制冷方法

1第2章制冷方法制冷的方法很多，常见的有：物质相变制冷，气体膨胀制冷，绝热放气制冷，电、磁制冷。本章介绍现有的各种制冷方法，概述其基本原理和应用领域。利用天然冷源也是获得低温的一个方面(例如，采集和贮存天然冰、冬灌蓄冷、深井水空调等)。面对工业化伴随而来的环境问题压力，利用天然冷源的环保意义日益突出。天然冷源利用会受到更多重视。2．1物质相变制冷2．1．1相变制冷概述物质有三种集态：气态、液态、固态。物质集态的改变称为相变。相变过程中，由于物质分子重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量，这种热量称为潜热。物质发生从质密态到质稀态的相变时，将吸收潜热；反之，当它发生由质稀态向质密态的相变时，放出潜热。相变制冷就是利用前者的吸热效应而实现的。利用液体相变的，是液体蒸发制冷；利用固体相变的，是固体融化或升华冷却。液体蒸发制冷以流体作制冷剂，通过一定的机器设备构成制冷循环，可以对被冷却对象实现连续制冷。它是制冷技术中使用的主要方法。固体相变冷却则是以一定数量的固体物质作制冷剂，作用于被冷却对象，实现冷却降温。一旦固体全部相变，冷却过程即告终止。1．固体相变冷却常用的制冷剂是冰、冰盐、干冰，此外还有一些其他固体物质。(1)冰冷却冰冷却是最早使用的降温方法，现在仍广泛应用于日常生活、工农业、科学研究等各种领域。冰融化和冰升华均可用于冷却，实际主要是利用冰融化冷却。常压下冰在0℃融化，冰的融化潜热为335kJ/kg。能够满足0℃以上的制冷要求。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。此时，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融化温度高5－10℃。厚度10cm左右的冰块，其比表面积在25－30m2/m3之间。为了增大比表面积，可以将冰粉碎成碎冰。水到冰表面的表面传热系数为116W/(m2·K)。空气到冰表面的表面传热系数与二者之间的温度差以及空气的运动情况有关。其值见表2－l。表2－1空气到冰表面的表面传热系数W/（m2·K）温差/K51015空气自然循环4.17.09.3空气强制循环11.617.423.2冰的其他物理特性如下。水冻结成冰时出现膨胀现象，其体积约增大9%。冰的膨胀系数与温度有关；见表2－2。冰的2平均密度为900kg/m3。表2－2冰的膨胀系数温度/℃0－5－10－15－20膨胀系数/×10－42.762.131.711.281.43冰的比热容与温度有关，用下式表达Tc0264.0165.2kJ/(kg·k)(2－1)在温度为－20－0℃范围内，其平均比热容为2.093kJ/(kg·K)。冰的导热系数也随温度改变。在－20℃以下，冰的导热系数的平均值为2.32W/(m·K)。冰在0℃时的导温系数a=0.00419W/h。(2)冰盐冷却冰盐是指冰与盐类的混合物。用冰盐作制冷剂可以获得更低的温度。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包括冰融化吸热和盐溶解吸热这两种作用。起初，冰在0℃下吸热融化，融化水在冰表面形成一层水膜。接着，盐溶于水，变成盐水膜，由于溶解要吸收溶解热，造成盐水膜的温度降低。继而，在较低的温度下冰进一步融化，并通过其表层的盐水膜与被冷却对象发生热交换。这样的过程一直进行到冰全部融化，与盐形成均匀的盐水溶液。冰盐冷却能达到的低温程度与盐的种类和混合物中盐与冰的质量比有关。工业上应用最广的冰盐是块冰与工业食盐NaCl的混合物。表2－3给出NaCl冰盐的融化温度和单位制冷能力。表2－3NaCl冰盐的融化温度和单位制冷能力NaCl与冰的质量比x/％51015202530融化温度tm/℃－3.1－6.2－9.9－13.7－17.8－21.2单位制冷能力q0/kJ/kg314.3284.9259.8238.8213.7192.7工业上还常用如下经验公式计算NaCl冰盐的制冷特性：融化温度tm=－0.7x(2－2)单位制冷能力q0=335+4.187tm(2－3)密度ρ=500+0.5x(2－4)NaCl冰盐与空气之间的表面传热系数值：当温差为5－15℃时，若空气自然对流，表面传热系数为5.8－8.lW/(m2·K)；若空气强制对流，表面传热系数将增大1.2倍。