制冷技术概述.doc
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第一章概论
1.1制冷技术及其应用
1.1.1.制冷的基本概念
制冷技术是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的。
制冷是指用人工的方法在一定的时间和空间内从低于环境温度的空间或物体中吸取热量，并将其转移给环境介质，制造和获得低于环境温度的技术。
能实现制冷过程的机械和设备的总和称为制冷机。
制冷机中使用的工作介质称为制冷剂。
制冷剂在制冷机中循环流动并与外界发生能量交换，实现从低温热源吸取热量，向高温热源释放热量的制冷循环。
由于热量只能自动地从高温物体传给低温物体，因此制冷的实现必须消耗能量，所消耗能量的形式可以是机械能、电能、热能、太阳能、化学能或其它可能的形式。
制冷几乎包括了从室温至0K附近的整个热力学温标。
在科学研究和工业生产中，常把制冷分为普通制冷和低温制冷两个体系。
根据国际制冷学会第13届制冷大会（1971年）的建议，将120K定义为普冷与低温的分界线。
在120K和室温之间的温度范围属于“普冷”，简称为制冷；在低于120K温度下所发生的现象和过程或使用的技术和设备常称为低温制冷或低温技术，但是，制冷与低温的温度界线不是绝对的。
1.1.2.制冷技术的应用
制冷技术几乎与国民经济的所有部门紧密联系，利用制冷技术制造舒适环境以保障人身健康和工作效率；利用制冷技术生产和贮存食品；利用制冷技术来保证生产的进行和产品质量的要求。
制冷技术的应用几乎渗透到人类生活、生产技术、医疗生物和科学研究等各领域，并在改善人类的生活质量方面发挥巨大的作用。
1.1.2.1.商业及人民生活
食品冷冻冷藏和空气调节是制冷技术最重要的应用之一。
商业制冷主要用于对各类食品冷加工、冷藏贮存和冷藏运输，使之保质保鲜，满足各个季节市场销售的合理分配，并减少生产和分配过程中的食品损耗。
典型的食品“冷链”由下列环节组成：
现代化的食品生产、冷藏贮运和销售，最后存放在消费者的家用冷藏冷冻装置内。
舒适性空气调节为人们创造适宜的生活和工作环境。
如大中型建筑物和公共设施的空调，各种交通运输工具的空调装置，家用空调等。
近年来，家用空调器已成为我国居民消费的热点家电产品之一。
2003年我国家用空调器的年产量达3500万台，出口1000多万台，中国已成为世界空调产品的生产基地，产量约占世界总产量的40%。
工业空调不仅为在恶劣环境中工作的员工提供一定程度的舒适条件，而且也包括有利于生产和制造而作的空气调节。
如：
在冷天或炎热环境中，以维持工人可以接受的工作条件；纺织业、精密制造、电子元器件生产和生物医药等生产行业为了保证一定的产品质量和数量，需要空气调节系统提供合适的生产环境。
1.1.2.2.工农业生产
化学工业，利用制冷实现气体分离、气体冷疑；使混合物中一种物质凝固，从而与其它物质分离；液体的低温贮存；为化学合成过程提供合适的温度和压力，移去反应热等。
石油裂解、合成橡胶、合成塑脂、燃料生产、化肥生产需要制冷；天然气液化、脱水、贮运也需要制冷。
机械制造，对钢进行低温处理（－70℃～－90℃）可以改变其金相组织，使奥氏体变成马氏体，提高钢的硬度和强度。
在钢铁工业中，需要对高炉鼓风进行低温除湿，以降低铁水的焦化比，保证铁水的质量。
在机器的装配过程中，利用低温方便地进行零件间的过盈配合。
低温粉碎，低温粉碎技术是利用材料在低温状态下的冷脆性能对材料进行粉碎。
该技术的主要特点和用途如下：
