液体汽化时,需要吸收热量,该 热量称为汽化热。液体汽化所吸收的热量来自被冷却的对象,因而被 1 冷却的对象变冷, 或者使其维持在一个相对于环境温度较低的某个温 度上。为了使上述过程持续进行,必须不断地从容器内抽走空气,在 再不断地将液体不补充进去。 通过一定的方法把蒸气抽走并使其凝结 成液体后再回到容器中,就能满足这一要求。若容器中的蒸气自然流 出,直接凝结为液体,则需要冷却介质的温度比液体蒸发的温度还要 低,而这种冷却介质是不可能存在的。我们希望蒸气的冷凝过程在常 温下实现,因此需要将蒸气的压力提高到常温下的饱和压力。这样制 冷剂在低温低压的状态下蒸发,产生制冷效应,又在常温下冷凝,向 环境温度的冷却介质放热。由此可见,液体的制冷循环油制冷剂的低 压汽化、蒸气升压、高压汽液化和高压液体降压四个基本过程组成。 蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、蒸气喷射式制冷和吸附式制冷都是具 备上述四个基本过程。 一. 蒸气压缩式制冷 顾名思义,这种制 冷方式是以压缩蒸气来 实现制冷效益的。这里包 含两个内容:一是利用制 冷剂来转移热量;二是机 械式压缩制冷剂而完成 相变制冷。 蒸气压缩式制冷系 2 统由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器组成(右图 1-1) ,用管道将 其连成一个封闭的系统。 节流装置将由冷凝器来的高压液体制冷剂节 流, 压力降低; 低压制冷剂在蒸发器内与被冷却的对象发生热量交换, 吸收被冷却对象的热量而汽化; 汽化产生的低压制冷剂蒸气被压缩机 吸入,经过压缩以后高压排出;压缩机排出的高温高压气态制冷剂在 冷凝器内与环境介质进行热交换,释放出热量而液化;高压制冷剂液 体再次流经节流装置而降压。如此周而复始,产生连续的制冷效应。 制冷剂被压缩过程必须消耗由原动机输入的能量。 蒸气压缩式制冷的机械设备于制冷剂的相互结合工作过程框图 如下图。其中方框表示制冷剂的状态,粗实线上的名称表示制冷剂状 态变化所需要的制冷机械,箭头表示制冷剂的循环方向。 低压饱和或过热蒸气 高压过热蒸气 低压饱和或过热蒸气 高压饱和或过冷液体 蒸气压缩式制冷循环的特点是系统结构简单,使用方便,循环系 统的热力性能较高,能量调节灵活,制冷温度调节广泛,机电一体化 程度高,各种压缩机的适应性能好。但系统使用的机械动力或者电力 等二次能源,单级制冷循环的制冷温度过低时效率较低,压缩机的运 3 动部件导致系统的可靠性下降。 二.吸收式制冷 吸收式制冷 吸收式制冷循环是利用一种 吸收剂将汽化的制冷剂蒸气吸收, 制冷剂汽化带走汽化热而产生制 冷效应。 吸收了制冷剂蒸气的吸收 剂在发生器中消耗热能而释放出 制冷剂蒸气,重新恢复吸收能力。 释放的制冷剂蒸气冷却液化后经 过节流降压,再一次汽化。周而复 始,连续制冷。由此可见,吸收式 制冷循环式完成溶液热力学过程来取得制冷效应的(右图 1-2) 。 蒸气吸收式制冷系统制冷循环系统的主要部件有:发生器、冷凝 器、制冷剂节流装置、蒸发器、吸收器、溶液节流装置和溶液泵。为 了充分利用能源,提高制冷循环效率,系统中通常增加溶液换热器, 回收热量。 吸收式制冷系统主要包括两个循环回路:一个是制冷剂循环回 路,另一个是吸收剂循环回路;这两个循环回路是有公共部分的,体 现吸收式制冷循环中制冷剂和吸收剂的相互作用, 吸收剂对低压制冷 剂蒸气吸收以及消耗热能加热后释放出高压制冷蒸气的特点。 与蒸气 压缩制冷系统相比较,两个制冷循环均具有蒸发器、冷凝器、和节流 4 装置,不同点是前者的压缩机部件被后者吸收剂循环回路所替代,把 吸收器比作压缩机吸入侧,发生器接受外界热能对其内稀溶液加热, 提高制冷剂蒸气压力。 需要指出,吸收式制冷循环系统工作中,吸收剂吸收制冷剂蒸气 的过程伴随着释放出吸收热量,为了保证吸收过程的持续进行,必须 冷却吸收剂,将吸收热量排至高温热源。 