制冷原理與設(shè)備

1、第一章第一章 制冷的熱力學(xué)基礎(chǔ)制冷的熱力學(xué)基礎(chǔ) ?制冷機、熱泵、聯(lián)合機制冷機、熱泵、聯(lián)合機按逆向循環(huán)工作按逆向循環(huán)工作 ?據(jù)熱力學(xué)第一定律：向高溫?zé)嵩吹姆艧崃康葥?jù)熱力學(xué)第一定律：向高溫?zé)嵩吹姆艧崃康扔趶牡蜏責(zé)嵩吹奈鼰崃颗c所消耗的功之和。于從低溫?zé)嵩吹奈鼰崃颗c所消耗的功之和。公式表示如下：公式表示如下： ?制冷機：制冷機： Q0?w?Qk?熱泵：熱泵： Qa?w?Qh?聯(lián)合機：聯(lián)合機： Q0?w?Qh2020/1/5 1 ?在制冷技術(shù)范圍內(nèi)，常用的人工制冷方法有：在制冷技術(shù)范圍內(nèi)，常用的人工制冷方法有： 相變制冷；氣體絕熱膨脹制冷；氣體渦流制冷；相變制冷；氣體絕熱膨脹制冷；氣體渦流制冷；熱電制冷

2、等。熱電制冷等。 2020/1/5 2 第一節(jié)第一節(jié) 相變制冷相變制冷 一、物質(zhì)的相變特性一、物質(zhì)的相變特性 （一）液體汽化（一）液體汽化 汽化汽化吸收汽化潛熱吸收汽化潛熱 r?h? ?h?T(s? ?s?)kj/kg 實際制冷循環(huán)中，高壓液體節(jié)流壓力降低，實際制冷循環(huán)中，高壓液體節(jié)流壓力降低，產(chǎn)生閃發(fā)氣體，干度為產(chǎn)生閃發(fā)氣體，干度為 x x。此時。此時1Kg1Kg制冷劑汽制冷劑汽化所吸收的熱量為：化所吸收的熱量為： q0?r(1?x)kJ/kg2020/1/5 3 ( (二二) )固體的融化與升華固體的融化與升華 ?融化：固體變?yōu)橐后w的過程。一般用冰融化吸收潛融化：固體變?yōu)橐后w的過程。一般用

3、冰融化吸收潛熱制冷。熱制冷。 升華：固體直接變?yōu)闅怏w的過程。一般用干冰升華升華：固體直接變?yōu)闅怏w的過程。一般用干冰升華吸收潛熱制冷。吸收潛熱制冷。 在水的三相點溫度下，冰可以直接升華為水蒸氣。在水的三相點溫度下，冰可以直接升華為水蒸氣。冰升華時的溫度與相應(yīng)的壓力有關(guān)。見表冰升華時的溫度與相應(yīng)的壓力有關(guān)。見表 1-1。圖圖片片表表11.tif 2020/1/5 4 ? 2020/1/5 5 ?冰鹽混合物的融化過程可以達(dá)到冰鹽混合物的融化過程可以達(dá)到 0以下的溫以下的溫度。度。 冰鹽冷卻所能達(dá)到的溫度與鹽的種類及溶液的冰鹽冷卻所能達(dá)到的溫度與鹽的種類及溶液的濃度有關(guān)。見表濃度有關(guān)。見表1-2。圖片

4、圖片表表12.tif ?溶液冰：由共晶溶液凍結(jié)成的冰，也稱共晶冰。溶液冰：由共晶溶液凍結(jié)成的冰，也稱共晶冰。 2020/1/5 6 ?在共晶固體未完全融化成液體之前，它的溫度在共晶固體未完全融化成液體之前，它的溫度是不變的，稱為共晶溫度。是不變的，稱為共晶溫度。 表表1-3為一些用于制冷目的的共晶溶液的物理為一些用于制冷目的的共晶溶液的物理性質(zhì)。性質(zhì)。圖片圖片表表13.tif ?2020/1/5 7 二二.壓壓焓圖焓圖 在制冷行業(yè)中用處最大，用得最多的是壓在制冷行業(yè)中用處最大，用得最多的是壓 焓圖。焓圖。 通常使用的壓通常使用的壓焓圖均用壓力取對數(shù)作縱坐標(biāo)。焓圖均用壓力取對數(shù)作縱坐標(biāo)。 圖上共

