9Chapter9制冷

1、Chapter 9 制冷 9.1 概述一、基本概念(一)制冷定義 制冷是指借助于外界提供的能量，在一定的時(shí)間和空間內(nèi)從一定量的物質(zhì)或流動(dòng)介質(zhì)中移走熱能，使其溫度降到環(huán)境溫度以下，并保持這個(gè)低溫的過(guò)程。 (二)制冷領(lǐng)域的劃分 粗略劃分： 100（173K）普冷 100（173K）深冷 按照制冷所達(dá)到的低溫范圍，制冷可分為如下幾個(gè)領(lǐng)域： T120K（153.15）普通制冷（簡(jiǎn)稱(chēng)普冷）20K（253.15）T120K深度制冷（簡(jiǎn)稱(chēng)深冷）0.3K（272.85）T20K 低溫制冷 T0.3K超低溫制冷 19.1 概述(三)制冷設(shè)備、條件和工質(zhì) 1.制冷設(shè)備 機(jī)械制冷中所需機(jī)器和設(shè)備的總和稱(chēng)為制冷機(jī)。

2、2.制冷條件 必須消耗外供能量，該能量可以是機(jī)械能、電能、熱能、太陽(yáng)能及其他形式的能量。 3.制冷工質(zhì) 制冷劑、冷凍劑、冷媒(四)制冷技術(shù)的研究?jī)?nèi)容 1.制冷方法、原理、工藝等 2.制冷劑 3.制冷機(jī)械、設(shè)備、材質(zhì)，控制方法、手段、儀器及儀表等29.1 概述二、制冷技術(shù)的應(yīng)用 1.商業(yè) 2.空調(diào): 家用小型舒適性空調(diào); 大型中央空調(diào); 生產(chǎn)場(chǎng)所的工藝性空調(diào)。 3.工業(yè)生產(chǎn) 化學(xué)工業(yè); 鋼鐵工業(yè); 機(jī)械制造業(yè); 機(jī)器的裝配過(guò)程。 4.農(nóng)牧業(yè) 5.建筑工程 6.國(guó)防工業(yè) 7.醫(yī)療衛(wèi)生 8.其它，如:航空、航天工業(yè)、生物技術(shù)、微電子技術(shù)等 39.1 概述制冷技術(shù)的一些應(yīng)用范圍K應(yīng) 用 范 圍3002

3、73270熱泵、制冷裝置2732630 10苛性鉀的結(jié)晶、冷藏運(yùn)輸、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的滑冰裝置26324010 33冷凍運(yùn)輸、食品保鮮、燃?xì)猓ū椋┑鹊囊夯?4023333 50礦井工作面的凍結(jié)23320050 73低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)室、制取固體干冰20015073 123乙烷、乙烯的液化、低溫醫(yī)學(xué)和低溫生物學(xué)150100123 173天然氣液化10050173 223空氣液化、空分、合成氣分離、液氮、液氧5020223 253氖和氫的液化、宇航艙空間環(huán)境模擬204253 269超導(dǎo)、氦液化4106269 273.15He的液化、Josephson效應(yīng)49.1 概述三、制冷技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)介 1.中國(guó)古代 如:詩(shī)

4、經(jīng) 、周禮 、大暑賦中的記載 2.國(guó)外古代 3.近代世界制冷技術(shù)1834年波爾金斯(Jacob Perbins)蒸氣壓縮式制冷機(jī)；1844年美國(guó)醫(yī)生高里(John Gorrie)空氣制冷機(jī)；1859年法國(guó)卡列(Ferdinand Carre)氨吸收式制冷機(jī)；1874年德國(guó)林德(Linde)氨制冷機(jī)；1910年家用冰箱問(wèn)世,1917年美國(guó)作為商品投放市場(chǎng),1929年發(fā)明Freon 4.新中國(guó)制冷技術(shù)1954年開(kāi)始冰箱生產(chǎn)(雪花牌)19541978年間共生產(chǎn)11萬(wàn)臺(tái)19781982年間生產(chǎn)20萬(wàn)臺(tái)。59.1 概述 四、制冷方法簡(jiǎn)介如空氣壓縮后膨脹制冷,用于飛機(jī)上機(jī)艙中溫度的調(diào)節(jié)。69.2 蒸氣壓縮

