能源动力装置基础_黄树红_制冷原理与空气调节.ppt

第十章制冷原理与空气调节 第一节概述第二节制冷基本理论第三节单级蒸气压缩制冷循环第四节制冷剂与载冷剂第五节吸收式制冷机的工作原理第六节热电制冷第七节空气品质与空气处理第八节空调系统第九节空调系统中的热泵技术第十节典型的低温气体液化循环 第一节概述 制冷 从低于环境温度的物体中吸取热量并将其转移给环境介质的过程 制冷技术 研究采用人工方法制取低温的原理 设备及其应用的技术 冷和热的概念是相对的 在制冷技术中 冷和热都是与周围环境介质 空气或水 的温度相比较而言的 人工制冷就是借助于制冷机 以消耗机械能 电磁能 热能以及太阳能等形式的能量为代价 使热量从低温物体或空间转移到高温物体或空间以达到制冷的目的 制冷机 指完成制冷循环所必需的机器和设备的总和 蒸汽压缩式制冷机中就包括制冷压缩机 冷凝器 蒸发器 节流机构等 吸收式制冷机中则包括发生器 冷凝器 蒸发器 吸收器 节流机构以及泵等 机器 在制冷机中通常将消耗电能的 有机械运动的制冷压缩机 泵等 制冷设备 除机器以外的 其余的换热器及其他辅助设备 冷凝器 蒸发器 储液器等 制冷装置 将制冷机与消耗冷量的设施结合在一起 如冰箱 冷库等 从环境温度到绝对零度只有约300度的温度差 根据人工制冷所能达到的低温范围 将人工制冷划分为普通制冷和低温制冷两个领域 普通制冷 从环境温度到120K 153 低温制冷 从120K到0K 低温深度制冷 120K 20K 低温制冷 20K 0 3K 超低温制冷 0 3K 制冷与低温在获得低温的原理 方法 系统与设备以及所采用的工作介质等均有所不同 第二节制冷基本理论一 制冷的热力学基础制冷系统是利用逆向循环的能量转换系统以机械能或电能为补偿 蒸汽压缩式 热电式制冷机等 和以热能为补偿的 吸收式 蒸汽喷射式 吸附式制冷机等 两类制冷机的能量转换关系 二 制冷的基本方法1 相变制冷 利用液体在低温下的蒸发过程或固体在低温下的熔化或升华过程向被冷却物体吸取热量的过程 液体气化 水冰或溶液冰的熔化 干冰升华2 气体膨胀制冷 利用高压气体的绝热膨胀以达到低温 并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制取冷量的过程 膨胀机膨胀 气体温降大 制冷量大 效率高节流阀膨胀 温降小 制冷量小 效率低 3 气体涡流制冷 高压气体经涡流管膨胀后被分离成冷 热两股气流 将分离出来的冷气流复热即可制取冷量 4 热电制冷 第三节单级蒸气压缩制冷循环一 蒸气压缩式制冷 一 制冷剂的压焓图 二 理想制冷循环 理论循环 1 理想化条件 蒸发过程 冷凝过程都是等压 等温过程 压缩过程是定熵过程 并且吸入的是x 1的干饱和蒸气 冷凝器出口状态为饱和液体状态 节流过程是等焓过程 在各段连接管路中 制冷剂不发生状态变化 2 在压 焓图上的表示法 3 理论循环的热力计算已知条件 制冷剂种类 制冷系统的蒸发温度t0 制冷系统的冷凝温度tk 环境状态pa Pa ta a 压缩机的气缸直径D m 活塞行程S m 气缸数Z 曲轴转速n r min 1 单位制冷量q0 qv2 压缩机单位理论功w03 压缩机理论排气量4 制冷剂循环量qm R5 制冷机制冷量Q06 冷凝器热负荷Qk7 压缩机理论功率N08 制冷系数 9 热力学完善度10 单位功率制冷量ke 二 实际循环 一 过冷循环过冷 节流前的制冷剂定压冷却到低于冷凝温度的状态 过冷循环 含有过冷过程的制冷循环 过冷循环压 焓图 二 过热循环过热 将压缩机吸入前的制冷剂蒸气加热到高于饱和温度的状态 过热循环 含有过热过程的制冷循环 过热循环压 焓图 回热循环系统示意图及其压 焓图 实际制冷循环的压 焓图 冷凝温度对性能的影响 蒸发温度对性能的影响 容积式制冷压缩机及机组的名义工况 热泵型压缩机及机组的名义工况 制冷压缩机冷凝机组的工况 第四节制冷剂与载冷剂一 制冷剂制冷剂 