第二节 低温制冷机

1. 第二节 低温制冷机 3.2.1 焦耳-汤姆逊制冷系统 3.2.2 膨胀机制冷系统 3.2.3 斯特林制冷机 3.2.4 维尔米勒制冷机 3.2.5 索尔凡制冷机 3.2.6 吉福特-麦克马洪制冷机 3.2.7 脉冲管制冷机 3.2.8 热声制冷机 3.2.9 吸附式制冷机 3.2.10 磁制冷 3.2.11 稀释制冷机

2. 3.2.1 焦耳-汤姆逊制冷系统 焦耳-汤姆逊(Joule-Thomson, 简写为J-T)制冷机:不使用膨胀机的液化系统，依赖于焦耳-汤姆逊效应来产生低温。 图3-68 林德-汉普森制冷机

4. 运用热力学第一定律: (3.78) (3.79) • 换热器效率定义为: • 制冷量可由工质物性与热交换器效率来表示： (3.80) (3.81) • 系统所需功为: • 林德-汉普森制冷机的COP为: (3.82)

5. 图3-69 林德-汉普森制冷的热力循环图

6. 预冷的重要作用:对于比液氮所能得的温度更低的场合，合适可行的工质只能为氖、氢和氦。由于常温下节流会产生热效应，为了系统能够起动降温，必须将气体温度降低到转化温度以下以保证节流制冷。预冷的重要作用:对于比液氮所能得的温度更低的场合，合适可行的工质只能为氖、氢和氦。由于常温下节流会产生热效应，为了系统能够起动降温，必须将气体温度降低到转化温度以下以保证节流制冷。 图3-70 预冷型林德-汉普森制冷机。

8. 图3-71 预冷型林德-汉普森制冷机的热力循环图。

9. 运用热力学第一定律，可得到 : (3.83) • 定义预冷制冷剂质量流量比为: (3.85,3.86) (3.87) • 由低温换热器和蒸发器得: (3.88) (3.89) • 引入低温换热器的效率: • 制冷量可表示为: (3.90)

10. 更低的温度可用三级复迭制冷机得到，以氮（或氩），氢（或氖）和氦为工质。更低的温度可用三级复迭制冷机得到，以氮（或氩），氢（或氖）和氦为工质。 图3-72 三级J-T 液氦制冷机。

12. 3.2.2 膨胀机制冷系统 • 克劳德液化系统或考林斯液化系统作制冷系统。 • 对三个换热器，膨胀阀和蒸发器应用热力学第一定律，忽略环境漏热和动能，势能变化，可得制冷剂的吸热量: (3.91) • 制冷量的表达式可由膨胀机绝热效率表示: (3.92) • 若假设膨胀功用来压缩气体，则所需净功为: (3.93)

13. 图3-73克劳特制冷机

14. 图3-74 克劳特制冷机的热力循环

15. 对基本型克劳德系统的两大改进是: 采用带液膨胀机（即湿膨胀机）在两相区工作而 代替膨胀阀 采用低温压缩机

16. 图3-76 图3-75所示系统的热力循环

17. 3.2.3 斯特林制冷机 • 斯特林制冷机:由带活塞的汽缸，位移器和回热器组成。 • 在回热器中实现的是等容过程的热交换。 图3-77 斯特林制冷机

19. 图3-78 理想斯特林制冷机的热力循环

20. 由热力学第一定律，对循环来说Wnet=Qr+Qa,因而理想的斯特林制冷机的性能系数为:由热力学第一定律，对循环来说Wnet=Qr+Qa,因而理想的斯特林制冷机的性能系数为: (3.94) • 工质为理想气体: • 理想斯特林制冷机的性能系数为: (3.95) • 斯特林制冷机的成功，绝大部分是依靠系统中所使用的回热器的效能。若回热器效率低于100％，这就意味着，气体制冷机在冷源的制冷量将有一部分消耗在将制冷机气体冷却到冷源温度的过程中。

21. 低温源吸收的实际的热量为: • 换热器效率定义为: (3.96) • 假定工质为理想气体，在理想情况下从冷负荷中取走的热量为: (3.97) • 换热器效率的不完善性而致理想制冷量损耗所占的比重: (3.98)

22. 3.2.4 维尔米勒制冷机 图3-80 理想维尔米勒制冷机 的热力循环T-s图 图3-79 维尔米勒制冷机示意图

24. 高温热源加热为: (3.99) • 低温热源吸热为: (3.100) • 中间温度热源的放热量为: (3.101) • 因为系统的净传热量为零: • COP: (3.102)

