制冷循环及制冷部件的特性

热力学基本原理 能源产品部 尤乃峰 热力学基本定律 基本概念热力学分析问题的方法 一般是从宏观和微观两个角度 比如 宏观 温度就是物体的冷热程度微观 从分子角度 温度是物质分子运动的剧烈程度 热力学 就是用宏观和微观的方法 研究热能转达化为机械能的方法和规律 以及提高转化效率的途径 我们研究空调重点研究是气态或液态物质 热力学的基本定律 热力学第一定律 能量是可以转换的 可以传递的 能量的总量保持不变 能量守衡定律 Q W物质吸收了热量膨胀 对外界作功把一部份能量传给了外界 热能转化为机械能 是人们在长期的实践中总结出来的原理 没有任何前提假设和推导 具有广泛的意义 热力学的基本定律 热力学第二定律 物质从高温物体吸收热量只能部分作功转化为机械能 剩余部分热量传给低温物体 分析 1 能量传递和转换有方向性 热量从高温物体传向低温物体时是自发的 2 能量传递要有温差 从高温物体吸收热量要有部分送到低温物体 只从单一物体吸收热量全部做机械功是不可能的 本定律与第一定律相互之间独立 也是人们在长期的实践中总结出来的原理 没有任何前提假设和推导 具有广泛的意义 冰棍溶化 在正常的环境温度 0度以上 下 是自发的过程 空调 热量从低温区域传到高温区域 热量传递过程不是自发的 要人为地创造条件 比如舒适性空调夏季我们希望将热量从温度相对较低的居住环境移到温度较高的室外环境 而冬季我们希望将热量从温度相对较低或极低的室外环境传递到温度相对较高的居住环境内 制冷原理 热泵 基本概念 一 物质的热力状态 热力状态有三个基本表达参数 温度T 物质的冷热程度物质的内能U和温度有关体积V 一定质量的物体占有的空间大小 比容 单位质量的物质占有的体积 压力P 即单位接触面积上的承受的压力 基本概念 二 能量 内能 推动功 内能 物质因大量分子剧烈运动而具有的内热能 和由于分子之间有吸力而具有的内位能之和 推动功 物质因流动性而具有的使本身质量迁移的能量 这部份能量我们称之为 推动功 P 压力 V 体积 气体受热膨胀做功有能量形式转化 热能转化为机械能 热力状态也变化 压力P变小 体积V增大 而推动功只有传递 即推动流体前移做功 热力状态也不变 基本概念 三 能量 焓 焓 也是热力状态参数之一H U P V焓 内能 推动功物体流动时 不仅携带有自身的内能 还有从后面得到的推动自身移动的推动功 焓更为全面地概括了物体具有的能量总和 我们衡量某一空调的制冷能力就可以根据蒸发前后制冷剂的焓差来进行精确计算 流体还具有一定的流动速度而具有的动能 和因具有一定的高度而具的势能 但在热力学中占的比例很小 一般可以忽略不计 热力参数之间内在关系 状态方程 压焓图 状态方程 A 理想气体的状态方程 P V T 常数从上式我们可以看出 在一个密闭容器中 温度越高 气体的压力就越大 B 实际气体的状态方程 P a V2 V b R T本公式虽然为实验所得公式 但在实际应用中仍有很高的可靠性和准确性 显热 1kg水从30 加热到80 水吸热了209 38kJ 50kcal 物体吸热或放热后 只改变物体的温度 而不改变物体的相态 这种热量称显热 是物质分子运动的能量 它可以通过温计进行测量 计算某一房间的热负荷时 空气温度高于设定温度而产生的热负荷称为显热负荷 显热的计算公式 潜热 1kg100 水改变成100 