制冷机中实现制冷循环的工作介质 又称制冷工质 它在制冷系统中循环流动 利用自身的状态变化来达到制冷的目的 制冷剂很重要 影响制冷机性能 大气环境等 制冷领域的一个重要方面 一 对制冷剂的要求 1 临界温度高 在常温下能液化 2 适用的饱和压力 冷凝压力不宜过高 蒸发压力最好不低于大气压力 3 汽化潜热大 以减少系统中的制冷剂循环量 4 气体比容要小 以减少压缩机的几何尺寸 5 导热系数大 以提高换热器的传热系数 6 绝热指数小 以减少压缩机功耗和降低排气温度 7 粘度小 以减小流动阻力 8 液体比热小 以减小节流损失 9 循环的热力学完善度尽可能大 10 化学稳定性好 不与金属发生作用 不与润滑油起化学反应 高温下不分解 11 不燃烧 不爆炸 对人体无害 二 制冷剂种类及代号目前在制冷与空调中常用的制冷剂有下列几类 1 无机化合物 如水 氨 二氧化碳等 无机化合物的编号规定为R7 无机化合物的分子量 NH3 R717H2O R718CO2 R744 2 氟利昂定义 饱和碳氢化合物中的氢原子被氟 氯 溴部分或全部取代后 所得衍生物 目前主要是甲烷和乙烷的衍生物 根据烷烃类化合物的氢原子被氟 氯 溴所取代的情况 CFC 若在分子中只有氯 氟 碳原子这类氟利昂称氯氟烃 HCFC 若在分子中除氯 氟 碳以外还有氢原子 称氢氯氟烃 HFC 如果分子中没有氯原子 称氢氟烃 由于氯原子对大气层的臭氧层有破坏作用 CFC全世界将于2010年全部被停止使用 HCFC将于2040年被停止使用 命名 饱和碳氢化合物分子量通式为CmH2m 2 氟利昂通式将变为CmHnFxCLyBrz 式中 n x y z 2m 2代号 R m 1 n 1 x Br z 注意 1 如果不含溴原子 即z 0 则Br z 可省略 2 若 m 1 0时 则 0 亦略去 如 CF2Cl2 R12 属于CFC类CHF2Cl R22 属于HCFC类C2H2F4 R134a 属于HFC类 3 饱和碳氢化合物 如乙烷 丙烷 异丁烷等 它们的代号表示方法与氟利昂相同 如甲烷为R50 而丁烷除外 规定为R600 异丁烷为R600a 4 混合制冷剂 1 共沸混合制冷剂定义 由两种或两种以上不同制冷剂 按一定比例相互混合而形成的一种溶合物 其特点是在一定的压力下发生相变 蒸发或冷凝 时 能保持恒定的相变 蒸发或冷凝 温度 而且气相和液相始终具有相同的成分 命名 以R5开头 其后的两位为该制冷剂获得命名的先后顺序号 目前被正式命名的共沸混合制冷剂有R500 R501 R502 R503 R504 R505 R506 R507等 2 非共沸混合制冷剂定义 由两种或两种以上不同制冷剂按任意比例混合而成 其特点是在一定的压力下发生相变 蒸发或冷凝 时 存在不同的相变 蒸发或冷凝 温度 露点 泡点 滑移温度 二 载冷剂载冷剂 在间接冷却的制冷装置中 将被冷却物体或空间中的热量传给制冷工质的中间介质 又称为第二制冷工质 优点 可使制冷系统集中在较小的场所 因而可以减小制冷机系统的体积及制冷工质的充灌量 且因载冷剂的热容量大 被冷却对象的温度易于保持恒定 缺点 系统比不用载冷剂时复杂 且增大了被冷却物体和制冷工质间的温差 需要较低的蒸发温度 常用的载冷剂有水 氯化钠 氯化镁 氯化钙水溶液 有机载冷剂有乙二醇 丙二醇 丙三醇水溶液等 第五节吸收式制冷机的工作原理 一 基本原理与制冷工质对 一 吸收式制冷原理 二 吸收式制冷机常用工质1 水 溴化锂溴化锂作为吸收剂 水作为制冷剂 水作制冷剂有许多优点 如气化潜热很大 易得 无毒 无味 不燃烧 不爆炸 缺点是蒸发压力低 水蒸气比容又很大 此外 水在0 C就会结冰 用它作制冷剂时所能达到的低温仅限于0 C以上 溴化锂极易溶解于水成为溴化锂溶液 在常温下溴化锂溶液的饱和浓度约为60 吸收剂的比热越小越好 这可以减少发生器中加热溶液所需的热量 提高制冷机的热效率 而吸收器内从溶液中所必须带走的热量也小 在制冷机实际使用的浓度范围内溴化锂溶液的比热是相当小的 