流体输送与传热 了解工业制冷方式

〖新课导入〗 化工生产中，经常要进行温度控制，高于环境温度的操作条件可以用加热的方法实现，那么，低于外界环境温度的操作条件是怎么实现的呢？ 思考： 回答 是靠冷冻来实现的。 问题： 什么是冷冻？ 冷冻是指用人工的方法在一定的时间和空间内使某物体或流体的温度降低至环境温度以下，并保持这一低温。 回答 冰箱的冷冻室可以实现零下18℃的低温，可以储存鱼、肉、冰块等，大大延长这些食品的保质期。 举例

〖新课展开〗 一、冷冻方法 相变冷冻方法 定义 是利用物体的相变从被冷却物体吸取热量的方法 冰融化法 干冰法 分类 （1） 冰融化法 原理 冰融化时，从周围吸收热量而使周围环境温度降低 应用 广泛用于没有电源场合的食品贮存和夏天冷饮的低温保存 条件 主要用于保持0℃以上的低温 生活实例 北方寒冷地区，人们在冬季从江、河、湖中采取冰块，储存在隔热良好的地下冰库中，夏季再取出来，使用在需要保持低温的场合。 图1 冰镇饮料

（2） 干冰法 在一个大气压下，干冰（固体二氧化碳）的升华温度是零下78.5℃，把干冰放置于温度高于零下78.5℃的环境中，干冰就可升华，从周围吸收大量的升华热而使周围环境温度降低，实现冷冻 原理 条件 干冰法可实现的冷冻温度低，一般可达到零下40℃左右 应用 主要用于实验、医疗、食品、机械零件的冷处理等方面。 气体膨胀冷冻方法 高压低温的气体膨胀后，气体的温度和压力急剧下降，可以实现更低的温度。例如，20MPa、0℃的空气减压膨胀到0.1 MPa时，空气的温度可降至﹣40℃左右。 原理 图2 干冰升华 放出高压钢瓶中的二氧化碳气体时，在减压阀处结霜，就是因为二氧化碳气体膨胀导致表头阀门处温度降低所致。 举例 应用 这种方法主要用于气体的液化和分离。

热电冷冻方法 直流电通过半导体热电堆，会出现半导体热电堆一端产生冷效应，另一端产生热效应的现象，利用冷端从被冷却物体吸取热量的方法即为热电冷冻 原理 热电制冷器是一种热泵，它的优点是没有滑动部件、应用在一些空间受到限制、可靠性要求高、无制冷剂污染的场合。 优点 电能利用率低，同样制冷量用半导体制冷片要比空调、冰箱多消耗五六倍的电能。 缺点 半导体制冷器可用于制作便携冷藏、保温箱、冷热饮水机、电子冷热杯等，CPU、显卡等设备的散热也可以使用半导体制冷器。 应用 一种半导体致冷器如图3所示，型号是12705，工作电压是直流12V，尺寸40×40mm，市场价格不足20元。 图3 半导体制冷器 举例

举例 思考 回答 图4是一种采用半导体制冷器的冷热饮水机局部照片，绿色指示灯亮，表示正在制冷。 见下页1_6_1_1半导体制冷器制冷视频 图4 可制冷的饮水机 液体气化法 利用在低温下容易气化的液体（冷冻系统中，这种液体被称为冷冻剂）汽化时吸收热量来冷冻。 原理 思考 酒精棉球擦手背，为什么感到凉爽？ 酒精是容易挥发的液体，酒精棉球擦手背，酒精吸收人手背处的热量而气化，手背处的温度降低，人感受到凉爽。 回答 应用 大中型冷库、冰箱、空调、合成氨厂的冷冻都采用这种方法，

工作原理 二、冷冻的分类 按冷冻过程分类 （1） 压缩蒸汽冷冻 利用压缩机做功，将来自蒸发器的气相冷冻剂压缩成高压高温的气体，在冷凝器内冷却、冷凝成液体，再经过节流机构减压膨胀、蒸发，形成一个循环系统。是从低温介质取出热量并送到高温环境的过程，是将热量从低温区输送到高温区的过程，类似于用泵将液体从低位处送到高位处。 工作原理 图5 压缩蒸汽冷冻过程 应用 目前应用最广泛的冷冻方法，工业冷冻大都采用这种方法。

（2） 吸收式冷冻 利用一种吸收剂吸收产自蒸发器的冷冻剂蒸汽，然后用加热的方法在冷凝器内的压力下进行解吸。相当于用一个吸收解吸系统代替压缩蒸汽冷冻系统中的压缩机，用热能消耗代替压缩机的电能消耗。 工作原理 （3） 蒸汽喷射冷冻 利用高压蒸汽喷射产生真空，使水在低压环境下蒸发，带走周围介质的热量，使之降温，实现冷冻。 工作原理 真空度越高冷冻温度越低，但不能低于0℃，常用于制取低温冷却水或作空调的冷源。 应用

工作过程 将锅炉产生的高温高压水蒸汽送入蒸汽喷射器，进入喷管，水蒸气膨胀并以高速流动，在喷嘴出口处，形成很低的压力，由于吸入室和蒸发器相连，所以蒸发器中的压力也会很低，低温低压的部分水在蒸发器中吸热而汽化，将未汽化的水的温度降低。这部分低温水就可以提供给用户去制冷。蒸发器中产生的冷剂水蒸汽和工作蒸汽在喷嘴出口处混合，一起进入冷凝器，被外部的冷却水冷却而变成液态水，这些冷凝水再由冷凝器引出，分两路，一路经过节流降压后送往蒸发器，继续蒸发制冷，另一部分用泵提高压力送往锅炉，重新被加热产生水蒸汽。 图6 蒸汽喷射式制冷

优点 缺点 应用 应用 应用 结构简单，无电动压缩机，使用寿命长 采用热能为驱动力，要求蒸汽的压力高，喷射器的流动损失大，效率低。 按所能达到的低温温度分类 ⑴普通制冷：制冷温度120K（-153.15℃）以上 应用 食品冷加工、空调制冷、化工生产用冷等。 (2)低温制冷：制冷温度范围在20至0.3K（摄氏-253℃至-272.7℃）之间 应用 气体液化、分离等 (3)超低温制冷：制冷温度在0.3K以下的制冷技术称为深冷技术。 应用 超导材料的制取、航天航空材料研制等领域

〖巩固练习〗 1.判断 ⑴某生产工艺要求的温度是﹣60℃，属于低温制冷技术。 解答：错。在﹣120℃以上，属于普通制冷技术，低温制冷在-253℃至-272.7℃之间。 2.半导体制冷器的两侧都可以实现制冷。 解答：错。半导体制冷器的一侧制冷，另一侧制热。 3.蒸汽喷射式制冷循环的动力装置是压缩机。 解答：错。蒸汽喷射式制冷循环的动力装置是蒸汽锅炉。

本课小结 1.人工冷冻的基本方法包括相变冷冻、气体膨胀冷冻、热电冷冻、液体气化冷冻。 2.按冷冻过程不同分类，工业冷冻方法有压缩蒸汽制冷、吸收制冷、喷射制冷，其中应用最多的是蒸汽压缩制冷。

〖作业〗 判断题 1.压缩蒸汽制冷属于液体气化制冷法。 2.热电制冷器使用直流电作为电源，电能利用率低于蒸汽压缩制冷。

再见