5、有六個狀態(tài)參數(shù)，相應(yīng)有六簇等狀態(tài)參數(shù)圖上共有六個狀態(tài)參數(shù)，相應(yīng)有六簇等狀態(tài)參數(shù)曲線。曲線。 分別為：分別為： 壓力壓力 pbar； 比焓比焓 hkj/kg； 溫度溫度 t； 比熵比熵 skj/kg.K； 比體積比體積 vm3/kg；干度；干度 x 無因次無因次 2020/1/5 8 第二節(jié)第二節(jié) 絕熱膨脹制冷絕熱膨脹制冷 氣體制冷機是利用高壓氣體的絕熱膨脹以達(dá)到低溫，氣體制冷機是利用高壓氣體的絕熱膨脹以達(dá)到低溫，并利用膨脹后的氣體在低壓下的復(fù)熱過程來制冷。并利用膨脹后的氣體在低壓下的復(fù)熱過程來制冷。 氣體膨脹制冷有三種方式：氣體膨脹制冷有三種方式： 1.高壓氣體經(jīng)膨脹機膨脹，有外功輸出，溫度降

6、大。高壓氣體經(jīng)膨脹機膨脹，有外功輸出，溫度降大。膨脹機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般氣體制冷機均采用。膨脹機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般氣體制冷機均采用。 2.氣體經(jīng)節(jié)流閥膨脹，無外功輸出，溫度降小，設(shè)備氣體經(jīng)節(jié)流閥膨脹，無外功輸出，溫度降小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，便于進(jìn)行氣體流量的調(diào)整。結(jié)構(gòu)簡單，便于進(jìn)行氣體流量的調(diào)整。 3.絕熱放氣制冷絕熱放氣制冷在低溫制冷機中大量使用，普冷中在低溫制冷機中大量使用，普冷中極少采用。極少采用。 2020/1/5 9 一一.有外功輸出的膨脹過程有外功輸出的膨脹過程等等熵膨脹熵膨脹 ?溫度隨微小壓力變化而變化的關(guān)系即微分溫度隨微小壓力變化而變化的關(guān)系即微分等熵效應(yīng)：等熵效應(yīng)： ? ?T?T? ?v

7、? s?P?sCp?T?p2020/1/5 10 ?對于理想氣體：對于理想氣體： ? ?v?R?T?pP?T k?1s ,idPk?k?1k?T?T1?T2?T1?p?1?2?p?1?2020/1/5 ?11 ?實際膨脹過程中，按多變過程膨脹。實際膨脹過程中，按多變過程膨脹。 ?理想氣體的積分等熵效應(yīng)由下式確定：理想氣體的積分等熵效應(yīng)由下式確定： ?m?1? T?T1?T2?T1? p?1?2?m? ?p?1?m多變過程的多變指數(shù)。多變過程的多變指數(shù)。 2020/1/5 12 二二.節(jié)流膨脹過程節(jié)流膨脹過程 ?如節(jié)流過程中氣體與環(huán)境之間無熱量交換，則節(jié)流如節(jié)流過程中氣體與環(huán)境之間無熱量交換，則

