制冷和低温技术原理—第2章制冷方法
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西安交通大学“制冷与低温原理”课程教学大纲英文名称:Principles of Refrigeration and Cryogenic课程编码:ENP03117课程类型:工程科学学时:44(含课外学时4)学分:2适用对象:主要用于“动力工程及工程热物理”专业,适当修改后也可用于机械、电机、无线电等相关专业。
先修课程:高等数学、大学物理、普通化学、工程热力学、传热学、流体力学。
使用教材及参考书:[1] 吴业正主编.《制冷及低温技术原理》. 北京:高等教育出版社,2004[2] 周远,王如竹主编.《制冷与低温工程》.北京:中国电力出版社,2003[3] 陈光明,陈国邦主编.《制冷与低温原理》. 北京:机械工业出版社,2000一、课程的性质、目的和任务本课程是研究制冷与低温原理的工程技术类课程,是制冷及低温工程领域专业知识教学的基础,属专业基础课。
它的教学目的与任务是:学生学习本课程后,将学到基本的制冷方法、低温获得、气体液化、气体分离以及其它制冷及低温应用技术的知识,掌握制冷与低温技术中能量转换的理论及节能的措施;为学习后续的专业课、生产实习、毕业设计等提供理论准备。
同时也为学生今后解决低温方面的生产实际问题和科学研究打下必要的理论基础。
二、教学基本要求学生学完本课程后,应达到下列要求:1.掌握各种制冷方法的物理本质;2. 掌握制冷与低温技术中的热力循环及其应用范围;3. 熟悉制冷与低温技术中常用工质及其性质,能熟练地应用工质的物性公式和图表进行热力计算;4.掌握气体的分离方法及精馏计算;5.联系实际地培养学生相关设计和研究能力。
三、教学内容及要求第一章:绪论内容:制冷与低温在现代技术发展和人民生活中的作用;研究对象及理论基础;制冷与低温的应用及发展。
要求:掌握制冷的定义,了解制冷及低温技术研究的主要内容及其在一些领域的应用。
第二章:制冷方法内容:1. 利用物质相变的制冷方法(蒸气压缩式制冷,蒸气吸收式制冷,蒸气喷射式制冷,吸附式制冷);利用电、磁、声效应制冷的方法(基于半导体特性的热电制冷、基于磁热效应的磁制冷和基于热声效应的声制冷);气体涡流制冷;气体膨胀制冷;绝热放气制冷;节流和等熵膨胀;绝热去磁;He稀释;2. 制冷的基本热力学原理;以机械能或电能为补偿的和以热能为补偿的两类制冷机的能量转换关系;热能驱动的制冷机的等价关系。
第一章制冷的热力学基础1、分析高低温热源温度变化对逆向卡诺循环制冷系数的影响。
答:制冷系数与低温热源的温度成正比,与高低温热源的温差成反比。
当高低温热源的温度一定时,制冷系数为定值。
制冷系数与制冷剂的性质无关。
2、比较制冷系数和热力完善度的异同。
答:制冷系数与热力完善度的异同:1.两者同为衡量制冷循环经济性的指标;2.两者定义不同。
制冷系数为制冷循环总的制冷量与所消耗的总功之比。
热力完善度为实际循环的制冷系数与工作于相同温度范围内的逆向卡诺循环的制冷系数之比。
3.两者的作用不同。
制冷系数只能用于衡量两个工作于相同温度范围内的制冷循环的经济性,热力完善度可用于衡量两个工作于不同温度范围内的制冷循环的经济性。
4.两者的数值不同。
制冷系数一般大于1,热力完善度恒小于1。
第二章制冷剂、载冷剂及润滑油1、为下列制冷剂命名:(1)CCI2F2:R12 (2)CO2 :R744 (3)C2H6 :R170 (4)NH3 :R717 (5)CBrF3:R13 (6)CHCIF2 :R22 (7)CH4 :R50 (8)C2H4:R150 (9)H2O :R718 (10)C3H6 R270 2、对制冷剂的要求有哪几方面?答:1、热力学性质方面(1)在工作温度范围内,要有合适的压力和压力比。
即:PO>1at,PK不要过大。
