1、制冷與低溫技術(shù)原理(一)多媒體教學(xué)課件1第一章 緒 論 第一節(jié) 制冷的定義及研究內(nèi)容第二節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用第三節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展史2第一節(jié) 制冷的定義及研究內(nèi)容內(nèi) 容 提 要一、制冷與低溫技術(shù)的重要性二、制冷與低溫的定義三、制冷與低溫技術(shù)的研究內(nèi)容3第一節(jié) 制冷的定義及研究內(nèi)容 一、制冷與低溫技術(shù)的重要性 在長期的生產(chǎn)實踐和日常生活中，人們發(fā)現(xiàn)許多現(xiàn)象與溫度有密切關(guān)系。 炎熱條件下希望降溫以提供適宜的工作和生活環(huán)境。所有生物過程都受溫度影響，低溫抑制食品發(fā)酵、霉菌的增殖，對食品保鮮起重要作用。材料的某些重要特性與溫度有關(guān)，如機械材料具有冷脆性，塑料、橡膠也有同樣的性質(zhì)；又如金屬的導(dǎo)

2、電性隨溫度下降而提高，有些純金屬或合金當(dāng)溫度降到某一數(shù)值時出現(xiàn)超導(dǎo)性，人為地利用這些特性，需要人工創(chuàng)造低溫環(huán)境。通過降溫產(chǎn)生物態(tài)變化，可使混合氣體分離、氣體液化。擴散和化學(xué)反應(yīng)與溫度也有直接關(guān)系，許多生產(chǎn)工藝過程中溫度對產(chǎn)品性能和4第一節(jié) 制冷的定義及研究內(nèi)容 產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響。空間和遙感遙控技術(shù)更是與制冷技術(shù)緊密聯(lián)系，等等。 綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，制冷和低溫技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、建設(shè)、科學(xué)研究等國民經(jīng)濟(jì)各個部門中的作用和地位日益重要。5第一節(jié) 制冷的定義及研究內(nèi)容 二、制冷與低溫的定義 制冷是指用人工的方法在一定時間和一定空間內(nèi)將物體冷卻，使其溫度降低到

3、環(huán)境溫度以下，保持并利用這個溫度。 按照所獲得的溫度，通常將制冷的溫度范圍劃分為以下幾個領(lǐng)域：120 K以上為普冷；120 K0.3 K為深冷，也稱為低溫；0.3 K以下為極低溫。 由于溫度范圍不同，所采用的降溫方式，使用的工質(zhì)、機器設(shè)備以及依據(jù)的具體原理有很大差別。6第一節(jié) 制冷的定義及研究內(nèi)容 三、制冷與低溫技術(shù)的研究內(nèi)容 研究內(nèi)容可以概括為以下四個方面： (1)研究獲得低于環(huán)境溫度的方法、機理以及與此對應(yīng)的循環(huán)，并對循環(huán)進(jìn)行熱力學(xué)的分析和計算。 (2)研究循環(huán)中使用的工質(zhì)的性質(zhì)，從而為制冷機和低溫裝置提供合適的工作介質(zhì)。因工質(zhì)在循環(huán)中發(fā)生狀態(tài)變化，所以工質(zhì)的熱物理性質(zhì)是進(jìn)行循環(huán)分析和計算

4、的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，為了使這些工質(zhì)能實際應(yīng)用，還必須掌握它們的一般物理化學(xué)基礎(chǔ)。 (3)研究氣體液化和分離技術(shù)。例如液化氧、氮、氫、氦等氣體，將空氣或天然氣液化、分離，均涉及一系列的制冷和低溫技術(shù)。7第一節(jié) 制冷的定義及研究內(nèi)容 (4)研究所需的各種機械和設(shè)備，包括它們的工作原理、性能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計。此外還有熱絕緣問題，裝置的自動化問題，等等。 上述前三個方面構(gòu)成制冷與低溫技術(shù)原理的基本研究內(nèi)容，第四方面涉及具體的設(shè)備和裝置。8第二節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用內(nèi) 容 提 要一、在商業(yè)及人民生活方面的應(yīng)用二、在工業(yè)及農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用三、在建筑工程方面的應(yīng)用四、在科學(xué)研究及醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用五、在空

