠“發(fā)生器—吸收器組”來完成的。下面簡(jiǎn)要介紹“發(fā)生器—吸收器組”的工作原理?！?—2制冷的方法及基本原理2．吸收式制冷的工作原理25如圖所示為吸收式制冷循環(huán)示意圖，來自發(fā)生器的高溫、高壓吸收劑液體經(jīng)調(diào)壓閥降壓后進(jìn)入吸收器，在冷卻水的作用下降溫后強(qiáng)烈地吸收來自蒸發(fā)器的低溫、低壓制冷劑蒸氣，從而形成制冷劑—吸收劑混合溶液?！?—2制冷的方法及基本原理2．吸收式制冷的工作原理吸收式制冷循環(huán)示意圖26由上述分析可見，吸收器、溶液泵和發(fā)生器相當(dāng)于一臺(tái)壓縮機(jī)，它們使制冷劑蒸氣完成由低壓到高壓的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。為使工質(zhì)對(duì)中的吸收劑也能循環(huán)使用，發(fā)生器中制冷劑吸熱汽化后，留下的吸收劑溶液經(jīng)調(diào)壓器節(jié)流減壓降溫后重新返回吸收器，并可以再次吸收低溫、低壓的制冷劑蒸氣?！?—2制冷的方法及基本原理2．吸收式制冷的工作原理27三、蒸汽噴射式制冷循環(huán)如圖所示，蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)主要由鍋爐、蒸汽噴射器、冷凝器、凝結(jié)水泵、蒸發(fā)器等組成?！?—2制冷的方法及基本原理1、蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)的組成蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)的組成28從上圖可見，吸收式制冷循環(huán)也包括高溫制冷劑蒸氣的放熱冷凝過程、高壓制冷劑液體的節(jié)流降壓過程和低壓制冷劑液體的吸熱汽化過程，這些過程與蒸氣壓縮式制冷循環(huán)過程類似。但是，制冷劑回氣的增壓過程與蒸氣壓縮式制冷循環(huán)不同，而是在吸收式制冷中依靠“發(fā)生器—吸收器組”來完成的。下面簡(jiǎn)要介紹“發(fā)生器—吸收器組”的工作原理。§2—2制冷的方法及基本原理1、蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)的組成29（1）鍋爐（2）蒸汽噴射器蒸汽噴射器的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖所示。（3）冷凝器（4）凝結(jié)水泵（5）蒸發(fā)器§2—2制冷的方法及基本原理1、蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)的組成蒸汽噴射器的結(jié)構(gòu)及工作原理30如圖所示為蒸汽噴射式制冷循環(huán)示意圖，在蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)中，同時(shí)有兩個(gè)蒸汽循環(huán)，一個(gè)是制冷劑蒸汽循環(huán)，另一個(gè)是補(bǔ)償制冷循環(huán)所需要能量的工作蒸汽循環(huán)，具體過程如下：§2—2制冷的方法及基本原理2、蒸汽噴射式制冷的工作原理蒸汽噴射式制冷循環(huán)示意圖317—8：鍋爐中的水被加熱后沸騰汽化，產(chǎn)生高壓工作蒸汽。8—9：高壓工作蒸汽進(jìn)入噴管后降壓、增速，造成混合室具有一定的真空度，使與混合室相連的蒸發(fā)器獲得水在低溫下沸騰汽化所需的低壓，并使混合室對(duì)蒸發(fā)器產(chǎn)生的低壓蒸汽具有引射抽吸作用。1—9：蒸發(fā)器中的水沸騰汽化時(shí)產(chǎn)生的低壓制冷劑蒸汽被引射吸入混合室。9—2：從噴管中射出的低壓高速（速度可達(dá)1000～1200m/s）工作蒸汽與被吸入的低壓制冷劑蒸汽在混合室均勻混合。§2—2制冷的方法及基本原理2、蒸汽噴射式制冷的工作原理322—3：在混合室中的高速混合蒸汽進(jìn)入擴(kuò)壓管后，因流道截面減小，在速度大幅下降的同時(shí)壓力大幅提高，使混合蒸汽的壓力升至在常溫下能被冷凝液化所需的壓力。3—4：混合蒸汽進(jìn)入冷凝器放熱液化，變?yōu)轱柡退?—5：一部分飽和水經(jīng)節(jié)流閥減壓降溫后返回蒸發(fā)器，作為制冷劑繼續(xù)循環(huán)。4—6：另一部分飽和水經(jīng)水泵升壓后送回鍋爐，補(bǔ)充水分。6—7：送回鍋爐的水在鍋爐中加熱，再次成為工作蒸汽?！?—2制冷的方法及基本原理2、蒸汽噴射式制冷的工作原理33（1）混合蒸汽背壓特性變化對(duì)循環(huán)的影響（2）工作蒸汽特性變化對(duì)循環(huán)的影響（3）蒸發(fā)溫度變化對(duì)循環(huán)的影響§2—2制冷的方法及基本原理3．影響蒸汽噴射式制冷循環(huán)的主要因素34（1）制冷設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。