其他种类的冰盐特性如表2－4所示。冰(雪)与某些酸类的混合物也有与冰盐类似的冷却作用和机理，其特性在表2－4中一并列出。表2－4冰盐（酸）混合物特性混合物中的盐(酸)盐（酸）与冰的质量比/％混合后的最低温度/℃CaCl2·6H2O41－9.0NaS2O2·5H2O30－11.0KCl67.5－11.0NH4Cl30－11.03NH4NO325－15.8NaNO360－17.3(NH4)NO359－18.5NaCl62－19.0NaCl·6H2O33－21.282－21.5125－40.3H2SO4(浓度60%)143－55.08－1613－2025－2540－3072－35100－37(3)干冰冷却固态CO2俗称干冰。CO2的三相点参数为：温度－56.6℃，压力0.518MPa。图2－1是CO2的相平衡图。图中示出它的相区和相变特征。干冰在三相点以上吸热时融化，成为液态二氧化碳；在三相点和三相点以下吸热时，则直接升华，成为二氧化碳气体。图2－1CO2的相平衡图A—气－液相界线；B—固－液相界线；C—固－气相界线；l—沸腾；2—融化；3—升华干冰的升华潜热r与温度T之间的关系可用下式表达：3523108.11026.65.665TTTrkJ/kg(2－5)常压下干冰的升华温度为－78.5℃，升华潜热为573.6kJ/kg。升华后的低温二氧化碳气体仍具有显热制冷能力，若再使它温度升到0℃，则总的制冷能力为646.4kJ/kg。所以干冰的制冷能力比冰和冰盐都大。在与冰制冷相同的条件下，干冰的单位质量制冷能力是冰的1.9倍，单位容积制冷能力是冰的2.95倍。干冰的平均密度为1560kg/m3。干冰融化成液体时，体积约增大28.5%。这一点与水冰融化时4体积减小正相反。设计和操作干冰液化设备时务必注意此特性。干冰是良好的制冷剂，它化学性质稳定，对人体无害。早在19世纪，干冰冷却就用于食品工业、冷藏运输、医疗、人工降雨、机械零件冷处理和冷配合等方面。(4)其他固体升华冷却近代科学研究中，为了冷却红外探测器、射线探测器、机载红外设备等的需要，采用了固态制冷剂升华的制冷系统。其制冷温度取决于固体的种类、系统中的压力和被冷却对象的热负荷。通过改变升华气体的流量来调节系统中的背压和温度，就可以保持一个特定的温度。这种制冷系统的工作寿命由固体制冷剂的用量和被冷却对象的负荷决定，有达1年之久的。固体升华制冷的主要优点是升华潜热大，制冷温度低，固体制冷剂的贮存密度大。表2－5列出了一些固体制冷剂的工作温度范围、升华潜热和密度的值。表中温度范围的上限值是相应物质的三相点温度，下限值是相应物质在压力13.33kPa下的平衡温度，升华潜热和密度均为对应于最低(下限)温度时的值。表2－5一些固体制冷剂的工作温度范围、升华潜热和密度固体制冷剂工作温度范围K升华潜热kJ/kg密度kg/m3氢13.9－8.351.1900氖24.5－13.5105.41490氮63.1－43.5152.0940一氧化碳68.1－45.5295.01030氩83.8－47.8205.31710甲烷90.7－59.8494.2520二氧化碳216.6－125.0566.41700氨195.4－150.01837.58002．液体蒸发制冷液体汽化形成蒸气，利用该过程的吸热效应制冷的方法称液体蒸发制冷。液体蒸发制冷循环的基本原理如下(参照图2－2)。当液体处在密闭的容器内时，若容器内除了液体和液体本身的蒸气外不含任何其他气体，那么液体和蒸气在某一压力下将达到平衡。这种状态称为饱和状态。如果将一部分饱和蒸气从容器中抽出，液体中就必然要再汽化出一部分蒸气来维持平衡。以液体为制冷剂，它在汽化时要吸收汽化潜热，该热量来自被冷却对象，只要液体的蒸发温度比环境温度低，便可使被冷却对象变冷或者使它维持在环境温度以下的某一低温。(a)饱和压力曲线(b)构成循环的原理图2－2液体蒸发制冷原理图为了使上述过程得以连续进行，必须不断地从容器中抽走制冷剂蒸气，再不断地将液体补充进5去。通过一定的方法将蒸气抽出，再令其凝结为液体后返回到容器中，就能满足这一要求。