可以加工在常温下无法粉碎的高弹性材料，如回收钢结构轮胎中橡胶；研制食品、中草药的细微颗粒；加工生产纳米材料，而且具有绿色生产的特点。
建筑工业，用冻土法挖掘土方、建筑桥梁基础、地下工程等可以提高施工效率，保障施工安全。
制冷还应用于冷却巨型的混凝土块，排除混凝土固化时释放的化学反应热，以免发生热膨胀和混凝土应力。
农、牧业，制冷用于对农作物种子进行低温处理；建造人工气候培育室；保存和处理优良物种、畜种。
某些食品、蔬菜等在冷冻干燥过程中，利用升华作用以除去水分，便于贮存和运输，一些速溶咖啡就是采用这种冷冻干燥工艺进行生产的。
低温与真空，低温是获取真空或高真空最有效手段之一，利用气体在低温表面的凝结、低温吸附以及冷凝霜的捕集作用，可获得<10_12Pa的极高真空。
真空技术在空间研究和电子工业中有这样用途。
1.1.2.3.低温生物医学技术
制冷在低温生物医学中发挥着日益重要的作用。
使用真空冷冻干燥法制取药物，低温保存血浆、疫苗、细胞组织、某些药品及生物样品；冷冻医疗是可靠、安全、有效易行的治疗方法，特别是用于治疗恶性肿瘤；用局部冷冻配合手术有很好的治疗效果，如心脏、肿瘤、白内障、扁桃腺等低温外科手术，皮肤、眼珠等的移植手术等。
诸多的现代医疗器械、治疗仪、诊断仪也使用了制冷技术。
1.1.2.4.科学实验研究
随着能源需求的日益增加，在开发和合理使用现有能源、探索代用燃料和新能源、改善能源结构、改善环境条件等方面，制冷技术发挥了越来越重要的作用。
如天然气开采、贮存和运输，核聚变的开发和利用，磁悬浮高速列车的运行成功，低温超导技术，氢能的生产和利用等。
低温在航空与航天领域的应用，涉及生命维持系统、地面研究设施，以及超高音速在空间边缘飞行的推进系统。
地面试验装置需用大容积的舱室来模拟深空间条件，高真空的空间环境要用液氮和液氦冷却的低温泵来产生，运载工具的固体或液体燃料的生产等，低温技术已成为空间计划的关键部分之一。
低温技术还用于仪器仪表、大型计算机、红外装置的冷却。
红外天文卫星用4K的液氦和1.8K的超流氦冷却的仪器来探测宽频道的红外辐射，红外探测器利用固体制冷剂（氢、氖和甲烷等）的升华（或采用辐射制冷技术）来冷却。
近年来，磁共振成像技术（MRI）已被许多医院采用。
采用超导量子干涉仪测量人体的心磁图和脑磁图的技术也将走向应用。
这些器件在不用电极接触人体或不需要任何手术的情况下，探测人体的组织病变，并使精度大为提高。
表1与低温研究有关的诺贝尔奖金获得者及研究领域
诺贝尔奖得主
获奖年月
研究领域
范德瓦尔斯（荷兰）
1910
飞气态和液态方程的研究
翁尼斯（荷兰）
1913
低温物质特性研究，生产出液氦
焦克（Giauque）和摩克道格（MacDougall）
1933
磁制冷
杨振宁、李政道（美藉华人）
1957
发现宇称不守恒原理
朗道（前苏联）
1962
凝聚态物质的研究
巴丁、库珀、施里弗（美国）
1972
超导性理论的发展
井崎（日本）贾埃弗（美国）和约瑟夫森（英国）
1973
半导体和超导体隧道效应的研究
里克特（美国）、丁肇中（美藉华人）
1976
发现新一类基本粒子（PSi或丁粒子）
卡皮查（前苏联）
1976
氦液化器的发明与应用
贝德诺茨（德国）和米勒（瑞士）
1987
发现新的超导材料
李戴维（美国）等
1996
发现了He-3同位素中的超流性
崔琦（美藉华人）等三人
1996
发现超低温状态下，电子通过极强磁场时的电子偏离现象实验的温度降到热力学温度零度附近
诺贝尔奖金是科学研究中卓越成绩的缩影，已有近20个诺贝尔奖金获得者（如表1），他们要么研究低温现象本身，要么研究涉及低温。
