制冷原理及设备期末复习.pdf

- 1 - 制冷原理及设备期末复习制冷原理及设备期末复习 有不全的大家相互补充有不全的大家相互补充 题型：填空题型：填空 20 分；选择分；选择 10 分；判断分；判断 10 分；简答分；简答 45 分（分（5 道） ；计算道） ；计算 1 道，带计算道，带计算器器。 绪论绪论 实现人工制冷的方法（实现人工制冷的方法（4 大类，简单了解原理）大类，简单了解原理） 1.利用物质的相变来吸热制冷；利用物质的相变来吸热制冷； 融化（固体液体） 气化（液体气体） 升华（固体气体） 气化制冷（蒸气制冷） ： 包括蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷、吸附式制冷。 2.利用气体膨胀产生低温利用气体膨胀产生低温 气体等熵膨胀时温度总是降低的，产生冷效应气体等熵膨胀时温度总是降低的，产生冷效应。 3.气体涡流制冷气体涡流制冷 高压气体经涡流管膨胀后，可分为冷热两股气流；高压气体经涡流管膨胀后，可分为冷热两股气流； 4.热电制冷（半导体制冷）热电制冷（半导体制冷） 利用半导体的温差电效应实现的制冷。利用半导体的温差电效应实现的制冷。 根据制冷温度的不同，制冷技术可大体上划分三大类：根据制冷温度的不同，制冷技术可大体上划分三大类： 1. 普通冷冻：普通冷冻：120K【我们只考普冷】【我们只考普冷】 2. 深度冷冻：深度冷冻：120K20K 3. 低温和超低温：低温和超低温：20K。 t=T-273.15 (t, ; T, Kelvin 开）开） T=273+t 简要原理看书第一章简要原理看书第一章 第二章第二章 单级蒸气压缩式制冷循环单级蒸气压缩式制冷循环 【重点看压焓图、温熵图，各个状态点，过程描述】【重点看压焓图、温熵图，各个状态点，过程描述】 2-1 单级蒸气压缩式制冷理论循环单级蒸气压缩式制冷理论循环 【各点含义，计算】【各点含义，计算】 与逆卡诺循环比较 各过程的热力过程：各过程的热力过程：逆卡诺循环有两个等温过程、 两个绝热过程（等熵过程） 。 理论循环与逆卡诺循环的区别：理论循环与逆卡诺循环的区别： 热力过程为绝热压缩（干压缩） ；热力过程为绝热压缩（干压缩） ； 凝结过程为等压过程；凝结过程为等压过程； 节流过程为等焓过程；节流过程为等焓过程； 蒸发过程为等压过程。蒸发过程为等压过程。 1-压缩机 2-冷凝器 3-膨胀阀 4-蒸发器 图 2-5 单级蒸气压缩式制冷系统 理论循环的假设条件：理论循环的假设条件： 压缩机吸入的是饱和蒸气；压缩机吸入的是饱和蒸气； - 2 - 节流前的液体是饱和液体；节流前的液体是饱和液体； 压缩过程是等熵压缩；压缩过程是等熵压缩； 制冷剂在蒸发和凝结过程及流动过程中没有阻力损失；制冷剂在蒸发和凝结过程及流动过程中没有阻力损失； 工作过程：工作过程： 蒸发器中的制冷剂液体在低压、低温下吸收了被冷却物体的热量而蒸发，产生 的低压制冷剂蒸气被压缩机吸入， 经压缩后成为高压气体进入冷凝器， 在冷凝器中制冷剂放 出热量被凝结为液体，高压液体经膨胀阀节流降压，成为湿蒸气后进入蒸发器。 压缩机的作用：压缩机的作用：压缩和输送制冷剂蒸气并造成蒸发器中低压力、冷凝器中高压力的作用。 节流阀的作用：节流阀的作用：对制冷剂起节流降压作用并调节进入蒸发器的制冷剂流量。 