制冷原理与设备1-3章习题解答.doc

制冷原理与设备思考题、习题参考答案第一章1.人工制冷方法：冰、盐水冰冷却和固体升华制冷；液体汽化制冷液体汽化制冷方法，包括蒸汽压缩式制冷、蒸汽吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷吸附式制冷；绝热膨胀制冷；其他制冷方法，包括热电制冷、磁制冷、涡流管制冷、热声制冷。制冷系统：制冷系统是一部逆向工作的热机，是以消耗能量为代价来实现把热量从低温系统向高温系统转移而得到低温这一效果的设备。（1）蒸汽压缩式制冷（2）蒸汽吸收式制冷（3）蒸汽喷射式制冷（4）吸附式制冷（5）气体节流效应制冷（6）绝热膨胀制冷（7）热电制冷（8）磁制冷（9）涡流管制冷（10）热声制冷2.制冷系数：是指产生的单位制冷量q0与单位压缩功之比 热力完善度：工作在同温度区间的不可逆循环的制冷系数与可逆循环的制冷系数之比。=/c。该值同时考虑了能量转换的数量关系和实际循环中的不可逆程度的影响，在数值上它始终小于1；热力系数：是指获得的制冷量与单位时间消耗的热量之比，该值是通过输入热量制冷的制冷机的经济性评价指标。3.液体汽化制冷的特征：利用制冷剂液体在汽化时（沸腾时）产生吸热效应，达到制冷目的。四个基本过程：1)蒸发器中：制冷剂液体在低压（低温）下蒸发（沸腾），成为低压蒸汽2)压缩机中：将蒸发后的低压低温干饱和蒸汽提高压力成为高压高温的过热蒸汽3)冷凝器中：通过环境介质将高压高温蒸汽冷却、冷凝，使之成为高压液体4)节流阀：高压高温液体通过节流阀，降低压力重新变为低压、低温湿蒸汽进入蒸发器，完成一个循环。4.工作过程是工质在蒸发器内与被冷却对象发生热量交换，吸收被冷却对象的热量并汽化，产生的低压蒸汽被压缩机吸入，经过压缩后以高压排出。压缩机排出的高温高压气态工质在冷凝器内被常温冷却介质冷却，凝结成高压液体。高压液体流经膨胀阀时节流，变成低压、低温湿蒸汽，进入蒸发器，其中低压液体在蒸发器中再次汽化制冷，如此循环不已，制取冷量。5.蒸汽喷射式制冷基本原理：利用高温高压的工作蒸汽在扩压管中产生局部真空，从而为制冷剂液体的汽化创造了低压条件，基本制冷原理也是靠液体的蒸发并吸收汽化热来实现的。喷射系数表示1kg工作蒸汽能引射的低压蒸汽数量6.蒸汽吸收式制冷基本原理：利用某种物质来吸收蒸汽，使液体工质不断汽化，汽化时从剩余液体工质中吸取汽化热，达到连续制冷效果吸附式制冷基本原理：以热能为驱动能量转换系统。一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，吸附能力随吸附剂温度的不同而不同，周期性的冷却和加热吸附剂，使之交替吸附和解吸。解吸时，释放出制冷剂气体，并使之凝结为液体；吸附时，制冷剂液体蒸发，从而产生制冷作用。7.理想气体的焓仅是温度的函数，所以气体节流时，温度保持不变，而实际气体的焓是温度和压力的函数，节流后温度一般会发生变化。焓的表达式可用热力学微分关系式推导出 当时，0，节流时温度降低；当时，0，节流时温度不变； 当时，0，节流时温度升高。气体节流有转化温度存在。在选择气体参数时，节流前的压力不得超过最大转化压力，节流前的温度必须在上、下转化温度之间。8. 气体的等熵膨胀通常是用膨胀机来实现。气体等熵膨胀时，压力的微小改变所引起的温度变化称为微分等熵效应，以表示 (218) 由上式可知，T为正值、为正；定压时v与T成正比例，恒为正值。所以对于气体总是0，为正值。因此气体等熵膨胀时温度总是降低的，产生冷效应。9. 热电制冷：一种以温差电现象为基础的制冷方法，在两种不同金属组成的闭合线路中，通以直流电流，会产生一个节点热、另一个节点冷的现象。