制冷空調(diào)原理培訓(xùn)教程課件

（二）熱交換設(shè)備

制冷系統(tǒng)的熱交換設(shè)備主要是冷凝器和蒸發(fā)器，它們是制冷劑與外部熱源介質(zhì)之間發(fā)生熱交換的設(shè)備。

（二）熱交換設(shè)備1

⒈冷凝器

用冷凝器將制冷劑從低溫?zé)嵩次盏臒崃考皦嚎s后增加的熱焓排放到高溫?zé)嵩?。冷凝器按冷卻方式空氣冷卻式冷凝器中根據(jù)管外空氣流動(dòng)方式空氣冷卻式水冷式蒸發(fā)冷卻式自然對(duì)流空氣冷卻式冷凝器強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻式冷凝器

⒈冷凝器用冷凝器將制冷劑從低2

圖2-27自然對(duì)流空氣冷卻式冷凝器

圖2-27自然對(duì)流空氣冷卻式冷凝器3

圖2-28空氣強(qiáng)制對(duì)流冷凝器1-肋片2-傳熱管3-上封板4-左端板5-進(jìn)氣集管6-彎頭7-出液集管8-下封板9-前封板10-通風(fēng)機(jī)11-裝配螺釘

圖2-28空氣強(qiáng)制對(duì)流冷凝器1-肋片4

圖2-29氨臥式殼管式冷凝器

圖2-29氨臥式殼管式冷凝器5

圖2-30氟利昂套管式冷凝器

圖2-30氟利昂套管式冷凝器6

圖2-31蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)原理1-通風(fēng)機(jī)2-擋水柵3-傳熱管組4-水泵5-濾網(wǎng)6-補(bǔ)水閥7-噴水嘴

圖2-31蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)原理1-通風(fēng)機(jī)7

⒉蒸發(fā)器

蒸發(fā)器是制冷機(jī)中的冷量輸出設(shè)備。制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，吸收低溫?zé)嵩唇橘|(zhì)（水或空氣）的熱量，達(dá)到制冷的目的。

⒉蒸發(fā)器蒸發(fā)器是制冷機(jī)中8

冷卻空氣的蒸發(fā)器空氣自然對(duì)流時(shí)多采用光盤管結(jié)構(gòu)空氣強(qiáng)制對(duì)流時(shí)采用翅片管結(jié)構(gòu)殼管式沉沒式

冷卻液體（水或其它液體載冷劑）的蒸發(fā)器

冷卻空氣的蒸發(fā)器空氣自然對(duì)流時(shí)殼管式冷卻液體（水或其它液9

圖2-32臥式滿液式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

圖2-32臥式滿液式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)10

圖2-33干式殼管蒸發(fā)器

圖2-33干式殼管蒸發(fā)器11

圖2-34空氣強(qiáng)制對(duì)流的蒸發(fā)器及其肋片管型式a)蒸發(fā)器b)繞片管c)套片管1-傳熱管2-肋片3-擋板4-通風(fēng)機(jī)5-集氣管6-分液器

圖2-34空氣強(qiáng)制對(duì)流的蒸發(fā)器及其肋片管型式12

第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工基礎(chǔ)自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅；但能量可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)，且在能量的轉(zhuǎn)化過程中能量的總量保持不變。能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界基本規(guī)律之一。1.1.1制冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ)1.熱力學(xué)第一定律

第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工基礎(chǔ)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然13

用符號(hào)U表示，單位是焦耳（J）熱力學(xué)能1kg物質(zhì)的熱力學(xué)能稱比熱力學(xué)能用符號(hào)u表示，單位是焦耳/千克（J／kg）比熱力學(xué)能熱力學(xué)能熱力學(xué)能和總能熱力狀態(tài)的單值函數(shù)。兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。狀態(tài)參數(shù)，與路徑無關(guān)。

用符號(hào)U表示，單位是焦耳（J）熱力學(xué)能1kg物質(zhì)的熱力14

工質(zhì)的總儲(chǔ)存能內(nèi)部?jī)?chǔ)存能外部?jī)?chǔ)存能熱力學(xué)能總能動(dòng)能位能E－總能，Ek－動(dòng)能Ep－位能E=U+Ek+Ep

(1-2)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能和外部?jī)?chǔ)存能的和，即熱力學(xué)能與宏觀運(yùn)動(dòng)動(dòng)能及位能的總和。若工質(zhì)質(zhì)量m，速度cf，重力場(chǎng)中高度z宏觀動(dòng)能

