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西安交通大学 “制冷与低温原理”课程教学大纲 英文名称：Principles of Refrigeration and Cryogenic 课程编码：ENP03117 课程类型：工程科学 学时：44（含课外学时4） 学分：2 适用对象：主要用于“动力工程及工程热物理”专业，适当修改后也可用于机械、电机、无线电等相关专业。 先修课程：高等数学、大学物理、普通化学、工程热力学、传热学、流体力学。 使用教材及参考书： 1 吴业正主编.制冷及低温技术原理. 北京：高等教育出版社，2004 2 周远，王如竹主编.制冷与低温工程.北京:中国电力出版社，2003 3 陈光明，陈国邦主编.制冷与低温原理. 北京：机械工业出版社，2000 一、课程的性质、目的和任务 本课程是研究制冷与低温原理的工程技术类课程，是制冷及低温工程领域专业知识教学的基础，属专业基础课。它的教学目的与任务是：学生学习本课程后，将学到基本的制冷方法、低温获得、气体液化、气体分离以及其它制冷及低温应用技术的知识，掌握制冷与低温技术中能量转换的理论及节能的措施；为学习后续的专业课、生产实习、毕业设计等提供理论准备。同时也为学生今后解决低温方面的生产实际问题和科学研究打下必要的理论基础。 二、教学基本要求 学生学完本课程后，应达到下列要求： 1.掌握各种制冷方法的物理本质； 2. 掌握制冷与低温技术中的热力循环及其应用范围； 3. 熟悉制冷与低温技术中常用工质及其性质，能熟练地应用工质的物性公式和图表进行热力计算； 4掌握气体的分离方法及精馏计算； 5联系实际地培养学生相关设计和研究能力。 三、教学内容及要求 第一章：绪论 内容： 制冷与低温在现代技术发展和人民生活中的作用；研究对象及理论基础；制冷与低温的应用及发展。 要求： 掌握制冷的定义，了解制冷及低温技术研究的主要内容及其在一些领域的应用。 第二章：制冷方法 内容： 1. 利用物质相变的制冷方法（蒸气压缩式制冷，蒸气吸收式制冷，蒸气喷射式制冷，吸附式制冷）；利用电、磁、声效应制冷的方法（基于半导体特性的热电制冷、基于磁热效应的磁制冷和基于热声效应的声制冷）；气体涡流制冷；气体膨胀制冷；绝热放气制冷；节流和等熵膨胀； 绝热去磁；He稀释； 2. 制冷的基本热力学原理；以机械能或电能为补偿的和以热能为补偿的两类制冷机的能量转换关系；热能驱动的制冷机的等价关系。 3热泵：蒸气压缩式热泵系统，吸收式热泵系统。 要求： 1 掌握各种制冷方法的物理本质；熟练地画出蒸气压缩式制冷，蒸气吸收式制冷，蒸气喷射式制冷，以及吸附式制冷的系统图；熟悉热电制冷的基本原理及其应用场合；熟悉有回热和无回热定压压缩空气制冷机的流程及循环在TS图上的表示；熟悉绝热放气制冷；对于涡流管制冷、绝热去磁、He稀释以及电化学制冷有所了解； 2 深刻理解性能系数COP和热力学完善度的物理意义及其对提高制冷机性能的指导意义； 3 掌握衡量热泵性能的参数：供热系数；熟悉两类热泵系统的流程及其应用。 第三章：单级蒸气压缩式制冷循环 内容： 1 制冷剂的ph图； 2 单级蒸气压缩式制冷的理论循环：循环过程在ph图上的表示，循环的热力计算； 3 单级蒸气压缩式制冷的实际循环：液体过冷对循环的影响，蒸气过热对循环的影响，回热对循环的影响，热交换及压力损失对循环性能的影响，不凝性气体存在对循环性能的影响； 4 单级蒸气压缩式制冷机的性能工况：单级蒸气压缩式制冷机的性能，制冷机工况； 5 单级蒸气压缩式混合工质制冷循环：劳伦兹循环，非共沸混合工质制冷循环。 