5、間技術(shù)與低溫物理方面的應(yīng)用9第二節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用 一、在商業(yè)及人民生活方面的應(yīng)用 食品冷凍冷藏和舒適性空氣調(diào)節(jié)是制冷技術(shù)應(yīng)用最為量大面廣的領(lǐng)域。 商業(yè)制冷主要用于各類食品冷加工、冷藏貯存和冷藏運輸，使之保質(zhì)保鮮，滿足各個季節(jié)市場銷售的合理分配，并減少生產(chǎn)和分配過程中的食品損耗。現(xiàn)代的食品工業(yè)，從生產(chǎn)、貯運到銷售，有一條完整的“冷鏈”。所使用的制冷裝置有：各種食品冷加工裝置、大型冷庫、冷藏汽車、冷藏船、冷藏列車、分配性冷庫，供食品零售商店、食堂、餐廳使用的小型裝配式冷庫、冷藏柜、各類冷飲設(shè)備、食品冷藏冷凍展示柜，直至家庭用的電冰箱。10第二節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用 舒適性空調(diào)為人們創(chuàng)造適

6、宜的生活和工作環(huán)境。如家庭、辦公室用的局部空調(diào)裝置或房間空調(diào)器；大型建筑、公共場所、車站、機場、賓館、商廈、影劇院、游樂廳、辦公樓等使用的集中式空調(diào)系統(tǒng)；各種交通工具，如轎車、客車、飛機、火車、船艙等的空調(diào)設(shè)施；文物保藏環(huán)境的空氣調(diào)節(jié)裝置等等。 體育、游樂場所除采用制冷提供空氣調(diào)節(jié)外，還用于建造人工冰場。我國人工冰場原集中在東北、華北。現(xiàn)在南方城市也相繼建造了新型人工冰場，如廣州溜冰俱樂部，冰場面積1000 m2，年上冰人次已達(dá)20萬；上海杰美體育中心的室內(nèi)冰場，面積達(dá)1200 m2。11第二節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用 二、在工業(yè)及農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用 許多生產(chǎn)場所需要生產(chǎn)用空調(diào)系統(tǒng)，例如高溫生

7、產(chǎn)車間、紡織廠、造紙廠、印刷廠、膠片廠、精密儀器車間、精密加工車間、精密計量室、計算機房等的空調(diào)系統(tǒng)，為各生產(chǎn)環(huán)境提供恒溫恒濕條件，以保證產(chǎn)品質(zhì)量或機床、儀表的精度。 機械制造中，對鋼進(jìn)行低溫處理，可以改變其金相組織，使奧氏體變成馬氏體，提高鋼的硬度和強度。在機器的裝配過程中，利用低溫進(jìn)行零件的過盈配合。化學(xué)工業(yè)中，借助于制冷，使氣體液化、混合氣分離，帶走化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)熱。鹽類結(jié)晶、潤滑油脫脂、石油裂解、合成橡膠、生產(chǎn)化肥均需要制冷。12第二節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用 在鋼鐵工業(yè)中，高爐鼓風(fēng)需要用制冷的方法先除濕，再送入高爐，以降低焦鐵比，提高鐵水質(zhì)量。 在農(nóng)牧業(yè)中，利用低溫對農(nóng)作物種子進(jìn)行低

