制冷-绪论和第一章

制冷技术讲义,1,人工制造低温（低于环境温度）的技术，就是制冷技术。它是一门研究人工制冷原理、方法以及如何运用机械设备获得低温的科学技术。,制冷设备（RefrigeratingApparatus)实现制冷所必需的机器和设备统称制冷设备。制冷装置（RefrigeratingInstallation/Plant)就是需要空气调节的系统中冷却、干燥空气所必须的设备，如冰箱、冷库、空调机等。制冷机中使用的工作介质称为制冷剂（Refrigerant）,制冷技术讲义,2,制冷量单位国际单位为：kW或W工程上常用的一些单位：大卡、冷吨,Ph等1大卡=1kcal/h=1.163w“冷吨”含义是1t（吨）0水在24h内冻成0冰所需的冷量。1日本冷吨=3320kcal/h=1.38104kJ/h=3.833kw1美国冷吨=3024kcal/h=1.26104kJ/h=3.5kw日本以1000kg为1t（吨）；美国以2000lb（磅）为1t（吨）,“冷源”指需冷却的空间“热源”则指制冷机放热的对象,制冷技术讲义,3,第二节蒸气压缩式制冷的理论循环,一、压焓图的应用由于定压过程的吸热量、放热量以及绝热压缩过程压缩机的耗功量都可用过程的初、终状态的焓值计算，所以压焓图更便于分析与比较。压焓图的组成,制冷技术讲义,4,理论循环：两个定压过程、一个绝热过程、一个绝热节流过程。,1.单位质量制冷剂的制冷能力,三、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算,蒸气压缩式制冷理论循环,2.单位质量制冷剂的冷凝负荷,3.单位质量制冷剂在压缩机中被绝热压缩时,压缩机的耗功量,放热过程发生冷凝器中,吸热过程发生蒸发器中,制冷技术讲义,5,节流前后,制冷剂的比焓不变,即,4.单位容积制冷能力qv是指压缩机吸入1m3制冷剂所能产生的冷量。,5.制冷系统中制冷剂的质量流量Mr,和体积流量Vr,体积流量Vr压缩机每秒钟吸入气态制冷剂的体积量,制冷技术讲义,6,7.压缩机的理论耗功率Pth,6.冷凝器的热负荷,8.理论制冷系数,9.制冷效率,评价制冷剂热力性质对制冷系数的影响,制冷技术讲义,7,例题1-2：某空气调节系统需冷量20kW，采用氟利昂R22（HCFC22）作为制冷剂，蒸发温度t0=4，冷凝温度tk=40，无再冷，而且压缩机入口为饱和蒸气，试进行制冷理论循环的热力计算。,解：1、画出相应的lgp-h图2、查各状态点的状态参数,制冷技术讲义,8,制冷技术讲义,9,状态点4的状态参数：,单位质量制冷能力,单位容积制冷能力,制冷剂质量流量,制冷技术讲义,10,制冷剂体积流量,冷凝器热负荷,压缩机理论耗功率,制冷效率,理论制冷系数,制冷技术讲义,11,蒸气压缩式制冷理论循环与理想循环相比：（1）有节流损失和过热损失；（2）其制冷系数小于理想循环的制冷系数；（3）理论循环的制冷系数，除与低温和高温热源的温度有关以外，还与制冷剂的热力性质有关。,改善蒸气压缩式制冷循环的措施减小节流损失的措施：再冷却和回热；减小过热损失的措施：采用具有中间冷却的多级压缩。降低压缩机的消耗功率：采用膨胀机回收膨胀功,第三节蒸气压缩式制冷循环的改善,制冷技术讲义,12,措施：（1）在冷凝器后面增设再冷却器（过冷器），使冷却水先经过再冷却器，然后进入冷凝器；（2）直接增大冷凝器的换热面积，使得制冷剂在冷凝器内过冷。实际制冷装置中大多数采用后一种方法。,将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温度的状态过冷带有液体过冷过程的循环，称为液体过冷循环。,（1）增设再冷却器后的工作流程与理论循环图,一、膨胀阀前液态制冷剂的再冷却（液体过冷）（一）设置再冷却器实质是：减小膨胀阀进出口制冷剂的温度之差。原因：节流前后制冷剂的温度差是引起有效制冷量的减少的主要原因，温差越小，损失的制冷量越少。,制冷技术讲义,13,制冷技术讲义,14,再冷却所能达到的温度Ts.c称为再冷温度。冷凝温度与再冷温度之差ts.c称为再冷度。(2)增设再冷器后制冷循环的性能参数的变化,制冷技术讲义,15,采用再冷却的制冷循环可以提高循环的制冷系数，提高的程度与过冷度成正比，因此，过冷度越大，循环的制冷系数提高得越多。