蒸发器的作用：蒸发器的作用：制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物体的热量从而达到制取冷量的目的。 冷凝器的作用：冷凝器的作用： 将蒸发器中吸收的热量与压缩机中消耗的功所转化的热量在冷凝器中被冷却 介质带走 点点 1：制冷剂出蒸发器、进压缩机的状态，是蒸发压力下的饱和蒸气。：制冷剂出蒸发器、进压缩机的状态，是蒸发压力下的饱和蒸气。 点点 2： 制冷剂出压缩机、 进冷凝器的状态， 压力为与冷凝温度： 制冷剂出压缩机、 进冷凝器的状态， 压力为与冷凝温度 tk 对应的饱和压力， 且对应的饱和压力， 且 s1=s2。 1-2 是压缩机的压缩过程（等熵） 。是压缩机的压缩过程（等熵） 。 点点 4：制冷剂出冷凝器、进膨胀阀的状态，是冷凝压力下的饱和液体，：制冷剂出冷凝器、进膨胀阀的状态，是冷凝压力下的饱和液体，pk 与饱和液体线的与饱和液体线的 交点。交点。2-3-4 是制冷剂在冷凝器中的等压（是制冷剂在冷凝器中的等压（Pk）冷却冷凝过程。）冷却冷凝过程。 点点 5：制冷剂出膨胀阀的状态。：制冷剂出膨胀阀的状态。4-5 表示制冷剂通过膨胀阀的节流过程。压力有表示制冷剂通过膨胀阀的节流过程。压力有 PkP0，温，温 度由度由 tkt0，进入两相区。，进入两相区。5-1 表示制冷剂在蒸发器中的等压（表示制冷剂在蒸发器中的等压（P0）蒸发过程。）蒸发过程。 理论循环的热力计算理论循环的热力计算 单位制冷量单位制冷量 q0：每公斤制冷剂在蒸发器中从被冷却物体中吸气的热量。 q0=h1-h4 kJ/kg 看例题看例题 2-1 例： 假定循环为单级压缩蒸气制冷的理论循环， 蒸发温度例： 假定循环为单级压缩蒸气制冷的理论循环， 蒸发温度 t0=-10,冷凝温冷凝温 度度 tk=35，制冷剂为，制冷剂为 R22，循环的制冷量，循环的制冷量 Q0=55kw,试对该循环进行热力试对该循环进行热力 计算。计算。 解：解：1.将循环表示在将循环表示在 lgp-h 图上，并确定各状态参数图上，并确定各状态参数 状态点 参数 数值 状态点 参数 数值 蒸发压力 3.543bar 2 h2 kJ/kg 435.2 冷凝压力 13.548bar t2 57 1 h1 kJ/kg 401.555 4 h4 kJ/kg 243.114 v1m3/kg 0.0653 5 h5 kJ/kg 243.114 2.热力计算热力计算 单位制冷量单位制冷量 q0=h1-h5=158.441 kJ/kg 单位容积制冷量单位容积制冷量 qv=q0/v1=2426 kJ/m3 制冷剂循环量制冷剂循环量 qm =Q0/q0=0.3471 kg/s 理论比功理论比功 w0=h2-h1=33.645 kJ/kg 压缩机消耗的理论功率压缩机消耗的理论功率 P0= qm w0=11.68 kw 压缩机吸入的容积流量压缩机吸入的容积流量 V= qm v1=0.0227 m3/s 理论循环制冷系数理论循环制冷系数 0=q0/w0=4.71 - 3 - 冷凝器单位热负荷冷凝器单位热负荷 qk=h2-h4=192.086 kJ/kg 冷凝器热负荷冷凝器热负荷 Qk= qm qk=66.67 kw 热力完善度热力完善度 =0/c=0.806 2.3 单级蒸气压缩式制冷的实际循环单级蒸气压缩式制冷的实际循环 实际循环中：实际循环中： 制冷剂进入压缩机不一定是饱和蒸气，在管路流动中及进入压缩机中吸热使之成为过热制冷剂进入压缩机不一定是饱和蒸气，在管路流动中及进入压缩机中吸热使之成为过热 蒸气；蒸气； 出冷凝器的制冷剂状态不一定是饱和液体，会有过冷；出冷凝器的制冷剂状态不一定是饱和液体，会有过冷； 制冷剂在流动过程中会有阻力损失；制冷剂在流动过程中会有阻力损失； 实际压缩过程不是等熵过程，而是多变过程；实际压缩过程不是等熵过程，而是多变过程； 系统中会存在不凝性气体等。