《制冷原理及设备》教案

0.4 制冷技术的应用
商业及人民生活 工业生产及农牧业 建筑工程 科学实验研究 医疗 其它领域
0.5 制冷技术的发展历史
远古时代，用地窖作冷贮室、用泉水冷却贮藏室。
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《制冷原理与装置》教案
北京石油化工学院
1755 年，爱丁堡化学教授库仓（Cullen）利用乙醚蒸发使水结冰。它的学生布拉克 （Black）从本质上解释了融化和气化现象，导出了潜热的概念，并发明了冰量热器，标 志着现代制冷技术的开始。
1.1.2 蒸气吸收式制冷
吸收式制冷系统由发生器、冷凝器、节流阀、蒸发器、吸收器、热交换器、溶液泵 等组成。吸收器中充有氨水稀溶液，用它吸收氨蒸气。溶液吸收氨的过程是放热过程。 因此，吸收器必须被冷却。吸收器中形成的氨水浓溶液用溶液泵提高压力送入发生器。 在发生器中浓溶液被加热至沸腾。产生的蒸气先经过精馏，得到几乎是纯氨的蒸气，然 后人冷凝器。在发生器中形成的稀溶液通过热交换器返回吸收器。
1.1.1 蒸气压缩式制冷
系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成，用管道将其连接成一个封闭的系统。 工质在蒸发器内与被冷却对象发生热量交换，吸收被冷却对象的热量，产生的低压蒸汽 被压缩机吸入，经压缩后以高压排出。压缩过程需要消耗能量。压缩机排出的高温高压 气态工质在冷凝器被常温冷却介质(水或空气)冷却，凝结成高压液体。高压液体流百度文库膨 胀阀时节流，变成低压、低温湿蒸气，进入蒸发器，其中的低压液体在蒸发器中再次汽 化制冷。如此周而复始。
包括： G-M 制冷机 脉管制冷机 斯特林制冷机
1.1.10 电化学制冷
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利用化学反应伴随的热效应可以用来制冷。一般在负极上发生氧化反应，放热；在 正极上发生还原反应，吸热。
1.2 制冷的基本热力学原理
按补偿能量的形式，制冷方法归为两大类：以机械能或电能为补偿的（蒸气压缩式、 热电式制冷等）和以热能为补偿的（吸收、蒸气喷射、吸附式制冷机等）。
经过压缩并冷却到常温的气体进入喷嘴，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度离中心越近就越大。由于角速度不 同，在环形气流的层与层之间产生摩擦，中心层部分的气流角速度逐渐降低；外层气流 的角速度逐渐升高，因此存在着由中心向外层的动量流。内层气体失去能量，从孔板流 出时具有较低的温度；外层气体吸收能量，动能增加，又因为与管壁摩擦，将部分动能
有关，而与工质的性质无关。
1.3 热泵
热泵和制冷机的区别： 当使用目的是从低温热源吸收热量是，系统称为制冷机；当使用目的是向高温热源 释放热量时，系统称为热泵。
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2 单级蒸气压缩式制冷循环
教学目的： 使学生掌握单级蒸气压缩制冷理论循环的组成，循环在 p-h 图上的表示，循环的热
2.1.4 单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
(1)节流阀 制冷剂液体通过节流孔口时绝热膨胀，对外不作功，因此
h4 = h3
即节流前后焓值不变。 (2)压缩机
如果忽略压缩机与外界环境交换的热量，则
P0 = qm (h2 − h1)
(3)蒸发器 被冷却物体通过蒸发器向制冷剂传递的热量为：
Q0 = qm (h1 − h4 )
2)温熵图
以比熵为横坐标，温度为纵坐标。 也分为三个区域：过冷液体区、过热蒸汽区和两相区。 六条等参数线族：等温线、等熵线、等压线、等容线、等 焓线和等干度线。
2.1.3 制冷循环过程在压焓图上的表示
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点 1 表示制冷剂进入压缩机的状态；点 2 表示制冷剂出压缩机时的状态；点 3 表示 制冷剂出冷凝器时的状态；点 4 表示制冷剂出节流阀时的状态。
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北京石油化工学院 教案本
任课教师：吴立志 吴小华 课程名称：制冷原理与装置
2006 年 1 月
1
机械系热能教研室
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课程：制冷原理与设备 总学时：56 学时 授课对象：热能与动力工程 授课班级：热 03-1，03-2 讲课内容： （一）理论教学