重力位能工質(zhì)的總能(1-3)

工質(zhì)的總儲(chǔ)存能內(nèi)部?jī)?chǔ)存能外部?jī)?chǔ)存能熱力學(xué)能總能動(dòng)能位能15

能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體有兩種方式作功借作功來傳遞能量總和物體宏觀位移有關(guān)。傳熱借傳熱來傳遞能量無需物體的宏觀移動(dòng)。推動(dòng)功因工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功對(duì)開口系統(tǒng)進(jìn)行功的計(jì)算時(shí)需要考慮這種功。推動(dòng)功只有在工質(zhì)移動(dòng)位置時(shí)才起作用。力學(xué)參數(shù)cf和z只取決于工質(zhì)在參考系中的速度和高度2.能量的傳遞和轉(zhuǎn)化(1-4)比總能

能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體有兩種方式作功借作功來傳遞能16

焓用符號(hào)H表示，單位是焦耳（J）H=U+pV（內(nèi)能+推動(dòng)功）(1-5)比焓

(1-6)

用符號(hào)h表示，單位是焦耳/千克（J／kg）焓是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。焓也可以表示成另外兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。如：h=f(T,v)或h=f(p,T);h=f(p,v)(1-9)3．焓

焓用符號(hào)H表示，單位是焦耳（J）比焓17

進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加

(1-10)4.1閉口系統(tǒng)的能量平衡4．熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式工質(zhì)從外界吸熱Q后從狀態(tài)1變化到2，對(duì)外作功W。若工質(zhì)宏觀動(dòng)能和位能的變化忽略不計(jì)，則工質(zhì)儲(chǔ)存能的增加即為熱力學(xué)能的增加ΔU

(1-11)熱力學(xué)第一定律的解析式

進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加4.118

圖1-6噴管能量轉(zhuǎn)換圖1-5換熱器能量平衡

工質(zhì)流經(jīng)換熱器時(shí)和外界有熱量交換而無功的交換，動(dòng)能差和位能差也可忽略不計(jì)

1kg的工質(zhì)吸熱量

1kg工質(zhì)動(dòng)能的增加工質(zhì)流經(jīng)噴管和擴(kuò)壓管時(shí)不對(duì)設(shè)備作功，熱量交換可忽略不計(jì)

圖1-6噴管能量轉(zhuǎn)換圖1-5換熱器能量平衡工質(zhì)流經(jīng)19

研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過程進(jìn)行的方向、條件及限度的定律熱不能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體1.制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析熱力學(xué)循環(huán)正向循環(huán)

熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功逆向循環(huán)消耗功循環(huán)除了一二個(gè)不可避免的不可逆過程外其余均為可逆過程?？赡嫜h(huán)是理想循環(huán)。理想循環(huán)2.熱力學(xué)第二定律

研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過程進(jìn)行的方向、條件及限度的定律熱20

熱力學(xué)第二定律涉及的溫度為熱力學(xué)溫度(K)

T=273.16+t

(1-29)

熵是熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)，是判別實(shí)際過程的方向，提供過程能否實(shí)現(xiàn)、是否可逆的判據(jù)。定義式

(1-30)

qrev是可逆過程的換熱量，T為熱源溫度可逆過程1-2的熵增克勞修斯積分

=0可逆循環(huán)＜0不可逆循環(huán)＞0不可能實(shí)行的循環(huán)

熱力學(xué)第二定律涉及的溫度為熱力學(xué)溫度(K)T=273.121

p、T狀態(tài)下的比熵定義為(1-33)2.熱源溫度不變時(shí)的逆向可逆循環(huán)——逆卡諾循環(huán)當(dāng)高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩措S著過程的進(jìn)行溫度不變時(shí)，具有兩個(gè)可逆的等溫過程和兩個(gè)等熵過程組成的逆向循環(huán)。在相同溫度范圍內(nèi)，它是消耗功最小的循環(huán)，即熱力學(xué)效率最高的制冷循環(huán)，因?yàn)樗鼪]有任何不可逆損失。

p、T狀態(tài)下的比熵定義為(1-33)2.熱源溫度不變時(shí)22（一）簡(jiǎn)單單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)計(jì)算單級(jí)理論循環(huán)是建立在以下一些假設(shè)的基礎(chǔ)上的：

