制冷與低溫技術原理 2 物質相變制冷

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1、返回目錄2物質相變制冷2.1相變制冷概述物質有三種集態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。物質集態(tài)的改變稱為相變。相變過程中，由于物質分子重新排列和分子熱運動速度的改變，會吸收或放出熱量，這種熱量稱作潛熱。物質發(fā)生從質密態(tài)到質稀態(tài)的相變時，將吸收潛熱；反之，當它發(fā)生由質稀態(tài)向質密態(tài)的相變時，放出潛熱。相變制冷就是利用前者的吸熱效應而實現(xiàn)的。利用液體相變的，是液體蒸發(fā)制冷；利用固體相變的，是固體融化或升華冷卻。液體蒸發(fā)制冷以流體作制冷劑，通過一定的機器設備構成制冷循環(huán)，可以對被冷卻對象實現(xiàn)連續(xù)制冷。它是制冷技術中使用的主要方法。固體相變冷卻則是以一定數(shù)量的固體物質作制冷劑

2、，作用于被冷卻對象，實現(xiàn)冷卻降溫。一旦固體全部相變，冷卻過程即告終止。1.固體相變冷卻常用的制冷劑是冰、冰鹽、干冰，此外還有一些其它固體物質。(1)冰冷卻冰冷卻是最早使用的降溫方法，現(xiàn)在仍廣泛應用于日常生活、工農業(yè)、科學研究等各種領域。冰融化和冰升華均可用于冷卻，實際主要是利用冰融化冷卻。常壓下冰在在0℃融化，冰的融化潛熱為335kJ/kg。能夠滿足0℃以上的制冷要求。冰冷卻時，常借助空氣或水作中間介質以吸收被冷卻對象的熱量。此時，換熱過程發(fā)生在水或空氣與冰表面之間。被冷卻物體所能達到的溫度一般比冰的融化溫度高(5~10)℃。23厚度10cm左右的冰塊，

3、其比表面積在(25~30)m/m之間。為了增大比表面積，可以將冰2粉碎成碎冰。水到冰表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為116W/（mK）。空氣到冰表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與二者之間的溫度差以及空氣的運動情況有關。其值見表2-1。冰的其它物理特性如下。水凍結成冰時出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，其體積約增大9％。冰的膨脹系數(shù)與溫度有關，見表2-2。3冰的平均密度為900kg/m。冰的比熱容與溫度有關，用下式表達：{c}()=2.165?0.0264{T}kJ/(kg.k)(2-1)kJ/kg?kK在溫度(-20~0)℃范圍內，其平均比熱容為2.093kJ/(kg.K)。冰的導熱系數(shù)也隨溫度改變

4、。在－20℃以下，冰的導熱系數(shù)的平均值為2.32W/(mK)。冰在0℃時的導溫系數(shù)為α=0.00419W/h。2表2-1空氣到冰表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/（mK）溫差/K51015空氣自然循環(huán)4.17.09.3空氣強制循環(huán)11.617.423.2表2-2冰的膨脹系數(shù)溫度/℃0－5－10－15－20－4膨脹系數(shù)/×102.762.131.711.281.43（2）冰鹽冷卻冰鹽是指冰與鹽類的混合物。用冰鹽作制冷劑可以獲得更低的溫度。冰鹽冷卻是利用冰鹽融化過程的吸熱。冰鹽融化過程的吸熱包括冰融化吸熱和鹽溶解吸熱這樣兩種作用。起初，冰在0℃下吸熱融化，融化水在冰表面

5、形成一層水膜；接著，鹽溶于水，變成鹽水膜，由于溶解要吸收溶解熱，造成鹽水膜的溫度降低；繼而，在較低的溫度下冰進一步融化，并通過其表層的鹽水膜與被冷卻對象發(fā)生熱交換。這樣的過程一直進行到冰全部融化，與鹽形成均勻的鹽水溶液。冰鹽冷卻能達到的低溫程度與鹽的種類和混合物中鹽與冰的質量比有關。工業(yè)上應用最廣的冰鹽是塊冰與工業(yè)食鹽NaCl的混合物。表2-3給出NaCl冰鹽的融化溫度和單位制冷能力。表2-3NaCl冰鹽的融化溫度和單位制冷能力NaCl與冰的質量比x/％51015202530融化溫度tm/℃-3.1-6.2-9.9-13.7-17.8-21.2單位制冷能

6、力q0/kJ/kg314.3284.9259.8238.8213.7192.7工業(yè)上還常用如下經(jīng)驗公式計算NaCl冰鹽的制冷特性融化溫度tm=－0.7x(2-2)單位制冷能力q0=335+4.187tm(2-3)密度ρ=500+0.5x(2-4)NaCl冰鹽與空氣之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)值：當溫差為(5~15)℃時，若空氣自然對流，2表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為(5.8~8.1)W/(mK)；若空氣強制對流，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)將增大1~2倍。其它種類的冰鹽特性見表2-4。冰（雪）與某些酸類的混合物也有與冰鹽類似的冷卻作用和機理，其特性在表2-4中一并列出。表2-4冰鹽（酸）混合物

7、特性混合物中的鹽(酸)鹽（酸）與冰的質量比/％混合后的最低溫度/℃CaCl2·6H2O41-9.0NaS2O2·5H2O30-11.067.5-11.030-11.025-15.8NH4Cl60-17.3NH4NO359-18.5NaNO362-19.0(NH4)NO333-21.2NaCl82-21.5NaCl·6H2O125-40.3143-55.08-1613-20H2SO4(濃度60%)25-2540-3072-35100-37（3）干冰冷卻固態(tài)CO2俗稱干冰。CO2的三相點參數(shù)為：溫度－56.6℃，壓力0.52MPa。圖2-1是CO2的相平衡圖

8、。圖中示出它的相區(qū)和相變特征。干冰在三相點以上吸熱時融化，成為液態(tài)二氧化碳；在三