吸收式制冷机利用溶液在一定条件下能析出低沸点组分的 蒸气,在另一条件下又能强烈地吸收低沸点组分蒸气这一特性完 成制冷循环。目前吸收式制冷机中多采用二元溶液作为工质,习 惯上称低沸点组分为制冷剂,高沸点组分为吸收剂,二者组成工 质对。 人们经过长期的研究,获得广泛应用的工质对只有氨——水 和溴化锂——水溶液,前者用于低温系统,后者用于空调系统。 具体有如下: (1)以水作为制冷剂的工质对:水——溴化锂、水——氯化 锂、水——碘化锂、水——氯化钙。 (2)以氨作为制冷剂的工质对:氨——水、乙胺——水、甲 胺——水以及硫氰酸钠——氨等。 (3)以醇作制冷剂的工质对:制冷剂通常选用甲醇,主要有 甲醇——溴化锂、甲醇——溴化锌、及甲醇——溴化锂——溴化 锌三元溶液工质对等。 5 (4)以氟利昂作为制冷剂工质对:其中主要是 R21、R22 与 四乙醇二甲基乙醚等有机物组成的工质对。 吸收式制冷循环有如下特点:以一次能源热能为驱动能源,可以 利用高、低品位热能(例如:余热、废弃热、废水热) ;节约电耗; 运转部件少,噪声低;机组在真空状态下运行,无高压危险,安全可 靠;采用冷热电联产生的运行模式时,可以有效地提高能源的利用效 率。 三.蒸汽喷射制冷 蒸气喷射式制冷也属于蒸气压缩式制冷的一种。 它是利用液体汽 化吸收汽化热来传递热量达 到制冷效果。该系统的压缩部 件不是压缩机而是喷射式扩 压器。 蒸气喷射式制冷循环由 喷射器、冷凝器、蒸发器、节 流装置、泵、锅炉和空调末端 系统等部件组成。喷射器有喷 嘴、扩压器和吸入室构成。 蒸气喷射式制冷循环工作原理: 压力锅炉消耗外界热量将其内水 加热汽化产生高温高压工作蒸气。 工作蒸气进入喷射器的喷嘴进行膨 胀。膨胀后的蒸气以高速流动,由管内流体的伯努利能量方程可知, 6 渐缩喷管的喉部面积最小,蒸气流速最大,动能最大而压力能最小, 在喷射器内形成低压力区。蒸发器与喷射器相连通而处于低压区。蒸 发器内部分水蒸发,从未汽化的水中吸收汽化热(低温热源)而降低 未汽化水的温度,产生制冷效果。被降温的水通过冷媒水泵送入冷库 制冷而升温,重新返回蒸发器内汽化和冷却,周而复始,连续制冷。 蒸发器中产生的制冷剂蒸气经过吸入室与流动的工作蒸气在喷嘴出 口处混合后经过扩压器而流入冷凝器。 在扩压器中蒸气流速降低而压 力升高,被环境介质(高温热源)冷却而凝结为液态水。液态水由冷 凝器引出,分为两路:一路经过节流装置降压后送回蒸发器内,继续 蒸发制冷;另一路制冷剂泵提高压力送回压力锅炉,重新加热产生工 作蒸气。 蒸气喷射式制冷机除了水作为介质外, 也可采用其制冷剂作为工 作介质。 各种制冷剂的标准蒸气温度不同, 可以得到不同的制冷温度, 以满足民用和工业工艺的各种温度要求。 蒸气喷射式制冷循环结构简单,加工方便,没有运动部件,可靠 性高,能利用一次能源。不足之处是所需工作蒸气的压力高,喷射器 流动损失大而效率低。 该循环中喷射器的增压效果被用来与蒸气压缩 式制冷循环相结合使用,即:喷射器作为压缩机入口前的增压器,可 以提高单级压缩制冷循环在低温制冷时的效率, 弥补蒸气压缩式制冷 循环的不足。 7 四.热电制冷 顾名思义,热点制冷是指电和热的关系,也是电和冷的关系。它 是基于热电效应之上的一种制冷 方法。其作用机理:当导体与电 源连接时,电荷在导体中形成电 流,由于电荷在不同的材料中所 处的能级不同,当它从高能级向 低能级流动时,在材料的交界面会放出能量;当它从低能级向高能级 流动时,在材料的交界面会吸收能量。电荷在不同能级的材料中流动 就能产生热电效应。 热点制冷的机理是由材料电子的能级变化产生吸热和放热效果, 不需要制冷剂的相变来实现能量的转移; 热电制冷装置没有机械运动 部件,可靠性能好;噪声低;对环境无污染;灵活性强、使用方便, 非常适合于微型电子仪器冷却,小型医疗器械的冷头,核潜艇中干的 回冷设备,小型电冰箱和冷饮器具等。