第一章低温的获得讲解.ppt

第一章 低温的获得 1.1 相变制冷 物质集态的改变称为相变 相变过程中，由于物质分子重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量，这种热量称作潜热。物质发生从质密态到质稀态的相变时，将吸收潜热；反之，当它发生由质稀态向质密态的相变时，放出潜热 相变制冷就是利用前者的吸热效应而实现的。利用液体相变的，是液体蒸发制冷；利用固体相变的，是固体融化或升华冷却 液体蒸发制冷以流体作制冷剂，通过一定的机器设备构成制冷循环，可以对被冷却对象实现连续制冷。它是制冷技术中使用的主要方法。 固体相变冷却则是以一定数量的固体物质作制冷剂，作用于被冷却对象，实现冷却降温。一旦固体全部相变，冷却过程即告终止。 1.1.1 固体相变冷却 冰冷却 冰冷却是最早使用的降温方法，冰融化和冰升华均可用于冷却，实际主要是利用冰融化冷却。 常压下冰在在0 ℃融化，冰的融化潜热为335 kJ/kg。能够满足0 ℃ 以上的制冷要求。 冰冷却时，常借助空气或水作中间介质以吸收被冷却对象的热量。此时，换热过程发生在水或空气与冰表面之间。被冷却物体所能达到的温度一般比冰的融化温度高 (5~10) ℃。厚度10cm左右的冰块，其比表面积在 25~30 m2 / m3之间。为了增大比表面积，可以将冰粉碎成碎冰。水到冰表面的表面传热系数为116 W/(m2?K)。空气到冰表面的表面传热系数与二者之间的温度差以及空气的运动情况有关 空气到冰面的表面传热系数 [W/(m2?K)] 冰盐冷却 冰盐是指冰与盐类的混合物。用冰盐作制冷剂可以获得更低的温度。 冰盐冷却是利用冰盐融化过程的吸热。冰盐融化过程的吸热包括冰融化吸热和盐溶解吸热这样两种作用 起初，冰在0 ℃下吸热融化，融化水在冰表面形成一层水膜 接着，盐溶于水，变成盐水膜，由于溶解要吸收溶解热，造成盐水膜的温度降低 继而，在较低的温度下冰进一步融化，并通过其表层的盐水膜与被冷却对象发生热交换 这样的过程一直进行到冰全部融化，与盐形成均匀的盐水溶液。 冰盐冷却能达到的低温程度与盐的种类和混合物中盐与冰的质量比有关。 工业上应用最广的冰盐是块冰与工业食盐NaCl的混合物。表1-3给出NaCl冰盐的融化温度和单位制冷能力 干冰冷却 CO2的三相点参数为：温度 -56.6 ℃，压力 0.52 MPa 。 干冰在三相点以上吸热时融化，成为液态二氧化碳；在三相点和三相点以下吸热时，则直接升华，成为二氧化碳气体 常压下干冰的升华温度为 -78.5 ℃，升华潜热为573.6 kJ/kg。升华后的低温二氧化碳气体仍具有显热制冷能力，若再使它温度升到0 ℃，则总的制冷能力为646.4 kJ/kg 干冰的制冷能力比冰和冰盐都大。与冰制冷相同的条件下，干冰的单位质量制冷能力是冰的1.9倍；单位容积制冷能力是冰的2.95倍 干冰的平均密度为1560 kg/m3，融化成液体时，体积约增大28.5％。这一点，与水冰融化时体积减小正相反。设计和操作干冰液化设备时务必注意此特性 干冰是良好的制冷剂，它化学性质稳定，对人体无害。早在19世纪，干冰冷却就用于食品工业、冷藏运输、医疗、人工降雨、机械零件冷处理和冷配合等方面。 其它固体升华冷却 近代科学研究中为了冷却红外探测器、射线探测器、机载红外设备等的需要，采用了固态制冷剂升华的制冷系统 制冷温度取决于固体的种类、系统中的压力和被冷却对象的热负荷。通过改变升华气体的流量来调节系统中的背压和温度，就可以保持一个特定的温度 这种制冷系统的工作寿命由固体制冷剂的用量和被冷却对象的负荷决定，有达1年之久的 固体升华制冷的主要优点是升华潜热大，制冷温度低，固体制冷剂的贮存密度大 一些固体制冷剂的工作温度范围、升华潜热和密度 1.1.2 液体蒸发制冷 液体汽化形成蒸气，利用的吸热汽化效应制冷的方法称液体蒸发制冷 当液体处在密闭的容器内时，若容器内除了液体和液体本身的蒸气外不含任何其它气体，那么液体和蒸气在某一压力下将达到平衡，这种状态称饱和状态 如果将一部分饱和蒸气从容器中抽出，液体中就必然要再汽化出一部分蒸气来维持平衡 以液体为制冷剂，它在汽化时要吸收汽化潜热，该热量来自被冷却对象，只要液体的蒸发温度比环境温度低，便可使被冷却对象变冷或者使它维持在环境温度以下的某一低温 为了使上述过程得以连续进行，必须不断地从容器中抽走制冷剂蒸气，再不断地将液体补充进去 通过一定的方法将蒸气抽出，再令其凝结为液体后返回到容器中，就能满足循环的要求 为使制冷剂蒸气的冷凝过程可以在常温下实现，需要将制冷剂蒸气的压力提高到常温下的饱和压力 制冷剂将在低温低压下蒸发，产生制冷效应；又在常温和高压下凝结，向环境温度的冷却介质排放热量 凝结后的制冷剂液体由于压力较高，返回容器之前需要先降低压力 液体蒸发制