制冷的基本知识

2017-9-221第2章制冷的基本知识——本章问题o制冷的方法和技术分类包括哪些？o同温限间制冷系数最大的循环是什么？o空调工程中制冷的基本理论循环是什么？o理论循环与实际循环的主要差异是什么？o蒸气压缩式制冷循环压缩比过大的影响及解决措施？o较低的蒸发温度如何达到？2017-9-222第2章制冷的基本知识p2.1概述p2.2理想制冷循环p2.3蒸气压缩式制冷的理论循环p2.4蒸气压缩制冷的实际循环p2.5两级压缩制冷循环p2.6复叠式压缩制冷循环2017-9-2232.1概述o基本概念o制冷方法o制冷技术分类2017-9-224一、基本概念1.制冷：通过人工的方法，把某物体或某空间的温度降低到低于周围环境的温度，并使之维持在这一低温的过程。实质：热量的转移过程理论基础：工程热力学理论——研究各种形式能量之间的转换规律。2017-9-2252.制冷机：实现人工制冷的设备组合。特点：耗能——电能、热能、太阳能、或其它形式能。3.制冷剂：制冷机中把热量从被冷却介质传给环境介质的内部循环流动的工作介质。4.制冷循环：在制冷机中，制冷剂周而复始吸热、放热的流动循环。一、基本概念5.工况：设备在一定条件下的工作状况，即各个参数之间的相互关系。2017-9-226二、制冷方法（物理方法和化学方法）1.相变制冷2.气体绝热膨胀制冷3.热电制冷（半导体制冷）4.吸附式制冷2017-9-227实质：利用物相变化过程中热量的转移来实现制冷可供利用的物相变化：固体转变为液体液体转变为气体固体转变为气体1.相变制冷2017-9-2281.相变制冷1）融化制冷2）气化制冷3）升华制冷蒸气压缩式制冷吸收式制冷蒸气喷射式制冷干冰制冷常被用在人工降雨和医疗中2017-9-2292017-9-22102017-9-22112017-9-22122017-9-22132017-9-22141－喷射器（α－喷嘴b－扩压器c－吸入室）2－冷凝器3－蒸发器4－节流阀5、6－泵2017-9-22152.气体绝热膨胀制冷理论基础：焦耳——汤姆逊效应实现：节流效应过程描述：将高压气体做绝热膨胀，使其压力、温度下降，利用降温后的气体来吸取被冷却物体的热量从而制冷。2017-9-22162.气体绝热膨胀制冷实际气体的等焓节流膨胀0JT节流时温度降低=0JT节流时温度不变0JT节流时温度升高冷效应零效应热效应2017-9-22172.气体绝热膨胀制冷部分气体的最高转化温度气体最高转化温度(K)气体最高转化温度(K)He445CO652H2205Ar794Ne250O2761N2621CH4939空气603CO21500NH319942017-9-22183.热电制冷（半导体制冷）珀尔帖效应：两种不同金属组成的闭合电路中接上一个直流电源，发现在一个接合点变冷(吸热)，另一个接合点变热(放热)。2017-9-22193.热电制冷（半导体制冷）2017-9-22204.吸附式制冷原理：一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用。吸附能力随吸附温度的不同而不同。周期性地冷却和加热吸附剂，使之交替吸附和解析。解析时，释放出制冷剂气体，并使之凝为液体；吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用。2017-9-2222图中示出一个利用太阳能驱动的沸石-水吸附制冷系统原理。它包括吸附床、冷凝器和蒸发器，用管道连接成一个封闭的系统。吸附床是充装了吸附剂（沸石）的金属盒；制冷剂液体（水）贮集在蒸发器中。白天，吸附床受到日照加热，沸石温度升高，产生解吸作用。从沸石中脱附出水蒸气，系统内的水蒸气压力上升，达到与环境温度对应的饱和压力时，水蒸气在冷凝器中凝结，同时放出潜热，凝水贮存在蒸发器中。夜间，吸附床冷下来，沸石温度逐渐降低，它吸附水蒸气的能力逐步提高，造成系统内气体压力降低，同时，蒸发器中的水不断蒸发出来，用以补充沸石对水蒸气的吸附。蒸发过程吸热，达到制冷的目的。4.吸附式制冷2017-9-22244.吸附式制冷特点：制冷剂蒸发吸收热量制冷气体制冷剂回复液体状态利用吸收或吸附方式2017-9-22254.