的水蒸气需吸热2257 2kJ1kg0 水改变成0 的水蒸气需吸热2501kJ物体吸热或放热时 只改变物体的状态 而物体的温度不变 这种热量称潜热 是物质分子分离与重组放出 吸收 的热量 它不能通过温度计进行测量 计算某一房间的热负荷时 空气湿度高于设定湿度而产生的热负荷称为潜热负荷 潜热的计算公式 显热比 对于某一个房间来说 显热比即该房间的热负荷中显热负荷占总热负荷的百分比 空调的性能参数中描述的显热比则表示该空调的制冷能力中 显冷量占总冷量的百分比 我们对某一特定房间进行空调设备设备选型时 应根据该房间的热负荷的显热比 选择对应显热比制冷能力的空调设备 1kg水的热值比较 一个标准大气压 1 在小于一个标准大气压情况下 水的沸点低于100度 即水的蒸发温度是随着压力而改变的 压力越高 蒸发温度越高 2 一个标准大气压下 当水的温度低于100度时 它一定处于液态 我们称为过冷水 水的温度高于100度 一定处于气态 我们称为过热蒸汽3 蒸发及其逆向的冷凝过程是一个饱和过程 在此过程中温度压力均不变 当水完全蒸发为蒸汽后 如果继续加热 水蒸气的温度将继续升高 这时对应于其饱和温度来说我们称为过热蒸汽 制冷剂的状态变化 1 水也是制冷剂的一种 制冷循环吸热或放热利用的正是物质相态转变时需要吸收或放出的巨大的热量 因为水在正常压力下饱和温度较高 不能吸收通常温度下室内的热量 所以不常用 2 而R22在正常压力 70PSIG 其蒸发温度为 4 5 且单位容积制冷能力较强 对于人类理想的舒适温度21 27 来说 是非常理想的冷源 3 与水的性质类似 对于R22来说 在 70PSIG 压力下 饱和温度为 4 5 故在此压力下蒸发过程制冷剂温度恒定为 4 5 蒸发过程首先是饱和液体状态 然后是气液混合状态 液体比例逐渐减小 最终达到了饱和气体状态 在 70PSIG 压力下 如果R22的温度低于 4 5 其一定处于液态 且温度低于饱和点 我们称其为过冷液体 如果R22的温度高于 4 5 其一定处于气态 且温度高于饱和点 我们称其为过热气体 4 为实现制冷剂在温度相对较高的冷凝器一侧的冷凝散热 唯有通过升高制冷剂的压力来提高其饱和温度 使其高于室外环境温度从而实现散热冷凝过程 制冷剂的状态变化 制冷循环制冷组件的特性 制冷发展简史 1800人们发现冰 雪 和盐混合时具有制冷效应 能够大幅度降低水温 使水结冰1834J 英国人波尔金斯制成第一台使用乙醚作为制冷剂的压缩式制冷机1873德国人林杰发明了氨制冷机1876甲醚被用于制冷剂用来从阿根廷到法国运输肉类19世纪末l随着机械制冷技术不断成熟 产生大量可应用的制冷剂如氨水 二氧化碳 二氧化硫 氯甲烷以及烃类 20实际初Start制冷技术开始进入工业化应用 而当时已经开发的制冷剂工作压力较高且大多数均具有毒性和可燃性1928一种新型的制冷剂 二氯二氟甲烷 在美国合成成功 它不可燃 且具有低的毒性 工作压力低 属于人们期望的理想的制冷剂1931杜邦公司开始大规模工业化生产这种新合成的制冷剂 氟里昂家族从此诞生了 1930 1950制冷剂家族以及大型商用空调了获得飞速的发展 1988蒙特利尔协议 缔约国就限制使用对大气臭氧层具有破坏作用的制冷剂达成了协议并规定了具体的行动时间表 制冷发展简史 臭氧层是大气中具有微腥臭的浅蓝色气体 主要集中在距地面20至25KM的平流层内 它是地球的保护伞 