要求： 1 掌握制冷剂状态在ph图和TS图上的表示方法：能熟练地将蒸气压缩式制冷的各种循环画在ph图和TS图上，并用于分析制冷机性能； 2 掌握制冷剂流经单级蒸气压缩式制冷机各部件时其能量平衡和质量平衡关系式；熟练掌握反映制冷机性能的参数：单位质量制冷量、比功、单位体积制冷量，以及这些参数与性能系数COP的关系； 3 通过对单级蒸气压缩式实际循环的分析，熟悉各种实际因素对循环性能的影响：了解产生正效应的诸因素以及产生负效应的各种因素； 4 对于制冷机在变工况下的性能变化应有清晰的认识；熟悉工况变化与制冷机性能变化之间的定性关系； 5 了解采用劳伦兹循环的原因，以及非共沸混合工质相变时的温度滑移在变温热源时的应用。 第四章 制冷剂 内容： 1. 制冷剂的定义和作用；制冷剂的种类和符号表示；选择制冷剂时应考虑的因素； 2. 制冷剂的性质：环境影响的指标；热力性质及其对循环的影响；粘性、导热性和比热容；制冷剂与润滑油的溶解性；其它物理化学现象；制冷剂热力学性质的计算； 3. 混合制冷剂：共沸混合制冷剂、非共沸混合制冷剂； 4. 各种实用的制冷剂：水，氨，炭氢化合物，氟利昂。 要求： 1. 了解选择制冷剂时应考虑的各种因素，掌握各种制冷剂的符号表示法，熟悉制冷剂的各种性质及其对循环性能的影响；了解环境影响指标ODP和GWP的物理意义及其指导作用；熟悉制冷剂R22与矿物油的溶油性曲线以及R134a与酯基油的溶油性曲线；对于制冷剂的电绝缘性、燃烧性、爆炸性、毒性、溶水性应有一般性的了解，并知道针对这些性质应采取的措施；对于热稳定性和化学稳定性应有明确的认识，知道这些性质不稳定会产生的危害； 2. 熟悉共沸和非共沸工质的定义，它们在TX相图上的表示及反映 其特征的一些参数，如：温度滑移； 3. 了解并学会选用实用的制冷剂；熟悉对一些已被确定淘汰的制冷剂（如：R11、R12）和过渡性制冷剂（如：R22）的替代物； 4 了解载冷剂和蓄冷剂的特点，以及它们在溶液相图上的表示及应用场合。 第五章 多级压缩式制冷循环 内容： 1 两级压缩制冷循环：一级节流、中间完全冷却的两级压缩循环，一级节流、中间不完全冷却的两级压缩循环； 2 两级压缩制冷机的热力计算和温度变动时的特性：两级压缩制冷机的热力计算，两级压缩制冷机中间压力的确定，温度变动时两级压缩制冷机特性； 3 复叠式制冷机循环：复叠式制冷机循环系统，复叠式制冷循环的热力计算，复叠式制冷剂的启动与膨胀容器； 4 CO2制冷循环：近临界循环和跨临界循环；CO2跨临界循环的应用装置。 要求： 1. 了解采用两级制冷循环的原因；掌握一级节流、中间完全冷却的两级压缩循环的系统、相应的ph图、热力计算以及中间冷却器的热平衡计算；掌握一级节流、中间不完全冷却的两级压缩循环的系统、相应的ph图、热力计算以及中间冷却器的热平衡计算； 2. 熟悉两级压缩机中间压力的确定方法，了解中间温度变动对压缩机特性的影响； 3. 了解采用复叠式循环的原因；掌握复叠式制冷循环的系统、ph图、热力计算以及中间温度的确定；了解启动时必须注意的要点以及膨胀容器的作用； 4. 掌握CO2 制冷的近临界循环和跨临界循环；熟悉CO2在汽车空调和热泵式水加热器上的应用。 第六章 热交换过程及换热器 内容： 1. 热交换设备中的传热过程； 2. 蒸发器：干式蒸发器（冷却液体型干式蒸发器，冷却空气型干式蒸发器），再循环式蒸发器，满液式蒸发器； 3. 冷凝器：空气冷却式冷凝器（自然对流空气冷却式冷凝器，强制通风空气冷却式冷凝器），水冷却冷凝器（壳管式冷凝器，套管式冷凝器，壳盘管式冷凝器），蒸发式冷凝器和淋液式冷凝器； 4. 水冷式冷凝器中的冷却水系统：废水系统，再循环水系统； 5. 蒸气凝结时的表面传热系数，制冷剂沸腾时的表面传热系数，无集态改变时流体的表面传热系数； 6. 冷凝器、蒸发器的设计计算：水冷冷凝器、空气冷却冷凝器、满液式蒸发器、干式壳管式蒸发器、冷却空气型干式蒸发器的设计计算要点； 7.蒸发器供液的自动调节；热力膨胀阀；热电膨胀阀；毛细管和浮球阀； 8. 低温换热器：主要原理及基本结构； 9.传热强化技术：高效传热管的应用，空气侧换热的强化； 10. 热绝缘：管道的热绝缘层厚度，冷库的绝热层厚度。 要求 1. 