8、節(jié)流前后焓值保持不變。前后焓值保持不變。 節(jié)流會產(chǎn)生冷效應(yīng)、熱效應(yīng)及零效應(yīng)三種情況，利節(jié)流會產(chǎn)生冷效應(yīng)、熱效應(yīng)及零效應(yīng)三種情況，利用節(jié)流的冷效應(yīng)可以制冷。用節(jié)流的冷效應(yīng)可以制冷。 節(jié)流降溫但不制冷，節(jié)流有摩擦損失。節(jié)流降溫但不制冷，節(jié)流有摩擦損失。 理想氣體：理想氣體：u和和pv僅是溫度的函數(shù)，所以僅是溫度的函數(shù)，所以 h也是溫也是溫度的函數(shù)。度的函數(shù)。 理想氣體節(jié)流時，理想氣體節(jié)流時， u=0； h=0； 所以所以 T=0； 對于實際氣體對于實際氣體u、h不僅與不僅與T有關(guān)，還與有關(guān)，還與p有關(guān)。有關(guān)。 2020/1/5 13 ?節(jié)流后節(jié)流后p降低，降低，T可能升高、降低或不變。微可能升高、

9、降低或不變。微分節(jié)流效應(yīng)（或焦耳分節(jié)流效應(yīng)（或焦耳 湯姆遜效應(yīng)）為：湯姆遜效應(yīng)）為： ? ?T?h?p?h p2?T?T2?T1?T?dpp1?p?h2020/1/5 14 純物質(zhì)在飽和區(qū)域內(nèi)，在相同的壓降下具有相純物質(zhì)在飽和區(qū)域內(nèi)，在相同的壓降下具有相同的溫差同的溫差T。 因此：因此： ?dT?s?h?dp?T?T?T? ?v?v?p?s?p?hr2020/1/5 15 第三節(jié)第三節(jié) 制冷熱力學(xué)特性分析制冷熱力學(xué)特性分析 正向循環(huán)正向循環(huán)熱機，按順時熱機，按順時循環(huán)可分循環(huán)可分 針方向進(jìn)行針方向進(jìn)行 逆向循環(huán)逆向循環(huán)制冷機或熱泵，按制冷機或熱泵，按逆時針方向進(jìn)行。逆時針方向進(jìn)行。 可逆循環(huán)可

10、逆循環(huán) 循環(huán)又可分為循環(huán)又可分為 不可逆循環(huán)不可逆循環(huán) 2020/1/5 16 ? 內(nèi)部不可逆內(nèi)部不可逆摩擦、擾動等摩擦、擾動等 不可逆過程包括不可逆過程包括 外部不可逆外部不可逆溫差傳熱等溫差傳熱等 2020/1/5 17 一一.熱源溫度不變時的逆向可逆循環(huán)熱源溫度不變時的逆向可逆循環(huán)逆卡逆卡諾循環(huán)諾循環(huán) ?逆向卡諾循環(huán)：當(dāng)高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏啬嫦蚩ㄖZ循環(huán)：當(dāng)高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟炔蛔儠r，具有兩個可逆的等溫過程和兩個度不變時，具有兩個可逆的等溫過程和兩個可逆的絕熱過程組成的逆向循環(huán)，稱為逆向可逆的絕熱過程組成的逆向循環(huán)，稱為逆向卡諾循環(huán)。卡諾循環(huán)。 在相同的溫度范圍內(nèi)，逆向卡諾循環(huán)是效率

11、在相同的溫度范圍內(nèi)，逆向卡諾循環(huán)是效率?最高的制冷循環(huán)，無任何不可逆損失。最高的制冷循環(huán)，無任何不可逆損失。 逆卡諾循環(huán)的溫熵圖如下：逆卡諾循環(huán)的溫熵圖如下： ?23過程放熱量：過程放熱量： ?T?s2?s3?T?s1?s4?面積面積23562 ?q ?41過程吸熱量：過程吸熱量： ?q ?T00?s1?s4?面積面積14561 ?據(jù)熱力學(xué)第一定律：據(jù)熱力學(xué)第一定律： q ?w0?q0w 0?q?q0?T?T0?s1?s4?面積面積12341 2020/1/5 20 消耗單位功所獲得的制冷量的值，稱為消耗單位功所獲得的制冷量的值，稱為制冷系數(shù)。制冷系數(shù)。 ?Ts?s?qT01400 ?0?w0