仅0 4 0 6kJ kg 它与蒸发潜热较大的水组成工质对可使制冷循环获得较高的热力系数 2 氨 水氨 水是吸收式制冷机最早使用的一种传统工质对 工业用大型低温吸收式制冷机 充有氢气的小型扩散 吸收式冰箱目前都还采用这种工质对 氨作为一种制冷剂具有较好的热力性质 蒸发潜热大 压力适中 导热系数高 而且价廉易得 在常温下 氨是一种无色而具有强烈刺激性臭味的气体 且极易溶于水组成氨水溶液 在常温下 一分体积的水可溶解700倍体积的氨 因而 氨水溶液也是一种很理想的吸收剂 氨溶解在水中大部分是呈氨分子状态存在的 故很容易从水中逸出 只有少数氨分子与水结合而生成氢氧化铵 电离为铵离子和氢氧根离子 因此溶液呈弱碱性 在很多性质上氨水溶液仍然具有氨的性质 如氨水同样是无色 带有特殊刺激性臭味 纯粹的液氨对钢无腐蚀作用 但能腐蚀铜及铜的合金 磷青铜除外 二 溴化锂吸收式制冷机 一 溴化锂吸收式制冷机的特点1 主要优点1 利用热能为动力 能源利用范围广 2 整个机组除功率较小的屏蔽泵外 无其它运动部件 运转安静 噪声值仅75 80dB 3 以溴化锂水溶液为工质 无毒 无臭 有利于满足环保要求 4 制冷机内处于真空状态 无高压爆炸危险 安全可靠 5 制冷量调节范围广 在20 100 无级调节 6 对外界条件变化的适应性强 可在加热蒸气压力0 2 0 8MPa 表 冷却水温度20 35 C 冷媒水出水温度5 15 C的范围内稳定运转 7 对安装基础要求低 无需特殊的机座 2 主要缺点1 腐蚀性强 溴化锂水溶液对普通碳钢有较强的腐蚀性 2 气密性要求高 直燃式溴化锂制冷机特点 1 燃烧效率高 对大气环境污染小 燃气与燃油的燃烧产物中所含的HOx和NOx低 允许在闹市区对环保有严格要求的场合使用 2 一机多用 可供夏季空调 冬季采暖 兼顾提供生活热水之用 使用方便 3 体积小 用地省 无需锅炉房 减少了基建费用 4 可实现能源消耗的季节平衡 夏天空调用电紧缺而煤气消耗降低 可减少夏季的电耗 增加煤气耗量 弥补季节性的不平衡 单效溴化锂吸收式制冷机的工作原理 二 溴化锂制冷机的工作原理 双效溴化锂吸收式制冷机的工作原理 直燃式溴化锂 一 热电效应在无外磁场存在的情况下 固体的热电效应包括 导热 焦耳热 塞贝克效应 帕尔帖效应和汤姆逊效应 塞贝克效应 由两种不同导体组成的回路中 如果导体的两个结点存在温度差 则回路中将产生电动势E 这种现象称为塞贝克效应或温差电效应 这个电动势称为塞贝克电动势或温差电动势 珀尔帖效应 当直流电通过两种不同导体组成的回路时 结点上将产生吸热或放热现象 这就是珀尔帖效应 由珀尔帖效应产生的热流量称为珀尔帖热 珀尔帖效应是热电制冷的理论基础 汤姆逊效应 电流通过具有温度梯度的导体时 导体将吸收或放出热量 这就是汤姆逊效应 由汤姆逊效应产生的热流量称为汤姆逊热 第六节热电制冷 在半导体材料中 n型材料有多余的电子 有负温差电势 p型材料电子不足 有正温差电势 电子在p型中的能量比在金属中低 而电子在n型中的能量比在金属中高 因此 电子从金属中流入p型半导体中 能量降低 放出热量 而电子p型半导体中从流入金属中 能量增加 吸收热量 而在n型中的情况正好相反 二 热电制冷原理 三 系统间的类似 四 基本计算 珀尔贴热 珀尔贴系数 沿着电偶臂流入冷接头的热量 电偶臂的总电阻 电偶臂的总热导 热电偶的制冷量 电偶臂上的温差 热端放出的热量 热端的放热系数 热电制冷装置与一般制冷装置的显著区别在于 不使用制冷剂 没有运动部件 容量尺寸宜于小型化 使用直流电工作 由于不使用制冷剂 消除了制冷剂泄漏可能对人体造成的毒害 在一些场合 例如在密闭的工作室内 采用热电制冷是十分合宜的 由于不使用制冷剂 在热电制冷器运行时 无噪音 无振动 无磨损 因此工作可靠 维护方便 使用寿命长 对于潜艇等特殊环境 对噪音和振动有比较高的要求 维护操作亦力求简便 热电制冷装置是比较理想的冷源 