第2章 冷冻技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 冷冻技术,第一节 基本概念,为了控制精细化工反应的速度，时常需要在反应其间保持低温。为了获得并保持这一低温环境，这就需要制冷装置，而这种制冷技术是以冷冻技术为依托的。,冷冻或制冷的概念,将物料的温度降低到比水或者周围环境更低的温度的操作。,过程特点,将低温环境中的热量抽取至高温环境中释放，在此过程中，需要利用一种成为工质的中间物体来完成传导传热。此物质称为,冷冻剂,。,低温下温区的划分,人们常用“冷”、“深冷”、“低温”、“超低温”和“极低温”等术语描述低的温度，但是这些术语的含义往往是不明确的或者是带有主观性的。为避免混乱，国际制冷学会（）于,1971,年对,0,以下温区进行划分，并正式向全世界建议：,温度范围 温区名称,T,120,冷冻温区,120,T,0.3,低温温区,T,0.3,超低温温区,一、制冷基本原理（一）：,将酒精棉球擦到我们的皮肤上，我们的皮肤马上就会感到凉爽。显然，该凉爽起自于酒精蒸发的结果。从而可以得出一个结论，蒸发能制冷。,把水抹到皮肤上，也有凉意，但没有酒精作用明显。因为酒精比水更容易蒸发，可见蒸发越快，制冷越好。影响蒸发快慢的因素还有温度和压力，温度越高，压力越低，蒸发越快。,制冷基本原理（二）：,人们为了制冷，千方百计地寻找容易蒸发的物质。现在常用的蒸发工作物质氟里昂。在常压下，氟里昂在零下,30,度时就沸腾蒸发了。当我们把液态氟里昂灌进水箱中，在常温下它就会大量蒸发，水箱外表面就会很冷。这是一种人为制造凉爽的方法。不过，灌进去的氟里昂蒸发了，再灌进去的氟里昂又蒸发了，这样算光买氟里昂就花费昂贵，这种空调没有使用价值。如何解决该问题呢？关键在于氟里昂的重复利用。要重复利用氟里昂，只要将变成气态的氟里昂收集后，对其加压或冷却，就能还原得到液态氟里昂。压力越高，温度越低，氟里昂越容易变成液体。这就要一个密闭的系统。人们都叫它做制冷系统。,二、冷冻操作的物理基础,高温,低温,外界能量,体系,根据,热力学第二定律,，热量是自动的从高温物料向低温物料传递，为了将热量自低温环境传至大气环境，因此，制冷需要外界能量（机械功或热能）的输入，才能完成此过程。,通常规定：,系统吸热，,q,为正值,；,系统对外放热，,q,为负值,。,三、制冷理想工况（逆卡诺循环）,四个步骤：,1.,气体的绝热压缩；,(,等熵过程,),2.,气体的等温压缩；放热高温物体；,（等温过程）,3.,气体的绝热膨胀；,(,等熵过程,),4.,气体的等温膨胀；吸热低温物体。,（等温过程）,dq,=,Tds,四、制冷实际工况描述：,第一阶段,气态的冷冻剂用压缩机压缩，因为外力对冷冻剂作功，物质从气态从低压到高压，并导致冷冻剂温度的升高；,第二阶段,将高温高压的冷冻剂输入散热器，实现冷冻剂的能量向环境的转移，使冷冻剂降低温度（或由气态向液态转变），温度应比环境温度稍高，压力仍然比压缩前要高，,P1V1=P2V2,；,第三阶段,将高压的冷冻剂迅速减压至低压，此时冷冻剂从高压到低压（或液态向气态转变），导致冷冻剂温度的降低；,第四阶段,将低温常压的冷冻剂输入散热器，实现物料的热量向冷冻剂的转移，使此时冷冻剂的温度应比被冷物料的温度稍低。,五、冷冻系数,冷冻系数是冷冻剂自被冷物体中所取走的热量与所消耗的外界功或外界补充的能量之比。