制冷原理和设备

1、制冷原理与设备制冷原理与设备 热能教研室 第一章 绪论 1. 1. 制冷的定义制冷的定义 作为一门科学，制冷是指采用人工的方法在一定时间作为一门科学，制冷是指采用人工的方法在一定时间 和一定空间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境和一定空间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境 温度以下，并保持这个低温。温度以下，并保持这个低温。 因此，制冷不同于自然冷却。因此，制冷不同于自然冷却。 2. 2. 明确以下概念明确以下概念 (1)(1)制冷剂：在制冷机中使用的工质称为制冷剂。制冷剂：在制冷机中使用的工质称为制冷剂。 (2)(2)制冷机：机械制冷中所需机器和设备的总合称为制冷机。制冷机：机械制冷

2、中所需机器和设备的总合称为制冷机。 (3)(3)制冷装置：将生产冷量的制冷机械和消耗冷量的设备结制冷装置：将生产冷量的制冷机械和消耗冷量的设备结 合在一起的装置。合在一起的装置。 4.制冷技术的研究内容及理论基础制冷技术的研究内容及理论基础 制冷技术主要研究以下三个方面：制冷技术主要研究以下三个方面： (1)研究获得低温的方法和有关的机理以及与此相应的制冷循环，并研究获得低温的方法和有关的机理以及与此相应的制冷循环，并 对制冷循环进行热力学的分析和计算。（比如压缩式制冷）对制冷循环进行热力学的分析和计算。（比如压缩式制冷） (2)研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供性能满意的工作介质。研究制冷剂

3、的性质，从而为制冷机提供性能满意的工作介质。 (3)研究实现制冷循环所必需的各种机械和技术设备，包括他们的工研究实现制冷循环所必需的各种机械和技术设备，包括他们的工 作原理、性能分析、结构设计，以及制冷装置的流程组织、系统配作原理、性能分析、结构设计，以及制冷装置的流程组织、系统配 套设计。此外，还有热绝缘问题、制冷装置的自动化问题等等。套设计。此外，还有热绝缘问题、制冷装置的自动化问题等等。 制冷技术的理论基础主要为热工的三大基础课程，即制冷技术的理论基础主要为热工的三大基础课程，即工程热工程热 力学力学、工程流体力学工程流体力学、传热学传热学。尤其是。尤其是工程热力工程热力 学学，学习和从

4、事质量工作的人员应主要在这三门课程方面打好坚，学习和从事质量工作的人员应主要在这三门课程方面打好坚 实的理论基础。实的理论基础。 5.制冷技术的发展历史制冷技术的发展历史 制冷技术的发展概括起来可分为两个阶段：制冷技术的发展概括起来可分为两个阶段： （1 1）天然冷源的应用阶段）天然冷源的应用阶段 是从古代是从古代1818世纪中期。世纪中期。 采用的天然冷源主要是指冬季储存的天然冰和夏季采用的天然冷源主要是指冬季储存的天然冰和夏季 使用的深井水。使用的深井水。 （2 2）机械制冷阶段机械制冷阶段 1818世纪中期世纪中期 今。今。 17551755年是人工制冷史的起点。年是人工制冷史的起点。

5、现代制冷技术作为一门科学是由现代制冷技术作为一门科学是由1919世纪中后期发展起世纪中后期发展起 来的，到来的，到2020世纪具有更大的发展。世纪具有更大的发展。 6. 6.制冷技术的产生背景及应用制冷技术的产生背景及应用 制冷是为适应人们对低温条件的需要而产生和发制冷是为适应人们对低温条件的需要而产生和发 展展 起来的，是人们社会实践的结晶，并随着现代技术的起来的，是人们社会实践的结晶，并随着现代技术的 发展以及人们生活水平的提高，制冷在工业、农业、发展以及人们生活水平的提高，制冷在工业、农业、 建筑、航天等国民经济各个部门的作用和地位日益重建筑、航天等国民经济各个部门的作用和地位日益重 要

