2.6喷射式制冷和热电制冷.ppt

第二章第二章 制冷方法及制冷方法及原理原理第六节 蒸气喷射制冷、热电制冷水作为制冷剂的优劣水作为制冷剂的优劣n n水容易获得水容易获得 ，无毒、不燃烧、不爆炸、环保安全、，无毒、不燃烧、不爆炸、环保安全、汽化潜热大（单位质量制冷量大）用来做制冷剂汽化潜热大（单位质量制冷量大）用来做制冷剂很理想n n水的单位体积制冷量过小（原因是相同蒸发温度水的单位体积制冷量过小（原因是相同蒸发温度下，水的蒸发压力比氟利昂等其他制冷剂小得多，下，水的蒸发压力比氟利昂等其他制冷剂小得多，使得比体积过大）如果采用压缩式制冷需要庞大使得比体积过大）如果采用压缩式制冷需要庞大的压缩机的压缩机n n水的蒸发压力很小，远低于大气压力，使得蒸发水的蒸发压力很小，远低于大气压力，使得蒸发器需要一定真空度器需要一定真空度n n现阶段，使用水作为制冷剂的制冷方式有吸收式现阶段，使用水作为制冷剂的制冷方式有吸收式制冷和制冷和蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷一、蒸汽喷射式制冷循环基本组成一、蒸汽喷射式制冷循环基本组成和工作原理和工作原理n n 蒸汽喷射式制冷是一种以热能为动力的制冷蒸汽喷射式制冷是一种以热能为动力的制冷方式。

与溴化锂吸收式制冷机相类似，都是依靠方式与溴化锂吸收式制冷机相类似，都是依靠热能而工作的，但蒸汽喷射式制冷机只用单一物热能而工作的，但蒸汽喷射式制冷机只用单一物质为制冷剂虽然从理论上谈可应用一般的制冷质为制冷剂虽然从理论上谈可应用一般的制冷剂，如氨、氟利昂等，但到目前为止，只有以水剂，如氨、氟利昂等，但到目前为止，只有以水为制冷剂的蒸汽喷射式制冷机得到实际应用当为制冷剂的蒸汽喷射式制冷机得到实际应用当用水为制冷剂时所制取的低温必须在用水为制冷剂时所制取的低温必须在0 ℃0 ℃以上，以上，故蒸汽喷射式制冷机目前只用于空调装置或用来故蒸汽喷射式制冷机目前只用于空调装置或用来制取某些工艺过程需要的冷媒水制取某些工艺过程需要的冷媒水  (一一)蒸汽喷射式制冷循环主要热力设备蒸汽喷射式制冷循环主要热力设备 1 1．锅炉．锅炉 锅炉是蒸汽喷射式制冷循环的动力设备，在锅炉是蒸汽喷射式制冷循环的动力设备，在正向循环中锅炉消耗热能，产生压力为正向循环中锅炉消耗热能，产生压力为0 0．．198198～～0 0．．98MPa98MPa的工作蒸汽，以保证完成循环。

在工业的工作蒸汽，以保证完成循环在工业制冷中也可利用能保证工作压力的工业余汽，以制冷中也可利用能保证工作压力的工业余汽，以节约能源在循环中，锅炉产生的高压水蒸汽通节约能源在循环中，锅炉产生的高压水蒸汽通过阀件等部件输送到蒸汽喷射式制冷循环的主喷过阀件等部件输送到蒸汽喷射式制冷循环的主喷射器和各个辅助喷射器射器和各个辅助喷射器 2 2．蒸汽喷射器．蒸汽喷射器 蒸汽喷射器分为主喷射器和辅助喷射器主蒸汽喷射器分为主喷射器和辅助喷射器主喷射器在循环中起到压缩机的作用，即压缩和输喷射器在循环中起到压缩机的作用，即压缩和输送制冷剂的作用辅助蒸汽喷射器、水喷射器则送制冷剂的作用辅助蒸汽喷射器、水喷射器则用以维持制冷装置内各设备的真空度，保证制冷用以维持制冷装置内各设备的真空度，保证制冷系统正常、高效地工作系统正常、高效地工作 n n喷射器由喷嘴、混合室及扩压管三部分组成主喷射器将被引射的蒸汽由p0 0压缩至Pk k的过程是依靠气流速度与压力的相互转化来实现的由热力学分析可知：蒸汽在喷射器内的热力过程包括三个阶段：(1)工作蒸汽的绝热膨胀过程；(2)工作蒸汽与被引射蒸汽的混合过程；(3)混合蒸汽的压缩过程。