5、制冷循環(huán)(二)理想蒸氣壓縮制冷循環(huán)理論制冷系數(shù)一、理想蒸氣壓縮制冷循環(huán)(一)理想蒸氣壓縮制冷循環(huán)及在T-s圖上的表示T冷凝=T冷卻介質(zhì)T被冷物= T蒸發(fā)(三)理想蒸氣壓縮制冷循環(huán)的缺點(diǎn)1.液體的不可壓縮性，會(huì)產(chǎn)生液擊而造成壓縮機(jī)機(jī)件的損壞;2.濕蒸氣中的液體與氣缸壁發(fā)生劇烈的熱交換而迅速蒸發(fā),從而使壓縮機(jī)的容積效率降低，致使整個(gè)制冷循環(huán)的效率降低。79.2 蒸氣壓縮制冷循環(huán)壓縮機(jī)冷凝器節(jié)流閥蒸發(fā)器注意:(1)各溫度之間的相互關(guān)系！(2)壓縮過(guò)程可逆!T冷凝 T冷卻介質(zhì) T被冷物 T蒸發(fā)二、實(shí)際蒸氣壓縮制冷循環(huán)(一)實(shí)際單級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)裝置的基本構(gòu)成及T-s圖89.2 蒸氣壓縮制冷循環(huán)以1小

6、時(shí)為計(jì)算基準(zhǔn)1. 壓縮機(jī)耗功(12)、(12)WS(R)=m(h2h1)、WS(ac)=m(h2 h1)、S=WS(R) /WS(ac)2. 冷卻冷凝過(guò)程放熱量(23 4)Q1= m(h4h2)3. 節(jié)流過(guò)程(45) h4=h54. 蒸發(fā)過(guò)程(51)吸熱量即冷凍量Q0 Q0= m(h1 h5)冷凍噸:1天將1噸0 的水凝結(jié)為同溫度的冰時(shí)所需取走的熱量,1.394104kJ/h5循環(huán)效率制冷系數(shù)二、實(shí)際蒸氣壓縮制冷循環(huán)(二) 簡(jiǎn)單、單級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)的熱力計(jì)算99.2 蒸氣壓縮制冷循環(huán)解:以1kg氨計(jì)算基準(zhǔn)，氨為熱力系作出過(guò)程示意T-s圖，查出圖中所需點(diǎn)焓值列表二、實(shí)際蒸氣壓縮制冷循環(huán)(三)

7、計(jì)算舉例1.例9-1 某氨冷循環(huán)中液氨在223K下蒸發(fā)，冷凍227K的物體，氣氨進(jìn)壓縮機(jī)的溫度為227K，冷卻水溫度為298K，壓縮機(jī)中壓縮過(guò)程按等熵過(guò)程考慮，冷凝溫度與冷卻水溫度相差5。試求:(1)冷凍量;(2)壓縮機(jī)功耗;(3)冷凝器中制冷劑放熱量;(4)冷凍系數(shù)。若按逆卡諾循環(huán)進(jìn)行操作，則冷凍系數(shù)為多少？ 點(diǎn)h，kJ /kg11380.72(330kcal)21924.64(460kcal)4326.35(78kcal)5326.35T-s圖上各點(diǎn)焓值具體查得過(guò)程(幻燈片 29)109.2 蒸氣壓縮制冷循環(huán)(1)冷凍量q0:q0=h51=h1h5=1380.72-326.35=1054.