（2）沒有運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)單，維修方便。（3）循環(huán)耗電量少，能節(jié)約能源。（4）用水作為制冷劑，價(jià)廉易得，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無毒、無臭、無燃燒爆炸危險(xiǎn)，汽化潛熱大。（5）工作蒸汽消耗量大，制冷循環(huán)效率較低?！?—2制冷的方法及基本原理4、蒸汽噴射式制冷的特點(diǎn)35四、空氣壓縮式制冷循環(huán)如圖所示，空氣壓縮式制冷系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、冷卻器、膨脹機(jī)、吸熱器等組成。§2—2制冷的方法及基本原理1、空氣壓縮式制冷系統(tǒng)的組成蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)的組成36（1）空氣壓縮機(jī)與蒸氣壓縮式制冷類似，空氣壓縮機(jī)在空氣壓縮式制冷系統(tǒng)中，通過消耗外界機(jī)械功來壓縮制冷劑——空氣，并提供制冷循環(huán)的動(dòng)力。（2）冷卻器冷卻器是空氣壓縮式制冷系統(tǒng)中向高溫?zé)嵩捶艧岬膿Q熱設(shè)備，與蒸氣壓縮式制冷中有所區(qū)別的是，制冷劑在冷卻器中不發(fā)生相變，而只向冷卻介質(zhì)放出顯熱?！?—2制冷的方法及基本原理1、空氣壓縮式制冷系統(tǒng)的組成37（3）膨脹機(jī)膨脹機(jī)是用來使空氣壓縮式制冷循環(huán)中的制冷劑(空氣)降壓并產(chǎn)生所需低溫氣流的設(shè)備，它比使用節(jié)流器件能獲得更低的溫降。（4）吸熱器吸熱器是空氣壓縮式制冷循環(huán)中制冷劑從低溫?zé)嵩次諢崃康臒峤粨Q器，在吸熱過程中，制冷劑同樣不發(fā)生相變?！?—2制冷的方法及基本原理1、空氣壓縮式制冷系統(tǒng)的組成38為了說明氣體膨脹法制冷的原理，先來看下面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。用氣筒給自行車輪胎打氣的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)氣筒壁的溫度升高。這說明氣體加壓后溫度會(huì)升高。氣體減壓后，溫度是否會(huì)降低呢？實(shí)驗(yàn)的結(jié)果完全證實(shí)了這種想法。當(dāng)氣體流經(jīng)孔板或閥門時(shí)，由于流道截面突然縮小，流動(dòng)阻力增大，節(jié)流后的氣體在減壓的同時(shí)降溫，產(chǎn)生了制冷效應(yīng)?！?—2制冷的方法及基本原理2、空氣壓縮式制冷原理39（1）傳熱溫差對(duì)循環(huán)的影響在高、低溫?zé)嵩礈囟炔蛔儠r(shí)，傳熱溫差的存在將導(dǎo)致制冷量減少、功耗增大、向高溫?zé)嵩捶艧嵩龃?、壓縮比（壓縮機(jī)排氣壓力與吸氣壓力之比）增大、制冷系數(shù)下降。（2）壓縮比對(duì)循環(huán)的影響壓縮比較大和較小都將導(dǎo)致制冷效率的降低?！?—2制冷的方法及基本原理3、影響空氣壓縮式制冷循環(huán)的主要因素40（3）回?zé)釋?duì)循環(huán)的影響回?zé)崾侵评湎到y(tǒng)的一種內(nèi)部換熱形式，大多制冷設(shè)備采用回?zé)岽胧┛商岣咧评淞亢椭评湫?，這里也不例外。（4）空氣凈化度和干燥度對(duì)循環(huán)的影響制冷劑——空氣中的水分不但會(huì)降低循環(huán)制冷量，還會(huì)因低溫凍結(jié)阻塞通道，甚至與固體雜質(zhì)一起磨損運(yùn)動(dòng)部件?！?—2制冷的方法及基本原理3、影響空氣壓縮式制冷循環(huán)的主要因素41（1）制冷溫度在-80℃以下時(shí)采用空氣壓縮式制冷循環(huán)，不但能使制冷系數(shù)高于蒸氣壓縮式，而且降溫性能好、系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單。（2）制冷工質(zhì)無害、無污染，且易于獲得。（3）系統(tǒng)氣密性要求低，運(yùn)行可靠。（4）系統(tǒng)使用靈活，對(duì)不同使用目的和要求的適應(yīng)性較強(qiáng)。（5）制冷量容易調(diào)節(jié)，操作、維護(hù)簡(jiǎn)單。在普通制冷中，氣體膨脹法制冷的效率雖然不高，但能制取很低的溫度。因此，它常用于深度制冷和低溫技術(shù)中?！?—2制冷的方法及基本原理4、空氣壓縮式制冷的特點(diǎn)42五、溫差熱電制冷溫差熱電制冷也稱熱電制冷。為了說明這種制冷方法的原理，先了解與其相關(guān)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。（1）塞貝克效應(yīng)如圖所示?！?