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制冷原理培训,2008.03,目录,一.热工基础,二.蒸汽压缩式制冷,三.制冷工质,1.1气体的热力性质,1.1.1气体状态参数,在制冷与热泵中，大都是利用气体的热力参数变化进行工作的，用到的主要热力参数与方程有：气体状态方程，熵，焓，气体状态变化的过程方程，以及状态变化的外功，相变时的潜热，气体与液休的导热系数，粘性等。,一.热工基础,气体的状态参数：压力p，温度T，比体积,与气体状态有关的另三个参数：比内能u，比熵s，比焓h,-质量定压比热j/kg.k,比焓：单位工质流动过程具有的内能和流动功,在热力设备中，工质总是不断地从一处流到另一处，随着工质流动而转移的能量不等于热力学能而等于焓，故在热力工程计算中焓具有更广泛的应用。,比熵：单位工质在恒温下吸热量与温度之比,是判别实际过程的方向，提供过程能否实现、是否可逆的判据。,1.1.1气体状态参数,1.1.2气体状态方程,理想气体状态方程：,实际气体状态方程：,式中R-气体常数，z-压缩性系数，a(T)，b修正系数。,制冷中常用实际气体状态方程P-R(Peng-Robinson)方程：,1.1气体的热力性质,1.1.3气体状态变化过程方程,过程方程：,1.1气体的热力性质,气体状态的变化，主要表现为压力和温度的变化，而压力的变化是由比体积的变化得来的（压缩式循环中），或者是由温度变化得来的（在吸收式循环中）。,绝热过程：指数n=k，称为绝热过程指数,等温过程：n=1,多变过程：介于两者间有热量交换的过程，1nk,气体状态过程的变化需加入热量或外功-压缩过程，也可释放热量或对外作功-膨胀过程。,理想气体外功,定容加热过程,1.2热力学第一定律,自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化过程中能量的总量保持不变。,能量守恒与转换定律是自然界的基本规律之一。,确定了热力过程中热力系与外界进行能量交换时，各种形态能量数量上的守恒关系。,1.2热力学第一定律,1.2.1能量传递方式,做功,如工质膨胀推动活塞做功，做功的结果是工质把热力学能传递给活塞和飞轮，成为动能，此时热力学能转变为机械能，反之亦然。,功的形式,与系统界面宏观移动有关的功：如压缩功，膨胀功,工质在开口系统中流动而传递的功：推动功,1.2热力学第一定律,1.2.1能量传递方式,推动功定义,进入气缸质量为m的工质作用在面积为A的活塞上的力为PA，推动活塞所做的功为,推动功只有在工质移动位置时才起作用,进入系统的能量-离开系统的能量=系统中储存能量的增加,1.2热力学第一定律,1.2.2热力学第一定律的基本能量方程式,任何系统，任何过程均可据此原则建立能量平衡式,工质流经压缩机时，机器对工质做功wc，使工质升压，工质对外放热q，动能和位能差可忽略不计，则有,例1.压缩机能量平衡,1.2热力学第一定律,1.2.3能量方程式的应用,q=0时，为绝热过程,工质流经换热器时，和外界有热量交换而无功的交换，动能和位能差可忽略不计，则有,例2.换热器能量平衡,1.2热力学第一定律,1.2.3能量方程式的应用,克劳修斯积分,1.3热力学第二定律,热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体,研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律,温差传热、自由膨胀、混合等过程是在温度差、压力差、浓度差等有限势差作用下进行的非准平衡过程，是不可逆的过程。,1.4热力学定律在制冷/热泵机的应用,制冷/热泵过程是从低温热源吸热向高温热源排热过程，为实施该过程需要消耗功。,1.5逆卡诺循环-理想循环,1.5.1循环特点,具有两个可逆的等温过程和两个等熵过程组成。,在相同温度范围内，它是消耗功最小的循环，即热力学效率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失。,热源温度不变的逆向可逆循环,1.5.2卡诺循环热力计算,1.6劳伦兹循环-理想循环,1.6.1循环特点,热源温度可变的逆向可逆循环（换热没有热阻，工质温度在冷凝和蒸发过程中跟随外部热源温度而变化）,具有两个可逆的不等温过程和两个等熵过程组成。