12、?T?Ts?sT?T?0140 ?制冷系數(shù)與低溫?zé)嵩吹臏囟瘸烧?，與制冷系數(shù)與低溫?zé)嵩吹臏囟瘸烧龋c高低溫?zé)嵩吹臏夭畛煞幢?。?dāng)高低溫?zé)岣叩蜏責(zé)嵩吹臏夭畛煞幢?。?dāng)高低溫?zé)嵩吹臏囟纫欢〞r，制冷系數(shù)為定值。制源的溫度一定時，制冷系數(shù)為定值。制冷系數(shù)與制冷劑的性質(zhì)無關(guān)。冷系數(shù)與制冷劑的性質(zhì)無關(guān)。 ?2020/1/5 21 ?高低溫?zé)嵩礈囟茸兓瘜χ评湎禂?shù)的影響：高低溫?zé)嵩礈囟茸兓瘜χ评湎禂?shù)的影響： 結(jié)論：結(jié)論： ?T0 ? ?T?0?TT?T0?2?T0?0?T?T0?T?T0?22020/1/5 ?0?0?T?T0?22 具有傳熱溫差（外部不可逆）的逆向卡具有傳熱溫差（外部不可逆）的逆向卡諾循環(huán)：循

13、環(huán)的諾循環(huán)：循環(huán)的T-S圖如下：圖如下： 2020/1/5 24 ?如如 1 ?2 ?和和 3 ?4 ?為可逆過程，則循環(huán)為可逆過程，則循環(huán)的制冷系數(shù)為：的制冷系數(shù)為： T ?0TT?0k?0?由卡諾定理得知，由卡諾定理得知，? 總是小于總是小于 ?02020/1/5 25 ?熱力完善度：實際循環(huán)的制冷系數(shù)與工作于相同熱力完善度：實際循環(huán)的制冷系數(shù)與工作于相同溫度范圍內(nèi)的逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)之比。其溫度范圍內(nèi)的逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)之比。其值恒小于值恒小于1。 制冷系數(shù)與熱力完善度的異同：制冷系數(shù)與熱力完善度的異同： ?1.兩者同為衡量制冷循環(huán)經(jīng)濟性的指標(biāo)；兩者同為衡量制冷循環(huán)經(jīng)濟性的指標(biāo)；

14、 2.兩者定義不同。制冷系數(shù)為制冷循環(huán)總的制冷量兩者定義不同。制冷系數(shù)為制冷循環(huán)總的制冷量與所消耗的總功之比。與所消耗的總功之比。 熱力完善度為實際循環(huán)的制冷系數(shù)與工作于相同熱力完善度為實際循環(huán)的制冷系數(shù)與工作于相同溫度范圍內(nèi)的逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)之比。溫度范圍內(nèi)的逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)之比。 2020/1/5 26 ?3.兩者的作用不同。制冷系數(shù)只能用于衡量兩兩者的作用不同。制冷系數(shù)只能用于衡量兩個工作于相同溫度范圍內(nèi)的制冷循環(huán)的經(jīng)濟性，個工作于相同溫度范圍內(nèi)的制冷循環(huán)的經(jīng)濟性，熱力完善度可用于衡量兩個工作于不同溫度范熱力完善度可用于衡量兩個工作于不同溫度范圍內(nèi)的制冷循環(huán)的經(jīng)濟性。圍內(nèi)的制

15、冷循環(huán)的經(jīng)濟性。 4.兩者的數(shù)值不同。制冷系數(shù)一般大于兩者的數(shù)值不同。制冷系數(shù)一般大于 1，熱，熱力完善度恒小于力完善度恒小于1。 ?2020/1/5 27 二.變溫?zé)嵩磿r的逆向可逆循環(huán)變溫?zé)嵩磿r的逆向可逆循環(huán)洛倫茲洛倫茲循環(huán)循環(huán) ?制冷機在實際工作中，被冷卻對象和環(huán)境介制冷機在實際工作中，被冷卻對象和環(huán)境介質(zhì)的溫度往往是隨著熱交換過程的進(jìn)行而變質(zhì)的溫度往往是隨著熱交換過程的進(jìn)行而變 化的?；摹?? 圖圖1-4表示的循環(huán)即為高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩礈乇硎镜难h(huán)即為高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩礈囟茸兓瘯r的情況。循環(huán)為度變化時的情況。循環(huán)為a-b-c-d-a；制冷量；制冷量為面積：為面積：a-d-d-a-a。

