制冷原理与设备

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第一章 制冷的热力学基础,制冷机、热泵、联合机,按逆向循环工作,据热力学第一定律：向高温热源的放热量等于从低温热源的吸热量与所消耗的功之和。公式表示如下：,制冷机：,热泵：,联合机：,11/6/2024,1,在制冷技术范围内，常用的人工制冷方法有：,相变制冷；气体绝热膨胀制冷；气体涡流制冷；热电制冷等。,11/6/2024,2,第一节 相变制冷,一、物质的相变特性,（一）液体汽化,汽化,吸收汽化潜热,实际制冷循环中，高压液体节流压力降低，产生闪发气体，干度为,x,。此时,1Kg,制冷剂汽化所吸收的热量为：,11/6/2024,3,(,二,),固体的融化与升华,融化：固体变为液体的过程。一般用冰融化吸收潜热制冷。,升华：固体直接变为气体的过程。一般用干冰升华吸收潜热制冷。,在水的三相点温度下，冰可以直接升华为水蒸气。冰升华时的温度与相应的压力有关。见表,1-1,。,图片,表,1,1.tif,11/6/2024,4,11/6/2024,5,冰盐混合物的融化过程可以达到,0,以下的温度。,冰盐冷却所能达到的温度与盐的种类及溶液的浓度有关。见表,1-2,。,图片,表,1,2.tif,溶液冰：由共晶溶液冻结成的冰，也称共晶冰。,11/6/2024,6,在共晶固体未完全融化成液体之前，它的温度是不变的，称为共晶温度。,表,1-3,为一些用于制冷目的的共晶溶液的物理性质。,图片,表,1,3.tif,11/6/2024,7,二,.,压,焓图,在制冷行业中用处最大，用得最多的是压,焓图。,通常使用的压,焓图均用压力取对数作纵坐标。,图上共有六个状态参数，相应有六簇等状态参数曲线。,分别为：,压力,pbar,；比焓,h,kj,/kg,；,温度,t,；比熵,s,kj/kg.K,；,比体积,vm3/kg,；干度,x,无因次,11/6/2024,8,第二节 绝热膨胀制冷,气体制冷机是利用高压气体的绝热膨胀以达到低温，并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制冷。,气体膨胀制冷有三种方式：,1.,高压气体经膨胀机膨胀，有外功输出，温度降大。膨胀机结构复杂，一般气体制冷机均采用。,2.,气体经节流阀膨胀，无外功输出，温度降小，设备结构简单，便于进行气体流量的调整。,3.,绝热放气制冷,在低温制冷机中大量使用，普冷中极少采用。,11/6/2024,9,一,.,有外功输出的膨胀过程,等熵膨胀,温度随微小压力变化而变化的关系即微分等熵效应：,11/6/2024,10,对于理想气体：,11/6/2024,11,实际膨胀过程中，按多变过程膨胀。,理想气体的积分等熵效应由下式确定：,m,多变过程的多变指数。,11/6/2024,12,二,.,节流膨胀过程,如节流过程中气体与环境之间无热量交换，则节流前后焓值保持不变。,节流会产生冷效应、热效应及零效应三种情况，利用节流的冷效应可以制冷。,节流降温但不制冷，节流有摩擦损失。,理想气体：,u,和,pv,仅是温度的函数，所以,h,也是温度的函数。,理想气体节流时，,u=0,；,h=0,；所以 ,T=0,；,对于实际气体,u,、,h,不仅与,T,有关，还与,p,有关。,11/6/2024,13,节流后,p,降低，,T,可能升高、降低或不变。微分节流效应（或焦耳,汤姆逊效应）为：,11/6/2024,14,纯物质在饱和区域内，在相同的压降下具有相同的温差,T,。,因此：,11/6/2024,15,第三节 制冷热力学特性分析,循环可分,正向循环,热机，按顺时针方向进行,逆向循环,制冷机或热泵，按逆时针方向进行。,循环又可分为,可逆循环,不可逆循环,11/6/2024,16,内部不可逆,摩擦、扰动等,不可逆过程包括,外部不可逆,温差传热等,11/6/2024,17,一,.,热源温度不变时的逆向可逆循环,逆卡诺循环,逆向卡诺循环：当高温热源和低温热源的温度不变时，具有两个可逆的等温过程和两个可逆的绝热过程组成的逆向循环，称为逆向卡诺循环。,在相同的温度范围内，逆向卡诺循环是效率最高的制冷循环，无任何不可逆损失。,11/6/2024,18,逆卡诺循环的温熵图如下：,23,过程放热量：,面积,2,3,5,6,2,4,1,过程吸热量：,面积,1,4,5,6,1,11/6/2024,19,据热力学第一定律：,面积,1,2,3,4,1,11/6/2024,20,消耗单位功所获得的制冷量的值，称为制冷系数。,制冷系数与低温热源的温度成正比，与高低温热源的温差成反比。当高低温热源的温度一定时，制冷系数为定值。制冷系数与制冷剂的性质无关。,11/6/2024,21,高低温热源温度变化对制冷系数的影响：结论：,11/6/2024,22,11/6/2024,23,具有传热温差（外部不可逆）的逆向卡诺循环：循环的,T-S,图如下：,11/6/2024,24,如 和 为可逆过程，则循环的制冷系数为：,由卡诺定理得知，总是小于,11/6/2024,25,热力完善度：实际循环的制冷系数与工作于相同温度范围内的逆向卡诺循环的制冷系数之比。