以冷冻系数,表示。则：,Q1,在低温下冷冻剂从被冷物体中所取出的热量，,KJ,；,A,冷冻机所消耗的机械功，,KJ,；,Q2,冷冻剂在较高温度下传给冷却介质的热量，,KJ,。,冷冻系数,可见，提高温度,T,1,，也就是制冷的温度不太低，或者降低,T,2,，也就是在实际中压缩机压缩冷冻剂时，温度冷得快（散热器），有利于冷冻系数的提高。,在,理想情况（逆卡诺循环）,下：,T,1,冷冻剂吸取热量时的温度，,K,；,T,2,冷冻剂放出热量时的温度，,K,；,六、冷冻能力,即为在单位时间内，冷冻机中冷冻剂从被冷冻的物体中取走的热量值。,表示方法：,A.,W,，,KW,；,B.,冷冻吨，,1,冷冻吨,为在,24,小时之内将,1,吨,0,的水完全冻结成,0,的冰所需的热量，或为：,1,冷冻吨,3860W,。,C.,单位质量的冷冻剂的制冷能力，即单位质量冷冻剂从被冷物体中所吸取的热量，,KJ/kg,；,D.,单位容积的冷冻剂的制冷能力，即单位容积（,1m,3,）冷冻剂从被冷物体中所吸取的热量,KJ/m,3,；,例题,设有一台制冷设备按逆向卡诺循环工作，若冷藏室保持的低温为,10,，环境温度为,25,。若循环中消耗的机械功为,2KW,，求,1.,冷冻系数；,2.,该装置的冷冻能力，,3.,放给环境的热量。,解：,1,、冷冻系数：,2,、冷冻能力：,因为：,所以：,3,、放给环境的热量,第二节 蒸汽压缩式制冷循环,蒸汽压缩式制冷是建立在液体转变成气体时吸收汽化潜热基础之上的。因此它的制冷能力较大，在这种制冷装置中，制冷剂将发生液相和气相之间的相互转化，这是它与其他型式制冷的重要区别。也是目前应用较为广泛的制冷方法。,一、工作原理,前提：,a.,外界所作的机械功全部用于制冷剂状态的改变；,b.,绝热过程，系统与外界之间没有热量传递的系统。,四个过程：,1,、压缩机首先将制冷剂的湿蒸汽进行压缩，蒸汽温度升高,（,T,1,T,2,）,消耗压缩机提供的外界能量为,A,2,，,由于可以看成是绝热过程，且此时冷冻剂仍然保持汽态（或刚刚达到干饱和），故为等熵过程。,工作原理（二）,2,、,接着汽态的冷冻剂蒸汽在冷凝器,B,中液化，放出冷凝热,Q,2,T,2,(S,2,S,3,),，为外界环境所吸收，而自身的温度不变，（等温过程）；,3,、,液态的冷冻剂经过膨胀机,C,进行绝热膨胀，由于压力降低，对外作功,A,1,，同时冷冻剂的自身温度下降,（,T,2,T,1,），,故为等熵过程；,工作原理（三）,4,、冷冻剂在等温等压下吸收被冷物体的热量,Q,1,T,1,(S,1,S,4,),，而自身被汽化成湿蒸汽，从而完成一个循环。,经过这四个过程，工质再返回压缩机，如此周而复始的循环工作，就达到了不断地把热量自低温物体（冷库）传向高温物体（大气）来保持冷库低温地目的。,二、冷冻系数的计算,对外放热,Q,2,外界能量输入,A,2,体系,对外作功,A,1,从外界吸热,Q,1,根据能量守恒原理，有：,外界作功：,故冷冻系数,:,dq,=,Tds,三、实际压缩蒸汽冷冻机与理想的差距,1,、,从理论上膨胀机的作用是可以通过,对外作功,A1,，,回收一部分机械能的，但是它的结构复杂，故通常用,膨胀阀,代替。冷冻剂蒸汽通过在膨胀阀中进行节流减压。减压降温一次完成。,结果：结构简单，造价低。