《第四章1 制冷與低溫的熱力學(xué)基礎(chǔ)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《第四章1 制冷與低溫的熱力學(xué)基礎(chǔ)（69頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第四章第一節(jié)第一節(jié) 制冷與低溫的熱力學(xué)基礎(chǔ)一一一一 制冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ)制冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ)制冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ)制冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ)二二二二 制冷與低溫工質(zhì)制冷與低溫工質(zhì)制冷與低溫工質(zhì)制冷與低溫工質(zhì)三三三三 制冷技術(shù)與學(xué)科交叉制冷技術(shù)與學(xué)科交叉制冷技術(shù)與學(xué)科交叉制冷技術(shù)與學(xué)科交叉制冷工藝過程：制冷工藝過程：現(xiàn)現(xiàn)代代的的制制冷冷技技術(shù)術(shù)最最普普遍遍的的方方法法是是消消耗耗機(jī)機(jī)械械功功來來制冷。制冷。壓壓縮縮機(jī)機(jī)先先把把制制冷冷工工質(zhì)質(zhì)(可可以以是是氨氨、氟氟里里昂昂、空空氣氣、氫氣、氦氣或其它氣體氫氣、氦氣或其它氣體)壓縮；壓縮；用冷卻水或風(fēng)冷把壓縮氣體的發(fā)熱帶走；用冷卻

2、水或風(fēng)冷把壓縮氣體的發(fā)熱帶走；經(jīng)經(jīng)換換熱熱器器預(yù)預(yù)冷冷后后的的壓壓縮縮氣氣體體工工質(zhì)質(zhì)，再再經(jīng)經(jīng)膨膨脹脹機(jī)機(jī)膨膨脹降溫制冷或通過節(jié)流閥降溫。脹降溫制冷或通過節(jié)流閥降溫。例如：例如：用氨作為制冷工質(zhì)，最冷能達(dá)到零下用氨作為制冷工質(zhì)，最冷能達(dá)到零下33.5；用氟里昂用氟里昂-14最低能達(dá)零下最低能達(dá)零下128；用氦氣作為制冷工質(zhì)可以達(dá)到零下用氦氣作為制冷工質(zhì)可以達(dá)到零下271。最低溫度是以制冷工質(zhì)的凝固點(diǎn)為限。最低溫度是以制冷工質(zhì)的凝固點(diǎn)為限。歷史回顧：歷史回顧：18231823年年英英國國科科學(xué)學(xué)家家法法拉拉第第采采用用加加壓壓與與冷冷卻卻方方法法液液化化了了二氧化碳；二氧化碳；18771877

3、年利用同樣方法使氧氣液化；年利用同樣方法使氧氣液化；18851885年年德德國國科科學(xué)學(xué)家家林林德德利利用用氣氣體體的的狹狹口口膨膨脹脹效效應(yīng)應(yīng)發(fā)發(fā)展展制冷技術(shù)，達(dá)到零下制冷技術(shù)，達(dá)到零下190190使空氣液化；使空氣液化；隨后又實(shí)現(xiàn)了氮?dú)夂蜌錃獾囊夯?；隨后又實(shí)現(xiàn)了氮?dú)夂蜌錃獾囊夯?9081908年年荷荷蘭蘭科科學(xué)學(xué)家家荷荷蘭蘭科科學(xué)學(xué)家家卡卡曼曼林林-昂昂內(nèi)內(nèi)斯斯液液化化了了溫溫度最低的氦氣。度最低的氦氣。隨隨著著科科學(xué)學(xué)技技術(shù)術(shù)的的發(fā)發(fā)展展，出出現(xiàn)現(xiàn)了了其其它它制制冷冷方方法法，諸諸如如半半導(dǎo)導(dǎo)體體溫溫差差制制冷冷、渦渦流流管管制制冷冷、吸吸收收式式制制冷冷、脈脈沖沖管管制制冷冷、太陽能

4、光太陽能光-電轉(zhuǎn)換制冷電轉(zhuǎn)換制冷和和光光-熱轉(zhuǎn)換制冷熱轉(zhuǎn)換制冷等等；等等；在在極極低低溫溫領(lǐng)領(lǐng)域域，還還有有3 3He-He-4 4HeHe的的稀稀釋釋制制冷冷(可可達(dá)達(dá)絕絕對對溫溫度度1010-3-3K)K)；順順磁磁鹽鹽絕絕熱熱去去磁磁制制冷冷(可可達(dá)達(dá)1010-3-3K K溫溫度度)和和核核去去磁磁制冷制冷(可達(dá)到可達(dá)到1010-6-6-10-10-8-8K K低溫低溫)等方法。等方法。一一 制冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ)制冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ) 自自然然界界中中的的一一切切物物質(zhì)質(zhì)都都具具有有能能量量，能能量量不不可可能能被被創(chuàng)創(chuàng)造造，也也不不可可能能被被消消滅滅；但但能能量量可可以以從

5、從一一種種形形態(tài)態(tài)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變?yōu)闉榱砹硪灰环N種形形態(tài)態(tài)，且且在在能能量量的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化過過程中能量的總量保持不變。程中能量的總量保持不變。能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界基本規(guī)律之一。能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界基本規(guī)律之一。4.1.1 4.1.1 熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)基礎(chǔ)1.1.熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律能量守恒與轉(zhuǎn)化能量守恒與轉(zhuǎn)化用符號用符號U U表示，單位是焦耳表示，單位是焦耳 （J J）熱力學(xué)能熱力學(xué)能1kg1kg物質(zhì)的熱力學(xué)能稱比熱力學(xué)能物質(zhì)的熱力學(xué)能稱比熱力學(xué)能用符號用符號u u表示，單位是焦耳表示，單位是焦耳/千克千克 （J Jkgkg）比熱力學(xué)能比熱力學(xué)能熱力學(xué)能熱力學(xué)能熱力學(xué)能和總能熱力學(xué)能

6、和總能熱力狀態(tài)的單值函數(shù)。熱力狀態(tài)的單值函數(shù)。兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)，與路徑無關(guān)。與路徑無關(guān)。工質(zhì)的總能工質(zhì)的總能內(nèi)部儲存能內(nèi)部儲存能外部儲存能外部儲存能熱力學(xué)能熱力學(xué)能動動 能能勢勢 能能 E E總能，總能，E Ek k 動能動能 E Ep p 勢能勢能 E=U+E E=U+Ek k+E+Ep p (1-2)(1-2)內(nèi)部儲存能和外部儲存能的和，即熱力學(xué)能與宏觀內(nèi)部儲存能和外部儲存能的和，即熱力學(xué)能與宏觀 運(yùn)動動能及勢能的總和。運(yùn)動動能及勢能的總和。若工質(zhì)質(zhì)量若工質(zhì)質(zhì)量m m，速度速度c cf f，重力場中高度重力場中高度z z宏觀動能宏觀動能 重力

7、勢能重力勢能工質(zhì)的總能工質(zhì)的總能(1-3)(1-3)能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體有能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體有兩種方式兩種方式作功作功借作功來傳遞能量總和物體宏觀位移有關(guān)。借作功來傳遞能量總和物體宏觀位移有關(guān)。傳熱傳熱借傳熱來傳遞能量無需物體的宏觀移動。借傳熱來傳遞能量無需物體的宏觀移動。推動功推動功因工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動而傳遞的功。因工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動而傳遞的功。對開口系統(tǒng)進(jìn)行功的計(jì)算時(shí)需要考慮這種功。對開口系統(tǒng)進(jìn)行功的計(jì)算時(shí)需要考慮這種功。推動功只有在工質(zhì)移動位置時(shí)才起作用。推動功只有在工質(zhì)移動位置時(shí)才起作用。力學(xué)參數(shù)力學(xué)參數(shù)c cf f和和z z只取決于工質(zhì)在參考系中的速度和高度

8、只取決于工質(zhì)在參考系中的速度和高度2.2.能量的傳遞和轉(zhuǎn)化能量的傳遞和轉(zhuǎn)化 (1-4)(1-4)比總能比總能研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過程進(jìn)行的方向、條研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過程進(jìn)行的方向、條件及限度的定律。件及限度的定律。熱不能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高熱不能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體；溫物體；1.1.制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析 熱力學(xué)循環(huán)熱力學(xué)循環(huán) 正向循環(huán)正向循環(huán) 熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功 逆向循環(huán)逆向循環(huán) 消耗功消耗功 循環(huán)當(dāng)中，除了一二個(gè)不可避免的不可逆過程循環(huán)當(dāng)中，除了一二個(gè)不可避免的不可逆過程外，其余均為可逆過程?？赡嫜h(huán)是理想循環(huán)。外，其