—2制冷的方法及基本原理1、塞貝克效應(yīng)和珀?duì)栙N效應(yīng)塞貝克效應(yīng)示意圖43（2）珀?duì)栙N效應(yīng)上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不禁會(huì)使人產(chǎn)生這樣的想法：如果讓環(huán)路的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)放在同一溫度環(huán)境中，給環(huán)路通以直流電流，那兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是否會(huì)產(chǎn)生溫差呢？實(shí)驗(yàn)的結(jié)果完全證實(shí)了這種想法，這就是“珀?duì)栙N效應(yīng)”，如圖所示?！?—2制冷的方法及基本原理1、空氣壓縮式制冷系統(tǒng)的組成珀?duì)栙N效應(yīng)示意圖44半導(dǎo)體制冷的基本單元是半導(dǎo)體熱電偶，如圖所示，它主要由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體構(gòu)成。§2—2制冷的方法及基本原理2、半導(dǎo)體制冷的工作原理半導(dǎo)體制冷熱電偶45如圖所示為半導(dǎo)體熱電偶制冷示意圖，當(dāng)給半導(dǎo)體熱電偶通上直流電流，使電流從N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體時(shí)，在P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)連接的一端（上端）溫度下降，產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，此端稱為冷端；而在電流由P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體的下端溫度上升，產(chǎn)生放熱現(xiàn)象，此端稱為熱端?！?—2制冷的方法及基本原理2、半導(dǎo)體制冷的工作原理半導(dǎo)體熱電偶制冷示意圖46如圖1所示為半導(dǎo)體制冷中的吸熱機(jī)理。相反，當(dāng)電子從N型半導(dǎo)體中進(jìn)入P型半導(dǎo)體時(shí)，就要以熱能的形式放出多余的能量，如圖2所示為半導(dǎo)體制冷中的放熱機(jī)理?！?—2制冷的方法及基本原理2、半導(dǎo)體制冷的工作原理1-半導(dǎo)體制冷中的吸熱機(jī)理2-半導(dǎo)體制冷中的放熱機(jī)理47一對(duì)半導(dǎo)體熱電偶的制冷能力是很小的，在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得較大的制冷量需將很多對(duì)半導(dǎo)體熱電偶聯(lián)合起來使用。如圖所示為單級(jí)串聯(lián)熱電堆，所有的冷端置于一側(cè)，所有的熱端置于另一側(cè)?！?—2制冷的方法及基本原理3、半導(dǎo)體熱電堆單級(jí)串聯(lián)熱電堆48如圖所示為幾種多級(jí)半導(dǎo)體熱電堆，為了獲得更低的溫度或更大的溫差，可采用多級(jí)半導(dǎo)體熱電堆制冷，即將半導(dǎo)體熱電偶按串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等多種形式組合起來使用。目前，二級(jí)、三級(jí)半導(dǎo)體熱電堆應(yīng)用較為廣泛。§2—2制冷的方法及基本原理3、半導(dǎo)體熱電堆幾種多級(jí)半導(dǎo)體熱電堆a(bǔ))串聯(lián)二級(jí)熱電堆b)并聯(lián)二級(jí)熱電堆c)串并聯(lián)三級(jí)熱電堆49（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械部件少，維修方便。（2）無機(jī)械傳動(dòng)部件，無磨損，無噪聲，使用壽命長(zhǎng)。（3）不使用制冷劑，無污染，不會(huì)產(chǎn)生有害氣體。（4）冷卻速度可通過電流來調(diào)節(jié)控制，作用速度快，工作可靠，體積小，重量輕?！?—2制冷的方法及基本原理4、半導(dǎo)體制冷的優(yōu)點(diǎn)50六、磁制冷在自然界中，由磁性粒子構(gòu)成的固體磁性物體稱為磁介質(zhì)，它在外磁場(chǎng)作用下表現(xiàn)出磁性的現(xiàn)象稱為磁化。物體磁化后會(huì)產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，不同的磁介質(zhì)產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)情況不同。在外磁場(chǎng)的作用下，附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相同的磁介質(zhì)稱為順磁體，附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相反的磁介質(zhì)稱為抗磁體。§2—2制冷的方法及基本原理1、磁制