(2)q0和qv要大。
(3)w和wv(单位容积功)小,循环效率高。
(4)t排不要太高,以免润滑油粘度降低、结焦及制冷剂分解。
2、迁移性质方面(1)粘度及密度要小,可使流动阻力减小,制冷剂流量减小。
(2)热导率3、物理化学性质方面(1)无毒,不燃烧,不爆炸,使用安全。
(2)化学稳定性和热稳定性好,经得起蒸发和冷凝的循环变化,不变质,不与油发生反应,不腐蚀,高温下不分解。
(3)对大气环境无破坏作用,即不破坏臭氧层,无温室效应。
4、其它原料来源充足,制造工艺简单,价格便宜。
要大,可提高换热器的传热系数,减小换热面积。
制冷与低温技术原理-小组讨论题---答案第一章绪论(小组讨论题-课堂完成)填空题1.制冷是指用(人工)的方法在一定时间和一定空间内将(物体)冷却,使其温度降低到(环境温度)以下,并保持这个低温。
2.制冷是一个逆向循环,为了实现制冷循环,必须(消耗功)。
3. 在科学研究和工业生产中,常将制冷分为(制冷)和(低温技术)两个体系。
4. 根据国际制冷学会第13次制冷大会(1971年)的建议,将(120K )温度定义为普冷和低温的分界线。
5. (氦气)是自然界诸元素中沸点最低的气体,也是最后被液化的气体。
6. 定压下,单位质量液体汽化时所吸收的热量称为(汽化潜热)。
7. 任何一种物质,随着(温度)的提高其汽化热不断减小,当到达(临界)状态时,汽化热为零。
8. 节流过程是(流体流动时由于流通面积突然减小,压力降低的热力过程),节流前后,(焓值)保持不变,(温度)和(压力)降低。
9. 制冷机按照逆卡诺循环工作时,制冷系数只与(热源和热汇的温度)有关,与(制冷剂性质)无关。
10. 制冷机制冷系数的数值范围为(大于0 ),热泵泵热系数的数值范围为(大于1 ),热机热效率的数值范围为(0~1 )。
选择题(单选)1.空调用制冷技术属于(A)A. 普通制冷B. 深度制冷C. 低温制冷D. 极低温制冷2.人工制冷技术的发展起源于(A )A. 蒸气压缩式制冷B. 吸收式制冷C. 蒸汽喷射制冷D. 气体膨胀制冷3.实际制冷循环的制冷系数与逆卡诺循环的制冷系数之比称为(C )A. 压缩比B. 输气效率C. 热力完善度D. 能效比4.热泵循环中的制热过程是(D)A.电热加热B.热水供热C.制冷剂汽化D.制冷剂的冷却冷凝第二章制冷方法(小组讨论题-课堂完成)填空题1. 制冷的方法有很多,常见的方法有(相变制冷),(气体膨胀制冷),(绝热放气制冷),和(电磁制冷)等方法。
2. 在制冷技术中,常应用纯水冰或冰盐的(冰融化吸热)过程以及干冰的(升华吸热)过程来制冷。
制冷与低温技术原理制冷和低温技术是为了提供低温环境而开发出的一项技术。
制冷技术主要用于在一定的环境温度下,将热量从一个物体或空间中移除,以降低其温度。
而低温技术则是使温度进一步降低到极低的水平,通常用于实验室研究、医疗设备和工业应用等领域。
制冷技术的原理主要基于热力学和热传导的原理。
按照热力学原理,热量会从高温的物体流向低温的物体,直到两者达到热平衡。
因此,通过制冷技术,我们可以利用一些工具和材料来降低物体的温度,使其与环境温度相比更低。
通常采用的制冷原理之一是蒸发冷却。
这种原理运用液体蒸发时吸收热量的特性。
当液体(通常是制冷剂)处于较低的压力下时,其沸点也会降低,因此液体会蒸发。
在蒸发的过程中,液体吸收周围环境的热量,使得周围环境的温度降低。
这就是为什么在身体上喷洒酒精或水会感觉凉爽,因为当它们蒸发时会吸收皮肤表面的热量。
制冷技术还可以利用压缩循环来实现。
这种原理基于两种物质经历压缩和膨胀阶段时温度的变化。
在压缩阶段,制冷剂被压缩成高温高压气体,然后通过冷凝器散热,变成高温高压液体。
接下来,液体通过膨胀阀控制放松到较低的压力,以降低温度。
在膨胀的过程中,制冷剂从液体变为气体,吸收周围环境的热量,然后进入蒸发器。