9、余均為可逆過程?？赡嫜h(huán)是理想循環(huán)。理想循環(huán)理想循環(huán)2.2.熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述：克勞修斯表述：熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。相相應(yīng)應(yīng)的的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)事事實(shí)實(shí)有有，當(dāng)當(dāng)兩兩個(gè)個(gè)不不同同溫溫度度的的物物體體相相互互接接觸觸時(shí)時(shí)，熱熱量量將將由由高高溫溫物物體體向向低低溫溫物物體體傳傳遞遞，而而不不可可能能自自發(fā)發(fā)地地由由低低溫溫物物體體傳傳到到高高溫溫物物體體。如如果果借借助助制制冷冷機(jī)機(jī)，當(dāng)當(dāng)然然可可以以把把熱熱量量由由低低溫溫傳傳遞遞到到高高溫溫，但但要要以以外外界界作作功功為為代代價(jià)價(jià)，也就是引起了其他變

10、化?？耸媳硎鲋该鳠醾鲗?dǎo)過程是不可逆的。也就是引起了其他變化?？耸媳硎鲋该鳠醾鲗?dǎo)過程是不可逆的。開爾文表述：開爾文表述：不不可可能能從從單單一一熱熱源源吸吸取取熱熱量量，使使之之完完全全變變成成有有用用的的功功而而不不產(chǎn)生其他影響。產(chǎn)生其他影響。相相應(yīng)應(yīng)的的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)事事實(shí)實(shí)有有，功功可可以以完完全全變變熱熱，但但要要把把熱熱完完全全變變?yōu)闉楣Χ徊划a(chǎn)產(chǎn)生生其其他他影影響響是是不不可可能能的的。如如，利利用用熱熱機(jī)機(jī)，但但實(shí)實(shí)際際中中熱熱機(jī)機(jī)的的循循環(huán)環(huán)除除了了熱熱變變功功外外，還還必必定定有有一一定定的的熱熱量量從從高高溫溫?zé)釤嵩丛磦鱾鹘o給低低溫溫?zé)釤嵩丛?，即即產(chǎn)產(chǎn)生生了了其其它它效效果果。

11、熱熱全全部部變變?yōu)闉楣Φ牡倪^過程程也也是是有有的的，如如，理理想想氣氣體體等等溫溫膨膨脹脹。但但在在這這一一過過程程中中除除了了氣氣體體從從單單一一熱熱源源吸吸熱熱完完全全變變?yōu)闉楣ν馔?，還還引引起起了了其其它它變變化化，即即過過程程結(jié)結(jié)束束時(shí)時(shí)，氣體的體積增大了。氣體的體積增大了?？耸媳硎鲋该鳠醾鲗?dǎo)過程是不可逆的?？耸媳硎鲋该鳠醾鲗?dǎo)過程是不可逆的。開爾文表述指明功變熱的過程是不可逆的。開爾文表述指明功變熱的過程是不可逆的。熱力學(xué)第二定律涉及的溫度為熱力學(xué)溫度熱力學(xué)第二定律涉及的溫度為熱力學(xué)溫度(K)(K)T=273.16+t T=273.16+t 熵熵是熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)，是判別實(shí)際過程的方

12、向，是熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)，是判別實(shí)際過程的方向，提供過程能否實(shí)現(xiàn)、是否可逆的判據(jù)。提供過程能否實(shí)現(xiàn)、是否可逆的判據(jù)。定義式定義式 q qrevrev是可逆過程的換熱量，是可逆過程的換熱量，T T為熱源溫度為熱源溫度可逆過程可逆過程1-21-2的熵增的熵增 克勞修斯積分克勞修斯積分 0 0 可逆循環(huán)可逆循環(huán) 0 0 不可逆循環(huán)不可逆循環(huán) 0 0 不可能實(shí)行的循環(huán)不可能實(shí)行的循環(huán) p p、T T狀態(tài)下的熵定義為：狀態(tài)下的熵定義為：2.2.熱源溫度不變時(shí)的逆向可逆循環(huán)熱源溫度不變時(shí)的逆向可逆循環(huán) 逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán) 當(dāng)當(dāng)高高溫溫?zé)釤嵩丛春秃偷偷蜏販責(zé)釤嵩丛措S隨著著過過程程的的進(jìn)進(jìn)行行，溫溫度度不不變變

13、時(shí)時(shí)，具具有有兩兩個(gè)個(gè)可可逆逆的的等等溫溫過過程程和和兩兩個(gè)個(gè)等等熵過程組成的逆向循環(huán)熵過程組成的逆向循環(huán)。在在相相同同溫溫度度范范圍圍內(nèi)內(nèi)，它它是是消消耗耗功功最最小小的的循循環(huán)環(huán)，即即熱熱力力學(xué)學(xué)效效率率最最高高的的制制冷冷循循環(huán)環(huán)，因因?yàn)闉樗鼪]有任何不可逆損失。沒有任何不可逆損失。A AB B 等溫膨脹，同時(shí)吸熱，等溫膨脹，同時(shí)吸熱，維持制冷劑溫度恒定維持制冷劑溫度恒定 B BC C 絕熱膨脹，同時(shí)放熱，工質(zhì)絕熱膨脹，同時(shí)放熱，工質(zhì)從熱源溫度從熱源溫度T Th h到冷源溫度到冷源溫度T Tc c C CD D 等溫壓縮，同時(shí)放熱，同時(shí)工質(zhì)做負(fù)等溫壓縮，同時(shí)放熱，同時(shí)工質(zhì)做負(fù)功以使制冷劑

14、維持一定的溫度功以使制冷劑維持一定的溫度 D DA A 制冷劑從冷源溫度可逆絕熱壓制冷劑從冷源溫度可逆絕熱壓縮到熱源溫度縮到熱源溫度卡諾制冷卡諾制冷機(jī)機(jī)是熱力學(xué)是熱力學(xué)理想的等理想的等溫制冷機(jī)溫制冷機(jī)一、卡一、卡諾循循環(huán)卡卡諾循循環(huán)是是1824年法國青年工程年法國青年工程師卡卡諾提出的一種理想提出的一種理想的有重要理的有重要理論意意義的可逆的可逆熱機(jī)的可逆循機(jī)的可逆循環(huán)。1.1.卡卡諾循循環(huán)的的組成：成：它是工作于兩個(gè)它是工作于兩個(gè)熱源源間的，由兩個(gè)可逆的，由兩個(gè)可逆等溫等溫過程和兩個(gè)可逆程和兩個(gè)可逆絕熱過程所程所組成的可逆正向循成的可逆正向循環(huán)。2.卡卡諾循循環(huán)的效率：的效率：3.結(jié)論：（1

15、）熱效率效率t,c與工與工質(zhì)的性的性質(zhì)無關(guān)，只取決于高溫?zé)o關(guān)，只取決于高溫?zé)嵩吹臏囟仍吹臏囟萒1與低溫與低溫?zé)嵩吹臏囟仍吹臏囟萒2。（2）提高）提高T1降低降低T2，可以使卡，可以使卡諾循循環(huán)的的熱效率提高。效率提高。（3）熱效率效率t,c總是小于是小于1，也就是，也就是說不可能通不可能通過熱機(jī)機(jī)循循環(huán)將將熱能全部能全部轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。機(jī)械能。（4）T1T2時(shí)，t,c0，說明沒有溫差是不可能明沒有溫差是不可能連續(xù)不斷地將不斷地將熱能能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的。機(jī)械能的。二、逆卡二、逆卡諾循循環(huán)是逆向是逆向進(jìn)行的卡行的卡諾循循環(huán)。作用效果：消耗機(jī)械能，從低溫作用效果：消耗機(jī)械能，從低溫?zé)嵩次赵次諢崃?，?/p>

16、低量，降低溫度，向高溫溫度，向高溫?zé)嵩捶懦鲈捶懦鰺崃?。量。制冷系?shù)：制冷系數(shù)：供供熱系數(shù)：系數(shù)：三、卡三、卡諾定理定理 在相同高溫在相同高溫?zé)嵩春偷蜏卦春偷蜏責(zé)嵩丛撮g工作的任何不可逆工作的任何不可逆熱機(jī)的機(jī)的熱效率都小于可逆效率都小于可逆熱機(jī)的機(jī)的熱效率。效率。四、卡四、卡諾循循環(huán)及定理的意及定理的意義1.給出了循出了循環(huán)熱效率的極限效率的極限值，即，即2.指指出出了了熱機(jī)機(jī)實(shí)現(xiàn)熱功功能能轉(zhuǎn)換的的條條件件：必必須具具有有兩兩個(gè)個(gè)或或兩兩個(gè)個(gè)以上溫度不同的以上溫度不同的熱源。源。3.指指出出了了提提高高熱機(jī)機(jī)熱效效率率的的途途徑徑，即即提提高高熱源源的的溫溫度度，降降低低冷源的溫度，冷源的溫度，

