制冷原理与技术(第一讲).ppt

1,制冷原理与技术,韩宗伟 hanzw2,为何要学习制冷技术？,应用领域广泛 上天入地的所有人工环境领域的冷热源设备 行业特点要求 发展最快的行业 消耗能源最多的行业之一 节能技术应用最好的行业 倍受关注的行业 竞争惨烈、利润变薄的行业 发展制冷、服务经济、促进生产、造福人类,3,课程的基本要求,教学目的 掌握常规制冷系统及其部件的基本原理 明确制冷系统的调控特性及其特性分析方法 达到制冷系统设计的基本要求 了解制冷行业发展动态 内容简介 学习单级蒸气压缩式制冷装置，包括工作原理、构造、系统设计、工作特性、运行调节问题 学校热能驱动的吸收式制冷（热泵）技术 介绍国内外各种空调用制冷机组、发展方向及其所涉及的主要技术内容,4,参考文献,陈汝东. 制冷技术与应用（第二版）.同济大学出版社. 彦启森，申江，石文星. 制冷技术及其应用 .中国建筑工业出版社. 彦启森，石文星，田长青.空气调节用制冷技术（第四版）.中国建筑工业出版社.,5,前 言,何谓制冷技术？,6,一、制冷的含义,制冷 使自然界的某物体或某空间达到低于周围环境温度，并使之维持这个温度 冷源 天然冷源：深井水、天然冰 人工冷源：利用物理、化学、生物等方法，制造的冷源 制冷技术：研究人工冷源产生的原理、设备、装置的科学 制冷原理 制冷设备,7,一、人工制冷发展历史,1834 年动第一台乙醚活塞制冷机问世 1844年出现空气制冷机 1859 年出现吸收式制冷机 1918 年自动冰箱问世 1923 年发明食品快速冻结 1927 年生产出空调器、空气源热泵1930 年汽车空调出现 1935 年出现卡车自动冷藏装置、飞机发动机低温试验装置等。 1928 年制造出氟利昂R12，人类从采用天然制冷剂迈向采用合成制冷剂时代,8,二、制冷技术的分类,1普通制冷 120以上 应用领域 空气调节 食品贮藏 工艺冷却,9,二、制冷技术的分类,2深度制冷： 20K-120 工业过程，化工过程 3低温和超低温： 20K以下 低温超导，宇宙空间模拟，半导体激光等,10,“冷” 是怎样制出来的?,11,三、普通制冷方法,1. 蒸气压缩式（本课程的重点） 2. 吸收式（本课程的重点） 3. 蒸气喷射式 4. 气体膨胀法 4. 吸附式 5. 热电式 6. 固体绝热去磁,12,第1讲 蒸气压缩式制冷循环,蒸气压缩式制冷循环是目前制冷设备最主要的制冷方式,13,学习思路,理想循环,理论循环,实际循环,循环的改进,亚临界循环 跨临界（超临界）循环,14,一、理想制冷循环,1. 气体的逆卡诺循环 理想过程的极限,Sadi Nicolas Lonard Carnot 1796-1832,15,1.逆卡诺循环,16,1.气体的逆卡诺循环：理想过程的极限,17,1.气体的逆卡诺循环：理想过程的极限,We,T,T,S,S,18,1.气体的逆卡诺循环：,气体的逆卡诺循环：理想过程的极限 COP (Coefficient of Performance) = 制冷系数 = ec qk = q0 + Sw,制冷系数(能效比),供热系数(性能系数),19,1.气体的逆卡诺循环：,影响逆卡诺循环制冷系数的因素 与工质无关 仅取决于工质的工作温度(无温差传热) To Tk,20,2.劳仑兹循环 (Lorenz Cycle),特点： 由两个等熵绝热过程和两个可逆多变过程组成 为可逆过程,T,S,a,b,c,d,Tkm,DTk,DTo,sa,qo,Sw=wc-we,sc,qk,Tom,21,2.劳仑兹循环 (Lorenz Cycle),从冷源（被冷却物）吸收的热量 向热源（冷却剂）放出的热量,22,2.劳伦斯循环 (Lorenz Cycle),制冷系数 劳仑兹循环的制冷系数等于一个以放热平均温度和吸热平均温度为高、低温热源温度的等效逆卡诺循环的制冷系数 取决于被冷却物和冷却剂的温度状况，而与制冷剂性质无关,23,一、理想制冷循环,问题：蒸发温度与冷凝温度哪个因素对制冷系数影响更大？,24,怎样才能实现逆卡诺循环？