,冷冻能力下降（,Q1,值降低），外界所作机械功不变（,A2,值不变），导致冷冻系数,下降。制冷效率降低。,2,、,压缩机压缩的通常不是湿蒸汽，而是干饱和或者是过热蒸汽（干操作），因为湿蒸汽在压缩机摩擦热的作用下会汽化，脱离了绝热汽化。,结果：运行工况平稳,冷冻能力提高（,Q1,值降低），外界所作机械功增大（,A2,值增大,Q2,值增大），相互抵消后，最终使导致冷冻系数,下降。制冷效率降低。,3,、,冷凝液过冷,在冷凝器中，通过冷凝器的设计，可使冷凝液产生过冷现象。,结果：冷凝器的结构复杂，造价提高；,冷冻能力提高（,Q1,值提高），外界所作机械功增大（,A2,值增大），导致冷冻系数,提高。制冷效率提高。,四、冷冻剂基本要求：,1,、冷冻剂的汽化潜热要尽可能大，这样可使冷冻剂的循环量降低，降低造价；,2,、临界温度必须比循环中的最高温度要高，这可使冷凝放热过程大部分在两相区内以定温的方式进行，此外，临界温度越高，节流引起的损失就越小；,3,、冷冻剂工作温度的饱和压力不宜太高（在冷凝器中），以免压缩功增大，以及冷却剂的泄漏；也不宜太低（在蒸发器中），以免外界空气的渗入；,4,、冷冻剂的凝固点应比蒸发室的温度低得多，以免冷冻剂凝固；,5,、冷冻剂在蒸发温度下的比容要小，以减少冷冻装置的体积；,6,、化学稳定性要好。,五、载冷体,蒸汽压缩式制冷系统使用的制冷剂,氟利昂,CFCs,（象,R12,（,CF2CL2,）、,R11,（,CFCL3,）等），对臭氧层有活多或少的破坏，采用新型的制冷剂，例如用,R134a,（,R134C2H2F4,，,R134aC2H2F4,，两者是同分异构体，不含氯）取代,CFCs,，可以有效降低对臭氧层的破坏。但新型制冷剂的采用却使系统的,COP,值有所降低。,用于将冷冻机产生的冷效应传递给被冷物质的中间物质。,要求：价廉、热容量大，其冻结温度要低于冷冻机的冷冻温度。,在制冷系统中常用的载冷剂有空气、氯化钙溶液、乙醇。,六、蒸汽压缩式制冷的特点,蒸汽压缩式空调系统具有较高的制冷系数和较强的制冷、制热能力，但这种系统运行时噪音很大，窗式空调尤为明显。分体式中央空调系统将冷凝器、压缩机封闭在一金属箱体内放在室外，将蒸发器装在一箱体内放在室内，从而可以降低系统的噪音。,不设有换向阀的蒸汽压缩式空调系统只能在夏天用于制冷，大多数蒸汽压缩式空调系统能全年运行，既能制冷也能制热。在制热状态下，通过换向阀将室内的蒸发器由冷凝器取代，室外的冷凝器由蒸发器取代，整套装置就是一热泵，不停地将热量从室外空气中输送到室内。为使热泵能有效地运行，周围环境温度一般要求高于,5,。,第二节 吸收式制冷,一、基本原理,在蒸汽压缩制冷循环中，是借助电动机的将冷冻剂进行压缩，以此推动整个制冷循环。同样，我们也可以通过借助其他方式来降低蒸发器中冷冻剂的气压而进行制冷工作。,吸收式制冷是利用一种物质对另一种物质（冷冻剂：液体或固体）强烈的吸收性能，降低体系的压力，从而使该物质的液态在比较低的温度下实现蒸发，并吸收被冷物体的热量而达到制冷的目的。,因此，在吸收式制冷机中一定有二种物质，一种是冷冻剂，另一种是吸收剂，后者可以对前者进行吸收。,一、基本原理（二）,例如在一个大气压条件下，水在,100,沸腾蒸发，而在低压（或真空）环境下，水可以在温度很低是沸腾。比如在密封的容器里创造,6mmHg,的低压条件，水的沸点只有,4,。