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空调用制冷技术 1 绪论 概述制冷技术是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的 制冷就是使自然界的某物体或某空间温度低于周围环境 并维持这个温度 1 冷源 天然冷源 人工冷源2 制冷范围的划分及其应用1 制冷范围的划分 普通制冷 低于环境温度 120 153K 深度制冷 120 253 153 20K 2 绪论 低温和超低温 253 接近 273 20 接近0K 2 应用 1 空气调节2 食品的冷冻和冷藏3 食品加工4 工业生产及农牧业5 建筑工程6 能源与动力工程7 国防工业8 医疗卫生 3 绪论 2 制冷技术的发展1755年苏格兰科学家库伦 Cullen 发表论文 液体蒸发制冷 人们以此作为人工制冷史的起点 1875年德国林德 Linde 首先制作了具有实用价值的氨蒸汽压缩式制冷装置 时至今日蒸汽压缩式制冷装置仍是一种使用范围最广泛的制冷方法 3 制冷技术的最新发展1 热泵技术的发展 空气源热泵 水源热泵 水环热泵 2 新材料的应用 相变材料 吸附材料 3 机器 设备的发展 高效离心机 4 新型制冷工质的研究5 新的制冷理论及实践 吸附式制冷 热电制冷 相变制冷 热声制冷 固体绝热去磁 气体绝热膨胀 4 绪论 4 研究课题1 节能与可再生能源的开发利用1 蓄能 热回收 高能效比 太阳能等设备的开发利用2 土壤源热泵2 新型制冷循环吸附式制冷 热电制冷 磁制冷 热声制冷等3 寻找新型节能环保的制冷剂 5 绪论 5 制冷系统组成1 制冷设备组成 压缩机 冷凝器 节流机构 蒸发器 辅助设备2 空调制冷系统组成 制冷机 冷却水系统 冷却水泵 冷却塔 冷却水管 冷冻水系统 冷冻水泵 空调末端设备 6 蒸气喷射式制冷系统图 图1蒸气喷射式制冷系统图 7 蒸气压缩式制冷系统各部件及主要用途 制冷剂液体吸热 蒸发 制冷 得到低温低压制冷剂 放热 使高压高温制冷剂蒸气冷却 冷凝成高压常温的制冷剂液体 压缩制冷剂蒸气 提高压力和温度 8 蒸气吸收式制冷系统图 图2蒸气吸收式制冷系统图 9 吸附式制冷系统的原理图 图3吸附式制冷系统的原理图 10 第一章蒸汽压缩式的热力学原理 图1 1蒸气压缩式制冷系统简图 11 第一节理想制冷循环 一 逆卡诺循环1 实现逆卡诺循环必须具备热工条件1 高温热源和低温热源温度恒定 工质在蒸发器和冷凝器中与外界热源之间传热没有温差 2 工质流过设备无设备内部不可逆损失 图1 5逆卡诺循环在T s图上的表示 12 一 逆卡诺循环 2 实现逆卡诺循环必要设备压缩机 冷凝器 膨胀机 蒸发器3 循环过程示意图及能量方程外界输入压缩功wc w we制冷量q0 T sa sb 制冷系数 c T0 Tk T0 供热系数 14 影响制冷系数 的主要因素1 蒸发温度的影响蒸发温度主要取决于制冷对象的温度要求 不能变动 相同的冷凝温度下 蒸发温度越高 制冷系数越大 单位制冷量能耗越低 一般蒸发温度比冷库温度低 以保证传热需要 13 一 逆卡诺循环 2 冷凝温度的影响冷凝温度取决于冷却介质 大气或冷却水等 的温度 不能随意变动 相同的蒸发温度下 冷凝温度越低 制冷系数越大 越有利于节能 一般冷凝温度要高于冷却介质温度 以保证必要的传热温差 二 劳仑兹循环在两个变温热源之间进行的理想制冷循环过程 由两个等熵绝热过程和两个可逆多变过程组成的理想循环过程 14 一 逆卡诺循环 图1 6热泵空调系统工作原理图 15 第二节蒸汽压缩式制冷的理论循环 一 蒸汽压缩式制冷的理论循环1 理论循环工作工程及特点1 在冷凝器 蒸发器中 有温差的定压过程代替无温差的定压过程2 膨胀阀代替膨胀机 绝热节流代替绝热膨胀3 压缩机吸入饱和蒸汽 干压缩代替湿压缩2 理论制冷循环特点1 节流损失 绝热节流是不可逆过程 膨胀阀不做功 损失了膨胀功 2 过热损失 湿压缩 制冷量减少 导致气缸液击 使压缩机汽缸遭到破坏 为了实现干压缩可在压缩机出口处设置气液分离器压缩机运行时严禁发生湿压缩 16 冷凝器 蒸发器 冷水机组 17 第二节蒸汽压缩式制冷的理论循环 采用干压缩过程可以增加单位质量制冷能力 由于压缩终状态是过热蒸气 压缩机功耗大 制冷系数低 降低程度称为过热损失蒸气压缩式制冷理论循环的两种损失节流过程带来的节流损失 干压缩所产生的过热损失 有传热温差的热交换 图1 5理论循环T S图 18 第二节蒸汽压缩式制冷的理论循环 3 热交换过程的传热温差在蒸发器和冷凝器实际传热过程中 制冷剂与冷源和热源由于存在温差 使得制冷系数低于理想过程的制冷系数 传热温差越大 制冷系数降低越多 一般蒸发温度比被冷却介质温度低 冷凝温度要高于冷却介质温度 以保证必要的传热温差 19 第二节蒸汽压缩式制冷的理论循环 二 蒸汽压缩式制冷的理论循环的热力计算1 压焓图的应用 图1 6理论循环在T s图和lgp h图上的表示 20 压焓图 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 等温线t 一点 临界点C 三区 液相区两相区气相区 八线 等压线p 水平线 等焓线h 垂直线 饱和液线x 0 饱和蒸气线x 1 无数条等干度线x等熵线s等比体积线v 21 蒸汽压缩式制冷的理论循环的热力计算 1 