图6-4表示了主喷射器的基本结构和工作蒸汽与被引射蒸汽在主喷射器内压力和流速变化特性n n图中，图中，p p1 1、、c c1 1是工作蒸汽进是工作蒸汽进入喷射器前的入喷射器前的压力和流速；压力和流速；p p0 0、、c c0 0是被引是被引射蒸气进入混射蒸气进入混合室前的压力合室前的压力和流速；和流速；p p3 3、、c c2 2、、c c3 3是混合时是混合时蒸汽压力和流蒸汽压力和流速；速；p p4 4、、c c4 4是是扩压管后混合扩压管后混合蒸汽压力蒸汽压力3. 3.冷凝器冷凝器 在蒸汽喷射式制冷循环中有主冷凝器和辅助在蒸汽喷射式制冷循环中有主冷凝器和辅助冷凝器主冷凝器既作为动力循环中向正向循环冷凝器主冷凝器既作为动力循环中向正向循环低温热源放热的设备，也作为制冷循环中向逆向低温热源放热的设备，也作为制冷循环中向逆向循环高温热源放热的设备循环的低温热源和逆循环高温热源放热的设备循环的低温热源和逆向循环的高温热源都是环境介质所以主冷凝器向循环的高温热源都是环境介质所以主冷凝器的冷凝负荷和冷凝面积是正向、逆向循环的总冷的冷凝负荷和冷凝面积是正向、逆向循环的总冷凝负荷和总冷凝面积。

蒸汽喷射式制冷循环的主凝负荷和总冷凝面积蒸汽喷射式制冷循环的主冷凝器采用混合式或蒸发式冷凝器辅助冷凝器冷凝器采用混合式或蒸发式冷凝器辅助冷凝器是设置在辅助冷凝器后，冷凝由辅助冷凝器引出是设置在辅助冷凝器后，冷凝由辅助冷凝器引出的混合气体，分离不凝性气体和制冷剂水蒸汽，的混合气体，分离不凝性气体和制冷剂水蒸汽，以提高循环效率以提高循环效率4 4．凝结水泵．凝结水泵 凝结水泵是在正向循环中，将凝结水输送回锅炉凝结水泵是在正向循环中，将凝结水输送回锅炉的设备5 5．蒸发器与节流器．蒸发器与节流器 在制冷剂和载冷剂合为一体的蒸汽喷射式制冷在制冷剂和载冷剂合为一体的蒸汽喷射式制冷循环中的蒸发器，一般不采用表面式换热器，而循环中的蒸发器，一般不采用表面式换热器，而常采用淋洒式常采用淋洒式( (混合式混合式) )热交换器，在淋洒式热交热交换器，在淋洒式热交换器中蒸发器与节流器组成一体进入蒸发器的换器中蒸发器与节流器组成一体进入蒸发器的凝结水经喷洒、降压而雾化成细小水滴、经单效凝结水经喷洒、降压而雾化成细小水滴、经单效或多效淋洒、汽化吸热，将蒸发器内载冷剂水的或多效淋洒、汽化吸热，将蒸发器内载冷剂水的温度降至所需要求，并输送到用冷设备中向低温温度降至所需要求，并输送到用冷设备中向低温热源吸热。

热源吸热  (二二)蒸汽喷射式制冷循环过程蒸汽喷射式制冷循环过程 蒸汽喷射式制冷循环工作原理如图蒸汽喷射式制冷循环工作原理如图6 6．．5 5所示 蒸汽喷射式制冷循环基本工作过程是：锅炉蒸汽喷射式制冷循环基本工作过程是：锅炉A A提供的高温高压水蒸汽称为工作蒸汽工作蒸提供的高温高压水蒸汽称为工作蒸汽工作蒸汽被输送至蒸汽喷射器汽被输送至蒸汽喷射器( (主喷射器主喷射器) )，在喷嘴，在喷嘴B B中绝中绝热膨胀并迅速降压而获得很大的流速热膨胀并迅速降压而获得很大的流速(1000m(1000m／／s s以以上上) )；在蒸发器；在蒸发器E E中由于制取冷量中由于制取冷量Q Q0 0而汽化的水蒸而汽化的水蒸汽被引入喷射器的混合室汽被引入喷射器的混合室C C中，与绝热膨胀后的高中，与绝热膨胀后的高速工作蒸汽混合，一同进入扩压管速工作蒸汽混合，一同进入扩压管D D混合蒸汽混合蒸汽在扩压管中将速度能转变为压力能二被压缩到相在扩压管中将速度能转变为压力能二被压缩到相应的冷凝压力应的冷凝压力p pk k然后进入冷凝器然后进入冷凝器H H向环境介质放出向环境介质放出热量热量Q Qk k。

