第三章 制冷原理.ppt

第三章制冷原理,预备知识,一、制冷的定义,1、现实例子：冷藏运输、空调房间、风扇等。,2、定义：用一定的方法，使物体或空间的温度低于周围环境介质的温度，并使其维持在某一温度范围内，这个过程称为制冷。,3、问题A：日常生活中我们都有这样的疑问怎样才能制冷呢?,在客车或保温车上，若要使室内的温度低于环境温度，必须不断地将室中的热量转移到周围环境介质中去。但是，从热力学角度知道，热量不会自动地从低温热源移向高温热源。,4、问题B：热量是否可以从低温热源移向高温热源呢？,回答是肯定的。但必须用专门的制冷装置来完成。,二、冷源（是实现制冷的媒介）,1、天然冷源：深井水、天然冰或空间的空气等。2、人造冷源：冷板、半导体、蒸气压缩式等。,三、制冷方法,1、天然制冷：指用天然冷源进行的制冷。2、人工制冷：指利用人工方法制造一个低温冷源。人工制冷的方法从原理上分为两种：（1）利用制冷剂在相变过程中的吸热实现制冷。如蒸气压缩式制冷、干冰制冷、冷板制冷、液化气体制冷等。,第三章制冷原理,（2）利用温差电效应的半导体制冷。,热电制冷(亦称温差电制冷、半导体制冷或电子制冷)是以温差电现象为基础的制冷方法，它利用塞贝克效应的逆反应珀尔帖效应的原理达到制冷目的。塞贝克效应就是在两种不同金属组成的闭合线路中，若保持两接触点的温度不同，就会在两点间产生一个电势差接触电动势。同时闭合线路中就有电流流过，称为温差电流。反之，在两种不同金属组成的闭合线路中，若通以直流电，就会使一个接点变冷，一个变热，这称为珀尔贴效应，亦称温差电现象。,半导体制冷设备的特点及应用：不用制冷剂；无机械传动部分；冷却速度和制冷温可任意调节；可将冷热端互换；体积和功率都可做得很小。半导体制冷的用途：方便的可逆操作；家用冰箱，或小型低温冰箱；低温医疗器具；可冷却仪器；零点仪。,第三章制冷原理,（3）基本热电偶,当今制冷方式中最常见的是蒸气压缩式制冷。下面做重点介绍。,第三章制冷原理,第一节蒸气压缩式制冷机的工作原理和理论循环,一、蒸气压缩式制冷（单级）,1、实质：利用制冷剂的相变实现热量交换。（解释“相变”的含义）2、回答前述问题B关键句：“用一定的方法”。对于本制冷方法来说，为实现制冷，付出的代价是：压缩机消耗一定的压缩功。再深一步分析，便是消耗一定的电能，符合功能转换定理及能量守恒定律。,第三章制冷原理,3、制冷示意图,第三章制冷原理,第三章制冷原理,4、制冷原理,制冷剂液体在蒸发器中吸收被冷却物体的热量而汽化为低温低压的蒸气后被压缩机吸入，压缩机消耗一定的机械功将制冷剂蒸气压缩成高温高压的蒸气排入冷凝器，在冷凝器内被环境（或水）冷却，放出热量而被冷凝成液体。由于制冷剂液体温度还高于环境介质温度，必须将其温度降低到低于冷藏室的温度才能送入蒸发器。为此，先让高温高压的制冷剂液体经过膨胀节流阀节流降压，同时温度也降低，然后，再进入蒸发器。在蒸发器中，低温低压的制冷剂又吸收被冷却物体的热量，蒸发成低温低压的蒸气重新被压缩机吸入，如此周而复始地实现制冷循环。,第三章制冷原理,5、总结制冷过程由制冷原理可知：蒸发器工作于低温环境，冷凝器工作于高温环境，整个制冷过程由4个环节组成，即压缩、冷凝、节流、蒸发。6、基本结构通过上面的讲述，对于蒸气压缩式制冷系统的组成应该很清楚了。它由蒸发器、冷凝器、压缩机、节流阀以及一系列的制冷管路和阀门等组成。,第三章制冷原理,7、制冷系统各部件的主要用途,压缩制冷剂蒸气，提高压力和温度,放热，使高压高温制冷剂蒸气冷却、冷凝成高压高温的制冷剂液体,得到低温低压制冷剂,制冷剂液体吸热、蒸发、制冷,第三章制冷原理,8、制冷剂的变化过程(flash),第三章制冷原理,二、蒸气压缩制冷的理论循环,为便于分析，只讨论作了某些简化的蒸气压缩式制冷的理论循环。