17、盡可能減少或降低不可逆因素的影響。盡可能減少或降低不可逆因素的影響。結(jié)論：1.1.制冷系數(shù)和供制冷系數(shù)和供熱系數(shù)只取決于高溫系數(shù)只取決于高溫?zé)嵩春偷蜏卦春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟?，源的溫度，與工與工質(zhì)無關(guān)。無關(guān)。2.提高提高T2，降低，降低T1，可以使制冷系數(shù)和供，可以使制冷系數(shù)和供熱系數(shù)提高。系數(shù)提高。3.供供熱系數(shù)系數(shù)總是大于是大于1，制冷系數(shù)可以大于、等于、小于，制冷系數(shù)可以大于、等于、小于1。4.4.逆卡逆卡諾循循環(huán)可分可分別用來制冷或供用來制冷或供熱，也可以，也可以聯(lián)合交替合交替進(jìn)行。行。溫溫 度度 T熵熵 S圖圖1-10 洛倫茲循環(huán)的洛倫茲循環(huán)的T-s圖圖 3.3.熱源溫度可變時(shí)的逆向可逆循

18、環(huán)熱源溫度可變時(shí)的逆向可逆循環(huán)洛倫茲循環(huán)洛倫茲循環(huán) 洛倫茲循環(huán)洛倫茲循環(huán)工作在工作在二個(gè)變溫?zé)嵩撮g。二個(gè)變溫?zé)嵩撮g。與卡諾循環(huán)主要不與卡諾循環(huán)主要不同之處：同之處：蒸發(fā)吸熱蒸發(fā)吸熱和冷卻放熱均為變和冷卻放熱均為變溫過程。溫過程。(假設(shè)制冷過程和冷卻過程傳熱溫差均為假設(shè)制冷過程和冷卻過程傳熱溫差均為T)T)制冷量制冷量 排熱量排熱量 耗功耗功 以卡諾循環(huán)作為比較依據(jù)：以卡諾循環(huán)作為比較依據(jù)：第一類循環(huán)是卡諾循環(huán)制冷機(jī)；第一類循環(huán)是卡諾循環(huán)制冷機(jī)；第二類循環(huán)是理想的熱源驅(qū)動逆向可逆循環(huán)第二類循環(huán)是理想的熱源驅(qū)動逆向可逆循環(huán)三熱源循環(huán)。三熱源循環(huán)。圖圖1-11 1-11 兩類制冷循環(huán)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系圖兩

19、類制冷循環(huán)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系圖(a)(a)以電能或機(jī)械能驅(qū)動以電能或機(jī)械能驅(qū)動 (b)(b)以熱能驅(qū)動以熱能驅(qū)動 4.4.熱源驅(qū)動的逆向可逆循環(huán)熱源驅(qū)動的逆向可逆循環(huán)三熱源循環(huán)三熱源循環(huán) 洛倫茲循環(huán)制冷系數(shù)洛倫茲循環(huán)制冷系數(shù) 對可逆制冷機(jī)對可逆制冷機(jī)熱力系數(shù)熱力系數(shù)(1-45)1.1.2 1.1.2 制冷及其方法制冷及其方法 通過一定的方式將物體冷卻到環(huán)境溫度以下。通過一定的方式將物體冷卻到環(huán)境溫度以下。“冷冷”相對于環(huán)境溫度而言，一般是指環(huán)境溫相對于環(huán)境溫度而言，一般是指環(huán)境溫度至絕對零度。度至絕對零度。制冷制冷物質(zhì)相變制冷物質(zhì)相變制冷 分為液體氣化制冷與固體熔化與升華制冷。分為液體氣化制冷與固體

20、熔化與升華制冷。氣體膨脹制冷氣體膨脹制冷 氣氣體體膨膨脹脹制制冷冷，是是利利用用高高壓壓氣氣體體的的絕絕熱熱膨膨脹脹來來達(dá)達(dá)到到低低溫溫，并利用膨脹后的氣體在低壓下的復(fù)熱過程來制冷。并利用膨脹后的氣體在低壓下的復(fù)熱過程來制冷。氣氣體體絕絕熱熱膨膨脹脹的的設(shè)設(shè)備備不不同同，一一般般有有兩兩種種方方式式:一一種種是是將將高高壓壓氣氣體體經(jīng)經(jīng)膨膨脹脹機(jī)機(jī)膨膨脹脹，有有外外功功輸輸出出，因因而而氣氣體體的的溫溫降降大大，復(fù)復(fù)熱熱時(shí)時(shí)制制冷冷量量也也大大。另另一一種種方方式式是是令令氣氣體體經(jīng)經(jīng)節(jié)節(jié)流流閥閥膨膨脹脹，無無外外功功輸輸出，氣體的溫降小。出，氣體的溫降小。絕熱放氣制冷絕熱放氣制冷 剛剛性性容

21、容器器絕絕熱熱放放氣氣過過程程是是一一個(gè)個(gè)降降溫溫過過程程。在在P1、T1給給定定的的情情況況下下，放放氣氣過過程程終終了了時(shí)時(shí)的的壓壓力力越越低低，所所能能達(dá)達(dá)到到的的溫溫度度也也越越低。低。熱電制冷熱電制冷 熱熱電電制制冷冷的的理理論論基基礎(chǔ)礎(chǔ)是是固固體體的的熱熱電電效效應(yīng)應(yīng)，在在無無外外磁磁場場存存在在時(shí)時(shí)，它它包包括括五五個(gè)個(gè)效效應(yīng)應(yīng)：導(dǎo)導(dǎo)熱熱、焦焦耳耳熱熱 損損 失失、西西 伯伯 克克(Seebeck)效效 應(yīng)應(yīng)、帕帕 爾爾 帖帖(Peltire)效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)和湯姆遜(Thomson)效應(yīng)。效應(yīng)。氣體渦流制冷氣體渦流制冷 渦渦流流冷冷卻卻效效應(yīng)應(yīng)的的實(shí)實(shí)質(zhì)質(zhì)是是利利用用人人工工方

22、方法法產(chǎn)產(chǎn)生生漩漩渦渦使使氣氣體體分分為為冷冷熱熱兩兩部部分分。利利用用分分離離出出來來的的冷冷氣氣流即可制冷。流即可制冷。例例 熱電制冷熱電制冷熱熱電電制制冷冷又又稱稱作作溫溫差差電電制制冷冷，或或半半導(dǎo)導(dǎo)體體制制冷冷，它是利用熱電效應(yīng)（帕爾帖效應(yīng)）制冷的方法。它是利用熱電效應(yīng)（帕爾帖效應(yīng)）制冷的方法。有有些些半半導(dǎo)導(dǎo)體體材材料料具具有有較較高高的的熱熱電電勢勢，可可以以做做成成小型熱電制冷器。小型熱電制冷器。如如圖圖示示出出N型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體和和P型型半半導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶制冷元件。導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶制冷元件。用用銅銅板板和和銅銅導(dǎo)導(dǎo)線線將將N型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體和和P型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體連連接接成成

23、一一個(gè)個(gè)回回路路，銅銅板和銅導(dǎo)線只起導(dǎo)電的作用。板和銅導(dǎo)線只起導(dǎo)電的作用。此此時(shí)時(shí)，一一個(gè)個(gè)接接點(diǎn)點(diǎn)變變熱熱，一一個(gè)個(gè)接接點(diǎn)變冷。點(diǎn)變冷。如如果果電電流流方方向向反反向向，那那么么結(jié)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)處的冷熱作用互易。處的冷熱作用互易。帕帕爾爾帖帖效效應(yīng)應(yīng)的的物理解釋：物理解釋：電電荷荷在在導(dǎo)導(dǎo)體體中中運(yùn)運(yùn)動動形形成成電電流。流。由由于于電電荷荷在在不不同同的的材材料料中中處處于于不不同同的的能能級級，從從高高能能級級向向低低能能級級運(yùn)運(yùn)動動時(shí)時(shí)，便便釋釋放放出出多多余余的的能能量量；從從低低能能級級向向高高能能級級運(yùn)運(yùn)動時(shí)，從外界吸收能量。動時(shí)，從外界吸收能量。能能量量在在兩兩材材料料的的交交界界面面處

24、處以熱的形式吸收或放出。以熱的形式吸收或放出。磁制冷技術(shù)：磁制冷技術(shù)：當(dāng)當(dāng)磁磁性性材材料料磁磁化化時(shí)時(shí)，dH 0，T0，系系統(tǒng)統(tǒng)溫溫度度升升高高；當(dāng)當(dāng)磁磁性性材材料料去去磁磁時(shí)時(shí)，dH0,T0，系系統(tǒng)統(tǒng)的溫度降低。的溫度降低。早早在在1920年年，德德拜拜(Debye)和和吉吉奧奧克克就就在在理理論論上上提出利用磁熱效應(yīng)可以進(jìn)行制冷。提出利用磁熱效應(yīng)可以進(jìn)行制冷。1933年年用用“絕絕熱熱去去磁磁冷冷卻卻”法法，從從4.2 K開開始始降降溫獲得了溫獲得了0.8 K的低溫。的低溫。隨隨后后發(fā)發(fā)展展為為“核核去去磁磁冷冷卻卻”。對對極極低低溫溫，特特別別對對 K級級溫溫度度環(huán)環(huán)境境的的形形成成發(fā)發(fā)