掌握传热热阻的计算及传热系数的计算方法； 2. 了解各种蒸发器的功能、结构及优化、缺点；了解各种冷凝器的功能、结构及优缺点； 3. 了解废水系统和再循环水系统的流程和系统；初步掌握再循环水系统中的保证水质的措施及控制水中盐分的计算方法； 4. 了解各种表面传热系数的计算；了解传热强化技术的机理及一些具体结构；掌握蒸发器冷凝器设计计算的主要步骤、结构及主要参数的选择； 5. 掌握内平衡式和外平衡式热力膨胀阀的原理，了解热电膨胀阀的原理和结构，掌握毛细管和浮球阀的原理； 6 熟悉低温换热器的原理及结构。 第七章 载冷与蓄冷 内容： 1 制冷剂性质的要求，常用的传统载冷剂，传统的蓄冷剂； 2 环保型载冷系统，流态冰； 3 空气蓄冷、水蓄冷、冰蓄冷、气体水合物蓄冷。 要求： 1. 了解对载冷剂性质的要求，熟悉常用的传统载冷剂和传统的蓄 冷剂（共晶冰）； 2. 熟悉环保要求下载冷技术的新发展，熟悉环保型制冷及载冷系统。了解流态冰的特性、流态冰的压力损失及表面传热系数。 第八章 液态低温工质的制取 内容： 1 低温工质的性质；低温工质的种类及其热力性质、空气及其组 成气体的性质、氢的性质、氦的性质。 2 气体液化循环；无预冷和有预冷的一次节流液化循环；带膨胀机的液化循环（克劳特液化循环、柯林斯氦液化循环、海兰德液化循环、卡皮查液化循环）；大型氢液化循环；天然气液化循环。 要求： 1 熟悉常用低温工质空气、氧、氮、氩、氢、氦的特性； 2 掌握气体绝热膨胀时的温度变化（等熵的与非等熵的）； 3 掌握气体液化循环的特性，特别是空气液化循环，其中主要是林德循环、有预冷的林德循环、克劳特循环和柯林斯循环，并能熟练进行热力计算的循环分析。掌握氢、氦液化的特点，及其液化循环； 4 了解氦制冷氢液化循环，了解天然气液化循环。 第九章 气体分离的溶液热力学基础 内容： 1 概述； 2 溶液的基本定理； 3 溶液相平衡条件； 4 二元溶液的相平衡图； 5 溶液的基本工作过程。 要求： 1 掌握溶液的基本定律：拉乌尔定律和康诺瓦罗夫定律； 2 了解吉布斯相律； 3 熟练应用气液相平衡图； 4 掌握溶液的基本热力过程计算。 第十章 气体的低温分离 内容： 1 气体的组成及气液相平衡； 2 气体分离的方法； 3 液态空气的蒸发与空气的冷凝； 4 空气的精馏、二元系的精馏构成的计算； 5 精馏塔的塔板效率、精馏塔的精馏过程的计算； 6 了解精馏塔的基本结构、筛塔板结构设计基本方法。 要求： 1 掌握空气的组成及其主要成份间的气液相平衡； 2 了解应用第三种物质的气液分离法：薄膜渗透法、吸附法和吸收法； 3 掌握空气的精馏理论及其精馏设备的设计； 4 掌握精馏过程二元及三元的计算。 四、实践环节 1. 实验 （1） 制冷机变工况特性，2学时； （2） 气体节流时的转化温度与转化曲线，2学时。 2. 作业 （1） 单级蒸气压缩式制冷循环热力计算； （2） 一次节流液化循环热力计算。 一、课内学时分配 章 内 容 参考学时 1 绪论 1 制冷的定义； 2 . 制冷及低温技术的研究、应用及发展历史。 1 2 制冷方法 1. 物质相变制冷； 2. 电、磁、声制冷； 3. 气体涡流制冷； 4. 气体膨胀制冷； 5. 绝热放气制冷； 6. 绝热去磁；He稀释。 3.5 3 蒸气压缩式制冷： 1 制冷剂的ph图； 2 单级蒸气压缩式制冷的理论循环； 3 单级蒸气压缩式制冷的实际循环； 4 单级蒸气压缩式制冷机的性能工况； 5 单级蒸气压缩式混合工质制冷循环。 3 4 制冷剂 1 定义和作用；制冷剂的种类和符号表示； 2 制冷剂的性质； 3. 混合制冷剂：共沸混合制冷剂、非共沸混合制冷剂； 4. 各种实用的制冷剂：水，氨，碳氢化合物，氟利昂。 2 5 多级压缩制冷循环 1 一次节流的两级压缩循环； 2 两级压缩制冷机的热力计算和温度变动时的特性； 3 复叠式制冷机循环； 4 CO2制冷循环。 