热电制冷器的容积尺寸宜于小型化 这是一般制冷技术所办不到的 小型热电制冷器的制冷量一般在几瓦到几十瓦之间 它的效率与容量大小无关 只取决于热电堆的工作条件 第七节空气品质与空气处理 一 空气品质空气调节 在某一特定空间内对其空气温度 湿度 清洁度和空气流动速度进行调节 达到并保持满足人体舒适和工艺过程的要求 对于空调室内空气环境的认识 近年来越来越重视对室内空气品质的研究 这主要是近二十年 长期生活和工作在现代空调建筑物内的人们表现出越来越严重的如眼红 流涕 困倦 恶心头晕以及嗓子疼等症状的病态反应 这种由于室内空气品质所导致的病态反应 已经严重地影响了人们的身心健康和工作效率 空调病 可接受的室内空气品质 空调空间中绝大多数人没有对室内空气表示不满意 并且空气中没有已知的污染物达到了可能对人体产生严重健康威胁的浓度 感受到的可接受的室内空气品质 空调空间中绝大多数人没有因为气味或刺激性而表示不满 它是达到可接受的室内空气品质的必要而非充分条件 因而 仅用感受到的可接受的室内空气品质是不够的 必须同时引入可接受的室内空气品质 客观指标是指室内空间中一氧化碳 可吸入性微粒 氮氧化物 二氧化硫 二氧化碳 甲醛 细菌总数 温度 相对湿度 风速 照明以及噪声等参数 主观评价则是利用人自身的感觉器官进行描述和评判 包括对环境因素的感觉和环境对健康的影响两个方面 二 空气的处理 一 空气的热湿处理湿空气 含有水蒸气的空气 湿空气的露点温度是指对湿空气进行降温 当降温到有水珠凝结出来时的温度 湿空气的相对湿度是指某一状态下湿空气中水蒸气的分压力与该状态下饱和水蒸气分压力的比值 它反映了该状态下湿空气所含水蒸气的饱和程度 空气状态变化过程可在h d图上表示 空气的热湿处理 根据各种热湿交换设备的工作特点不同又可将它们分为两大类 直接接触式热湿交换设备和表面式热湿交换设备 对空气进行热湿处理的喷水室 蒸气加湿器 局部补充加湿装置 喷水加湿装置 以及使用液体吸湿剂的装置都属于第一类 光管式和肋片管式空气加热器 热水及蒸气做热媒 及空气冷却器 冷水或制冷剂做冷媒 属于第二类 二 空气的净化处理1 空气的含尘浓度表示法空气的含尘浓度系指单位体积空气中所含的灰尘量 有三种表示法 1 质量浓度 单位体积中含有的灰尘质量 kg m3 2 计数浓度 单位体积空气中含有的灰尘颗粒数 粒 m3或粒 L 3 粒径颗粒浓度 单位体积空气中所含的某一粒径范围内的灰尘颗粒数 粒 m3或粒 L 2 室内空气的净化标准室内空气的净化标准是以含尘浓度来划分的 一般民用和工业建筑的空调房间的净化标准 大致可分为以下三类 1 一般净化 对室内含尘浓度无具体要求 只要对进气进行一般净化处理 保持空气清洁即可 大多数以温湿度要求为主的民用与工业建筑空调工程均属此类 2 中等净化 对室内空气含尘浓度有一定的要求 通常提出质量浓度指标 3 超净净化 对室内空气含尘浓度提出严格要求 由于尘粒对生产工艺的有害程度与尘粒的大小和数量有关 所以均以粒径颗粒浓度作为浓度指标 空气洁净度等级是以空气含尘浓度的高低来划分的 空气洁净度等级 等级 100级 1000级 10000级 100000级 每立方米 每升 空气中 0 5 m尘粒子 每立方米 每升 空气中 5 m尘粒子 35 100 3 5 35 1000 3 5 35 10000 3 5 35 100000 3 5 25000 25 2500 2 5 250 0 25 第八节空调系统 空气调节系统一般均由被调对象 空气处理设备 空气输送设备和空气分配设备所组成 一 根据空气处理设备的集中程度分类 一 集中式空调系统所有空气处理设备 加热器 冷却器 过滤器 加湿器等 以及通风机全都集中在空调机房 二 半集中式空调系统有集中在空调机房的空气处理设备可以处理一部分空气外 还有分散在被调房间内的空气处理设备 它们可以对室内空气进行就地处理或对来自集中处理设备的空气再进行补充处理 三 分散式空调系统 二