,（3）再冷温度的决定因素制冷剂的再冷温度取决于冷却剂温度和再冷却器的传热面积。,实际应用当冷凝器用空气冷却时，再冷却器中需用冷却水冷却；当单独设置再冷却器时，要增加冷却水或深井水设施，水泵还要消耗功，在这种情况下采用的过冷循环在经济上是否有利，需要经技术经济分析才能确定。,制冷技术讲义,16,（二）蒸气回热循环1.何谓蒸气回热循环？从蒸发器出来的低压的制冷剂蒸气，先经过一个热交换器（也称回热器），在回热器中与来自冷凝器的饱和液体进行热交换后，再被压缩机吸入，故将有回热器的制冷循环称为蒸气回热循环。,使液体过冷、蒸气过热的循环，称为回热循环。过热：压缩机吸气温度高于蒸发温度。2.回热式蒸气压缩制冷循环（1）回热式蒸气压缩制冷的工作流程和理论循环,制冷技术讲义,17,制冷技术讲义,18,过热后的蒸气温度Ts.h称为过热温度。过热温度与蒸发温度之差ts.h称为过热度。(2)蒸气回热循环的性能参数的变化,制冷技术讲义,19,与无回热循环1-2-3-4-1相比，回热循环的单位制冷量增大量：,回热循环的单位耗功量增大量：,低压制冷剂蒸气的定压比热,回热循环的单位制冷量可表示成：,回热循环的制冷系数是增大还是减小呢？,制冷技术讲义,20,回热循环的单位耗功可近似地表示成：,回热循环的制冷系数可表示成：,如果要使回热循环的制冷系数比无回热循环的高，其条件是：,制冷技术讲义,21,采用回热循环，制冷系数不一定增大对于制冷剂R22（CHF2Cl）、R12（CF2Cl2）、R502、R290、R600a、R134a等，采用回热循环，制冷系数是增大的；但对制冷剂氨NH3（R717）、R11（CF3Cl）等则是不利的。采用回热循环后，使节流前制冷剂成为过冷状态，可以在节流过程中减少气化，使节流工作稳定；采用回热循环后，自蒸发器出来的气体流过回热器时，压力有所降低，因而增大了压缩机的压比，引起压缩功的增大，同时，压缩机的排气温度升高，对润滑系统不利。,故实际制冷装置是否采用回热循环，应根据具体制冷剂而定，这一措施在低温领域得到了很广泛的应用。,制冷技术讲义,22,液态制冷剂的比热,低压制冷剂蒸气的定压比热,（3）蒸气回热循环的过冷度与过热度之间关系,制冷技术讲义,23,二、回收膨胀功,采用膨胀机的蒸气压缩式制冷循环的工作流程与理论循环（用于大容量制冷装置中）,(a)工作流程,制冷技术讲义,24,三、多级压缩制冷循环,使压缩过程接近定温压缩，级数越多越接近;降低了压缩机的排气温度，减少过热损失，减少压缩机的总耗功量。,采用多级压缩的好处:,增加压缩机等设备投资，一般只有当压缩比(冷凝压力与蒸发压力之比，称为压缩比)pk/p0大于时才采用。,缺点：,制冷技术讲义,25,（一）闪发蒸气分离器（经济器Economizer）带闪发蒸气分离器的双级压缩制冷,单位质量的制冷量、单位冷凝热、耗功率和制冷系数各为多少？,多级压缩制冷循环常采用:闪发蒸气分离器和中间冷却器两种形式,用在双工况(制冰与制冷)冰蓄冷空调机组和寒冷地区热泵系统中,离心式或螺杆式压缩机,制冷技术讲义,26,（二）中间冷却器,制冷技术讲义,27,两级压缩一次节流中间完全冷却循环,二者组成：高压级压缩机、低压级压缩机、冷凝器、中间冷却器、节流阀、蒸发器、回热器。,制冷技术讲义,28,四、复叠式制冷循环由两个独立的制冷循环组成。,（a）工作流程,（b）理论循环,制冷技术讲义,29,第四节跨临界制冷循环,亚临界循环：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。,跨临界循环：对于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（TranscriticalCycle）或超临界循环（SupercriticalCycle）。,CO2跨临界制冷循环的缺点:制冷机或空调机的工作压力很高、材料耗费严重、安全性较差。,制冷技术讲义,30,CO2跨临界制冷循环的优点:可以避免亚临界循环条件下热源温度过高导致的系统性能下降；其次,可减少高压侧不可逆传热损失，还可获得较高的排气温度和较大的温度变化，用于较大温差变温热源时，具有独特优势。