,1、单级理论循环建立在以下假设基础上：（1）压缩过程为等熵过程，即压缩过程不存在任何不可逆损失；（2）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度Tk等于冷却介质的温度，蒸发温度T0等于被冷却介质的温度，且二者都是定值；（3）离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气，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；（4）制冷剂在管道内流动无流动阻力损失，忽略动能变化，除蒸发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管外介质之间无热交换；（5）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小，可忽略不计，且与外界环境无热交换。,第三章制冷原理,第三章制冷原理,解读压焓图,一点：临界点C三区：液相区、两相区、气相区。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。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等温线t,2、理论循环过程在T-S图和P-h图上的表示,蒸气压缩式制冷的理论循环,显然，压缩机和膨胀阀把整个循环分成高压和低压两部分：高压为PK，低压为P0，节流时假设无任何阻力损失。,为保证精确，常使用lgP-h图。,第三章制冷原理,（1）制冷压缩机压缩过程,（2）制冷压缩机冷凝过程,（3）制冷压缩机膨胀过程,（4）制冷压缩机蒸发过程,理论循环过程在压焓图上的表示,第三章制冷原理,结论：r0q0。r0和x5与制冷剂的种类有关，且x5还与节流膨胀前后的温度范围有关。其值越大，节流前后产生的蒸气就越多，x5的数值就越大。,3、热力经济性能指标的计算,（1）单位制冷量,计算：q0=h1-h5=h1-h4（kJ/kg）,定义：每kg制冷剂在蒸发器中吸收的热量，用q0表示。,或q0=r0（1-x5）（kJ/kg）,式中：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在蒸发器温度为T0时制冷剂的汽化潜热（kJ/kg）；x5制冷剂（气液两相）节流后湿蒸气的干度。,第三章制冷原理,T0v1qv。,（2）单位容积制冷量,定义：指吸气状态每m3制冷剂在蒸发器中制得的冷量，用qv表示。,计算：qv=q0/v1（kJ/m3）,式中：v1是吸气状态时制冷剂的比容，m3/kg。qv不仅与制冷剂种类有关，,且,（3）单位理论功,定义：压缩机每输送1kg制冷剂所消耗的功，用w0表示。,计算：w0=h2-h1（kJ/kg）,结论：压缩机所消耗的功全部被制冷剂吸收而使其焓值增加。,在T-S图上w0可近似用面积1-2-3-4-6-1表示；在P-h图上用点2与点1的横坐标之差表示。显然，w0与T0、TK及制冷剂种类有关。,第三章制冷原理,（4）单位冷凝热量,定义：循环的每kg制冷剂蒸气在冷凝器中放出的热量，用qk表示。计算：在T-S图上用面积a-2-3-4-c-a表示；在P-h图上用线段4-2长度表示，即等于点2与点4之焓差：qk=h2-h4=（h2-h3）+（h3-h4）（kJ/kg）它包括两部分：在冷凝器中制冷剂蒸气冷却时放出的过热热量（h2-h3）和凝结时放出的潜热（h3-h4），依能量平衡关系，即每kg制冷剂在冷凝器中放出的热量应等于它在蒸发器中所吸收的热量与压缩机消耗的功所转化的热量之和，即qk=q0+w0=（h1-h4）+（h2-h1）=（h2-h3）+（h3-h4）（kJ/kg）,第三章制冷原理,（5）制冷系数,定义：循环的单位重量制冷量与消耗的单位理论功之比。0=q0/w0=（h1-h4）/（h2-h1）含义：表示消耗一个单位功所制得的冷量。结论：在给定条件下，0越大，说明制冷循环的经济性愈好，故它是一个重要的技术经济指标。,（6）循环效率,单级压缩蒸气制冷机理论循环的热力完善度按定义可表示为,这里c为在蒸发温度（T0）和压缩机排气温度（T2）之间工作的逆卡诺循环的制冷系数。热力完善度愈大，说明该循环接近可逆循环的程度愈大。