单位质量制冷量制冷压缩机每输送1kg制冷剂经循环从被冷却介质中制取的冷量称为单位质量制冷量 用q0表示 q0 h1 h4 r0 1 x4 1 1 式中q0 单位质量制冷量 kJ kg h1 与吸气状态对应的比焓值 kJ kg h4 节流后湿蒸气的比焓值 kJ kg r0 蒸发温度下制冷剂的汽化潜热 kJ kg x4 节流后气液两相制冷剂的干度 22 蒸汽压缩式制冷的理论循环的热力计算 2 单位容积制冷量制冷压缩机每吸入1m3制冷剂蒸气 按吸气状态计 经循环从被冷却介质中制取的冷量 称为单位容积制冷量 用qv表示 式中qv 单位容积制冷量 kJ m3 v1 制冷剂在吸气状态时的比体积 m3 kg 23 蒸汽压缩式制冷的理论循环的热力计算 3 理论耗功率制冷压缩机按等熵压缩时每压缩输送1kg制冷剂蒸气所消耗的功 称为理论耗功率 用w0表示 w0 h2 h1 1 3 式中w0 理论耗功率 kJ kg h2 压缩机排气状态制冷剂的比焓值 kJ kg h1 压缩机吸气状态制冷剂的比焓值 kJ kg 24 蒸汽压缩式制冷的理论循环的热力计算 4 单位冷凝热负荷制冷压缩机每输送1kg制冷剂在冷凝器中放出的热量 称为单位冷凝热负荷 用qk表示 qk h2 h2 h2 h3 h2 h3 1 4 式中qk 单位冷凝热负荷 kJ kg h2 与冷凝压力对应的干饱和蒸气状态所具有的比焓值 kJ kg h3 与冷凝压力对应的饱和液状态所具有的比焓值 kJ kg 对于单级蒸气压缩式制冷理论循环 存在着下列关系qk q0 w0 25 蒸汽压缩式制冷的理论循环的热力计算 5 制冷系数单位质量制冷量与理论比功之比 即理论循环的收益和代价之比 称为理论循环制冷系数 用 0表示 6 制冷效率 R制冷效率可以评价制冷剂热力学能对制冷系数的影响 是理论循环制冷系数与考虑了传热温差的理想制冷循环制冷系数之比 26 蒸汽压缩式制冷的理论循环的热力计算 2 蒸汽压缩式制冷的理论循环的热力计算 1 制冷剂单位制冷能力q0与单位容积制冷量qv 2 单位理论功w0 3 单位冷凝热负荷qk 4 制冷剂循环流量qm 5 压缩机的理论功率P0和指示功率Pi 6 制冷系数 7 冷凝器的热负荷 27 蒸汽压缩式制冷的理论循环的热力计算 例1 1以R22为制冷剂的制冷装置 制冷剂的蒸发温度t4 20 压缩机的吸气温度t1 20 冷凝温度t3 20 试求该循环的制冷系数 解由R22的 图上找出给定的各点 并查出各点的焓值如下 28 蒸汽压缩式制冷的理论循环的热力计算 例1 2以HFC134a为制冷剂的制冷装置 其制冷量 41686kJ h 制冷循环的工作条件是 冷凝温度为30 过冷度 t 5 蒸发温度为 15 压缩机的吸气温度t1 5 试求 1 单位质量制冷量 2 每小时的循环量qm 3 制冷剂在冷凝器中每小时的放热量 4 压缩机每小时消耗的理论功W和功率N 5 制冷系数 例1 3见教材例1 4 29 蒸汽压缩式制冷的理论循环的热力计算 例1 2假定循环为单级蒸气压缩式制冷的理论循环 蒸发温度t0 10 冷凝温度tk 35 工质为R22 循环的制冷量Q0 55kW 试对该循环进行热力计算 解点1 t1 t0 10 p1 p0 0 3543MPa h1 401 555kJ kg v1 0 0653m3 kg点3 t3 tk 35 p3 pk 1 3548MPa h3 243 114kJ kg 由图可知 h2 435 2kJ kg t2 57 30 第三节蒸汽压缩式制冷循环的改善 基本概念 液体过冷 从冷凝器出来的液态制冷剂的温度低于其压力对应的饱和温度 过冷度 液体过冷后的温度与其压力对应的饱和温度的差值 过冷循环 具有液体过冷的制冷循环称之为过冷循环 采用再冷却可以减少节流损失 一 膨胀阀前液态制冷剂再冷却 31 一 膨胀阀前液态制冷剂再冷却 1 设置再冷却器的蒸气压缩式制冷循环 1 设置再冷却器的蒸气压缩式制冷循环工作流程及理论循环 工作流程 理论循环 32 2 液体过冷对制冷性能的影响 一 膨胀阀前液态制冷剂再冷却 采用液态制冷剂再冷 节流后制冷剂的干度减少 即无效气化减少 单位质量制冷功率增加 q0 h4 h4 4bb 4 4 压缩机的压缩功不变 制冷系数提高 节流损失减少 对于空调用制冷系统 蒸发温度较高 并不单独设置再冷却器 而是适当增大冷凝器面积 使冷却介质与呈逆流换热 以实现再冷 33 一 膨胀阀前液态制冷剂再冷却 2 蒸气回热循环 基本概念 蒸气过热 压缩机入口处制冷剂蒸气的温度高于其压力对应的饱和温度 过热度 制冷剂蒸气过热后的温度与同压力下饱和温度的差值 过热循环 具有蒸气过热的制冷循环称之为过热循环 34 1 回热式蒸气压缩式制冷循环工作流程及理论循环 一 膨胀阀前液态制冷剂再冷却 工作流程 理论循环 35 2 回热对蒸气压缩式制冷性能的影响 一 膨胀阀前液态制冷剂再冷却 采用回热循环 一方面可使液态制冷剂再冷 单位质量制冷功率增加 q0 h4 h4 4bb 4 4 同时又能保证压缩机吸入具有一定过热度的制冷剂蒸气压缩机的压缩功增加 Wc h2 h1 h2 h1 2 1 122 制冷系数是否提高 取决与制冷剂的热物理性质 一般说来 对于节流损失大的制冷剂 如氟利昂R12 R134a等回热是有利的 而对于制冷剂氨则是不利的 36 无效过热 蒸气过热所吸收的热量来自被冷却介质以外的物体 即过热不能产生有效的冷量输出 如 