其值恒小于,1,。,制冷系数与热力完善度的异同：,1.,两者同为衡量制冷循环经济性的指标；,2.,两者定义不同。制冷系数为制冷循环总的制冷量与所消耗的总功之比。,热力完善度为实际循环的制冷系数与工作于相同温度范围内的逆向卡诺循环的制冷系数之比。,11/6/2024,26,3.,两者的作用不同。制冷系数只能用于衡量两个工作于相同温度范围内的制冷循环的经济性，热力完善度可用于衡量两个工作于不同温度范围内的制冷循环的经济性。,4.,两者的数值不同。制冷系数一般大于,1,，热力完善度恒小于,1,。,11/6/2024,27,二,.,变温热源时的逆向可逆循环,洛伦兹循环,制冷机在实际工作中，被冷却对象和环境介质的温度往往是随着热交换过程的进行而变化的。,图,1-4,表示的循环即为高温热源和低温热源温度变化时的情况。循环为,a-,b-c-d-a,；制冷量为面积：,a-,d-d-a-a,。,11/6/2024,28,如要用一个由两个定温过程和两个绝热过程组成的循环代替，则：,制冷剂向高温热源的放过程为：,b-g,，温度,T,b,；,制冷剂从低温热源的吸热过程为：,d-1,，温度,T,d,；,11/6/2024,29,要获取与循环,a-,b-c-d-a,相同的制冷量，则需进行循环,e-f-g-d-e,。,循环,a-,b-c-d-a,与循环,e-f-g-d-e,比较：,制冷量面积,a-,d-d-a-a,；,a-,d-d-a-a,功耗面积,a-,b-c-d-a,；,e-f-g-d-e,11/6/2024,30,在热源温度变化的条件下，由两个和热源之间无温差的热交换过程及两个等熵过程组成的逆向可逆循环是消耗功最小的循环，即制冷系数最高的循环。,热源温度变化时循环的热力完善度可表示成：,=,/,L,洛伦兹循环制冷系数的计算：可分解成无数个微元循环计算。,11/6/2024,31,见图,1-5,整个循环的制冷系数可表示为：,11/6/2024,32,T,m,及,T,O,是热力学意义上的平均温度。所以,洛伦兹循环的制冷系数等于一个以放热平均温度,T,m,和以吸热,平均温度,T,O,为高低温热源的逆向卡诺循环的制冷系数。,11/6/2024,33,三,.,热能驱动制冷循环,吸收式制冷循环即为热能驱动的制冷循环。实际上为三热源循环。据热力学第一定律：,q,k,=q,H,+q,0,对于可逆制冷机，根据热力学第二定律，在一个循环中熵增为零。,11/6/2024,34,11/6/2024,35,经济性能是以热力系数作为评价指标的。,热力系数：获得的制冷量与消耗的热量之比。用,0,表示。,11/6/2024,36,结论：通过输入热量制冷的可逆制冷机，其热力系数等于工作于,T,a,、,T,0,之间的逆向卡诺循环制冷机的制冷系数与工作在,T,H,、,T,a,之间的正卡诺循环的热效率的乘积，由于后者小于,1,，因此：,0,总是小于,0,。,11/6/2024,37,四,.,压缩蒸汽制冷循环,流程图见图,1-7,。,组成的基本设备：压缩机、冷凝器、节流设备、蒸发器。,进行四个热力过程。,压缩机：对工质进行压缩过程，消耗外功,W,，将工质压力升高；,11/6/2024,38,冷凝器：为换热器，将来自压缩机的高温、高压气体冷却并冷凝成液体。工质对外放出热量,q,k,；,节流设备：将工质压力由冷凝压力降低为蒸发压力，同时温度降低；,蒸发器：也为换热器，经过节流的制冷剂在其中汽化，吸收汽化潜热完成制冷。吸热量为,q,0,；,11/6/2024,39,循环的制冷系数：,q,0,单位质量制冷量。,定义：单位质量制冷剂在一次循环中从低温热源所吸收的热量。,单位压缩功（比功）。,定义：压缩机压缩单位质量的制冷剂所消耗的功。,11/6/2024,40,-,流经压缩机的制冷剂质量流量,Kg/s,；,-,压缩机吸入口处的制冷剂体积流量,m,3,/s,。,q,v,=q,0,/v,1,kj/m,3,q,v,-,单位容积制冷量；,q,v,定义：压缩机每吸入单位体积制冷剂蒸汽（按吸气状态计的体积）所制取的冷量。它仅与制冷剂及吸气状态有关。,11/6/2024,41,五,.,热泵循环,热泵循环与制冷循环的区别：,1.,两者的目的不同。热泵的工作目的是为了获得高温（制热），也就是着眼于放热至高温热源；制冷机的工作目的是为了获得低温（制冷），也就是着眼于从低温热源吸热。,11/6/2024,42,2.,两者的工作温区往往有所不同。由于两者的工作目的不同，热泵是将环境作为低温热源，而制冷机是将环境作为高温热源。对于同一环境温度来说，热泵的工作温区明显高于制冷机。,11/6/2024,43,表明热泵循环经济性的指标为热泵系数，用,表示，其定义为：,=Q,H,/W,Q,H,热泵向高温热源输送的热量；,W,热泵机组消耗的外功。,=Q,H,/W=1+,1,热泵从能量利用的角度比直接消耗电能或燃料获取热量要节能。,11/6/2024,44,