1.制冷(第一讲)

冷热源工程第一部分冷源---制冷技术第二部分热源---锅炉及热泵第一讲0.制冷技术绪论1.蒸气压缩式制冷的热力学原理1.1理想制冷循环制冷技术绪论•制冷技术方法•制冷技术应用•制冷技术简史1.制冷技术方法•制冷-----人工制冷-----制冷技术概念：使热量从温度较低的物体（或介质）转移到温度较高的周围环境的技术•普通制冷深度制冷低温制冷超低温制冷T＞-120℃-120~-253℃0.3~20kT＜0.3k℃1.制冷技术方法•按工作原理分，常用的制冷技术方法有三种A.蒸气制冷B.空气制冷C.热电制冷A.蒸气制冷----液体气化制冷A.蒸气制冷----液体气化制冷A.蒸气制冷----液体气化制冷•蒸气压缩式制冷-----最广泛用蒸气吸收式制冷-----用热能，三联供蒸气喷射式制冷-----用高压蒸气•制冷剂----制冷工质•制冷机----实现制冷过程的技术设备A.蒸气制冷----液体气化制冷B.空气制冷----气体膨胀制冷B.空气制冷----气体膨胀制冷C.热电制冷----半导体制冷•1821年德国Seebeck发现了温差电效应，后称Seebeck效应，用于热电偶测温度C.热电制冷----半导体制冷•1834年法国Peltter发现了Peltter效应制冷效应直到半导体的发现和应用才使温差电制冷成为现实热电堆使热电制冷达到实用化放放C.热电制冷----半导体制冷其它制冷技术•磁制冷•电化学制冷•热声制冷•脉冲管制冷•（吸附制冷）•（太阳能喷射式制冷）磁制冷磁热效应MagnetoCaloricEffect•1918年Weiss发现了磁热效应,1926debye•1933年Giauque用等温磁化和绝热退磁方法获得了1K以下的低温。MagnetoCaloricEffect磁化放热，去磁吸热。磁制冷原理示意图1926Debye1927GiauqueGd材料1976Brown2.制冷技术应用•空调冷源（没有制冷就没有空调）•食品冷冻冷藏（冷库、冷柜、冰箱）•现代化工业技术、农业技术、高新技术•医疗、医药、生物工程•军事、能源、航空航天•科学研究3.制冷技术简史-制冷机•1834年英国Perkins（美国人）造出了世界上第一台制冷机（乙醚，活塞，手动）•1844年法国克雷姆、杰热尔提出设想美国Gorrie空气膨胀制冷机•1859年法国Carre吸收式制冷机•1875年德国Linde氨压缩式制冷机•1910年法国Lehlanc蒸气喷射式制冷机•1918年美国考布兰第一台电冰箱•1922年美国Carrier离心式制冷机3.制冷技术简史-制冷剂•1928年以前：乙醚，CO2，SO2，氨，水•1929年美国Midgley发现了Freon•1974年美国Molina和Rowland发现部分Freon消耗臭氧•1987年UNEP蒙特利尔议定书2010•1993年HCFC限用----禁用20303.制冷技术简史（我国）•1954造出第一台制冷压缩机（活塞式，氨）•1966溴化锂吸收式制冷机•1966离心式制冷机（丙烯）•1967蒸气喷射式制冷机•1971螺杆式制冷机•1976全封闭式制冷压缩机•1980’s滚动转子式制冷压缩机•1993涡旋式制冷压缩机•2011年12月格力造出中国第一台直流变速离心式冷水机组:全球首台双级高效变频离心式冷水机组COP=6.73IPLV=11.2拥有完全的自主知识产权！国际领先水平！3.制冷技术简史（我国）技术地位与发展•1999年全世界最著名科学家评出：20世纪对人类社会产生重大影响的20项科学技术，“制冷空调技术”排在第10位。2000年以来：中国是制冷技术大国，正在向制冷技术强国阔步前进.制冷设备制造规模日益扩大，制冷技术水平已是国际水平，有些方面已达国际先进水平.本课程的教与学•教学过程严格遵守学校及学院的规定和纪律，不缺课、不迟到•重用《工程热力学》《热质交换原理与设备》《流体力学》《传热学》等•教学互动、讨论课、习题课，学会学习•要求有：1.