蒸发器出口至压缩机入口处制冷剂管道与外界的热交换 一 膨胀阀前液态制冷剂再冷却 37 二 回收膨胀功 1 使用膨胀机的蒸气压缩式制冷循环 对于大容量制冷装置 一方面 由于膨胀机的容量较大 不会出现因机件过小导致加工方面的困难 另一方面 可回收的膨胀功相对较大 因此 采用膨胀机回收膨胀功可节省常规能源 提高制冷系数 38 二 回收膨胀功 2 使用膨胀机的蒸气压缩式制冷的工作流程和理论循环 工作流程 理论循环 39 3 回收膨胀功对制冷性能的影响 二 回收膨胀功 输出有用的膨胀功 压缩机压缩功减少 单位质量制冷量增加 理论制冷系数提高 40 三 多级压缩式制冷循环 当压缩机的压缩比较大时 压缩机的排气温度相应较高 因而过热损失及压缩机功耗均较大 采用具有中间冷却的多级压缩制冷循环 可减少过热损失及降低压缩机功耗 蒸发温度越低节能效果越明显 41 三 多级压缩式制冷循环 多级压缩式制冷循环的应用场合 压缩比较高 通常pk p0大于8 离心式或螺杆式制冷压缩机 可以比较方便的进行中间抽气 如空调用螺杆冷水机组 多级压缩式制冷循环的两种形式 闪发蒸气分离器 经济器 中间冷却器 42 1 带闪发蒸气分离器的双级压缩制冷的工作流程及理论循环 三 多级压缩式制冷循环 工作流程 理论循环 43 三 多级压缩式制冷循环 2 闪发蒸气分离器对制冷性能的影响 采用闪发蒸气分离器 减少了一级压缩的制冷剂流量 采用闪发蒸气分离器 降低了二级压缩机进口的蒸气温度和比容 因此 采用闪发蒸气分离器可有效降低压缩机的功耗 故闪发蒸气分离器也称之为经济器 44 三 多级压缩式制冷循环 中间冷却器与闪发蒸气分离器的异同 闪发蒸气分离器利用节流闪发出的制冷剂蒸气与经过一级压缩后的高温制冷剂蒸气混合 混合后的制冷剂蒸气仍为过热蒸气 因此称之为不完全冷却 不适合过热损失较大的制冷剂 如氨等 中间冷却器利用节流后的制冷剂可充分冷却经过一级压缩后的高温制冷剂蒸气 使其冷却至饱和蒸气状态 中间冷却器可设有液体冷却盘管 使来自冷凝器的高压液体获得较大的再冷度 既有节能作用 又有利于制冷系统稳定运行 2 一次节流中间冷却的双级压缩制冷的工作流程及理论循环 45 三 多级压缩式制冷循环 3 一次节流完全中间冷却的双级压缩制冷的工作流程及理论循环 理论循环 工作流程 46 4 一次节流中间不完全冷却的双级压缩制冷的工作流程及理论循环 三 多级压缩式制冷循环 理论循环 工作流程 47 三 多级压缩式制冷循环 5 双级蒸气压缩式制冷的中间压力 以获取最大制冷系数的中间压力为原则 以这种原则确定的中间压力称之为最佳中间压力 在工程设计时 可通过选择几个中间压力进行试算以确定最优值 以高低压缩机压缩比相等为原则 虽然制冷系数不是最大 但压缩机气缸工作容积的利用程度高 较实用 中间压力选取的原则 此时中间压力的计算式为 48 三 多级压缩式制冷循环 6 制冷剂质量流量的确定 对于一次节流完全中间冷却制冷量为 0双级压缩制冷循环 低压级压缩机的制冷剂流量Mr1 高压级压缩机的制冷剂流量Mr 在中间冷却器中 来自膨胀阀1的制冷剂 一方面使来自低压压缩机的排气冷却至饱和蒸气状态 另一方面使膨胀阀2前的液态制冷剂由状态5再冷却至状态7 49 因此 中间冷却器的能量方程为 三 多级压缩式制冷循环 高压级压缩机的制冷剂流量Mr 由于 50 三 多级压缩式制冷循环 对于一次节流不完全中间冷却制冷量为 0双级压缩制冷循环 状态3 由状态2和状态3 混合而来 的比焓h3 中间冷却器的能量方程为 51 因此 高压级压缩机的制冷剂流量Mr 三 多级压缩式制冷循环 52 三 多级压缩式制冷循环 例1 4如下图所示 系统需制冷量20kW 制冷剂采用R134a 蒸发温度t0 4 C 冷凝温度tk 40 C 试进行理论循环的的热力计算 53 三 多级压缩式制冷循环 解 1 确定该制冷循环的中间压力Pm 2 绘出理论循环的压焓图 3 根据其热力性质表查处于饱和线上的有关参数值 4 计算状态点2 6 8的参数值 状态2 由2 3混合而来 5 根据压焓图确定其余点的状态参数值 6 进行热力计算 54 三 多级压缩式制冷循环 单位质量制冷能力 单位容积制冷能力 55 三 多级压缩式制冷循环 低压级制冷剂质量流量 低压级压缩机制冷剂体积流量 高压级压缩机制冷剂质量流量 高压级压缩机制冷剂体积流量 56 三 多级压缩式制冷循环 冷凝器的热负荷 压缩机理论耗功率 理论制冷系数 热力完善度 57 三 多级压缩式制冷循环 与课本例1 3 P12 13 对比 在相同的制冷能力条件下 带闪发蒸气分离器的双级压缩式制冷循环 制冷剂质量流量稍有减少 压缩机排气温度降低 冷凝器热负荷下降 理论制冷系数提高 达8 58 四 复叠式制冷循环 对于采用氨 R22等中温制冷剂的压缩式制冷系统 即使采用多级压缩 但能够到达的最低蒸发温度仍有一定的局限 蒸发温度必须高于制冷剂的凝固点 如 氨的凝固点为 77 7 C 制冷剂的蒸发温度过低 其相应的蒸发压力也很低 当蒸发压力低于0 1 0 15bar时 外界空气易渗入系统 严重影响系统的正常运行 如 氨在蒸发温度为 65 C时 pk 0 156bar 蒸发压力很低时 制冷剂气态比容很大 单位容积制冷功率很小 要求压缩机的体积流量很大 59 四 复叠式制冷循环 因此 为获得 60 70 C的低温 需采用低温制冷剂 凝固点低 沸点也很低 如R13 R14等 