制冷与低温技术原理(1)

制冷与低温技术原理（1）

• 第一章 绪 论

第一节 制冷的定义及研究内容

第二节 制冷与低温技术的应用

第三节 制冷与低温技术的发展史

• 第一节 制冷的定义及研究内容

内 容 提 要

一、制冷与低温技术的重要性

二、制冷与低温的定义

三、制冷与低温技术的研究内容

• 第一节 制冷的定义及研究内容

一、制冷与低温技术的重要性

在长期的生产实践和日常生活中，人们发现许多现象与温度有密切关系。

炎热条件下希望降温以提供适宜的工作和生活环境。所有生物过程都受温度影响，低温抑制食品发酵、霉菌的增殖，对食品保鲜起重要作用。材料的某些重要特性与温度有关，如机械材料具有冷脆性，塑料、橡胶也有同样的性质；又如金属的导电性随温度下降而提高，有些纯金属或合金当温度降到某一数值时出现超导性，人为地利用这些特性，需要人工创造低温环境。通过降温产生物态变化，可使混合气体分离、气体液化。扩散和化学反应与温度也有直接关系，许多生产工艺过程中温度对产品性能和

• 第一节 制冷的定义及研究内容

产品质量有很大影响。空间和遥感遥控技术更是与制冷技术紧密联系，等等。

综上所述，随着科学技术的发展以及人民生活水平的不断提高，制冷和低温技术在工业、农业、国防、建设、科学研究等国民经济各个部门中的作用和地位日益重要。

• 第一节 制冷的定义及研究内容

二、制冷与低温的定义

制冷是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将物体冷却，使其温度降低到环境温度以下，保持并利用这个温度。

按照所获得的温度，通常将制冷的温度范围划分为以下几个领域：120 K以上为普冷；120 K～0.3 K为深冷，也称为低温；0.3 K以下为极低温。

由于温度范围不同，所采用的降温方式，使用的工质、机器设备以及依据的具体原理有很大差别。

• 第一节 制冷的定义及研究内容

三、制冷与低温技术的研究内容

研究内容可以概括为以下四个方面：

(1)研究获得低于环境温度的方法、机理以及与此对应的循环，并对循环进行热力学的分析和计算。

(2)研究循环中使用的工质的性质，从而为制冷机和低温装置提供合适的工作介质。因工质在循环中发生状态变化，所以工质的热物理性质是进行循环分析和计算的基础数据。此外，为了使这些工质能实际应用，还必须掌握它们的一般物理化学基础。

(3)研究气体液化和分离技术。例如液化氧、氮、氢、氦等气体，将空气或天然气液化、分离，均涉及一系列的制冷和低温技术。

• 第一节 制冷的定义及研究内容

(4)研究所需的各种机械和设备，包括它们的工作原理、性能分析、结构设计。此外还有热绝缘问题，装置的自动化问题，等等。

上述前三个方面构成制冷与低温技术原理的基本研究内容，第四方面涉及具体的设备和装置。

• 第二节 制冷与低温技术的应用

内 容 提 要

一、在商业及人民生活方面的应用

二、在工业及农牧业生产方面的应用

三、在建筑工程方面的应用

四、在科学研究及医疗卫生方面的应用

五、在空间技术与低温物理方面的应用

• 第二节 制冷与低温技术的应用

一、在商业及人民生活方面的应用

食品冷冻冷藏和舒适性空气调节是制冷技术应用最为量大面广的领域。

商业制冷主要用于各类食品冷加工、冷藏贮存和冷藏运输，使之保质保鲜，满足各个季节市场销售的合理分配，并减少生产和分配过程中的食品损耗。现代的食品工业，从生产、贮运到销售，有一条完整的“冷链”。所使用的制冷装置有：各种食品冷加工装置、大型冷库、冷藏汽车、冷藏船、冷藏列车、分配性冷库，供食品零售商店、食堂、餐厅使用的小型装配式冷库、冷藏柜、各类冷饮设备、食品冷藏冷冻展示柜，直至家庭用的电冰箱。

• 第二节 制冷与低温技术的应用

舒适性空调为人们创造适宜的生活和工作环境。如家庭、办公室用的局部空调装置或房间空调器；大型建筑、公共场所、车站、机场、宾馆、商厦、影剧院、游乐厅、办公楼等使用的集中式空调系统；各种交通工具，如轿车、客车、飞机、火车、船舱等的空调设施；文物保藏环境的空气调节装置等等。