那么，能够吸收水，由此造成低压和低温状态的物质有那些呢？,溴化锂溶液就可以制造这种低压条件，因为它是一种吸水性极强的盐，可以连续不断地将周围的水蒸汽吸收过来，维持低压条件。由于溴化锂溶液可以吸收水蒸汽，所以，它的沸点一定是高于水的。,目前，常用的吸收系统有：,1,、氨水系统；,2,、水溴化锂系统；,二、吸收式制冷设备的基本结构,以水溴化锂吸收式制冷系统为例。,在吸收器中，浓的溴化锂水溶液吸收大量的水蒸汽，造成低压，在此低压的拉动下，冷凝器的水经过膨胀阀汽化减压，并使自身温度降低，由此在蒸发器中吸收被冷物体的热量而达到制冷的效果。,在吸收器中，吸收了水的稀溴化锂水溶液由泵打入再生器中（途中经换热器预热），经过加热，实现了水蒸汽和溴化锂的分离，水蒸气进入冷凝器冷凝成水后再次用于蒸发吸热，浓缩的溴化锂水溶液经换热器冷却后，进入吸收器，再次用于吸收水蒸汽。,三、吸收式制冷的特点,一、优点,（一）对热源要求不高。可利用各种低势热能和废汽、废热，具有很好的节电节能效果，经济性好。但若不是利用余热制冷，而是采用燃油锅炉加热，其年运行费用离心式机组的,1.9,倍。,（二）除屏蔽泵外，无其他运动部件，振动小、噪声低、运行比较安静。,（三）以溴化锂溶液为工质，无臭、无毒、无爆炸危险、安全可靠、有利环境保护。,（四）冷量调节范围宽，可在,10,100,的范围内进行冷量的无级调节。即使低负荷运行，热效率几乎不下降，性能稳定。,（五）对外界条件变化的适应性强。包括：蒸汽压力、冷却水进口温度、冷媒水出口温度变化较大时稳定运转。,（六）制造简单，操作、维修保养方便。对安装基础要求低。,三、吸收式制冷的特点（二）,二、缺点,（一）溴化锂溶液对于金属，特别是黑色金属，在接触空气的情况下具有强烈的腐蚀性，不仅影响机组的寿命，而且影响机组的性能和正常运转。,（二）机组在真空下运行空气容易漏入。即使漏入微量的空气，也会严重地损害机组的性能。为此，制冷机要求严格密封，这就给机器的制造和使用增添了困难。,（三）机组的排热负荷较大，因为冷剂蒸汽的冷凝和吸收过程均为排热过程。此外，对冷却水的水质要求比较高，在水质差的地方，应进行水质处理，否则将影响机组性能的正常发挥。,（四）吸收式制冷机的金属耗量大，体积较大、结构复杂，所以初投资比较大。,第四节 蒸汽喷射式制冷机,一、工作原理,首先利用锅炉产生高压水蒸汽，通过渐缩渐扩喷嘴进行绝热膨胀，在喷嘴出口达到很高的速度（可达,1000-1200m/s,），并在吸入室造成很低的压力，从而将蒸发器的低压汽态制冷剂抽吸到喷射器的吸入室，以维持蒸发器内的低压，达到制冷的目的。此后，高速工作蒸汽与进入吸入的低压蒸汽一起进入混合室。在混合室两股气流进行能量交换，流速逐渐均一，然后进入扩压室。在扩压室内，随着流速的逐渐降低，气流动能转换为压能，使得压力逐渐增高。到出口达到冷凝压力，从而实现了对冷蒸汽的压缩过程。增压后的混合蒸汽进入冷凝器，被冷却介质冷却并凝成液体。该原理与实验室水龙头的抽滤装置产生负压的原理相同。,二、蒸汽喷射式制冷机结构,三、蒸汽喷射式,制冷的特点,优点：,1,、蒸汽喷射制冷机利用热蒸汽做动力，抽出设备中的气体，并维持系统的真空度，而不直接消耗机械能，来制取冷水。,2,、设备结构简单、无转动部件，一次投资低，不需备用设备，使用寿命长；,3,、操作简便、运行可靠、维修工作量小、管理费用少；,4,、设备可安装在用户楼顶、高平台等地方，不用专建机房，基建投资小。