由冷凝器引出的凝结水分为两路，一路由冷凝器引出的凝结水分为两路，一路经节流器经节流器I I节流降压至蒸发压力节流降压至蒸发压力p p0 0后在蒸发器后在蒸发器E E中中汽化吸热，另一路经凝水泵汽化吸热，另一路经凝水泵F F送回锅炉继续加热循送回锅炉继续加热循环 （二）蒸汽喷射式制冷循环的特点（二）蒸汽喷射式制冷循环的特点 蒸汽喷射式制冷利用制冷剂在低压下的相变汽化吸热来制取冷量，与其他制冷循环相比，具有如下特点： 1)蒸汽喷射式制冷机的设备结构简单，金属耗量少，造价低廉，运行可靠性高，使用寿命长，一般不需要备用设备 2)制冷系统操作简便，维修量少 3)蒸汽喷射式制冷循环耗电量少，特别适用于有较多工业余汽的场合，能节约能源4)4)蒸汽喷射式制冷以水作为制冷剂，根据需要可使蒸汽喷射式制冷以水作为制冷剂，根据需要可使制冷剂与载冷剂合为一体，或者采用开式循环形制冷剂与载冷剂合为一体，或者采用开式循环形式由于水具有汽化潜热大，无毒等优越性，所式由于水具有汽化潜热大，无毒等优越性，所以系统安全可靠以系统安全可靠 5)5)用水作为制冷剂制取低温时受到水的凝固点的限用水作为制冷剂制取低温时受到水的凝固点的限制。

为了获得更低的蒸发温度制为了获得更低的蒸发温度t t0 0，正在研制以氨、，正在研制以氨、氟利昂为制冷剂的蒸气喷射式制冷机另外将蒸氟利昂为制冷剂的蒸气喷射式制冷机另外将蒸汽喷射器与活塞式制冷压缩机、吸收式制冷压缩汽喷射器与活塞式制冷压缩机、吸收式制冷压缩机等串联，用以作为低压机，也能获得较低的蒸机等串联，用以作为低压机，也能获得较低的蒸发温度发温度t t0 06)6)蒸汽喷射器的加工精度要求较高，循环中的工作蒸汽喷射器的加工精度要求较高，循环中的工作蒸汽消耗量较大，制冷循环效率较低这一切都蒸汽消耗量较大，制冷循环效率较低这一切都限制了蒸汽喷射式制冷的实际应用限制了蒸汽喷射式制冷的实际应用二、热电制冷二、热电制冷n n 热电制冷热电制冷( (亦称为温差电制冷、半导体制冷或亦称为温差电制冷、半导体制冷或电子制冷电子制冷) )是以温差电现象为基础的制冷方法，它是以温差电现象为基础的制冷方法，它是利用是利用“ “塞贝克效应塞贝克效应” ”的逆效应的逆效应————珀尔帖效应珀尔帖效应的原理达到制冷的目的的原理达到制冷的目的n n 所谓塞贝克效应（就是热电效应）就是在两所谓塞贝克效应（就是热电效应）就是在两种不同金属组成的闭合线路中，如果保持两接触种不同金属组成的闭合线路中，如果保持两接触点的温度不同，就会在两接触点间产生一个电势点的温度不同，就会在两接触点间产生一个电势差差————接触电动势。

同时闭合线路中就有电流流接触电动势同时闭合线路中就有电流流过，称为温差电流过，称为温差电流n n反之，在两种不同金属组成的闭合线路中，若通反之，在两种不同金属组成的闭合线路中，若通以直流电，就会使一个接点变冷，一个变热这以直流电，就会使一个接点变冷，一个变热这种现象称为珀尔帖效应，亦称温差电现象种现象称为珀尔帖效应，亦称温差电现象两种效应的应用两种效应的应用热电测温计：热电测温计： 在热电效应中，热节点与冷节点间的温差越大，环在热电效应中，热节点与冷节点间的温差越大，环路中的电流越大若保持冷接点的温度为零路中的电流越大若保持冷接点的温度为零( (如将如将冷接点置于冷接点置于0℃0℃的冰水混合物中的冰水混合物中) )，则电偶对中产，则电偶对中产生的电流大小，就仅由热节点的温度生的电流大小，就仅由热节点的温度t t决定如图决定如图2—6—22—6—2所示在电偶对环路中接入一电流计，此所示在电偶对环路中接入一电流计，此电流计的指示，就可反映热节点所处位置的温度电流计的指示，就可反映热节点所处位置的温度这就是工程上热工测量常用的这就是工程上热工测量常用的 热电偶温度计的热电偶温度计的测温原理。

