1课题一 入门知识.docx

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1课题一入门知识

课题一入门知识

一、教学要求：

1、了解制冷工作在工农生产及人民生活中的工作任务。

2、了解、实习场地的设备和本专业操作中的常用工具、刃具、器具，以及仪器、仪表。

3、了解实习场地的规章制度及安全文明生产。

二、学习内容：

制冷业和制冷技术的产生，发展和应用、是由于社会生产和人民生活的需求而产生的。

冰箱和空调的生产和大幅度的社会需求普及，大大促进了我国制冷技术的发展和提高。

制冷技术是一门研究人工制取低温的原理，设备和应用的科学技术，在工业生产和科学研究中，通常把制冷分为“普冷”和“深冷”（低湿），以-120℃为界，制冷温度高于-120℃称为“普冷”，低于-120℃称为“深冷”。

但是，它们的界线并不是绝对的。

§1—1制冷技术的发简史

早在公元前1千多年，我国的劳动人民就开始在冬季采集，贮藏天然水，贮存在冰窑中，供夏天天气热时进行食品冷藏和防暑降温用。

到了唐朝，人们开始生产冰镇饮料，以供人们防暑降温而食用。

这些只是人们对天然冰的收藏和利用，还谈不上制冷。

现代的制冷技术是在18世纪中叶开始的。

最早利用已醚蒸发使水结冰，是1755年爱丁堡的化学教授库伦（WiLLiam）前先发明的。

后经他的学生布拉克（Black）从本质上解释了融化和化现象，提出了潜热的概念，并且，发明了冰量垫器，这时，则标志着现代制冷技术的开始。

1834年，美国的发明家波尔金斯（PerKin）在伦敦制造出了第一台从已醚为工质的蒸汽压缩机，并申请了专利。

这台机器的重要在于是实现了闭合循环。

这里后来所有蒸汽压缩式制冷机的雏形。

但以已醚作为工质容易爆炸。

到1875年卡（carre）和林德（Linde）开始用氨（NH3）作制冷剂，减小了设备的体积，自此，蒸汽压缩式制冷机装置的生产和应用中占了统治地位。

人工制冷正式大规模地用于生产，还是在上世纪中叶活塞式压缩机的发明之后。

在此其间，1844年，美国医生高里（Gorrie）发明了空气制冷机。

1859年，开（Carre）发明氨水吸收式制冷系统。

1901年，莱兰克（leblane）发明了蒸汽喷射式制冷系统。

1901年，录用电冰箱问生，1917年美国开始作为商品投放市场。

1830年，竺利昂制冷工质的出现。

氟的昂制冷机的使用给制冷技术节来了新的变学。

我国的制冷专业的形成和发展可分为二个阶段。

解放前，无人重视，我国少数几个制冷工厂被外国人挖制。

致使制冷工业发展甚。

我国的制冷行业只限于安装、修理。

至1949年全国解放时，全国的冷藏库容易只省二万多吨。

仅上海、大连、等地有几家制冷设备修理厂。

解放后，到1960年为止我国的冷库容易达40多万吨口在制冷业制造和设计，使用和按装方位，也有了突飞猛进的发展。

并制定了有关的学制和标准规范。

是近二十年，学开放，促进了制冷业的发展，使我国制冷技术上了一个新的台阶，有引起产品的技术性能已达到和迎国际先进水平，产品品种有活塞，螺杆式、离心式、吸散式、电式和蒸喷式制冷机基本上满足了国内市场的需求，有的产品已开始打入国际市场。