变成热能，使得从控制阀流出的气体具有较高的温度。1.1.8 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。用这种方法可以实现 制冷。其循环方式主要有：定压循环，有回热的定压循环和定容循环。
1.1.9 绝热放气制冷
刚性容器中的高压气体在绝热放气时温度降低（该过程又称焦耳膨胀），利用此效应 可以制冷。
1834 年，美国发明家波尔金斯（Perkins）造出了第一台以乙醚为工质的蒸气压缩 式制冷机。
空气绝热膨胀用于制冷。1844 年，美国医生高里（Gorrie）用封闭循环的空气建立 了空调站。
1859 年，卡列发明了氨水吸收式制冷系统。 1910 年左右，马里斯.莱兰克发明了了蒸气喷射式制冷系统。 到了 20 世纪，利用逆向循环能量转换，出现了热泵；在低温制冷领域，开辟了氦的
解吸附式制冷、热电制冷、磁致冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷等。 重点和难点：
各种制冷方式的原理，重点掌握蒸气压缩式制冷、吸收式制冷。 教学方法：
多媒体课件、FLASH 动画和板书相结合，讲述为主。 内容提要：
1.1 常见的制冷方式
包括：a.液体气化制冷；b.气体膨胀制冷；c.涡流管制冷；d.热电制冷等。 液体汽化制冷包括：蒸气压缩式；吸收式；蒸气喷射式；吸附式。
如何通过基本情况的介绍，使学生对该门学科产生兴趣。 教学方法：
多媒体和板书相结合，讲述为主。 内容提要：
0.1 制冷
制冷：作为一门学科，是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或流体冷却， 使其温度降到环境温度以下，并保持这个温度。 制冷机：机械制冷中所需要的机器和设备的总和称为制冷机。 制冷剂：制冷机中使用的工作介质。 制冷循环：制冷机中制冷剂通过一系列的热力学变化，从某一特定空间带走热量的整个 过程。
1.1.6 磁制冷基本概念
低温磁制冷 高温磁制冷
1.1.7 涡流管制冷涡流管制冷是使压缩气体产生涡流运动并分离成冷、热两部分，其
中冷气流用来制冷。它由喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀组成。涡流室将管子分为 冷端、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。管外为 大气。喷嘴沿涡流室切向布置。
对于能量转换的经济性，引入热力系数ξ 和制冷系数 ε 来衡量。
ε = Q0 W
ξ = Q0 Qg
它们可以统称为制冷机的性能系数 COP。 可逆制冷机的制冷系数为
εc
= Ta
1 Tc −1
热能驱动的可逆制冷机的热力系数
ξc = Ta
1 Tc
−1
(1 −
Ta
Tg )
从上式可以看出，可逆制冷机的性能系数（或热力系数）只与热源的温度 Tg，Ta 和Tc
1 绪论 2 制冷的热力学基础 3 制冷剂、载冷剂及润滑油 4 单级压缩蒸气制冷循环 5 两级压缩和复叠制冷循环 6 吸收式制冷机 7 热电制冷、磁制冷 8 制冷机的热交换设备 9 制冷设备的分类以及应用 10 制冷设备的隔热、其它辅助设备及管道
理论课总学时 （二）实验课
1 制冷机组性能实验
实验课总学时
1.1.4 吸附式制冷
吸附制冷系统是以热能为动力的能量转换系统。其原理是：一定的固体吸附剂对某
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种制冷剂气体具有吸附作用。吸附能力随吸附剂温度的不同而不同。周期性地冷却和加 热吸附剂，使之交替吸附和解吸。解吸时，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体；吸附 时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用。
系统由压缩及、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。 在整个驯化过程中，压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸气并 造成蒸发器中低压力、冷凝器中高压力的作用；节流阀对制冷 剂起节流调节作用并调节进入蒸发器的制冷剂流量；蒸发器是 输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中气化，吸收被冷却物体的 热量，达到制冷的目的；冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器 中吸取的热量连同压缩机所消耗的功都转换成热量在冷凝 器中被冷却介质带走。