8、37 kJ/kg(2)可逆絕熱壓縮功耗ws( R ): ws( R )=h12=h2h1=1924.64-1380.72=543.92 kJ/kg (3)冷凝器放熱量q1:q1=h24=h4h2=326.35-1924.64=-1598.29 kJ/kg (4)制冷系數(shù) :二、實(shí)際蒸氣壓縮制冷循環(huán) (三) 計(jì)算舉例 1.例9-1(5)理論制冷系數(shù)id:點(diǎn)h，kJ /kg11380.72(330kcak)21924.64(460kcal)4326.35(78kcal)5326.3511（三）計(jì)算舉例（補(bǔ)充）某蒸汽壓縮制冷循環(huán)，采用氨作制冷劑。制冷能力為105kJ/h，蒸發(fā)溫度為15，冷凝溫度為3

9、0，已知壓縮進(jìn)口、冷凝器出口都為對(duì)應(yīng)的飽和狀態(tài)，壓縮過(guò)程為可逆絕熱過(guò)程。試求： (1)制冷劑小時(shí)循環(huán)量;(2)壓縮機(jī)的功率及蒸汽處理量;(3)冷凝器的負(fù)荷;(4)節(jié)流后制冷劑中的蒸汽含量;(5)循環(huán)的制冷系數(shù);(6)若傳熱溫度差都為5,則對(duì)應(yīng)的理論制冷系數(shù)為多少;(7)若壓縮機(jī)的等熵效率為85%,機(jī)械效率為95%,求壓縮機(jī)實(shí)際功率。解：1. 以1小時(shí)為計(jì)算基準(zhǔn)2. 由題意作出過(guò)程示意T-s圖,由氨的T-s圖查出各所需狀態(tài)點(diǎn)的焓(h)值列表點(diǎn)焓（h）1342kcal/kg=1430.93 kJ/kg2395kcal/kg=1652.68 kJ/kg478kcal/kg=326.35 kJ/kg5

10、326.35 kJ/kg628kcal=117.15kJ/kgv1=0.5088m3/kg(氨飽和蒸氣表)T-s圖各點(diǎn)焓值具體查得過(guò)程(幻燈片 30)12（三）計(jì)算舉例（補(bǔ)充）3. 計(jì)算(1)制冷劑循環(huán)量m kg/h(51)Q0=m(h1h5)m=Q0/(h1h5) =105/(1430.93326.35)=90.53kg/h(2)壓縮機(jī)的功率及蒸汽處理量(12)Nid=m(h2h1)/3600=5.576kWV=mv1=90.530.5088=46.06m3/h(3)冷凝器的負(fù)荷(234)Q1=m(h4h2)= 90.53(326.351652.68) = 1.201105kJ/h(4)節(jié)流

11、后制冷劑中的蒸汽含量h5=xh1+(1x)h6 x=(h5h6)/(h1h6)= =0.159(5)循環(huán)的制冷系數(shù) =Q0/Ws=105/(5.5763600)=4.98(6)理論制冷系數(shù)傳熱溫差為5 TL=15+5+273.15=263.15K、TH=305+273.15=298.15Kid=TL/(THTL)=263.15/(298.15263.15)=7.52(7)壓縮機(jī)實(shí)際功率(12) Nac=Nid/(sm)=5.576/(0.850.95)=6.905kW點(diǎn)焓（h）1342kcal/kg=1430.93 kJ/kg2395kcal/kg=1652.68 kJ/kg478kcal/k