,第三章制冷原理,例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,第三章制冷原理,1）单位质量制冷量q0=h1-h4=h1-h3=401.555-243.114=158.441kJ/kg,4）理论比功w0=h2-h1=435.2-401.555=33.645kJ/kg,5）压缩机消耗的理论功率P0=qmw0=0.347133.645=11.68kW,第三章制冷原理,7）冷凝器单位热负荷qk=h2-h3=435.2-243.114=192.086kJ/kg,8）冷凝器热负荷Qk=qmqk=0.3471192.086=66.67kW,第三章制冷原理,过程12：压缩工质，同时放热至热源，维持制冷剂温度恒定过程23：工质从热源温度Th可逆绝热膨胀到冷源温度Tc过程34：热量从冷源转移到工质中同时工质做功以使制冷剂维持一定的温度过程41：制冷剂从冷源温度可逆绝热压缩到热源温度,解释卡诺循环,第三章制冷原理,4、实际制冷循环与理论循环之区别（1）制冷剂流过系统各部位时都会产生阻力压降；（2）蒸发器出口的蒸气已有一定的过热度；（3）压缩机压缩蒸气不是绝热的等熵过程。5、不同点导致的后果实际输气量减小，而单位实际功增大，实际的0Qk=GCp（t2-t1）式中：G空气流量；Cp定压比热。结论：tg越大，节流损失越小，提高；其本质是增大冷凝器的热负荷。实现过冷的方法：1增大冷凝器表面积；2增加冷却介质（空气或水等）流量G。,第三章制冷原理,二、吸气过热的影响,压缩机吸入前的制冷剂蒸气的温度高于吸气压力下制冷剂的饱和温度时，称为过热。具有吸气过热的循环，称为过热循环。,吸气过热的好处：形成过热蒸气可提高制冷量。（注：制冷剂流经吸气管路会继续吸热）,过热循环在T-S图（a）和lgP-h图（b）上的表示,第三章制冷原理,tr=t1-t1（过热度）w0=h2-h1w0=w0（1+tr/T0）qk=（h2-h2）+（h2-h4）=qk+qk,=q0/w0,1过饱和气体，t1,1-1表示制冷剂进一步吸热；,可见：tr越大，和qv减少越多。冷凝器的热负荷也越大，故称为有害过热（h1-h1）。t0越低，有害过热影响越大。由制冷剂的T-s图可知，在过热区，过热度越大，其等熵线的斜率越大。,防止有害过热的措施：吸气管路用隔热材料包扎起来。当过热热来自于车外有害过热：q0=h1-h5当过热热来自于车内（如电器设备释放的热量）,第三章制冷原理,三、回热循环,利用回热使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换，使液体过冷、蒸气过热，称之为回热循环。,第三章制冷原理,回热循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示,中间交换器（即热交换器），解释其作用：,中间换热器的换热量：若不计回热器与环境空气之间的热交换，则液体过冷的热量等于使蒸气过热的热量，其热平衡关系为：,第三章制冷原理,1、流动阻力不能达到完全的等压放热与吸热过程；2、压缩过程存在熵增，偏高等熵过程；3、有过冷和过热的影响1s吸气状态1s-2s多变的压缩过程2s-20有压力损失的排气过程20-4s有阻力的放热过程4s-5s节流过程5s-10有压力损失的吸热过程10-1s有压力损失的吸气过程,四、实际循环,蒸气压缩式制冷机实际循环,第三章制冷原理,计算中，要对输气系数进行修正，使其接近实际输气量。,理论吸气容积；,式中：,修正原因：压缩机压缩功增加、多变过程、吸气量或输气量减小。考虑这些因素，加以修正。,（1）输气系数,实际吸气容积；,=f（吸气的压力损失、热交换、泄露、余隙容积）,压缩机的功率：,示功图上指示功,理论循环,第三章制冷原理,（2）指示效率,考虑摩擦力,（,为实际功）,机械效率,（,为总效率）,单位制冷量,制冷系数,第三章制冷原理,第三节热力计算,一、要求,1、性能指标Q0、N0、02、压缩机的容量、功率3、热交换的负荷Q0、QK，进行设计或选型。,二、计算的步骤与方法,1、已知条件制冷剂的种类（不同种类的物理特性迥异）循环方式（是否过冷、过热？）