（1）壓縮過程為等熵過程，即在壓縮過程中不存在任何不可逆損失

（2）在冷凝器和蒸發(fā)器中，制冷劑的冷凝溫度等于冷卻介質(zhì)的溫度，蒸發(fā)溫度等于被冷卻介質(zhì)的溫度，且冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都是定值（一）簡(jiǎn)單單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)計(jì)算單級(jí)理論循環(huán)是23

（4）制冷劑在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，沒有流動(dòng)阻力損失，忽略動(dòng)能變化，除了蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)的管子外，制冷劑與管外介質(zhì)之間沒有熱交換

（5）制冷劑在流過節(jié)流裝置時(shí)，流速變化很小，可以忽略不計(jì)，且與外界環(huán)境沒有熱交換

（3）離開蒸發(fā)器和進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑蒸氣為蒸發(fā)壓力下的飽和蒸氣，離開冷凝器和進(jìn)入膨脹閥的液體為冷凝壓力下的飽和液體（4）制冷劑在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，沒有流動(dòng)阻力損失，忽略動(dòng)能24

圖2-16理論循環(huán)在T-s圖（a）和lnp-h圖（b）上的表示

按照熱力學(xué)第一定律，對(duì)于在控制容積中進(jìn)行的狀態(tài)變化存在如下關(guān)系：（2-1）

圖2-16理論循環(huán)在T-s圖（a）和lnp-h圖（b）上的25這里，把自外界傳入的功作為負(fù)值。對(duì)上式積分可以得到整個(gè)過程的表達(dá)式：（2-2）

按照式（2-1）和式（2-2），單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)循環(huán)的各個(gè)過程有如下關(guān)系：q0稱為單位制冷量，習(xí)慣上取為正值，在T-s圖上用面積1-5-b-a-1代表，而在lgp-h圖上則用線段5-1表示。這里，把自外界傳入的功作為負(fù)值。對(duì)上式積分可以得到整個(gè)過程的26(2)冷凝過程：

dw=0dq=dhqk=h2-h4

（2-4）

(3)節(jié)流過程：

w=0q=0Δh=0h4=h5

（2-5）

（1）壓縮過程:dq=0,因而

dw=dhw=h2-h1

（2-3）

（4）蒸發(fā)過程：dw=0因而

dq=dhq0=h1-h5=h1-h4

（2-6）(2)冷凝過程：dw=0dq=dh（2-4）(327(2)單位容積制冷量qv(2-8)(3)理論比功w0對(duì)于單級(jí)蒸氣壓縮制冷機(jī)的理論循環(huán)來說，理論比功可表示為(2-9)單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)的理論比功也是隨制冷劑的種類和制冷機(jī)循環(huán)的工作溫度而變的。(2)單位容積制冷量qv(2-8)(3)理論比功w0對(duì)于單級(jí)28(4)單位冷凝熱qk單位（1kg）制冷劑蒸氣在冷凝器中放出的熱量，稱為單位冷凝熱。單位冷凝熱包括顯熱和潛熱兩部分

(2-10)

比較式（2-6）、（2-9）和（2-10）可以看出，對(duì)于單級(jí)壓縮式蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)，存在著下列關(guān)系(2-11)(4)單位冷凝熱qk單位（1kg）制冷劑蒸氣在冷凝器中放出的29(5)制冷系數(shù)

對(duì)于單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)，制冷系數(shù)為

(2-12)

制冷系數(shù)愈大經(jīng)濟(jì)性愈好冷凝溫度越高制冷系數(shù)越小蒸發(fā)溫度越低(5)制冷系數(shù)對(duì)于單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)30（二）液體過冷、氣體過熱及回?zé)釋?duì)理想循環(huán)性能的影響

上面所述的循環(huán)，是單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)的基本循環(huán)，也是最簡(jiǎn)單的循環(huán)。在實(shí)用上，根據(jù)實(shí)際條件對(duì)循環(huán)往往要作一些改進(jìn)，以便提高循環(huán)的熱力完善度。在單級(jí)制冷機(jī)循環(huán)中，這一改進(jìn)主要有液體過冷、吸氣過熱及由此而產(chǎn)生的回?zé)嵫h(huán)。（二）液體過冷、氣體過熱及回?zé)釋?duì)理想循環(huán)性能的影響上31將節(jié)流前的制冷劑液體冷卻到低于冷凝溫度的狀態(tài)，稱為過冷。1.液體過冷帶有過冷的循環(huán)，叫做過冷循環(huán)。采用液體過冷對(duì)提高制冷量和制冷系數(shù)都是有利的將節(jié)流前的制冷劑液體冷卻到低于冷凝溫度的狀態(tài)，稱為過冷。1.32圖2-17過冷循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示(2-14)與無過冷的循環(huán)1-2-3-4-5-1相比，過冷循環(huán)的單位制冷量的增加量為圖2-17過冷循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上33

