《制冷技术》

第六章 制冷技术第一节 制冷原理（1，2级均需学习）一、概述制冷就是使自然界的某物体或某空间的温度降到低于周围环境温度，并保持在规定低温状态的一门科学技术，它随着人们对低温条件的要求和社会生产力的提高而不断发展。

这里所说的"冷"是相对于环境而言的。

灼热的铁块放在空气中，通过辐射和对流向环境传热，逐渐冷却到环境温度；一杯开水置于空气中，逐渐冷却成常温水，类似这样的过程都是自发的传热降温，属于自然冷却，不是制冷。

因此,制冷就是从物体或空间中取出热量，并将之排放到环境介质中去，使物体或空间的温度低于环境温度的过程。

（一）、制冷技术的发展人类早就有应用天然冷源来降温和储藏食品。

公元前5世纪，埃及人就在尼罗河谷地把盛水陶罐放在屋顶上，利用地面对空间的辐射使水结冰。

3000多年前，埃及的一幅壁画上画了一个奴隶在盛水土罐前挥动扇子使多孔土罐中的水加速蒸发，以获得较低温度的水。

我国劳动人民也早已懂得利用天然冰冷藏食品和防暑降温，《诗经》里就有“二之日凿冰冲冲，三之日纳于凌阴”的记载。

古代人获得和利用天然冷源的简单操作，实际上完全符合现代热工理论的基本原理，为后来出现人工制冷奠定了基础。

自19世纪末开始，人工制冷(机械制冷)逐步进入使用阶段，并迅速得到发展；天然冷源的应用也就逐渐减少。

但是人工制冷需要消耗能源，制冷技术的迅速发展，必然造成制冷能耗的大量增加。

目前，由于世界范围内的能源紧缺，如何有效地利用和开发天然冷源，又日益受到重视。

天然冷源虽然具有较高的节能性和经济性，但是，它的数量和温度毕竟有一定限度，使用也有一定条件。

随着社会生产力的不断发展和人民生活水平的日趋提高，用冷范围日益广泛，对温度值的要求也越来越低，天然冷源已远不能满足社会发展的要求。

1748年，苏格兰科学家库仑观察到乙醚的蒸发会引起温度下降，1755年，他又在真空罩下制得了少量冰，同时发表了论文《液体蒸发制冷》。

因此，人们通常把1755年作为人工制冷史的起点。

从此以后，经过许多科学家的努力和热力学理论的发展，人工制冷技术逐步开始进入应用阶段。

其中应该提到的是德国人林德，他于1875年首先制作了具有实用价值的氨压缩式制冷装置，直至今日，蒸气压缩式制冷仍然是使用范围最广泛的一种制冷方法。

在蒸气压缩式制冷方法出现和发展期间，其它制冷方法也相继出现和不断发展，例如吸收式制冷和蒸气喷射式制冷。

这两种制冷方法的机理和蒸气压缩式相同，都是利用液体在一定压力下汽化吸热，从而产生制冷效应，其区别在于促使工质(制冷剂)进行循环的方式不同。

1834年，法国人珀尔帖发现用两种不同金属组成环路，若通以直流电源，两金属接点处会出现一定温差，当一个接点保持环境温度时，则另一个接点会低于环境温度，出现了冷效应。

珀尔帖效应是塞贝克的逆效应，它是由于两种不同金属节点的电位差产生的：当直流电由高电位的金属流入低电位时，其减少的能量在接点处以热量形式向外放出；而电流由低电位的金属流人高电位时，在接点处从外界吸收能量(热量)。