在国内，制冷业已形成了教学，科研、设计和生产体系。

但与发达国家相比还存在着较大的差距，这就需要我们不断努力，把我国的制冷业推向一个新的水平。

§1—2制冷技术的应用

制冷技术的应用，从工农业生产到人们的日常生活，应用范围非常的广泛。

制冷技术在冷冻与冷藏上的应用主要是对易腐食品（如肉、蛋、果类、菜等）进行冷加工、冷藏，以及冷藏运输，以保证各个季节的市场供应和市场的合理分配。

保证人民的政党生活的需求。

具体的制冷装置有冷库、冷藏柜、冷藏汽车，冷藏船，冷藏列车，冷藏食品陈列柜，家用冷柜和家用冰箱等。

由于人们生活水平的提高，和制冷技术的发展，人们开始追求舒适的工作和生活环境，于是空调技术的使用得到了很大的发展。

空调设备普遍应用于宾馆、商场、剧声、公共建筑、汽车、飞机居民住宅，为人们提供了适宜的工作和生活环境，人仅有益于人们的身心健康，而且大大提高了生产和工作效率和人们的生活水平。

此外，制冷技术在社会各个方面的利用，对社会上各个方面的生产起着重要的作用。

纺织厂、造帛厂、印刷厂、胶片厂、精密仪器车间、精密机床的装配和加工使用车间，精密计量室、计算机房等都需要用除湿机式空调除湿机来进行恒温和除湿，以保证产品的质量和机器仪表工具、量具的精度，或精密设备的精密度和正常特性。

除此之外，制冷技术还广泛应用于药品的保存，冷冻手术，如：

外科、肿瘤科、眼科手术中、生物化学产品、药品，也利用其它冷冻干燥。

近几十年来，电子技术、能源、宇宙开发，生物技术等类端科学领域中，制冷技术也起着相当重要的作用。

§1—3制冷的方法与种类

一、什么叫人工制冷？

冷和热概念是相对。

在制冷技术中，所谓冷是指低于周围介质（水或空气）温度的状况。

两种不同温度的物体相接触，就会发生热，而热量总是从温度较高的物体传向温度较低的物体，直至两物体温度相等，热量的传递才停止。

热量绝不会自发的从温度较低的物体传向温度较高的物体，这是自然界的客观规律。

人工制冷，是借助于一种专门装置，消耗是的外界能量，迫使热量从温度较低的被冷却物体，转多给温度较高的周围介质得知人们所需要的各种低温。

这种专门的装置称为制冷装置。

研究低温的产生，应用以及各种物质，在低温条件下的物理，化学、生物学等变化技术，称为制冷技术，它是现代科学技术的一个重要分支。

二、制冷的方法和种类

制冷有多种方法。

在制冷技术中最广泛使用的是机械制冷；另外，还有热电制冷和磁制冷。

1、机械制冷：

在很久以前，人们为了防暑降温和短期保食品，曾经应用过天然冷源，包括井水和冬季贮存下来的冰和雪。

在《诗经》一书中就有关于我们的祖先采集、贮存和使用天然冰的记载。

直至现在，有些地方还在继续应用天然冷拳，而且发展了深井冬灌夏用（冬季将经过冷却的地面水灌入深井中，翌年夏天抽出使用）的应用方法。

但因受地域和条件的限制，天然冷源无论在温度和冷量方面均不能满足现代化生产和生活的需要。

因此，近一百多年来，在空气调节、食品的冷加工和冷藏、冷运、工业生产的某些环节和科学研究等方面，主要是依靠人工制冷方法提供冷量，并在此基础上发展了制冷技术。

“制冷”是指从温度较低的物体吸取热量，并将其转移到环境会质中去的过程。

其功用是使物体降低到或保持在比环境介质温度更低的温度。

按照现在的概念，制冷技术涉及的制冷温度范围，是从稍低于环境介质温度到120K。

更低的制冷温度属低温技术领域。

制冷有多种方法。

在制冷技术领域内最广泛使用的是机械制冷；此外，还有热电制冷和磁制冷。

简要介绍这几种制冷方法及其应用。

机械制冷是依靠机械作用或热力作用，使制冷工质发生状态变化（包括集态变化），完成制冷循环，并利用工质在低温下的温升或集态变化进行制冷。

机械制冷按其实现制冷循环的方式，可分为蒸汽制冷和气体制冷两种类型。

现代制冷技术主要采用蒸气制冷方法。

在这种制冷方法中，工质的蒸气制冷首先被压缩到比较高的压力，被外部冷却介质（冷却水或空气）冷却而转变为液体，再经节流，压力和温度同降低，利用低压力下工质液体的蒸发即可制得冷量。