,5,、制取冷冻水的范围较宽（,220,）用水做为冷冻剂，没有污染，供给冷气自然舒适，符合国家环保标准。,缺点：,1,、蒸汽喷射器的加工精度要求较高，蒸汽喷射式制冷循环的工作蒸汽消耗量较大，制冷循环效率较低。如果简单用锅炉蒸汽，还不如用电合算，得不偿失。,2,、蒸汽喷射制冷中冷凝器负荷既包括蒸汽的凝结热，也包括工作蒸汽的凝结热，所以，在这种装置中冷却水耗量常为压缩式制冷机的,3,4,倍。,蒸汽喷射制冷在电厂使用更为经济合理，既能充分利用其余热蒸汽作动力，又能利用辅助设施。因电厂排放出大量的高温高压蒸汽还得用冷凝器把蒸汽冷凝成冷凝水再利用。采用蒸汽喷射制冷机来制冷，用于中央空调既利用了余热蒸汽，同时又把这部分蒸汽冷凝成了冷凝水；其次，冬天还可利用这套系统集中供热，与其他制冷机相比可谓一举多得。,第五节 半导体制冷,一、半导体制冷原理,半导体电子制冷又称热电制冷，或者温差电制冷，它是利用,帕尔帖效应,的一种制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。,1843,年，法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，他发现一个接头变热，另一个接头变冷；该现象称为,帕尔帖效应,。,“,帕尔帖效应,”,的物理原理：,电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级想低能级运动时，就会释放出多余的热量。反之，就需要从外界吸收热量（即表现为制冷）。,二、半导体制冷器结构,将,P,型半导体，,N,型半导体，以及铜板，铜导线连成一个回路，铜板和导线只起导电作用，回路由直流电供电，接通电流后，一个接点变冷（用于制冷），另一个接头散热（用于散热），两端温度变化范围为,-50,80,。,三、半导体制冷的主要特点,：,优点：,1.,无机械传动部件，结构简单，部件少，重量轻、维修方便；,2.,外型尺寸小、无磨损，无噪音，寿命长；,3.,无需制冷剂制冷，绝对环保；,4.,温差不超过,50,时，效率高压缩式制冷，并能精确平稳地调节温度工况和制冷量。,缺点：,1.,制冷温度与环境温度有关（一般低于环境温度,20,度），不能制冰；,2.,受材料制约，不能产生足够大的致冷量，只适合于用来制做小型制冷器；,3.,制冷器价格较高。,四、半导体制冷的应用,电子技术上的应用,光电倍增管,红外探测器,光敏器件,功率器件等,精密机械加工,电子冷冻车削,电子冷冻铣削,电子冷冻磨削,电子冷冻铸造,石油产品凝点试验器,计算机显卡,第六节 深度冷冻,一、深度冷冻的概念,达到,-100,以下低温的冷冻技术。,深度冷冻实质上就是气体液化的技术。通常采用机械方法。例如用节流膨胀或绝热膨胀等法可得低达,-120,的低温；用绝热退磁法可得,1K,以下的低温。,依靠深度冷冻技术，可研究物质在接近绝对零度时的性质，并可用于气体的液体和气体混合物的分离。工业上可以得到液态氧、液态天然气等；可以有效地分离空气中的氮、氧、氩、氖、氪，天然气或水煤气中的氢，石油裂化和裂解气中的甲烷、乙稀、丙烯等。,二、深度冷冻的基本原理,由纯物质的,P-T,相图得知：,当气体温度高于其临界温度（,物质以液态形式出现的最高温度）,时，无论加多大的压力都不能使其液化。