25、揮揮了了巨巨大大的的作作用用，成成為為現(xiàn)代低溫物理不可缺少的研究手段之一?，F(xiàn)代低溫物理不可缺少的研究手段之一?！敖^熱去磁冷卻絕熱去磁冷卻”法法(1)等等溫溫磁磁化化過過程程(圖圖中中的的Ac-Bc過過程程)，將將磁磁場場從從B1增增大大到到B2，有有熱熱量量 Q1向向高高溫溫?zé)釤嵩丛磁排懦龀觯瑫r(shí)時(shí)磁磁性性工工質(zhì)質(zhì)等等溫溫地地將將自自己己的的熵減少。熵減少。(2)絕絕熱熱去去磁磁過過程程(圖圖中中的的Bc-Cc過過程程)，將將磁磁場場從從B2減減小小到到B3。由由于于沒沒有有熱熱量量流流入入或或流流出出系系統(tǒng)統(tǒng)，磁磁性性工工質(zhì)質(zhì)的的熵熵保保持持不不變變。對對于于相相變變溫溫度度Tc很很低低的

26、的磁磁性性物物質(zhì)質(zhì)，溫溫度度與與磁磁場的關(guān)系近似于場的關(guān)系近似于(B2/T1)=(B3/T2)。(3)等等溫溫去去磁磁過過程程(圖圖中中的的CcDc過過程程)，將將磁磁場場從從B3減減小小到到B4。磁磁性性工工質(zhì)質(zhì)的的熵熵等等溫溫地增加，從低溫?zé)嵩次諢崃康卦黾?，從低溫?zé)嵩次諢崃?Q2。(4)絕絕熱熱磁磁化化過過程程(圖圖中中的的DcAc過過程程)，將將磁磁場場從從B4增增大大到到B3。這這剛剛好好與與過過程程2相相反反，磁磁性性工工質(zhì)質(zhì)沿沿Dc-Ac線線等等熵熵變變化化，其其溫溫度從度從T2上升到上升到T1。絕熱節(jié)流制冷循環(huán)絕熱節(jié)流制冷循環(huán)(焦焦-湯效應(yīng)湯效應(yīng))絕絕熱熱節(jié)節(jié)流流制制冷冷循循

27、環(huán)環(huán)也也稱稱作作林林德德循循環(huán)環(huán)，系系統(tǒng)統(tǒng)組組成如上圖所示，下圖為循環(huán)的成如上圖所示，下圖為循環(huán)的T-sT-s圖。圖。系系統(tǒng)統(tǒng)由由壓壓縮縮機(jī)機(jī)、冷冷卻卻器器、逆逆流流換換熱熱器器、節(jié)節(jié)流流閥和蒸發(fā)器組成。閥和蒸發(fā)器組成。對對于于理理想想循循環(huán)環(huán)，制制冷冷工工質(zhì)質(zhì)在在壓壓縮縮機(jī)機(jī)里里從從低低壓壓p p1 1壓壓縮縮到到p p2 2，經(jīng)經(jīng)冷冷卻卻器器等等壓壓冷冷卻卻至至常常溫溫(點(diǎn)點(diǎn)2)2)。上上述述過過程程可可近近似似地地認(rèn)認(rèn)為為壓壓縮縮與與冷冷卻卻過過程程同同時(shí)時(shí)進(jìn)進(jìn)行行，是是一一個(gè)個(gè)等等溫溫壓壓縮縮過過程程(由由此此引引起起的的誤誤差差由由等等溫溫效效率率修修正正，見見后后)，在在T Ts

28、s圖圖上上簡簡單單地地用用等等溫溫線線1 1/2 2表示。表示。然然后后經(jīng)經(jīng)逆逆流流換換熱熱器器器器冷冷卻卻至至狀狀態(tài)態(tài)3 3，經(jīng)經(jīng)節(jié)節(jié)流流閥閥節(jié)節(jié)流流后后到到狀狀態(tài)態(tài)4 4并并進(jìn)進(jìn)入入蒸蒸發(fā)發(fā)器器。在在蒸蒸發(fā)發(fā)器器中中，節(jié)節(jié)流流后后形形成成的的液液體體工工質(zhì)質(zhì)吸吸收收被被冷冷卻卻物物體體的的熱熱量量（即即冷冷量）蒸發(fā)為蒸氣。量）蒸發(fā)為蒸氣。處處于于飽飽和和狀狀態(tài)態(tài)的的蒸蒸氣氣回回流流至至換換熱熱器器中中，用用于于冷冷卻卻高高壓壓正正流流氣氣體體，在在理理想想情情況況下下，本本身身復(fù)復(fù)熱熱到到溫度溫度T T1 1，然后被吸入壓縮機(jī)，完成整個(gè)循環(huán)。，然后被吸入壓縮機(jī)，完成整個(gè)循環(huán)。3He-4He

29、稀釋制冷稀釋制冷4.1.3 4.1.3 低溫溫區(qū)的劃分低溫溫區(qū)的劃分 1.1.低溫溫區(qū)的劃分低溫溫區(qū)的劃分 通過通過123123來分界溫區(qū)來分界溫區(qū)制冷溫區(qū)制冷溫區(qū) 123K123K以上以上低溫溫區(qū)低溫溫區(qū) 123K123K以下以下圖圖 低溫溫度范圍低溫溫度范圍 制制冷冷的的溫溫度度范范圍圍是是從從環(huán)環(huán)境境溫溫度度開開始始，直直到接近絕對零度即到接近絕對零度即0 0。2.2.制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展歷史制冷與低溫技術(shù)的發(fā)展歷史 (1)(1)制冷技術(shù)的發(fā)展歷史制冷技術(shù)的發(fā)展歷史 人工制冷的方法是隨著工業(yè)革命而開始的。人工制冷的方法是隨著工業(yè)革命而開始的?？諝庵评錂C(jī)的發(fā)明比蒸氣壓縮式制冷機(jī)稍晚?？諝庵?/p>

30、冷機(jī)的發(fā)明比蒸氣壓縮式制冷機(jī)稍晚?？照{(diào)技術(shù)的應(yīng)用起始于空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用起始于19191919年。年。19081908年，年，OnnesOnnes最先液化了氦氣最先液化了氦氣19111911年，超導(dǎo)電性首次被發(fā)現(xiàn)年，超導(dǎo)電性首次被發(fā)現(xiàn) 19421942年，德國年，德國V-2V-2武器試驗(yàn)成功，低溫技術(shù)軍事應(yīng)用開始武器試驗(yàn)成功，低溫技術(shù)軍事應(yīng)用開始 19611961年，土星年，土星V V號是首個(gè)用液氫液氧混合推進(jìn)劑的飛行器號是首個(gè)用液氫液氧混合推進(jìn)劑的飛行器 我我國國的的低低溫溫研研究究工工作作從從2020世世紀(jì)紀(jì)5050年年代代開開始始。制制冷冷與與低溫技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)各個(gè)部門及一切科學(xué)領(lǐng)域

31、低溫技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)各個(gè)部門及一切科學(xué)領(lǐng)域二二 制冷與低溫工質(zhì)制冷與低溫工質(zhì) 5.2.1 5.2.1 制冷劑的發(fā)展、應(yīng)用與選用原則制冷劑的發(fā)展、應(yīng)用與選用原則 只有在工作溫度范圍內(nèi)能夠汽化和凝結(jié)的物質(zhì)才有只有在工作溫度范圍內(nèi)能夠汽化和凝結(jié)的物質(zhì)才有可能作為制冷劑使用。可能作為制冷劑使用。乙醚是最早使用的制冷劑。乙醚是最早使用的制冷劑。18661866年年 威德豪森威德豪森(Windhausen)(Windhausen)提出使用提出使用COCO2 2作制冷劑。作制冷劑。18701870年年 卡爾卡爾林德林德(Cart Linde)(Cart Linde)用用NHNH3 3作制冷劑。作制冷劑

32、。18741874年年 拉烏爾拉烏爾皮克特皮克特(Raul Pictel)(Raul Pictel)采用采用SOSO2 2作制冷劑。作制冷劑。SOSO2 2和和COCO2 2在歷史上曾經(jīng)是比較重要的制冷劑。在歷史上曾經(jīng)是比較重要的制冷劑。SOSO2 2毒性大，但作為重要制冷劑曾有毒性大，但作為重要制冷劑曾有6060年歷史。年歷史。COCO2 2在使用溫度范圍內(nèi)壓力特高，致使機(jī)器極為笨重，但在使用溫度范圍內(nèi)壓力特高，致使機(jī)器極為笨重，但它無毒使用安全。曾在船用冷藏裝置中作制冷劑達(dá)它無毒使用安全。曾在船用冷藏裝置中作制冷劑達(dá)5050年年之久，之久，19551955年才被氟里昂所取代。年才被氟里昂所

