制冷设备原理基础教程

制冷系统原理基础教程（高级版）杨业军2005/4/28常用术语物质、物质的三种状态；温度、温标、摄氏温度、热力学温度，T=t+273.15(K)压力、绝对压力、表压力、真空度；压力的单位：帕(Pa、N/m2)、兆帕(MPa、106N/m2)、标准大气压(atm)、工程大气压(at)，1标准大气压(atm)=1.01x105Pa1工程大气压(at)=0.98x105Pa=98kPa常用术语湿空气：干空气+水蒸气绝对湿度Z=Gc/Vc=pc/(RcTc)(kg/m3)pcVc=GcRcTcpc——水蒸气的分压力(Pa)；Vc——水蒸气的体积(m3)；Rc——水蒸气的气体常数，461J/(kg.K)；Tc——水蒸气的热力学温度(K)；相对湿度Ψ=Z/Zbx100%Ψ——空气的相对湿度，%；Z——绝对湿度，(kg/m3)；Zb——饱和绝对湿度，(kg/m3)；常用术语汽化：沸腾、蒸发；吸收周围介质热量；蒸发器；冷凝：液化；放热；一定压力下，蒸汽的冷凝温度与液体的沸点相同，汽化潜热与液化潜热的数值相同；常用术语露点温度：在压力不变的条件下，空气的含湿量不变时水蒸气达到饱和的温度。结露取决于物体表面温度与空气露点温度这两个参数的相互关系。干球温度、湿球温度；密度、比体积——单位质量的空气占有的体积；热量：物体内能改变的量度，用Q表示，单位为J、KJ。比热容：单位质量的物质温度每升高（或降低）1度时所吸收或放出的热用c表示，单位为kj/(kg.K)。C=c.m.ΔT显热、潜热、溶解热、气化潜热；热力学基本概念——焓内能：工质内部分子能量的总称。焓：焓是一个复合的状态参数，是表征系统中所有的总能量，是工质的内能和压力位能之和，对1kg工质而言，用符号h表示，单位为kJ/kg，适用于气体，甚至液体和固体。,h=e+pv(kJ/kg),e——内能(kJ/kg),p——压力(kPa),v——比体积(m3/Kg)当工质处于某一定状态(p.v.t)时，p、v、e均具有一定的数值，e+Apv也具有一定的数值，故h是一个状态参数，其物理意义是指特定温度作为起点是物质所含的热量。1kg水由0℃升温直至气化需要吸收418.68+2246.9=2665.58kJ/kg的热量，则可称蒸汽在该状态下的焓值为2665.58kJ/kg。通常把0℃的R12和R22液态制冷剂的焓值规定为200kJ/kg，R502和R717液态制冷剂的焓值规定为500kJ/kg。怎样计算湿空气的焓值湿空气的焓值是指与1kg干空气相混合而成的湿空气的显热量与潜热量之总和。即1kg干空气与dkg水蒸气的焓的总和，实际是（1+d）kg湿空气的焓值。统一规定0℃干空气和0℃水的焓值为零，湿空气的焓值可表示为：,h=hg+dhc[kJ/kg(干空气)]，,h、hg——1kg干空气和水蒸气的焓。在工程上，温度为t的干空气的焓可表示为：,hg=Cp.gt=1.01t[kJ/kg(干空气)]Cp.g——干空气的比定压热容[kJ/(kg(干空气)]水蒸气的焓值可用下列经验公式计算：,he=r+Cp.ct=2500+1.84t[kJ/kg(干空气)]湿空气的焓值：,h=1.01t+d(2500+1.84t)[kJ/kg(干空气)]热力学基本概念——熵熵：熵是一个导出的状态参数，是表示工质状态变化时，其热量传递的程度。对1kg工质而言，用符号s表示，单位为。它是通过其它可以直接测量数量间接计算出来的。熵和热量、温度的关系式为：,s=Q/T[kJ/(kg.K)]Q——1kg物质所获得的热量(kJ/kg)；T——物质获得的热量时的热力学温度(K)。因T恒大于0，故熵值增加，表示对这个系统加热；熵值减少，表示系统放热；熵值为0，则说明系统没有与外界进行热交换（绝热过程）。工质熵的变化可以判断工质与外界热交换的方向。