现代低温制冷技术chapter1.pptx
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1、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
2、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
3、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,
4、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=k
5、,Carnot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
6、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(1
7、)60-120K,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
8、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。B
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