R13的凝固点为 181 C 沸点为 81 4 C R14的凝固点为 184 9 C 沸点为 127 9 C 但这类制冷剂的临界温度很低 采用一般冷却水 存在以下局限 由于冷却水温接近其临界温度 使气态制冷剂难以冷凝 即使冷凝 由于接近临界点 不但冷凝压力高 而且比潜热小 因而制冷效率也很低 为降低冷凝温度 需采用另一台制冷装置为其冷凝器提供冷源 与之联合运行 及所谓的复叠式制冷循环 60 四 复叠式制冷循环 1 复叠式压缩制冷的工作流程及理论循环 工作流程 理论循环 61 四 复叠式制冷循环 1 复叠式压缩制冷系统的特点 两台制冷机联合运行 高温级制冷机的蒸发器为低温级制冷机的冷凝器提供冷源 为确保低温级的所需冷凝温度 高温级制冷机的蒸发温度需低于低温级冷凝温度3 5 C 复叠式制冷循环既保留了中 低温制冷剂各自的优点 又克服了它们不足 使制取很低的温度成为可能 深冷 62 作业 2 1 在蒸气压缩式制冷系统中 压缩机吸气口制冷剂蒸气过热度增大对系统制冷性能有何影响 什么情况下的蒸气过热为无效过热 为什么对R12 R134a系统往往采用回热器 2 如下3套空调系统在相同的压缩机及其转速 相同的外界环境条件下 测出系统的运行参数如下表 请借助lgP h或T s图分析 哪套系统制冷量最大 哪套系统制冷量最小 63 第四节跨临界制冷循环 基本概念临界状态及参数 在工质的压焓图上饱和液相线与饱和气相线交点的状态点及参数 临界状态气水状态的比容 焓 熵均各自相同 汽化潜热为零 超临界无饱和状态 工质的温度 压力各自独立 亚临界循环 在普通制冷范围内 制冷循环的冷凝压力远离临界压力 故称之为亚临界循环 跨临界循环 一些低温制冷剂在普通制冷范围内 利用冷却水或空气作为冷却介质时 压缩机的排气压力位于制冷剂的临界压力之上 而蒸发压力位于制冷剂的临界压力之下 称之为跨临界循环 64 一 CO2跨临界制冷循环 几种制冷剂的临界参数 1 基本原理CO2跨临界制冷循环仍属于蒸汽压缩制冷 特点 压缩机吸气压力低于临界压力 排气压力高于临界压力 蒸发温度低于临界温度吸热过程在亚临界条件下进行 液体蒸发制冷 放热在超临界条件下进行定压显热放热过程 65 一 CO2跨临界制冷循环 2 CO2跨临界制冷循环热力计算计算过程及内容同亚临界制冷循环3 最优高压侧压力p2opt CO2跨临界制冷循环的制冷系数 th 在某压缩机出口压力p2时将出现最大值 该压力值称为最优高压侧压力p2opt 当蒸发温度T0和空气冷却器出口温度T3保持恒定时 CO2跨临界制冷循环的制冷系数 th随高压侧压力的升高 单位质量耗功量呈直线上升 而单位质量制冷量上升的幅度却有逐渐减小趋势 二者综合作用的结果使得制冷系数 th先逐渐升高再逐渐下降 66 第一章蒸汽压缩式的热力学原理 作业1 蒸气压缩制冷循环系统主要由哪些部件组成 各有何作用 2 蒸发器内制冷剂的汽化过程是蒸发吗 3 制冷剂在蒸气压缩制冷循环中 热力状态是如何变化的 4 制冷剂在通过节流元件时压力降低 温度也大幅下降 可以认为节流过程近似为绝热过程 那么制冷剂降温时的热量传给了谁 5单级蒸气压缩式制冷理论循环有哪些假设条件 67 第二章制冷剂与载冷剂 概述制冷剂 Refrigerant 是制冷装置中的循环工作介质 在制冷系统中循环流动 通过自身热力状态的循环变化完成与外界的能量转换和传递实现制冷的目的 1 制冷剂及其发展乙醚是最早使用的制冷剂 它易燃 易爆 标准沸点为34 5 1928年研制出氟利昂R12 20世纪50年代出现了共沸混合工质 如R502 60年代研制出非共沸混合工质 含氯和含溴的合成制冷剂对大气臭氧层有破坏作用 并且造成严重的温室效应 68 第一节制冷剂 一 对制冷剂的基本要求1 热力学性质1 制冷效率高制冷剂的热力性质影响制冷效率 选用制冷效率高的制冷剂可以提高制冷系数 2 压力适中蒸发温度下的饱和压力最好接近大气压力 并高于大气压力 低于大气压力空气易于渗入系统 增加压缩机耗功量 环境温度下冷凝压力也不应过高 3 单位容积制冷能力大可以减少压缩机尺寸 标准大气压下沸点越低其单位容积制冷能力越大 69 一 对制冷剂的基本要求 4 临界温度高制冷循环的工作区越远离临界点 期一般也越接近逆卡诺循环 也便于用空气或冷却水冷却 2 物理化学性质1 与润滑油的互溶性制冷剂与润滑油相互混合或吸收 形成制冷剂 润滑油溶液 润滑油与制冷剂一起渗透到压缩机的各个部件 为压缩机提供良好的润滑条件 根据制冷剂润滑油在润滑油中的溶解性 分为有限溶和无限溶与润滑油的制冷剂 有限溶与润滑油的制冷剂 为防止在冷凝器 蒸发器等换热表面形成油膜阻碍传热 制冷系统中需设置油分离器 集油器等 系统较为复杂 70 一 对制冷剂的基本要求 2 导热系数 放热系数高可以减少蒸发器 冷凝器换热面积 缩小设备体积 3 密度 粘度小减小流动阻力 4 包容性好对其他材料 如金属 橡胶 塑料 无腐蚀作用 3 其他特性无毒 不燃烧 不爆炸 环保 价廉易得 二 安全标准及分类命名1 安全性分类毒性 A类 B类 可燃性 1 2 3类 71 二 安全标准及分类命名 表制冷剂的安全性分类 72 二 安全标准及分类命名 2 制冷剂的分类 四类 命名国际上统一规定用字母 R 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 以R7 系列编号 如R717 R7442 