系统中会存在不凝性气体等。 液体过冷对制冷循环性能的影响液体过冷对制冷循环性能的影响 具有液体过冷的循环在压焓图上的表示如图示。图中 1-2-4-5-1 是理论循环，1-2-4-5-1 是过冷循环。 过冷循环比较过冷循环比较结论：结论： 采用过冷循环在理论上是有利的，且 tg 越大，越有利； 过冷度获得的方法： a.利用冷凝器本身，过冷度有一定限制； b.采用再冷却器，可加大 tg，但需要温度低的冷却介质； c.采用回热器。 过冷循环一般不单独采用。 采用过冷循环理论上总是有利的，而且过冷度越大，对循环越有利。采用过冷循环理论上总是有利的，而且过冷度越大，对循环越有利。 依靠冷凝器本身来使液体过冷，其过冷度是有一定限度的，如果要求获得更大的过冷依靠冷凝器本身来使液体过冷，其过冷度是有一定限度的，如果要求获得更大的过冷 度，通常需要增加一个单独的热交换设备，称为再冷却器。度，通常需要增加一个单独的热交换设备，称为再冷却器。 在再冷却器中单独通入温度更低的冷却在再冷却器中单独通入温度更低的冷却介质介质(如深井水如深井水)或将冷却介质先通过该再冷却或将冷却介质先通过该再冷却 器，然后再进入冷凝器。器，然后再进入冷凝器。 蒸气过热对循环性能的影响蒸气过热对循环性能的影响 为了防止压缩机液击，一般希望制冷剂出蒸发器后有一些过热，使制 冷剂成为过热蒸气。 循环 1-2-3-4-1表示蒸气过热循环。压缩机吸入状态为 1，如 果忽略制冷剂在管路的流动阻力损失，则 1-1的过热过程为等压过 程。 1过热没有产生有用的制冷效果过热没有产生有用的制冷效果 从蒸发器出来的制冷剂蒸气的温度很低，在进入压缩机之前，在管路中吸收了外界的热 量，使制冷剂蒸气过热。 单位制冷剂在蒸发器中的吸热量不变，即 q0不变，而 w0rw0 0r=q0/w0rv1， 所以 qv可能增加也可能减小。 qv=q0r/v1与制冷剂的 - 4 - 性质有关。 结论结论： 即使是有效过热，也不即使是有效过热，也不是对所有工质都有利。是对所有工质都有利。氨、氨、R22 过热不利的过热不利的 由于吸气温度的升高会引起排气温度的升高，由于吸气温度的升高会引起排气温度的升高，t2应不超过应不超过 140。 吸入蒸气的过热会对往复式压缩机的容积效率有所改善。吸入蒸气的过热会对往复式压缩机的容积效率有所改善。 回热循环【图是重点】回热循环【图是重点】 A-压缩机 B-冷凝器 C-节流阀 D-回热器 E- 蒸发器 图 2-6 回热循环的系统图 氨、氨、R22 不利的不利的 判定回热循环制冷系数是否提高的判据：判定回热循环制冷系数是否提高的判据： T0cpoq0 cpo、q0是与工质有关的，所以，上式并非所有工质都成立。是与工质有关的，所以，上式并非所有工质都成立。 不同制冷剂采用回热循环是否有利，与制冷剂采用有效过热循环时一样。不同制冷剂采用回热循环是否有利，与制冷剂采用有效过热循环时一样。 