空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)_01蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

1、空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)0 緒論緒論 本課程為“空氣調(diào)節(jié)”用制冷技術(shù)，即是此制冷技術(shù)是為“空調(diào)”服務(wù)的。本課程作為空氣調(diào)節(jié)之“冷源”的一門技術(shù)，講述其制冷方法、工作原理、制冷系統(tǒng)的組成、設(shè)備構(gòu)造及其計(jì)算、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)節(jié)等。 制冷是將低溫?zé)嵩矗澄矬w或某空間）中的熱量轉(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩粗腥?，使其達(dá)到比環(huán)境更低的溫度，并使之維持這個(gè)溫度的過程。如冷庫(kù)、冰箱等。什么是制冷？什么是制冷？ 空調(diào)冰箱冷庫(kù)哪些場(chǎng)合需用到制冷？哪些場(chǎng)合需用到制冷？ 實(shí)現(xiàn)制冷可以通過哪些途徑？實(shí)現(xiàn)制冷可以通過哪些途徑？利用天然冷源和利用人工冷源。利用天然冷源和利用人工冷源。 天然冷源是自然界存在的冷源，例如冰、雪、地下水等，可用作食

2、品的冷藏和防暑降溫。天然冷源具有價(jià)廉、貯量大等優(yōu)點(diǎn)，而且利用它還不需要復(fù)雜的技術(shù)和設(shè)備。 人工冷源是利用各種類型的制冷機(jī)械進(jìn)行冷量的生產(chǎn)，即利用人工的方法實(shí)現(xiàn)制冷。人工制冷需要比較復(fù)雜的技術(shù)和設(shè)備，而且生產(chǎn)的冷量成本較高，但是它完全避免了天然冷源的局限性，特別是可以根據(jù)不同的要求獲得不同的低溫。實(shí)現(xiàn)人工制冷有哪些途徑？實(shí)現(xiàn)人工制冷有哪些途徑？ 即利用物質(zhì)相變的吸熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷。目前相變制冷中應(yīng)用得最多的是利用液體的汽化吸熱的特性來實(shí)現(xiàn)，即為蒸汽制冷。蒸汽制冷可分為蒸汽壓縮式、蒸汽噴射式和吸收式三種類型。以第一種應(yīng)用最為廣泛。 .相變制冷相變制冷 利用高壓氣體通過節(jié)流閥或膨脹機(jī)絕熱膨脹時(shí)，對(duì)外輸

3、出膨脹功，同時(shí)溫度降低，達(dá)到制冷的目的。最早出現(xiàn)的空氣制冷機(jī)采用定壓循環(huán)?，F(xiàn)在它主要用于飛機(jī)機(jī)艙的冷卻降溫，而且在循環(huán)上也有較大改進(jìn)。 2.氣體膨脹制冷氣體膨脹制冷 高壓氣體經(jīng)渦流管膨脹后即可分離為熱、冷兩股氣流。 目前溫差電制冷只用在小型制冷器中，如電子計(jì)算機(jī)恒溫冷卻、精密測(cè)量?jī)x器的冷源及精密機(jī)床的油箱冷卻器等等，都是溫差電制冷。 3. 氣體渦流制冷氣體渦流制冷4.半導(dǎo)體制冷（熱電制冷）半導(dǎo)體制冷（熱電制冷）第一章 蒸氣壓縮式制冷的熱力學(xué)原理 基本系統(tǒng)及工作原理基本系統(tǒng)及工作原理 液體的氣化過程要吸收熱量，我們就利用這個(gè)原理來達(dá)到制冷的目的。一個(gè)最簡(jiǎn)單的固體或液體氣化實(shí)現(xiàn)制冷的裝置如圖所示：

4、 這種裝置的問題是：（1）不能連續(xù)制冷，制冷效應(yīng)只能維持到氨液全部汽化為止；（2）流體汽化后被排入大氣，既浪費(fèi)了工質(zhì)，又污染了環(huán)境；（3）汽化時(shí)的溫度不易控制。 1.1 理想制冷循環(huán)一、逆卡諾循環(huán)一、逆卡諾循環(huán)1. 絕熱壓縮過程（12）：耗功Wc；2. 等溫壓縮過程（23）：放熱qk；3. 絕熱膨脹過程（34）：作功We；4. 等溫膨脹過程（41）：制冷q01 kg制冷劑每一循環(huán)：制冷量q0；消耗凈功wWc-We；向高溫?zé)嵩捶艧幔簈k=q0+w效率收獲收獲/代價(jià)代價(jià)q0/w。對(duì)于逆卡諾循環(huán)：q0T0(sa-sb)qkq0wwqk-q0cq0/w=T0(sa-sb)/(Tk-T0)=T0/（Tk