2.1.2 压焓图和温熵图
它是为了了解各个过程之间的关系以及某一过程发生变 化时对其它过程的影响；用热力状态图来研究整个循环可使 问题简化，并可看到循环中各状态的变化以及这些变化对循 环的影响。
1)压焓图
以绝对压力为纵坐标，比焓值为横坐标。 共分为三个区域：过冷液体区、过热蒸汽区和两相区。 六条等参数线族：等压线、等焓线、等温线、等熵线、等 容线和等干度线。
2 学时 4 学时 4 学时 8 学时 6 学时 10 学时 2 学时 10 学时 4 学时 4 学时
54 学时
2 学时
2 学时
2 机械系热能教研室
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绪论
教学目的： 使学生了解与制冷相关的概念；普冷与低温的区别；制冷技术的研究内容和理论基
础；制冷的发展过程及其在国民经济中的地位和作用；制冷工业的发展趋势。 重点和难点：
力过程分析；掌握蒸气过热、液体过冷、冷凝温度及蒸发温度变化时对系统循环的影响； 了解分凝循环和混合制冷剂循环。 重点和难点：
单级蒸气压缩制冷循环在 p-h 图上的表示及循环特性、热力变化过程的分析。 教学方法：
多媒体课件和板书相结合，讲述为主。 内容提要：
2.1 单级蒸气压缩式制冷的理论循环
2.1.1 系统与循环
(4)冷凝器 冷凝器向外界释放的热量为：
Qk = qm (h2 − h3 )
(5)制冷系数 在理论循环中，制冷系数可以表示为：
ε0
=
q0 w0
=
h1 − h4 h2 − h1
温度范围；出现了 1K 以下的低温。0.6 制冷工业的发展趋势
微电子和计算机技术在制冷上的应用 新材料在制冷产品上的应用 机器、设备的发展 制冷工质的替代
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1 制冷方法
教学目的： 介绍目前常用的制冷方法及其原理，使学生掌握蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷，了
按吸附机理说，有物理吸附与化学吸附之别。
1.1.5 热电制冷
热电制冷又称温差电制冷。它是利用热电效应(即帕尔帖效应)的一种制冷方法。 用铜板和铜导线将 N，P 半导体连成一个回路，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，另一个结点变热。如果改变电流 方向，则两结点的冷、热作用互易，即原来的冷结点变热，原来的热结点变冷。 由于每对热电偶只需零点几伏电源电压，所以产生的冷量也很小，所以需要将许多 热电偶联成热电堆后才能使用。热电制冷不需要明显的工质来实现能量的转移。整个装 置没有任何机械运动部件。但热电制冷的效率很低，半导体器件的价格又很高，而且必 须使用直流电源，因此变压整流装置往往不可避免，增加了电堆以外的附加体积，故热 电制冷不宜大规模使用。但由于它的灵活性强、使用方便可靠，非常适合于微型制冷领 域或有特殊要求的用冷场合。
0.2 制冷的区分：
（a）120K 以上，普通制冷 （b）120～20K，深度制冷 （c）20～0.3K，低温制冷 （d）0.3K 以下，超低温制冷
0.3 制冷技术的研究内容和理论基础
研究获得低温的方法和有关的机理以及与此相关的制冷循环，并对制冷循环进行热 力学分析和计算；研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供满意的工作介质；研究实现制 冷循环所必须的各种机械和技术设备，包括他们的工作原理、性能分析、结构设计，以 及制冷装置的流程组织、系统配套设计，装置的热绝缘问题、制冷装置的自动化问题等。
1.1.3 蒸气喷射式制冷
蒸气喷射式制冷系统其组成部件包括：喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀、泵。喷 射器又由喷嘴、吸人室、扩压器三个部分组成。
喷射器的吸人室与蒸发器相连；扩压器与冷凝器相连。锅炉产生的高温高压工作蒸 气进入喷嘴，膨胀并以高速流动，于是在喷嘴出口处造成很低的压力，为蒸发器中水在 低温下汽化创造了条件。水汽化时需从未汽化的水中吸收潜热，因而使未汽化的水温度 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 剂水蒸气与工作蒸气在喷嘴出口处混合，到冷凝器，被外部冷却水冷却变为液态水。液 态水再由冷凝器引出，分两路：一路经过节流阀降压后送回蒸发器，继续蒸发制冷，另 一路用泵提升压力后送回锅炉，重新加热产生工作蒸汽。