8、溫處理；保存良種牲口的精液，以便進(jìn)行人工授精。 在交通運輸業(yè)中，已有采用壓縮天然氣的汽車。因液化天然氣存儲體積小，能量密度大，今后液化天然氣的發(fā)展必定更具優(yōu)勢。13第二節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用 三、在建筑工程方面的應(yīng)用 在挖掘礦井、隧道、建造江河堤壩時，或者在泥沼、沙水中掘進(jìn)時，采用凍土法保持工作面，避免坍塌和保證施工安全。拌合混凝土?xí)r，以冰代替水，借冰的熔化熱補償水泥的固化反應(yīng)熱，這在制作大型混凝土構(gòu)件時十分必要，可以有效地避免大型構(gòu)件因散熱不充分而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂縫等缺陷。 英吉利海底隧道全長52 km，是迄今世界上最長的隧道。列車以160 km/h的速度穿過隧道時，空氣溫度將上升到(495

9、5) ，必須進(jìn)行降溫處理。為此采用了8套冷水機組，分裝在隧道兩側(cè)，供隧道降溫，每套機組的能力達(dá)到(60007000) kW。14第二節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用 四、在科學(xué)研究及醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用 科學(xué)研究往往需要人工的低溫環(huán)境。例如：在軍事科學(xué)中，為了研究高寒條件下使用的發(fā)動機、汽車、坦克、大炮的性能，需要先在相應(yīng)的環(huán)境條件下作模擬試驗；航天儀表、火箭、導(dǎo)彈中的控制儀，也需要在地面作模擬高空環(huán)境下的性能試驗，低溫低壓環(huán)境實驗裝置為這類試驗提供了條件。 氣象科學(xué)中，云霧室需要(-4530) 的溫度條件。云霧室用于人工氣候?qū)嶒灒芯坑甑巍⒈⒌脑鲩L過程、各種催化方法及擾動對云霧的宏觀、微觀影響，模擬

10、云的物理現(xiàn)象，等等。15第二節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用 在醫(yī)療衛(wèi)生方面，冷凍醫(yī)療是可靠、安全、有效、易行和經(jīng)濟(jì)的治療方法，特別是用于治療惡性腫瘤。用局部冷凍配合手術(shù)有很好的治療效果，如：腫瘤、扁桃腺切除、心臟、皮膚、眼球移值，心臟大血管瓣膜凍存和移植，手術(shù)時采用的低溫麻醉。細(xì)胞組織、疫苗、藥品的冷保存，用真空冷凍干燥法制作血干、皮干、等等。可以說，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已離不開制冷技術(shù)。16第二節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用 五、在空間技術(shù)與低溫物理方面的應(yīng)用 在空間技術(shù)方面，火箭推進(jìn)器所需的液氧和液氫是在低溫下制取的。配合人造衛(wèi)星發(fā)射和使用的紅外技術(shù)也離不開低溫環(huán)境。紅外探測器只有在低溫條件下，才能獲得優(yōu)良的探測

11、結(jié)果。這就促進(jìn)了輻射制冷器、固體制冷器、G-M制冷機和維納米爾制冷機的發(fā)展。 用液氮、液氦組成的低溫泵可通過冷凝密閉容器內(nèi)的氣體使其達(dá)到高真空，在航天器的地面模擬試驗中起重要作用。而以微型制冷機與真空系統(tǒng)組成的低溫泵，廣泛應(yīng)用于高真空技術(shù)，不但在空間技術(shù)中應(yīng)用，而且在低溫物理研究中起重要作用。17第二節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的應(yīng)用 在低溫物理研究方面，低溫技術(shù)提供的低溫獲得和低溫保存的方法，為低溫物理學(xué)的研究創(chuàng)造了條件。低溫聲學(xué)、低溫光學(xué)、低溫電子學(xué)等一系列學(xué)科得到發(fā)展。超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展也與制冷技術(shù)的發(fā)展分不開，在研究超導(dǎo)體時發(fā)現(xiàn)的約瑟夫遜效應(yīng)，促進(jìn)了超導(dǎo)技術(shù)在弱磁方面的應(yīng)用。此外，3

