制冷原理及裝置課堂第一章課件

1、第一章 制冷的熱力學(xué)基礎(chǔ)制冷機(jī)、熱泵、聯(lián)合機(jī)按逆向循環(huán)工作據(jù)熱力學(xué)第一定律：向高溫?zé)嵩吹姆艧崃康扔趶牡蜏責(zé)嵩吹奈鼰崃颗c所消耗的功之和。公式表示如下：制冷機(jī)：熱泵：聯(lián)合機(jī)：8/9/20221在制冷技術(shù)范圍內(nèi)，常用的人工制冷方法有：相變制冷；氣體絕熱膨脹制冷；氣體渦流制冷；熱電制冷等。8/9/20222第一節(jié) 相變制冷一、物質(zhì)的相變特性（一）液體汽化 汽化吸收汽化潛熱 實(shí)際制冷循環(huán)中，高壓液體節(jié)流壓力降低，產(chǎn)生閃發(fā)氣體，干度為x。此時(shí)1Kg制冷劑汽化所吸收的熱量為： 8/9/20223(二)固體的融化與升華融化：固體變?yōu)橐后w的過程。一般用冰融化吸收潛熱制冷。升華：固體直接變?yōu)闅怏w的過程。一般用干冰

2、升華吸收潛熱制冷。在水的三相點(diǎn)溫度下，冰可以直接升華為水蒸氣。冰升華時(shí)的溫度與相應(yīng)的壓力有關(guān)。見表1-1。圖片表11.tif8/9/202248/9/20225冰鹽混合物的融化過程可以達(dá)到0以下的溫度。冰鹽冷卻所能達(dá)到的溫度與鹽的種類及溶液的濃度有關(guān)。見表1-2。圖片表12.tif溶液冰：由共晶溶液凍結(jié)成的冰，也稱共晶冰。8/9/20226在共晶固體未完全融化成液體之前，它的溫度是不變的，稱為共晶溫度。表1-3為一些用于制冷目的的共晶溶液的物理性質(zhì)。圖片表13.tif8/9/20227二.壓焓圖 在制冷行業(yè)中用處最大，用得最多的是壓焓圖。 通常使用的壓焓圖均用壓力取對(duì)數(shù)作縱坐標(biāo)。 圖上共有六個(gè)

3、狀態(tài)參數(shù)，相應(yīng)有六簇等狀態(tài)參數(shù)曲線。分別為： 壓力 pbar； 比焓 hkj/kg； 溫度 t； 比熵 skj/kg.K； 比體積 vm3/kg；干度 x 無因次 8/9/20228第二節(jié) 絕熱膨脹制冷 氣體制冷機(jī)是利用高壓氣體的絕熱膨脹以達(dá)到低溫，并利用膨脹后的氣體在低壓下的復(fù)熱過程來制冷。 氣體膨脹制冷有三種方式： 1.高壓氣體經(jīng)膨脹機(jī)膨脹，有外功輸出，溫度降大。膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般氣體制冷機(jī)均采用。 2.氣體經(jīng)節(jié)流閥膨脹，無外功輸出，溫度降小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于進(jìn)行氣體流量的調(diào)整。 3.絕熱放氣制冷在低溫制冷機(jī)中大量使用，普冷中極少采用。8/9/20229一.有外功輸出的膨脹過程等熵膨脹

4、溫度隨微小壓力變化而變化的關(guān)系即微分等熵效應(yīng)：8/9/202210對(duì)于理想氣體：8/9/202211實(shí)際膨脹過程中，按多變過程膨脹。理想氣體的積分等熵效應(yīng)由下式確定：m多變過程的多變指數(shù)。8/9/202212二.節(jié)流膨脹過程如節(jié)流過程中氣體與環(huán)境之間無熱量交換，則節(jié)流前后焓值保持不變。節(jié)流會(huì)產(chǎn)生冷效應(yīng)、熱效應(yīng)及零效應(yīng)三種情況，利用節(jié)流的冷效應(yīng)可以制冷。節(jié)流降溫但不制冷，節(jié)流有摩擦損失。理想氣體：u和pv僅是溫度的函數(shù)，所以h也是溫度的函數(shù)。理想氣體節(jié)流時(shí)，u=0； h=0； 所以 T=0；對(duì)于實(shí)際氣體u、h不僅與T有關(guān)，還與p有關(guān)。8/9/202213節(jié)流后p降低，T可能升高、降低或不變。微分