烷烃类和氟利昂氟利昂是烷烃类卤化物 其命名为R B 如R123 R22 R290 R3183 混合制冷剂 1 非共沸混合制冷剂以R4 系列编号 如R407c 2 共沸混合制冷剂以R5 系列编号 如R507a4 有机物以R6 系列编号 73 3 制冷剂的基本热力特性 3 制冷剂的基本热力特沸点 制冷剂在标准大气压下的饱和温度 一般沸点越低蒸发压力 冷凝压力越高 单位容积制冷能力越大 由此将制冷剂分为 高温制冷剂 沸点 0 中温制冷剂 0 沸点 60 低温制冷剂 沸点 60 1 氟利昂特点 氟利昂是饱和碳氢化合物卤族衍生物的总称 大多数氟利昂无毒 无臭 不燃 与空气混合不爆炸 不含水分时对金属无腐蚀 但其价格高 放热系数小 易渗漏且不易被发现 74 3 制冷剂的基本热力特性 氟利昂分为全卤化氯氟烃 CFCs 不完全卤化氯氟烃HCFCs 不完全卤化氟烃 HFCs 化合物 2 无机化合物氨 R717 单位容积制冷能力大 蒸发和冷凝压力适中 制冷效率高破坏臭氧层潜能值 ODP 和温室效应潜能值 WGP 均为0 但其毒性大 可燃 和空气混合比例一定时遇明火有爆炸危险 几乎不溶于润滑油 价格低廉 二氧化碳 R744 无毒 无臭 不燃 不爆炸 无腐蚀 ODP 0 WGP 1 对环境友好 单位容积制冷能力是R22的5倍 传热系数 高流动阻力小 价格低廉 但其临界温度低一般普通低温制冷为跨临界循环 75 3 制冷剂的基本热力特性 3 混合溶液二元溶液的特性 在给定压力下 二元溶液的沸点介于两个纯组分蒸发温度之间 在给定压力下蒸发过程或冷凝过程的蒸发温度或冷凝温度不是定值 泡点是其中某一组分比开始蒸发的温度 露点是该组分比开始凝结的温度 在给定压力下 湿蒸气区域中气液两相组分浓度不同 非共沸混合物 等压条件下不存在单一的蒸发温度的二元溶液 共沸混合物 定压相变时近似为等温的二元溶液 76 混合溶液 图2 1非共沸工质的T w图 77 3 制冷剂的基本热力特性 78 3 制冷剂的基本热力特性 79 3 制冷剂的基本热力特性 80 3 制冷剂的基本热力特 81 3 制冷剂的基本热力特性 82 安全标准 83 四 氟氯碳化合物的禁用及其对策 1 氟氯碳化合物对大气臭氧层的破坏氟利昂族分别用代号CFC表示含氯而无氢的氟化物 HCFC表示含氢 氯的氟化物 HFC表示含氢而无氯的氟化物 其中的氯原子 溴原子对臭氧层有破坏作用 一些常用的制冷剂在大气层中的自然寿命很长 如HCFC22为20年 CFC12为120年 CFC13为400年 CFC11为65年 CFC114为180年 84 四 氟氯碳化合物的禁用及其对策 四 氟氯碳化合物的禁用及其对策蒙特利尔议定书又称作蒙特利尔公约 全名为 蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书 MontrealProtocolonSubstancesthatDepletetheOzoneLayer 是联合国为了避免工业产品中的氟氯碳化物对地球臭氧层继续造成恶化及损害 承续1985年保护臭氧层维也纳公约的大原则 于1987年9月16日邀请所属26个会员国在加拿大蒙特利尔所签署的环境保护公约 该公约自1989年1月1日起生效 联合国有鉴于此 便于1990年6月在英国伦敦召开蒙特利尔公约缔约国第二次会议 并对公约内容作了大幅之修正 其中最为重要者即为扩大列管物质 除原先列管者之外 另增加CFC 13等10种物质 四氯化碳以及三氯乙烷 共计12种化学物质 并加速提前于2000年完全禁用上述物质 之后联合国又陆续修订管制范围 包括1992年的哥本哈根修正案 1997年的蒙特利尔修正案 以及1999年的北京修正案 其中包括R11 R12 R113 R114 R115 85 四 氟氯碳化合物的禁用及其对策 其中最重要者为哥本哈根修正案 决议将发达国家的氟氯碳化物禁止生产时程提前至1996年1月实施 而非必要之消费量均严格禁止 在工业界影响 冷媒中主要的臭氧层破坏者CFC 12或许可为HFC 134a取代 但化工工程师说HFC 134a在制造上较为困难 价格也贵于CFC 12 而且较CFC 12更须常更换 而用作塑胶发泡剂的CFC 11 暂时所提出的替代品为HCFC 22 此化合物一般家庭的冷气机已有使用 但并没有CFC 11的热绝缘性质 所以其未来的应用将受到更多的限制 86 四 氟氯碳化合物的禁用及其对策 氟氯碳化物CFC 11 CFC 12和CFC 113的替代品 仍需长期的研发 因为很多替代品其工业性质均逊于氟氯碳化物 亦较为不耐用 甚至还须设计更多的设备来使用 这些替代品在低压下易于分解 但对臭氧层较不具威胁 但是 人类曝露在这些替代品之下将具有潜在的危险性或引发其它环境问题 例如 酸雨 所以我们亟须研发一个完全安全的替代物 而不是另一种可能对人类有害或使气候突变的危险替代品 议定书 的主要内容包括 1 规定了受控物质的种类受控物质以附件A的形式表示 有两类共8种 第一类为5种CFCs 第二类为3种哈龙 87 四 氟氯碳化合物的禁用及其对策 2 规定了控制限额的基准受控的内容包括受控物质的生产量和消费量 其中消费量是按生产量加进口量并减去出口量计算的 议定书 规定了生产量和消费量的起始控制限额的基准 发达国家生产量与消费量的起始控制限额都以1986年的实际发生数为基准 发展中国家 1986年人均消费量小于0 