12、He液化與4He超流動性中一些物理特性的研究，均在很低的溫度下進(jìn)行。 表1-1中列出了制冷和低溫技術(shù)的一些應(yīng)用范圍。 18第三節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展史內(nèi) 容 提 要一、制冷與低溫的起源與發(fā)展的歷程二、制冷與低溫技術(shù)發(fā)展及研究的方向19第三節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展史 一、制冷與低溫的起源與發(fā)展的歷程 人們很早就懂得冷的利用。在我國古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑降溫。馬可波羅在他的著作馬可波羅游記中，對中國制冷和造冰窖的方法有詳細(xì)的記述。 1755年愛丁堡的化學(xué)教師庫侖利用乙醚蒸發(fā)使水結(jié)冰。他的學(xué)生布拉克從本質(zhì)上解釋了融化和氣化現(xiàn)象，提出了潛熱的概念，并發(fā)明了冰量熱器，標(biāo)志著現(xiàn)代制冷技術(shù)的開始

13、。 在普冷方面，1834年發(fā)明家波爾金斯造出了第一臺以乙醚為工質(zhì)的蒸氣壓縮式制冷機，并正式申請了英國第6662號專利。這是后來所有蒸氣壓縮式制冷機的雛型，但使用的工質(zhì)是乙醚，容易燃燒。20第三節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展史 1875年卡利和林德用氨作制冷劑，從此蒸氣壓縮式制冷機開始占有統(tǒng)治地位。在此期間，空氣絕熱膨脹會顯著降低空氣溫度的現(xiàn)象開始用于制冷。1844年，醫(yī)生高里用封閉循環(huán)的空氣制冷機為患者建立了一座空調(diào)站，空氣制冷機使他一舉成名。威廉西門斯在空氣制冷機中引入了回?zé)崞鳎岣吡酥评錂C的性能。1859年，卡列發(fā)明了氨水吸收式制冷系統(tǒng)，申請了原理專利。1910年左右，馬利斯萊蘭克發(fā)明了蒸氣噴射

14、式制冷系統(tǒng)。 20世紀(jì)，制冷技術(shù)有了更大發(fā)展。全封閉制冷壓縮機的研制成功；米里杰發(fā)現(xiàn)氟里昂制冷劑并用于蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，以及混合制冷劑的應(yīng)用；伯寧頓發(fā)明回?zé)崾匠凉衿餮h(huán)以及熱泵的出現(xiàn)，均推動了制冷技術(shù)的發(fā)展。21第三節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展史 在低溫方面，1877年卡里捷液化了氧氣；1895年林德液化了空氣，建立了空氣分離設(shè)備；1898年杜瓦用液態(tài)空氣預(yù)冷氫氣，然后用絕熱節(jié)流使氫氣成為液體，溫度降至20.4K；1908年卡末林昂納斯用液態(tài)空氣和液態(tài)氫預(yù)冷氦氣，再用絕熱節(jié)流將氦液化，獲得4.2K的低溫。杜瓦于1892年發(fā)明的杜瓦瓶，用于貯存低溫液體，為低溫領(lǐng)域的研究提供了重要條件。 1934年

15、，卡皮查發(fā)明了先用膨脹機將氦氣降溫，再用絕熱節(jié)流使其液化的氦液化器；1947年柯林斯采用雙膨脹機于氦的預(yù)冷。大部分的氦液化器現(xiàn)已采用膨脹機，在制冷技術(shù)的開發(fā)和實際使用中獲得廣泛的應(yīng)用。22第三節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展史 德拜和焦克分別在1926年和1927年提出了用順磁鹽絕熱退磁的方法獲取低溫，應(yīng)用此方法獲得的低溫現(xiàn)已達(dá)到(110-3510-3) K；由庫提和西蒙等提出的核子絕熱去磁的方法可將溫度降至更低，庫提用此法于1956年獲得了2010-3 K。1951年倫敦提出并于1965年研制出的3He-4He混合液稀釋制冷法，可達(dá)到410-3 K；1950年泡墨朗切克提出的方法，利用壓縮液態(tài)3He

