Ⅰ 工業上是如何製造低溫環境的
使用集中製冷機組，然後用管道將冷卻後的空氣送到需要製造低溫環境的區域。也可以將地下水抽出來，通過換熱器將空氣冷卻後，由管道送到需要冷卻的區域
Ⅱ 請問現時的冷卻方法總的來說有幾種原理、優點等又分別是什麼
----------《製冷方法》---------------
本篇提示：
要求掌握："製冷"的定義；蒸氣壓縮式製冷、蒸氣吸收式製冷、蒸氣噴射式、吸附式製冷、熱電製冷、氣體膨脹製冷、絕熱放氣製冷和氣體渦流製冷等製冷方法的熱力學原理，系統組成，製冷循環及製冷機特性的理論分析和計算。
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製冷技術是為適應人們對低溫條件的需要而產生和發展起來的。 製冷作為一門科學是指用人工的方法在一定時間和一定空間內將某物體或流體冷卻,使其溫度降到環境溫度以下，並保持這個低溫。 這里所說的"冷"是相對於環境而言的。灼熱的鐵放在空氣中，通過輻射和對流向環境傳熱，逐漸冷卻到環境溫度。它是自發的傳熱降溫，屬於自然冷卻，不是製冷。製冷就是從物體或流體中取出熱量，並將熱量排放到環境介質中去，以產生低於環境溫度的過程。 機械製冷中所需機器和設備的總合稱為製冷機。製冷機中使用的工作介質稱為製冷劑。製冷劑在製冷機中循環流動，同時與外界發生能量交換，即不斷地從被冷卻對象中吸取熱量，向環境排放熱量。製冷劑一系列狀態變化過程的綜合為製冷循環。為了實現製冷循環，必須消耗能量。所消耗能量的形式可以是機械能、電能、熱能、太陽能或其它可能的形式. 製冷技術的研究內容可以概括為以下三方面：
①研究獲得低溫的方法和有關的機理以及與此相應的製冷循環，並對製冷循環進行熱力學的分析和計算。
②研究製冷劑的性質，從而為製冷機提供性能滿意的工作介質。機械製冷要通過製冷劑熱力狀態的變化才能實現。所以，製冷劑的熱物理性質是進行循環分析和計算的基礎數據。此外，為了使製冷劑能實際應用，還必須掌握它們的一般物理化學性質。
③研究實現製冷循環所必須的各種機械和技術設備，包括它們的工作原理、性能分析、結構設計，以及製冷裝置的流程組織、系統配套設計。此外，還有熱絕緣問題，製冷裝置的自動化問題，等等。
1.1 物質相變製冷
本章提示：
重點掌握：蒸氣壓縮式製冷和蒸氣吸收式製冷的熱力學原理，系統組成，製冷循環及製冷機特性的理論分析和計算。
一般掌握：蒸氣噴射式、吸附式製冷的製冷方法。
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物質有三種集態氣態、液態、固態。物質集態的改變稱之為相變。相變過程中，由於物質分子的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。物質發生從質密態到質稀態的相變是將吸收潛熱；反之，當它發生有質稀態向質密態的相變時，則放出潛熱。
物質相變製冷是利用液體在低溫下的蒸發過程及固體在低溫下的熔化或升華過程向被冷卻物體吸收熱量---即製冷量。因此，相變製冷分為液體氣化製冷與固體熔化與升華製冷，由於液體自身具有流動性，液體氣化製冷是廣泛應用的。液體汽化成蒸氣的過程吸收熱量，從而達到製冷的目的，為了使其連續不斷地工作，成為一個循環，便必須使製冷劑在低壓下蒸發汽化、蒸氣升壓、高壓氣體液化和高壓液體降壓。
蒸氣壓縮式製冷、吸收式製冷、蒸氣噴射式和吸附式製冷都具備上述四個基本過程，屬於液體汽化製冷。
1.1.1製冷的基本熱力學原理
從熱力學角度說，製冷系統是利用逆向循環的能量轉換系統。按補償能量的形式（或驅動方式），前面所提及的製冷方法歸為兩大類：以機械能或電能為補償的和以熱能為補償的。前者如蒸氣壓縮式、熱電式製冷機等；後者如吸收、蒸氣噴射、吸附式製冷機等。兩類製冷機的能量轉換關系如圖1所示。
圖1 製冷機的能量轉換關系
(a) 以電能或機械能驅動的製冷機 (b) 以熱能驅動的製冷機