33、取代。氟里昂：氟里昂：氟里昂（freon）是氟氯代甲烷和氟氯代乙烷的總稱，因此又稱“氟氯烷”或“氟氯烴”，可用符號“CFC”表示。氟里昂包括20多種化合物，其中最常用的是氟里昂-12（化學(xué)式CCl2F2），其次是氟里昂-11（化學(xué)式CCl3F）。氟里昂是一種性能優(yōu)良的冷凍劑，在家用電冰箱和空調(diào)機(jī)中廣泛使用。人們最早使用的冷凍劑是二氧化硫和氨。在1.01105Pa時(shí)，二氧化硫于10液化，氫在33液化。若在常溫下，對二氧化硫施加2.525105Pa，對氨施加8.888105Pa，它們也能液化。這兩種物質(zhì)也都不能燃燒。但美中不足的是，它們都有強(qiáng)烈的刺激性氣味，濃度大時(shí)還有毒性，并對金屬有腐蝕作用。不

34、過，它們的價(jià)格比較便宜，所以至今仍用于大型冷凍機(jī)中。美國化學(xué)家密得烈經(jīng)過長期的研究，終于制成了CCl2F2，即氟里昂-12。它的性能優(yōu)于二氧化硫和氨。CCl2F2可由四氯化碳與無水氟化氫在催化劑存在下反應(yīng)制得。用SbCl5催化時(shí)，CCl2F2 產(chǎn)率為90，CCl3F為9，CClF3為0.5；用FeCl3催化時(shí)，CCl2F2產(chǎn)率為75，CCl3F為20。用氟里昂作冷凍劑，優(yōu)點(diǎn)很多：（1）容易液化。如氟里昂-12，沸點(diǎn)29.8；氟里昂-11，沸點(diǎn)23.8；（2）沒有氣味，沒有毒性。不像氨、二氧化硫那樣，一旦管道漏氣，就會產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激性氣味，甚至造成事故；（3）不腐蝕金屬，這一點(diǎn)也優(yōu)于二氧化硫和氨

35、；（4）跟大多數(shù)有機(jī)物不同，氟里昂不能燃燒，因而避免了發(fā)生火災(zāi)和爆炸的危險(xiǎn)。氟里昂有許多重要應(yīng)用，除在冷凍裝置中作冷凍劑外，還常用作噴霧裝置中氣溶膠推進(jìn)劑、電子器件清洗劑以及泡沫塑料的發(fā)泡劑等。隨著環(huán)境科學(xué)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到并越來越關(guān)注逸到大氣平流層中的氟里昂對臭氧的破壞作用。臭氧層是地球生命的保護(hù)層，它大約能把太陽輻射來的高能紫外線的5吸收掉，使地球上的生物免遭強(qiáng)紫外線的殺傷?？茖W(xué)家指出，地球大氣中臭氧每減少1，就會增加5的皮膚癌和2的黑色素瘤疾患，并使農(nóng)作物減產(chǎn)。如果沒有臭氧層的保護(hù)，所有強(qiáng)紫外輻射全部落到地面的話，那么，地球上的林木將會被烤焦，飛禽走獸都將被殺死。臭氧層的破壞是觸目驚

36、心的。近些年，在南極和北極上空都曾出現(xiàn)過巨大的季節(jié)性的臭氧“空洞”，空洞的面積有時(shí)相當(dāng)于美國國土的2倍?？茖W(xué)觀測表明，19691986年，北緯3060地區(qū)上空臭氧濃度下降了1.73。主要包括美國、歐洲、加拿大、日本、中國和前蘇聯(lián)人口稠密地區(qū)。近年來科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，臭氧層損耗的速度比預(yù)想的還要快。為拯救臭氧層，大量減少并最終停止生產(chǎn)和使用氟里昂類物質(zhì)，發(fā)達(dá)國家負(fù)有不可推卸的責(zé)任。1985年，聯(lián)合國通過了保護(hù)臭氧層公約，1987年通過了蒙特利爾議定書。我國政府批準(zhǔn)了保護(hù)臭氧層公約，并于1991年宣布加入蒙特利爾議定書。1992年，我國編制了中國消耗臭氧層物質(zhì)逐步淘汰國家方案，方案說，我國當(dāng)前主要生產(chǎn)

37、和消費(fèi)氟里昂-12、氟里昂-11、氟里昂-113和哈龍-1211、哈龍-1301、四氯化碳、1，1，1-三氯乙烷等7種受控物質(zhì)。我國將在2010年完全淘汰消耗臭氧層的物質(zhì)。消耗臭氧層物質(zhì)被淘汰后要有相應(yīng)的替代物。氟里昂的代價(jià) 氟里昂于30年代開發(fā)出來。屬于氯氟烴化合物（CFCs），氟里昂是它的商品名稱。它不易燃燒，不具腐蝕性，無毒，性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜，作為一種工業(yè)用化學(xué)物質(zhì)，被廣泛使用在各種冷凍空調(diào)的冷媒、電子和光學(xué)元件的清洗溶劑、化妝品等噴霧劑，以及泡沫塑料PU、PS、PE的發(fā)泡劑等等。從20世紀(jì)的30年代初到90年代的五六十年中，人類總共生產(chǎn)了1500萬噸氯氟烴。在對氟里昂實(shí)行控制之前，全

38、世界向大氣中排放的氟里昂已達(dá)到了2000萬噸。由于它們在大氣中的平均壽命達(dá)數(shù)百年，所以排放的大部分仍留在大氣層中，其中大部分仍然停留在對流層，一小部分升入平流層。由于世界各主要工業(yè)國家多位北半球，因此北半球大氣中CFCs的平均濃度較南半球高。CFCs排出后在大氣中迅速擴(kuò)散，但南北兩半球的大氣，要穿越赤道完全混合，需時(shí)約2年。北半球大氣中CFCs的平均年增率為4-5%，而南半球CFCs的平均濃度則較北半球約低8-10%，故南半球的CFCs大約也剛好是以落后北半球2年的時(shí)間，而以相同的速率在增加中。積存在對流層的大量CFCs，會隨著大氣運(yùn)動進(jìn)入平流層。對流層上部是對流層頂，對流層頂?shù)母叨雀鞯夭⒉幌?/p>

39、同，因季節(jié)和緯度而異，在赤道附近最高，約18公里；在高緯度的兩極，只有8公里左右，而且夏季比冬季略高。由于各地對流層頂高度不同，在緯度30度左右的副熱帶地區(qū)，產(chǎn)生不連續(xù)現(xiàn)象，對流層頂缺口（青藏高原也位于30度地區(qū)）。在這個(gè)缺口處，上下層空氣混合非常強(qiáng)烈，CFCs等物質(zhì)便因而趁隙進(jìn)入平流層。1.1.熱力學(xué)性質(zhì)方面熱力學(xué)性質(zhì)方面 2.2.遷移性質(zhì)方面遷移性質(zhì)方面 (1)(1)工作溫度范圍內(nèi)有合適的壓力和壓力比。工作溫度范圍內(nèi)有合適的壓力和壓力比。(2)(2)單位制冷量單位制冷量q q0 0和單位容積制冷量和單位容積制冷量q qv v較大。較大。(3)(3)比功比功w w和單位容積壓縮功和單位容積壓

40、縮功w wv v小，循環(huán)效率高。小，循環(huán)效率高。蒸發(fā)壓力蒸發(fā)壓力大氣壓力大氣壓力冷凝壓力不要過高冷凝壓力不要過高冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比不宜過大冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比不宜過大 (4)(4)等熵壓縮終了溫度等熵壓縮終了溫度t t2 2不能太高，以免潤滑條件惡化不能太高，以免潤滑條件惡化或制冷劑自身在高溫下分解。或制冷劑自身在高溫下分解。(1)(1)粘度、密度盡量小。粘度、密度盡量小。(2)(2)導(dǎo)熱系數(shù)大，可提高傳熱系數(shù)，減少傳熱面積。導(dǎo)熱系數(shù)大，可提高傳熱系數(shù)，減少傳熱面積。作為制冷劑應(yīng)符合的要求作為制冷劑應(yīng)符合的要求 3.3.物理化學(xué)性質(zhì)方面物理化學(xué)性質(zhì)方面 4.4.其它其它 (1)(1)無毒

41、、不燃燒、不爆炸、使用安全無毒、不燃燒、不爆炸、使用安全。(2)(2)化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好?；瘜W(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好。(3)(3)對大氣環(huán)境無破壞作用。對大氣環(huán)境無破壞作用。原料來源充足，制造工藝簡單，價(jià)格便宜。原料來源充足，制造工藝簡單，價(jià)格便宜。5.2.2 5.2.2 制冷劑命名制冷劑命名制冷劑按其化學(xué)組成主要有三類制冷劑按其化學(xué)組成主要有三類 無機(jī)物無機(jī)物 氟里昂氟里昂 碳?xì)浠衔锾細(xì)浠衔?字母字母“R”R”和它后面的一組數(shù)字或字和它后面的一組數(shù)字或字母母 表示制冷劑表示制冷劑 根據(jù)制冷劑分子組成按一定規(guī)則編寫根據(jù)制冷劑分子組成按一定規(guī)則編寫 1.1.無機(jī)化合物無機(jī)化合物 2.2.氟里