3kg的国家 即所谓的第五条第一款国家 都以1995 1997年实际发生的三年平均数或每年人均0 3kg 取其低者为基准 3 规定了控制时间发达国家的开始控制时间 对于第一类受控制物质 CFCs 其消费量自1989年7月1日起 生产量自1990年7月1日起 每年不得超过上述限额基准 1993年7月1日起 每年不得超过限额基准的80 自1998年7月1日起 每年不得超过限额基准的50 对于第二类受控物质 88 四 氟氯碳化合物的禁用及其对策 哈龙 其消费量和生产量自1992年1月1日起 每年不得超过限额基准 发展中国家的控制时间表比发达国家相应延迟10年 4 确定了评估机制 议定书 规定从1990年起 其后至少每4年 各缔约方应根据可以取得的科学 环境 技术和经济资料 对规定的控制措施进行一次评估 蒙特利尔议定书 至今已经过了4次修正和5次重要调整 89 气候变暖与京都议定书 京都议定书 英文 KyotoProtocol 又译 京都条约 全称 联合国气候变化框架公约的京都议定书 是 联合国气候变化框架公约 UnitedNationsFrameworkConventiononClimateChange UNFCCC 的补充条款 是1997年12月在日本京都由联合国气候变化框架公约参加国三次会议制定的 其目标是 将大气中的温室气体含量稳定在一个适当的水平 进而防止剧烈的气候改变对人类造成伤害 政府间气候变化专门委员会 IntergovernmentalPanelonClimateChange 简称IPCC 已经预计从1990年到2100年 全球气温将升高1 4 5 8 目前的评估显示 京都议定书如果能被彻底完全的执行 到2050年之前仅可以把气温的升幅减少0 02 0 28 正因为如此 许多批评家和环保主义者质疑京都议定书的价值 认为其标准定得太低根本不足以应对未来的严重危机 90 气候变暖与京都议定书 概况1997年12月条约在日本京都通过 并于1998年3月16日至1999年3月15日间开放签字 共有84国签署 条约于2005年2月16日开始强制生效 到2009年2月 一共有183个国家通过了该条约 超过全球排放量的61 引人注目的是美国没有签署该条约 条约规定 它在 不少于55个参与国签署该条约并且温室气体排放量达到附件I中规定国家在1990年总排放量的55 后的第90天 开始生效 这两个条件中 55个国家 在2002年5月23日当冰岛通过后首先达到 2004年12月18日俄罗斯通过了该条约后达到了 55 的条件 条约在90天后于2005年2月16日开始强制生效 91 气候变暖与京都议定书 京都议定书 的签署是为了人类免受气候变暖的威胁发达国家从2005年开始承担减少碳排放量的义务 而发展中国家则从2012年开始承担减排义务 京都议定书 需要在占全球温室气体排放量55 以上的至少55个国家批准 才能成为具有法律约束力的国际公约 中国于1998年5月签署并于2002年8月核准了该议定书 欧盟及其成员国于2002年5月31日正式批准了 京都议定书 2004年11月5日 俄罗斯总统普京在 京都议定书 上签字 使其正式成为俄罗斯的法律文本 截至2005年8月13日 全球已有142个国家和地区签署该议定书 其中包括30个工业化国家 批准国家的人口数量占全世界总人口的80 美国人口仅占全球人口的3 至4 而排放的二氧化碳却占全球排放量的25 以上 为全球温室气体排放量最大的国家 美国曾于1998年签署了 京都议定书 但2001年3月 布什政府以 减少温室气体排 92 气候变暖与京都议定书 放将会影响美国经济发展 和 发展中国家也应该承担减排和限排温室气体的义务 为借口 宣布拒绝批准 京都议定书 2005年2月16日 京都议定书 正式生效 这是人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放 为了促进各国完成温室气体减排目标 议定书允许采取以下四种减排方式 一 两个发达国家之间可以进行排放额度买卖的 排放权交易 即难以完成削减任务的国家 可以花钱从超额完成任务的国家买进超出的额度 二 以 净排放量 计算温室气体排放量 即从本国实际排放量中扣除森林所吸收的二氧化碳的数量 三 可以采用绿色开发机制 促使发达国家和发展中国家共同减排温室气体 四 可以采用 集团方式 即欧盟内部的许多国家可视为一个整体 采取有的国家削减 有的国家增加的方法 在总体上完成减排任务 93 第二节载冷剂 一 载冷剂 当制冷装置间接冷却被冷却物时 需要一种中间物质 在蒸发器中被冷却降温 再用它冷却被冷却物 这种中间物质即为载冷剂 二 常用载冷剂1 盐水溶液 NaCl CaCl 2 乙二醇溶液 94 载冷剂性质 图2 2盐水溶液的温度 质量分数T w图图2 3润滑油黏性随制冷剂质量分数 95 第三章制冷压缩机 制冷压缩机的分类 图3 1制冷压缩机的分类 96 活塞式制冷压缩机的分类与应用 97 第一节活塞式制冷压缩机的构造 活塞式 即往复式 制冷压缩机应用广泛 而排气量不大 一般多为中小型压缩机 一般空调工况制冷量小于300kW 图3 2立式两缸活塞式制冷压缩机 98 一 活塞式制冷压缩机的型式 1 根据气体在汽缸内流动情况 顺流式 逆流式 2 根据气缸排列和数目不同 卧式 立式 多缸式 多缸式汽缸的排列与气缸数目有关有V型 四缸 W型 六缸 