5、節(jié)流效應(yīng)（或焦耳湯姆遜效應(yīng)）為：8/9/202214純物質(zhì)在飽和區(qū)域內(nèi)，在相同的壓降下具有相同的溫差T。 因此：8/9/202215第三節(jié) 制冷熱力學(xué)特性分析循環(huán)可分正向循環(huán)熱機(jī)，按順時(shí)針方向進(jìn)行逆向循環(huán)制冷機(jī)或熱泵，按逆時(shí)針方向進(jìn)行。循環(huán)又可分為可逆循環(huán)不可逆循環(huán)8/9/202216 內(nèi)部不可逆摩擦、擾動(dòng)等不可逆過程包括 外部不可逆溫差傳熱等8/9/202217一.熱源溫度不變時(shí)的逆向可逆循環(huán)逆卡諾循環(huán)逆向卡諾循環(huán)：當(dāng)高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟炔蛔儠r(shí)，具有兩個(gè)可逆的等溫過程和兩個(gè)可逆的絕熱過程組成的逆向循環(huán)，稱為逆向卡諾循環(huán)。在相同的溫度范圍內(nèi)，逆向卡諾循環(huán)是效率最高的制冷循環(huán)，無任何不可逆損

6、失。8/9/202218逆卡諾循環(huán)的溫熵圖如下：23過程放熱量： 面積2356241過程吸熱量： 面積145618/9/202219據(jù)熱力學(xué)第一定律：面積123418/9/202220消耗單位功所獲得的制冷量的值，稱為制冷系數(shù)。制冷系數(shù)與低溫?zé)嵩吹臏囟瘸烧?，與高低溫?zé)嵩吹臏夭畛煞幢?。?dāng)高低溫?zé)嵩吹臏囟纫欢〞r(shí)，制冷系數(shù)為定值。制冷系數(shù)與制冷劑的性質(zhì)無關(guān)。8/9/202221高低溫?zé)嵩礈囟茸兓瘜?duì)制冷系數(shù)的影響： 結(jié)論：8/9/2022228/9/202223具有傳熱溫差（外部不可逆）的逆向卡諾循環(huán)：循環(huán)的T-S圖如下：8/9/202224如 和 為可逆過程，則循環(huán)的制冷系數(shù)為：由卡諾定理得知，

7、總是小于8/9/202225熱力完善度：實(shí)際循環(huán)的制冷系數(shù)與工作于相同溫度范圍內(nèi)的逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)之比。其值恒小于1。制冷系數(shù)與熱力完善度的異同：1.兩者同為衡量制冷循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)；2.兩者定義不同。制冷系數(shù)為制冷循環(huán)總的制冷量與所消耗的總功之比。 熱力完善度為實(shí)際循環(huán)的制冷系數(shù)與工作于相同溫度范圍內(nèi)的逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)之比。8/9/2022263.兩者的作用不同。制冷系數(shù)只能用于衡量?jī)蓚€(gè)工作于相同溫度范圍內(nèi)的制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性，熱力完善度可用于衡量?jī)蓚€(gè)工作于不同溫度范圍內(nèi)的制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。4.兩者的數(shù)值不同。制冷系數(shù)一般大于1，熱力完善度恒小于1。8/9/202227二.變溫?zé)嵩?/p>

8、時(shí)的逆向可逆循環(huán)洛倫茲循環(huán)制冷機(jī)在實(shí)際工作中，被冷卻對(duì)象和環(huán)境介質(zhì)的溫度往往是隨著熱交換過程的進(jìn)行而變化的。圖1-4表示的循環(huán)即為高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩礈囟茸兓瘯r(shí)的情況。循環(huán)為a-b-c-d-a；制冷量為面積：a-d-d-a-a。8/9/202228如要用一個(gè)由兩個(gè)定溫過程和兩個(gè)絕熱過程組成的循環(huán)代替，則：制冷劑向高溫?zé)嵩吹姆胚^程為：b-g，溫度Tb；制冷劑從低溫?zé)嵩吹奈鼰徇^程為：d-1，溫度Td；8/9/202229 要獲取與循環(huán)a-b-c-d-a相同的制冷量，則需進(jìn)行循環(huán)e-f-g-d-e。循環(huán)a-b-c-d-a與循環(huán)e-f-g-d-e比較：制冷量面積 a-d-d-a-a； a-d-d-a-a