,CO2跨临界制冷循环,制冷技术讲义,31,丁国良,黄冬平编著化学工业出版社2007年4月第1版,制冷技术讲义,32,第五节蒸气压缩式制冷的实际循环,实际循环与理论循环相比忽略了以下三个方面问题：（1）在压缩机中，气体内部和气体与气缸壁之间的摩擦，以及气体与外部的热交换；（2）制冷剂流经压缩机进、排气阀的压力损失；（3）制冷剂流经管道、冷凝器和蒸发器等设备时，制冷剂与管壁或器壁之间的摩擦，以及与外部的热交换。,一、实际循环在lgp-h图上的表示,制冷技术讲义,33,二、实际循环的制冷性能1.工程设计中对实际循环作了如下简化（1）忽略冷凝器及蒸发器中的微小压力变化，以压缩机出口压力作为冷凝压力，以压缩机进口压力作为蒸发压力，同时认为冷凝温度和蒸发温度均为定值；特殊情况：在大型装置中，压缩机排气管道较长，应从排气压力减去这一段管道压力损失作为冷凝压力；蒸发压力还需加上吸气管道的压力损失。,（2）将压缩机内部过程简化成一个从吸气压力到排气压力的有损失的简单压缩过程；（3）节流过程仍认为是前后焓相等的过程。,2.简化后的循环的性能指标及热力计算,（1）压缩机实际输气量,m3/s,容积效率，定义为压缩机实际输气量与理论输气量之比。,制冷技术讲义,34,（2）单位质量制冷能力q0、单位容积制冷能力qv及单位理论功wc,（3）单位冷凝热qk,点2状态的焓值用下式计算：,压缩机的指示效率，它被定义为等熵压缩过程与实际压缩过程耗功量之比。,制冷技术讲义,35,（4）制冷剂的质量流量,（5）压缩机的理论功率Pth和指示功率Pi,为制冷量，通常由设计任务给出。,kg/s,（6）压缩机的轴功率Pe（压缩机实际作用在传动轴上的功率）,压缩机的摩擦效率,制冷技术讲义,36,（8）实际制冷系数COP或,（9）冷凝器的热负荷,（7）压缩机配用电动机的输出功率P,传动效率，直联时为1；采用三角皮带联接时为0.900.95。,电动机的效率。它与电动机的类型、额定功率大小以及负载功率大小有关。,注：对于全封闭式压缩机构成的制冷系统，还要考虑电动机效率：,压缩机配用电动机的输入功率Pin,系统性能系数用能效比EER来评价：,制冷技术讲义,37,例3：某空气调节系统需制冷量20KW，采用氨压缩机制冷，工作条件如下：蒸发温度t0=5;冷凝温度tk=40;再冷温度tg=35;压缩机吸气温度tn=10,试进行理论制冷循环的热力计算。,解：根据已知工作条件，在氨的压焓图上画出理论制冷循环。tk=40,to=-5的等压线，pk=15.5489bar和p0=5.1576bar。,2,3,4,1,10,s1=s2,35,蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算蒸发温度、冷凝温度、液态制冷剂再冷度（过冷温度）和压缩机的吸气温度，这四个温度称为制冷循环的工作参数。,制冷技术讲义,38,需掌握和了解的内容,1.熟悉逆卡诺循环和理想制冷循环的工作流程及在温熵图上的表示。2.蒸气压缩式制冷循环（1）掌握理论循环的工作流程及其在压焓图上的表示、热力计算；（2）掌握改善蒸气压缩式制冷循环的措施；（3）了解CO2跨临界循环和实际制冷循环的特性，理解实际制冷循环性能指标和热力计算；3.了解两级压缩一级节流中间完全冷却和不完全冷却循环的工作流程及其在压焓图上的表示。,制冷技术讲义,39,家用空调器的制冷循环,冷凝盘管,蒸发盘管,压缩机,毛细管,制冷技术讲义,40,十大类全球环境问题,大气污染和酸雨（雾、雪），即跨国界的大气污染问题；温室气体排放问题；臭氧层破坏问题；土地退化和荒漠化问题；水资源短缺和水污染问题；热带雨林的迅速减少；生物多样性（包括基因、物种和生态系统）的破坏；有害废弃物的越境转移；海洋污染；人口增长过快。,所谓温室气体，按照联合国气候变化框架公约的定义，主要指二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、全氟碳（PFCs）、氟代烃（Hydrofluorocarbons,HFCs）和六氟化硫（SF6）等六种气体。,41,第二章制冷剂与载冷剂,REFRIGERANT&SECONDARYREFRIGERANT,制冷技术讲义,42,需掌握和了解的内容,1、了解制冷剂的发展与应用，掌握制冷剂的选用原则；2、熟悉和掌握制冷剂的命名；3、了解和熟悉常用制冷剂的性质；4、了解和熟悉载冷剂的作用及选用原则5、掌握常用载冷剂的优缺点及其适用范围。