6、。要。 制冷的应用几乎渗透到各个生产技术、科学领域制冷的应用几乎渗透到各个生产技术、科学领域 以以 及人们生活的各个方面中，概括起来主要有以下几个及人们生活的各个方面中，概括起来主要有以下几个 领域：领域： (1)(1)商业及人民生活商业及人民生活 比如人工冰厂、空调、冰箱、冷柜以及食品的冷冻冷藏、保鲜、比如人工冰厂、空调、冰箱、冷柜以及食品的冷冻冷藏、保鲜、 冷藏运输等。冷藏运输等。 (2)(2)工业生产及农牧业工业生产及农牧业 比如制药、啤酒、精密仪器车间等；比如制药、啤酒、精密仪器车间等； 农作物的种子进行低温处理，人工气候育秧室、蔬菜水果的保农作物的种子进行低温处理，人工气候育秧室、蔬

7、菜水果的保 鲜等。鲜等。 (3)(3)建筑工程建筑工程 比如挖掘隧道、建筑河堤时采用的比如挖掘隧道、建筑河堤时采用的“冻土法冻土法”。 (4)(4)科学实验研究科学实验研究 如各种环境模拟装置中创造的人工环境。如各种环境模拟装置中创造的人工环境。 (5)(5)医疗卫生医疗卫生 如药品、疫苗及人体器官的冷藏保存，手术中采用低温麻醉等。如药品、疫苗及人体器官的冷藏保存，手术中采用低温麻醉等。 (6)(6)尖端科学领域等尖端科学领域等 如微电子技术、能源、新型材料、宇宙开发等。如微电子技术、能源、新型材料、宇宙开发等。 制冷与低温技术的应用领域举例制冷与低温技术的应用领域举例 制冷在空调中的作用制冷

8、在空调中的作用 (1)(1)干式冷却干式冷却 (2)(2)减湿冷却减湿冷却 (3)(3)减湿与干式冷却混合方式减湿与干式冷却混合方式 1. 1. 空气调节空气调节 图图1-26 制冷与空调的关系制冷与空调的关系 制冷和空调制冷和空调 的关系相互的关系相互 联系又独立联系又独立 用人工方法构成各种人们所希望达到的环境条件，包用人工方法构成各种人们所希望达到的环境条件，包 括地面的各种气候变化和高空宇宙及其它特殊的要求。括地面的各种气候变化和高空宇宙及其它特殊的要求。 2.2.人工环境人工环境 与制冷有关的人工环境试验有以下几种与制冷有关的人工环境试验有以下几种 (1) (1) 低温环境试验低温环

9、境试验 (2) (2) 湿热试验湿热试验 (3) (3) 盐雾试验盐雾试验 (4) (4) 多种气候试验多种气候试验 (5) (5) 空间模拟试验空间模拟试验 根据对食品处理方式不同，食品低温处理工艺根据对食品处理方式不同，食品低温处理工艺 可分可分三类三类： (1) (1) 食品的冷藏与冷却食品的冷藏与冷却 (2) (2) 食品的冻结与冻藏食品的冻结与冻藏 (3) (3) 冷冻干燥冷冻干燥 3. 3. 食品冷冻与冷冻干燥食品冷冻与冷冻干燥 第二章第二章 制冷方法制冷方法 制冷的方法很多，常见的主要是以下四种： 液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷及热电 制冷。 其中应用最广泛的就是液体汽化

10、制冷（原理），它常 见的应用形式又有以下四种： 蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷和吸 附式制冷。 蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷是目前应用最为广泛的 两种制冷方式，也是本课程所讲述的主要内容，我们会 在以后的章节中着重讲述，本节只简单介绍其它的制冷 方式。 液体气化制冷原理 2.1 单级蒸气压缩制冷的理论循环单级蒸气压缩制冷的理论循环 v1.1.理论循环定义：在没有任何实际损失下的制冷循环。理论循环定义：在没有任何实际损失下的制冷循环。 v2.2.条件：条件：无温差传热；无温差传热； 压缩过程是可逆绝热压缩过程即等熵过程；压缩过程是可逆绝热压缩过程即等熵过程； 管路中无任何耗损。管路中无