12、g=326.35 kJ/kg5326.35 kJ/kg628kcal=117.15kJ/kgv1=0.5088m3/kg(氨飽和蒸氣表)139.2 蒸氣壓縮制冷循環(huán)2減少壓縮功耗（1）可使多級(jí)壓縮向等溫壓縮靠攏；三、多級(jí)蒸氣壓縮制冷（一）多級(jí)蒸氣壓縮制冷的原因 1降低壓縮終溫（2）對(duì)往復(fù)式壓縮可提高容積效率3獲得不同溫度級(jí)的冷量，滿(mǎn)足不同工藝要求 149.2 蒸氣壓縮制冷循環(huán)高壓壓縮機(jī);冷凝器;高壓節(jié)流閥;中間預(yù)冷器;中壓蒸發(fā)器;低壓節(jié)流閥;低壓蒸發(fā)器;低壓壓縮機(jī);水冷卻器 三、多級(jí)蒸氣壓縮制冷（二）兩級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)裝置的構(gòu)成及在T-s圖上的表示15 9.2 蒸氣壓縮制冷循環(huán)1蒸發(fā)潛熱要盡

13、可能大 (減少設(shè)備投資)2適宜的蒸汽壓 (降低操作費(fèi)用)3制冷劑必須具有化學(xué)穩(wěn)定性 4為了操作安全，制冷劑不應(yīng)有易燃性和爆炸性5制冷劑價(jià)格便宜，而且可獲得大量的供應(yīng)6滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)的要求 （二）常用制冷劑簡(jiǎn)介四、制冷劑簡(jiǎn)介（一）對(duì)制冷劑的一般要求16四、制冷劑簡(jiǎn)介制冷劑代 號(hào)化學(xué)式分子量M正 常沸 點(diǎn)tb，凝 固溫 度ts，絕熱指數(shù)k=cp/cv可達(dá)最低冷凍溫度水R718H2O18.016100.00.01.33氨R717NH317.03133.477.71.3065二氧化碳R744CO244.0178.556.61.3050氯甲烷R40CH3Cl50.4924.297.61.2060氟里昂-1

14、1R11CFCl3137.3823.1111.01.1325氟里昂-12R12CF2Cl2120.9228.2155.01.1465氟里昂-13R13CF3Cl104.4780.2180.0110氟里昂-21R21CHFCl2102.938.9135.01.16氟里昂-22R22CHF2Cl86.4840.8160.01.2070氟里昂-113R113C2F3Cl3187.3992.836.51.09氟里昂-142R142C2H3F2Cl100.489.213.081.137乙烷R170C2H630.0688.6183.21.25丙烷R290C3H844.142.1187.11.13乙烯R11

15、50C2H428.05103.7169.5丙烯R1270C3H642.0847.7185.0179.2 蒸氣壓縮制冷循環(huán)1蒸發(fā)溫度不能過(guò)低，否則：(1)制冷劑可能凝固；(2)蒸發(fā)壓力過(guò)低，需在高真空度下操作，密封困難；(3)T、p過(guò)低，材質(zhì)、設(shè)備制造困難。2冷凝壓力與蒸發(fā)壓力相差過(guò)大,造成:(1)設(shè)備無(wú)法承受;(2)功耗太大。3對(duì)于活塞式制冷壓縮機(jī)循環(huán),因氣閥依靠氣體壓差開(kāi)啟。當(dāng)吸氣壓力低于0.15bar時(shí),氣閥將會(huì)因氣缸內(nèi)、外壓差過(guò)小而無(wú)法開(kāi)啟。故活塞式壓縮機(jī)制冷循環(huán),能達(dá)到的最低蒸發(fā)溫度只能是與0.15bar相對(duì)應(yīng)的制冷劑飽和溫度。 五、復(fù)疊式制冷（一）單一制冷劑制冷的限制189.2 蒸氣

16、壓縮制冷循環(huán)（二）復(fù)疊式制冷循環(huán)的定義復(fù)疊式制冷循環(huán)是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上的單級(jí)（或多級(jí)）蒸氣壓縮制冷循環(huán)疊加而成的循環(huán)。 （三）兩級(jí)復(fù)疊式制冷循環(huán)裝置的基本構(gòu)成及在T-s圖上的表示C3H6C2H4p冷凝=30atmt冷凝=47t冷凝=13p蒸發(fā)=1atmt冷凝=47.7t冷凝=103.7五、復(fù)疊式制冷199.3 蒸氣吸收制冷循環(huán)一、蒸氣吸收制冷循環(huán)的基本構(gòu)成蒸發(fā)器;節(jié)流閥;冷凝器;壓縮機(jī);再生器;吸收器; 換熱器; 泵; IX減壓閥; IX減壓閥 吸收制冷的熱力系數(shù): =Q0/QT（9-4） 209.3 蒸氣吸收制冷循環(huán)二、蒸氣吸收制冷循環(huán)與蒸氣壓縮制冷循環(huán)的區(qū)別2. 在消耗能量方面:吸收制冷