利用该原理，金属冷端吸热，热端放热，达到制取冷量的目的。磁制冷：利用顺磁性物质的磁热效应来完成磁制冷循环。绝热磁化会使磁介质分子热运动剧烈程度增加，温度升高，放热现象。当绝热去磁的时候，介质中的分子受热运动影响的无序性减少，介质温度降低，产生吸热现象。声制冷：利用热声效应的一种制冷方法。当声波引起的压力、位移、温度波动作用到固体边界时，就会发生明显的声波能量与热能的相互转换，这就是热声效应。如果能够实现热能与声能的相互转换并与外界热源的热量交换，即可制成声制冷机。第二章1.制冷剂的定义：是制冷系统中的工作流体，它在制冷系统中循环流动，通过自身热力状态的循环变化不断与外界发生热量交换，达到制冷目的的，习惯上又称制冷剂为制冷工质制冷剂的种类：按照制冷剂的组成：单一制冷剂和混合制冷剂按照化学成分区分：无机化合物类制冷剂（如水、氨、二氧化碳等），氟利昂类制冷剂（如R12、R22和R134a等），碳氢化合物类制冷剂符号表示方法：1)无机化合物：R7X。X是无机化合物相对分子质量的整数部分或近似整数值2）卤代烃-氟利昂：CmHnFxClyBrz；其中：m、n、x、y、z分别表示该类氟利昂分子中C、H、F、Cl、Br原子的数目。命名：R（m-1）（n+1）（X）B（z），为0则省略。3) 烷烃类与氟利昂类命名原则一致4) 共沸混合物：R5XX。XX为该制冷剂命名的先后顺序号5) 非共沸混合物：R4XX。XX为该制冷剂命名的先后顺序号2.选择制冷剂考虑的因素制冷剂应该具有较好的热力性质、迁移性质以及物理化学性质等1)环境可接收方面：制冷剂的臭氧破坏指数ODP和温室效应指数GWP应尽可能的小2)热力性质方面：在工作范围内有合适的压力和压力比；单位制冷量和单位容积制3） 冷量应较大；比功和单位容积压缩功尽量小；等熵压缩的终了温度不能太高4）迁移性质方面：制冷剂的粘度、密度尽量小；热导率大5）物理化学性质方面：无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全，化学稳定性和热稳定性好，经得起蒸发和冷凝的循环变化，使用中不变质，不与润滑油反映，不腐蚀制冷机构件，在压缩终了的高温下不分解6)其他：原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜3.制冷剂与润滑油的溶解性可分为基本不溶解、有限溶解和无限溶解三种情况1)当制冷剂与润滑油基本不溶解时，润滑油在制冷系统中呈游离状态，并粘附在传热面上，恶化传热效果2)制冷剂与润滑油有限溶解时，制冷剂与润滑油的混合物出现明显分层，一层为贫油层，另一层为富油层。如氨比油轻，混合物分层时，油在下部，可以很方便的从下部将油引出。.3)制冷剂与润滑油无限溶解时，将有利于润滑油在制冷系统中的回油，但降低了制冷剂的饱和压力，会引起单位容积制冷量降低，同时因润滑油也被制冷剂稀释，影响了润滑油的作用。4.氨作为制冷剂时注意事项1)氨系统可以不设干燥器，但是氨系统内水的质量分数不得超过0.2%；2)在氨制冷系统的管道和热交换器内部的传热表面上会有油膜，影响传热效果，冷凝器、储液器以及蒸发器的下部需要定期放油；3)氨为剧毒，易燃、易爆，现场不得明火、吸烟。出于安全考虑车间工作区氨蒸汽的质量浓度不得超过0.02mg/L，氨机房不能明火取暖。机房需要有两个外开的门；门窗必须设置向外开。同时机房必须设置通风机。4)在氨制冷系统中不允许使用铜和铜合金（磷青铜除外）材料，只有连杆衬套、密封环等零件才允许使用高锡磷青铜5)机房与库房隔开一定的距离5. 选用R22作为制冷剂时，如何保证制冷系统的安全可靠性1)制冷系统和管道在充注制冷剂前，必须经过严格的干燥处理和抽真空。控制系统水分限制在0.0025%已内，系统应设置干燥过滤器。