体育、游乐场所除采用制冷提供空气调节外，还用于建造人工冰场。我国人工冰场原集中在东北、华北。现在南方城市也相继建造了新型人工冰场，如广州溜冰俱乐部，冰场面积1000 m2，年上冰人次已达20万；上海杰美体育中心的室内冰场，面积达1200 m2。

• 第二节 制冷与低温技术的应用

二、在工业及农牧业生产方面的应用

许多生产场所需要生产用空调系统，例如高温生产车间、纺织厂、造纸厂、印刷厂、胶片厂、精密仪器车间、精密加工车间、精密计量室、计算机房等的空调系统，为各生产环境提供恒温恒湿条件，以保证产品质量或机床、仪表的精度。

机械制造中，对钢进行低温处理，可以改变其金相组织，使奥氏体变成马氏体，提高钢的硬度和强度。在机器的装配过程中，利用低温进行零件的过盈配合。化学工业中，借助于制冷，使气体液化、混合气分离，带走化学反应中的反应热。盐类结晶、润滑油脱脂、石油裂解、合成橡胶、生产化肥均需要制冷。

• 第二节 制冷与低温技术的应用

在钢铁工业中，高炉鼓风需要用制冷的方法先除湿，再送入高炉，以降低焦铁比，

提高铁水质量。

在农牧业中，利用低温对农作物种子进行低温处理；保存良种牲口的精液，以便进行人工授精。

在交通运输业中，已有采用压缩天然气的汽车。因液化天然气存储体积小，能量密度大，今后液化天然气的发展必定更具优势。

• 第二节 制冷与低温技术的应用

三、在建筑工程方面的应用

在挖掘矿井、隧道、建造江河堤坝时，或者在泥沼、沙水中掘进时，采用冻土法保持工作面，避免坍塌和保证施工安全。拌合混凝土时，以冰代替水，借冰的熔化热补偿水泥的固化反应热，这在制作大型混凝土构件时十分必要，可以有效地避免大型构件因散热不充分而产生内应力和裂缝等缺陷。

英吉利海底隧道全长52 km，是迄今世界上最长的隧道。列车以160 km/h的速度穿过隧道时，空气温度将上升到(49～55) ℃，必须进行降温处理。为此采用了8套冷水机组，分装在隧道两侧，供隧道降温，每套机组的能力达到(6000～7000) kW。

• 第二节 制冷与低温技术的应用

四、在科学研究及医疗卫生方面的应用

科学研究往往需要人工的低温环境。例如：在军事科学中，为了研究高寒条件下使

用的发动机、汽车、坦克、大炮的性能，需要先在相应的环境条件下作模拟试验；航天仪表、火箭、导弹中的控制仪，也需要在地面作模拟高空环境下的性能试验，低温低压环境实验装置为这类试验提供了条件。

气象科学中，云雾室需要(-45～30) ℃的温度条件。云雾室用于人工气候实验，研究雨滴、冰雹的增长过程、各种催化方法及扰动对云雾的宏观、微观影响，模拟云的物理现象，等等。

• 第二节 制冷与低温技术的应用

在医疗卫生方面，冷冻医疗是可靠、安全、有效、易行和经济的治疗方法，特别是用于治疗恶性肿瘤。用局部冷冻配合手术有很好的治疗效果，如：肿瘤、扁桃腺切除、心脏、皮肤、眼球移值，心脏大血管瓣膜冻存和移植，手术时采用的低温麻醉。细胞组织、疫苗、药品的冷保存，用真空冷冻干燥法制作血干、皮干、等等。可以说，现代医学已离不开制冷技术。

• 第二节 制冷与低温技术的应用

五、在空间技术与低温物理方面的应用

在空间技术方面，火箭推进器所需的液氧和液氢是在低温下制取的。配合人造卫星发射和使用的红外技术也离不开低温环境。红外探测器只有在低温条件下，才能获得优良的探测结果。这就促进了辐射制冷器、固体制冷器、G-M制冷机和维纳米尔制冷机的发展。