熱力學關心的是能量轉換的經濟性，即花費一定的補償能，可以收到多少製冷效果（製冷量）。為此，對於機械或電驅動方式的製冷機引入製冷系數來衡量；對於熱能驅動方式的製冷機，引入熱力系數
來衡量。 (1) (2)
式中 ----- 製冷機的製冷量；
―― ------ 冷機的輸入功；
―― ----- 驅動熱源向製冷機輸入的熱量。
國外習慣上將製冷系數和熱力系數統稱為製冷機的性能系數COP(Coefficience of Performance)。我們要研究一定條件下COP的最高值。
對於電能或機械能驅動的製冷機，參見圖1(a)。製冷機消耗功w實現從低溫熱源（被冷卻對象，溫度 ）吸熱，向高溫熱源（通常為環境，溫度
）排熱。假定兩熱源均為恆溫熱源，向高溫熱源的排熱量為 ，由低溫熱源的吸熱量（即製冷量）為 ，製冷機為可逆循環。
由熱力學第一定律有
(3)
由熱力學第二定律，在兩個恆溫熱源間工作的可逆機，一個循環的熵增等於零，即
(4)
將式(3)代入式(4)得
即 (5)
由定義式(1)，則可逆製冷的製冷系數為
(6)
式(6)說明：①兩恆溫熱源間工作的可逆製冷機，其製冷系數只與熱源溫度有關，而與製冷機使用的製冷劑性質無關。② 的值與兩熱源溫度的接低程度有關， 與
越接近（ / 越小），則 越大；反之 越小。實際製冷機製冷系數 隨熱源溫度的變化趨勢與可逆機是一致的。
對於以熱能驅動的製冷機，參見圖 。製冷機從驅動熱源（溫度為 ）吸收熱量
作為補償，完成從低溫熱原吸熱，向高溫熱源排熱的能量轉換。我們假定驅動熱源也是恆溫熱源，其它假定同前。那麼類似地推導熱能驅動的可逆製冷機的性能系數
由熱力學第一定律有：
(7)
由熱力學第二定律，循環中
即
(8)
利用式(7)， (8)和定義式(2)得出，熱能驅動的可逆製冷機的熱力系數 (9)
上式右邊的第一個因子就是上面導出的在 ， 溫度之間工作的可逆機械製冷機的製冷系數 ；而第二個因子 則是在 ，
溫度之間工作的可逆熱發動機的熱效率。故它相當於用一個可逆熱機，將驅動熱源的熱量 轉換成機械功 ， = 再由 去驅動一個可逆機械製冷機。見圖2。這說明 與
在數量上不具備可比性，因為補償能 與 的品位不同。
圖2 熱能驅動的製冷機等價關系圖
式(9)同樣說明，熱能驅動的可逆製冷機的性能系數（或熱力系數）也只與熱源的溫度 ， 和 有關，而與工質的性質無關。 越高（驅動熱源的品位越高）、 與
越接近，則 越大；反之， 越小。
式(6)和式(9)給出一定熱源條件下製冷機性能系數的最高值 ，
。故它們是價實際製冷機性能系數的基準值。實際製冷機循環中的不可逆損失總是存在的，其性能系數COP恆小於相同熱源條件下可逆機的性能系數COPc。用製冷循環效率
評價實際製冷循環的熱力學完善程度（與可逆循環的接近程度）， 又叫製冷循環的熱力完善。定義
(10)或 （機械能或電能驅動的製冷機） (11a) （熱能驅動的製冷機）
(11b)恆有 (12)
越大，說明循環越好，熱力學的不可逆損失越小；反之， 越小，則說明循環中熱力學不可逆損失越大。
性能系數COP和熱力完善度
都是反映製冷循環經濟性的指標。但二者的含義不同，COP反映製冷循環中收益能與補償能在數量上的比值。不涉及二者的能量品位。COP的數值可能大於1、小於1或等於1。COP的大小，對於實際製冷機來說，與工作溫度、製冷劑性質和製冷機各組成部件的效率有關；對於理想（可逆）製冷機來說，只與熱源溫度有關。所以用COP值的大小來比較兩台實際製冷機的循環經濟性時，必須是同類製冷機，並以相同熱源條件為前提才具有可比性。而
則反映製冷機循環臻於熱力學完善（可逆循環）的程度。用
作評價指標，使任意兩台製冷機在循環的熱力學經濟性方面具有可比性，無論它們是否同類機，也無論它們的熱源條件相同或是不同。
1.1.2 物質相變製冷概述
冰相變冷卻
冰相變冷卻是最早使用的降溫方法，現在仍在廣泛應用於日常生活、農業、科學研究等各種領域。冰融化和冰升華均可用於冷卻。實際主要是利用冰融化的潛熱。
