《制冷技术》课件

1.1概述1.1.1什么是制冷技术？是研究和处理低温工程问题、满足人们对低于环境温度的空间或低温条件的需要而产生和发展起来的一门学科。1.1.2制冷技术应用范畴1.空调制冷技术2.普通制冷技术3.冷藏冷冻技术4.低温制冷技术5.超低温制冷技术1.1.3制冷技术面临挑战1.实现CFCs和HCFs的完备替代，保护大气臭氧层免遭破坏和抑制温室效应2.改善制冷空调设备和系统效率,提高节能减排效果3.高新技术在制冷和空调系统中应用1.2制冷技术内容1.2.1制冷定义制冷（refrigeration）是用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或流体降温，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。注意：1.制冷是将被冷却物体温度降到低于环境温度的过程。2.制冷是将热量由低温转移到高温的过程。3.制冷是消耗能量的过程。4.制冷由制冷机械和制冷剂循环来实现。1.2.2制冷技术重点1．制冷方方式多样化及其特点2．制冷循环热力学分析和计算（log-p图使用）3．制冷剂特性4．制冷机械设备性能及节能5．制冷装置自动化和智能化技术（机电一体化）1.2.3制冷温度划分1.普通制冷:温度高于120K深度制冷：温度在120～20K低温制冷：温度在20～O.3K超低温制冷:温度低于0.3K2.作用：（1）根据制冷技术学科的温度特点去探索和应用。（2）表明制冷温度范围不同，制冷方式，原理、制冷工质和设备性能间有差别。1.3制冷方法简介本课程简要介绍以下几种制冷方式：（1）蒸气压缩式制冷（2）蒸气喷射式制冷（3）吸收式制冷（4）吸附式制冷（5）空气膨胀制冷（6）热电制冷1.3.1蒸气压缩式制冷1.工作原理：（1）利用制冷剂气、液相变完成热量转移；（2）利用机械式地压缩和膨胀完成制冷剂相变而制冷。2.制冷设备与制冷剂相匹配：3.蒸气压缩式制冷系统：1—蒸发器2—节流装置3—冷凝器4—压缩机5—原动机4.特点：（1）系统结构简单，使用方便（2）制冷循环效率较高（3）能量调节灵活，制冷温度范围广（4）机电一体化程度较高（5）各种压缩机适应性能好（6）制冷温度过低时单级制冷循环效率较低1.3.2蒸气喷射式制冷1.工作原理：（1）高压工作蒸气引射制冷剂低压蒸发而制冷（2）低压工作蒸气与制冷剂蒸气混合后扩压冷凝（3）消耗热能产生高压工作蒸气（4）工作蒸气与制冷剂为相同工质2.蒸气喷射式制冷循环示意图1—喷射器(a一喷嘴b一扩压器c一吸人室)，2—冷凝器3—压力锅炉，4—制冷剂泵，5—节流装置6—冷媒水泵7—蒸发器，8—空调用户末端系统3.特点：（1）制冷循环结构简单，加工方便（2）没有运动部件，可靠性高（3）能利用一次能源（4）不足之处是所需工作蒸气的压力高，喷射器流动损失大而效率低（5）喷射器增压与蒸气压缩式循环相结合使用，提高效率1.3.3吸收式制冷1.吸收原理：利用吸收剂吸收气化的制冷剂蒸气，制冷剂气化带走气化潜热而产生制冷效应。吸收了制冷剂蒸气的吸收剂在发生器中消耗热能而释放出制冷剂蒸气，重新恢复吸收能力。2.吸收对：吸收式制冷中吸收蒸气的介质叫吸收剂，被吸收蒸气是制冷剂。二者称为吸收对。吸收剂沸点高，制冷剂沸点低。二者组成非挥发性溶质溶液。例：溴化锂—水、水—氨等。3.溴化锂吸收式制冷示意图：1—溶液泵2—发生器3—冷凝器4—制冷剂节流装置5—蒸发器6—吸收器7—吸收剂节流装置4.溴化锂吸收式制冷原理图：（1）制冷剂循环由3、4、5、6、1和2组成。工作时，外界热量给2内稀溶液加热沸腾发生出高压制冷剂蒸气进3，被冷却冷凝为液体，制冷剂液体经4节流后到5内蒸发产生制冷效应。低压制冷剂蒸气进入6内由浓吸收剂吸收。（2）吸收剂循环由2、7、6、1组成。