上海交通大学：《低温原理及应用》课程教学资源（课件讲稿）第09讲 低温制冷机

上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 低温原理及应用 第9讲低温制冷机 2018年春季 黄永华博士、救授 A具 答疑： 邮箱huangyh@sjtu.edu.cn;电话：34206295 或预约办公室：机动A楼432室

低温原理及应用 第9讲 低温制冷机 2018年春季 黄永华 博士、教授 答疑: 邮箱 huangyh@sjtu.edu.cn ; 电话: 34206295 或预约 办公室：机动A楼432室

。与液化系统相似的制冷系统； 。气体回热型制冷机一斯特林制冷机、吉 福特-麦克马洪制冷机、脉冲管制冷机等： 。空间用低温吸附式制冷机； 。2K以下温度的方法，如磁制冷机和稀释 制冷机

 与液化系统相似的制冷系统；  气体回热型制冷机斯特林制冷机、吉 福特-麦克马洪制冷机、脉冲管制冷机等；  空间用低温吸附式制冷机；  2K以下温度的方法，如磁制冷机和稀释 制冷机

1.焦耳-汤姆逊类制冷系统 ■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。 1.1.林德-汉普森制冷机 换热器 3 膨胀阀 为 一三苦蒸发器 液体 图3-68林德-汉普森制冷机

1.焦耳-汤姆逊类制冷系统 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 1.1. 林德-汉普森制冷机

图3-69 林德-汉普森制冷的热力循环图 等温过程 等压过程 2 等焓过程

图3-69 林德-汉普森制冷的热力循环图

焦耳-汤姆逊制冷系统 不使用膨胀机的液化系统都可被归入焦耳-汤姆逊制冷机，低温液化系统蒸发制冷 考虑效率的实际系统 换热器热端离开的气体的实际焓值 制冷量 Q。=mh,-h2) (3.78) 换热器效率 h-hg (3.79) h-hg 理想条件下热交换器出口的工质焓 Q./m=(h-h2)-(1-(h,-he) (3.80) 不能使用氖、氢或氦为工质，除非预冷 热交换器效率低于某一值，制冷机将无法工作 Qa=0 h-hg

焦耳-汤姆逊制冷系统 不使用膨胀机的液化系统都可被归入焦耳-汤姆逊制冷机，低温液化系统蒸发制冷 考虑效率的实际系统 制冷量 Qa  m(h  h ) ' 1 2 换热器热端离开的气体的实际焓值 换热器效率     h h h h g g 1 1 ' Qa m h h h hg /  (  )  (  )(  ) 1 2 1 1  理想条件下热交换器出口的工质焓 不能使用氖、氢或氦为工质，除非预冷 热交换器效率低于某一值，制冷机将无法工作 Qa=0 h hg h h     1 1 2  min 1 (3.78) (3.79) (3.80)

系统所需功 -WT3(s1-S2)-(h-h2) (3.81) m 11c,0 压缩机总效率 林德-汉普森制冷机的cOoP COP=-2 nco[(h-h2)-(1-8)(h-hg)] W T(s1-S2)-(h-h2) (3.82) 等温源型的制冷机 液氮制冷剂可维持在65K和115K之间 温度范围下限受工质三相点和临界点的限制

系统所需功   W    m T s s h h c o 2 1 2 1 2 ( ) ( )  , 压缩机总效率 林德-汉普森制冷机的COP ( ) ( ) [( ) (1 )( )] 2 1 2 1 2 , 1 2 1 T s s h h h h h h W Q COP a c o g             等温源型的制冷机 液氮制冷剂可维持在65K和115K之间 温度范围下限受工质三相点和临界点的限制。 (3.81) (3.82)

1.2.带预冷林德-汉普森制冷机 压缩机 >预冷的重要作用：对于比 预冷浴 液氮所能得的温度更低的 液体 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 海发器 液体 冷。 图3-70 预冷型林德-汉普森制冷机

图3-70 预冷型林德-汉普森制冷机。 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。 1.2.带预冷林德-汉普森制冷机

图3-71预冷型林德-汉普森制冷机的热力循环图。 等温过程 2 等压过程 等焙过程 6

图3-71 预冷型林德-汉普森制冷机的热力循环图

>运用热力学第一定律，可得到：预冷制冷剂的质量流量 。=mh'-h)+mha'-h) (3.83) 主制冷剂的质量流量 >定义预冷制冷剂质量流量比为：2=mp/m 主换热器的换热效率 预冷换热器的换热效率 h-hg ha'-h。 p (3.85,3.86) h-hs hn-h。 Q。/m=(h-h)-(1-h-h。)+z[(h。-h,)-(1-8nh。-h1 >由低温换热器和蒸发器得： (3.87) 2a/m=h-hs (3.88) n-hg >引入低温换热器的效率：8。= (3.89) h-hg >制冷量可表示为： Qa/m=(h,-h4)-(1-Ech,-hg)(3.9o)

运用热力学第一定律，可得到 : Qa  m h h  mp ha hb ( ' ) ( ' ) 1 2 定义预冷制冷剂质量流量比为: z  mp / m     h h h h g g 1 1 '  p a e a e h h h h    ' Q m h h h h z h h h h a g a b p a e /  (  )  (  )(  )  [(  )  (  )(  )] 1 2 1 1  1  由低温换热器和蒸发器得: 7 4 Qa / m  h  h 制冷量可表示为: Qa m h h c h hg /  (  )  (  )(  ) 7 4 1 7  引入低温换热器的效率:  c g g h h h h    7 7 ' (3.83) (3.85,3.86) (3.87) (3.88) (3.89) (3.90) 主制冷剂的质量流量 预冷制冷剂的质量流量 主换热器的换热效率 预冷换热器的换热效率

1.3.多级复迭制冷机 压缩机 ■更低的温度 可用三级复迭 换热器 制冷机得到， 以氮（或氩)， 预冷浴 液氮 氢（或氖）和 氦为工质。 换热器 库南 预冷浴 液氢 图3-72三级J-T 蒸发器 液氦制冷机。 液氯

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。 1.3.多级复迭制冷机