阻挡了99 的紫外线辐射 使地球生物免受紫外线的伤害臭氧层浓度每降低1 紫外线的辐射量就增加2 皮肤癌患者就增加7 白内障的患者增加0 6 紫外线还会破坏植物的光合作用和受粉能力 最终降低农业产量 氟里昂在太阳紫外线的照射下会分解出氯原子 氯原子会夺取臭氧分子中的一个原子而使臭氧变成普通氧 温室效应 温室气体主要指大气中的CO2 CH4 Ar O3等也包括制冷剂中CFC 它可以让短波太阳光几乎不受阻挡的通过 而把从地球表面反射出来的长波辐射挡住 使地球表面保持了一定温度 但是过量的温室气体排入大气中 会增强地球表面的温室效应 影响了气温和降雨量 导致气候变暖 海平面升高 冷量无法制造 本质是热量的迁移 制冷循环就是实现将热量从空调房间移到另外一个能够容纳并稀释此部分热量的空间的过程 实现此部分循环的同时要消耗一定量的功 这种热量传递过程是在一个闭式系统内周期性的重复进行 吸热和放热过程是利用流体在不同的压力对应的不同的饱和温度下相态变化过程对应的吸热和放热特性 流体的焓发生改变 相态改变过程热量传递量相对于仅仅温度改变来说是巨大的 制冷循环 饱和蒸汽压缩式制冷循环 它利用压缩机和卤族元素衍生物类型的制冷剂 饱和蒸汽状态 或有机 无机化合物 采用压缩机使气态制冷剂增压 故称为蒸汽压缩式制冷 最大制冷能力能达到5000kW 且价格低廉 目前市场上运用最为广泛的压缩技术就是通过此循环实现的 饱和蒸汽压缩式制冷循环是建立逆卡诺循环基本原理之上 能够运用此制冷循环的制冷剂的范围非常之宽 根据组合的电气特性 可实现中高效制冷 是目前世界范围内运用最为广泛的制冷循环 运用不同厂商的绝大多数机型 制冷系统基本的组成部件 压缩式制冷系统的基本组成 蒸发器经节流后的液态制冷剂在蒸发器中吸热汽化 使被冷却物质降温 实现制冷的目的 蒸发器 蒸发器吸收热量 压缩式制冷系统的基本组成 冷凝器在冷凝介质的作用下 使压缩机排出的过热饱和蒸汽冷凝为液态 冷凝器盘管 22001 压缩式制冷系统的基本组成 压缩机制冷循环的核心 是制冷剂在系统内循环的动力装置 使蒸发器中的制冷剂保持低压 冷凝器中制冷剂维持高压 压缩机压缩过程 压缩式制冷系统的基本组成 膨胀阀制冷剂循环流量的调节装置 它对高压液态制冷剂节流降压 使进入蒸发器的制冷剂在要求的低压下吸热蒸发 同时根据被冷却介质的热负荷变化自动调节进入蒸发器的制冷剂的流量 膨胀阀作用 热力膨胀阀 TXV 降低进入蒸发器制冷剂的压力 控制流入蒸发器的制冷剂流量 循环过程 在由管道将四部分连接成的密闭系统内 制冷剂在这个密闭的系统中不断循环流动 发生相态的变化 与周围环境进行热交换 从而达到制冷的目的 其工作过程是 液态制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物质的热量之后 汽化成低压 低温的蒸汽 被压缩机吸入压缩成高压 高温的蒸汽 然后进入冷凝器向冷却物质放热而冷凝为高压 常温的液体 在经节流装置节流以后变为低压 低温的液态制冷剂 再次进入蒸发器吸热汽化 从而起到循环制冷的目的 逆卡诺循环 理想循环 Q1向高温热源的散热量 1 10 20 2 Q2从低温热源的吸热量 4 10 20 3 压缩功 1 4 3 2 T S 3 2 1 4 Q2 Q1 10 20 T1 T2 T 绝对温度K S 熵W kgK 冷凝器 压缩机 蒸发器 