2）R22能够部分地与润滑油相互溶解，溶解度随着润滑油的种类及温度而变。对于干式蛇形盘管应采用上供液，下回气，使润滑油与R22蒸汽一同返回压缩机。3）R22极易渗漏，所以对铸件质量、机器的密封性要求较高。R22与火接触会分解出有毒的光气。4）R22的化学性质不如R12稳定，它的分子极性比R12大，对有机物的膨润作用更强，密封材料可采用氯乙醇橡胶，封闭式压缩机中的电动机绕组线圈可采用QF改性缩醛包线或QZY聚酯亚胺漆包线。6.共沸制冷剂：由两种或者两种以上不同制冷剂按一定比例相互溶解而成的一种混合物。它和单一的物质一样，在一定的压力下能保持恒定的蒸发温度，而且气相和液相始终具有相同的成分特性1)在一定的蒸发压力下蒸发时，蒸发温度一般比组成它的单组分的蒸发温度低2)在一定的蒸发温度下，共沸制冷剂的单位容积制冷量比组成它的单一制冷剂的单位容积制冷量大3)共沸制冷剂的化学稳定性较组成它的单一制冷剂好4)在全封闭和半封闭压缩机中，采用共沸制冷剂可使电动机得到更好的冷却，电动机的绕组温升减小非共沸制冷剂：两种或者两种以上不同制冷剂按照任意比例混合而成。特性没有共沸点，在等压下蒸发或凝结时，气相和液相的成分不同，温度也在不断变化7.载冷剂就是冷量的载体，俗称为冷媒应用场合：被使用在被冷却对象离蒸发器较远，或者在用冷场所不便于安装蒸发器的场合。8.蓄冷机就是冷的储蓄者在某一时段内将制冷系统产生的冷量储存起来，供冷用户在另一时段使用。应用场合：主要用于电网“移峰填谷”的场合。9.氟利昂制冷剂从10世纪30年代出现开始，一直广泛应用于制冷系统中，直至20世纪80年代，CFCs类和HCFCs类氟利昂均被发现对臭氧层有着不同程度的破坏作用，可以导致臭氧层出现“空洞”，同时还产生温室效应。为了保护臭氧层，和地球环境。1987年联合国外长会议通过了“关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔协定书”，明确提出把9种氟利昂列为受控物质，并规定了分阶段减少消费、限制生产、直至完全停止生产。10.目前替代制冷剂主要朝两个方向发展：混合制冷剂和自然工质。 第三章1.单级蒸汽压缩式制冷的理论循环工作过程单级蒸汽压缩式制冷系统主要有压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器四大件组成。1)压缩过程：压缩机是制冷系统的心脏。压缩机不断抽吸从蒸发器中产生的低压低温的制冷剂蒸汽，保持蒸发器的低压汽化条件。同时将抽出的低压低温蒸汽压缩成高压高温的过热蒸汽输送到冷凝器。在这个过程中压缩机需要做功。2）冷凝过程：高压高温的过热蒸汽在冷凝器中把热量传给环境介质，制冷剂被冷却凝结成高温高压饱和液体，进入膨胀阀。3）节流过程：高温高压饱和液体经过膨胀阀节流变为低温低压湿饱和蒸汽，进入蒸发器。4）蒸发过程：进入蒸发器的低温、低压液体吸收被冷却物热量得到制冷目的，制冷剂汽化（沸腾）为低温低压蒸汽。2.制冷剂压焓图和温熵图基本内容1）压焓图 一点：临界点C三区：液相区、两相区、气相区。五态：过冷液状态、饱和液状态、湿蒸气状态、 饱和蒸气状态、过热蒸气状态。八线：饱和液线x=0、饱和蒸气线x=1、无数条等干度线x、等压线p（水平线）、等焓线h（垂直线）等熵线s、等比体积线v、等温线t等温线：在图中为点化线，在过冷区为垂直线，在湿区为水平线（并且与定压线重合），在过热曲为向下弯曲的曲线。等焓线：在图中为实线。在过热区为向右下弯曲的曲线比等比体积线v的斜率大。越往右下的等熵线熵值越大。比等比体积线v：图中为虚线。在过热区向下弯曲的曲线。愈往下的等比容线，比容愈大。过程热量：在图中可以用横坐标的长度代表。