16、如要用一個由兩個定溫過如要用一個由兩個定溫過程和兩個絕熱過程組成的程和兩個絕熱過程組成的循環(huán)代替，則：循環(huán)代替，則： 制冷劑向高溫?zé)嵩吹姆胚^制冷劑向高溫?zé)嵩吹姆胚^程為：程為：b-g，溫度，溫度Tb； 制冷劑從低溫?zé)嵩吹奈鼰嶂评鋭牡蜏責(zé)嵩吹奈鼰徇^程為：過程為：d-1，溫度，溫度Td； 2020/1/5 29 要獲取與循環(huán)要獲取與循環(huán)a-b-c-d-a相同的制冷相同的制冷量，則需進(jìn)行循環(huán)量，則需進(jìn)行循環(huán)e-f-g-d-e。 ?循環(huán)循環(huán)a-b-c-d-a與循環(huán)與循環(huán)e-f-g-d-e比較：比較： 制冷量面積制冷量面積a-d-d-a-a； a-d-d-a-a 功耗面積功耗面積 a-b-c-d-a；

17、e-f-g-d-e ?在熱源溫度變化的條件下，由兩個和熱在熱源溫度變化的條件下，由兩個和熱源之間無溫差的熱交換過程及兩個等熵源之間無溫差的熱交換過程及兩個等熵過程組成的逆向可逆循環(huán)是消耗功最小過程組成的逆向可逆循環(huán)是消耗功最小的循環(huán)，即制冷系數(shù)最高的循環(huán)。的循環(huán)，即制冷系數(shù)最高的循環(huán)。 ?熱源溫度變化時循環(huán)的熱力完善度可表熱源溫度變化時循環(huán)的熱力完善度可表示成：示成：=/L 洛倫茲循環(huán)制冷系數(shù)的計算：可分解成洛倫茲循環(huán)制冷系數(shù)的計算：可分解成無數(shù)個微元循環(huán)計算。無數(shù)個微元循環(huán)計算。 ?見圖見圖1-5整個循環(huán)的制冷系數(shù)可表示為：整個循環(huán)的制冷系數(shù)可表示為： aqo?i?qk?qoTom?Tm?T

18、om?TdbcoidsaTds?T dsioi?d2020/1/5 32 ?T Tm m 及及T TO O是熱力學(xué)意義上的平均溫度。是熱力學(xué)意義上的平均溫度。所以洛倫茲循環(huán)的制冷系數(shù)等于一所以洛倫茲循環(huán)的制冷系數(shù)等于一個以放熱平均溫度個以放熱平均溫度T Tm m 和以吸熱平均和以吸熱平均溫度溫度T TO O為高低溫?zé)嵩吹哪嫦蚩ㄖZ循為高低溫?zé)嵩吹哪嫦蚩ㄖZ循環(huán)的制冷系數(shù)。環(huán)的制冷系數(shù)。 2020/1/5 33 三三.熱能驅(qū)動制冷循環(huán)熱能驅(qū)動制冷循環(huán) ?吸收式制冷循環(huán)即為熱能驅(qū)動的制冷循環(huán)。實際吸收式制冷循環(huán)即為熱能驅(qū)動的制冷循環(huán)。實際上為三熱源循環(huán)。據(jù)熱力學(xué)第一定律：上為三熱源循環(huán)。據(jù)熱力學(xué)第一定