在圖2-17（a）中，q0以面積5‘-5-b-c表示，在圖2-17（b）中，q0以線段5’-5表示。因兩個(gè)循環(huán)的理論比功w0相同，過冷循環(huán)的制冷系數(shù)比無過冷循環(huán)的制冷系數(shù)要大。(2-15)在圖2-17（a）中，q0以面積5‘-5-342.吸入蒸氣的過熱

壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣的溫度高于吸氣壓力下制冷劑的飽和溫度時(shí)，稱為過熱。具有吸氣過熱的循環(huán)，稱為過熱循環(huán)。圖2-18示出了過熱循環(huán)1-1‘-2’-3-4-5-1的T-s圖和lgp-h圖。圖中1-1‘是吸氣的過熱過程，其余與基本循環(huán)相同。

2.吸入蒸氣的過熱壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣的溫度高于吸氣壓35圖2-18過熱循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示

(2-16)圖2-18過熱循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表36

(2-17)有效過熱循環(huán)的制冷系數(shù)可表示為

(2-18)由制冷劑的T-s圖我們可以得到，在過熱區(qū)，過熱度越大，其等熵線的斜率越大，根據(jù)式（2-17），得

（2-19）(2-37圖2-19有效過熱的過熱度對(duì)制冷系數(shù)的影響過熱度℃R502R600aR290R134aR22NH3045.337.444.444.155.993.03073.965.772.172.986.3131.5表2-2過熱度對(duì)排氣溫度的影響圖2-19有效過熱的過熱度對(duì)制冷系數(shù)的影響過熱度℃R502R38

(2-20)

若不計(jì)回?zé)崞髋c環(huán)境空氣之間的熱交換，則液體過冷的熱量等于使蒸氣過熱的熱量，其熱平衡關(guān)系為

3.回?zé)嵫h(huán)利用回把熱使節(jié)流前的制冷劑液體與壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣進(jìn)行熱交換，使液體過冷、蒸氣過熱，稱之為回?zé)帷?2-20)若不計(jì)回?zé)崞髋c環(huán)境空氣之間的熱交換，則液體過39圖2-21回?zé)嵫h(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示（2-21）

圖2-21回?zé)嵫h(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的40由式（2-21）可以求出

（2-22）回?zé)嵫h(huán)的性能指標(biāo)如下：?jiǎn)挝恢评淞?/p>

（2-23）

單位容積制冷量（2-24）由式（2-21）可以求出（2-22）回?zé)嵫h(huán)的性能指標(biāo)如下41

單位功

制冷系數(shù)

（2-26）由圖（2-21）可知，與無回?zé)嵫h(huán)1-2-3-4-5-1相比較，回?zé)嵫h(huán)的單位制冷量增大了（2-27）（2-25）單位功制冷系數(shù)42循環(huán)的單位功可近似地表示成（2-29）但單位功也增大了（2-28）

循環(huán)的單位功可近似地表示成（2-29）但單位功也增大了（2-43單位容積制冷量和制冷系數(shù)可表示成

（2-30）

(2-31)單位容積制冷量和制冷系數(shù)可表示成（44即（2-32）如果要使回?zé)嵫h(huán)的單位容積制冷量及制冷系數(shù)比無回?zé)嵫h(huán)高，其條件應(yīng)是即（2-32）如果要使回?zé)嵫h(huán)的單位容積制冷量及制冷系數(shù)比無45（三）單級(jí)蒸氣壓縮式制冷實(shí)際循環(huán)計(jì)算

實(shí)際循環(huán)和理論循環(huán)有許多不同之處，除了壓縮機(jī)中的工作過程以外，主要還有下列一些差別：

1．流動(dòng)過程有壓力損失。

2．制冷劑流經(jīng)管道及閥門時(shí)同環(huán)境介質(zhì)間有熱交換。3．熱交換器中存在溫差。（三）單級(jí)蒸氣壓縮式制冷實(shí)際循環(huán)計(jì)算實(shí)際循環(huán)和46圖2-22實(shí)際循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示圖2-22實(shí)際循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）47換熱器換熱計(jì)算介紹1.2.1冷凝器熱負(fù)荷根據(jù)熱力學(xué)原理，冷凝器的熱負(fù)荷Qk=Q0+Pe，式中，Q0指壓縮機(jī)制冷量，Pe指壓縮機(jī)軸功率。換熱器換熱計(jì)算介紹48

