“制冷"是指用人工的方法將被冷卻對象(如物體或空間)的溫度降低到環(huán)境溫度以下,并保持這個溫度。
制冷過程與冷卻過程的區(qū)別是熱量的傳遞方向不同。冷卻過程是熱量自發(fā)地從高溫?zé)嵩磦飨虻蜏責(zé)嵩吹倪^程。制冷過程與冷卻過程相反,故又稱為逆向傳熱過程。人們把這個從低溫?zé)嵩慈〕鰺崃康倪^程又稱為向低溫?zé)嵩捶懦隼淞康倪^程,即制冷。
根據(jù)熱力學(xué)第二定律,制冷過程是不可能自發(fā)進(jìn)行的。為使制冷過程得以實現(xiàn),必須消耗一定的外界能量給予補償。這種能量可以是電能、熱能、太陽能或其他能量。實現(xiàn)人工制冷的機器和設(shè)備統(tǒng)稱為“制冷機"。制冷機是一種耗能機械,多利用物質(zhì)的狀態(tài)變化來實現(xiàn)制冷的目的。工作在制冷機中的這類介質(zhì)就稱為制冷劑(或稱為制冷工質(zhì))。人們對制冷機和制冷劑的不斷研究和發(fā)展,使制冷技術(shù)在各領(lǐng)域的作用日益加強,在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
從制冷的定義可以知道,從環(huán)境溫度以下到接近OK這個范圍,都是制冷技術(shù)所研究的溫度范圍,人們利用各種制冷方法達(dá)到不同的低溫。根據(jù)研究對象、制冷方法和人們的習(xí)慣不同,制冷學(xué)界多數(shù)人的觀點是將制冷的溫區(qū)劃分為如下3個領(lǐng)域:
1)普通制冷:120K以上。
2)低溫制冷:120~4.2K。
3)超低溫制冷:4.2K以下。
普通制冷的方法常用的有液體氣化制冷、氣體膨脹制冷和熱電制冷。液體氣化制冷利用低溫制冷劑液體的氣化吸收被冷卻對象的熱量,來達(dá)到制冷的目的,例如蒸氣壓縮式制冷、吸收式制冷、吸附式制冷和蒸氣噴射式制冷等就是這樣。氣體膨脹制冷利用高壓制冷劑氣體在降壓降溫膨脹后,吸收被冷卻對象的熱量。熱電制冷利用半導(dǎo)體熱電偶通直流電后,兩結(jié)點處出現(xiàn)一端吸熱、一端放熱的現(xiàn)象來實現(xiàn)制冷。其他制冷方法如磁制冷等正在研制開發(fā)中。
目前,空調(diào)工程中應(yīng)用的制冷方法,主要是蒸氣壓縮式制冷和吸收式制冷,本課程制冷部分針對這兩部分內(nèi)容編寫。制冷技術(shù)是以熱工理論基礎(chǔ)和流體力學(xué)等課程為基礎(chǔ)的,學(xué)習(xí)過程中一定要重視理論實際,才能為工程實踐打好基礎(chǔ)。
1—1 制冷原理
理想制冷循環(huán)——逆卡諾循環(huán)沒有不可逆損失。在兩恒溫?zé)嵩撮g工作的理想制冷循環(huán)可以用逆卡諾循環(huán)來實現(xiàn)。逆卡諾循環(huán)由兩個等溫過程和兩個等熵過程組成。理論上,它可以在濕蒸氣區(qū)域內(nèi),由壓縮機、冷凝器、膨脹機和蒸發(fā)器組成一個循環(huán)系統(tǒng),利用制冷劑在濕蒸氣區(qū)的等溫蒸發(fā)和等溫冷凝實現(xiàn)制冷。這里要注意的是,逆卡諾循環(huán)是在假定蒸發(fā)和冷凝兩過程與低溫?zé)嵩春透邷責(zé)嵩撮g沒有傳熱溫差,高、低溫?zé)嵩春愣ǎ评鋭┝鲃訒r沒有流動阻力,壓縮和膨脹過程為等熵過程的可逆條件下做出的,循環(huán)的全過程均是可逆過程,因此稱其為理想制冷循環(huán)。
逆卡諾循環(huán)原理圖如圖1—1所示。制冷劑沿絕3''→4''膨脹,溫度從了T''k降至T''o;然后,沿定溫線4''→1''膨脹,在定溫膨脹過程中制冷劑在T''o溫度下從要被冷卻的物質(zhì)中吸收熱量q''o;制冷劑從狀態(tài)1''被絕熱壓縮至狀態(tài)2'',溫度從T''o升至T''k;zui后沿定溫線2,一3,壓縮,在定溫壓縮過程中,制冷劑在T''k溫度下向冷卻劑放出熱量q''k。將循環(huán)1''→2''→3''→4''→1''中的四個狀態(tài)點表示在T—S圖(溫—熵圖)上,如圖1—2所示。根據(jù)熱工學(xué)的知識,可以得出其制冷系數(shù)的表達(dá)式為
制冷系數(shù)是制冷量與消壓縮功的功耗之比,它是一個經(jīng)濟性指標(biāo),制冷系數(shù)越大,經(jīng)濟性越好。理想制冷循環(huán)的制冷系數(shù)zui大,因此將其作為制冷循環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)。實際制冷循環(huán)存在不可逆損失,制冷系數(shù)低于理想循環(huán)制冷系數(shù),用熱力完善度?來表示實際制冷循環(huán)接近理想制冷循環(huán)程度的指標(biāo)。其表達(dá)式為
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