常壓下冰在0攝氏度融化,冰的汽化潛熱為335kj/kg。能夠滿足0攝氏度以上的製冷要求。
冰冷卻時，常藉助空氣或水作中間介質以吸收貝冷卻對象的潛熱。此時，換熱過程發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溶解溫度高5-10攝氏度。厚度10厘米左右的冰塊，其比表面積在25-30平方米/立方米之間。為了增大比表面積，可以將冰粉碎成碎冰。水到冰的表面傳熱系數為116W/（平方米*K）。空氣到冰表面的表面傳熱系數與二者之間的溫度差以及空氣的運動情況有關。
冰鹽相變冷卻
冰鹽是指冰和鹽類的混合物。用冰鹽製作製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兩種作用。起初，冰吸熱在0攝氏度下融化，融化水在冰表面形成一層水膜；接著，鹽溶解於水，變成鹽水膜，由於溶解要吸收溶解熱，造成鹽水膜的溫度降低；繼而，在較低的溫度下冰進一步溶化，並通過其表層的鹽水膜與被冷卻對象發生熱交換。這樣的過程一直進行到冰的全部融化，與鹽形成均勻的鹽水溶液。冰鹽冷卻能到達的低溫程度與鹽的種類和混合物中鹽與水的比例有關。
工業上應用最廣的冰鹽是冰塊與工業食鹽NaCl的混合物。
乾冰相變冷卻
固態CO2俗稱乾冰。
CO2的三相點參數為：溫度-56攝氏度，壓力0.52MPa。乾冰在三相點以上吸熱時融化為液態二氧化碳；在三相點和三相點一下吸熱時，則直接升華為二氧化碳蒸氣。
乾冰是良好的製冷劑，它化學性質穩定，對人體無害。早在19世紀，乾冰冷卻就用於食品工業、冷藏運輸、醫療、人工降雨、機械零件冷處理和冷配合等方面。
其他固體升華冷卻
近代科學研究中心為了冷卻紅外探測器、射線探測器、機載紅外設備等的需要。採用了固態製冷劑升華的製冷系統。其製冷溫度取決於固體的種類、系統中的壓力和被冷卻對象的熱負荷。通過改變升華氣體的流量來調節系統中的被壓和溫度，就可以保持一個特定的溫度。這種製冷系統的工作壽命由固體製冷劑的用量和被冷卻對象的熱負荷決定，有達1年之久的。固體升華製冷的主要優點是升華潛熱大，製冷溫度低，固體製冷劑的貯存密度大。
液體蒸發製冷
液體氣化形成蒸汽，利用該過程的吸熱效應製冷的方法稱液體蒸發製冷。
當液體處在密閉的容器內時，若容器內除了液體和液體本身的蒸汽外不含任何其它氣體，那麼液體和蒸氣在某一壓力下將達到平衡。這種狀態稱飽和狀態。如果將一部分飽和蒸汽從容器中抽出，液體就必然要再氣化出一部分蒸汽來維持平衡。我們以該液體為製冷劑，製冷劑液體氣化時要吸收氣化潛熱，該熱量來自被冷卻對象，只要液體的蒸發溫度比環境溫度低，便可使被冷卻對象變冷或者使它維持在環境溫度下的某一低溫。
為了使上述過程得以連續進行，必須不斷地從容器中抽走製冷劑蒸汽，再不斷地將其液體補充進去。通過一定的方法將蒸汽抽出，再令其凝結為液體後返回到容器中，就能滿足這一要求。為使製冷劑蒸氣的冷凝過程可以在常溫下實現，需要將製冷劑蒸氣的壓力提高到常溫下的飽和壓力，這樣，製冷劑將在低溫低壓下蒸發，產生製冷效應；又在常溫和高壓下凝結向環境溫度的介質排放熱量。凝結後的製冷劑液體由於壓力較高，返回容器之前需要先降低壓力。由此可見，液體蒸發製冷循環必須具備以下四個基本過程：製冷劑液體在低壓下氣化產生低壓蒸汽，將低壓蒸汽抽出並提高壓力變成高壓氣。將高壓氣冷凝為高壓液體，高壓液體再降低壓力回到初始的低壓狀態。其中將低壓蒸汽提高壓力需要能量補償。
1.1.3蒸汽壓縮式製冷系統
要求掌握：專業術語（如製冷量、單位質量製冷量、單位體積製冷量等）；單級蒸氣壓縮式製冷循環的特點及工作過程，壓焓圖，理論製冷循環的定義和熱力計算，影響實際製冷循環的因素，蒸發溫度和冷凝溫度的變化對單級蒸氣壓縮式製冷機性能的影響，製冷劑和載冷劑的定義、性質和使用的溫度范圍；雙級壓縮製冷循環中最常見的兩種循環方式的流程和熱力計算，中間壓力的確定；復疊式製冷循環的流程和熱力計算。