吸附式制冷Ø吸收式制冷循环Ø吸附式制冷循环双组分工质对固—液工质对介质：2017-9-22264.吸附式制冷比较成熟的工质对及其使用范围2017-9-2228三、制冷技术分类原则：不同的制冷类型，可制取不同的温度范围，所采取的制冷方法、制冷剂、制冷设备也不相同。2017-9-2229编号名称分子式分子量M标准沸点℃凝固温度℃临界温度℃临界压力MPaR-12二氟二氯甲烷CF2Cl2120.91-29.75-157.1112.04.14R-22二氟一氯甲烷CHF2Cl86.47-40.81-157.496.14.99R-134a四氟乙烷CF3CH2F102.03-26.07-103.3101.14.06R-600a异丁烷C4H1058.12-11.67-159.6134.73.64R-717氨NH317.03-33.33-77.7132.311.33R-744二氧化碳CO244.01-78.40-56.631.07.382017-9-2230低温温度范围制冷的温度范围是从环境温度开始，一直可达接近绝对零度即0Ｋ2017-9-2231三、制冷技术分类普通制冷（普冷）低于环境温度至～-100℃(173K)制冷温度深度制冷（深冷）-100(173K)～-200℃(73K)低温制冷（低温）-200(73K)～-268.95℃(4.2K)极低温制冷低于4.2K冷库制冷技术空调用制冷技术空气分离的工艺用制冷技术2017-9-2232热泵型窗式空调器热泵型窗式空调器工作过程分体壁挂式空调风冷热泵制冷机动画演示2017-9-22332017-9-22342.2理想制冷循环o准备知识o2.2.1无温差传热的逆卡诺循环o2.2.2有温差传热的逆卡诺循环o2.2.3具有变温热源的理想制冷循环——劳伦兹循环2017-9-2235准备知识理论基础：热力学基本定律1.热力学第一定律——能量守恒和转换定律2.热力学第二定律——能量贬值原理不可能把热从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。热量人工制冷：低温物体高温物体外界补偿2017-9-2236准备知识计算工具：2.压焓图一点二线三区五状态1.温熵图一点二线三区五状态2017-9-2237准备知识2017-9-22382.2.1无温差传热的逆卡诺循环1.逆卡诺循环的组成：两个恒温热源两个等温过程两个等熵过程2017-9-22392.2.1无温差传热的逆卡诺循环2.逆卡诺循环的热力学分析1→2等熵压缩→，耗功2→3等温放热，放热3→4等熵膨胀→，做功4→1等温吸热，吸热0TkT1w23kkqTss0TkT2w0014qTss过程分析：sT14232017-9-22402.2.1无温差传热的逆卡诺循环循环结果：l从被冷却介质吸热（单位制冷量）；l向冷却介质放热；l循环净耗功。0qkq120k2017-9-22412.2.1无温差传热的逆卡诺循环3.经济性指标大小只取决于两个热源的温度，与制冷剂的性质无关； ↗或↘↗，循环的经济性越好。0TkT制冷系数：000c0k0k0qqTwqqTT制热系数：00kcc001qwqww2017-9-22422.2.2有温差传热的逆卡诺循环实际情况：传热总存在温差具体分析：0T0TkT吸热过程：制冷剂温度总是低于被冷却物体的温度放热过程：制冷剂温度总是高于环境介质温度kT2017-9-22432.2.2有温差传热的逆卡诺循环1.有温差传热的逆卡诺循环前提：制冷量不变逆卡诺循环：1-2-3-4-1有传热温差的循环：1’-2’-3’-4’-1’耗功量增加：阴影面积TSTK11'2'23'344'T’KT0T’0△TK△T0ab02017-9-22442.2.2有温差传热的逆卡诺循环2.实际循环的描述制冷系数：00cc00qqww在给定的相同温度条件下，无温差传热的逆卡诺循环具有最大的制冷系数。热力学第一定律：2017-9-22452.2.2有温差传热的逆卡诺循环热力学第二定律——不可逆程度热力完善度：cη的大小反映了实际制冷循环接近逆卡诺循环的程度。定义：工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数与逆卡诺循环制冷系数的比值2017-9-22462.2.2有温差传热的逆卡诺循环3.