1.2.2水冷式冷凝器設(shè)計(jì)1.2.2.1水冷式冷凝器冷卻水量計(jì)算水冷式冷凝器冷卻水量與冷卻水的進(jìn)水溫度、出水溫度以及冷凝器的熱負(fù)荷有關(guān)。Gw=3.6Qk/[C×(tw2-tw1)]式中Gw——冷卻水流量，m3/hQk——冷凝器熱負(fù)荷，kWC——冷卻水的比熱容，C=4.1868kJ/kg.℃tw1、tw2——冷卻水進(jìn)出冷凝器的溫度，℃代入得Gw=0.86Qk/(tw2-tw1)冷卻水在冷凝器中進(jìn)出口溫差△tw一般選4—6℃，據(jù)經(jīng)驗(yàn)：一般可取5℃，待溫差△tw確定后，即可計(jì)算出冷卻水的質(zhì)量流量。

1.2.2水冷式冷凝器設(shè)計(jì)49

1.2.2.2水冷式冷凝器換熱面積計(jì)算根據(jù)傳熱公式：Qk=KF△Tm

則F=Qk/（K×△Tm）式中K－傳熱系數(shù)W/（m2℃）F－傳熱面積m2Tm－對(duì)數(shù)平均傳熱溫差℃，△Tm=（tw2-tw1）/{ln[（tk-tw2）/（tk-tw1）]}tk－冷凝溫度℃

50演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！51

（二）熱交換設(shè)備

制冷系統(tǒng)的熱交換設(shè)備主要是冷凝器和蒸發(fā)器，它們是制冷劑與外部熱源介質(zhì)之間發(fā)生熱交換的設(shè)備。

（二）熱交換設(shè)備52

⒈冷凝器

用冷凝器將制冷劑從低溫?zé)嵩次盏臒崃考皦嚎s后增加的熱焓排放到高溫?zé)嵩?。冷凝器按冷卻方式空氣冷卻式冷凝器中根據(jù)管外空氣流動(dòng)方式空氣冷卻式水冷式蒸發(fā)冷卻式自然對(duì)流空氣冷卻式冷凝器強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻式冷凝器

⒈冷凝器用冷凝器將制冷劑從低53

圖2-27自然對(duì)流空氣冷卻式冷凝器

圖2-27自然對(duì)流空氣冷卻式冷凝器54

圖2-28空氣強(qiáng)制對(duì)流冷凝器1-肋片2-傳熱管3-上封板4-左端板5-進(jìn)氣集管6-彎頭7-出液集管8-下封板9-前封板10-通風(fēng)機(jī)11-裝配螺釘

圖2-28空氣強(qiáng)制對(duì)流冷凝器1-肋片55

圖2-29氨臥式殼管式冷凝器

圖2-29氨臥式殼管式冷凝器56

圖2-30氟利昂套管式冷凝器

圖2-30氟利昂套管式冷凝器57

圖2-31蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)原理1-通風(fēng)機(jī)2-擋水柵3-傳熱管組4-水泵5-濾網(wǎng)6-補(bǔ)水閥7-噴水嘴

圖2-31蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)原理1-通風(fēng)機(jī)58

⒉蒸發(fā)器

蒸發(fā)器是制冷機(jī)中的冷量輸出設(shè)備。制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，吸收低溫?zé)嵩唇橘|(zhì)（水或空氣）的熱量，達(dá)到制冷的目的。

⒉蒸發(fā)器蒸發(fā)器是制冷機(jī)中59

冷卻空氣的蒸發(fā)器空氣自然對(duì)流時(shí)多采用光盤管結(jié)構(gòu)空氣強(qiáng)制對(duì)流時(shí)采用翅片管結(jié)構(gòu)殼管式沉沒式