,循环过程 两个定温过程 液体的定压蒸发吸热等温过程 气体的定压冷凝放热等温过程 两个绝热过程 绝热压缩蒸气绝热压缩压缩机 绝热膨胀蒸气绝热膨胀膨胀机 无温差传热 换热面积无穷大 循环周期无限长,25,一、理想制冷循环,2. 可能的实现方式,湿蒸气作工质，循环在两相区，等温过程即等压过程,26,一、理想制冷循环,为什么膨胀功相当 于D3453的面积? h3-h4=(h3-h5)-(h4-h5) 根据能量方程，有 由于液体 v 小，vdp 可以忽略，有 h3-h5 面积35673 且 h4-h5面积45674 所以 h3-h4 D3453,5,7,6,27,二、蒸气压缩式制冷的理论循环,实际采用的蒸气压缩式制冷的理论循环是由两个等压过程、一个绝热压缩过程和一个绝热节流过程组成 理论循环与理想循环（逆卡诺循环）相比，有以下3个特点 两个传热过程均为等压过程，并且具有传热温差 用膨胀阀代替膨胀机 蒸气的压缩在过热区进行，而不是在湿蒸气区内进行,28,二、蒸气压缩式制冷的理论循环,Low pressure side,High pressure side,29,二、蒸气压缩式制冷的理论循环,Compressor,Evaporator,Condenser,Expansion valve,Increment pressure,Remove heat outdoor,Cooling air / Water,Reduce pressure,30,二、蒸气压缩式制冷的理论循环 (与逆卡诺循环的区别),(1)有温差传热：COP下降 例：当环境Tk 308K (35)，T0280K (7) 时 逆卡诺循环 Tk308K (35)，T0280K (7) 所以EER10 有温差传热时，假定传热温差为35， Tk311K (38)，T0275K (2) 所以EER8.15,31,二、蒸气压缩式制冷的理论循环,32,二、蒸气压缩式制冷的理论循环,(2)膨胀阀代替膨胀机,33,二、蒸气压缩式制冷的理论循环,(2)膨胀阀代替膨胀机 原因： 饱和液体或两相混合物膨胀系数小，可做功有限 功回收系统复杂 加工困难 COP下降的原因： 膨胀阀不能回收膨胀功，且损失部分制冷能力,34,二、蒸气压缩式制冷的理论循环,有摩擦的过程不可以用实线表示！,膨胀功热量,35,二、蒸气压缩式制冷的理论循环,工作流程图,36,二蒸气压缩式制冷的理论循环,37,二、蒸气压缩式制冷的理论循环,蒸气的压缩过程采用干压缩代替湿压缩 原因：防止液击 方法： 气液分离器 膨胀阀控制压缩机吸气过热度 COP下降的原因： 干压缩过程的过热损失,38,蒸气压缩式制冷的应用举例,汽车空调 空调器、电冰箱 ,39,三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算,lgp-h图 制冷循环在lgp-h图上表示 利用lgp-h图进行热力计算,40,lg p,h,制冷剂压焓图（lgp-h图）,41,制冷剂压焓图（R134a）,42,制冷循环在压焓图上表示,43,制冷循环在压焓图中表示,44,三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算,(1) 为什么使用压焓图？ 能准确描述制冷循环过程（设计与控制） 图上任何一点表示制冷剂的状态 两状态点的焓差反映了过程中的能量变化 (2) 热力计算的目的是什么？ 已知需要的制冷量和环境参数 计算 压缩机的制冷剂流量、功耗、理论COP和冷凝器排热量 目的 确定“四大件”和其它部件的容量、规格、型号,45,三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算,(1)计算方法（压焓图的应用） 压缩机：wch2-h1 冷凝器：qkh2-h3 节流阀：h3h4 蒸发器：q0h1-h4 热平衡：wcqk-q0,46,三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算,制冷循环的热力计算是根据所确定的蒸发温度、冷凝温度、液态制冷剂的再冷度和压缩机的吸气温度等已知条件，计算下列数值 ： 求解单位质量制冷能力q0和单位容积制冷能力qv=q0/v (容积指压缩机吸气口的v) 制冷剂质量流量 Mr=F0 / q0和体积流量Vr 冷凝器排热量 Mrqk 压缩机功耗 P=MrwC 理论制冷系数th = F0 /P=q0/wC 制冷效率R th / c(或th / l),47,三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算,非共沸工质在制冷循环中接近劳仑兹循环,48,三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算,非共沸工质在制冷循环热力计算的步骤 1. 