为使制冷剂蒸气的冷凝过程可以在常温下实现，需要将制冷剂蒸气的压力提高到常温下的饱和压力。这样，制冷剂将在低温低压下蒸发，产生制冷效应；然后在常温和高压下凝结，向环境温度的冷却介质排放热量；凝结后的制冷剂液体由于压力较高，返回容器之前需要先降低压力。由此可见，液体蒸发制冷循环必须具备以下四个基本过程：制冷剂液体在低压下汽化产生低压蒸气，将低压蒸气抽出并提高压力变成高压气，将高压气冷凝成高压液体，高压液体再降低压力回到初始的低压状态。如此便完成循环。按照实现循环所采用的方式的不同，液体蒸发制冷有蒸气压缩式制冷、蒸气吸收式制冷、蒸气喷射式制冷和吸附式制冷等几种形式。2．1．2蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷的基本系统如图2－3所示。系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成，用管道将它们连接成一个密封的系统。在蒸发器内处于低温低压的制冷剂液体与被冷却对象发生热交换，吸收被冷却对象的热量并汽化。产生的低压蒸气被压缩机吸入，经压缩后以高压排出。压缩机排出的高压气态制冷剂进冷凝器，被常温的冷却水或空气冷却，凝结成高压液体。高压液体流经膨胀阀时节流，变成低压低温的气、液两相混合物，进入蒸发器，其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷，产生的低压气再次被压缩机吸入。如此周而复始，不断循环。图2－3蒸气压缩式制冷的基本系统蒸气压缩式制冷系统中，用压缩机抽出低压气并将其提高压力后排出。气体压缩过程需要消耗能量，由输入压缩机的机械能或电能提供。2．1．3蒸气吸收式制冷蒸气吸收式制冷的基本系统如图2－4所示。6图2－4蒸气吸收式制冷的基本系统1—发生器；2—冷凝器；3—制冷剂节流阀；4—蒸发器；5—吸收器；6—溶液节流阀；7—溶液热交换器；8—溶液泵整个系统包括两个回路：制冷剂回路和溶液回路。系统中使用制冷剂和吸收剂作为工作流体，称为吸收式制冷的工质对。吸收剂对制冷剂气体有很强的吸收能力。吸收剂吸收了制冷剂气体后形成溶液。溶液经加热又能释放出制冷剂气体。因此，可以用溶液回路取代压缩机的作用，构成蒸气吸收式制冷循环。图2－4中，制冷剂回路由冷凝器2、制冷剂节流阀3和蒸发器4组成。高压制冷剂气体在冷凝器中冷凝，产生的高压制冷剂液体经节流后到蒸发器蒸发制冷。溶液回路由发生器1、吸收器5、溶液节流阀6、溶液热交换器7和溶液泵8组成。在吸收器中，吸收剂吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸气，形成富含制冷剂的溶液，将该溶液用泵送到发生器，经加热使溶液中的制冷剂重新以高压气态发生出来，送入冷凝器。另一方面，发生后的溶液重新恢复到原来成分，经冷却、节流后成为具有吸收能力的吸收液，进入吸收器，吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸气。吸收过程中伴随释放吸收热，为了保证吸收的顺利进行，需要用冷却的方法带走吸收热，以免吸收液温度升高。如果将吸收式制冷系统与压缩式制冷系统做个对比，在蒸气吸收式制冷系统中，吸收器好比压缩式制冷系统中压缩机的吸入侧；发生器好比压缩机的排出侧；对发生器内溶液的加热，提供提高制冷剂蒸气压力的能量。蒸气吸收式制冷的机种以其所用的工质对区分。见于研究报道的工质对有许多种。当前普遍应用的工质对有两种：溴化锂－水(制冷剂是水)，氨－水(制冷剂是氨)。溴化锂吸收式制冷机用于制取7－10℃的冷水；氨水吸收式制冷机能够制冷的温度可达－20℃或更低。2．1．4蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷的基本系统如图2－5所示，其组成部件包括喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀和泵。喷射器由喷嘴、吸入室、混合段和扩压器三部分组成。喷射器的吸入室与蒸发器相连，扩压器出口与冷凝器相连。7图2－5蒸气喷射式制冷的基本系统1—喷射器(a—喷嘴；b—扩压器；c—吸入室)；2—冷凝器；