,(假设蒸发过程和冷却过程传热温差均为T),制冷量,排热量,洛伦兹循环制冷系数,1.6.2劳伦兹循环计算,三.蒸气压缩式制冷,3.1蒸气压缩式制冷特征,液体蒸发制冷构成循环的四个基本过程：1）制冷剂液体在低压低温下蒸发，成为低压蒸气；2）将该低压蒸气提高压力成为高压蒸气，能量补偿；3）将高压蒸气冷凝成高压液体；4）高压液体降低压力重新变为低压液体，再返回至1）从而完成循环。,属于液体蒸发制冷，即制冷剂液体在气化（蒸发）时产生的吸热效应，达到制冷目的。,能量补偿方式是用压缩机对低压气体压缩做功从而提高压力。,1,2,3,4,5,6,3.1.1认识压焓图,1.等压线2.等焓线3.等温线4.等熵线5.等容线6.等干度线,3,4,1,2,5,6,3.1.2认识温熵图,1.等压线2.等焓线3.等温线4.等熵线5.等容线6.等干度线,1朗肯循环2劳伦茨循环3跨临界循环,3.2单级蒸气压缩式制冷循环,压缩过程仅有一级，而不需分级压缩。适用当高、低温热源温度差不太大，压力比不太大的循环。,典型单级压缩制冷循环,3.2.1基本描述,空调、制冷、食品冷藏大量使用的循环,基本朗肯循环：空调、冷水机有回热的朗肯循环：冰箱、冷柜,朗肯循环的主要特征,有两个定压定温的相变过程与纯质制冷剂及共沸混合制冷剂的压力特性可相适应,3.2单级蒸气压缩式制冷循环,3.2.2朗肯循环,基本朗肯循环循环TS图：12压缩过程23冷却冷凝过程34节流过程41蒸发吸热过程,朗肯循环图例,图2-2有回热的朗肯循环TS图：12压缩过程23冷凝过程33液体过冷过程34节流过程41蒸发过程11吸气过热过程,3.2.2朗肯循环,不可逆劳伦茨循环的主要特征,冷凝相变过程：定压降温蒸发相变过程：定压升温与非共沸混合制冷剂的压力特性可相适应工质与热源温度变化相协调，可均衡传热温差，减小不可逆损失相变温度滑变引起分馏（气相与液相成分不同）,3.2.3不可逆劳伦茨循环,不可逆劳伦茨循环,循环TS图12压缩过程23冷却冷凝过程34节流过程41蒸发吸热过程,3.3单级蒸气压缩式制冷理论循环,3.3.1理论循环建立的假设基础,压缩过程为等熵过程，即不存在任何不可逆损失。在冷凝器中，制冷剂冷凝温度等于冷却介质温度，且为定值。在蒸发器中，制冷剂蒸发温度等于被冷却介质温度，且为定值。离开冷凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体。离开蒸发器和进入压缩机的蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气。制冷剂在管道内流动时没有流动阻力损失，忽略动能变化。除蒸发器和冷凝器中管子外，制冷剂与管外介质间没有热交换。制冷剂流过膨胀阀时，忽略动能变化，且与外界环境没有热交换。,3.3.2理论循环压焓图,12等熵压缩过程234制冷剂在冷凝器中冷却和冷凝过程。制冷剂压力保持不变23冷却过程，制冷剂与环境介质有温差。34冷凝过程，制冷剂与环境介质没有温差。45节流过程，制冷剂压力与温度均降低，焓不变。51制冷剂在蒸发器中吸热过程，制冷剂压力与温度保持不变，无温差换热。,3.3单级蒸气压缩式制冷理论循环,3.3.3理论循环计算比较,3.3单级蒸气压缩式制冷理论循环,实际循环和理论循环有许多不同之处，除了压缩机中的工作过程以外，主要还有下列一些差别：,(1)流动过程有压力损失。,(2)制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热交换。,(3)热交换器中存在温差。,3.4单级蒸气压缩式制冷实际循环计算,1)单位制冷量、单位容积制冷量及单位理论功,2)单位冷凝热,上式中点2状态的焓值用下式计算,3)制冷剂的循环流量,4)压缩机的理论功率和指示功率分别为,5)实际制冷系数,6)冷凝器的热负荷,制冷剂按其化学组成主要有三类,制冷剂是制冷系统中的工作流体，通常称为制冷工质，它担当气化吸热和冷凝放热的热力循环而实现制冷目的。在蒸气压缩式制冷循环中，利用制冷剂在系统中的状态变化，即制冷剂在蒸发器中蒸发从被冷却物体中吸取热量而气化，在冷凝器中高温冷凝排热到周围物质（水或空气）而液化，周而复始循环流动达到制冷目的。,三.制冷工质,1).热力学性质方面,2).迁移性质方面,1.作为制冷剂应符合的要求,3).物理化学性质方面,4