现代低温制冷技术chapter1.pptx

使用教材及参考书：n陈国邦主编，小型低温制冷机原理，科学出版社，2010年n陈国邦主编，最新低温制冷技术，机械工业出版社，2003年n边绍雄主编，低温制冷机n吴业正主编，制冷及低温原理n周远、王如竹主编，制冷与低温工程n张祉祐主编，低温技术原理与装置第一章低温制冷技术基础n第一节变质量系统热力学概要n第二节用于低温制冷机的热力循环n第三节低温制冷机的应用第一节变质量系统热力学概要n一.变质量系统基本方程n二.典型的变质量系统热力过程n三.回热式制冷机制冷量通用计算式n四.不稳定流动回热器的气流能量方程一.变质量系统基本方程n1.状态方程n2.质量方程n3.能量方程n4.过程方程二.典型的变质量系统热力过程n1.刚性容器绝热充气过程n2.刚性容器等温充气过程n3.刚性容器绝热放气过程n4.刚性容器等温放气过程n5.有质量变化的膨胀和压缩过程5.有质量变化的膨胀和压缩过程（等温）（1）变质量系统作等温膨胀，等温压缩与常质量系统有很大区别。常质量系统：等温膨胀做功必然伴随系统压力的降低，并从外界吸热；等温压缩则压力升高，向外界放热。变质量系统：因为工质数量的变化起着重要的作用，情况有所不同。（2）瞬间吸热量取决于压力变化。（3）一个周期情况（活塞来回往复一次）（4）要确定参数间的单值关系，需其他的附加条件。5.有质量变化的膨胀和压缩过程（绝热）n能量平衡T*,h*进出控制体的工质的温度和比焓；实际问题，dm0,T*=Twall=constdm切换时间，流动稳定（2）不稳定流动回热器（回热式制冷机）切换频繁第二节用于低温制冷机的热力循环n卡诺循环（2等温+2绝热）nReitlinger循环（2等温+2多变）：Stirling循环（2等温+2等容）Ericsson循环（2等温+2等压）nLorenz循环（2绝热+2多变）Brayton循环第二节用于低温制冷机的热力循环n一.卡诺循环n二.Reitlinger循环n三.Lorenz循环n四.基于等熵压缩与等熵膨胀的理想循环一.卡诺循环n由2个等熵（压缩和膨胀）和2个等温（吸热和放热）过程组成。n热力学效率：一.卡诺循环n低温制冷机，按照卡诺循环工作不切实际，压比太大。n在实际工作中，采用回热方式，降低压比。（氦的等熵指数k=1.67）卡诺逆循环卡诺逆循环制冷机和热泵制冷机和热泵一一.制冷机制冷机特点：外界做功，特点：外界做功，从低温热源吸热从低温热源吸热Q2，向高温热源，向高温热源放热放热Q1。C-C-毛细节流阀毛细节流阀 B-B-冷凝器冷凝器 D-D-冷库冷库 E-E-压缩机压缩机制冷系数：制冷系数：卡诺制冷机（逆循环）卡诺制冷机（逆循环）：不同制冷温度时，冰箱的效率不同。不同制冷温度时，冰箱的效率不同。二.Reitlinger循环(由2个等温压缩和膨胀过程所组成的热力循环，能达到与卡诺循环相同的热力学效率。)nn=kCarnot循环nn=,Stirling循环nn=0，Ericsson循环（多变过程通过回热器实现）三.Lorenz循环（由2个绝热压缩，膨胀过程和2个多变过程组成）在热源温度变化的情况下，由两个与热源之间无温差的热交换过程及等熵过程所组成的逆向可逆循环，是消耗功最小的循环，即制冷系数最高的循环，这就是Lorenz循环。n改进型Stirling循环（2个等熵与2个等容）n布雷顿循环（2个等熵与2个等压）三.Lorenz循环n热力学效率（当量温限）四.基于等熵压缩与等熵膨胀的理想循环n1.Brayton循环n2.改进型Stirling循环n3.G-M循环n4.Solvay循环n5.脉管制冷循环1.Brayton循环Ta，环境温度；Tc，制冷温度2.改进型Stirling循环3.G-M循环n理想情况制冷量n理想情况耗功n理想情况热力学效率4.Solvay循环（可看成G-M循环的变体）5.脉管制冷循环nSirling型nG-M型nStirling型脉管制冷机的热力学效率曲线，与Brayton循环曲线类似，但由于其没有回收膨胀功，因而效率较低。