在蒸发器中,制冷剂在降低周围温度的同时,释放蒸发时所吸收的热量,重复循环使用。
低温技术则需要更加复杂的工艺来实现极低的温度。
其中最常用的技术是梯级制冷。
梯级制冷依赖于多级的制冷循环,每个循环都有一个深冷剂和一个浅冷剂组成。
深冷剂的制冷剂在较低的温度下工作,将其对应的温度传递给下一个浅冷剂的制冷剂。
这样,随着级数的增加,整个系统可以实现更低的温度。
目前最低的实现的温度约为100mK,也就是0.1K。
为实现这样低的温度,需要采用超导材料和特殊的制冷手段。
另一个常用的低温技术是制冷剂的制冷。
这种方法依赖于制冷剂的相变性质。
当制冷剂压缩时,其温度会升高,然后通过冷凝器和膨胀阀实现制冷剂的降温,然后进入蒸发器。
第二章制冷技术为使空气液化,需要获得低温,工业上常用两种方法,即空气通过节流阀或膨胀机的膨胀制冷获得低温,甚至液化。
这两种方法是以气体的膨胀为基础的。
2.1 空气的液化2.1.1 流膨胀效应通常把高压流体流经管道中的小孔后压力显著降低的过程称为节流。
节流孔径越小,则局部阻力越大,节流前后的压力变化也越大;反之,就越小。
在实际工作中,为了调节,通常用节流阀代替节流孔。
气体在节流时,既无能量输出,也无能量输入,所以气体节流前后的能量保持不变,即节流前后的焓值相等。
这是节流过程的基本特点,因此节流过程可看作是近似的绝热过程。
实际气体的焓值是温度和压力的函数,所以实际气体节流后的温度是发生变化的。
这种现象叫节流效应(焦耳-汤姆逊效应)。
空气经过节流,虽然可降低温度,但对外没有热量交换,也没有做功,因此节流过程本身并没有产生冷量。
节流特点:节流效应与节流前的压力和温度有关。
节流前的温度降低,节流效应增大。
节流前的压力增高,节流效应变小。
等温节流制冷时,气体需经历等温压缩和节流膨胀两过程才具有制冷量。
2.1.2 膨胀制冷气体对外做功的机器称为膨胀机。
气体在膨胀机中一边膨胀,其内位能增加,又一边对外做功,这两部分能量消耗都需要用内动能来补偿,所以气体在膨胀机中等熵膨胀,焓值下降,温度必然降低。
高压气体等熵膨胀时向外输出机械功,这样消耗了大量的气体内能(焓值减小)。
另外,还由于膨胀时气体体积增大,分子距离也要增大,但是分子间有吸引力,为了克服分子间的吸引力又要消耗气体分子的一些动能(动能减小)。
这样气体分子的内能和动能在等熵膨胀时大量消耗,从而降低了气体温度。
所以等熵膨胀后,气体温度总是下降的。
气体等熵膨胀产生的温差,不但随着膨胀前后的压力比值增大而增加,而在膨胀前后压力不变的情况下,还随着膨胀前的温度的变化而变化。
所以为了获得较大的温降和单位制冷量,可采用增加膨胀比和提高膨胀前温度的方法。
但不是无限制的,而是在合理的等熵效应范围内进行。
制冷与低温技术原理
制冷技术的原理是通过将热量从一个物体或空间转移到另一个物体或空间,从而降低物体或空间的温度。
主要有以下几种原理:
1. 蒸发冷却:利用液体蒸发过程中吸收热量的特性来降低温度。
例如,制冷机中的制冷剂在蒸发器中蒸发时吸收空气中的热量,使得空气变得冷。
2. 压缩膨胀循环:通过压缩和膨胀的过程来实现制冷。
制冷机中的制冷剂被压缩成高温高压气体,然后通过膨胀阀发生膨胀,降低温度。
3. 热电效应:在一些材料中,当电流通过时会发生热量的吸收或释放。
通过控制电流的大小和方向,可以实现温度的调节。
低温技术是在制冷技术的基础上进一步降低温度的技术。
常见的低温技术包括:
1. 冷冻机:使用制冷剂循环制冷的机器,能够将物体或空间的温度降低到较低的程度。
2. 液氮冷却:利用液氮的低沸点来实现低温。
液氮的沸点为-196°C,可以通过倒入液氮来使物体或空间迅速冷却。
3. 超导技术:超导材料在极低温度下具有无电阻的特性。
通过将材料冷却到超导温度,可以实现超导电流的高效传输。
这些制冷和低温技术被广泛应用于各个领域,如制冷设备、食品储存、科学实验、医疗保健等。