循环的工作参数（与工作环境有关）（这里的环境指外气参数）T0=5，Tk=（与冷却介质有关）,Tkt2,有无过冷、过热，,第三章制冷原理,3、查出循环各点的主要参数1点h1、v1；2点h2、v24点h4=h5；4点h4,4、利用公式进行计算,（1）制冷量,（2）流量,v比容,已知Q0，则G=Q0/q0,所以,（3）通过Vh选择压缩机,式中：n压缩机转速r/min；Z压缩机缸数；S压缩机汽缸行程。,（4）压缩机的功率：Ne；（5）理论功率；（6）理论功；（7）指示功；（8）指示功率；（9）轴功率；（10）电机功率；（11）制冷系数；（12）单位功率制冷量。,第三章制冷原理,当,不变时，,与,的关系：,第四节制冷机的工况分析,一、冷凝温度的变化对制冷机性能的影响,、,，增加,，,，减少,即,。但是,能随意降低吗？,第三章制冷原理,当,不变时，,不变时，,当,不变时，,二、蒸发温度的变化对制冷机性能的影响,，,，增加,。,吸气比容,，,流量增加。,功率,不定。,当,，功率MAX，即当,，,不定。,。但是,能随意升高吗？,第三章制冷原理,三、制冷工况,3、最大功率工况4、最大压缩工况注：3和4用于设计时校核。,温度变化输气量不变（因为n=const）,工况换算,压缩机的制冷量和轴功率等参数随工况条件变化，为衡量、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。,名义工况(旧),1、标准工况,2、空调工况,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。,第三章制冷原理,名义工况(新),高温工况,中温工况,低温工况,最大压差工况：考核压缩机零件强度、排气温度、油温、电机绕组温度。,最大轴功率工况：考核压缩机噪声、振动，并依此选配电动机。,第三章制冷原理,某空调客车制冷装置冷负荷为28kw，使用R-12工质，蒸发温度t0=6，冷凝温度tk=50，制冷剂在蒸发器出口处有3的过热度，在冷凝器的出口处有3的过冷度，其中=0.78，i=0.7,j=0.9。试进行热力计算，并说明该制冷装置能否使用4FS7B型压缩机。,作业：,第三章制冷原理,第五节制冷剂,一、定义,在制冷系统中，将被冷却物体的热量连续不断地转移到环境介质（空气或水）中去的工质。,二、铁道车辆制冷技术对制冷剂的要求,1、热力学性质方面,(1)工作温度范围内有合适的压力和压力比:P0P大气，以免在蒸发器中造成真空使空气渗进系统。Pk不宜太高，否则会使压缩机的功率增大，各部件耐压强度也需提高，从而导致成本增加；Pk与P0之比不宜过大；在P工下，其沸点应T大，否则减小。(2)q0和qv较大，以缩小压缩机和系统的尺寸。(3)比功w和单位容积压缩功wv小，循环效率高。(4)等熵压缩终了温度t2不能太高，以免润滑条件恶化或制冷剂自身在高温下分解。,第三章制冷原理,2.迁移性质方面(1)粘度、密度尽量小，以减小其在系统中的流动阻力；(2)放热和导热系数大，可提高传热系数，减少传热面积。3.物理化学性质方面(1)金属无腐蚀作用，无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全。(2)化学稳定性和热稳定性好。(3)对大气环境无破坏。4.其它原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜。,第三章制冷原理,字母“R”和它后面的一组数字或字母表示制冷剂根据制冷剂分子组成按一定规则编写,三、制冷剂命名,制冷剂按其化学组成主要有三类：无机物、氟里昂、碳氢化合物,制冷剂的简写符号,编写规则：1.无机化合物简写符号规定为R7()()括号中填入的数字是该无机物分子量的整数部分。,第三章制冷原理,2.氟里昂和烷烃类R(m-1)(n+1)(x)B(z)数值为0时省去写，同分异构体则在其最后加小写英文字母以示区别。正丁烷和异丁烷例外，用R600和R600a(或R601)表示。3.非共沸混合工质R4()()括号中数字为该工质命名的先后顺序号，从00开始若构成非共沸混合工质的纯物质种类相同，但成分含量不同，则分别在最后加上大写英文字母以示区别。4.共沸混合工质R5()()括号中的数字为该工质命名的先后顺序号，从00开始5.