制冷系统课件D

1、本章重点本章重点1.1.理想制冷循环与实际制冷循环的差理想制冷循环与实际制冷循环的差别及其别及其T-ST-S图和图和lgp-hlgp-h图；图；2.2.计算。计算。 第三章第三章 制制 冷冷第一节第一节 理论基础及基本概念理论基础及基本概念 在食品工业上的应用在食品工业上的应用： 产生冷冻、速冻食品；产生冷冻、速冻食品； 贮藏；贮藏； 加工手段（冷冻浓缩、干燥）；加工手段（冷冻浓缩、干燥）； 空气调节等。空气调节等。 制冷制冷: :消耗机械功或其它能量获得低温（相对环境）的消耗机械功或其它能量获得低温（相对环境）的单元操单元操作作。工业上，一般是采用。工业上，一般是采用机械压缩机械压缩、蒸汽喷

2、射蒸汽喷射和和吸收剂吸收吸收剂吸收等实现制冷的。等实现制冷的。 分类分类：深度冷冻（：深度冷冻（-100-100以下）和一般冷冻（以下）和一般冷冻（-100-100以上）。以上）。一、概述一、概述2 2、热力循环热力循环：体系经过一个过程的变化，热和功有一定的转体系经过一个过程的变化，热和功有一定的转换，如果从初始状态经过若干过程后，回复到换，如果从初始状态经过若干过程后，回复到原状态，又完成了热与功的转换，而物质状态原状态，又完成了热与功的转换，而物质状态发生周期性变化。该循环过程称为发生周期性变化。该循环过程称为热力循环热力循环。二、基础理论与方法二、基础理论与方法（一）封闭体系热力过程（

3、一）封闭体系热力过程1 1、封闭体系封闭体系: :与外界无物质交换，但可以有热、功交换的热与外界无物质交换，但可以有热、功交换的热力学体系，即只有能量传递，没有物质传递。力学体系，即只有能量传递，没有物质传递。 热力学第一定律热力学第一定律恰好描述了热力学体系中热与功转换恰好描述了热力学体系中热与功转换的数量关系。的数量关系。3 3、热力学第一定律热力学第一定律： dq=de+pdV （J/kg）因此，对于理想的封闭体系（热力循环），热交换量等于因此，对于理想的封闭体系（热力循环），热交换量等于功交换量。功交换量。 以热和功的形式传递的能量必定对应于系统的内能确定的以热和功的形式传递的能量必定

4、对应于系统的内能确定的变化。变化。 规定：规定： de为为+,内能增加为正内能增加为正; dq为为+,吸热吸热,q为正为正; dV为为+, 膨胀膨胀, 即对外做功即对外做功, w为正。为正。 工质循环后，内能无变化，回复到原状态。工质循环后，内能无变化，回复到原状态。wq,dwdq,de 即即01、卡诺循环和逆卡诺循环、卡诺循环和逆卡诺循环TTCTNP12342341q1q2TCTNS1S2 卡诺循环卡诺循环 热机循环热机循环VS12 等温膨胀过程等温膨胀过程23 等熵膨胀过程等熵膨胀过程34 等温压缩过程等温压缩过程41 等熵压缩过程等熵压缩过程P-V 图图T-S 图图（二）制冷循环（二）制

5、冷循环 逆卡诺循环逆卡诺循环制冷循环制冷循环TTCTNP12342341q1q2TCTNS1S2VSP-V 图图T-S 图图12 等熵（绝热）压缩过程等熵（绝热）压缩过程23 等温压缩过程等温压缩过程34 等熵（绝热）膨胀过程等熵（绝热）膨胀过程41 等温膨胀过程等温膨胀过程2、实际制冷过程、实际制冷过程蒸发器蒸发器等温等压等温等压等压等压冷凝器冷凝器膨胀阀膨胀阀（节流阀）（节流阀）等焓等焓等熵等熵压缩机压缩机制冷过程简图制冷过程简图四个阶段：四个阶段：压缩、冷凝压缩、冷凝膨胀、蒸发膨胀、蒸发（三）制冷剂的压焓图与温熵图（三）制冷剂的压焓图与温熵图 等压线群：水平线等压线群：水平线 等焓线群：