16、的絕熱固化，達(dá)到110-3 K。23第三節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展史 二、制冷與低溫技術(shù)發(fā)展及研究的方向 近期制冷技術(shù)的發(fā)展主要緣于世界范圍內(nèi)對食品、舒適和健康方面，以及在空間技術(shù)、國防建設(shè)和科學(xué)實驗方面的需要，從而使這門技術(shù)在20世紀(jì)的后半期得到飛速發(fā)展。受微電子、計算機、新型原材料和其它相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步的滲透和促進(jìn)，制冷技術(shù)取得了一些突破性的進(jìn)展，同時也面臨一場新的挑戰(zhàn)。 (1)微電子和計算機技術(shù)的應(yīng)用 在基礎(chǔ)研究方面：計算機仿真制冷循環(huán)始于1960年。如今，普冷和低溫領(lǐng)域中的各種循環(huán)，如：焦湯節(jié)流制冷循環(huán)(JT循環(huán))、斯特林制冷循環(huán)、維勒米爾循環(huán)(VM循環(huán))、吉福特麥克馬洪循環(huán)(GM

17、循環(huán))、索爾文循環(huán)24第三節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展史 (SV循環(huán))、逆向布雷頓循環(huán)、脈管式循環(huán)、吸收式制冷循環(huán)、熱電制冷循環(huán)；利用聲制冷、光制冷、化學(xué)方法制冷的各種循環(huán)；以及各種新型的混合型循環(huán)，如：熱聲斯特林發(fā)動機驅(qū)動小型脈管制冷機的循環(huán)均廣泛應(yīng)用計算機仿真技術(shù)于循環(huán)研究。研究制冷系統(tǒng)的熱物理過程、系統(tǒng)及部件的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性以及單一工質(zhì)和混合工質(zhì)的性質(zhì)等等，也離不開微電子和計算機技術(shù)的應(yīng)用。 在制冷產(chǎn)品的設(shè)計制造方面：計算機現(xiàn)已廣泛用于產(chǎn)品的輔助設(shè)計和制造(CAD，CAM)。例如結(jié)構(gòu)零件設(shè)計的有限元法和有限差分法以及用計算機控制精密機械加工。 計算機和微處理器對制冷技術(shù)的最大影響在于高級自動

18、控制系統(tǒng)的開發(fā)。這是一項綜合性技術(shù)，涉及到先進(jìn)的25第三節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展史 控制方法、可靠的集成塊芯片及專門的控制模塊、精良的傳感器。當(dāng)前制冷系統(tǒng)采用電腦控制已極為普遍，控制模式正在發(fā)生變化，由簡單的機械式控制發(fā)展到綜合控制，為提高產(chǎn)品性能作出貢獻(xiàn)。 (2)新材料在制冷產(chǎn)品上的使用 陶瓷及陶瓷復(fù)合物(如熔融石英、穩(wěn)定氧化鋯、硼化鈦、氧化硅等)具有一系列優(yōu)良性質(zhì)：比鋼輕、強度和韌性好、耐磨、導(dǎo)熱系數(shù)小、表面光潔度高。將陶瓷用燒結(jié)法滲入溶膠體制成零件或用作零件的表面涂釉，可改善零件的性能。 聚合材料(工程塑料、合成橡膠和復(fù)合材料等)用于制冷產(chǎn)品中作為電絕緣材料、減振件和軟管材料；利用聚合26第三節(jié) 制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展史 材料的熱塑性，以新工藝通過熱定型的方法制造壓縮機中的復(fù)雜零件(轉(zhuǎn)子、閥片等)。這些新材料的應(yīng)用，帶來產(chǎn)品性能、壽命的提高和成本的降低。 (3)機器、設(shè)備的開發(fā)研究 為滿足各種用冷的需要，新產(chǎn)品不斷推出，商品化程度不斷提高。 壓縮機以高效、可靠、低振動、低噪聲、結(jié)構(gòu)簡單、成