3 6 热交换过程及换热器 1 制冷机中热交换设备的传热过程及传热计算方法； 2 蒸发器； 3 冷凝器； 4 蒸发器供液量的自动调节； 5 低温换热器； 6 制冷系统的传热强化与削弱。 4 7 载冷与蓄冷 1 传统载冷剂与蓄冷剂； 2 环保要求下载冷技术的新发展； 3 蓄冷。 1.5 8 液态低温工质的制取 1 低温工质的性质：低温工质的种类及其热力性质、空气及其组成气体的性质、氢的性质、氦的性质； 2 气体液化循环；一次节流液化循环；带膨胀机的液化循环（克劳特液化循环、柯林斯氦液化循环、海兰德液化循环、卡皮查液化循环）；大型氢液化循环；天然气液化循环。 8 9 气体分离的溶液热力学基础 1 概述； 2 溶液的基本定理； 3 溶液相平衡条件； 4 二元溶液的相平衡图； 5 溶液的基本工作过程。 4 10 气体的低温分离 1 气体的组成及气液相平衡； 2 气体分离的方法； 3 液态空气的蒸发与空气的冷凝； 4 空气的精馏、二元系的精馏构成的计算； 5 精馏塔的塔板效率、精馏塔的精馏过程的计 算； 6 精馏塔的基本结构、筛塔板结构设计基本方法。 6 六、课外学时分配 序号 内 容 参考学时 1 制冷技术最新进展研讨 2 2 低温技术最新进展研讨 2 大纲制定者：吴业正、厉彦忠执笔 大纲校对者： 大纲审定者：袁秀玲、吴裕远 大纲批准者： “制冷及低温原理”典型习题 （1）“制冷与低温原理”综合练习题 题目： 应用替代工质的蒸汽压缩式制冷循环的性能计算及冷凝器设计初步已知条件：1.应用场合：小型冷库2.库 温：-18；t053.冷却水温：32；tk84.液体过冷度：tg55.蒸汽过热度（无效）：tr5 6.压缩机输气系数： 7.制冷量： 8.原有工质：R12报告内容： 1.前言 2.替代工质确定 3.热力计算 4.冷凝器主要结构参数选择 5.传热计算 6.专题讨论 7.结束语 8.参考文献（2）学生的综合练习题作业报告实例 应用替代工质的蒸汽压缩式制冷循环的性能计算及冷凝器设计初步 已知条件： 1.应用场合：小型冷库2.库 温：-18；t053.冷却水温：32；tk84.液体过冷度：tg55.蒸汽过热度（无效）：tr5 6.压缩机输气系数： 7.制冷量： 8.原有工质：R12摘要：通过一个小型冷库实例，介绍了替代工质的蒸汽压缩式制冷循环的性能计算方法及冷凝器初步设计步骤。关键词：替代工质，蒸汽压缩式制冷循环，性能计算，冷凝器，初步设计 1 前言 图1 热力循环压焓图 由于R12对臭氧层有强烈的破坏作用，并引起温室效应，故禁用R12。同时需要寻找合适的替代物。R12的比较成熟的替代物是R22，但R22对臭氧层仍有一定破坏作用，所以亦在受禁之列，只是禁用的时间相对晚一些。目前认为，R12的比较好的替代物是R407C。本文对原工质R12，替代工质R22、R407C的蒸汽压缩式制冷循环的性能分别进行了计算，并对其冷凝器进行了初步设计。2 性能计算 2.1根据已知条件，确定各个参数点 查R12的热力性质图，得各点的参数如表1所示 ： 表1 点号 t() p(kPa) h(kJ/kg) V(m3/kg) 1 -23 134.17 341.328 0.12725 1 -18 134.17 344.0 0.120 2 47 960.65 374.0 3 35 960.65 236.0 查R22的热力性质图，得各点的参数如表2所示： 表2 点号 t() p(MPa) h(kJ/kg) V(m3/kg) 1 -23 0.218 396.2 0.103819 1 -18 0.218 402.0 0.120 2 79 1.50 452.0 3 35 1.50 234.5 查R407C的热力性质图，得各点的参数如表3所示： 表3 点号 t() p(kPa) h(kJ/kg) V(m3/kg) 1 -23 134.17 341.328 0.12725 1 -18 134.17 344.0 0.120 2 47 960.65 374.0 3 35 