42、昂和烷烴類氟里昂和烷烴類 簡寫符號規(guī)定為簡寫符號規(guī)定為R7()()R7()()括號中填入的數(shù)字是該無機(jī)物分子量的整數(shù)部分。括號中填入的數(shù)字是該無機(jī)物分子量的整數(shù)部分。簡寫符號規(guī)定為簡寫符號規(guī)定為R(m-1)(n+1)(x)B(z)R(m-1)(n+1)(x)B(z)數(shù)值為零時(shí)省去寫，同分異構(gòu)體則在其最后加小寫數(shù)值為零時(shí)省去寫，同分異構(gòu)體則在其最后加小寫英文字母以示區(qū)別。英文字母以示區(qū)別。正丁烷和異丁烷例外，用正丁烷和異丁烷例外，用R600R600和和R600a(R600a(或或R601)R601)表示表示編寫規(guī)則編寫規(guī)則制冷劑的簡寫符號制冷劑的簡寫符號3.3.非共氟混合工質(zhì)非共氟混合工質(zhì) 簡寫

43、符號為簡寫符號為R4()()R4()()括號中的數(shù)字為該工質(zhì)命名的先后順序號，從括號中的數(shù)字為該工質(zhì)命名的先后順序號，從0000開始開始若構(gòu)成非共氟混合工質(zhì)的純物質(zhì)種類相同，但成分含若構(gòu)成非共氟混合工質(zhì)的純物質(zhì)種類相同，但成分含量不同，則分別在最后加上大寫英文字母以示區(qū)別量不同，則分別在最后加上大寫英文字母以示區(qū)別 4.4.共氟混合工質(zhì)共氟混合工質(zhì) 簡寫符號為簡寫符號為R5()()R5()()括號中的數(shù)字為該工質(zhì)命名的先后順序號，從括號中的數(shù)字為該工質(zhì)命名的先后順序號，從0000開始開始 5.5.環(huán)烷烴、鏈烯烴以及它們的鹵代物環(huán)烷烴、鏈烯烴以及它們的鹵代物 簡寫符號規(guī)定：環(huán)烷烴及環(huán)烷烴的鹵代物

44、用字母簡寫符號規(guī)定：環(huán)烷烴及環(huán)烷烴的鹵代物用字母“RC”RC”開頭，鏈烯烴及鏈烯烴的鹵代物用字母開頭，鏈烯烴及鏈烯烴的鹵代物用字母“R1”R1”開開頭，其后的數(shù)字排寫規(guī)則與氟里昂及烷烴類符號表示中頭，其后的數(shù)字排寫規(guī)則與氟里昂及烷烴類符號表示中的數(shù)字排寫規(guī)則相同。的數(shù)字排寫規(guī)則相同。表表1-4 1-4 制冷劑符號舉例制冷劑符號舉例 化合物名稱化合物名稱分子式分子式m、n、x、z值值簡寫符號簡寫符號一氟三氯甲烷一氟三氯甲烷CFCl3m=1,n=0,x=1R11二氟二氯甲烷二氟二氯甲烷CF2Cl2m=1,n=0,x=2R12三氟一溴甲烷三氟一溴甲烷CF3Brm=1,n=0,x=3,z=1R13B1

45、二氟一氯甲烷二氟一氯甲烷CHF2Clm=1,n=1,x=2R22二氟甲烷二氟甲烷CH2F2m=1,n=2,x=2R32甲烷甲烷CH4m=1,n=4,x=0R50三氟二氯乙烷三氟二氯乙烷C2HF3Cl2m=2,n=1,x=3R123五氟乙烷五氟乙烷C2HF5m=2,n=1,x=5R125四氟乙烷四氟乙烷C2H2F4m=2,n=2,x=4R134a乙烷乙烷C2H6m=2,n=6,x=0R170丙烷丙烷C3H8m=3,n=8,x=0R290此外，有機(jī)氧化物、脂肪族胺用此外，有機(jī)氧化物、脂肪族胺用R6R6開頭，其后數(shù)字任選。開頭，其后數(shù)字任選。詳細(xì)可從詳細(xì)可從表表1-5 1-5 制冷劑標(biāo)準(zhǔn)符號表示制冷

46、劑標(biāo)準(zhǔn)符號表示中查出。中查出。為簡單定性判別制冷劑對臭氧層的破壞能力為簡單定性判別制冷劑對臭氧層的破壞能力 將氯氟烴類物質(zhì)代號中的將氯氟烴類物質(zhì)代號中的R R改用字母改用字母CFCCFC氫氯氟烴類物質(zhì)代號中的氫氯氟烴類物質(zhì)代號中的R R改用字母改用字母HCFCHCFC氫氟烴類物質(zhì)代號中的氫氟烴類物質(zhì)代號中的R R改用字母改用字母HFCHFC碳?xì)浠衔锎栔械奶細(xì)浠衔锎栔械腞 R改用字母改用字母HCHC，數(shù)字編號不變數(shù)字編號不變5.2.3 5.2.3 制冷劑的物理化學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用制冷劑的物理化學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用1.1.安全性安全性(1)(1)毒性毒性 雖然一些氟里昂制冷劑其毒性都較低，但在高溫或

47、雖然一些氟里昂制冷劑其毒性都較低，但在高溫或火焰作用下會分解出極毒的光氣?；鹧孀饔孟聲纸獬鰳O毒的光氣。表表16 16 制冷劑的毒性指標(biāo)制冷劑的毒性指標(biāo)給出常用制冷劑給出常用制冷劑TLVsTLVs或或AELAEL值值 制冷劑制冷劑代代 號號TLVs或或AELppmhr制冷劑制冷劑代代 號號TLVs或或AELppmhr制冷劑制冷劑代代 號號TLVs或或AEL ppmhr111000124500290100012100012510005001000221000134a10005021000231000142b1000600a1000321000143a1000717112310152a100071

48、81000(2)(2)燃燒性和爆炸性燃燒性和爆炸性在空氣中發(fā)生燃燒或爆炸的體積百分比范圍。在空氣中發(fā)生燃燒或爆炸的體積百分比范圍。這一范圍的下限值越小，表示越易燃；下限這一范圍的下限值越小，表示越易燃；下限值相同，則范圍越寬越易燃。值相同，則范圍越寬越易燃。(3)(3)安全分類安全分類表表1818與表與表1919分別給出了分別給出了6 6個(gè)安全等級的劃分定義個(gè)安全等級的劃分定義和一些制冷劑的安全分類。和一些制冷劑的安全分類。2.2.熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 制冷劑在正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下不發(fā)生裂解。在溫度較高又制冷劑在正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下不發(fā)生裂解。在溫度較高又有油、鋼鐵、銅存在長時(shí)間使用會發(fā)生變質(zhì)甚至熱解。有油、

49、鋼鐵、銅存在長時(shí)間使用會發(fā)生變質(zhì)甚至熱解。爆炸極限爆炸極限表表17 17 一些制冷劑的易燃易爆特性一些制冷劑的易燃易爆特性制冷劑制冷劑代代 號號爆炸爆炸極限極限(容積容積%)制冷劑制冷劑代代 號號爆炸爆炸極限極限(容積容積%)制冷劑制冷劑代代 號號爆炸爆炸極限極限(容積容積%)11None124 None2902.3-7.312 None125 None500 None22 None134a None502 None23 None142b6.7-14.9 600a1.8-8.43214-31143a6.0-na71716.0-25.0123 None152a3.9-16.9 718 None注

50、：注：NoneNone表示不燃燒，表示不燃燒，nana表示未知。表示未知。表表18 18 ASHRAE34-1992ASHRAE34-1992以毒性和可燃性為界限的安全分以毒性和可燃性為界限的安全分類類 毒毒 性性 可可 燃燃 性性TLVs值值確確定定或或一一定定的的系系數(shù)數(shù)，制制冷冷劑劑體體積積分分?jǐn)?shù)數(shù)410-4TLVs值值確確定定或或一一定定的的系系數(shù)數(shù)，制制冷冷劑劑體體積積分分?jǐn)?shù)數(shù)0.1kg/m3,燃燒熱燃燒熱2/3)(Z2/3)5.5.與水的溶解性與水的溶解性“冰堵現(xiàn)象冰堵現(xiàn)象”當(dāng)溫度降到當(dāng)溫度降到00以下時(shí)，水結(jié)成冰而堵塞節(jié)流以下時(shí)，水結(jié)成冰而堵塞節(jié)流閥或毛細(xì)管的通道形成閥或毛細(xì)管的