,制冷技术讲义,43,第一节制冷剂,一、制冷剂的发展1、乙醚最早使用的制冷剂，易燃、易爆，标准蒸发温度（沸点）为34.5。用乙醚制取低温时，蒸发压力低于大气压，一旦空气渗入系统，就引起爆炸的危险。2、CO2无毒，使用安全，其特点是在使用温度范围内压力特别高（例如，常温下冷凝压力高达8MPa），致使机器极为笨重。曾在船用装置中作制冷剂。3、NH3大型制冷机中广泛使用。4、SO2沸点为-10，毒性大，作为重要的制冷剂曾有60年之久的历史，后逐渐被淘汰。5、Freon卤代烃，也称氟利昂,Freon是美国杜邦公司过去曾长期使用的商标名称，它是链状饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物的总称。,制冷技术讲义,44,二、对制冷剂的基本要求（一）热力学性质方面1）制冷效率高2）压力适中3）单位容积制冷能力要大,4）制冷剂的临界温度要高5）凝固温度要适当低一些，这样便于得到较低的蒸发温度。6）绝热指数应低一些,表2-1常用制冷剂单位容积制冷能力（蒸发温度-15，冷凝温度30）,：蒸发压力大气压力；冷凝压力0，中温制冷剂0-60低温制冷剂-60.,制冷技术讲义,64,（二）氟利昂氢原子数减少，可燃性也减小；氟原子数增加，对人体越无害，对金属腐蚀性越小；氯原子数多，可提高大气压下的蒸发温度。优点：大多数氟利昂本身无毒、无臭、不燃，与空气混合遇火也不爆炸，适用于公共建筑或实验室的空调制冷装置。氟利昂中不含水分时，对金属无腐蚀作用。,缺点：放热系数低，价格较高，极易渗漏又不易被发现，而且Freon的吸水性较差,为了避免发生“冰塞”现象（iceplug），系统中应装设干燥器（drier）。当Freon中含有水分时，能分解生成氯化氢、氟化氢，不但腐蚀金属，还可能产生“镀铜”现象。发生镀铜现象将破坏气缸阀片的严密性和轴承与轴颈的间隙，对压缩机工作有不良影响。,制冷技术讲义,65,（三）混合制冷剂共沸制冷剂与非共沸制冷剂。,R22沸点-40.8，凝固点-160。ODP=0.034，GWP=1900，对臭氧层破坏程度微弱，仍需被替代。应用：广泛应用于空调用制冷装置,特别是房间空调器和单元式空调器。2.R123沸点27.87，凝固点-107.15。ODP=0.02，GWP=93。有毒，安全级别为B1。应用：是R11的替代物，应用于离心式制冷机。3.R134a沸点-26.16，凝固点-96.60。ODP=0，GWP=1300。应用：是R12的替代物，广泛应用于冰箱、冰柜和汽车空调系统。,制冷技术讲义,66,t（）,0,1,1,2,3,过热蒸汽区,液相区,湿蒸汽区,饱和液线,干饱和气线,泡点,露点,某组分比情况下开始蒸发的温度,某组分比情况下开始冷凝的温度,露点与泡点之差，称为温度滑移。,R407c三元非共沸混合工质由R32/R125/R134a组成，质量百分比分别为23/25/52，标准沸点-43.77。是R22的较好替代剂，用于房间空调器、单元式空调器以及小型冷水机组。,当定压相变时的温度滑移小于1，可近似等温过程，故将这类混合溶液叫做近共沸混合制冷剂,制冷技术讲义,67,2.R410a二元近共沸混合工质由R32/R125组成，质量百分比分别为50/50，标准沸点-51.56（泡点）、-51.5（露点）。与R22相比，系统压力为其1.51.6倍，制冷量大40%50%。R410a具有良好的传热特性和流动特性，制冷效率较高，被认为是小型空调领域最有前景的替代制冷剂。,制冷技术讲义,68,第二节载冷剂,一、载冷剂的作用及选用原则在间接冷却的制冷装置中，被冷却物或空间中的热量是通过一种中间介质传给制冷剂。这种中间介质在制冷工程中称之为载冷剂或第二制冷剂（SecondaryRefrigerant）。1、采用载冷剂的优点（1）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容积和制冷剂的充灌量；（2）载冷剂的热容量大，被冷却对象的温度易于保持恒定。2、采用载冷剂的缺点系统比不用载冷剂时复杂，且增大了被冷却物和制冷剂间的温差，需要较低的制冷机蒸发温度。3、选用载冷剂时须考虑的一些因素（1）载冷剂在工