Y型 六缸 扇 S 形 八缸 3 根据构造不同 开启式 压缩机和驱动电动机分别设置 电动机设置在曲轴箱之外 需设轴封装置 封闭式 压缩机和驱动电动机封闭在一个空间电动机在气态制冷剂中工作 依靠气态制冷剂冷却 99 开启式 半封闭式 全封闭式压缩机结构示意图 图3 31 压缩机 2 电机 3 联轴器 4 轴封 5 机体 6 主轴 7 8 9 可拆的密封盖板 10 焊封的罩壳 11 弹性支撑 全封闭式制冷压缩机 100 活塞式制冷压缩机的构造 二 开启式活塞式制冷压缩机的构造1 机体 上中下三部分 排气腔 吸气腔 曲轴箱2 活塞及曲轴连杆机构开启式制冷压缩机曲轴的一端装有油泵 另一端伸至曲轴箱外与电动机连接 曲轴穿曲轴箱处设置轴封 曲轴 连杆采用铸铁制成 活塞多采用铝镁合金铸造 质量轻 3 气缸套及进排气阀组气缸套 阀座 进排气阀片 阀盖 缓冲弹簧 4 卸载装置 101 活塞式制冷压缩机的构造 控制制冷量装置 可采用 1 节流法 靠节流降低吸气压力 减少制冷剂流量 调节制冷能力 2 旁通法 将压缩机部分排气返回吸气管 建设压缩机制冷能力 3 卸载法 将某气缸吸气阀保持开启 是该气缸处于不工作状态 多缸活塞式制冷压缩机多采用卸载法 调节压缩机的制冷能力 4 调速法 改变压缩机转速 调解压缩机制冷能力 5 润滑系统润滑油的作用 润滑作用 冷却作用 密封作用 清洗作用 动力传递作用 防锈作用压缩机曲轴箱下部存有一定数量的润滑油 通过油泵压出 压缩机的轴与轴承 活塞与气缸壁等接触面 轴封等处均需要进行润滑与冷却 以减少功耗 102 第二节活塞式制冷压缩机的性能 一 活塞式制冷压缩机的工作过程1 活塞排量 活塞式制冷压缩机的理论排气量 即压缩机可吸入低压气体的体积Vh D2Lnz 240m3 sD 气缸直径 mL 活塞行程 mz 气缸个数n 曲轴转数 图3 4理想工作过程的p V图 103 第二节活塞式制冷压缩机的性能 2 容积效率制冷压缩机的实际排气量总是小于其活塞排量 二者之比称为容积效率 v Vr Vh影响压缩机实际排气量的因素主要是 余隙容积 进排气阀阻力 吸气过程气体被加热程度 漏气四个方面 v v p t l二 活塞式制冷压缩机的制冷量和耗功率活塞式制冷压缩机的工作特性 制冷量 耗功率1 制冷量 0 Vr qv vVhqv 1kW由上式可见 当转数一定 制冷量只与单位容积效率和单位容积制冷能力有关 影响容积效率的是压缩机的压缩比 压缩比越大 容积效率越低 104 活塞式制冷压缩机的工作特性 影响压缩机制冷量的主要因素是 蒸发温度和冷凝温度 蒸发温度的影响更大 2 活塞式制冷压缩机的耗功率 1 指示功率和指示效率指示效率 实际单位耗功量与理论耗功量之比 见表指示功率Ni vVh 1 h2 h1 i 2 摩擦功率和机械效率 3 轴功率Ne和轴效率 e轴功率Ne Ni Nm vVh 1 h2 h1 i m 4 制冷压缩机电动机功率的校核计算 105 活塞式制冷压缩机的工作特性 106 活塞式制冷压缩机的工作特性 图3 6活塞式压缩机的指示效率图3 7活塞式压缩机的机械效率 107 活塞式制冷压缩机的工作特性 图3 8轴效率 e随压缩比的变化关系 108 影响活塞式制冷压缩机性能的主要因素 三 影响活塞式制冷压缩机性能的主要因素评估指标 1 制冷压缩机的性能系数 COP 单位轴功率的制冷量 单位kW kW2 制冷压缩机的能效比 EER 单位电动机输入功率的制冷量 单位kW kW 109 活塞式制冷压缩机的名义工况 压缩机的制冷量和轴功率等参数随工况条件变化 为了衡量 比较压缩机性能 制定公认的温度条件 名义工况 作为压缩机制冷量选用和比较的标准 铭牌上标示的制冷量和功率一般是在标准工况下的值 如为空调专用 则为空调工况 110 活塞式制冷压缩机的名义工况 111 活塞式制冷压缩机的名义工况 112 活塞式制冷压缩机的名义工况 113 活塞式制冷压缩机的名义工况 114 第三节回转式制冷压缩机 回转式制冷压缩机利用回转子的旋转运动替代活塞式制冷压缩机的往复运动 周期性的将低压气体的压力提高 实现了高速和小型化 其运转平稳 噪音低 构造简单 容积效率高 但回转式压缩机为滑动密封 加工精度要求高 回转式制冷压缩机亦属于容积式压缩机 与活塞式压缩机相比 容积效率高 运转平稳 可实现高速化及小型化 回转式压缩机为滑动密封 对运动部件加工精度较高 采用回转式制冷压缩机已成为压缩机的发展潮流 回转式制冷压缩机种类多 各有其适用容量 115 滚动转子式制冷压缩机 一 滚动转子式制冷压缩机1 工作原理构造 有一圆筒形气缸其上部设有吸 排气孔 排气孔上装有排气阀 偏心主轴 其上装有可滚动的套筒状活塞 与气缸形成月牙形工作腔 气缸上部纵向槽内装有滑板下端与滚动活塞紧密接触将气缸工作腔分为吸气腔和排气腔 图3 9滚动转子式制冷压缩机主要结构示意图1 排气管 2 汽缸 3 转子 4 曲轴 5 润滑油 6 吸气管 7 滑片 8 弹簧 9 排气阀 116 滚动转子式制冷压缩机 2 滚动转子式制冷压缩机特点 1 主轴平均每转一圈完成一个工作循环 2 滑板与进排气口之间有空隙 形成余隙容积 余隙系数较小 因而其容积系数高于往复式压缩机 在0 7 0 9范围内 3 不需要将旋转运动转化为往复运动的转换部件 其零部件少 结构简单 体积小 重量轻 振动小 运转平稳 造价低可靠性较高 117 涡旋式制冷压缩机 二 