19、律： q qk k=q=qH H+q+q0 0 對于可逆制冷機，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在一個對于可逆制冷機，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在一個循環(huán)中熵增為零。循環(huán)中熵增為零。 qkqHqo?TaTHTo?qo?To?TH?Ta?qH?Ta?To?TH?2020/1/5 34 ?經(jīng)濟性能是以熱力系數(shù)作為評價指標(biāo)的。經(jīng)濟性能是以熱力系數(shù)作為評價指標(biāo)的。 熱力系數(shù)：獲得的制冷量與消耗的熱量之比。熱力系數(shù)：獲得的制冷量與消耗的熱量之比。用用0 0表示。表示。 qo?To?TH?Ta?o?qH?Ta?To?TH?結(jié)論：通過輸入熱量制冷的可逆制結(jié)論：通過輸入熱量制冷的可逆制冷機，其熱力系數(shù)等于工作于冷機，其熱力系數(shù)

20、等于工作于Ta、T0之間的逆向卡諾循環(huán)制冷機的制冷系之間的逆向卡諾循環(huán)制冷機的制冷系數(shù)與工作在數(shù)與工作在 TH、Ta之間的正卡諾循之間的正卡諾循環(huán)的熱效率的乘積，由于后者小于環(huán)的熱效率的乘積，由于后者小于1，因此：因此： 0總是小于總是小于0。 2020/1/5 37 四四.壓縮蒸汽制冷循環(huán)壓縮蒸汽制冷循環(huán) ?流程圖見圖流程圖見圖1-7。 組成的基本設(shè)備：壓縮組成的基本設(shè)備：壓縮機、冷凝器、節(jié)流設(shè)備、機、冷凝器、節(jié)流設(shè)備、蒸發(fā)器。蒸發(fā)器。 進(jìn)行四個熱力過程。進(jìn)行四個熱力過程。 壓縮機：對工質(zhì)進(jìn)行壓壓縮機：對工質(zhì)進(jìn)行壓縮過程，消耗外功縮過程，消耗外功W，將工質(zhì)壓力升高；將工質(zhì)壓力升高； 2020

21、/1/5 38 ?冷凝器：為換熱器，將來自壓縮機的高溫、冷凝器：為換熱器，將來自壓縮機的高溫、高壓氣體冷卻并冷凝成液體。工質(zhì)對外放出高壓氣體冷卻并冷凝成液體。工質(zhì)對外放出熱量熱量qk； ?節(jié)流設(shè)備：將工質(zhì)壓力由冷凝壓力降低為蒸節(jié)流設(shè)備：將工質(zhì)壓力由冷凝壓力降低為蒸發(fā)壓力，同時溫度降低；發(fā)壓力，同時溫度降低； ?蒸發(fā)器：也為換熱器，經(jīng)過節(jié)流的制冷劑在蒸發(fā)器：也為換熱器，經(jīng)過節(jié)流的制冷劑在其中汽化，吸收汽化潛熱完成制冷。吸熱量其中汽化，吸收汽化潛熱完成制冷。吸熱量為為q0； 循環(huán)的制冷系數(shù)：循環(huán)的制冷系數(shù)： ?Q0?q00?q 單位質(zhì)量制冷量。單位質(zhì)量制冷量。 Ww0定義：單位質(zhì)量制冷劑在一次循環(huán)中從低定義：單位質(zhì)量制冷劑在一次循環(huán)中從低溫?zé)嵩此盏臒崃俊責(zé)嵩此盏臒崃俊?w單位壓縮功（比功）。單位壓縮功（比功）。 定義：壓縮機壓縮單位質(zhì)量的制冷劑所消定義：壓縮機壓縮單位質(zhì)量的制冷劑所消耗的功。耗的功。 2020/1/5 40 Q 0?qmq0?kwqm流經(jīng)壓縮機的制冷劑質(zhì)量流量流經(jīng)壓縮機的制冷劑質(zhì)量流量,Kg/s,Kg/s； - - - -qV壓縮機吸入口處的制冷劑體積流壓縮機吸入口處的制冷劑體積流3 3量量,m,m /s/s。 q qv v=q=q0 0/v/v1 1 kj/mkj/m3 3 q qv v- -單位容積制冷量；單