工作时，2内稀溶液被加热蒸发出制冷剂蒸气变为浓溶液，经过7节流后到6内吸收从5的制冷剂蒸气变为稀溶液，稀溶液由1增压并送入2加热释放制冷剂蒸气，重变为浓溶液，周而复始循环。1—溶液泵，2—发生器，3—冷凝器，4—制冷剂节流装置5—蒸发器，6—吸收器7—吸收剂节流装置5.特点：（1）以一次能源热能为驱动能源（2）利用低品位热能（废气热、废水热）（3）节约电耗（4）运转部件少，噪音低（5）机组处于真空状态，安全可靠（6）采用冷热电联产运行，提高能源利用效率1.3.4吸附式制冷1.吸附原理：固体微孔材料具有吸附气体的特性。不同固体吸附剂对不同制冷剂气体产生吸附效应。吸附能力随吸附剂温度而变化：降低吸附剂温度吸附能力增强（吸附）；升高其温度吸附能力减弱（脱附）。2.吸附对：吸附式制冷中吸附蒸气的固体叫吸附剂，被吸附蒸气是制冷剂。二者称为吸附对。例：沸石—水、硅胶—水、活性碳—甲醇、金属氢化物—氢等3.吸收式和吸附式的区别（1）相同点：二者均利用制冷剂相变（蒸发和冷凝）传递热量，均利用工质对相互作用制冷。（2）相异点：吸附式制冷利用固体介质吸附制冷剂蒸气，并通过降温和升温来进行吸附和脱附过程，完成制冷；吸收式制冷利用液体吸收剂来吸收制冷剂蒸气，并通过发生和吸收过程使吸收剂浓、稀变化，完成制冷。4.吸附式制冷系统示意图1—蒸发器2—冷凝器3—吸附床截止阀A、B、C、D、E、F5.吸附式制冷工作原理：（1）吸附：阀门A、B、E、F关闭，阀门C、D打开。基本吸附单元中吸附床吸附制冷剂蒸气，蒸发器内制冷剂蒸发，从载冷剂（低温热源）中吸收热量，相当于蒸气压缩式制冷中制冷剂节流降压和蒸发吸热过程；（2）脱附：阀门A、B、E、F打开，阀门C、D关闭。外界加热热量予吸附床，被吸附气体脱离吸附剂，通过冷凝器凝结向冷却流体（高温热源）释放热量，相当于蒸气压缩式制冷中制冷剂蒸气由“压缩机”升压后在冷凝器中放热过程。6.特点：（1）利用热源驱动，可适应高、低品位热量（2）可利用余热、废热和可再生能源（3）系统简单，无运动部件，运行可靠性高（4）选用对环境污染小的吸附对（5）系统间歇性制冷（6）制冷效率不高（7）发生在同一吸附床的间歇性吸附和脱附的彻底性决定了传热传质特性和制冷效率。1.3.5空气膨胀制冷1.工作原理：k1kpTT低高p低高理想气体（空气）膨胀后温度降低，取决于：压缩比、膨胀前温度和绝热指数2.空气膨胀制冷系统示意图1—空气压缩机，2、4、5—截止阀，3—被冷却空间，6—膨胀机，7—空气冷却器3.特点：（1）可运用到冷藏冷冻装置和空气调节系统（2）用于空调时，可采用开式循环或者闭式循环。开式循环中，既节省换热器，又采用冷热气体直接混合，减小温差传热，提高循环效率（3）以空气为制冷剂，对大气没有污染（4）空气比热小，制冷效率低（5）气气热交换效果欠佳1.3.6热电制冷1.热电效应（帕尔帖（Peltire）效应）：电流流过两种不同导体界面时，冷端从外界吸收热量，热端向外界放出热量。dQpldIP型半导体（空穴型）和N型半导体（电子型）材料用金属材料连接，形成热电制冷基本电偶。其叠加帕尔帖系数为：toPN直流电路中，电2.热电制冷原理：流I的电子由金属板5流向P型半导体材料时，电子与该材料内部空穴产生复合效应而放出热量；当电子离开P型材料进入金属板1时电子和空穴产生离解效应而吸收热量。结果在金属板1左侧吸收热量Q01而制冷，形成冷端；在金属板5左侧放出热量Qk1，形1、3、5—金属板节点，2—电臂之一（N型材料），4—直流电源，6—电臂之二（P型材料）成热端。右边N型材料相同。3.特点：（1）装置没有机械运动部件，可靠性能好（2）噪音低（3）对环境无污染（4）灵活性强、使用方便，适合于微型制冷领域或特殊要求用冷场合（5）受热电材料特性限制，热电制冷效率较低（6）热电材料价格较昂贵（7）使用直流电源，整流设备增加体积和成本1.4热泵技术简介1.4.1热泵：人工地将热量从低温环境传送到被加热对象中，并维持加热对象温度不变的泵热设备。