nG-M型脉管制冷机的热力学效率与Slovay和G-M循环类似，因为这些循环都是基于绝热放气过程。第三节低温制冷机的应用一.低温制冷机的分类二.低温制冷机的应用一.低温制冷机的分类n按制冷温度分类n按制冷量分类n按循环原理分类1.按制冷温度分类（160-120K，80K温位制冷机（2）20-60K，20K温位制冷机（3）10-20K，10K温位制冷机（4）4-10K，4K温位制冷机（5）1-4K，极低温制冷机（低温制冷机指的是一种在低于120K的温度下产生制冷量的机器或装置。制冷量的大小，与其提供制冷量的温度有很大关系。）2.按制冷量分类3.按循环原理分类n间璧换热式：J-T循环，Brayton循环n蓄冷式（回热式）：不用配气阀门，采用配器阀门间璧换热式：n在循环中采用间壁式换热器来回热，即在循环中冷热流体通过两个有固体壁面隔开的不同流道进行换热。n循环中，压缩机和膨胀机应具有进排气阀门来控制气流的流动方向，除非采用了透平机械。封闭循环J-T（节流）制冷机n优点：冷头无运动部件，振动小n缺点：效率低，压缩机可靠性差，至今未获普遍应用。n研究方向J-T阀阻塞自控阀J-T阀的不可逆膨胀气体性质n焦汤制冷器是利用焦汤节流效应来获得低温。这种制冷方法早已普遍采用，但微型节流制冷器直至年代才实现。最早由英国海曼特克（Hymatic）公司生产，采用高压氮气作为工质，能使红外元件在min内从室温降低至78K。这种制冷器的特点是轻巧、紧凑、降温速度快，主要用于红外制导的导弹。用于军用的焦一汤制冷器通常采用开式循环且通常均为微型或小型低温制冷器。最近几年闭环焦一汤制冷器有很大的发展信息产业部电子十六所已制成降温速度1.5秒的焦-汤制冷器。Brayton循环制冷机n特点：（1）采用膨胀机，用近乎等熵代替等焓膨胀，回收膨胀功辅助压缩过程，效率提高。（2）一般采用具有气体轴承的透平膨胀机，提高可靠性，降低振动。（适用于大型液化器）n缺点：透平成本高，使用受限n逆布雷顿循环最初亦用于热力发动机。逆向布雷顿循环可用来制冷（简称逆布雷顿循环）。n它的制冷原理是利用等熵膨胀制冷效应。单级循环适用于77-150K的温度范围。两级循环适用于20K，最低温度可达。n布雷顿循环由压缩机、膨胀机及换热器组成。从理论上分析，循环有最佳压比，相应的功率及机器重量为最小。最佳压比通常在2.5-3左右。美国Creare公司在军方资助下已制成5W/77K的长寿命逆布雷顿循环制冷机，该制冷机采用了气体轴承微型透平，已用于空间技术制冷。蓄冷式（回热式）低温制冷机：n交变流动的冷热震荡流体，分别在制冷循环的前半周期和后半周期在，在同一个回热器（蓄冷器）中与同一个高效的回热填料进行换热。nG-M循环，斯特林循环，脉管制冷循环n分类：不用配气阀门（斯特林型）：斯特林制冷机，维勒米尔制冷机，斯特林型脉管制冷机使用配气阀门（G-M型/Ericson型）G-M制冷机，索尔凡制冷机，G-M型脉管制冷机（1）斯特林制冷机（1）外功驱动压缩机，将工质在室温下压缩至高温，在冷却器中工质被冷却至室温并向环境放热（2）排除器与压缩机活塞相连，并维持运动的相位差，保证工质在处于环境温度下的压缩腔和处于低温下的膨胀腔之间流动。（3）回热器为一个高效换热器（4）膨胀腔下部的冷端换热器，在低温下从环境吸热，输出系统的有效制冷量。（2）维勒米尔制冷机n以热压缩机代替机械压缩机的斯特林循环n低温部分，完全相同n区别：热压缩机系统（高温排出器，高温回热器，加热器）n高低温排出器通过冷却器直接相连。实际中，运动不同步，低温排出器超前高温排出器90。相位角n理论上，不需要从外界输入功。n适用于有可供利用高温热源场合。nVM制冷机是一种直接从热源取得热量驱动膨胀腔的推移活塞以制取冷量的制冷机。VM制冷机可以看成热压缩机驱动的斯特林制冷机。n维勒米尔（Vuillenmier）于年提出。