有一些工质不能用上式进行判断，其有一些工质不能用上式进行判断，其 T-S 图中蒸气线向左下方倾斜，压缩机等熵压缩后图中蒸气线向左下方倾斜，压缩机等熵压缩后 进入两相区，因此必须采用回热循环。进入两相区，因此必须采用回热循环。 2.2.5 不凝性气体的存在对循环性能的影响不凝性气体的存在对循环性能的影响 系统中的不凝性气体(如空气等)往往积存在冷凝器上部， 因为它不能通过冷凝器(或贮液 器)的液封。不凝性气体的存在将使冷凝器内的压力增加，从而导致压缩机排气压力提高， 比功增加，制冷系数下降，压缩机容积效率降低。 2.2.6 单级压缩制冷的实际循环【温差、损失、多变】单级压缩制冷的实际循环【温差、损失、多变】 实际循环与理论循环的区别 制冷剂在压缩机中的压缩过程不是等熵过程，引起内部的不可逆； 制冷剂的冷凝温度及蒸发温度不等于热源温度，存在传热温差，引起了外部不可逆； 制冷剂流动过程及流经吸气阀与排气阀时有损失。 23 单级蒸气压缩式制冷机的性能单级蒸气压缩式制冷机的性能 1蒸发温度蒸发温度 T0为定值，冷凝温度变化的情况为定值，冷凝温度变化的情况 T0=c,V1=c . TKPK 对循环的影响： 循环单位制冷量 q0减小了，q0w0,； 单位容积压缩功增大了 wvwv； 由于 qv、wv，导致：Q0，Pe。 - 5 - 结论:当 T0不变而 TK升高时，制冷机的制冷量减少而功率增大。 制冷系数减小了。 0= q0/ w00 绘出 T0=c，TK变化时制冷机的 Q0、Pe与 TK的关系曲线。 .冷凝温度冷凝温度 TK为定值，蒸发温度变化的情况：为定值，蒸发温度变化的情况： T0P0 对循环的影响： 循环单位制冷量 q0减小了， q0v1； 单位容积制冷量减小了 qvw0； 单位容积压缩功不能直接比较。 对于不同的工质 即： 各种制冷剂其压比大约等于 3 时，功率最大。 结论：当 Tk 不变而 T0 降低时，制冷机的制冷量减少，而功率有一最大值存在。 制冷系数减小了。 0= q0/ w00 实际循环参考书上例题实际循环参考书上例题 2-6 第三章制冷剂第三章制冷剂 【这一章主要概念】【这一章主要概念】 制冷剂又称制冷工质，是制冷装置中的工作介质，用于制冷循环的热量传递。 它以低温、低压的状态自蒸发器吸收热量，并且在高温、高压下从冷凝器向外界放出热 量。 因而要求制冷剂的蒸发温度必须低于用冷场合的温度， 而其冷凝温度必定高于环境介质 的温度。 一、制冷剂种类：一、制冷剂种类： 无机物：NH3 、CO2 、 H2O 等； 氟里（利）昂： R22 、R134a、R152a 等； 碳氢化合物：甲烷、乙烷、乙烯、丙烷等。 饱和碳氢化合物、烯烃、卤代烯在空调制冷及一般制冷中并不采用，它们只 用在石油化工工业中的制冷系统中。 二、制冷剂的符号二、制冷剂的符号 国际上统一规定用字母“R” （refrigeration） 和它后面的一组数字或字母作为制冷剂的简 写符号。 1. 无机化合物：无机化合物： R7（ ） （） （ ）括号中填入的数字是该无机化合物的）括号中填入的数字是该无机化合物的分子量分子量。 