6、垂直线等焓线群：垂直线 等比容等比容线群线群：虚虚线线 等干度等干度x x线群线群: : 等温等温t t线群线群: : 等熵等熵S S线群线群: :饱和饱和蒸汽蒸汽饱和饱和液体液体临界点临界点过冷液体过冷液体过热蒸汽过热蒸汽1、压焓图、压焓图2、温熵图、温熵图 K K点：临界点；点：临界点； K K点左支曲线点左支曲线: :饱和液体曲线；饱和液体曲线； K K点右支曲线点右支曲线: :饱和饱和蒸汽蒸汽曲线；曲线； 等压线群等压线群: ABCD: ABCD； 等焓线群等焓线群: EF: EF； 等比容等比容线群线群:GHJ:GHJ（虚线）；（虚线）； 等温等温t t线群线群（水平水平线）线） 等

7、熵等熵S S线群线群（垂垂线）线）过冷液体过冷液体过热蒸汽过热蒸汽P89F-12F-12压焓图压焓图P90（四）理想制冷循环与实际制冷循环的比较（四）理想制冷循环与实际制冷循环的比较1、理想制冷循环、理想制冷循环冷凝器冷凝器等温过程等温过程等温过程等温过程2、实际制、实际制冷循环冷循环1.1.绝热可逆压缩绝热可逆压缩( (等熵等熵) )过程过程: 1-2: 1-2线线2.2.等压冷却、冷凝及过冷过程：等压冷却、冷凝及过冷过程：2-22-2-3-3-3-3线线3.3.节流膨胀节流膨胀( (等焓等焓) )过程过程: 3-4: 3-4线线( (不可逆不可逆, ,无外无外功功, ,绝热绝热) )4.4

8、.等温等压蒸发等温等压蒸发: 4-1: 4-1线线h1h2h3=h4h1、绝热可逆压缩、绝热可逆压缩(等熵等熵) 线线1-2。2、等压冷却、冷凝及过冷过程：、等压冷却、冷凝及过冷过程： 2-2 线线冷却冷却(到饱和蒸汽到饱和蒸汽)(等压等压)；2-3 冷凝冷凝(等压等压,等温等温)； 3-3过冷过冷(等压等压), 3与与3点的温度不同；故点的温度不同；故2-2-3-3为等压冷却、冷凝及过冷过程线。为等压冷却、冷凝及过冷过程线。3、节流膨胀、节流膨胀(等焓等焓)线线 3-4。4、蒸发、蒸发(等压等压,等温等温)线线 4-1。实际制冷循环与理想过程的区别实际制冷循环与理想过程的区别1.节流阀取代膨

9、胀机：节流阀取代膨胀机：节流膨胀节流膨胀：连续流动流体经到节流阀急剧膨胀连续流动流体经到节流阀急剧膨胀,使其压强使其压强p2下下降至降至p1。 由于过程太快由于过程太快,其情况不可逆其情况不可逆，由于节流阀没有作由于节流阀没有作外功外功,w=0,又流体与周围介质来不及作热交换又流体与周围介质来不及作热交换,故故节流前后焓节流前后焓值不变值不变。2.2.引入过冷凝线：引入过冷凝线： 加大冷凝器面积，增大吸热量，即增加了制冷量。加大冷凝器面积，增大吸热量，即增加了制冷量。3.3.干法压缩取代湿法压缩：干法压缩取代湿法压缩： 制冷系数减少，但避免液击事故，提高生产能力。制冷系数减少，但避免液击事故，

10、提高生产能力。 4.4.过程不可逆。实际制冷循环所消耗外功多过程不可逆。实际制冷循环所消耗外功多。三、一般制冷方法三、一般制冷方法（一）机械压缩制冷（一）机械压缩制冷1、空气压缩制冷：用空气作为制冷剂。、空气压缩制冷：用空气作为制冷剂。 制冷系数小，经济性差，单位制冷量小（无相变）。制冷系数小，经济性差，单位制冷量小（无相变）。2、蒸汽压缩制冷：用常温下加压可以液化的物质作为制冷剂、蒸汽压缩制冷：用常温下加压可以液化的物质作为制冷剂（工质），工质在循环过程中不断发生相（工质），工质在循环过程中不断发生相变（液态变（液态气态，气态气态，气态液态）液态）蒸汽压缩式制冷循环原理图蒸汽压缩式制冷循环原