2）温熵图一点：临界点三区：气相区、液相区、湿蒸气区五态：过冷液体、饱和液体、湿蒸气、饱和蒸气、过热蒸气八线：等温线、等熵线、饱和蒸气线、饱和液体线、等干度线、等容线、等压线、等焓线。饱和液体线X=0：由于过冷液体线密集在X=0线附近，所以饱和液体表示两种状态：过冷液体和饱和液体。等压线：在过冷区为向右下方弯曲的曲线，在湿区为水平线和等温线重合；在过热区为向右上方弯曲的曲线。等比容线：图中为虚线。在湿区为向右上倾斜的直线在过热区变成向右上方弯曲的曲线比等压线斜率大。过程热量：在图中可以用等压线下面的面积表示。 3.单级蒸汽压缩式制冷理论循环性能指标 1）单位理论功和理论功率：单位理论功：压缩机每输送1制冷剂所消耗的功（kJ/）。 （kJ/kg）理论功率：压缩机压缩循环的制冷剂蒸汽所消耗的功率。 （kW）2）单位制冷量和单位容积制冷量单位制冷量：1制冷剂在蒸发器中从被冷却物吸取的热量。 （kJ/） 单位容积制冷量：压缩机每吸入1立方米制冷剂所制取的冷量。 （kJ/m3） 制冷量：单位时间内制冷剂在蒸发器中从被冷却物中吸取的热量。 （kW）3)单位冷凝热负荷和冷凝器热负荷 单位冷凝热负荷：1制冷剂在冷凝器中放出的热量。 （kJ/） 冷凝器热负荷：单位时间内制冷剂在冷凝器中放出的热量。 （kW）4)理论循环的制冷系数：单位制冷量与单位功之比。（经济指标：制取需要的冷量，要投入多少功率。） 5)热力完善度：理论循环的制冷系数与同温度的逆卡若循环的制冷系数之比。 热力完善度说明该循环接近可逆循环的程度；热力完善度越大，说明该循环接近可逆循环的程度越大。 4.单级蒸汽压缩式制冷实际循环偏离理论循环的主要因素1）实际循环中，离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气往往是过热蒸气；2）实际循环中，离开冷凝器和进入膨胀阀的液体往往是过冷液体；3）实际循环中，压缩机的压缩过程不是等熵压缩；4）实际循环中，制冷剂通过膨胀阀的节流过程不完全绝热，节流后焓值有所增加；5）实际循环中，在蒸发器和冷凝器中存在传热温差，即制冷剂的冷凝温度高于冷却介质温度，蒸发温度低于被冷却介质的温度；6）实际循环中，制冷剂在管道及设备内流动是存在阻力损失，并与外界存在热量交换。 5蒸发温度升高、冷凝温度降低，对制冷循环的影响。1）蒸发温度升高、对制冷循环的影响。 冷凝温度不变蒸发温度升高有t变为t时制冷量增大，压缩功减少，制冷系数增大。经济性提高。制冷机在运行中不要降低蒸发温度。2）冷凝温度降低对制冷循环的影响 蒸发温度不变冷凝温度降低见下图:冷凝温度有t下降为t时，制冷量增大，压缩功减少，制冷系数增大。经济性提高。在制冷机运行中，排除系统的不凝性气体；经常清除水垢降低冷凝温度对循环有利。 6.假定一单级蒸汽压缩式制冷理论循环，其蒸发压力为p0=350kPa,冷凝压力pk=1350kPa，制冷工质为R22，制冷量Q0=50kW，式对该循环进行热力计算。解：1)确定制冷工况p0=350kPa=3.5bar，查图t0=-10, pk=1350kPa=13.5bar，查图tk=40在压焓图上画两条定压线p0=350kPa=3.5bar和pk=1350kPa=13.5bar；p0与x=1的线相交的点为出蒸发器的状态1；由1点的熵值沿等熵线与pk相交点为出压缩机状态点2；pk线与x=0相交的点为出冷凝器状态点3。根据3点沿等焓线与p0等压线相交点为出节流阀状态点4。 