R 22 饱和蒸汽 压焓图 h 红线 饱和液体线x 0黑线 饱和气体线x 1 P 气体 液体 过热气体区 临界点 过冷液体区 R 22 饱和蒸汽 压焓图 等温线等干度线等熵线 P h v const s const t const x const 压焓图表示的理想制冷循环 Q2 Q1 Q2 AL AL h Q1 冷凝过程 蒸发过程 节流过程 压缩过程 Q2 P 压焓图表示的实际制冷循环 过热 吸气阀压力降 排气阀压力降 desurriscaldamento 蒸发器压力降 P P1 P2 h Q1 冷凝过程 蒸发过程 节流过程 压缩过程 Q2 冷凝器内部压降 过冷 干度X 0 1 制冷循环通常压力和温度 分体式空调 R22 14 20bar 65 90 C 14 20bar35 50 C 5 6bar6 10 C 4 5 5 5bar10 15 C 压缩原理 往复式压缩机 往复式压缩机 开始压缩 Pc 冷凝压力 Pe 蒸发压力 V P Pc Pe A B 压缩完成 P Pc Pe Pc 冷凝压力 Pe 蒸发压力 A B V 排气过程 V Pc 冷凝压力 Pe 蒸发压力 P Pc Pe A B C C C1 阀门压降 膨胀过程 A B V P Pc Pe Pc 冷凝压力 Pe 蒸发压力 C1 D1 D D1 阀片压降 吸气过程 A B V P Pc Pe Pc 冷凝压力 Pe 蒸发压力 C D1 C1 D D D1 阀片压降 h 压缩效率随着压缩比的减小而增大 衡量压缩机性能技术参数 E E R EnergyEfficiencyRatio能效比 单位电动机输入功率的制冷量 C O P CoefficientOfPerformance性能参数 单位轴功率的制冷量 制冷组件 储液罐 从冷凝器流入 流向节流阀 自动调整系统内循环的制冷剂容量位于冷凝器与蒸发器之间的制冷剂液体存储装置 自动适应负载的变化 调节冷凝压力使冷凝器工作于最佳工况 在进行系统维护的过程中 可以容纳绝大部分制冷剂 避免向大气环境排放制冷剂 降低了调试过程对制冷剂充注量的精度要求 A型蒸发器 蒸发器经节流后的液态制冷剂在蒸发器中吸热汽化 使被冷却物质降温 实现制冷的目的 由热交换盘管 框架结构 风机等构成 干燥过滤器 陶瓷芯 芯肋 金属外壳 分子筛 止动弹簧 螺纹接口 SAE 吸收制冷系统中可能存在的水蒸气 内部充注有硅胶 水分存在的原因有两方面 一是干燥不严格 二是使用不合格的制冷剂 会产生冰堵以及与制冷剂反应产生盐酸等危害 过滤掉制冷系统内部可能存在的金属杂质当硅胶与分子筛组合使用时 可实现干燥与抗酸性能的双重功效 分子筛的吸附能力比硅胶更强 一般两种类型 抛弃型 滤芯再充注型 节流装置 节流装置是制冷循环中的降压装置 它能够提供可变的可修阻力 正对经过冷凝器冷凝后的高压的液体在进入蒸发器之前进行降压 对高压液体制冷剂进行节流降压 保证冷凝器与蒸发器之间的压力差 以便使蒸发器中的液态制冷剂在要求的低压对应的饱和温度下蒸发吸热 从而达到制冷降温的目的 同时使冷凝器中气态制冷剂在给定的高压对应的饱和温度下放热冷凝 它实现根据热负荷以最佳的方式给蒸发器供液 毛细管除外 毛细管 制冷循环的流量控制和节流降压元件 直径约为0 7 2 5mm 长度约为0 6 6m细而长的紫铜管 降压原理为突然变径 产生必需的压降从而使制冷剂能够在蒸发器中吸收热量 