11、理图冷凝器冷凝器等温过程等温过程等温过程等温过程特点：制冷系数大，单位制冷量大，传热系数大，设备小。特点：制冷系数大，单位制冷量大，传热系数大，设备小。3、吸收式制冷：消耗热能。使用制冷剂和吸收剂两种工质。、吸收式制冷：消耗热能。使用制冷剂和吸收剂两种工质。 中央空调系统如溴化锂吸收制冷。中央空调系统如溴化锂吸收制冷。制冷剂制冷剂吸热蒸发吸热蒸发制冷剂制冷剂蒸汽冷凝蒸汽冷凝减压蒸减压蒸发制冷发制冷混合混合吸收吸收制冷剂制冷剂吸收剂吸收剂吸收式制冷原理图吸收式制冷原理图4、蒸汽喷射式制冷：消耗热能。、蒸汽喷射式制冷：消耗热能。（二）非机械压缩制冷（二）非机械压缩制冷1、融解和溶解制冷：如冰融解制

12、冷；盐水低温制冷、融解和溶解制冷：如冰融解制冷；盐水低温制冷 （降低冰点）。（降低冰点）。2、固体升华和液体汽化制冷：如干冰制冷、液氮制冷。、固体升华和液体汽化制冷：如干冰制冷、液氮制冷。四、低温制冷方法四、低温制冷方法为了获得更低的温度，可用以下几种方法：为了获得更低的温度，可用以下几种方法：1、多级制冷循环：多级压缩（一种制冷剂）。、多级制冷循环：多级压缩（一种制冷剂）。2、串级制冷循环：多级压缩（多种制冷剂）。、串级制冷循环：多级压缩（多种制冷剂）。3、节流膨胀和绝热膨胀法：配合、节流膨胀和绝热膨胀法：配合1、2方法使用。方法使用。4、固体升华与液体汽化制冷：、固体升华与液体汽化制冷：两

13、级蒸气压缩式制冷循环两级蒸气压缩式制冷循环 1、制冷量（制冷能力）：单位时间制冷剂从被冷冻物中（在、制冷量（制冷能力）：单位时间制冷剂从被冷冻物中（在蒸发器中吸收）取出的热量蒸发器中吸收）取出的热量Q0，单位，单位W或或kW。 冷冻吨冷冻吨(国外国外)，1冷吨冷吨(USA)=3.52kW =12660kJ/h 1冷吨冷吨(JP)=3.86kW=13900kJ/h 单位制冷量：单位质量或单位容积单位制冷量：单位质量或单位容积制冷剂制冷剂在蒸发器中所在蒸发器中所吸收的热量。吸收的热量。 （1）单位质量制冷量）单位质量制冷量q0；单位；单位J/kg （2）单位容积制冷量）单位容积制冷量qv ；单位；

14、单位J/m3 单位制冷量单位制冷量q0、qv可从蒸汽压焓图查取、计算。可从蒸汽压焓图查取、计算。第二节第二节 食品冷冻常用的蒸汽压缩式制冷的计算食品冷冻常用的蒸汽压缩式制冷的计算一、制冷计算一、制冷计算h4=h3h1h2hq0=h1-h4J/kgkJ/kg04100 hhqqv kJ/m3J/m3比容比容单位质量制冷量单位质量制冷量q0单位容积制冷量单位容积制冷量qv式中式中0是是1点的比容。点的比容。2、制冷剂循环量：单位时间内制冷机中循环的制冷剂流量。、制冷剂循环量：单位时间内制冷机中循环的制冷剂流量。 （1）单位时间质量循环量）单位时间质量循环量G，单位，单位kg/s （2）单位时间容积

15、循环量）单位时间容积循环量V，单位，单位m3/s（1）单位时间质量循环量）单位时间质量循环量G41000hhQqQG 单位单位kg/s（2）单位时间容积循环量）单位时间容积循环量VvqQqQGV00000 单位单位m3/s3、制冷剂的放热量、制冷剂的放热量Qk：包括冷却、冷凝、过冷三阶段的放热量。：包括冷却、冷凝、过冷三阶段的放热量。h4=h3h1h2h）（32hhGQQQQ k kkk ）（khhGQ22 冷却段冷却段冷凝段冷凝段）（ khhGQ32 过冷段过冷段）（33hhGQ k 单位均为：单位均为：W或或kW单位放热量：单位放热量：qk=(h2-h3)4、制冷压缩机功率：对于单位质量制