环烷烃、链烯烃以及它们的卤代物环烷烃及环烷烃的卤代物以“RC”开头，链烯烃及链烯烃的卤代物以“R1”开头，其后数字排写与氟里昂及烷烃类符号表示中的数字排写规则相同。,第三章制冷原理,制冷剂符号举例,此外，有机氧化物、脂肪族胺以R6开头，其后数字任选。为简单定性判别制冷剂对臭氧层的破坏能力，将氯氟烃类物质代号中的R改用字母CFC，氢氯氟烃类物质代号中的R改用字母HCFC，氢氟烃类物质代号中的R改用字母HFC，碳氢化合物代号中的R改用字母HC，数字编号不变。,第三章制冷原理,四、几种常用制冷剂,1.无机物氨沸点-33.3，凝固点-77.9；单位容积制冷量大粘性小，传热性好，流动阻力小；毒性较大，有一定的可燃性，安全分类为B2；氨蒸气无色，具有强烈的刺激性臭味；氨液飞溅到皮肤上会引起肿胀甚至冻伤；氨系统中有水分会加剧对金属腐蚀同时减小制冷量；可以任意比与水互溶但在矿物润滑油中的溶解度很小；系统中氨分离的游离氢积累至一定程度遇空气爆炸；氨液比重比矿物润滑油小，油沉积下部需定期放出；在氨制冷机中不用铜和铜合金材料（磷青铜除外）。,第三章制冷原理,2.氟利昂(1)R12（二氟二氯甲烷CF2Cl2）沸点-29.8，凝固点-158；无色，有较弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全；系统里应严格限制含水量，一般规定不得超过0.001%；常用温度范围内能与矿物性润滑油以任意比互溶；不腐蚀一般金属但能腐蚀镁及含镁量超过2%铝镁合金；对天然橡胶和塑料有膨润作用。(2)R134a（四氟乙烷CH2FCF3）毒性非常低，不可燃，安全；与矿物润滑油不相溶，但能完全溶解于多元醇酯类；化学稳定性很好，溶水性比R12强得多，对系统干燥和清洁性要求更高，用与R12不同的干燥剂。,R12对大气臭氧层有严重破坏作用，并产生温室效应，因此它已受到限用与禁用。但它目前仍是国内应用较广的中温制冷剂之一，2010年1月1日起将在我国完全停止生产和消费。,第三章制冷原理,(3)R11（一氟三氯甲烷CFCl3）沸点23.8，凝固点-111；毒性比R12更小，安全；水在R11中的溶解能力与R12相接近；对金属及矿物润滑油的作用关系也与R12大致相似；与明火接触时，较R12更易分解出光气。(4)R22（二氟一氯甲烷CHF2Cl）沸点-40.8，凝固点-160；毒性比R12略大，无色无味，不燃不爆，安全；溶水性稍大于R12，系统内应装设干燥器；部分与矿物润滑油互溶；化学性质不如R12稳定，对有机物的膨润作用更强；对金属与非金属的作用以及泄漏特性都与R12相似。,R22对大气臭氧层有轻微破坏作用，并产生温室效应。它是第二批被列入限用与禁用的制冷剂之一。我国将在2040年1月1日起禁止生产和使用。,第三章制冷原理,3.碳氢化合物(1)R600a（异丁烷i-C4H10）沸点-11.73，凝固点-160；毒性非常低，可燃，应注意防火防爆；与矿物润滑油能很好互溶，与其他物质的化学相溶性很好，与水的溶解性很差。(2)R290（丙烷C3H8）沸点和凝固点比R600a低，蒸气压较高和Qv比R600a大，其他制冷特性及安全特性均与R600a相似。,4.混合制冷剂(1)共沸制冷剂一定P0下蒸发时具有几乎不变的T0，而且T0一般比组成它的单组分的T0低；一定T0下，共沸制冷剂qv比组成它的单一制冷剂的要大；共沸制冷剂化学稳定性较组成它的单一制冷剂好；全封闭和半封闭压缩机中该制冷剂可使电机更好的冷却，电机绕组温升减小。,第三章制冷原理,几种共沸制冷剂的组成和沸点,第三章制冷原理,(2)非共沸制冷剂,非共沸制冷剂的T-图,一定压力下溶液加热时，首先到达饱和液体点A(泡点)，再加热到达点B，即进入两相区，继续加热到点C(露点)时全部蒸发完成为饱和蒸气。泡点温度和露点温度的温差称之为温度滑移。,第三章制冷原理,(3)常用混合制冷剂的特性1)共沸制冷剂R500，可代替R12用于活塞式制冷机，沸点-33.5，ODP值较高。2)共沸制冷剂R502：可代替R22用于获得低温沸点-45.4，ODP值较高。溶水性比R12大1.5倍，在82以上有较好的溶油性。3)共沸制冷剂R503：可代替R13使用沸点-88，不燃烧，