采用这种制冷方法时，所用的工质必须具有这样的特性：

在常温或普通低温下能够液化。

按照实现蒸汽压缩过程的方法，蒸气制冷又有蒸气压缩制冷、吸收制冷和蒸汽喷射制冷。

蒸气压缩制冷是用各种类型的压缩要完成工持蒸气的压缩过程，它是应用最广泛的一种制冷方法。

吸收式制冷是用热化学方法完成工质蒸气的压缩过程，也是现代较常应用的一种制冷方法。

蒸汽喷射制冷是用蒸汽喷射器完成工质蒸汽（水蒸汽）的压缩过程，这一制冷方法曾经被应用过，现时已处于被淘汰的地位。

蒸气压缩制冷从开始发展到现在已有100多年的历史，而具已发展到相当完备的程度。

它有多种机型，制冷温度从5到-150，单机制冷量从100W左右到数千千瓦，已广泛用于空气调节、各种冰箱、食品的冷加工和冷藏、交通运输、建筑工程、化工、石油、天然气等工业的某些生产过程、以及科学研究和国防设施的许多方面。

吸收式制冷也已有100多年的历史，其中得到广泛应用的是溴化锂吸收制冷，它用水为制冷剂，制冷温度在0以上，用于空气调节及生产工艺用冷水设备。

制冷和空调设备的生产，在机械加工工业中已占相当大的比重，而制冷和空调设备的耗电量，在总耗电量也已占相当大的比重。

2、热电制冷

热电制冷亦称温差电制冷，或半导体制冷，是利用半导体材料的热电转换取效应来制冷的。

将一个“电子型”（N型）半导体和一个“空穴型”（P型）半导体，按照图2—1a所示方式，用导体（铜片或铝片）联接起来，组成一个电偶对，并通过从N型半导体流向P型半导体的直流电，则电偶对接电源的一端温度升高，对外放热，称为热端；另一端温度降低，产生吸热效应，称为冷端。