16、冷剂，压缩机的理论压、制冷压缩机功率：对于单位质量制冷剂，压缩机的理论压缩功称为理论功缩功称为理论功wt，单位，单位J/kg。h4=h3h1h2h12hhwt J/kg（1）理论功）理论功wt（2）理论功率）理论功率Nt：对于制冷剂：对于制冷剂循环量为循环量为G（kg/s）的压）的压缩循环缩循环,压缩机所消耗的压缩机所消耗的功率，单位功率，单位W。）（12hhGGwNtt 单位：单位：W120qqqqwktJ/kg（3）实际功率）实际功率N：实际功率大于理论功率。：实际功率大于理论功率。 N Nt。如果。如果压缩机的总效率为压缩机的总效率为，则实际功率：，则实际功率： tNN Dmai 其中其

17、中ai 指示效率，为理论功率指示效率，为理论功率Nt与指示功率与指示功率Ni之比。是压缩机之比。是压缩机余隙容积、压缩比、汽缸、活塞和气阀等结构因素造余隙容积、压缩比、汽缸、活塞和气阀等结构因素造成能量损失。成能量损失。可用该式计算：可用该式计算：0bTwai 蒸发蒸发温度温度中、小型卧式压缩机：中、小型卧式压缩机：2273233TTkw 大型卧式压缩机：大型卧式压缩机：kwTT 2992730 立式压缩机：立式压缩机：kwTT 2732730 冷凝冷凝温度温度排气排气温度温度预热预热系数系数温度温度卧式：卧式： b=0.002立式：立式： b=0.001m 机械效率。指示功率机械效率。指示功

18、率Ni与轴功率与轴功率Nz之比。机械摩擦损失。之比。机械摩擦损失。zimNN 95080.m D 传动效率。轴功率传动效率。轴功率Nz与实际功率与实际功率N之比。传动机构的完之比。传动机构的完善程度。善程度。NNzD 传动效率传动效率D 的取值：的取值：三角皮带：三角皮带：0.970.98平皮带：平皮带： 0.96齿轮箱：齿轮箱： 0.960.99电动机直接联接：电动机直接联接：1.0 为了保证压缩机工作可靠，取保险系数为了保证压缩机工作可靠，取保险系数B=1.11.15，则，则电机的额定功率电机的额定功率N0为：为：DmaithhGBNBN ）（120 单位：单位：W5、制冷系数、制冷系数

19、：制冷循环中的制冷量：制冷循环中的制冷量Q0（W，或，或kW）与该循环）与该循环所消耗的功率所消耗的功率N（ W，或，或kW ）之比值）之比值。消耗单位外功所能消耗单位外功所能获得的制冷量获得的制冷量。用于衡量制冷循环的效率，是评价某具体制用于衡量制冷循环的效率，是评价某具体制冷循环经济性的一项指标。冷循环经济性的一项指标。NQ0 12410hhhhwqtt 单位质量的理论值单位质量的理论值理论功理论功单位质量单位质量制冷量制冷量对于理想制冷循环对于理想制冷循环, 仅与仅与T0和和Tk有关，与制冷剂的性质无关。有关，与制冷剂的性质无关。逆卡诺循环制冷系数逆卡诺循环制冷系数最大最大, ,制冷最为

20、经济，制冷最为经济，,制冷效率制冷效率；(T(Tk k - T - T0 0), ), 但但T Tk k 受环境条件限制；受环境条件限制；T T0 0 不利于传热。不利于传热。对于理想制冷循环（逆卡诺循环）：对于理想制冷循环（逆卡诺循环）：00TTTk 理理想想 理想实际蒸发温度蒸发温度冷凝温度冷凝温度二、制冷循环工作参数的确定二、制冷循环工作参数的确定1、蒸发温度（、蒸发温度（T0）：）：随制冷剂的不同而不同。随制冷剂的不同而不同。 空气载冷空气载冷: T0比冷库空气温度低比冷库空气温度低812; 盐水载冷盐水载冷: T0比盐水温度低比盐水温度低46。2、冷凝温度（、冷凝温度（Tk）：）：由