,例如，水蒸汽的临界温度为,374,，远比常温要高，因此，平常水蒸汽极易冷却成水。而氨、,CO,2,等的临界温度高于或接近室温，对这样的物质在常温下很容易压缩成液体。有些物质如氧、氮、氢、氦等的临界温度很低，其中氦气的临界温度为,268,。,欲使难液化的气体液化，必须设法将其温度降低到它们各自的临界温度以下，这就需要深度冷冻。然后再用增大压强的方法使它液化。,林德循环（,Linde,Cycle,）,常温常压的气体（,T,1,、,P,1,）经过多级等温压缩至高压,P,2,，高压气体经冷却器冷至常温,T,1,后，经换热器冷却到适当的温度，然后经节流阀膨胀变为压力为,P,1,的气体混合物送入气液分离器，饱和液体沉降于分离器底部，未液化的气体送入热交换器与高压气体换热，自身温度回升返回到压缩机。,1895,年德国工程师,Linde,首先利用一次节流膨胀液化气体，故称为,林德循环,。用它液化空气，可使温度达到,8O.9K,。,此系统由压缩机、冷却器、换热器、节流阀与气液分离器组成。,克劳德循环（,Claude Cycle,）,在简单的林德循环中，由于高压气体的相对量大和热容大，用未冷凝的低压气体无法将其在节流膨胀以前冷却到足够的低温，,1902,年，法国的,G,克劳德在林德液化设备基础上加上活塞式膨胀机，以等熵膨胀制冷方法为主，制成液化空气的设备。,克劳德循环的基本构成,克劳德循环中，有三个换热器（冷却用），部分高压气体经第一换热器冷却送进膨胀机，膨胀后的低温气体与第三换热器来的低压气体合并，送入第二换热器作冷却介质用。,克劳德循环的主要优点：,主要表现在：,普冷：,两个封闭式循环，制冷循环与被冷物系是两种物质，是封闭循环。,深冷：,制冷循环与分离或液化物质是同一种物质，且不是封闭循环。,1,、减少了高压气体量，增加了作为冷却介质的低压气体量；,2,、提高了液化率；,3,、回收了部分功。,深冷与普冷的区别,三、低温恒温器及使用,低温实验通常是在低温恒温器里进行的。低温恒温器就是在低温下一定的温度范围内，能满足特定低温实验条件的恒温装置。,低温恒温器,杜瓦瓶,(,盛装低温液体,),感温元件,温度调节机构,1,、低温液体,常用低温液体有液氧、液氮、液氢、液氦等。由于这些低温液体的沸点比室温低，在常压下，它们在低温容器里大都处于沸腾状态，温度恒定于沸点温度。一般情形下不采用升高压力提高沸点，而是利用抽气机降低液体的蒸汽压来获得如下温度范围。,液氧,90.2,54.4,液氩,87.4,83.8,液氮,77.3,63.1,液氖,27.1,24.6,平衡氢,20.3,13.8,液,4,He 4.2,0.8,液,3,He 3.2,0.3,注：最常用于低温实验的是液氮和液氦。,2,、杜瓦瓶,1892,年杜瓦（,J.Dewar,）发明了贮存低温液体的高真空夹层密封容器，通常称“杜瓦”瓶。低温液氦实验中常用两种杜瓦瓶，一是为贮存与运输用的，二是为实验用的。玻璃杜瓦瓶的防热辐射银镀层要留一条缝称为窥缝，用以观察低温液体的液面。液氦实验装置要复杂些，常在盛装液氦的杜瓦瓶外套置盛装液氮的杜瓦瓶，以减少热量传递。它们可以提供稳定可靠的低温实验条件。,注意：,通常用来贮放液氮和液氦的金属杜瓦瓶在真空夹层内衬有活性炭或渗炭纸，遇富氧易引起爆炸，因此这种金属杜瓦瓶不允许盛装液氧。,