年范尼瓦（Vannervar）和年特考尼斯（K.W.Caconis）提出了类似的设计,但直至1964年才由切利斯(F.F.Chellis)和霍金(Hoen)研制成实用有的VM制冷机。n由于VM制冷机转速低，轴承载荷小，因而寿命长、振动小、噪声低。年美国休斯公司研制成用钚238放射性同位素作为热源的VM制冷机，它能分别制取25K和75K两个温度,相应的冷量有2W和3W。由于VM制冷机本身有热力发动机，故不需额外功率即能运转，仅在启动时需要很小的外功来拖动。n当前由于期特林制冷机发展，已在很大程度上解决了磨损问题，VM制冷机轴承载荷小的优势已不复存在，因而已没有人再进行研制了。（3）索尔凡制冷机n工作过程n用阀门控制工质的流动。n用阀门隔离压缩机和膨胀机，使两者的工作频率无关，使制冷机达到更高的压比n该循环是年由索尔文（ESolvay）提出的。n主要是针对当时斯特林循环将压缩过程、膨胀过程与传热过程集中在单机内所造成的缺点如振动大、工质易污染等问题而提出的。n该循环将上述过程分开在三个部件内进行，彼此用软管相连。由于结构复杂没有推广使用。直至年代初制成了采用波动腔利用气体压差推动浮塞后，制冷机才正式应用。单级样机达到的低温，双级机的最低温度可达。n年美国对循环制冷机进行了改进，于年以商品形式出售具有松驰活塞SlackPiston）的改进型机。该种制冷机由于在推移活塞上加了一个松驰活塞，使排气过程在理论上可处于等容排气。故理论上可以比原有的机增加的制冷量。（4）G-M制冷机n用排出器取代膨胀机排出器仅要求低压密封活塞要求高压密封n通过阀门配气n循环是年由吉福麦特麦克马洪（Gifford-Mcmahon）二人提出并研制成制冷机。该机的特点是利用西蒙（Simon）膨胀原理（即绝热放气制冷）。n压缩机是用管道和阀门与膨胀机相联结。制冷机由气缸、回热器及推移活塞等组成。推移活塞的作用是使气体从冷腔推移到热腔或是相反。因此通常称为浮塞。n单级制冷机可达到的低温，两级制冷机可获得和两种温度，冷量达W。n制冷机的特点是转速低，通常是50-150r/min，因此振动小，不维修寿命长。n军用制冷机用于地面卫星接收站，用来冷却参量放大器等电子元件，亦用于军用元器件生产设备制冷机是生产量最大的低温制冷机。（5）脉管制冷循环n消除了低温下运动的排出器相位调节由小孔和气库来完成n斯特林型（无阀门配气）G-M型（有阀门配气）基本型脉管制冷机的工作原理n基本原理：通过高低压气体周期性地对一端封闭的脉管：通过高低压气体周期性地对一端封闭的脉管空腔充气压缩放气膨胀而获得低温的一种方法；空腔充气压缩放气膨胀而获得低温的一种方法；n脉管制冷过程：加压进气：加压进气静止静止减压放气减压放气静止静止n脉管式制冷机由吉福特提出并与朗斯沃斯（Longsworth）一起进行试验的。n其原理是高压气流经层流化换热器进入一端封闭的变压管内，在变压管端部利用气流本身的速度增压，压缩热量则由端部换热器的介质带走，然后冷的压力气体沿变压管返回流动同时降压膨胀产生低温。因此，在整个低温区内没有任何运动部件没有振动，这是该制冷机的优点。n脉管制冷机可以看成去掉了膨胀活塞的斯特林制冷机。最近十年脉管制冷机飞速发展，在效率、制冷量、制冷温度、振动、寿命等方面已达到了很高的水平，已在一些方面具备了与斯特林制冷机竞争的条件。美TRW公司已将脉管用于EOS卫星。二.低温制冷机的应用1.红外件的冷却（红外夜视/导弹制导系统）2.冷电子器件冷却（半导体和超导器件的冷却）3.低温冷凝真空泵（提供高洁净度的无污染工作环境）4.超导线圈杜瓦冷却(超导磁共振成像仪MRI)本章小结：第一节 变质量系统热力学概要 一.变质量系统基本方程二.典型的变质量系统热力过程三.回热式制冷机制冷量通用计算式四.不稳定流动回热器的气流能量方程第二节 用于低温制冷机的热力循环一.卡诺循环二.Reitlinger循环三.Lorenz循环四.基于等熵压缩与等熵膨胀的理想循环第三节 低温制冷机的应用一.低温制冷机的分类二.低温制冷机的应用