21、冷凝器型式、冷凝介质的温度决定。由冷凝器型式、冷凝介质的温度决定。 水冷却水冷却: Tk=t+(45) (t为冷凝器排水温度，进出水的温差取为冷凝器排水温度，进出水的温差取23) 空气冷却空气冷却: Tk=t+(812) (t为冷凝器排气温度为冷凝器排气温度) (立、卧式、淋激式冷凝器）立、卧式、淋激式冷凝器）3、压缩机的吸汽温度（、压缩机的吸汽温度（T1）：）：为控制过热点温度。为控制过热点温度。 低压蒸汽过热有害，使压缩机功耗低压蒸汽过热有害，使压缩机功耗，可通过控制冷凝温，可通过控制冷凝温度，回收一部分过热能量。度，回收一部分过热能量。吸汽温度取决于回汽的吸汽温度取决于回汽的过热度过热度

22、。若不考虑回汽若不考虑回汽的过热的过热,则则T1T0,实际上实际上,自蒸发器的低压蒸汽进自蒸发器的低压蒸汽进压缩机前将在吸汽管中压缩机前将在吸汽管中吸收周围空气的热量吸收周围空气的热量,温温度升高度升高,比容增大比容增大,叫叫蒸汽蒸汽过热过热。 制冷量制冷量q q0 0没有变化，但压缩机的功耗却增加了没有变化，但压缩机的功耗却增加了W W（图（图中中1-1-0-2-11-1-0-2-1的面积），这在经济上是不利的，称为有害的面积），这在经济上是不利的，称为有害过热。过热。 蒸发温度越低，吸入蒸汽与周围空气间的温差越大，蒸发温度越低，吸入蒸汽与周围空气间的温差越大，此有害影响越大。可以用此有害影

23、响越大。可以用回热循环回热循环减轻该危害。减轻该危害。什么是什么是回热循环回热循环？回热循环对制冷是否有利？回热循环对制冷是否有利？ 4 4、过冷温度（、过冷温度（TuTu）：）：比冷凝温度比冷凝温度( (预先确定的预先确定的) )低低3 35,5,比比冷却水进口温度高冷却水进口温度高33。回热循环：回热循环：将蒸发器产生的低温低压蒸汽与节流将蒸发器产生的低温低压蒸汽与节流前的液体工质进行热交换。前的液体工质进行热交换。1 1、既可减轻或消除吸汽管道中的有害过热，又能使液、既可减轻或消除吸汽管道中的有害过热，又能使液态制冷剂过冷。态制冷剂过冷。2 2、制冷剂过冷，将增加循环的制冷量、制冷剂过冷

24、，将增加循环的制冷量 q q0 0 ，但功耗，但功耗也增大也增大W W，其制冷系数是否提高，视具体操作条，其制冷系数是否提高，视具体操作条件和制冷剂种类而异。件和制冷剂种类而异。3 3、当、当T Tk k=30=30，T T0 0在普通制冷温度范围内时，对在普通制冷温度范围内时，对F-12F-12采用回热循环是有利的；对于氨是不利的；采用回热循环是有利的；对于氨是不利的；F-22F-22介于两者之间，即制冷无大的变化。介于两者之间，即制冷无大的变化。例例1.1.某制冷循环为逆向卡诺循环。在某制冷循环为逆向卡诺循环。在-25-25下每下每kgkg制冷剂在蒸发器内的吸热量和在冷凝器制冷剂在蒸发器内

25、的吸热量和在冷凝器内的放热量分别为内的放热量分别为200kJ/kg200kJ/kg和和240kJ/kg240kJ/kg。求：求： 1.1.制冷系数；制冷系数； 2.2.冷凝温度；冷凝温度； 3.3.若制冷剂循环量为若制冷剂循环量为450kg/h450kg/h，求所需理论，求所需理论功为若干功为若干kWkW。 解：解：1. 1. 制冷系数制冷系数 由题意知：由题意知： 54020040200240240200000 tktkwqkg/kJqqw:kg/kJq,kg/kJq 则则2. 冷凝温度冷凝温度Tk 因是逆向卡诺循环，故制冷系数：因是逆向卡诺循环，故制冷系数： 已知蒸发温度已知蒸发温度T0=