9、功耗面積 a-b-c-d-a； e-f-g-d-e8/9/202230在熱源溫度變化的條件下，由兩個(gè)和熱源之間無溫差的熱交換過程及兩個(gè)等熵過程組成的逆向可逆循環(huán)是消耗功最小的循環(huán)，即制冷系數(shù)最高的循環(huán)。熱源溫度變化時(shí)循環(huán)的熱力完善度可表示成：洛倫茲循環(huán)制冷系數(shù)的計(jì)算：可分解成無數(shù)個(gè)微元循環(huán)計(jì)算。8/9/202231見圖1-5整個(gè)循環(huán)的制冷系數(shù)可表示為：8/9/202232Tm 及TOm是熱力學(xué)意義上的平均溫度。所以洛倫茲循環(huán)的制冷系數(shù)等于一個(gè)以放熱平均溫度Tm 和以吸熱平均溫度TOm為高低溫?zé)嵩吹哪嫦蚩ㄖZ循環(huán)的制冷系數(shù)。8/9/202233三.熱能驅(qū)動(dòng)制冷循環(huán)吸收式制冷循環(huán)即為熱能驅(qū)動(dòng)的制冷循

10、環(huán)。實(shí)際上為三熱源循環(huán)。據(jù)熱力學(xué)第一定律：qk=qH+q0對(duì)于可逆制冷機(jī)，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在一個(gè)循環(huán)中熵增為零。8/9/2022348/9/202235經(jīng)濟(jì)性能是以熱力系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的。熱力系數(shù)：獲得的制冷量與消耗的熱量之比。用0表示。8/9/202236結(jié)論：通過輸入熱量制冷的可逆制冷機(jī)，其熱力系數(shù)等于工作于Ta、T0之間的逆向卡諾循環(huán)制冷機(jī)的制冷系數(shù)與工作在 TH、Ta之間的正卡諾循環(huán)的熱效率的乘積，由于后者小于1，因此： 0總是小于0。8/9/202237四.壓縮蒸汽制冷循環(huán)流程圖見圖1-7。組成的基本設(shè)備：壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流設(shè)備、蒸發(fā)器。進(jìn)行四個(gè)熱力過程。壓縮機(jī)：對(duì)工質(zhì)進(jìn)行壓縮

11、過程，消耗外功W，將工質(zhì)壓力升高；8/9/202238冷凝器：為換熱器，將來自壓縮機(jī)的高溫、高壓氣體冷卻并冷凝成液體。工質(zhì)對(duì)外放出熱量qk；節(jié)流設(shè)備：將工質(zhì)壓力由冷凝壓力降低為蒸發(fā)壓力，同時(shí)溫度降低；蒸發(fā)器：也為換熱器，經(jīng)過節(jié)流的制冷劑在其中汽化，吸收汽化潛熱完成制冷。吸熱量為q0；8/9/202239循環(huán)的制冷系數(shù)：q0單位質(zhì)量制冷量。定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量制冷劑在一次循環(huán)中從低溫?zé)嵩此盏臒崃俊?單位壓縮功（比功）。定義：壓縮機(jī)壓縮單位質(zhì)量的制冷劑所消耗的功。8/9/202240 -流經(jīng)壓縮機(jī)的制冷劑質(zhì)量流量,Kg/s； -壓縮機(jī)吸入口處的制冷劑體積流量,m3/s。qv=q0/v1 kj/m3qv-單位容積制冷量；qv定義：壓縮機(jī)每吸入單位體積制冷劑蒸汽（按吸氣狀態(tài)計(jì)的體積）所制取的冷量。它僅與制冷劑及吸氣狀態(tài)有關(guān)。8/9/202241五.熱泵循環(huán)熱泵循環(huán)與制冷循環(huán)的區(qū)別：1.兩者的目的不同。熱泵的工作目的是為了獲得高溫（制熱），也就是著眼于放熱至高溫?zé)嵩?；制冷機(jī)的工作目的是為了獲得低溫（制冷），也就是著眼于從低溫?zé)嵩次鼰帷?/9/2022422.兩者的工作溫區(qū)往往有所不同。由