按照给定外部条件和相当冷凝（或蒸发）温度，计算需要的对数平均温差（按照逆流方式换热） 2. 根据相当冷凝（或蒸发）温度，假定冷凝压力和蒸发压力 3. 在lgp-h图上绘制制冷循环，查找循环上各状态点的物性参数 4. 计算节流后状态点的物性 5. 校核实际对数平均温差，如果误差小，则进入步骤6.，否则转向步骤2. 6. 按单质类制冷循环热力计算方法，计算其它冷凝负荷、耗功量、制冷系数和制冷效率等性能参数,确定制冷循环的工况,49,三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算 （非共沸工质的热力计算）,4点的状态参数的确定方法 根据等效蒸发温度与等效冷凝温度计算要求的蒸发器与冷凝器的对数平均温差 用制冷剂的泡点与露点的平均值代替要求的冷凝温度和蒸发温度进行试算 根据计算结果校验试算结果，当两个对数平均温差与要求值达到要求精度时，开始计算单位制冷量、单位容积制冷量、单位压缩功、单位冷凝负荷、制冷系数等,50,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,蒸发温度、冷凝温度不变时，改善制冷循环的性能参数 过冷、回热 回收膨胀功 多级压缩（双级） 改善制冷循环的低温性能 复叠式（外复叠、内复叠） 改善制冷（热泵）循环的高温性能 跨临界（超临界）循环,51,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,1制冷循环性能的改善措施 (1)冷凝器的过冷 (2)过冷方法： 增大冷凝器换热面积（程度有限） 冷凝器后加再冷却器,52,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,(2) 蒸气回热循环,53,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,(1)冷凝器的过冷,q0,54,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,(1)冷凝器的过冷,55,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,(2) 蒸气回热循环,56,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,(2) 蒸气回热循环,57,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,(2) 蒸气回热循环,58,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,(3)回收膨胀功,59,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,(4)多级压缩,一级节流中间完全冷却双级压缩制冷循环,60,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,m1(h2-h5)=(m-m1)(h4 - h4+h2 - h2) m1 /m=(h4-h4+h2 - h2)/(h2-h5+h4-h4) q0= (m-m1)(h1-h5),高压级流量: m 旁通流量: m1 流量比:m1/ m 低压级流量: m- m1,61,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,一级节流中间不完全冷却双级压缩制冷循环,62,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,二级节流中间完全冷却双级压缩制冷循环,经济器 Economizer,63,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,64,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,(5)复叠式制冷循环 与多级压缩循环相比，可以获得更低的低温 两套独立制冷循环 高温级制冷循环 低温级制冷循环 冷凝蒸发器 根据目标低温要求，合理选择工质对,65,四、蒸气压缩式制冷循环的改善,复叠式制冷循环,TkH,T0H,66,四、蒸气压缩式制冷循环的改善 内复叠式（自然复叠）制冷循环,自然复叠制冷系统采用混合工质，通过单台压缩机实现了多级复叠，可以制取-60 以下的低温，极大地简化了制冷系统 一台压缩机 多元非共沸工质对 具有比较大的工作温区，无论是在普冷领域还是在低温电子、低温医学、冷冻干燥、气体液化等低温领域，都具有比较大的实用价值,67,五、跨临界蒸气压缩式制冷循环,对于高温与中温制冷剂，在普通制冷范围内，由于制冷循环的冷凝压力远离制冷剂的临界压力，故称之为亚临界循环 亚临界循环是目前制冷、空调领域广泛应用的循环形式 一些低温制冷剂在普通制冷范围内，利用冷却水或室外空气作为冷却介质时，压缩机的排气压力位于制冷剂临界压力之上，而蒸发压力位于临界压力之下，故将此类循环称为跨临界循环（Transcritical Cycle）或超临界循环（Supercritical Cycle），CO2（R744）就是这种制冷剂之一,68,五、跨临界蒸气压缩式制冷循环,CO2跨临界制冷循环,(a)循环原理图 (b)压焓图,69,五、跨临界蒸气压缩式制冷循环,跨临界制冷循环的热力计算 方法：与亚临界循环完全相同 特点： 在常规亚临界制冷循环中，冷凝器出口的制冷剂焓值只是温度的函数 在跨临界循环中，温度和压力共同影响着气体冷却器出口制冷剂的焓值 当其它条件不变时，制冷系数th先逐渐升高再逐渐下降，在某一p2时出现最大值thm，对应于thm的压力称之为最优高压侧压力p2opt 当其它条件不变时，循环的理论性能系数th随T3的增加而迅速下降,70,五、跨临界蒸气压缩式制冷循环,CO2跨临界制冷循环的改善 （1）蒸气回热循环,(a)循环原理图 (b)压焓图,71,五、跨临界蒸气压缩式制冷循环,CO2跨临界制冷循环的改善 （2）双级压缩回热循环,(a)循环原理图 (b)压焓图,72,五、跨临界蒸气压缩式制冷循环,CO2跨临界制冷循环的改善 （3）用膨胀机回收膨胀功,(a)循环原理图 (b)压焓图,73,五、跨临界蒸气压缩式制冷循环,CO2跨临界制冷循环的改善 上述循环的比较 1.简单单级压缩循环 2.单级压缩回热循环 3.双级压缩回热循环 4.用膨胀机的单级压缩循环 各种方式的综合利用,74,六、蒸气压缩式制冷的实际循环,实际循环与理论循环的区别 无论是亚临界还是跨临界制冷，其实际过程存在功热损失 压缩机内摩擦和传热 压缩机进、排气阀节流损失 部件、管道摩擦损失和传热 过热度、过冷度,75,六、蒸气压缩式制冷的实际循环,1.实际循环分析,76,六、蒸气压缩式制冷的实际循环,蒸发器内压力损失,管道摩擦、吸热,77,六、蒸气压缩式制冷的实际循环,蒸气压缩式制冷的实际循环lgP-h图,78,六、蒸气压缩式制冷的实际循环,各种损失引起压缩机输气量的减少可用容积效率v来表示，容积效率v的定义为压缩机实际输气量VR与理论输气量Vb之比 制冷量减少,79,六、蒸气压缩式制冷的实际循环,指示功率Pi 增大 轴功率 Pe增大（存在摩擦功） 需考虑压缩机与电动机的联接方式（传动效率d ）,80,六、蒸气压缩式制冷的实际循环,2. 系统性能评价 制冷循环的实际制冷系数s （又称为性能系数，用COP表示 ） 对于封闭式压缩机构成的制冷循环系统，因驱动电动机内置于压缩机，故需要考虑电动机效率e（以能效比EER来评价系统的性能）,81,六、蒸气