涡旋式制冷压缩机1 结构与工作原理 图3 10涡旋式压缩机压缩机构简图1 动盘 2 静盘 3 机体 4 防转机构 5 偏心轴 6 进气口 7 排气口 118 涡旋式制冷压缩机 图3 11涡旋式压缩机工作原理示意图1 压缩室 2 进气口 3 动盘 4 静盘 5 排气口 6 吸气室 7 排气室 8 压缩室 119 涡旋式制冷压缩机 2 涡旋式制冷压缩机的特点1 容积效率高 工作工程吸气 压缩 排气基本是连需进行没有余隙容积 吸气与有害过热度小 没有吸气阀 阻力损失小 连续压缩腔两侧压差小 漏气少 因而其容积效率高 通常可达0 95以上 2 振动小 噪音低 偏心轴转矩变化小仅为往复式 滚动式的1 10 使振动和噪音较低 3 结构简单 可靠性高 3 制冷量调节 1 变频调节 通过变频电动机 变频调速改变输气量 2 数码涡旋 120 涡旋式制冷压缩机 121 双螺杆式制冷压缩机 三 螺杆式压缩机 双螺杆压缩机 单螺杆压缩机 1 双螺杆压缩机的构造主要由两个相啮合的螺杆转子组成 与活塞式压缩机相比 无吸 排气阀 输气量调节通过卸载活塞 推动卸载滑阀实现 图3 12双螺杆压缩机的结构 122 双螺杆式制冷压缩机 图3 13双螺杆式制冷压缩机1 阳转子 2 阴转子 3 机体 4 滑动轴承 5 止推轴承 6 平衡活塞 7 轴封 8 能量调节活塞 9 卸载滑阀 10 排气口 11 进气口 123 双螺杆式制冷压缩机 吸气 压缩 排气3个过程 输气是周期性的 不连续压缩 1 吸气过程 如图 a 所示 阳转子带动阴转子旋转至A点 由阴阳转子凸凹齿槽 啮合密封线 气缸和端盖构成的V型密封空间与吸气口相通 其体积由最小值向最大值变化 当转子旋转至B点位置时 此V型密封空间开始不与吸气口相通 该空间容积到达最大值V1 吸气过程制冷剂压力为P1 2 双螺杆制冷压缩机工作工程 124 双螺杆式制冷压缩机 2 压缩过程 如图 b 所示 从B点起 阴阳转子继续旋转 两转子形成的密封啮合线向排气侧移动 V型密封空间体积逐渐减小 此空间中的制冷剂被压缩 此过程进行到位置C V型密封空间开始与排气口相通 此时V型密封空间体积为V2 压力增至P2 比值V1 V2称之为螺杆压缩机的内容积比 125 双螺杆式制冷压缩机 3 排气过程 如图 c 所示 从C点起 阴阳转子继续旋转 V型密封空间中的制冷剂被压入排气管 直至转子旋转至D点 V型密封空间中的气体被完全排出 排气过程结束 吸气 126 双螺杆式制冷压缩机 图3 14机壳部件立体图1 吸气端座 2 机体 3 排气端座 127 双螺杆式制冷压缩机 图3 15螺杆式制冷压缩机工作过程 128 双螺杆式制冷压缩机 图3 16滑阀式能量调节机构1 阴阳螺杆 2 滑阀固定端 3 能量调节滑阀 4 旁通口 5 油压活塞 129 单螺杆式制冷压缩机 3 单螺杆压缩机的构造由一个螺杆转子和两个星轮组成 如下图所示 130 单螺杆式制冷压缩机 单螺杆压缩机与双螺杆压缩机不同 在螺杆两侧对称配置的星轮分别构成双工作腔 各自完成吸气 排气 压缩过程 螺杆的每一个螺槽与一对星轮可构成一个类似于双作用的活塞式制冷压缩机 131 单螺杆式制冷压缩机 单螺杆压缩机的工作过程压缩机螺杆有通常有6个螺槽 由两个星轮将其分成上下两个空间 各自实现吸气 压缩 排气过程 相当于一台6缸双作用活塞式压缩机 其工作过程如下 1 吸气过程 如图 a 所示 螺杆的螺槽在星轮轮齿尚未啮与前与吸气腔相通 当螺杆转到一定位置时 星轮轮齿将螺槽封闭 吸气过程结束 132 单螺杆式制冷压缩机 2 压缩过程 如图 b 所示 吸气过程结束后 螺杆继续旋转 星轮轮齿沿螺槽推进 封闭的齿间容积逐渐减小 实现气体的压缩过程 当齿间容积与与排气孔相通时 压缩过程结束 可见 星轮的作用与活塞式压缩机中活塞相类似 压缩 133 单螺杆式制冷压缩机 3 压缩过程 如图 c 所示 当齿间容积与排气孔连通后 由于螺杆继续旋转 被压缩气体通过输气孔送至排气管 直至该星轮轮齿脱离螺槽 排气过程结束 134 螺杆式制冷压缩机 4 螺杆压缩机的三种压缩工况与活塞式压缩机不同 螺杆压缩机由于无吸 排气阀 压缩结束时封闭空间的压力仅由旋转体的形状 排气口的位置 吸气压力及制冷剂性质决定 与排气管内压力 冷凝压力 无关 因而可能存在三种工况 压缩终了时封闭空间压力P2等于排气排气管压力Pk 压缩终了时封闭空间压力P2低于排气排气管压力Pk 欠压缩 压缩终了时封闭空间压力P2高于排气排气管压力Pk 过压缩 在欠压缩及过压缩的情况下 压缩机的功耗均增加 为实现变工况条件下压缩终了时封闭空间与排气管压力的一致 可在压缩机中增设内容积比调节装置 自动调节内容积比 以实现变工况下系统的高效运行 135 螺杆式制冷压缩机 对于内容积比固定的螺杆压缩机 一般选用的内压力比略低于制冷或热泵机组的额定运行压力比 136 螺杆式制冷压缩机 5 螺杆式制冷压缩机的特点 1 螺杆工作时 油润滑油系统向螺杆工作面喷润滑油 进行冷却降温 因而排气温度低 2 由于没有进 排气阀 也没有余隙容积 其容积效率高 压缩比大 不担心湿压缩 3 空载启动 配用电机功率小 4 通过滑阀控制进气量 实现无级调节 5 体积小 重量轻 结构简单 没有易损件 运行周期长 维修简单 6 供油系统复杂 7 制造复杂 价格高 8 螺杆机在部分负荷时的效率比离心机高8 10 137 第四节离心式制冷压缩机 能够合理