制冷与低温技术已发展成为自然科学中重要的分支，渗透到科学技术的各个领域。
在能源和交通、航空和航天、现代工业、科学研究和生物医疗等部门，一旦离开制冷技术，它们的发展和现代化的进步是难以实现的。
表2制冷技术的应用
温度范围（K）
应用举例
300～273
273～263
263～240
240～223
223～200
200～250
250～100
100～50
50～20
20～4
4～10_8
热泵、冷却装置、空调装置
冷藏运输、冰上运动设施
冷冻运输、食品长期保鲜、燃气（丙烷等）液化装置、地下建筑工程
地下建筑工程、食品长期保鲜
低温环境实验室、制取固体CO2
乙烷、乙烯液化、低温医学和低温生物学
天然气液化
空气、合成气和稀有气体分离、液化，超导和红外装置冷却
氖和氢液化，宇航舱空间环境模拟，超导
超导，氦液化
3He的液化、4He超流动性，Josephson效应、物理研究
1.2制冷技术的发展
1.2.1.制冷技术的发展历史
人类最早将冬季自然界的天然冰雪保存到夏季使用，这在我国、埃及和希腊等文化古国的历史上都有记载。
人工制冷的方法是随着工业革命而开始的。
1748年英国柯伦证明了乙醚在真空下蒸发时会产生制冷效应。
1755年苏格兰人W.Callen发明了第一台蒸发式制冷机，1781年意大利人凯弗罗进行了乙醚蒸发制冷实验。
1834年美国人J.Perkins获得了乙醚在封闭循环中膨胀制冷的英国专利，并制得了冰。
1856年苏格兰人J.Harrison发明了压缩式制冷机，采用二氧化碳、二氧化硫、氨、氯甲烷作制冷剂。
1859年法国人F。
Garre发明氨吸收式制冷机。
美国人D.Byok于1873年制造了第一台氨压缩机。
次年，德国林德建成了第一个氨压缩式制冷系统。
此后，氨压缩式制冷机在工业上获得普遍应用。
直至1929年氟利昂发现之后，氟利昂压缩式制冷机才快速发展起来，并在应用中超过了氨制冷机。
空气制冷机的发明比蒸气压缩式制冷机稍晚。
1844年美国人J.Gorrie发明了空气循环式制冷机，并于1851年获得美国专利，这是世界第一台制冷和空调用机器。
1862年英国基尔克发明了封闭循环的空气制冷机，并获英国专利。
1858年美国人尼斯取得了冷库设计的第一个美国专利，从此商用食品冷藏事业开始发展。
由于制冷技术的发展和在工业生产中的应用，各发达国家率先建立本领域的学术组织。
1888年英国成立了“英国冷库和冰协会”，1891年美国成立“美国冷藏库协会”。
1900年法国成立了“法国和殖民地冷藏工业理事会”。
1903年和1904年，美国先后成立了“美国制冷设备制造协会”和“美国制冷工程师协会”。
在此基础上，国际制冷学会（IIR）于1908年在法国巴黎宣告成立。
它是一个政府间的科技性国际组织，现在大约有60个国家会员。
我国于1978年加入该会，为二级会员国。
在家用冰箱方面，世界上第一台电冰箱是美国考布兰工程师在1918年设计的。
自此之后，制冷技术在人民生活中获得应用。
空调技术的应用起始于1919年，美国芝加哥兴建了第一座空调电影院，次年开始在教堂配备空调。
11年之后出现了舒适空调火车。
随着制冷机型式的不断发展，制冷工质的种类也逐渐增多。
最早在压缩式制冷机中应用有的制冷剂是空气、二氧化碳、乙醚。
在吸收式制冷机中应用的是水和硫酸。
以后渐渐在压缩式制冷机中应用氯甲烷、二氧化硫和氨等。
1929年以后，随着氟利昂制冷剂的出现，制冷压缩机和制冷系统的种类也不断发展。
|我国解放前制冷工业十分落后，基本上没有制造制冷机的能力。