25. 3.2.5 索尔凡制冷机 • 索尔凡(Solvay) 制冷机:是计划采用膨胀机实现空气液化的第一个系统。 图3-82 索尔凡制冷机中单位质量气体在T-s图上的流程 图3-81 索尔凡制冷机

27. 假设膨胀过程输出的功用于压缩过程，则系统所需净功为:假设膨胀过程输出的功用于压缩过程，则系统所需净功为: (3.103) 压缩机耗功 膨胀过程的输出功 • 从低温源取走的热量为: (3.104)

28. 3.2.6 吉福特-麦克马洪制冷机 • 系统包括压缩机、两端密封的气缸、气缸中的位移器，和回热器。 图3-84 G-M制冷机中单位 质量气体在T-S图上的流程 图3-83 G-M制冷机示意图

30. 系统所需净功为: (3.105) • 从低温源带走的热量为: (3.106) • 因为膨胀过程中膨胀腔的体积保持不变，me/m可表示为密度比: (3.107) 影响G-M制冷机性能的因素 回热器效率 沿着位移器的导热和壳体漏热 气体与回热器往复换热 回热器中存在的一定容积

31. 在Solvay和G-M制冷机中，回热器是关键部件。一台较好的制冷机，其回热器效率需高达98%以上。在Solvay和G-M制冷机中，回热器是关键部件。一台较好的制冷机，其回热器效率需高达98%以上。 图3-85 回热器示意图

32. Solvay和G-M制冷机有共同的优点 • 阀门和位移器活塞密封可在室温下实现，因此不存在低温密封问题。 • 通过使用回热器代替通常的换热器，可得到很高的换热效率，系统可使用稍稍不纯的气体为工质。 • 由于气体在回热器中来回流动，回热器中的杂质可在吸入过程中积存下来，在排气过程中清除出去。 • 相同表面积下，回热器的造价比换热器低。

33. Solvay系统与G-M系统相比有两大优点: • Solvay系统COP总是比G-M系统高，因为工质在对外作功过程中，可带走更多能量； • G-M系统中，需要一个小马达来移动位移器，而在Solvay系统中，由膨胀气体来移动活塞。 G-M系统与Solvay系统相比也有优点: • 位移器两端压差小，所以在G-M系统中经位移器的泄漏很少； • 在G-M系统中位移器和曲柄不用承受很大的力，因此驱动机构可以十分简单，很少有振动的问题。

34. G-M系统的突出优点之一是它可实现多级化。多级系统中的所有阀门都在室温下工作，三个位移器由一个驱动机构操纵。 图3-86 三级G-M制冷机 三个位移器由同一个驱动机构驱动，在此制冷机中可同时制取三种不同的温度。

35. 3.2.7 脉冲管制冷机 • 脉冲管制冷机省去了常规气体制冷机中的冷腔膨胀活塞，采用一根低热导的管子来代替，具有结构简单、运转可靠、冷头振动小、寿命长、成本低等优势。 图3-87 脉冲管制冷机 的演变与发展

36. 本节内容: 1. 基本型脉冲管制冷机 2. 小孔型脉冲管制冷机 3. 双向进气脉冲管制冷机 4. 多路旁通脉冲管制冷机 5. 双活塞脉冲管制冷机 6. 四阀式脉冲管制冷机 7． 多级脉管制冷机

37. 基本型脉冲管制冷机 • 最初的基本型脉冲管制冷机的制冷流程由压缩机、切换阀、回热器、冷端换热器、导流器、脉冲管本体以及脉冲管封闭端的水冷却器所组成。 图3-88 基本型脉冲管制冷机原理图 1—切换阀；2—回热器；3—冷端换热器； 4—脉冲管；5—水冷却器；6—导流器。 • 基本原理是利用高低压气体对脉冲管腔的充放气而获得制冷效果的。

39. 基本型脉冲管制冷机利用充放气获得低温的方法实质上是西蒙膨胀制冷的一种型式。基本型脉冲管制冷机利用充放气获得低温的方法实质上是西蒙膨胀制冷的一种型式。 基本型脉冲管制冷机与西蒙膨胀过程的不同点: • 脉冲管制冷机运行时，脉冲管气体轴向存在一温度梯度，入口端温度低，封闭端温度高；而西蒙膨胀的容器内气体温度均匀； • 充气完毕后，脉冲管取走热量的方式是靠封闭端的水冷换热器；而西蒙膨胀的热量是靠整个容器表面与外部环境的对流换热。 • 基本型脉冲管制冷机除了压缩气源和切换阀是室温运动部件外，在低温处无任何运动部件，因此其结构简单、运行可靠，但是其制冷效率低。