11、任何耗损。 第二章第二章 蒸气压缩式制冷装置蒸气压缩式制冷装置 T-S图LgP-h图 3.3.理想制冷循环：逆卡诺循环（理想制冷循环：逆卡诺循环（原理图原理图） 4.4.实际采用的制冷理论循环组成（实际采用的制冷理论循环组成（原理图原理图）：）： 两个定压过程；两个定压过程； 一个绝热压缩过程；一个绝热压缩过程； 一个绝热节流过程。一个绝热节流过程。 5.5.特点特点( (与卡诺循环比较）与卡诺循环比较）： 用节流阀代替膨胀机：用节流阀代替膨胀机： 损失膨胀功、产生损失膨胀功、产生“闪发气体闪发气体”；但简化装置、便于调节，；但简化装置、便于调节， 产生节流损失。产生节流损失。 用干压缩代替湿

12、压缩；实现用干压缩代替湿压缩；实现“干冲程干冲程”；但耗功量、制冷量；但耗功量、制冷量 均增加，制冷系数下降。均增加，制冷系数下降。 产生过热损失产生过热损失 蒸气压缩式制冷的理想循环蒸气压缩式制冷的理想循环 蒸气压缩式制冷的理论循环蒸气压缩式制冷的理论循环 2.2 改善蒸气压缩制冷循环的措施 节流损失 过热损失 再冷度过热度 Pk/P08 膨胀阀前液态制冷剂的再冷却； 蒸气回热循环； 中间冷却的多级压缩 有再冷却器的蒸气压缩式制冷 回热式蒸气压缩式制冷 多级蒸气压缩式制冷循环 2.3 单级蒸气压缩式制冷理论循环的性能指标与热力计算 LgP-h图 单位质量制冷量q0 kJ/kg q0=h1-h

13、4 单位容积制冷量qv kJ/m3 qv= q0/v1=(h1-h4)/v1 制冷剂质量流量MR=Q0/q0 kg/s 制冷剂体积流量VR= MRv1=Q0/qv m3/s 单位质量冷凝热qk kJ/kg qk= h2-h3 冷凝器负荷Qk=MRqk= MR(h2-h3) kW 单位质量耗功率wc kJ/kg wc=h2-h1 压缩机的理论耗功率Pth=MRwc=MR(h2-h1) kW 理论制冷系数th th=Q0/Pth=q0/wc=(h1-h4)/ (h2-h1) 理想循环制冷系数0 0=T0/ (TK-T0) 热力完善度 = th/0=(h1-h4)/(h2-h1)/T0/ (TK-T

14、0) LgP-h图 :相同TK、T0的制冷循环 :不相同TK、T0的制冷循环 评价制冷循环 的经济型指标 立式壳管式水冷冷凝器立式壳管式水冷冷凝器 卧式壳管式冷凝器卧式壳管式冷凝器 套管式冷凝器套管式冷凝器 蒸发式冷凝器蒸发式冷凝器 蒸发式冷凝器蒸发式冷凝器 淋激式冷凝器淋激式冷凝器 第四章 冷凝器和蒸发器 1.2 冷凝器的传热系数 1.2.1 传热过程 制冷剂侧 的放热 金属壁和垢 层的导热 冷却剂侧 的放热 1.2.2 传热系数 1 00 0 ) 1 ( 1 iw foie F F R F F RK 水冷冷凝器(以传热管外表面计算)(式中各参数见书注解): 风冷冷凝器(以传热管外表面计算，制冷剂管内流动): 1 00 0 1 ) 1 ( w f n oie R F F F F RK 制冷剂侧 放热热阻 油膜热阻 管壁导 热热阻 冷却剂侧 污垢热阻 冷却剂侧 放热热阻 金属壁内侧 油膜的导热 2. 蒸发器 2.1 蒸发器的种类(蒸发器的型式) 用泵将工质喷淋在传热 面上。沸腾放热系数高， 工质充灌量小，能消除 静液高度对蒸发温度的 影响；设备费用高 蒸发器 满液式非满液式循环式喷淋式 盘管中全为制 冷剂。沸腾放 热系数高；工 质充灌量大， 对于F系统， com回油困难。 盘管内为气、 液共存状态。 工质充灌量少， 易