到1949年全国解放时，全国冷库总容量只有35000t，相当于现在一个城市的拥有容量。
到第一个五年计划末期，全国制冷机制造厂发展到十几家。
产品30多种。
改革开放以来，我国的制冷技术获得迅猛发展，逐步形成门类齐全、基本满足国民经济发展的繁荣景象。
近十年以来，我国的制冷空调工业发展迅猛，空调器年产量现已达到3000万台，电冰箱年产量已接近2000万台，社会拥有量接近亿台，制冷空调工业已成为国民经济中的重要支柱产业。
1.2.2.制冷的最新技术发展
制冷与低温技术的高速发展主要得益于世界范围的对食品、舒适和健康方面的需求和能源、交通、电子、通讯、材料科学、航天航空技术、低温医学和低温生物学的技术发展。
主要表现在以下几个方面。
1.2.2.1.微电子和计算机技术的应用
微电子和计算机技术的发展和应用，使制冷机及其热力循环的理论研究和系统分析、制冷机的设计、制造和控制技术得以升级。
应用计算机模拟制冷循环，研究制冷系统及部件的稳态和瞬态过程，研究制冷的热物理特性，采用优化设计的方法确定产品的结构参数与系统参数，使制冷系统设计和制造过程自动化，从而可能获得最佳的空调器效率[2]；微电子和计算机的应用使制冷自动控制技术产生质的飞跃，最佳运行工况调节、蒸发器供液量精确调节、压缩机能量调节、自动除霜、安全保护等过程控制更为理想化、人性化和智能化[3,4]。
1.2.2.2.新材料在制冷产品中的应用
陶瓷及陶瓷复合材料在压缩机上的应用改善了导热、耐磨和润滑性能，而且有质轻、强度和忍性好，化学及尺寸稳定性好，表面光洁度好的优点；聚合材料作为制冷机的电绝缘、减振件和软管材料，制造压缩机中的复杂零件如转子、阀片等，使制冷产品性能、寿命和成本效益提高；采用高效换热技术如亲水膜、内螺纹铜管等大幅减少了换热过程的不可逆损失；纳米材料的应用：
强化材料的换热、耐磨和抗腐蚀性能。
1.2.2.3.压缩机技术的发展
以高效、环保、可靠、低振、低噪、结构简单和成本低为追求目标，由往复式向回转式、涡旋式以及变频控制发展，主要特征为：
新材料的应用、CAD等现代设计技术、CAM等现代制造技术、容量调节技术、制冷剂向HFC和天然工质转型。
1.2.2.4.制冷剂替代与环保
臭氧层的破坏和全球气候变化，是当前世界所面临的主要环境问题。
制冷行业广泛采用的CFC与HCFC类制冷剂对臭氧层有破坏作用以及产生温室效应，使全世界这一行业面临严重挑战。
替代物的选择主要基于两点：
对环境友好、安全，尽量减少能源消耗。
潜在的替代物有合成的和天然的两种，从选择倾向上，美国和日本主张HFCs制冷剂替代，欧洲则主张使用天然工质（NH3、CO2、H2O、HC等化合物）。
在选择替代工质时，目前越来越多的学者认为采用TEWI指标（总等效温室效应）更为科学。
该指标不仅考虑了替代物在使用中的泄露，而且考虑了因为生产机器消耗材料和机器运行消耗能源所生产的总CO2对地球环境的影响。
制冷技术进一步向节能化、环保化发展，向内部及其它学科进一步交叉融合方向发展，制冷产品从设计到制造向个性化、精细化方向发展。
1.3制冷与低温的热力学基础
1.3.1.基本概念与术语
1）工质工程上将实现热能与机械能互相转换的媒介物称为工质。
2）热力系在热力学研究中常常将所研究的对象用一些边界与周围的环境分开来，这个研究对象称为热力系，边界可以是实际存在的，也可以是假想的。
热力系与外界间只有热量和机械功等能量的交换而无物质交换，称为开口系统；有物质交换的则称为闭口系统。
3）状态参数工质在某一瞬间的宏观物理量称为状态参数。