不可调节装置 不能适应制冷负荷的变化 设计过程必须进行仔细的选型从而避免运行过程中蒸发器过量供液或供液不足 一般用于小容量系统 家用空调 有制冷剂充注量的限制 系统中不能采用储液罐 属于静态组件 可靠性较高 压缩机停机后 能够快速的平衡高低压 所以即使采用低堵转转矩 启动转矩 的马达 也能够保证压缩机停机后很快再次启动 热力膨胀阀 以最佳的方式给蒸发器供液 保证蒸发器出口制冷剂蒸汽的过热度稳定 感温包必须与压缩机的吸气管良好的接触从而准确的感应压缩机的吸气温度 通常充注着与制冷系统内部相同的制冷剂 从而实现通过感温包反馈回来的压力即是压缩机吸气温度对应的该种类型制冷剂的饱和压力 通过膨胀阀确保了在运行环境发生变化时 比如热负荷变化 实现蒸发器最优及最佳的供液方式 最佳液位 外平衡式热力膨胀阀 1 从冷凝器流入 被压缩机吸入 6 4bar 13 C 4 8bar 4 5 C 饱和状态 13 C感温包测量的管壁温度 5 4bar P1 4 8bar P3 6 4bar P2 1 6bar 15bar P1 P2 P3 动态平衡 热力膨胀阀 2 过热段 A Q1 Q2 A Q1 Q2 热力膨胀阀 3 theM O P 最大运行压力 感温包的充注量只根据在某一特定的温度下完全感温包内液态制冷剂完全蒸发来进行修正的 这就等于给作用在膨胀阀膜片上方感温包反馈回来的压力规定了一个上限 因为如果管壁表面温度如果继续增高 只会增加感温包内部气态制冷制冷剂的温度 处于过热状态 而压力基本上不再改变 此功能有效防止因吸气压力过高而导致压缩机马达过载 Fromthecondenser 热力膨胀阀 4 1 感温包2 变形膜片3 顶杆4 阀芯5 压缩弹簧6 调节螺杆7 密封装置8 入口过滤网 板式换热器 水冷冷凝器 出水口 进水口 制冷剂进口 气态 制冷剂出口 液态 水流量压力调节阀 管壳式冷凝器 水冷冷凝器 400psi泄压阀 液体出 x 三通水流量调节阀 热气进 进出水接口 管管式冷凝器 水冷冷凝器 外 钢管内 铜管 风冷冷凝器 室内机组与室外风冷冷凝器之间通过铜管连接组成密闭的系统冷凝器由热交换盘管 风机 框架结构构成 通过附件的组件 能够实现维持冷凝压力一年四季基本稳定 压力开关或电子调速装置连续调速 冷凝器的型号 即容量 应该根据安装地点所能够达到室外最高环境温度来确定 冷凝器的冷凝压力控制附件应该根据根据安装地点所能够达到室外最低环境温度来选择 风冷冷凝器是目前应用最为广泛的冷凝方式 过热气体 过冷液体 电磁阀 1 solenoidvalves 电磁阀分为直接控制型和间接控制型电磁阀的打开或关闭是通过电磁铁芯的上下移动来实现的 而电磁铁芯的上下移动取决于电磁线圈的电压是否存在 电磁阀 2 间接控制型导阀 主阀结构 线圈未触发 导阀阀芯关闭 主阀阀芯关闭 流体的压力通过平衡孔作用在主阀阀芯的上方 线圈触发 导阀阀芯开启 主阀阀芯正在开启 作用在主阀阀芯上方的流体压力通过导阀泻入主阀阀芯下方 主阀开始打开 线圈触发 导阀阀芯打开 主阀阀芯打开 流体压力作用在主阀阀芯的下方 主阀保持开启状态 液管电磁阀 保证在压缩机停机过程中蒸发器中不会积存大量的制冷剂液体 从而导致压缩机启动过程的液击 实现在维护过程中单独隔离蒸发器 实现压缩机启停过程的Pumpdown控制 涡旋式压缩机 涡旋式压缩机 制冷剂R 22 制冷剂R 407C