如果改变直流电的流动方向，则原来的冷端变为热端，原来的热端变为冷端。

利用电端的吸热效应即可制冷。

不过一个电偶对的制冷量有限，在实用中通常是将数十个电偶对串联起来，如图2—1b所示，组成电堆，以增大制冷量。

这样的电堆称单级电堆。

还可以将两个或三个单级电堆叠置起来，利用上一级电堆的吸热效应，吸收下一级电堆的放热量，组成多级电堆，以扩大半导体制冷的温度差，即可得到较低的制冷温度。

图2—1半导体制冷原理图

a）电偶对b）单级电堆P29

半导体制冷设备简单巧小，设置和使用都很方便，但耗电较大、效率较低，因而应用受到限制。

现在，半导体制冷主要用于需冷量较小的一些特殊场合，如电子装置中某些发热元件的冷却、则温系统中的零点仪、冷冻医疗用的冷疗器等。

3、磁制冷

磁制冷是用磁性介质（顺磁盐）在磁场中交替经过加磁和退磁，以完成磁制冷循环。

磁制冷在低温技术领域中已得实际应用，但在制冷技术中的应用还处于研究阶段。

简介几种制冷的方法：

1、蒸气压缩式制冷

蒸气压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成（图1—1），用管道将其连成一个封闭的系统。

工质在蒸发器内吸收热量并汽化成蒸气，压缩机不断地将蒸气从蒸发器中抽走，将它压缩后，在高压下排出，这个过程需要消耗能量。

经压缩的高温、高压蒸气在冷凝器内被常温冷却介质（通常是常温水或空气）冷却，凝结成高压液体。

利用节流装置使高压液体节流，节流后的低压，低温湿蒸气进入蒸发器，再次汽化，吸收被冷却对象的热量，如此周而复始。

蒸气压缩式制冷机是目前应用最广泛的一种制冷机。

2、吸收式制冷；

液体汽化制冷除了上述使用压缩机不断吸走汽化产生的蒸气外，还可以利用某些物质对制冷剂蒸气有很强的吸收能力这一特性来吸收蒸气。

例如水可以吸收氨蒸气，浓溴化锂溶液可以吸收水蒸气。

将一只装有氨溶液的容器与一只装有水的容器共置于一个真空的球形罐内，两个容器内分别安置温度计以测量它们的温度变化，结果发现装有氨溶液的容器的温度不断的降低，而装有水的容器的温度不断的升高，这是由于水吸收氨蒸气，使氨蒸气不断汽化，汽化时从剩余的氨溶液中吸取汽化潜热所致，同时水吸收氨蒸气是一个放热过程，所以装有水的容器的温度是升高的。

在这一系统中氨称为制冷剂，水称为吸收剂。

利用这个原理工作的制冷机称为氨水吸收式制冷机。

应用浓硫酸和水制冷的系统称为硫酸水溶液吸收式制冷机。

吸收式制冷循环的工作原理如图1—2所示。

如果将它和蒸气压缩式循环相比较，可以看出系统中的冷凝器、节流阀、蒸发器与蒸气压缩式循环的相应部件是完全相同的，而压缩机被吸收器、溶液泵、热交换器、溶液节流阀和发生器所代替，这一组部件起到和压缩机完全相同的作用。

溶液吸收氨的过程是放热过程，因此吸收器必须被冷却，否则随着温度的升高，吸收器将丧失吸收能力。

由溶液泵将吸收器中形成的氨水浓溶液的压力升高，送入发生器。

在发生器中溶液被加热至沸腾，产生的蒸气经过精馏后几乎是纯氨蒸气，然后被送入冷凝器。

在发生器中形成的稀溶液返回吸收器中。

为了保持发生器和吸收器之间的压差，在连接道上安装了溶液节流阀。

吸收式制冷机的另外一种类型是以水为制冷剂，溴化锂溶液为吸收剂，称为溴化锂吸收式制冷机。

它与氨水吸收式制冷机的工作原理一样，只不过是用溴化锂水溶液代替了氨水溶液。

由于水在0时会结冰，因此溴化锂制冷机只能制取0以上的冷量，溴化锂吸收式制冷机通常用于制取空调系统的冷水。

吸收式制冷机的加热热源可以是：

蒸汽、高于75的热水、燃气、废热、化学反应热、太阳能热等。

3、蒸汽喷射式制冷

蒸汽喷射式制冷机也是依靠液体的汽化来制冷的。

这一点和蒸汽压缩式及吸收完全机同，不同的是它是利用喷射器完成从蒸发器中抽取并压缩蒸汽的。

蒸汽喷射式制冷机主要由冷凝器、蒸发器、节流阀、泵、喷射器等组成。

喷射器又由喷嘴a、吸入室b、扩压器c三个部分组成，如图1—3所示。

喷射器的吸入室b与蒸发器相连，扩压器c与冷凝器相连。

它的工作原理如下：

从锅炉来的高温、高压蒸汽（称为工作蒸汽）进入喷射器，在喷嘴ａ中膨胀，获得很大的汽流速度（可达1000m/s以上），从而在喷嘴a的出口处造成压力很低的真空（例如蒸发温度为5，相应的压力为0.87kPa），这就为蒸发器内的水在低温下汽化创造了条件。