常用的状态参数有温度、压力、比体积、内能、焓和熵。
4）温度是标志物体冷热程度的一个物理量，微观上它是分子平均移动动能的量度。
在工程上常用摄氏温标，其符号为t，单位为℃，在标准大气压下，以纯水的冰点为0℃，沸点为100℃，作为量度标尺。
在国际单位制中，常用热力学温标，其符号为T，单位为K，它与摄氏温标的温差有相同的物理定义，只是零点的选择不同。
在英制系统中，常用华氏温标，用符号tF表示，单位为℉。
三种温标之间的换算关系为
5）压力单位面积上所受的法向力称为压力，符号“P”微观上它是分子撞击壁面的量度。
6）比容和密度单位质量物质所占据的体积称为比容，比容的倒数称为密度，表达式为：
式中ν——比容（m3/kg）
V——容积或体积（m3）
m——质量（kg）
7）热力学能热力学能是物质内部所具有的能量，它包括分子的移动动能、分子间的位能、分子中原子的振动动能、原子内部电子的能量和原子核能等，热力学能也称为内能，常用符号U表示，法定计量单位为焦耳J。
1kg物质的热力学能称为比热力学能，用符号u表示，单位是J/kg。
在流体机械中，热力学能（常称为内能）即为工质的热量，系统内内能的变化量就是热量的传递或转移。
8）热量、热流量和热流密度热量是能量的一种形式，它是依靠温差传递的能量，用符号Q表示，单位为焦耳J；热流量是单位时间通过一个面流入或流出的热量，用符号Φ表示，单位为瓦W；热流密度是单位时间通过单位面积的热量，单位为W/m2。
9）功与功率力学中把作用在物体上的力与物体在力的作用方向上产生的位移的乘积，定义为力所做的功；在热力学中，它表示为热力系与外界相互作用而传递的能量，其效果表现为物体宏观运动状态的变化。
功率为单位时间内所做的功，单位为W或kW。
10）比热容单位质量的物体温度升高1℃所需的热量称为比热容，常用符号c表示，单位为J/（kg•℃）。
11）过程与可逆过程工质从某一状态经过一系列中间状态变至另一状态，则称工质经历了一个过程。
如工质可以沿原过程逆向进行，使系统和外界都回到原状态而不留下任何变化，这样的热力过程就称为可逆过程。
12）循环工质从某一状态经过一系列中间状态后又回到原来状态，我们称工质经历了一个循环。
13）显热与潜热物体在加热（或冷却）过程中，物态不变而温度升高（或降低）所需吸收（或放出）的热量，称为显热；物体在加热（或冷却）过程中物态发生变化而温度不变所吸收（或放出）的热量称为潜热。
14）焓焓常作为流体工质能量的计量参数，它包含工质的内能和推动功（W推=PV，式中P为压力，V为容积），是一个复合的状态参数，用符号H表示，单位为J，单位质量物质的焓称为比焓，用符号h表示；单位为J/kg，焓的定义式为：
（1-1）
（1-2）
（1-3）
在热力设备中，热力工质总是与外界进行质量和热量的交换，其产生的能量转移等于系统内焓的变化。
15）熵熵是一个导出的状态参数，表征过程或工质状态变化时其热量传递的程度和方向，用符号S表示；单位为J/K。
比熵用小写字母s表示，单位为J/（kg·K）。
在准静态过程中熵变化的定义式为：
（1-4）
1.3.2.热力学第一定律
热力学第一定律是能量守恒和转换定律在热现象中的具体应用。
热力学第一定律指出各种形式的能均可在一定条件下相互转换，能量既不可能消失，也不可能创造，它只能以一种形式转换成另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体，其总量不变。
热力学第一定律给出了系统与外界之间的各种能量相互作用的过程与系统状态参数变化之间的关系，是对热力系统进行热力学分析及热工计算的理论基础。