960.65 236.0 2.2制冷机性能计算： 1) 压力比 k=pk/po 2) 单位质量制冷量(kJ/kg)qo=h1h4= h1h33） 单位体积制冷量(kJ/m3)qv=qo/ 4） 理论比功(kJ/kg)w0=h2 5）指示比功(kJ/kg)wi=w0/i6） 制冷系数o=qo/woi= qo/wi7） 制冷机的工质质量流量(kg/s) qm=Qo/q8） 实际输气量 = qm 9） 理论输气量 10） 压缩机消耗的理论功率和指示功率(kW)， 11） 冷凝器负荷(kW) 编写程序，求出分别采用R12、R22、R407C制冷剂的性能参数见表4： 表4 性能参数 R12 R22 R407C 压力比 7.16 6.88 6.37 单位质量制冷量/ kJ/kg 105.328 161.710 144.490 单位容积制冷量/ kJ/m3 877.733 1347.5 996.500 理论比功/ kJ/kg 30.000 50.000 56.000 指示比功/ kJ/kg 37.5 62.5 70.000 理论制冷系数 3.51 3.23 2.58 实际制冷系数 2.81 2.59 2.06 制冷机的工质流量/ kg/s 0.0902 0.0588 0.0657 实际输气量/m3/s 0.0108 0.0071 0.0095 理论输气量/ m3/s 0.0135 0.0088 0.0119 压缩机消耗的理论功率/kW 2.17 2.94 3.68 压缩机消耗的指示功率/kW 3.38 3.67 4.00 冷凝器热负荷/kW 13.123 13.513 14.399 3 冷凝器的结构参数选择 1) 冷凝器的结构形式 选择卧式壳管式冷凝器 2) 冷却水进口温度 和冷却水温升 的选择 3) 冷凝器中的污垢热阻 管外热阻： 管内热阻： 4 冷凝器的传热计算 1) 冷却水流量 ，和平均传热温差 2) 初步规划的结构尺寸 选用的铜管，取水流速度为u1.5m/s，则每流程的管子数Z为: 实际水流速度 子的布置示意图图2管 管程和有效管长： 假定热流密度q5100W/m2，则所需的传热面积Fo为： 管程和有效管长的乘积 有关上述参数的结果见表5：表5计算参数R12R22R407C冷却水流量（m3/s）0.00080.00080.0009每流程的管子数（根）444实际水流速度u（m/s）1.31.31.4传热面积Fo（m2）2.5372.6502.823管程和有效管长的乘积Nlc12.8013.1814.04采用管子成正三角形排列的方案，管距s20mm，对不同流程数N，有不同管长lc见表6，从表可以看出，三种使用不同制冷工质的制冷机，8流程是可取的。参考文献2,取管距。表6R12R22R407CNlcNlcNlc26.4026.5927.0243.2043.2943.5162.1362.2062.3481.6081.6581.76采用多管程结构，取管板利用率，则壳体内径为，圆整后可取。3）传热系数 管内冷却水与内壁的换热系数： 计算时取冷却水的平均温度ts为定性温度。 查物性表中的数据，得，求得的见表7。水平管的平均管排数 因流程数N8，总的管子数NZ32根，将这些管子布置在12纵列内，每列管子数分别为1、2、3、4、4、4、4、4、3、2、1，见图2，按公式（938） 根，管外换热系数的计算按公式（934）和（937）计算时取c0.725，通过计算确定，按公式（934）的说明，传热系数Ko，传热过程分为两部分：第一部分是热量经过制冷剂的传热过程，其传热温差为；第二部分是热量经过管外污垢层，管壁，管内污垢层以及冷却水的传热过程。 第一部分的热流密度 第二部分的热流密度 其中dm为管子的平均直径，将有关数据代入后， 用迭代法求出，外污垢层表面的温度two及冷凝器的热流密度q，见表8。q与前面的假定q5100W/m2相差不超过5，表明以前的假定是可取的。传热系数Ko为传热面积和管长的