查图得到各点参数状态点P(bar)t hv状态点P(bar)t hv13.5-10401.580.0656313.535241.78213.5434.7443.5241.782)系统热力计算单位制冷量和单位容积制冷量=（401.58241.78）=159.8（kJ/） （kJ/m3）制冷剂质量流量 /s体积流量: m3/s单位功：w0=h 2h1 = 434.74401.58=33.16 （kJ/）理论功率：=0.31333.16=10.379kW冷凝器热负荷：kW制冷系数：热力完善度： 7某空调用制冷系统，制冷工质为R134a，所需制冷量Q0为50kW，空调用冷水温度tc=10，冷却水温度tw=32，蒸发器端部传热温差取t0=5,冷凝器端部传热温差取tk=8,式进行制冷循环的热力计算。计算中取液体过冷度tg=5,吸气管路有害过热度tr=5，压缩机的输气系数=0.8，指示效率i=0.8。解：（1）确定循环的状态参数并画出循环的压焓图；压缩机吸气温度 查出上图各点参数：状态点P(bar)t hv状态点P(bar)t h13.4965400.070.058410.235248.7513.49610404.860.059653.4965248.752s10.2427.28310.240256.16 (2)循环热力计算 1）单位制冷量和单位容积制冷量 =400.07248.75=151.32（kJ/） （kJ/m3） 2）制冷剂质量流量 /s3) 压缩机实际输气量和理论输气量 实际输气量： （m3/s） 理论输气量： （m3/s）4）单位功和指示功：单位功：w0=h2sh1 = 427.28404.86=22.42 （kJ/）指示功： （kJ/）因为： 所以： （kJ/）5）理论功率和指示功率 理论功率：（kW) 指示功率：（kW)6）冷凝器热负荷： (kW)7) 制冷系数： 理论制冷系数： 指示制冷系数：8）卡诺循环制冷系数和热力完善度卡诺循环制冷系数：热力完善度8某单位现有一台106F型制冷压缩机，欲用来配一座小型冷库，库温要求为tc=-10,水冷式冷凝器的冷却水温tw=30,试对循环进行热力计算。已知压缩机参数：气缸直径D=100mm,行程S=70mm,气缸Z=6，转速n=1440r/min，蒸发器传热温差t0=10，冷凝器传热温差tk=5，制冷工质为氨，蒸发器出口的过热度为5，管路过热为5，液体过冷温度为32，压缩机的输气系数=0.6，指示效率i=0.65,机械效率m=0.9。解：（1）确定循环参数画出循环压焓图； 蒸发器出口温度：；压缩机进口温度：查出各点参数如下表：状态点P(bar)t hv状态点P(bar)t hv11.9-151448.560.638313.535362.5811.9-101460.530.653413.532348.482s13.51767.9451.9-20348.48（2）循环热力计算1）单位制冷量和单位容积制冷量 =1448.56348.48=1100.08（kJ/）(kJ/m3)2)单位理论功：w0=h2sh1 = 1767.941460.53=307.41 （kJ/）3）单位指示功：（kJ/）因为： 所以： （kJ/）4）单位轴功：（kJ/）5）制冷系数 =1100.08525.49=2.096)热力完善度 7）理论输气量和实际输气量理论输气量：（m3/s）实际输气量：（m3/s）8）制冷剂质量流量：(/s)9)制冷机制冷量：（kW）10）压缩机功率 理论功率：（kW） 指示功率：（kW） 轴功率：（kW）11）冷凝器热负荷：（kW）主要工作参数的确定 1蒸发温度的确定 蒸发温度主要取决于被冷却环境或介质所要求的温度。在间接冷却系统中，蒸发温度一般采用比载冷剂温度低5；在直接冷却系统中，蒸发温度一般比库房温度低10左右。目前，为减少干耗，有降低温差的趋势。 2冷凝温度的确定 冷凝温度主要取决于冷凝器的型式、冷却方式和冷却介质的温度，以及制冷压缩机允许的排气温度和压力。 