也叫制热过程。1.4.2热泵与制冷同、异点：1.相同：热泵和制冷的热力学循环相同，制冷系统可兼顾热泵系统。2.相异：（1）使用目的不同。目的是将被冷却对象的热量转移，保持该温度低于大气环境温度，即：制冷机。目的是将环境热量转移到高于环境温度的被加热对象中，并保持这个高温条件，即：热泵。（2）工作温度区间不同。●制冷循环将大气环境作为高温热源而放热，工作温度范围在大气环境和被冷却对象温度（低温热源）之间。●热泵循环把大气环境作为低温热源而吸取热量，工作温度范围在大气环境和被加热对象温度（高温热源）之间。●如果从低温热源吸取热量而制冷，向高温热源排出热量，该循环完成制冷和制热两种功能，该装置是制冷机和热泵的综合。1.4.3热泵循环系统：1—止回阀，2—板式换热器，3—四通换向阀，4—回热型汽液分离器，5—压缩机，6—空气侧换热器，7—贮液器，8—截止阀，9—干燥过滤器，10—电磁阀，11—视液镜，12—单向膨胀阀1.5制冷中的热力学可逆的正向卡诺热机循环。由热力学第一定律消耗能量QgWQW1.5.1热机循环效率：热力循环效率定义为单位消耗热量所得到的输出功率：HQWg由热力学第二定律，两个恒温热源间的可逆循环，循环熵增为零：QgQWTgTa整理上式，得：HW1TaQTgg1.5.2制冷循环性能系数所获效益1.定义：性能系数(COP)所耗能量2.制冷系数（消耗二次能源）：cQ0W3.热力系数（消耗热能）：Q0Qg4.制冷系数热力学推导（二次能源）：可逆的逆向卡诺热机循环。由热力学第一定律；QkWQ0由热力学定二定律，在两个恒温热源之间工作的可逆循环，完成一个循环的熵增为零：QkQ0TaT0整理上述公式，得：Q01WTa/T015.结论：上式对任何可逆制冷循环均适宜。分析：1）工作在两个恒温热源间的可逆制冷循环，仅与热源温度有关，与系统所用的制冷剂性质无关；2）制冷系数值与两个热源高、低温度的比值相关。高温热源温度越低，低温热源温度越高，制冷系数越高，说明系统循环效率高。反之亦然；3）制冷系数值最大，表明输入单位功所得制冷量最多。6.制冷系数热力学推导（一次能源）：由热力学第一定律：QkQdQ0由热力学定二定律，可逆循环的熵增为零：QQQdk0TaTTd0整理后，得：Q11TH0aQTa/T01Tdd7.结论：（1）热力系数和制冷系数的关系是后者乘以热机效率等于前者。即：以热量驱动的制冷循环等价于将驱动热源的热量经过一个热机转换为机械能，再用机械能带动该制冷循环；（2）要提高制冷循环的热力系数，除了降低高温热源温度Ta、提高低温热源温度T0、提高制冷系数外，还要提高驱动热源温度Td以提高热能转换机械能的效率。反之亦然；（3）热力系数与Ta、T0、Td等温度有关，与制冷剂和可逆循环方式无关；（4）热力系数值最大，单位热量的制冷量最多。1.5.3制冷循环热力完善度1.定义：热力完善度实际循环性能系数可逆循环性能系数2.消耗二次能源热力完善度：r3.消耗一次能源热力完善度：r1.5.4制冷系数和热力完善度经济性：（1）相同点：制冷系数和热力完善度均反映制冷循环经济性；（2）不同点：制冷系数与循环中传热温差、制冷剂特性以及系统损失有关，是衡量制冷机械经济性的绝对值。热力完善度是度量一个实际制冷循。环与可逆制冷循环的比值，表示制冷机械实际循环效率与可逆循环理想值的差异程度，是一个相对值。在任意热源工作条件、任一机型之间均具有可比性。（3）制冷系数COP值可以大于1、小于1或等于1，而热力完善度值永远小于1。1.5.5制冷系数和制热系数关系：1.制冷系数：Q0cW2.制热系数：QWQ01chkWW制冷机械的制冷系数值可以大于1、小于1或等于1，而制热系数值恒大于1。