5、-T0）1逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅取決于被冷卻物（低溫?zé)嵩矗┑臏囟萒0和冷卻劑（周圍介質(zhì)水或空氣）的溫度Tk，而與制冷劑性質(zhì)無關(guān)。2. 為了提高制冷系數(shù)，在滿足需要條件下應(yīng)使被冷卻物質(zhì)溫度T0升高而使冷卻劑溫度Tk下降。3. T0變化比Tk變化對(duì)影響更大。注意：注意：4. 熱泵裝置 供熱系數(shù)qk/w1，所以熱泵供熱量消耗的功量，可以綜合利用能源。5. 制冷系數(shù)實(shí)際上不是衡量制冷裝置經(jīng)濟(jì)性的唯一指標(biāo)。 熱力完善度 （制冷劑效率） 實(shí)現(xiàn)逆卡諾循環(huán)最大的困難是兩個(gè)等溫過程。而只有液體的定壓蒸發(fā)吸熱過程和蒸汽的定壓凝結(jié)放熱過程是定溫過程，所以在濕蒸汽區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的制冷循環(huán)有可能易于實(shí)現(xiàn)逆卡諾循環(huán)。勞侖茲循

6、環(huán) 勞侖茲循環(huán)（Lorenz Cycle）是由兩個(gè)等熵絕熱過程和兩個(gè)可逆多變過程組成的理想制冷循環(huán)。mkmmklTTTqqqwq000001.1 蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)一、蒸汽壓縮式制冷的理論循環(huán)一、蒸汽壓縮式制冷的理論循環(huán)圖1-4 蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)（a）工作過程；（b）理論循環(huán)用節(jié)流閥代替膨脹機(jī)；干壓縮代替濕壓縮；吸熱及放熱過程為定壓過程且存在傳熱溫差。制冷理論循環(huán)與理想循環(huán)的制冷理論循環(huán)與理想循環(huán)的3個(gè)不同點(diǎn)是：個(gè)不同點(diǎn)是： 進(jìn)入膨脹機(jī)的是液態(tài)制冷劑，體積變體很小，膨脹機(jī)體積也要很小，難于制造； 膨脹機(jī)作功能力不足以克服機(jī)器本身的摩擦阻力； 節(jié)流閥便于調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量。

7、（1）用節(jié)流閥代替膨脹機(jī)原因：）用節(jié)流閥代替膨脹機(jī)原因：（2）干壓縮代替濕壓縮）干壓縮代替濕壓縮 濕壓縮制冷能力降低：吸入濕蒸汽時(shí)，制冷劑與壓縮機(jī)汽缸壁熱交換強(qiáng)烈，因?yàn)閴嚎s后溫度很高，吸入時(shí)流體碰到熱的汽缸壁，液珠變?yōu)闅怏w，占據(jù)了汽缸的有效空間，使壓縮機(jī)吸入制冷劑的質(zhì)量減少；同時(shí)，汽缸壁受到強(qiáng)烈冷卻，壓縮時(shí)汽缸壁又從壓縮蒸汽中吸收熱量，這種強(qiáng)烈熱交換不可逆程度增加，熵增大，耗功量增大。 避免液擊（敲缸）危險(xiǎn)：當(dāng)大量液體制冷劑進(jìn)入汽缸時(shí)，因液體是不可壓縮的，所以當(dāng)壓縮機(jī)活塞沖到盡頭時(shí)，汽缸的壓力大增，引起液壓沖擊，使壓縮機(jī)和電機(jī)受到危害。這是不允許的。 1蒸汽壓縮式制冷理論循環(huán)中為什么用節(jié)流閥代

8、替膨脹機(jī)，對(duì)制冷系數(shù)有何影響？2蒸汽壓縮式制冷理論循環(huán)中為什么用干壓縮代替濕壓縮？對(duì)制冷系數(shù)有何影響？思考題：思考題：二、蒸汽壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算二、蒸汽壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算 （一）（一）lgp-h（壓焓）圖的應(yīng)用（壓焓）圖的應(yīng)用 等壓線等焓線等溫線等熵線等容線等干度線蒸汽壓縮式制冷循環(huán)在蒸汽壓縮式制冷循環(huán)在lgp-h圖上的表示圖上的表示 1）12：絕熱壓縮過程，單位質(zhì)量制冷劑消耗功wc=h2-h1 kJ/kg；2）23：制冷劑在冷凝器中定壓放熱過程，其中22放出過熱量，23放出汽化潛熱，33再冷卻放熱。制冷劑放熱量：qk=h2-h3 kJ/kg。3）34：節(jié)流過程，h不變；4