按原规范规定，R22和R717为制冷剂时，一般冷凝温度不超过40，R12为制冷剂时，冷凝温度可以允许高达50，但一般应控制在45以下。目前，在重新制定的规范中，压缩机允许使用的冷凝温度有所提高，见表41，如氨压缩机的冷凝温度可达46。 当冷凝器型式及冷却方式确定后，冷凝温度主要取决于冷却介质的温度。 (1)立式、卧式、淋浇式冷凝器冷凝温度，的确定 这三种冷凝器的冷却介质主要为冷却水，常以下式确定冷凝温度 式中，为冷凝温度()；为冷凝器进水温度()；为冷凝器出水温度()，立式冷凝器，卧式冷凝器，淋浇式冷凝器一般情况下，30时取较小值，20时取较大值；t为温差，水冷式氨制冷系统中，t一般取57；氟系统中，t取78；高时取小值，低时取大值。 (2)蒸发式冷凝器的确定 在蒸发式冷凝器中，蒸发管润湿表面的水分蒸发而引起的换热约占全部换热量的80左右，因此水分蒸发的快慢直接与冷凝温度有关。在一定风速下，水分蒸发速度取决于室外空气的相对湿度，因此，以湿球温度为基准，考虑适当温差而确定，其计算式为 式中，为与室外计算温度相对应的夏季湿球温度()。热湿地区不宜采用蒸发式冷凝器。 (3)空气冷却式冷凝器的确定 空冷式(或称风冷式)冷凝器是以空气为冷却介质的冷凝器。制冷剂在冷却管内流动，而空气则在管外掠过，吸收冷却管内制冷剂热量把它散发于周围大气中。为了加强空气侧的传热性能，通常都在管外加肋片(也称散热片)，增加空气侧的传热面积。同时，采用通风机来加速空气流动，增加空气例的传热效果。 空冷式冷凝器的最大特点是不需要冷却水，因此特别适用于供水困难的地区。近年来中小型氟利昂制冷系统采用空冷式冷凝器比较多。空冷式冷凝器冷凝温度一般比夏季通风室外计算温度高812。 3中间冷却温度的确定 中间冷却温度是由中间压力所决定的，它与双级压缩机的低压级气缸容积和高压级气缸容积之比以及蒸发温度、冷凝温度有关。两级压缩所消耗的总功率最小时的中间温度和中间压力称为最佳中间温度和最佳中间压力。最佳中间温度可用下述方法求得 1)由理想中间压力确定 式中，为中间压力；、，分别是蒸发压力和冷凝压力，以绝对压力计。求得后，选几个中间压力，分别进行计算求出制冷系数增大对应的中间压力（温度）即为最佳中间温度。 2)利用拉赛经验公式确定。在温度范围为+40-40以内的氨制冷系统中，可用拉赛经验公式确定最佳中间温度，计算式为 3）当压缩机确定时，采用容积比插入法求中间温度。 4吸气温度的确定 吸气温度主要受下列几个方面因素影响： 1)由于吸入管受周围气温的影响，压缩机吸入气体的温度较蒸发温度都有不同程度的提高(过热)，其幅度随吸入管道的长短和环境温度的高低以及蒸发温度的高低而不同。 2)与制冷系统供液方式有关。在氨泵供液系统中，从冷却设备至低压循环桶的回气管内为气液两相流体，正常情况下不会产生过热，只在低压循环桶至压缩机的吸入管上才产生过热。在氨重力供液系统中，冷却设备至氨液分离器的回气管内可能会出现过热。 3)直接膨胀供液对管道过热的要求。在氟利昂制冷系统中，大多采用内平衡热力膨胀阀，膨胀阀靠回气过热度调节其流量，因此，要求回气管有适当的过热度。一般应有5以上过热度。外平衡热力膨胀阀要求过热度可小些。 氨压缩机的允许吸气温度，一般情况下可参照表确定。氟利昂系统单级系统的吸气温度不应超过15；双级系统低压机吸气温度可采用比蒸发温度高3040，高压机吸气温度不超过15。 氨压缩机允许吸气温度 (单位：)蒸发温度 50-5-0-15-20-25-28-30-33-40吸气温度101-4-7-10-13-16-18-19-21-25 5排气温度的确定 排气温度取决于制冷剂的蒸发压力、冷凝压力以及吸人气体的于度和缸套冷却介质温度。排气温度与排气压力和吸人压力之比