不足之处就是受热电材料特性 限制,热电制冷的效率较低;热电材料价格昂贵;使用二次能源,而 且为直流电源,整流设备往往增加体积和成本,限制其使用规模。另 外,除半导体材料具有较高的帕尔贴系数外,其他材料也可以进行热 电制冷。随着热电制冷材料特性的研究和深入,热电制冷将会得到更 广泛的应用。 8 五.吸附式制冷 吸附式制冷与吸收式 制冷的机理相类似,但又 不尽相同。相同点:二者 均是利用制冷剂的相变制 冷,均利用工质对相互作 用而达到制冷效果。区别 点是前者是利用固体多孔 介质作为吸附剂来吸附制冷剂蒸气, 当吸附剂吸附制冷剂蒸气达到饱 和状态后需要脱附而恢复吸附能力; 而后者是利用液体作为吸附剂来 吸收制冷剂蒸气, 当吸收制冷剂蒸气达到某一浓度后需要发生出气体 来恢复吸收能力。 吸附式制冷主要部件有:吸附床、冷凝器和蒸发器。其中吸附床 由固体并带有微孔结构的颗粒状吸附剂或已烧结成型的吸附剂填充 成一个大容器。蒸发器和吸附床之间用管道连接形成一个密闭的系 统。 其工作原理是利用固体微孔的吸附特性, 某一种固体吸附剂对某 种制冷剂气体有吸附作用,其吸附能力随温度而变化。吸附单元内排 出的空气等不凝结气体,吸附床内填充吸附剂并充灌制冷剂。 吸附式制冷分为两个过程:吸附过程和脱附过程。吸附过程是基 本吸附单元中吸附床吸附制冷剂蒸气,蒸发器内制冷剂蒸发,从载冷 9 剂中吸收能量,相当于蒸气压缩式制冷过程;脱附过程是外界加热热 量与吸附床,是被吸附气体脱离吸附剂,通过冷凝器凝结向冷却流体 释放热量, 相当于蒸气压缩式制冷中的制冷剂蒸气由压缩机升压后经 过冷凝器放热的过程。因此,吸附式制冷时吸附过程和脱附过程交替 进行的间歇性制冷过程。 常见的物理工质吸附对有:沸石——水、硅胶——水、活性炭— —甲醇、金属氢化物——氢。化学吸工质吸附对有氯化钙——氨。各 吸附对的吸附动力学特性是吸附式制冷的重要基础研究内容。 吸附式制冷循环系统利用热源驱动,具有适应性高、低品位热量 特点,特别是可利用余热、废热和可再生的太阳能;系统简单,无运 动部件。运行可靠性高;对环境污染小;但系统是间歇性制冷;制冷 效率不高;吸附、脱附过程均发生在吸附床同一部件,传热传质性决 定了间歇性和吸附、脱附的彻底性和制冷效率。 上面介绍了几种常用的制冷系统, 在实际装置的运行和性能与制 冷工质的性质有着密切的关系, 因此在热力性质和环境保护等方面对 制冷剂提出了一定的要求。 对制冷剂的热力性质的主要要求如下: (1) 对应于装置工作温度,要有适中的压力。若蒸发压力 过低,密闭溶液出问题;冷凝压力过高,对冷凝系统 材料的耐压强度要求提高,增加了成本也对焊接等工 10 艺提出了更高的要求。 (2) 在工作温度下汽化潜热要大,使得单位质量的工质具 备较大的制冷能力。 (3) 临界温度应高于环境温度,使冷却过程能更多的利用 定温排热。 (4) 制冷剂在 T-s 图上的上下界线要陡峭,以便使冷却过 程更加接近定温放热过程,并可以减少节流引起的制 冷能力下降。 (5) 工质的三项点温度要低于制冷循环的下限温度,以免 造成凝固阻塞。 (6) 蒸气的比体积要小,工质的传热特性要好,是装置更 紧凑。 此外,还要求制冷剂容油性好、化学性质稳定、于金属材料 及压缩机中的避风材料等有良好的相容性、安全无毒、价格低廉 等。 制冷循环式逆向循环的一种, 是使热量从低温物体传向高温 物体,据热力学第二定律这是需要付出代价的,因此必须提供机 械能(或其他能量) ,以确保包括低温冷源、高温热源、功源在 内的孤立系统熵尽可能的增大。 制冷循环在实际生活中有着非常 重要的地位,从日常生活中的冰箱、空调到电厂的发电过程都离 不开制冷循环。因此如何改进制冷系统,寻找发明更优质的制冷 11 剂既使得效率得以提高又能保护环境是工程热力学今后研究和 发展的重要方向之一。 12