因此该接点温度就低于环境温度，这种制冷方法通常称为热电制冷。

但由于当时条件所限，热电制冷尚不具备实用价值，直到20世纪初，由于半导体材料的出现。

才使热电制冷逐步进入应用阶段，所以热电制冷也被称为半导体制冷。

另外，利用气体绝热膨胀以及固体绝热去磁法，也可以获得很低的温度。

应该指出，各种制冷方法均有其自身的特点和适用范围，直至今日，没有一种制冷方法在低于环境温度直到接近绝对零度的制冷区间内，能始终保持着最佳的制冷效果。

因此，不同的制冷区间应选用不同的制冷方法。

目前，根据低温的温度要求，通常把制冷范围分为三个区间，即普通制冷范围(简称“普冷”：低于环境温度～一120℃(153K)。

深度制冷范围(简称“深冷”：-120℃～一253℃(153～20K)。

低温制冷范围：-253℃~-273℃(20~0K)。

不同的制冷范围，选用不同的制冷方法。

在空调和食品冷藏，以及一般所要求的用冷温度．均属于普冷范围，使用最广泛的制冷方法是液体汽化法。

目前，利用液体汽化法制冷的装置主要有两种，即蒸气压缩式制冷装置和吸收式制冷装置。

这些装置正沿着系列化、标准化、机组化、自动化和省能化的方向发展。

（二）、制冷技术的应用在现代社会中，制冷技术的应用已涉及到国民经济的各个部门以及人们的日常生活，现就其主要应用方面介绍如下：1．空气调节制冷装置可以用来降低空气的温度和含湿量，从而使空气的温、湿度得到调节。

空气凋节根据其使用场合的不同，分为两种形式：(1)舒适性空调。

这种空调的目的主要是满足人们工作和生活对环境温、湿度的要求，如高温车间降温、医院、会堂、影剧场、宾馆、住宅以及诸如车、船、飞机等各种交通工具的空气调节等。

(2)工艺性空调。

这种空调的目的主要是为了满足生产工艺和检测等对环境温、湿度的要求，如纺织、印刷、电子组件、光学仪器、精密机床、磁悬浮制梁等车间和检测计量室等。

这类空调所需要的温、湿度必需根据工艺要求确定，而且有时要求具有高精度的空调参数，才能保证产品质量和测试数据的正确性。

2．食品冷藏蔬菜、水果、鲜蛋等的低温保鲜储存，肉、鱼、禽类等食品的冻结、冷藏．以防食品变质和平衡食品的季节性生产与全年耗用之间的矛盾，均需制冷装置提供冷源。

另外，食品在运输、销售，以及在单位和家庭存放期间，也应保持合适的低温条件。

因此，冷藏运输工具，如冷藏汽车、火车、冷藏船、冷藏集装箱，以及冷藏商品陈列柜、厨房冰箱和家用电冰箱等冷藏设备都在大力发展和推广应用之中。

冷藏间的温度通常按冷藏食品的种类和时间确定，当冷藏冻结食品时，一般为-18℃～-25℃。

高温间的温度约为0℃左右，主要存放鲜蛋和果蔬类食品。

二、制冷原理由于低温范围不同，所使用的工质、机器设备、采取的制冷方式及其所依据的具体原理有很大差别。

本课题主要涉及的是普通制冷，液体气化制冷法中的蒸汽压缩式制冷，并对吸收式制冷和蒸汽喷射式制冷作简单介绍。

（一）．工程热力学基础在自然界，存在多种形式的能量，例如：电能、光能、机械能、化学能、热能、原子能等等。

这些能量既不能无中生有，也不会自行消灭，但可以从一种形式转换成另一种形式，从一个物体转移到另一个物体。

在制冷工程中，就是利用热能、机械能与电能之间相互转换来达到制冷目的的。

能量在转换过程中，总量保持不变，这就是能量转换与守恒定律。

如果将此定律用于功，热现象，就称为热力学定律。

热力学定律说明了这些能量形式之间内在联系的普遍规律。

1、热力学第一定律热力学第一定律就是论述热能与机械能之间转换关系的能量守恒与转换定律，热力学第一定律可表述为热可以转变为功；功也可以转变为热。

一定量的热消失时，可产生一定量的功；消耗了一定量的功，必将产生与其相应量的热。

热能或称热量是指物体放热或吸热多少的量，用符号Q表示，单位是焦耳(J)。

热力学第一定律可写成如下的数学式：Ｑ=ＡＬ式中：Ａ——功热当量(kJ／N·m)；Ｌ——机械能或机械功(N·m)。

上式只是表示了功与热之间的数学关系，并不等于热可以无条件地全部转换为功。

如果除了热能和机械功外，在变化过程中尚有其它形式的能量参与，则根据变化过程中的能量守恒的原则，热力学第一定律可以写成比较复杂的其它形式的方程式。

２、热力学第二定律热力学第一定律只说明了热能与机械能相互转换以及能量转移过程中的数量关系，是能量转换中“量”的定律，但它并没有涉及能量转换的方向、条件和限度等问题。