熵字的外文意义是转变，指热量可以转变为功的程度，熵小则热能的转变程度高，热能的品位高；熵大则热能的转变程度低，热能的品位低。也可以说熵代表热量的品位。例如：具有同样热量的蒸汽，高压蒸汽可以用来发电，低压蒸汽只能用来一般加热。前者熵小，后者熵大。具有同样热量的热水，110℃的高温水可以用来制冷，80℃的热水不能用来制冷，前者品位高，熵小；后者品位低，熵大。传热学基本概念热量传递的三种基本方式：热传导、热对流、热辐射。热导率：表示某种材料传导热量能力的一个物理量。表面传热系数：表示不同物质（如固体与气体）之间在不同状态下换热能力的物理量。传热系数热扩散率气化与冷凝饱和状态、饱和蒸汽、饱和液体、饱和温度、饱和压力。过冷：在饱和压力的条件下，继续对饱和蒸汽加热，使其温度高于饱和温度，这种状态称为过热，这种蒸气称为过热蒸汽。饱和液体在饱和压力不变的条件下，继续冷却到饱和温度一下称为过冷，这种液体称为过热液体。如果物质气化后，继续吸热，使该气体温度升高，升高后的温度称为过热温度，过热温度与饱和温度之差称为过热度。如果物质液化后，继续放热，使该液体温度下降，下降后的温度称为过冷温度，过冷温度与饱和温度之差称为过冷度。什么是制冷？制冷：利用机械设备把降温对象降到所需温度的方法叫制冷。制冷过程中，热量由低温向高温转移是由于消耗了外界的能量，既靠压缩机做功来实现的。单级压缩制冷循环基本组成要件最简单的制冷系统由四大要件组成：①压缩机；②冷凝器；③节流阀；④蒸发器；制冷循环的蒸发过程蒸发过程通过膨胀阀截流后的低压湿蒸汽，在蒸发器中从周围介质吸热制冷，并逐渐增加其干度。这样，从蒸发器出来的气体就已经成为干饱和蒸汽或稍有过热度的过热蒸汽了。在蒸发过程中，制冷剂的温度和压力保持不变。制冷循环的压缩过程压缩过程完成制冷作用后从蒸发器出来的蒸汽经制冷压缩机压缩后，温度和压力急剧升高。压缩机排出的气体就变成了过热度较大的热蒸汽。压缩气体时，压缩机要消耗一定的压缩功，但制冷剂熵值不变。制冷循环的冷凝过程冷凝过程从制冷机排出的高温高压过热蒸汽，进入冷凝器与冷却水或空气进行热交换，使过热蒸汽逐渐变成饱和蒸汽，进而变成饱和液体。当用冷却水冷却时，饱和液体的温度继续降低，出现过冷。冷凝过程中压力保持不变。制冷循环的四个过程节流过程从冷凝器出来的液体经过膨胀阀被节流，成为低温低压的湿蒸汽。节流过程制冷剂焓值不变。上述四个过程依次不断循环，进而达到制冷目的。PITI制冷过程综述制冷剂工质以液态在蒸发器中吸热制冷，低温液体吸收汽化潜热变成制冷剂气体被压缩机吸入并压缩，被压缩的气体压力和温度都增高，之后流进冷凝器，冷凝器以风冷水冷等形式对制冷剂气体进行冷凝，冷凝后的高温高压液体储存在冷凝器底部及储液器中，冷凝时放出的热量通过风机、水泵等设备带出并散到环境中，当高温高压的液体流经膨胀阀后，以低温低压的液体状态再进入蒸发器吸收汽化潜热而制冷，如此完成制冷循环。电冰箱的制冷原理制冷系统主要由压缩机冷凝器干燥器毛细管和蒸发器所组成。这些部件都是互相焊接，并安装在箱体内的。制冷剂是非常容易蒸发的东西，及使是微小的孔也会漏，就影响冷却系统。电冰箱的制冷原理一般制冷机的绝大多数都是压缩型，吸收型属于少数。压缩型制冷机中的液体制冷剂在蒸发器中蒸发，变成制冷剂气体。这气体被活塞和气缸组成的压缩机压缩后导入冷凝器中，在这里气体再被冷凝器成为液体制冷剂。压缩机中电动机的旋转运动转换为往复运动，气缸中的制冷剂被往复运动所压缩。也就是说压缩机相当于人体的心脏，起到了循环血液的作用。封闭型压缩机的电动机是直接和压缩部分相连接的。压缩机全体成为一个整体装起来，另外为了避免产生热量，以致温度上升，电动机用制冷机油和制冷气体进行冷却，由过负荷防止器进行电路上的保护。封闭式压缩机单级制冷机理论循环原理图1—压缩机2—冷凝器3—蒸发器4—节流阀1234①②③④⑤12345PktkP0t0tgPh单级压缩制冷循环的压焓图0点—蒸发器出口；1点—压缩机吸气口；2点—压缩机排气口5点—节流装置入口；6点—蒸发器入口6-0段：等温等压吸热汽化过程。