51、通道形成“冰堵冰堵”，致使制冷機(jī)，致使制冷機(jī)不能正常工作。不能正常工作。6.6.泄漏性泄漏性氨氨有強(qiáng)烈臭氣，靠嗅覺易判是否泄漏。易溶于有強(qiáng)烈臭氣，靠嗅覺易判是否泄漏。易溶于水故不用肥皂水檢漏，水故不用肥皂水檢漏，用酚酞試劑和試紙檢漏用酚酞試劑和試紙檢漏 氟利昂氟利昂無色無臭，無色無臭，鹵素噴燈鹵素噴燈和和電子檢漏儀電子檢漏儀檢漏檢漏表表110 110 水分在一些制冷劑中的溶解度水分在一些制冷劑中的溶解度（2525）制冷劑制冷劑代代 號號溶解度溶解度(質(zhì)量質(zhì)量%)制冷劑制冷劑代代 號號溶解度溶解度(質(zhì)量質(zhì)量%)制冷劑制冷劑代代 號號溶解度溶解度(質(zhì)量質(zhì)量%)110.00981240.07290n

52、a120.011250.075000.05220.13134a0.115020.06230.15142b0.05600ana320.12143a0.081230.08152a0.17注：注：nana表示沒有找到可用的數(shù)據(jù)。表示沒有找到可用的數(shù)據(jù)。氟點(diǎn)氟點(diǎn)-33.3-33.3，凝固點(diǎn)，凝固點(diǎn)-77.9-77.9 單位容積制冷量大粘性小，傳熱性好，流動阻力小單位容積制冷量大粘性小，傳熱性好，流動阻力小 毒性較大，有一定的可燃性，安全分類為毒性較大，有一定的可燃性，安全分類為B2 B2 氨蒸氣無色，具有強(qiáng)烈的刺激性臭味氨蒸氣無色，具有強(qiáng)烈的刺激性臭味 氨液飛濺到皮膚上會引起腫脹甚至凍傷氨液飛濺到皮膚

53、上會引起腫脹甚至凍傷 氨系統(tǒng)中有水分會加劇對金屬腐蝕同時(shí)減小制冷量氨系統(tǒng)中有水分會加劇對金屬腐蝕同時(shí)減小制冷量 以任意比與水互溶但在礦物潤滑油中的溶解度很小以任意比與水互溶但在礦物潤滑油中的溶解度很小 系統(tǒng)中氨分離的游離氫積累至一定程度遇空氣爆炸系統(tǒng)中氨分離的游離氫積累至一定程度遇空氣爆炸 氨液比重比礦物潤滑油小，油沉積下部需定期放出氨液比重比礦物潤滑油小，油沉積下部需定期放出 在氨制冷機(jī)中不用銅和銅合金材料在氨制冷機(jī)中不用銅和銅合金材料(磷青銅除外磷青銅除外)5.2.4 5.2.4 常用制冷劑常用制冷劑1.1.無機(jī)物無機(jī)物氨氨2.2.氟利昂氟利昂(1)R12(1)R12（二氟二氯甲烷二氟二氯

54、甲烷 CFCF2 2ClCl2 2）氟點(diǎn)氟點(diǎn)-29.8-29.8，凝固點(diǎn)，凝固點(diǎn)-158-158。無色，有較弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全。無色，有較弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全。系統(tǒng)里應(yīng)嚴(yán)格限制含水量，一般規(guī)定不得超過系統(tǒng)里應(yīng)嚴(yán)格限制含水量，一般規(guī)定不得超過0.001%0.001%常用溫度范圍內(nèi)能與礦物性潤滑油以任意比互溶常用溫度范圍內(nèi)能與礦物性潤滑油以任意比互溶 不腐蝕一般金屬但能腐蝕鎂及含鎂量超過不腐蝕一般金屬但能腐蝕鎂及含鎂量超過2%2%鋁鎂合金。鋁鎂合金。對天然橡膠和塑料有膨潤作用。對天然橡膠和塑料有膨潤作用。(2)R134a(2)R134a（四氟乙烷四氟乙烷 CHCH2 2F

55、CFFCF3 3）毒性非常低，不可燃，安全。毒性非常低，不可燃，安全。與礦物潤滑油不相溶，但能完全溶解于多元醇酯類。與礦物潤滑油不相溶，但能完全溶解于多元醇酯類?；瘜W(xué)穩(wěn)定性很好，溶水性比化學(xué)穩(wěn)定性很好，溶水性比R12R12強(qiáng)得多，對系統(tǒng)干燥和強(qiáng)得多，對系統(tǒng)干燥和清潔性要求更高，用與清潔性要求更高，用與R12R12不同的干燥劑。不同的干燥劑。5.2.5 5.2.5 低溫液體的性質(zhì)低溫液體的性質(zhì)表表1-13 1-13 大氣壓下一些飽和低溫液體的性質(zhì)大氣壓下一些飽和低溫液體的性質(zhì)(1)(1)常規(guī)氣體常規(guī)氣體 液氮液氮純凈無色純凈無色具有兩種穩(wěn)定的同素異形體。具有兩種穩(wěn)定的同素異形體。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下在標(biāo)

56、準(zhǔn)大氣壓下在77.36K77.36K氟騰氟騰,63.2K,63.2K凝固。凝固。液氧液氧藍(lán)色，有輕微磁性藍(lán)色，有輕微磁性。在在0.1MPa0.1MPa大氣壓下在大氣壓下在90.18K90.18K時(shí)氟騰，時(shí)氟騰，54.4K54.4K時(shí)凝固。時(shí)凝固。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。液氬液氬純凈無色純凈無色 氬是無毒的惰性氣體。氬是無毒的惰性氣體。在在0.1MPa0.1MPa大氣壓下在大氣壓下在87.3K87.3K氟騰氟騰,83.8K,83.8K凝固。凝固。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。液氖液氖純凈無色純凈無色 氖是惰性氣體氖是惰性氣體。在在0.1MPa0.

57、1MPa大氣壓下在大氣壓下在27.09K27.09K氟騰氟騰,24.54K,24.54K凝固。凝固。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。液氟液氟淡黃色，密度最大的低溫液體之一淡黃色，密度最大的低溫液體之一。通常狀態(tài)下氟點(diǎn)為通常狀態(tài)下氟點(diǎn)為85.24K85.24K，在在0.1MPa,53.5K0.1MPa,53.5K時(shí)時(shí),液氟凝結(jié)液氟凝結(jié)成黃色固體成黃色固體,過冷到過冷到45.6K45.6K時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨腆w。時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨腆w。氟有劇毒，化學(xué)性質(zhì)非?；顫姺袆《荆瘜W(xué)性質(zhì)非?；顫?。甲烷甲烷純凈無色，天然氣的主要成分純凈無色，天然氣的主要成分。在在0.1MPa0.1MPa大氣壓下在大

58、氣壓下在111.7K111.7K氟騰氟騰,88.7K,88.7K凝固。凝固。液態(tài)甲烷能裝在容器中大量運(yùn)輸。液態(tài)甲烷能裝在容器中大量運(yùn)輸。(2)(2)氫氫 液氫無色無味，不自燃，低溫液體中最輕之一。液氫無色無味，不自燃，低溫液體中最輕之一。氫與氧氣或空氣混合時(shí)氫與氧氣或空氣混合時(shí),極易燃燒甚至爆炸。極易燃燒甚至爆炸。天然氫氣是兩種同素異形體的混合物：氫和氘。天然氫氣是兩種同素異形體的混合物：氫和氘。還存在第三種不穩(wěn)定的氫的同素異形體：氚。還存在第三種不穩(wěn)定的氫的同素異形體：氚。氫具有兩種不同的分子形態(tài)氫具有兩種不同的分子形態(tài):o-Ho-H2 2和和p-Hp-H2 2氘也有氘也有o-Do-D2 2

59、和和p-Dp-D2 2存在，溫度降低時(shí)氘中的存在，溫度降低時(shí)氘中的p-Dp-D2 2向向o-Do-D2 2轉(zhuǎn)變而氫在溫度降低時(shí)由轉(zhuǎn)變而氫在溫度降低時(shí)由o-Ho-H2 2向向p-Hp-H2 2轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 (3)(3)氦氦4 4氦有兩種同位素氦有兩種同位素:He4:He4 和和He3 He3 液氦液氦4 4在其蒸氣壓下不會凝固。故在其蒸氣壓下不會凝固。故不存在氦的固、不存在氦的固、液、氣三相點(diǎn)液、氣三相點(diǎn),而其它物質(zhì)都存在三相點(diǎn)。而其它物質(zhì)都存在三相點(diǎn)。液液HeHe有兩種不同液相有兩種不同液相液氦液氦(HeIHeI)正常液體正常液體液氦液氦(HeIIHeII)超流體超流體線與蒸汽壓曲線線與蒸汽壓曲線