例：水 R718 NH3 R717 2氟里昂：烷烃化合物的分子式氟里昂：烷烃化合物的分子式 CmH2m+2 3 max 0 0 P k p p - 6 - 氟里昂的分子式氟里昂的分子式 CmHnFxCLyBrz (n+x+y+z=2m+2) 符号规定符号规定 R(m-1)(n+1)(x)B(z) 例：CH2F-CF2 四氟乙烯 R134a CHF2CL 二氟一氯甲烷 R22 3共沸混合工质：共沸混合工质：R5( ) ( )括号内的数字为该工质命名的顺序号，从括号内的数字为该工质命名的顺序号，从 00 开始。开始。 R500 R501 R502R506 4非共沸混合工质：非共沸混合工质：R4( ) ( )括号内的数字为该工质命名的顺序号，从括号内的数字为该工质命名的顺序号，从 00 开始。开始。 5. 饱和碳氢化合物(烷烃)：碳氢化合物称烃，其中饱和碳氢化合物称为烷烃，烷烃 中有甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、。这些制冷剂的编号法则是这样的，甲烷、乙烷、 丙烷同卤代烃；其他按 600 序号依次编号。 该系列编号的最后两位数，并无特殊含义，例如，丁烷为 R600，乙醚为 R610。 三三. 对制冷剂的要求【参考书对制冷剂的要求【参考书 P59 3.1.2】 （一）热力学方面 （1）蒸发温度下的压力不太低，冷凝温度下的压力不太高； （2）冷凝压力与蒸发压力之差小，冷凝压力与蒸发压力之比小； （3）单位制冷量和单位容积制冷量较大； （4）理论比功和单位容积压缩功小； （5）制冷剂的凝固温度要低，临界温度要高； （6）绝热指数应小。 （二）物理化学方面 （1）无毒，无刺激性臭味，无燃烧爆炸的危险； （2）化学稳定性和热稳定性好，不腐蚀制冷剂的结构材料，与润滑油不发生化学反应，高 温下不分解； （3）比重小，粘度小； （4）导热系数大，汽化潜热大。 （三）其它方面 （1）制冷剂的臭氧破坏指数（ODP）和温室效应指数(GWP)应为零或尽可能小，具有环境可 接受性； （2）价格低廉，容易制取，不含水分及机械杂质。 3.2 制冷剂的性质制冷剂的性质 标准（正常）蒸发温度：制冷剂在标准大气压（标准（正常）蒸发温度：制冷剂在标准大气压（1.0132bar）下的沸腾温度，称为标准）下的沸腾温度，称为标准 蒸发温度或沸点。用蒸发温度或沸点。用 ts表示表示 物质对臭氧层的危害程度用臭氧衰减指数 ODP(Ozone Depletion Potential 消耗臭氧潜能 值)表示； 物质造成温室效应危害的程度用温室指数 GWP(Global Warming Potential 全球变暖 潜能值)表示。 为了评估各种制冷剂对臭氧层的消耗能力和对全球温室效应的作用能力， 提出了消耗臭 氧潜能值（Ozone Depletion Potential）简称 ODP 值 全球变暖潜能值(Global Warming Potential)简称 GWP 值 ODP 值以 R11 为基准比较物，设定 R11 的 ODP 值为 1.0，其它物质的 ODP 值按损耗臭 氧能力比 R11 大或小的分数值表示。 GWP 值的参照物也是 R11，即 R11 的 GWP 值为 1.0，其他物质的 GWP 值按导致全球变 暖的能力比 R11 大或小的分数值来表示。(GWP 还有按照 CO2 为 1.0 来确定的） 选择制冷剂时须考虑这两个值，显然制冷剂的 ODP 值和 GWP 值越小越好。 特鲁顿定律特鲁顿定律 - 7 - 大多数物质在沸点下蒸发时，其摩尔熵增的数值都大体相等。 