P0与t0为相对应。两点间的焓差大小主要看蒸发温度的高低。在不影响要求的条件下，应尽量提高蒸发温度以提高制冷量。0-1段：蒸发压力下的吸气过程。这段过热是为压缩机安全运行所必需的。1-2段：等熵压缩过程。2点的温度就是压缩机的排气温度，这两点的焓差是压缩机作功大小的主要参数值。因此应尽量减少两点间的距离才能节约能源。如蒸发温度不变时，尽量降低冷凝压力，可减少功耗。2-3段：等压放热过程。制冷剂气体放出显热，由排气温度t2降至tk，仍为气体。3-4段：制冷剂放出潜热被液化，Pk、tk恒定。此段占冷凝段放热量的80%以上。4-5段：制冷剂液体继续散热（显热）,tk降至过冷温度t5，无相态变化，过冷是提高制冷量的重要措施。5-6段：等焓节流过程。制冷机通过节流装置，Pk降至P0，由郭楞液体变为汽液共存状态，即湿蒸汽状态。12346PktkP0t0tgPh50X=0X=1Pk：冷凝压力tk：冷凝温度P0：蒸发压力t0：蒸发温度单级制冷机理论循环的热力计算单位（质量）制冷量(q0)：1kg制冷机在蒸发器内所吸收的热量，在压焓图中，可用1、5两点的焓差表示。q0=h1-h5=h1-h4(kJ/kg)单位容积制冷量(qv)：1m3制冷机在蒸发器内所吸收的热量。qv=q0/v1=(h1-h4)/v1(kJ/m3)v1—吸气状态时制冷剂的比体积(m3/kg)单位压缩功(w0)：压缩机绝热压缩1kg制冷剂所消耗的功。在压焓图中，可用2、1的两点的焓差表示。w0=h2-h1(kJ/kg)制冷系数(ε)：循环的单位制冷量与单位压缩功之比。ε=q0/w0=(h1-h4)/(h2-h1)单位冷凝热量(qk)：1kg制冷剂在冷凝器中放出的热量。在压焓图中，可用2、4的两点的焓差表示。qk=h2-h4=q0+w0(kJ/kg制冷机循环量、冷凝器热负荷、压缩机的压缩功率、理论的单位功率制冷量活塞式压缩机当曲轴转动，装在曲轴上的连杆也跟着动，这连杆顶部的活塞就在气缸内进行往复活动。活塞到达下端[图2(a)]时，吸气阀开，制冷剂气体通过阀门而进入，制冷剂气体充满汽缸时，吸气阀关闭，活塞到达上端时被压缩机的高温高压的制冷剂气体通过打开后的排气阀而排出。这两个阀门是为了防止制冷剂气体逆流而用的，气体只能单方面流动。旋转式压缩机旋转式压缩机也使用在一部分家用电冰箱中。如上图所示它是通过旋转活塞（转子）和一块固定的叶片与气缸内面相接触而产生的压缩作用。旋转式压缩机由于其优点是能量效率高，小型轻量，所以往往使用于蒸发压力比较高也能发挥能力的家用空调器中。冷凝器冷凝器的作用是将通过压缩机而形成的高温高压气体状制冷剂冷却后变成液体制冷剂。家用电冰箱在电冰箱的背后装有携带方便的小型小容量冷凝器，它用是自然通风来降低温度的方式，但是有些形式的电冰箱却是风扇强迫排风来降低冷凝器的温度。冷凝器在工作时温度会升高，为使电冰箱能够高效率地运转，冷凝器的通风必须良好，以便冷却。为此电冰箱的安放位置一定良好，要和墙壁之间留出适当的距离。新一代的电冰箱采用了内藏式冷凝器，布置在箱体两侧壁的内侧，内藏在隔热层的外侧。因此工作时两侧板会发热，为此应使电冰箱两侧留有适当空间制冷剂制冷剂是在制冷设备中完成制冷循环的工作介质，也称工质。对制冷剂的要求是：价格便宜、无毒、制冷效果好、物理化学性质稳定。其特性：标准大气压下，沸点要低。一般要在-20℃以下。如:R12为-29.8℃，R22为-40.8℃，R717为-33.4℃。冷凝压力低。一般冷凝压力不超过1.17MPa-1.47MPa。可以减少容器耐压强度、减少泄漏、降低压缩机功耗。蒸发潜热大。即单位容积的制冷量大，循环量小。有利于缩小制冷系统规模。化学性质稳定，腐蚀性小。特别是与润滑油不起化学反应。无度、不易燃、不易爆、粘性小、传热性