由于水汽化时需从未汽化的水中吸收汽化潜热，因而使未汽化水的温度降低（制冷），这部分低温水便可用于空气调节或其它生产工艺过程。

蒸发器中产生的冷剂蒸汽和工作蒸汽在喷嘴a出口处混合，一起进入扩压器c。

在扩压器c中，由于速度的降低而使压力升高（例如，当冷凝温度为35时，其相应压力为5.63kPa），然后进入冷凝器，与外部的冷却水交换热量，冷凝成液体。

出冷凝器时凝结水分为两路，一路通过节流阀降压后进入蒸发器，以补充蒸发掉的水量，另一路通过给水泵返回锅炉，重新加热，产生工作蒸汽。

图1—3表示的是一个封闭循环系统，在实际使用过程中，冷凝后的水往往不再入锅炉和蒸发器，而是排入冷却水池，作为循环冷却水的补充水使用，蒸发器和锅炉的补充水另设水源供给。

蒸汽喷射式制冷机同吸收式制冷机一样都是以热能代替机械能或电能，同时具有结构简单、加工方便、没有运动部件（除泵外）、运行安全可靠、使用寿命长等一系列优点，可用来制取空调用冷水，但是其制冷效率较低。

由于溴化锂吸收式制冷机的效率高，因此在空调系统中蒸汽喷射式制冷机逐渐被溴化锂吸收式制冷机所代替。

4、吸附式制冷吸附式制冷机的驱动能源可以是工业废热、太阳能、化学反应热等低温热源。

在吸附式制冷机中，制冷剂液体汽化吸收潜热制冷，汽化后的制冷剂蒸气是由对制冷剂蒸气有很强的吸附能力的吸附材料来吸收的。

常用的吸附材料主要有沸石、分子筛、活性炭等，常用的制冷剂主要有水、氨、甲醇等。

沸石分子筛是一种铝硅酸矿物，具有强烈的吸水性，沸石的吸附量对温度特别敏感，微小的温度变化将导致吸附量的较大改变，从而导致封闭系统中压力的较大变化，利用沸石温度的变化，便可使其起到压缩机的作用。

也有人工合成沸石，如3A、4A、5A、10x、13x等，其中对不的吸附性能以13x为最好。

图1—4所示为沸石太阳能制冷系统的原理图。

白天，沸石在密封的容器内被太阳加热，含水沸石在吸取热量后开始脱附水蒸气，分压力逐渐升高。

当分压力达到与环境温度所对应的饱和压力时，水蒸汽在冷凝器中放出潜热，凝结成水后进入储水器（蒸发器）。

夜间，沸石温度逐渐降低，吸附水的能力逐步提高，于是开始吸附蒸发器中的水蒸气，并造成系统中更低的真空状态。

此时储水箱便变成蒸发器，水在低温下蒸发（如果系统压力低于0.6kPa,水将在0以下蒸发）,吸收被冷却空间的热量,从而达到制取冷量的目的.如果采用其它热源.只要对沸石间歇地进行加热和冷却,使沸石产生脱附和吸附作用,同样能达到制冷的目的。