用液氮、液氦组成的低温泵可通过冷凝密闭容器内的气体使其达到高真空，在航天

器的地面模拟试验中起重要作用。而以微型制冷机与真空系统组成的低温泵，广泛应用于高真空技术，不但在空间技术中应用，而且在低温物理研究中起重要作用。

• 第二节 制冷与低温技术的应用

在低温物理研究方面，低温技术提供的低温获得和低温保存的方法，为低温物理学的研究创造了条件。低温声学、低温光学、低温电子学等一系列学科得到发展。超导现象的发现和超导技术的发展也与制冷技术的发展分不开，在研究超导体时发现的约瑟夫逊效应，促进了超导技术在弱磁方面的应用。此外，3He液化与4He超流动性中一些物理特性的研究，均在很低的温度下进行。

表1-1中列出了制冷和低温技术的一些应用范围。

• 第三节 制冷与低温技术的发展史

内 容 提 要

一、制冷与低温的起源与发展的历程

二、制冷与低温技术发展及研究的方向

• 第三节 制冷与低温技术的发展史

一、制冷与低温的起源与发展的历程

人们很早就懂得冷的利用。在我国古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑降温。马

可·波罗在他的著作《马可·波罗游记》中，对中国制冷和造冰窖的方法有详细的记述。

1755年爱丁堡的化学教师库仑利用乙醚蒸发使水结冰。他的学生布拉克从本质上解释了融化和气化现象，提出了潜热的概念，并发明了冰量热器，标志着现代制冷技术的开始。

在普冷方面，1834年发明家波尔金斯造出了第一台以乙醚为工质的蒸气压缩式制冷机，并正式申请了英国第6662号专利。这是后来所有蒸气压缩式制冷机的雏型，但使用的工质是乙醚，容易燃烧。

• 第三节 制冷与低温技术的发展史

1875年卡利和林德用氨作制冷剂，从此蒸气压缩式制冷机开始占有统治地位。在此期间，空气绝热膨胀会显著降低空气温度的现象开始用于制冷。1844年，医生高里用封闭循环的空气制冷机为患者建立了一座空调站，空气制冷机使他一举成名。威廉·西门斯在空气制冷机中引入了回热器，提高了制冷机的性能。1859年，卡列发明了氨水吸收式制冷系统，申请了原理专利。1910年左右，马利斯·莱兰克发明了蒸气喷射式制冷系统。

20世纪，制冷技术有了更大发展。全封闭制冷压缩机的研制成功；米里杰发现氟里昂制冷剂并用于蒸气压缩式制冷循环，以及混合制冷剂的应用；伯宁顿发明回热式除湿器循环以及热泵的出现，均推动了制冷技术的发展。

• 第三节 制冷与低温技术的发展史

在低温方面，1877年卡里捷液化了氧气；1895年林德液化了空气，建立了空气分

离设备；1898年杜瓦用液态空气预冷氢气，然后用绝热节流使氢气成为液体，温度降至20.4K；1908年卡末林·昂纳斯用液态空气和液态氢预冷氦气，再用绝热节流将氦液化，获得4.2K的低温。杜瓦于1892年发明的杜瓦瓶，用于贮存低温液体，为低温领域的研究提供了重要条件。

1934年，卡皮查发明了先用膨胀机将氦气降温，再用绝热节流使其液化的氦液化器；1947年柯林斯采用双膨胀机于氦的预冷。大部分的氦液化器现已采用膨胀机，在制冷技术的开发和实际使用中获得广泛的应用。

• 第三节 制冷与低温技术的发展史

德拜和焦克分别在1926年和1927年提出了用顺磁盐绝热退磁的方法获取低温，应用此方法获得的低温现已达到(1×10-3～5×10-3) K；由库提和西蒙等提出的核子绝热去磁的方法可将温度降至更低，库提用此法于1956年获得了20×10-3 K。1951年伦敦提出并于1965年研制出的3He-4He混合液稀释制冷法，可达到4×10-3 K；1950年泡墨朗切克提出的方法，利用压缩液态3He的绝热固化，达到1×10-3 K。

• 第三节 制冷与低温技术的发展史

二、制冷与低温技术发展及研究的方向

近期制冷技术的发展主要缘于世界范围内对食品、舒适和健康方面，以及在空间技术、国防建设和科学实验方面的需要，从而使这门技术在20世纪的后半期得到飞速发展。受微电子、计算机、新型原材料和其它相关工业领域的技术进步的渗透和促进，制冷技术取得了一些突破性的进展，同时也面临一场新的挑战。