26、273-25=248K00TTTk 3. 3. 理论功理论功N Nt t.tK.TTTTTkkkk6246297524824800 kWh/kJGwNtt540450 例例2 2、在氨蒸气压缩制冷循环中，蒸发温度和冷凝温、在氨蒸气压缩制冷循环中，蒸发温度和冷凝温度分别为度分别为-20-20和和2020，制冷量为，制冷量为2020冷吨冷吨( (日日本本) )。氨在冷凝器中的放热速率为。氨在冷凝器中的放热速率为100kJ/s100kJ/s，氨，氨进入压缩机的状态为干饱和蒸气，并在其中进进入压缩机的状态为干饱和蒸气，并在其中进行绝热压缩。求：行绝热压缩。求： 1.1.压缩机的理论功率；压缩机的理论功

27、率； 2.2.制冷系数；制冷系数； 3.3.氨的循环流量。氨的循环流量。解：解：1.压缩机的理论功率压缩机的理论功率Nt 氨在冷凝器中放热速率为氨在冷凝器中放热速率为100kJ/s，即，即h/kJ.Qk510633600100 制冷量制冷量:h/kJQ2780001390020200 冷吨冷吨净功净功:h/kJQQWkt820002780003600000 理论功率理论功率:kW.WNtt8223600820003600 393820002780000.WQt 2. 制冷系数制冷系数3. 3. 氨的循环流量氨的循环流量G G 根据题意知，蒸发温度根据题意知，蒸发温度t t0 0=-20=-20

28、，又因为压缩机入，又因为压缩机入口为干饱和蒸气，并进行绝热压缩，故可由附录口为干饱和蒸气，并进行绝热压缩，故可由附录logp-hlogp-h图查出：图查出：hkgwWGkgkJhhwkgkJhkgkJhttt/65612582000/12514451570/1570/14451221h h4 4h h1 1h h2 2h h3 3-20-202020h,kJ/kgLog pLog p例例3.3.某蒸气压缩制冷循环以氨为制冷剂，冷凝温度为某蒸气压缩制冷循环以氨为制冷剂，冷凝温度为3030，蒸发温度为，蒸发温度为-10-10。制冷剂离开蒸发器时。制冷剂离开蒸发器时为干饱和蒸气，离开冷凝器时为饱和液

29、体。如为干饱和蒸气，离开冷凝器时为饱和液体。如制冷剂流量为制冷剂流量为100kg/h100kg/h，求：，求： 1.1.制冷系数；制冷系数； 2.2.制冷装置的制冷量；制冷装置的制冷量； 3.3.所需的理论功率。所需的理论功率。解：该制冷循环的解：该制冷循环的logp-ilogp-i示意图由本题附图所示。示意图由本题附图所示。 由附录由附录logp-hlogp-h图查出制冷剂在各状态点的焓值分别为：图查出制冷剂在各状态点的焓值分别为：kgkJhhkgkJhkgkJh/350/1570/145034211.制冷系数制冷系数125. 91450157035014501241hhhhh h4 4h

30、h1 1h h2 2h h3 3-10-103030h,kJ/kgLog pLog p2. 2. 制冷量制冷量Q Q0 0 1kg 1kg氨的制冷量为：氨的制冷量为：kgkJhhq/11003501450410 制冷装置的制冷量为：制冷装置的制冷量为：hkJGqQ/1100001100100003. 3. 所需理论功率所需理论功率N Nt t 压缩机对压缩机对1kg1kg制冷剂所作的净功为：制冷剂所作的净功为：kgkJhhwt/1201450157012所需理论功率为：所需理论功率为：kWGwWNttt33. 3360010012036003600一、制冷剂：即制冷工质，冷冻剂一、制冷剂：即制冷工质，冷冻剂传递热能的媒介。传递热能的媒介。第三节第三节 制冷剂与载冷剂制冷剂与载冷剂1、对制冷剂的要求：对制冷剂的要求： 常压下常压下，沸点低沸点低 蒸发温度低；蒸发温度低； 单位容积制冷量大单位容积制冷量大 制冷剂量小制冷剂量小，压缩机尺寸小；压缩机尺寸小； 制冷剂潜热要大制冷剂潜热要大 可减少制冷剂循环量；可减少制冷剂循环量； 不燃烧、无毒、