17、循環(huán)主要消耗外界提供的熱能,而蒸氣壓縮制冷循環(huán)消耗機(jī)械能,該機(jī)械能通常由電能轉(zhuǎn)換而得。 3. 在設(shè)備方面:蒸氣吸收制冷循環(huán)以靜設(shè)備為主,通過(guò)再生器、吸收器、換熱器等一系列靜設(shè)備結(jié)合溶液泵完成了蒸氣壓縮制冷循環(huán)中壓縮機(jī)的工作任務(wù)。 1. 在工作介質(zhì)方面: 吸收制冷循環(huán)除采用制冷劑外,還采用了吸收劑,借助吸收劑熱力狀態(tài)的改變,使制冷劑實(shí)現(xiàn)由低壓到高壓的過(guò)程； 219.3 蒸氣吸收制冷循環(huán)1NH3+H2O系統(tǒng)制冷劑：NH3，吸收劑：H2O 以氨與水組成的吸收制冷循環(huán)，其制冷范圍在0以下，主要用于化工、冶金和輕工業(yè)中作為制冷的設(shè)備。2H2O+LiBr系統(tǒng)制冷劑：H2O，吸收劑：LiBr 以水與溴化鋰組

18、成的吸收制冷循環(huán)，由于水的冰點(diǎn)為0，故此循環(huán)只能用于溫度稍高的系統(tǒng)，一般為5以上，因此該循環(huán)通常作為大型空調(diào)裝置（中央空調(diào)）而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、賓館、劇院、辦公大樓、艦艇等要求制冷量很大的場(chǎng)合。 三、蒸氣吸收制冷循環(huán)主要工作介質(zhì)及適用場(chǎng)合229.3 蒸氣吸收制冷循環(huán)1優(yōu)點(diǎn) 1）利用低溫余熱，節(jié)省高質(zhì)量能量；2）靜設(shè)備便于制造、管理；3）運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，噪音等較小，可露天安裝 ；4）操作彈性大，負(fù)荷在30100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié) 。2缺點(diǎn)1）溶液對(duì)設(shè)備、管道有腐蝕性；2）裝置所用的材料及冷卻水的消耗量大；3）裝置的占地面積大，占有的空間大；4）整個(gè)裝置的熱力系數(shù)較低。四、蒸氣吸收制冷循環(huán)的主要特點(diǎn)239.4 熱 泵依靠消耗機(jī)械能而將低溫處的熱能移到高溫處的設(shè)備。(二)熱泵循環(huán)與蒸氣壓縮制冷循環(huán)的主要區(qū)別 1.制冷循環(huán)的工作溫度范圍為：T蒸發(fā)TLTTH=T0T冷凝 2.熱泵的工作溫度范圍：T蒸發(fā)TLTTHT冷凝一、熱泵概念及與蒸氣壓縮制冷循環(huán)的主要區(qū)別(一)熱泵的定義249.4 熱 泵供熱系數(shù)(又稱(chēng)獲熱系數(shù)) : = q1/ws (9-5) 與之間的關(guān)系為: 二、熱泵循環(huán)工作原理及熱力計(jì)算 同蒸氣壓縮制冷循環(huán)理想的熱泵循環(huán)即逆向卡諾循環(huán),其供熱系數(shù):259.4 熱 泵1.冬季供暖空調(diào)