课程学习笔记本；2.作业本；3.平时成绩：上课、讨论、作业、笔记制冷技术•空调用制冷技术•本课程教学-----专业入门教育•基本概念，基本理论，基本方法；设备组成，工作流程，工程应用。打好基础，联系实际，面向未来。1.蒸汽压缩式制冷的热力学原理1.1理想制冷循环1.1什么是理想制冷循环？理想制冷循环就是逆卡诺循环：两个等温过程+两个等熵过程等温蒸发等熵压缩等温冷凝等熵膨胀理想制冷循环（逆卡诺循环）膨胀机压缩机蒸发器冷凝器3214吸热放热消耗功获得功14321wqqk01.1理想制冷循环逆卡诺循环循环过程每一制冷循环，1kg制冷剂从低温热源传给高温热源的总热量为：制冷系数为：wq0图1-2逆卡诺循环Tk΄3214∑wbaq0TsT0΄∑wwqqk0))((0bakecssTT)(00bassTq00TTTkc200)(TTTTkkc理想制冷循环所消耗的功量：制冷量：制冷系数：被冷却物温度的变化比冷却剂温度的变化对制冷系数的影响要大：200)(TTTTkkckccTT0图1-2逆卡诺循环Tk΄3214∑wbaq0TsT0΄∑wwq01wqk利用制冷循环获得供热效果的装置称为热泵，热泵的经济性用供热系数μ表示。图1-2逆卡诺循环Tk΄3214∑wbaq0TsT0΄∑wwqqk0制冷：wqqk0wqqk0制热：wq0)(000damadissTdsTq劳仑兹循环图从冷源吸收的热量：)(cbkmcbkikssTdsTqmkmmklTTTqqqwq00000向热源放出的热量：制冷系数：sT∑wcdbasasdT'0mT'kmT'kiT'0i图1-3劳仑兹循环传热有温差的理想制冷循环---劳仑兹循环1.蒸汽压缩式制冷的热力学原理1.2理论制冷循环理论制冷循环原理图condenserevaporatorExpansionvalvecompressor膨胀阀蒸发器压缩机冷凝器•理论制冷循环过程的组成及特点等压蒸发+等熵压缩+等压冷凝+等焓节流蒸发器压缩机冷凝器节流阀有温差干压缩有温差绝热0TsTkT032412΄opkp4΄a΄abb΄ΔwcΔq΄0Δq0weq01΄q0qk1234压缩机膨胀阀冷凝器蒸发器理论制冷循环不同于理想制冷循环的三个特点：（1）用膨胀阀代替膨胀机；（2）蒸气的压缩在过热区进行，而不是在湿蒸气区内进行；（3）两个传热过程均为等压过程，并且具有传热温差。理论制冷循环有两部分损失：（1）节流损失。节流过程3--4是不可逆过程，制冷剂吸收摩擦热，产生无益气化，降低有效制冷能力。每1kg制冷剂蒸发所能吸收的热量减少量可用面积44'b'b4表示；（2）损失了膨胀功we。在制冷循环中每一千克消耗的功量就是压缩机的耗功量，比理想制冷循环多消耗功量we。可用面积034‘0表示。（1）压缩机吸入湿蒸气时，低温湿蒸气与热的汽缸壁之间发生强烈热交换，特别是与汽缸壁接触的液珠更会迅速蒸发，占据汽缸的有效空间，致使压缩机吸入的制冷剂质量大为减少，制冷量显著降低。（2）过多液珠进入压缩机汽缸后，很难立即气化，这样，既破坏压缩机的润滑，又会造成液击，使压缩机遭到破坏。湿压缩过程的两个缺点实现干压缩过程的两种措施（1）采用可调节制冷剂流量的节流装置，使蒸发出口的制冷剂为饱和蒸气或过热蒸气；（2）在蒸发器出口增设气液分离装置，气体制冷剂进入其中，速度降低，气流运动方向改变，使气流中混有较重的液滴分离并沉于分离器底部，再返回蒸发器，分离器上部的饱和蒸气则被吸入压缩机。蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算0TsTkT032412΄opkp4΄a΄abb΄ΔwcΔq΄0Δq0weq01΄q0qk1234压缩机膨胀阀冷凝器蒸发器hPT等温线P等压线S等熵线v等容线x=0x=0.1x=1h等焓线KP-h图的构成压焓图上的六种线•等压线PressurePLgP•等焓线Enthalpyh•等温线Temperature•等熵线Entropy•等容线Volume•等干度线Quality•饱和液体线SaturatedLiquid•饱和蒸气线SaturatedVaporR134aLgP-h图R134aLgP-h图R410ALgP-h图R404A压焓图Lnp-h图与热力计算Ts122‘34ph122‘34cqw00qg应用工程热力学的P-H图→计算014qhh32hhqk12hhwc43hh0ckwqq001421ththcqhhPwhh图1-7例题1-1图lgph1234'4tk=40℃t0=4℃)/(410kgkJhhq)/(32kgkJhhqk)/(43kgkJhh（一）压焓图的应用蒸发器中等压吸热过程，单位质量制冷剂的制冷能力为：)/(12kgkJhhwc)/(0kgkJqqwkc冷凝器中等压放热过程，单位质量制冷剂的冷凝负荷为：单位质量制冷剂被绝热压缩时，压缩机的耗功量为：节流前后，制冷剂的焓值不变，即：从压焓图上可以明显看出：图1-7例题1-1图lgph1234'4tk=40℃t0=4℃)/(314110mkJvhhvqqv)/(00skgqMr)/(301smqMVvrrkWhhMqMrkrk)(32（二）蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算（1）制冷剂单位质量制冷能力q0和单位容积制冷能力qv式中ν1--压缩机入口气态制冷剂的比容，m3/kg。（2）制冷剂的质量流量Mr及体积流量Vr式中φ0--制冷系统的制冷量，kJ/s或kW。（3）冷凝器的热负荷φk图1-7例题1-1图lgph1234'4tk=40℃t0=4℃kWhhMwMPrcrth)(12124100hhhhwqPcthth1thcthR或1232hhhhwqPckthkth（4）压缩机的理论耗功率Pththth1（5）理论制冷系数εth（6）制冷效率ηR对于热泵系统，热泵的理论供热系数μth可简化为：图1-7例题1-1图lgph1234'4tk=40℃t0=4℃供热效率790.015.273151.60kkcthHttt【例题1-1】某空气调节系统需冷量20kW，采用R22为制冷剂的蒸汽压缩式制冷循环。已知：蒸发温度t0=4℃，冷凝温度tk=40℃，无再冷，而且压缩机入口为饱和蒸气，试进行制冷理论循环的热力计算。图1-7例题1-1图lgph1234'4tk=40℃t0=4℃【解】根据已知工作条件，从R22压焓图上可查出各状态点的状态参数如下：状态点温度（℃）绝对压力（MPa）比焓（kJ/kg）比熵[kJ/(kg.K)]比容（m3/kg）14.00.5661406.51.74500.04159256.31.5336431.01.7450--340.01.5336249.71.1665--4‘4.00.5661204.71.0170.000788844.00.5661249.7--0.00988计算状态点4的状态参数，需应用该压力下饱和液态点4’的状态参数，见上表。2227.07.2045.4067.2047.249'41'444hhhhx)0007888.004159.0(2227.00007888.0)('414'44vvxvvskgqMr/1275.08.1562000kgm/00988.03kgkJhhq/8.1567.2495.406410310/3.377104159.08.156mkJvqqv单位质量制冷能力单位容积制冷能力制冷剂质量流量图1-7例题1-1图lgph1234'4tk=40℃t0=4℃制冷效率smvMVrr/005303.004159.01275.031制冷剂体积流量冷凝负荷kWhhMqMrkrk1