热力系统基本能量方程可以表示为：
进入系统的能量-离开系统的能量=系统能量的变化
在热力装置中，工质要不断地从一个设备流向另一个设备，从而完成热功转换与传递。
图1-1表示了一微元开口热力系流入、流出系统的工质流量及状态，系统与外界热功交换的动态过程，其能量方程可表示为：
（1-5）
式的物理意义是：
系统得热量dQ加上净流入系统工质的能量，一部分用于增加系统工质的总能△E，余下的部分以功dW的形式传递至外界。
系统工质总能E包括工质的内能U、流动动能Ek、重力位能Ep。
对于单位工质的准静态过程，其能量方程式为：
（1-6）
1.3.3.热力学第二定律
热力学第一定律确定了热功转换时能量守恒的规律，热力学第二定律则说明了实现热功转换的条件、自发过程的方向性和它的不可逆性。
热力学第二定律常用表述都是说明实现某种热功转换过程的必须条件，实质上是从不同的现象来说明热功转换过程的方向性。
例如：
功可以转化为热，而热不可以自动转化为功；热量从高温物体自动流向低温物体，而不能自动从低温物体流向高温物体；制冷机自所以能实现热量的逆向转移，是因为它消耗功，既必须有补偿能。
1.3.4.制冷循环热力学分析
1.3.4.1.热源温度不变的逆向可逆循环
制冷循环是热力逆向循环的能量转换系统。
组成系统的基本要素包括高低温热源和制冷机。
按照补偿能的形式制冷方法可分为机械或电驱动式和热能驱动式两大类，前者包括蒸气压缩式、压缩气体膨胀式和热电式制冷机；后者有吸收式、蒸汽喷射式和吸附式制冷机等。
两类制冷机的能量转换关系如图1-1。
制冷循环系统的经济性可用获取的冷量和消耗的补偿能之比来衡量。
对机械或电驱动的制冷机，引入制冷系数COP（常用符号ε表示）：
COP=Qo/W（1-7）
对热能驱动的制冷机，引入热力系数ξ：
ξ=Qo/Qg（1-8）
制冷机
高温热源Ta
（环境）
低温热源To
（被冷却对象）
Qk
Q0
高温热源Ta
（环境）
制冷机
低温热源To
（被冷却对象）
Qk
驱动热源
Tg
Q0
Qg
第一章W
（a）
（b）
1.3.4.2.有限热源的劳仑兹循环
热力学循环根据其在温熵图或压焓图的走向，瞬时针为正向循环或动力循环，逆时针为逆向循环或制冷循环。
构成循环的各过程是内部不可逆或理想过程，则为理想循环。
各种制冷方法及其特点
制冷及制冷机种类
耗能形式
适应温度范围
℃
单机制冷量
KW
安全性
主要用途
相
变
制
冷
蒸气压缩式
机械能、电能
-140以上
0.12~35000
随工质而定
广泛用于工、农业及民用生活各领域
溴化锂
吸收式
热能
（可利用废
热余热，太阳能，地热等）
0以上
3.5~7000
高
各种工业和民用空调或工艺低温水
氨吸收式
-65以上
10.47~7000
中
化工工艺过程
吸附式
-30以上
高
空调和冰箱
蒸气喷射式
0以上
34.89~3500
高
工业空调和
工艺低温水
气体
压缩
膨胀
制冷
空气制冷机
机械能、电能
-150以上
0.0005~
高
人工气候室或空调
气体回热式
机械能、电能
-100~-253
0.0005~
高
液化、红外技术等
涡流管制冷
高速或高压流体
-70以上
小冷量
高
微型制冷等
热电制冷
电能
-120以上
0.001~3489
高
医用和仪器用、军事装备
绝热去磁制冷
电能
-273～-80
高
超低温制冷工程
图制冷机能量转换关系
8
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