(1)微电子和计算机技术的应用

在基础研究方面：计算机仿真制冷循环始于1960年。如今，普冷和低温领域中的各种循环，如：焦－汤节流制冷循环(J－T循环)、斯特林制冷循环、维勒米尔循环(VM循环)、吉福特－麦克马洪循环(G－M循环)、索尔文循环

• 第三节 制冷与低温技术的发展史

(SV循环)、逆向布雷顿循环、脉管式循环、吸收式制冷循环、热电制冷循环；利用声制冷、光制冷、化学方法制冷的各种循环；以及各种新型的混合型循环，如：热声斯特林发动机驱动小型脉管制冷机的循环均广泛应用计算机仿真技术于循环研究。研究制冷系统的热物理过程、系统及部件的稳态和瞬态特性以及单一工质和混合工质的性质等等，也离不开微电子和计算机技术的应用。

在制冷产品的设计制造方面：计算机现已广泛用于产品的辅助设计和制造(CAD，CAM)。例如结构零件设计的有限元法和有限差分法以及用计算机控制精密机械加工。

计算机和微处理器对制冷技术的最大影响在于高级自动控制系统的开发。这是一项综合性技术，涉及到先进的

• 第三节 制冷与低温技术的发展史

控制方法、可靠的集成块芯片及专门的控制模块、精良的传感器。当前制冷系统采用电脑控制已极为普遍，控制模式正在发生变化，由简单的机械式控制发展到综合控制，为提高产品性能作出贡献。

(2)新材料在制冷产品上的使用

陶瓷及陶瓷复合物(如熔融石英、稳定氧化锆、硼化钛、氧化硅等)具有一系列优良性质：比钢轻、强度和韧性好、耐磨、导热系数小、表面光洁度高。将陶瓷用烧结法渗入溶胶体制成零件或用作零件的表面涂釉，可改善零件的性能。

聚合材料(工程塑料、合成橡胶和复合材料等)用于制冷产品中作为电绝缘材料、减振件和软管材料；利用聚合

• 第三节 制冷与低温技术的发展史

材料的热塑性，以新工艺通过热定型的方法制造压缩机中的复杂零件(转子、阀片等)。这些新材料的应用，带来产品性能、寿命的提高和成本的降低。

(3)机器、设备的开发研究

为满足各种用冷的需要，新产品不断推出，商品化程度不断提高。

压缩机以高效、可靠、低振动、低噪声、结构简单、成本低为追求目标，由往复式向回转式发展。如新型螺杆式压缩机、涡旋式压缩机、摆线式压缩机等，都具有优良特性和竞争力。

在压缩机的驱动装置上，将变频器用于空调、热泵及集中式制冷系统的变速驱动，带来了节能效果。

• 第三节 制冷与低温技术的发展史

在低温机器和设备方面，前述各种低温循环虽早已提出，但近年来生产开发的产品在温度，制冷量、启动速度、可靠性、能耗、体积等方面均有长足的进步。现在，氦液化器多数为膨胀型，中型的为双膨胀机组成的柯林斯机器，大型的采用透平膨胀机。辐射制冷、固态制冷已经实际应用。利用3He-4He混合稀释制冷原理的低温制冷机已经商品化，可作为磁制冷机的预冷设备。各种气体分离设备，热交换器，低温恒温器也在高效、紧凑、可靠等方面取得很大的进展。

(4)工质的开发研究

继氟里昂和共沸混合工质之后，由于1970年石油危机，节能意识提到重要地位，在开发新工质上引人注目地

• 第三节 制冷与低温技术的发展史

研究出一系列非共沸工质，收到了节能的效果和满足一些特定需要。

由于臭氧耗损和温室效应引起了严峻的环境保护问题，导致了80年代末开始全球禁止CFCs物质，进而波及到HCFC类物质，这既是一次历史性的冲击，同时又提供了新的发展机遇。近年来在替代工质开发及其热物理性质研究方面取得的成就即是证明。

当工质处于很低温度时，必须考虑其量子效应，此时循环的性能系数和制冷量不同于经典表达式，而需要通过对量子热力循环的研究得出。