根据人们对自然现象观察表明，自然过程的进行都是有方向的，即总是朝着一定的方向进行的。

例如，机械能可以无条件地转化为热能，而热能不可能自动地转化为机械能。

自发过程都是不可逆的，要实现反向过程，必须有另外的补偿过程。

可见，在机械能与热能的转换时，存在方向和条件问题。

热力学第二定律专门叙述了这个问题。

热力学第二定律指明热量与机械功之间相互转换的条件。

热量不可能自动地由低温物体传向高温物体，正如水不会自动地由低处向高处流动一样。

欲使热量由低温物体传向高温物体，必须消耗外功。

人工制冷也是利用热力学第二定律，制冷系统消耗了机械功AL，将热量Qo从低温介质送到高温介质，又根据能量守恒原理，高温介质得到了Qo+AL的热量如图3一l所示，从而实现制冷过程。

为了评定一台制冷机热力性能的优劣，规定了一个指标，称为制冷系数e。

它是指制冷机向被冷却的低温体吸取的热量Qo(单位时间内向低温吸取的热量称为制冷机的制冷量)与所耗功的热当量AL之比，即:：e=Qo／AL制冷系数的值可以大于1。

e值愈大，则在同样条件下该制冷机图6-1 人工制冷原理的热力性能愈好。

它研究制冷技术的重要任务之一，就是要尽量消耗最少的功来获得最大的制冷量，也就是说要设法提高制冷系数。

３、热力学第三定律热力学第三定律指出：不可用有限的步骤使一个物体冷到绝对零度。

即绝对零度(0Ｋ)只能无限地接近但无法达到。

2003年9月由德国、美国、奥地利等国科学家组成的一个国际科研小组，改写了人类创造的最低温度纪录：他们在实验室内达到了仅仅比绝对零度高0.5纳开尔文的温度。

这是人类历史上首次达到绝对零度以上1纳开以内的极端低温。

可见，热力学的三大定律都与制冷技术密切相关。

（二）蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩式制冷的基本原理是：利用某些低沸点的液体在气化时吸收热量而能维持温度不变的性质来实现的。

在日常生活中，我们都有这样的经验：如在皮肤上擦一些酒精，酒精很快干了，这时，皮肤上就产生凉快的感觉，这种现象说明，物质在蒸发时要吸收周围物体的热量，而周围物体由于失去热量，本身温度下降，于是达到制冷的效果。

液体在气化过程中要吸收比潜热，而且随液体的压力不同，其饱和温度(沸点)也不同，压力越低，饱和温度越低。

例如：lkg质量的水，在0.884kPa压力下，饱和温度为5℃，气化时需要吸收2489.05kJ 的热量，1kg质量的氨液，在1个大气压(0.1MPa)下气化时，需吸收1368.15kJ的热量，可达一33.3℃的低温。

因此，只要创造一定的低压条件，就可以利用液体的气化获得所要求的低温。

液体气化制冷的工艺流程，如图6—2。

图中点划线以外部分为制冷段，氨液(制冷系统中称为制冷剂)从贮液器经膨胀阀，降低了压力和温度。

低压低温的氨液流入蒸发器，吸收周围空气或物体的热量而气化，从而使周围空气或物体的温度降低，以达到制冷的目的。

图中点划线以内部分为液化段，它的作用是一方面使蒸发器内保持一定的低压力；另一方面使在蒸发器中气化了的制冷剂液化，重新流回贮液器，再去制冷。

液化的方法是使来自蒸发器的低压制冷剂增压，提高它的饱和温度，再利用自然界中大量存在的常温空气或水(统图6—2 液体气化制冷原理图称冷却剂)，使之在冷凝器内冷凝液化。

图6—2所示的制冷系统，采用压缩机使气态制冷剂增压，故称为蒸气压缩式制冷。