两制冷循环经济性的比较kTkT0T两者、相同：采用与等价两者、不同：只能采用0T2017-9-22472.2.3具有变温热源的理想制冷循环解决问题：吸热和放热过程中，热源温度发生变化达到目的：无温差传热耗功最小实现手段：劳伦兹循环2017-9-22482.2.3具有变温热源的理想制冷循环劳伦兹循环：循环中的两个相变过程变成伴随有降温的定压凝结和伴随有升温的定压蒸发。前提：制冷量不变劳伦兹循环：1-2-3-4-1逆卡诺循环：4’-2’-3’-4-4’2017-9-22492.2.3具有变温热源的理想制冷循环r0mrkm0mTTT经济性指标：制冷系数：热力完善度：0mkmTT——平均吸热温度——平均放热温度2017-9-22502.3蒸气压缩式制冷的理论循环o2.3.1蒸气压缩式制冷的理论循环o2.3.2蒸气压缩式制冷循环在图上的表示o2.3.3蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算2017-9-22512.3蒸气压缩式制冷的理论循环逆卡诺循环难以实现的原因：l蒸发器（4-1）→状态1难以控制，等压下的汽化过程温度不变，干度变化，难以对干度进行控制。l压缩机（1-2）→湿压缩导致液击；压缩机吸气时，湿蒸汽中的液体汽化，使压缩机的吸气量减少，从而引起致冷能力的下降。l膨胀机（3-4）→可逆绝热膨胀的高精度膨胀机难以加工2017-9-22522.3.1蒸气压缩式制冷的理论循环1.理论循环是通过简化条件简化了的实际制冷循环。2017-9-22532.3.1蒸气压缩式制冷的理论循环2.理论循环的基本假设（1）压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中不存在任何不可逆损失（2）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值2017-9-22542.3.1蒸气压缩式制冷的理论循环（3）离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体（4）制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力损失，忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管外介质之间没有热交换（5）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小，可以忽略不计，且与外界环境没有热交换2017-9-22552.3.1蒸气压缩式制冷的理论循环3.流程分析由于循环中蒸发器和冷凝器的出口工质均处于饱和状态，故又称为饱和循环。1—2绝热压缩过程理想情况为定熵过程2—4定压冷凝过程经过饱和蒸汽状态至饱和液体状态4—5绝热节流过程节流前后焓值相等，但为不可逆过程5—1定压蒸发过程2017-9-22562.3.2蒸气压缩式制冷循环在图上的表示1.在温熵图上的表示2017-9-22572.3.2蒸气压缩式制冷循环在图上的表示2.在压焓图上的表示2017-9-22582.3.3蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算热力计算的主要内容：单位质量制冷量单位容积制冷量制冷剂单位流量、体积流量单位功冷凝器单位热负荷制冷系数热力完善度2017-9-22592.4蒸气压缩制冷的实际循环o2.4.1带过冷的蒸气压缩制冷循环o2.4.2带过热的蒸气压缩制冷循环o2.4.3带回热的蒸气压缩制冷循环o2.4.4热交换及压力损失对循环性能的影响o2.4.5运行工况对制冷性能的影响2017-9-22602.4.1带过冷的蒸气压缩制冷循环1.基本概念过冷：液体制冷剂的温度低于其冷凝压力所对应的饱和液体温度。过冷度：液体过冷温度和其冷凝压力所对应的饱和液体温度之差。过冷循环：具有液体过冷的循环称为液体过冷循环。2017-9-22612.4.1带过冷的蒸气压缩制冷循