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蒸汽壓縮式製冷系統由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器組成，用管道將它們連接成一個密封系統。製冷劑液體在蒸發器內以低溫與被冷卻對象發生熱交換，吸收被冷卻對象的熱量並氣化，產生的低壓蒸汽被壓縮機吸入，經壓縮後以高壓排出。壓縮機排出的高壓氣態製冷劑進冷凝器，被常溫的冷卻水或空氣冷卻，凝結成高壓液體。高壓液體流經膨脹閥時節流，變成低壓低溫的氣液兩相混合物，進入蒸發器，其中的液態製冷劑在蒸發器中蒸發製冷，產生的低壓蒸汽再次被壓縮機吸入。如此周而復始，不斷循環。
蒸氣壓縮式製冷機是得到最廣泛應用的製冷機，因此它是本書的重點內容之一。
可逆製冷循環
逆卡諾製冷循環
定義：設有恆溫熱源和恆溫熱匯，其溫度分別為TL 和TH ，在這兩個溫度 之間的可逆製冷循環是卡諾製冷循環。卡諾製冷循環的原理圖如下所示：
圖1 逆卡諾循環
勞倫茨循環
勞侖茲循環熱源的熱容量是有限的，在與製冷工質進行熱量交換過程中，熱源的溫度也將發生變化，即被冷卻物體（冷源）的溫度將逐漸下降，環境介質（熱源）
的溫度將逐漸上升。為了達到變溫條件下耗功最小的目的，應使製冷工質在吸、
排熱過程中其溫度也發生變化，而且變化趨勢與冷、熱源的變化趨勢完全一樣，使製冷工質與冷、熱源之間進行熱交換過程中的傳熱溫差始終為無限小，沒有不可逆換熱損失，
另外兩個過程仍分別為可逆絕熱壓縮與可逆絕熱膨脹過程，如圖2所示。這樣，
1-2-3-4-1即為一個變溫條件下的可逆逆向循環--勞侖茲循環。顯然，實現這一循環所消耗 的功為最小，製冷系數達到在給定條件下的最大值。
圖2 勞侖茲循環
為了表達變溫條件下可逆循環的製冷系數，可採用平均當量溫度這一概念。若用T0m表示工質的 平均吸熱溫度，用Tm表示工質的平均放熱溫度，則
(1)
(2)
與的大小分別可用面積41562和23652表示，平均吸熱溫度 T0m與平均放熱溫度
Tm就是以熵差為底、面積分別等於41564和23652的矩形的高度。變溫情況下可逆循環的製冷系數可表示為
(3)
即相當於工作在T0m，Tm 之間的逆卡諾循環的製冷系數。
勞倫茨循環如右圖所示，循環由兩個變溫過程和兩個等熵過程組成。
單級蒸氣壓縮混合工質製冷循環
製冷機在實際工作過程中，冷卻介質和被冷卻物體的溫度將發生變化，冷凝器和蒸發器中也不可避免地存在因溫差傳熱而引起的不可逆損失。為了減少這種不可逆損失，製冷工質和傳熱介質之間應
保持盡可能小的傳熱溫差。
非共沸混合製冷劑在等壓下冷凝或蒸發時溫度均發生變化，冷凝時溫度由Tk 逐漸降低至Tk'， 蒸發時溫度由T0逐漸升高至T0'
，我們利用這一特性，採用非共沸混合工質就可以達到減少傳熱溫差的目的，如圖3所示。極限情況下循環即變為勞侖茲循環。
圖3 變溫熱源時逆卡諾循環
非共沸混合製冷劑單級蒸氣壓縮製冷循環的T-S圖及p-h 圖如圖4所示。它與純製冷劑循環的區別僅在於製冷劑在冷凝和蒸發晨溫度在不為斷地變化。
(a)T-S圖 (b)p-h圖圖4 非共沸混合製冷劑單級蒸汽壓縮製冷循環的T-S圖及p-h圖
採用非共沸混合工質不僅可以達到節能，而且可以擴大溫度使用范圍。
物質相變製冷--1.1.3.2 單級蒸氣壓縮製冷
1.1.3.2 單級蒸氣壓縮製冷
單級蒸氣壓縮式製冷系統由壓縮機，冷凝器，膨脹閥和蒸發器組成。其工作過程如下:製冷劑在壓力溫度下沸騰，低於被冷卻物體或流體的溫度。壓縮機不斷地抽吸蒸發器中產生的蒸氣，並將它壓縮到冷凝壓力，然後送往冷凝器，在壓力下等壓冷卻和冷凝成液體，製冷劑冷卻和冷凝時放出的熱量傳給冷卻介質(通常是水或空氣)，與冷凝壓力相對應的冷凝溫度一定要高於冷卻介質的溫度，冷凝後的液體通過膨脹閥或其他節流元件進入蒸發器。