沸石分子筛极易吸水，因此使用前必须进行活化处理，常压下活化温度一般在400～500之间。

如果温度过低，活化后残存水量较多；温度过高，沸石的晶格有可能遭到破坏，影响甚至丧失吸附性能。

如果将沸石分子筛置于真空下活化，则可降低活化再生温度。

5、空气膨胀制冷

高压气体绝热膨胀时，对膨胀机作功，同时气体的温度降低，用这种方法可获得低温。

与蒸发式制冷相比，空气膨胀制冷是一种没有相变的制冷方式，所采用的工质主是空气。

此曾经作为船用制冷的主要方法用了大约20年，后来逐渐被蒸气压缩式制冷所取代，目前主要用于飞机机舱的空调系统。

6、热电制冷

热电制冷又称温差制冷。

它是根据帕尔帖效应得到的一种制冷方式。

帕尔帖效应是法国物理学家帕尔帖（Pelitier）发现的。

1834年，帕尔帖在铜丝的两头各接上一根铋丝，再把两根铋丝分别接在直流电源的正、负极上，通电后，发现一个接头是热的，一个接头是冷的。

这个现象称为帕尔帖效应，是热是电制冷的理论依据。

这种方法的制冷效果主要取决于两种材料的热电势。

纯金属材料的导电性好，导热性也好，其帕尔帖效应很弱，制冷效率不到1%。

半导体分为N型半导体（电子型）和P型半导体（空穴型）。

由N型半导体和P型半导体构成的热电制冷元件见图1—5。

用铜板和导线将它们连成一个回路，铜板和导线只起导电作用，回路由低压直流电源供电。

回路中接通电流时，一个结点变冷，一个结点变热。

如果改变电源方向，冷、热结点的位置将发生变化。

热电制冷的系统过程显然不同于前面任何一种制冷方式。

它不需要制冷剂来实现能量转移，整个装置没有任何机械运行部件。

热电制冷的效率很低，但由于它的灵活性很强，使用方便可靠，因此在冷量需求量较小的场合的应用越来越广，如作为探测空间用飞机上的科学仪器、电子仪器的医疗器械中的制冷装置，核潜艇中驾驶舱的空调设备等。

目前，手提式采用热电制冷的小型制冷装置也日见增多。

7、涡流管制冷

涡流管制冷是使压缩气体产生涡流并分离成冷、热两部分，其中冷气流用一制冷。

涡流管制冷首先是由法国人兰克（Rauque）提出的。

他在1933年发明的涡流管（又称兰克管）可以使压缩气体产生涡流，并将气流分离成冷、热两部分，这种制冷方法称为涡流管制冷。

1946年黑尔什（Hilsch）研究了兰克管，介绍了它的最佳尺寸和性能测定方法。

涡流管制冷因经济性差，所以用途受到限制。

涡流管装置的结构如图1—6所示。

涡流室将管子分成冷、热端两部分，孔板在涡流室与冷端管子之间，热端管子出口处装控制阀，组成管外为大气压，喷嘴沿涡流室切向布置。

常温的压缩气体（通常是空气，也可以是CO2、NH3等其它气体）进入喷嘴，在喷嘴中膨胀并加速到音速，从切线方向射入涡流室，形成自由涡流。

自由涡流的旋转角速率越到中心处越大，由于角速度不同，在环形流层之间产生磨擦，中心部分的气体角速度逐渐下降，外层气流的角速度逐渐升高，外层气体吸收能量，动能增加，又因与管壁磨擦，将部分动能变成热能，使得从控制阀流出的气流具有较高的温度，由此看出，涡流管可以同时得到冷、热两种流体。

用控制阀控制热端管子中气体的压力，从而控制冷、热两股气流的流量及温度。

如果阀全关，气体全部从孔板口经冷端口管子流出，过程是简单的不可逆节流。

节流前后焓值不变，温度也不变，不存在冷、热分流的问题。

如果阀全开，将有少量气体从外界经孔板吸入，涡流管相当于一只气体喷射器。

只有在阀部分开启时，才出现冷、热分流现象。

涡流管工作原理的定性解释比较清楚，但由于管内流体之间的传导和对流情况比较复杂，对冷、热端温度值进行定量的理论推导尚有困难。

实验表明，当高压气体为常温时，冷气流的温度可达-10～-50，热端热气流温度可达100～130。

涡流管制冷因具有结构简单、维护方便、起动快、使用灵活等优点，所以常用在有压缩气体或可廉价获得压缩气体的场合，例如用于不长期连续使用的小型低温试验设备、冷却在高温矿井中作业的矿工的工作服、冷却刀具的刀头等。

涡流管制冷的主要缺点是效率太低，因此其应用范围受到限制。

思考题

1、制冷技术有哪些用途？

2、制冷方法有哪几种？

各有何特点？