冷卻液體（水或其它液體載冷劑）的蒸發(fā)器

冷卻空氣的蒸發(fā)器空氣自然對(duì)流時(shí)殼管式冷卻液體（水或其它液60

圖2-32臥式滿液式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

圖2-32臥式滿液式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)61

圖2-33干式殼管蒸發(fā)器

圖2-33干式殼管蒸發(fā)器62

圖2-34空氣強(qiáng)制對(duì)流的蒸發(fā)器及其肋片管型式a)蒸發(fā)器b)繞片管c)套片管1-傳熱管2-肋片3-擋板4-通風(fēng)機(jī)5-集氣管6-分液器

圖2-34空氣強(qiáng)制對(duì)流的蒸發(fā)器及其肋片管型式63

第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工基礎(chǔ)自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅；但能量可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)，且在能量的轉(zhuǎn)化過程中能量的總量保持不變。能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界基本規(guī)律之一。1.1.1制冷與低溫原理的熱力學(xué)基礎(chǔ)1.熱力學(xué)第一定律

第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工基礎(chǔ)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然64

用符號(hào)U表示，單位是焦耳（J）熱力學(xué)能1kg物質(zhì)的熱力學(xué)能稱比熱力學(xué)能用符號(hào)u表示，單位是焦耳/千克（J／kg）比熱力學(xué)能熱力學(xué)能熱力學(xué)能和總能熱力狀態(tài)的單值函數(shù)。兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。狀態(tài)參數(shù)，與路徑無關(guān)。

用符號(hào)U表示，單位是焦耳（J）熱力學(xué)能1kg物質(zhì)的熱力65

工質(zhì)的總儲(chǔ)存能內(nèi)部?jī)?chǔ)存能外部?jī)?chǔ)存能熱力學(xué)能總能動(dòng)能位能E－總能，Ek－動(dòng)能Ep－位能E=U+Ek+Ep

(1-2)內(nèi)部?jī)?chǔ)存能和外部?jī)?chǔ)存能的和，即熱力學(xué)能與宏觀運(yùn)動(dòng)動(dòng)能及位能的總和。若工質(zhì)質(zhì)量m，速度cf，重力場(chǎng)中高度z宏觀動(dòng)能

重力位能工質(zhì)的總能(1-3)

工質(zhì)的總儲(chǔ)存能內(nèi)部?jī)?chǔ)存能外部?jī)?chǔ)存能熱力學(xué)能總能動(dòng)能位能66

能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體有兩種方式作功借作功來傳遞能量總和物體宏觀位移有關(guān)。傳熱借傳熱來傳遞能量無需物體的宏觀移動(dòng)。推動(dòng)功因工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功對(duì)開口系統(tǒng)進(jìn)行功的計(jì)算時(shí)需要考慮這種功。推動(dòng)功只有在工質(zhì)移動(dòng)位置時(shí)才起作用。力學(xué)參數(shù)cf和z只取決于工質(zhì)在參考系中的速度和高度2.能量的傳遞和轉(zhuǎn)化(1-4)比總能

能量從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體有兩種方式作功借作功來傳遞能67

焓用符號(hào)H表示，單位是焦耳（J）H=U+pV（內(nèi)能+推動(dòng)功）(1-5)比焓

(1-6)

用符號(hào)h表示，單位是焦耳/千克（J／kg）焓是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。焓也可以表示成另外兩個(gè)獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。如：h=f(T,v)或h=f(p,T);h=f(p,v)(1-9)3．焓

焓用符號(hào)H表示，單位是焦耳（J）比焓68

進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加

(1-10)4.1閉口系統(tǒng)的能量平衡4．熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式工質(zhì)從外界吸熱Q后從狀態(tài)1變化到2，對(duì)外作功W。若工質(zhì)宏觀動(dòng)能和位能的變化忽略不計(jì)，則工質(zhì)儲(chǔ)存能的增加即為熱力學(xué)能的增加ΔU

(1-11)熱力學(xué)第一定律的解析式

進(jìn)入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加4.169

圖1-6噴管能量轉(zhuǎn)換圖1-5換熱器能量平衡

工質(zhì)流經(jīng)換熱器時(shí)和外界有熱量交換而無功的交換，動(dòng)能差和位能差也可忽略不計(jì)

1kg的工質(zhì)吸熱量

1kg工質(zhì)動(dòng)能的增加工質(zhì)流經(jīng)噴管和擴(kuò)壓管時(shí)不對(duì)設(shè)備作功，熱量交換可忽略不計(jì)

圖1-6噴管能量轉(zhuǎn)換圖1-5換熱器能量平衡工質(zhì)流經(jīng)70

研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過程進(jìn)行的方向、條件及限度的定律熱不能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體1.制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析熱力學(xué)循環(huán)正向循環(huán)

熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功逆向循環(huán)消耗功循環(huán)除了一二個(gè)不可避免的不可逆過程外其余均為可逆過程?？赡嫜h(huán)是理想循環(huán)。理想循環(huán)2.熱力學(xué)第二定律

研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過程進(jìn)行的方向、條件及限度的定律熱71

熱力學(xué)第二定律涉及的溫度為熱力學(xué)溫度(K)

T=273.16+t

(1-29)

熵是熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)，是判別實(shí)際過程的方向，提供過程能否實(shí)現(xiàn)、是否可逆的判據(jù)。定義式

(1-30)

qrev是可逆過程的換熱量，T為熱源溫度可逆過程1-2的熵增克勞修斯積分

=0可逆循環(huán)＜0不可逆循環(huán)＞0不可能實(shí)行的循環(huán)

熱力學(xué)第二定律涉及的溫度為熱力學(xué)溫度(K)T=273.172

p、T狀態(tài)下的比熵定義為(1-33)2.熱源溫度不變時(shí)的逆向可逆循環(huán)——逆卡諾循環(huán)當(dāng)高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩措S著過程的進(jìn)行溫度不變時(shí)，具有兩個(gè)可逆的等溫過程和兩個(gè)等熵過程組成的逆向循環(huán)。在相同溫度范圍內(nèi)，它是消耗功最小的循環(huán)，即熱力學(xué)效率最高的制冷循環(huán)，因?yàn)樗鼪]有任何不可逆損失。

p、T狀態(tài)下的比熵定義為(1-33)2.熱源溫度不變時(shí)73（一）簡(jiǎn)單單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)計(jì)算單級(jí)理論循環(huán)是建立在以下一些假設(shè)的基礎(chǔ)上的：

（1）壓縮過程為等熵過程，即在壓縮過程中不存在任何不可逆損失

（2）在冷凝器和蒸發(fā)器中，制冷劑的冷凝溫度等于冷卻介質(zhì)的溫度，蒸發(fā)溫度等于被冷卻介質(zhì)的溫度，且冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都是定值（一）簡(jiǎn)單單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)計(jì)算單級(jí)理論循環(huán)是74

（4）制冷劑在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，沒有流動(dòng)阻力損失，忽略動(dòng)能變化，除了蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)的管子外，制冷劑與管外介質(zhì)之間沒有熱交換

（5）制冷劑在流過節(jié)流裝置時(shí)，流速變化很小，可以忽略不計(jì)，且與外界環(huán)境沒有熱交換

（3）離開蒸發(fā)器和進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑蒸氣為蒸發(fā)壓力下的飽和蒸氣，離開冷凝器和進(jìn)入膨脹閥的液體為冷凝壓力下的飽和液體（4）制冷劑在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，沒有流動(dòng)阻力損失，忽略動(dòng)能75

圖2-16理論循環(huán)在T-s圖（a）和lnp-h圖（b）上的表示

按照熱力學(xué)第一定律，對(duì)于在控制容積中進(jìn)行的狀態(tài)變化存在如下關(guān)系：（2-1）

圖2-16理論循環(huán)在T-s圖（a）和lnp-h圖（b）上的76這里，把自外界傳入的功作為負(fù)值。對(duì)上式積分可以得到整個(gè)過程的表達(dá)式：（2-2）

按照式（2-1）和式（2-2），單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)循環(huán)的各個(gè)過程有如下關(guān)系：q0稱為單位制冷量，習(xí)慣上取為正值，在T-s圖上用面積1-5-b-a-1代表，而在lgp-h圖上則用線段5-1表示。這里，把自外界傳入的功作為負(fù)值。對(duì)上式積分可以得到整個(gè)過程的77(2)冷凝過程：

dw=0dq=dhqk=h2-h4

（2-4）

(3)節(jié)流過程：

w=0q=0Δh=0h4=h5

（2-5）

（1）壓縮過程:dq=0,因而

dw=dhw=h2-h1

（2-3）

（4）蒸發(fā)過程：dw=0因而

dq=dhq0=h1-h5=h1-h4

（2-6）(2)冷凝過程：dw=0dq=dh（2-4）(378(2)單位容積制冷量qv(2-8)(3)理論比功w0對(duì)于單級(jí)蒸氣壓縮制冷機(jī)的理論循環(huán)來說，理論比功可表示為(2-9)單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)的理論比功也是隨制冷劑的種類和制冷機(jī)循環(huán)的工作溫度而變的。(2)單位容積制冷量qv(2-8)(3)理論比功w0對(duì)于單級(jí)79(4)單位冷凝熱qk單位（1kg）制冷劑蒸氣在冷凝器中放出的熱量，稱為單位冷凝熱。單位冷凝熱包括顯熱和潛熱兩部分