60、相交的點(diǎn)叫相交的點(diǎn)叫點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)溫度為點(diǎn)溫度為2.172K2.172K壓力為壓力為5.073kPa 5.073kPa 區(qū)分兩種液相的相區(qū)分兩種液相的相轉(zhuǎn)變曲線叫轉(zhuǎn)變曲線叫線線壓壓 力力固態(tài)固態(tài)臨臨界界點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)液氦液氦 液氦液氦IIII 溫溫 度度 (K)圖圖1-21 氦氦4的相圖的相圖熱導(dǎo)率隨溫度的下降而下降。熱導(dǎo)率隨溫度的下降而下降。氦氦液氦液氦熱導(dǎo)率非常大熱導(dǎo)率非常大,在氣泡生成之前熱量已迅速傳到在氣泡生成之前熱量已迅速傳到液體表面液體表面,使液體中無法生成氣泡，這種特性在使液體中無法生成氣泡，這種特性在自然界是獨(dú)一無二。自然界是獨(dú)一無二。在特定條件下在特定條件下,它表現(xiàn)為粘度為零。它表現(xiàn)為粘度

61、為零。由常流體和超流體組成的混合物由常流體和超流體組成的混合物,其常流體成分其常流體成分和超流體成分比隨溫度的變化而變化。和超流體成分比隨溫度的變化而變化。當(dāng)溫度降低通當(dāng)溫度降低通過過點(diǎn)時(shí)，液點(diǎn)時(shí)，液體比熱有一個(gè)體比熱有一個(gè)大幅度跳躍。大幅度跳躍。圖圖1-22 飽和液態(tài)氦飽和液態(tài)氦4的比熱的比熱 溫溫 度度 (K)飽和液體的比熱飽和液體的比熱 KJ/KgK 噴泉效應(yīng)噴泉效應(yīng)氦氦3 30.827K0.827K以下，液氦以下，液氦3 3和液氦和液氦4 4的混合物能自發(fā)分的混合物能自發(fā)分離為兩相，一種是離為兩相，一種是超流體超流體(富含氦富含氦4 4相相)，另一另一種是種是常流體常流體(富含氦富含氦

62、3 3相相)。這種。這種相的分離現(xiàn)象相的分離現(xiàn)象成為氦稀釋制冷機(jī)的基礎(chǔ)。成為氦稀釋制冷機(jī)的基礎(chǔ)。無色無味液體無色無味液體,標(biāo)準(zhǔn)氟點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)氟點(diǎn)3.19K 3.19K 液氦液氦3 3在其蒸汽壓下即使降到絕對零度也保在其蒸汽壓下即使降到絕對零度也保持為液態(tài)持為液態(tài) 第三節(jié)第三節(jié) 制冷技術(shù)與學(xué)科交叉制冷技術(shù)與學(xué)科交叉制冷與低溫技術(shù)的學(xué)科交叉領(lǐng)域舉例制冷與低溫技術(shù)的學(xué)科交叉領(lǐng)域舉例 10.10.火箭推力系統(tǒng)與高能物理火箭推力系統(tǒng)與高能物理 1.1.空氣調(diào)節(jié)空氣調(diào)節(jié)2.2.人工環(huán)境人工環(huán)境3.3.食品冷凍與冷凍干燥食品冷凍與冷凍干燥4.4.低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)5.5.低溫電子技術(shù)低溫電子技術(shù)6.

63、6.機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)7.7.紅外遙感技術(shù)紅外遙感技術(shù)8.8.加工過程加工過程9.9.材料回收材料回收制冷在空調(diào)中的作用制冷在空調(diào)中的作用 (1)(1)干式冷卻干式冷卻 (2)(2)減濕冷卻減濕冷卻 (3)(3)減濕與干式冷卻混合方式減濕與干式冷卻混合方式 1.1.空氣調(diào)節(jié)空氣調(diào)節(jié)圖圖1-26 制冷與空調(diào)的關(guān)系制冷與空調(diào)的關(guān)系 制冷和空調(diào)制冷和空調(diào)的關(guān)系相互的關(guān)系相互聯(lián)系又獨(dú)立聯(lián)系又獨(dú)立用人工方法構(gòu)成各種人們所希望達(dá)到的環(huán)境條用人工方法構(gòu)成各種人們所希望達(dá)到的環(huán)境條件，包括地面的各種氣候變化和高空宇宙及其件，包括地面的各種氣候變化和高空宇宙及其它特殊的要求。它特殊的要求。2.2.人工環(huán)境人工環(huán)境

64、與制冷有關(guān)的人工環(huán)境試驗(yàn)有以下幾種與制冷有關(guān)的人工環(huán)境試驗(yàn)有以下幾種 (1)(1)低溫環(huán)境試驗(yàn)低溫環(huán)境試驗(yàn) (2)(2)濕熱試驗(yàn)濕熱試驗(yàn) (3)(3)鹽霧試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn) (4)(4)多種氣候試驗(yàn)多種氣候試驗(yàn) (5)(5)空間模擬試驗(yàn)空間模擬試驗(yàn) 根據(jù)對食品處理方式不同，食品低溫處理工藝根據(jù)對食品處理方式不同，食品低溫處理工藝可分可分三類三類：(1)(1)食品的冷藏與冷卻食品的冷藏與冷卻 (2)(2)食品的凍結(jié)與凍藏食品的凍結(jié)與凍藏 (3)(3)冷凍干燥冷凍干燥 3.3.食品冷凍與冷凍干燥食品冷凍與冷凍干燥研究低溫對生物體產(chǎn)生的影響及應(yīng)用的學(xué)科。研究低溫對生物體產(chǎn)生的影響及應(yīng)用的學(xué)科。低溫生物學(xué)低

65、溫生物學(xué)研究溫度降低對人類生命過程的影響，以及低溫研究溫度降低對人類生命過程的影響，以及低溫技術(shù)在人類同疾病作斗爭中的應(yīng)用的學(xué)科。技術(shù)在人類同疾病作斗爭中的應(yīng)用的學(xué)科。低溫醫(yī)學(xué)低溫醫(yī)學(xué)低溫生物醫(yī)學(xué)低溫生物醫(yī)學(xué) 低溫生物學(xué)和低溫醫(yī)學(xué)的統(tǒng)稱。低溫生物學(xué)和低溫醫(yī)學(xué)的統(tǒng)稱。典型應(yīng)用例子典型應(yīng)用例子 (1)(1)細(xì)胞組織程序冷卻的低溫保存細(xì)胞組織程序冷卻的低溫保存 (2)(2)超快速的玻璃化低溫保存方法超快速的玻璃化低溫保存方法(3)(3)利用低溫器械使病灶細(xì)胞和組織低溫?fù)p傷利用低溫器械使病灶細(xì)胞和組織低溫?fù)p傷 而壞死的低溫外科。而壞死的低溫外科。4.4.低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)微波激射器微波激

66、射器必須冷到液氮或液氦溫度必須冷到液氮或液氦溫度,以使放大以使放大器元素原子的熱振蕩不至于嚴(yán)重干擾微波的吸器元素原子的熱振蕩不至于嚴(yán)重干擾微波的吸收與發(fā)射。收與發(fā)射。超導(dǎo)量子干涉器超導(dǎo)量子干涉器即即SQUIDsSQUIDs,被用在相當(dāng)靈敏的數(shù)被用在相當(dāng)靈敏的數(shù)字式磁力計(jì)和伏安表上。字式磁力計(jì)和伏安表上。在在MHDMHD系統(tǒng)、線性加速器和托克馬克裝置中，超系統(tǒng)、線性加速器和托克馬克裝置中，超導(dǎo)磁體被用來產(chǎn)生強(qiáng)磁場。導(dǎo)磁體被用來產(chǎn)生強(qiáng)磁場。5.5.低溫電子技術(shù)低溫電子技術(shù) 運(yùn)用與超導(dǎo)電性有關(guān)的運(yùn)用與超導(dǎo)電性有關(guān)的MeissnerMeissner效應(yīng)效應(yīng),用用磁場代替油或空氣作潤滑劑磁場代替油或空氣作潤滑劑,可以制成無磨擦可以制成無磨擦軸承。軸承。在船用推進(jìn)系統(tǒng)中在船用推進(jìn)系統(tǒng)中,無電力損失的超導(dǎo)電無電力損失的超導(dǎo)電機(jī)已獲得應(yīng)用。機(jī)已獲得應(yīng)用。偏差極小的超導(dǎo)陀螺也已經(jīng)被研制出來。偏差極小的超導(dǎo)陀螺也已經(jīng)被研制出來。時(shí)速時(shí)速500km/h500km/h的低溫超導(dǎo)磁懸浮列車已經(jīng)的低溫超導(dǎo)磁懸浮列車已經(jīng)在日本投入試驗(yàn)運(yùn)行。在日本投入試驗(yàn)運(yùn)行。6.6.機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì) 采用紅外光學(xué)鏡頭可采用紅外光學(xué)