测温原理n n反之，利用珀尔帖效应，将电偶对的冷节点置于需致冷的部位，就可使该处致冷；而将电偶对的热节点置于需供热空间部位就可向该处供热，这就是热电式制冷和热电式热泵的基本原理珀尔帖效应的微观机理珀尔帖效应的微观机理n n 不同导体中自由电子的数密度大小不同，将不同导体中自由电子的数密度大小不同，将两种不同导体相连接时，在接触处两种不同导体相连接时，在接触处( (即节点处即节点处) )自自由电子将从其数密度大的导体向数密度小的导体由电子将从其数密度大的导体向数密度小的导体扩散，从而在节点处出现电势差，称为接触电势扩散，从而在节点处出现电势差，称为接触电势差当有电流从高电势端通过节点流向低电势端差当有电流从高电势端通过节点流向低电势端时，其减少的电势能将以热能的形式向外界释放，时，其减少的电势能将以热能的形式向外界释放，此节点就是向外界放热的高温节点，即热节点此节点就是向外界放热的高温节点，即热节点当有电流从低电势端通过节点流向高电势端时，当有电流从低电势端通过节点流向高电势端时，则需要以吸收热量的形式从外界补充能量来提高则需要以吸收热量的形式从外界补充能量来提高它的电势，此节点就成为向外界吸热的低温节点，它的电势，此节点就成为向外界吸热的低温节点，即冷节点。

即冷节点热电偶热电偶n n金属彼此之间的帕尔贴效应很微弱，不具备实际应用价值，而半导体材料的内部结构特点决定了它产生的温差电现象比金属显著的多，所以热电制冷都使用半导体材料，因此也被称为半导体制冷n n热电制冷的基本元件是用半导体材料做成的热电偶热电偶单级热电堆单级热电堆n n一个热电偶产生的制冷量约为1.163W，显然数值很小，为了获得较大的制冷量，一般将很多个热电偶串联组成单级热电堆多级热电堆多级热电堆n n单级热电堆产生的温差约为单级热电堆产生的温差约为50℃50℃，为了获取更低，为了获取更低的温度或更大温差，可采用多级热电堆，前一级的温度或更大温差，可采用多级热电堆，前一级( (较高温度级较高温度级) )的冷端是后一级的热端的散热器的冷端是后一级的热端的散热器由于散热量大于制冷量，所以高温级的热电偶数由于散热量大于制冷量，所以高温级的热电偶数要比低温级的热电偶数多许多此外，温度越低，要比低温级的热电偶数多许多此外，温度越低，元件的温差电性能越差总的温差并不是随级数元件的温差电性能越差总的温差并不是随级数的增多而按比例提高，所以实际上的热电堆级数的增多而按比例提高，所以实际上的热电堆级数也不宜很多，一般为也不宜很多，一般为2~42~4级。

二级热电堆总温差可级二级热电堆总温差可达达℃℃左右，三级热电堆总温差可达左右，三级热电堆总温差可达9090℃℃左右n n多级热电堆的联结可分为串联、并联及串并联三种，如图所示串联多级热电堆，每一级工作电流相同，级与级之间具有良好的电绝缘导热层；并联多级热电堆，工作电流大，但级与级之间不必加电绝缘层半导体制冷的特点半导体制冷的特点 半导体制冷设备是靠空穴和电子在运动中直半导体制冷设备是靠空穴和电子在运动中直接传递能量来实现的，它与现行的压缩式与吸收接传递能量来实现的，它与现行的压缩式与吸收式制冷机比较有其独特之处其主要特点表现为：式制冷机比较有其独特之处其主要特点表现为： 1) 1)半导体制冷不用制冷剂，故无泄漏，无污染，半导体制冷不用制冷剂，故无泄漏，无污染，清洁卫生清洁卫生 2)2)半导体制冷无机械传动部分，因此无噪声，无半导体制冷无机械传动部分，因此无噪声，无磨损，寿命长，可靠性高，维修方便磨损，寿命长，可靠性高，维修方便 3)3)冷却速度和制冷温度可通过改变冷却速度和制冷温度可通过改变T T作电流的大作电流的大小任意调节，灵活性很大。

小任意调节，灵活性很大 4)4)可用改变电流极性来达到冷热端互换的目的，可用改变电流极性来达到冷热端互换的目的，故用于高低温恒温器有独到之处故用于高低温恒温器有独到之处 5)5)目前半导体制冷的制冷量较小，效率较低，单目前半导体制冷的制冷量较小，效率较低，单位制冷量的能耗大，成本高位制冷量的能耗大，成本高n n由于半导体制冷具有上述一系列特点，在某些场合(如小冷量、小体积的情况下)显示出它的优越性，已成为现代制冷技术的一个重要组成部分目前半导体制冷技术主要应用于车辆、核潜艇、驱逐舰、深潜器、减压舱、地下建筑等特殊环境下使用的半导体空调、冷藏和降湿装置；各种仪器和设备中使用的小型热电恒温制冷器件；高真空泵上冷阱；工业气体含水量的测定与控制；保存血浆、疫苗、血清、药品等的药用热电冷藏箱与半导体冷冻刀等。