S= s 7688 kJ/（kmol K ） 结论： 标准蒸发温度（标准沸点）相近的物质，分子量大的，汽化潜热小；分子量小的， 汽化潜热大。各种制冷剂在一个大气压力下汽化时，单位容积汽化潜热 rs/vs 大体相等。 3.2.4 制冷剂与润滑油的溶解性制冷剂与润滑油的溶解性【看书】【看书】 制冷剂与油的溶解性分为有限溶解和完全溶解两种情况。各自的优缺点 3.2.5.3 制冷剂的溶水性制冷剂的溶水性【看书】【看书】 3.3 混合制冷剂混合制冷剂【看书】【看书】 共沸，非共沸 3.4.2 氨氨 对锌铜青铜以及其他铜合金具有强腐蚀性，磷青铜除外 3.4.4 氟利昂氟利昂 对金属材料的腐蚀性很小，但对天然橡胶、树脂、塑料等非金属材料有腐蚀(膨润)作用 3.5 第二制冷剂第二制冷剂 载冷剂的性质： （书载冷剂的性质： （书 P76 页）页） （1）载冷剂在工作温度下应处于液体状态。其凝固温度应低于工作温度，沸点应高于工作 温度。 （2） 比热要大； （Q0=mct， 当 Q0 一定时， c 大可以使载冷剂量 m 小， 减小输送泵的功率。 （3）比重小、粘度小； （4）化学稳定性好；载冷剂应在工作温度下不分解，不与空气中的氧气起化学变化，不发 生物理化学性质的变化。 （5）不腐蚀设备与管道； （6）不燃烧、不爆炸，无毒，对人体无害； （7）价格低廉，易于获得 常用载冷剂常用载冷剂 1. 盐水（氯化钙、氯化钠、氯化镁等）盐水（氯化钙、氯化钠、氯化镁等） 盐水溶液的温度盐水溶液的温度浓度图浓度图 2.水水 用于空调系统。用于空调系统。 制冷机组产生出的冷水，送到空调房间的终端设备中，与房间的空气进行热交换，制冷机组产生出的冷水，送到空调房间的终端设备中，与房间的空气进行热交换， 使房间的温度降低。使房间的温度降低。 第四章第四章 两级压缩和复叠式制冷循环两级压缩和复叠式制冷循环 【主要看氨的，流程图，压焓图，温熵图】【主要看氨的，流程图，压焓图，温熵图】 两级压缩制冷循环的类型两级压缩制冷循环的类型：两级压缩制冷循环按其制冷剂节流和冷却方式可分为：两级压缩制冷循环按其制冷剂节流和冷却方式可分为： 中间不完全冷却中间不完全冷却 氟氟 两级压缩一级节流制冷循环两级压缩一级节流制冷循环 中间完全冷却中间完全冷却 氨氨 中间不完全冷却中间不完全冷却 两级压缩两级节流制冷循环两级压缩两级节流制冷循环 中间完全冷却中间完全冷却 4.3.2 两级压缩制冷机中间压力确定两级压缩制冷机中间压力确定 看书 P90-91 流量比，两种方法两种情况。性能系数 - 8 - P97 图图 4-16 第九章第九章 制冷机的热交换设备制冷机的热交换设备 K 值的计算【不考计算值的计算【不考计算 看概念】看概念】 蒸发器的分类： 【特点，优缺点，图】蒸发器的分类： 【特点，优缺点，图】 按照制冷剂在蒸发器内的充满程度以及蒸发情况进行分类： （1）再循环式蒸发器 p191 图 9-17 高压液体经节流阀后首先进入气液分离器中， 在其中分离蒸气后， 将液体送入蒸发器中。 优点：可使传热面尽量与液体制冷机相接触，热交换效果好。 缺点：充灌量过大，润滑油难于返回压缩机。 （2）干式蒸发器（非满液式蒸发器）p185 图 9-5 从膨胀阀直接向蒸发器供液。节流后，一部分液体变成气体，这部分闪发气体也进入蒸 发器中。优点：充灌量小；缺点：传热效果较差。 （3）满液式蒸发器 p19