40. 带有切换阀的基本型脉冲管制冷机:由于气体在通过阀门时有节流损失而降低了制冷效率。带有切换阀的基本型脉冲管制冷机:由于气体在通过阀门时有节流损失而降低了制冷效率。 • 可逆基本型脉冲管制冷机:直接利用活塞在气缸内往复运动，使制冷系统内产生压力波动而导致脉冲管内气体的压缩和膨胀过程。 图3-89 可逆基本型脉冲管制冷机原理图 1—活塞 2—水冷却器 3—脉冲管 4—负荷换热器 5—回热器

42. 图3-90 相同压比下带切换阀式脉冲管与可逆基本型脉冲管内部压力波图。 a-基本型脉冲管 b-可逆基本型脉冲管.

43. 可逆基本型脉冲管制冷机的最主要特点是:将上一个循环的能量存储起来，在下一个循环，其所需的能量一部分来自马达，另一部分则由储存的能量提供，这样就能大大减少外部所需的能量而提高热效率。 • 常规气体制冷机的冷腔膨胀活塞与压力之间有一定的运动相位差，冷端可获得制冷的膨胀功。 其中的能量平衡有: (3.108) 脉冲管冷端的焓流表示一周期内脉冲管冷端向热端传输的能量，可称之为脉冲管的毛制冷量。 (3.109) • 脉冲管传递热量的能力（即制冷能力）取决于P和u1在相位上能否接近，以及两者振幅的大小。

44. 图3-91 基本型脉冲管的能量传递及压力与流速的相位关系

45. 2. 小孔型脉冲管制冷机 • 小孔型脉冲管制冷机中由于小孔和气库的加入，制冷机理发生了变化，运转频率也大幅度提高。 (3.110) • 考察脉冲管热端的焓流变化，因为气库的容积大，其压力基本稳定为系统的平均压力，热端的气体流向取决于脉冲管与气库的压差。 • 小孔对P和u的振幅有调节作用，小孔开度增大，压力振幅减小，流速振幅增大。这样小孔型脉冲管中冷端气团可以向斯特林制冷机中的膨胀活塞一般获得一定的相位需求，利用膨胀功制冷。 • 脉冲管由冷端向热端的泵热能力大大增强。

46. 3. 双向进气脉冲管制冷机 无功气体:在小孔型脉管制冷机中，通过回热器的气体中有一部分气体并不产生制冷效应，降低了回热器效率。这部分不作功的气体在脉管中来回震荡，既不通过小孔进入气库，也不从冷端换热器进入回热器。这些气体柱塞随时间膨胀和收缩，但并不产生制冷。 图3-92 双向进气型脉管制冷机. a)无阀压缩机驱动 b) 有阀压缩机驱动

47. 4. 多路旁通脉冲管制冷机 • 多路旁通方案对制冷过程的影响主要在于它在旁通点处形成了一次膨胀制冷过程。 • 在多路旁通处一股焓流由回热器流入脉冲管中，旁通点成为制冷部位。其在低温区性能优越的主要原因是脉冲管旁通部位加一换热器以利于制冷，出现两次膨胀制冷过程。 图3-93 多路旁通脉冲管制冷机中的能量传递

48. 5. 双活塞脉冲管制冷机 • 双活塞脉冲管制冷机能克服小孔调节作用对于P和u的相位匹配并不是完美的缺陷，采用一配气活塞来调节脉冲管中P和u的相位。 • 配气活塞与产生压力波的主活塞之间存在一定相位差，两者的运动规律如下: (3.111) (3.112)

49. 6. 四阀式脉冲管制冷机 • 四阀式脉冲管制冷机理可以由脉冲管中P和u的变化来说明。根据四个阀门的开关变化，脉冲管压力和脉冲管热端阀门两端的压力变化可定性表示，图中压差的正负对应气体的流向。 图3-94 四阀式脉冲管制冷机的当量P—V图 图3-95 四阀式脉冲管中压力 与小孔两端压差的关系

50. 7．多级脉管制冷机 • 为获得更低的制冷温度，可以采用多级脉管制冷方案。脉管制冷机冷端无运动部件，不存在机械运动的耦合，易于进行多级布置。 图3-96 三级脉冲管制冷机结构示意图。1 压缩机， 2 旋转阀， 3 气库， 4 小孔阀， 5 双向进气阀， 6 第一级蓄冷器， 7 第二级蓄冷器， 8第三级蓄冷器， 9 第一级脉冲管， 10 第二级脉冲管， 11第三级脉冲管，12 第一级冷头， 13 第二级冷头， 14 第三级冷头，15 回热管， 16 辐射屏， 17 真空罩。