9、）41：制冷劑在蒸發(fā)器在定壓吸熱（制冷）過程。制冷量：q0=h1-h4 kJ/kg。（二）蒸汽壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算（二）蒸汽壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算1單位質(zhì)量制冷能力單位質(zhì)量制冷能力： 14110vhhvqqv單位容積制冷能力：?jiǎn)挝蝗莘e制冷能力：v1壓縮機(jī)入口氣態(tài)制冷劑的比容，m3/kgqv表示吸入1m3制冷劑所產(chǎn)生的冷量q0=h1-h42. 制冷劑質(zhì)量流量制冷劑質(zhì)量流量MR和體積流量和體積流量VR00qMR kg/s vRRqvMV01m3/s0制冷量，kJ/s或kW3. 冷凝器的熱負(fù)荷冷凝器的熱負(fù)荷kMR(h2-h3)4. 壓縮機(jī)理論耗功率壓縮機(jī)理論耗功率PthPth=MR(h

10、2-h1)5. 理論制冷系數(shù)理論制冷系數(shù)th：thq0/wc=0/Pth=(h1-h4)/(h2-h1)6.熱力完善度熱力完善度=th/0=(h1-h4)/(h2-h1)/T0/ (TK-T0) 熱力完善度是制冷循環(huán)的一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，但它與制冷系數(shù)的意義不同。只是從熱力學(xué)第一定律（能量轉(zhuǎn)換）的數(shù)量角度反應(yīng)循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性，而是同時(shí)考慮了能量轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系和實(shí)際循環(huán)中不可逆程度的影響。從數(shù)量上看，可以小于1，等于1或大于1，而則始終小于1，因?yàn)槔硐氲目赡嫜h(huán)的實(shí)際上是不可能達(dá)到的。當(dāng)比較兩個(gè)制冷裝置循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性時(shí)，如果兩者的工作溫度Tk、T0相同，采用與采用進(jìn)行比較是等價(jià)的；如果兩者的Tk、T0不

11、同，只有對(duì)它們的加以比較才是有意義的，因?yàn)檫@時(shí)只比較不能看出哪個(gè)制冷裝置的經(jīng)濟(jì)性更好。 :相同TK、T0的制冷循環(huán) :不相同TK、T0的制冷循環(huán)評(píng)價(jià)制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)計(jì)算實(shí)例計(jì)算實(shí)例3.1 改善蒸氣壓縮制冷循環(huán)的措施第一章 蒸氣壓縮式制冷裝置的基本原理 與熱力計(jì)算節(jié)流損失過熱損失膨脹閥前液態(tài)制冷劑的再冷卻；蒸氣回?zé)岘h(huán)；中間冷卻或多級(jí)壓縮過熱度再冷度Pk/P08回收膨脹功大容量制冷裝置中采用膨脹機(jī)（少）有再冷卻器的蒸氣壓縮式制冷回?zé)崾秸魵鈮嚎s式制冷多級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)多級(jí)壓縮多級(jí)壓縮 多級(jí)壓縮制冷循環(huán)常采用閃發(fā)蒸氣分離器和中間冷卻器兩種形式。閃發(fā)蒸氣分離器中間冷卻器一次節(jié)流完全中間冷卻一次節(jié)

12、流不完全中間冷卻帶閃發(fā)蒸氣分離器的雙級(jí)壓縮制冷四、復(fù)疊式制冷循環(huán)圖1-16 復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷循環(huán)(a) 工作過程；(b) 理論循環(huán)的lg p-h圖第四節(jié) 跨臨界制冷循環(huán)一、CO2跨臨界制冷循環(huán)氣體冷卻器蒸發(fā)器膨脹閥壓縮機(jī)q0qkwc12341234簡(jiǎn)單單級(jí)CO2跨臨界制冷循環(huán)lgph二、CO2跨臨界循環(huán)的改善（一）蒸氣回?zé)嵫h(huán)（二）雙級(jí)壓縮回?zé)嵫h(huán)（三）用膨脹機(jī)回收膨脹功 前面所述的是蒸汽壓縮式制冷的理論循環(huán)，但實(shí)際循環(huán)和理論循環(huán)又有不少差別，表現(xiàn)在理論循環(huán)忽略了：1. 在壓縮過程中：氣體內(nèi)部及氣體與氣缸壁之間的摩擦；氣體與外部的熱交換。2. 制冷劑進(jìn)入吸氣閥和排出時(shí)經(jīng)排氣閥有節(jié)流損失；3. 制冷劑通過管道、冷凝器、蒸發(fā)器等設(shè)備時(shí)，制冷劑與管壁、器壁之間摩擦以及外部熱交換。 一、實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的主要差別一、實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的主要差別第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)蒸氣壓縮式制冷實(shí)際循環(huán)二、實(shí)際循環(huán)二、實(shí)際循環(huán) 綜上所述，由于存在摩擦、渦流等阻力，以及與外界有熱量交換，蒸汽壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)相比，實(shí)際能夠獲得的制冷量稍有減少，實(shí)際