(2-10)

比較式（2-6）、（2-9）和（2-10）可以看出，對(duì)于單級(jí)壓縮式蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)，存在著下列關(guān)系(2-11)(4)單位冷凝熱qk單位（1kg）制冷劑蒸氣在冷凝器中放出的80(5)制冷系數(shù)

對(duì)于單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)，制冷系數(shù)為

(2-12)

制冷系數(shù)愈大經(jīng)濟(jì)性愈好冷凝溫度越高制冷系數(shù)越小蒸發(fā)溫度越低(5)制冷系數(shù)對(duì)于單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)81（二）液體過冷、氣體過熱及回?zé)釋?duì)理想循環(huán)性能的影響

上面所述的循環(huán)，是單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)的基本循環(huán)，也是最簡(jiǎn)單的循環(huán)。在實(shí)用上，根據(jù)實(shí)際條件對(duì)循環(huán)往往要作一些改進(jìn)，以便提高循環(huán)的熱力完善度。在單級(jí)制冷機(jī)循環(huán)中，這一改進(jìn)主要有液體過冷、吸氣過熱及由此而產(chǎn)生的回?zé)嵫h(huán)。（二）液體過冷、氣體過熱及回?zé)釋?duì)理想循環(huán)性能的影響上82將節(jié)流前的制冷劑液體冷卻到低于冷凝溫度的狀態(tài)，稱為過冷。1.液體過冷帶有過冷的循環(huán)，叫做過冷循環(huán)。采用液體過冷對(duì)提高制冷量和制冷系數(shù)都是有利的將節(jié)流前的制冷劑液體冷卻到低于冷凝溫度的狀態(tài)，稱為過冷。1.83圖2-17過冷循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示(2-14)與無過冷的循環(huán)1-2-3-4-5-1相比，過冷循環(huán)的單位制冷量的增加量為圖2-17過冷循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上84

在圖2-17（a）中，q0以面積5‘-5-b-c表示，在圖2-17（b）中，q0以線段5’-5表示。因兩個(gè)循環(huán)的理論比功w0相同，過冷循環(huán)的制冷系數(shù)比無過冷循環(huán)的制冷系數(shù)要大。(2-15)在圖2-17（a）中，q0以面積5‘-5-852.吸入蒸氣的過熱

壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣的溫度高于吸氣壓力下制冷劑的飽和溫度時(shí)，稱為過熱。具有吸氣過熱的循環(huán)，稱為過熱循環(huán)。圖2-18示出了過熱循環(huán)1-1‘-2’-3-4-5-1的T-s圖和lgp-h圖。圖中1-1‘是吸氣的過熱過程，其余與基本循環(huán)相同。

2.吸入蒸氣的過熱壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣的溫度高于吸氣壓86圖2-18過熱循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示

(2-16)圖2-18過熱循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表87

(2-17)有效過熱循環(huán)的制冷系數(shù)可表示為

(2-18)由制冷劑的T-s圖我們可以得到，在過熱區(qū)，過熱度越大，其等熵線的斜率越大，根據(jù)式（2-17），得

（2-19）(2-88圖2-19有效過熱的過熱度對(duì)制冷系數(shù)的影響過熱度℃R502R600aR290R134aR22NH3045.337.444.444.155.993.03073.965.772.172.986.3131.5表2-2過熱度對(duì)排氣溫度的影響圖2-19有效過熱的過熱度對(duì)制冷系數(shù)的影響過熱度℃R502R89

(2-20)

若不計(jì)回?zé)崞髋c環(huán)境空氣之間的熱交換，則液體過冷的熱量等于使蒸氣過熱的熱量，其熱平衡關(guān)系為

3.回?zé)嵫h(huán)利用回把熱使節(jié)流前的制冷劑液體與壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣進(jìn)行熱交換，使液體過冷、蒸氣過熱，稱之為回?zé)帷?2-20)若不計(jì)回?zé)崞髋c環(huán)境空氣之間的熱交換，則液體過90圖2-21回?zé)嵫h(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）