制冷原理及技術(shù)(第一講).ppt

1、1,制冷原理與技術(shù),韓宗偉2,為何要學(xué)習(xí)制冷技術(shù)？,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛 上天入地的所有人工環(huán)境領(lǐng)域的冷熱源設(shè)備 行業(yè)特點(diǎn)要求 發(fā)展最快的行業(yè) 消耗能源最多的行業(yè)之一 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用最好的行業(yè) 倍受關(guān)注的行業(yè) 競(jìng)爭(zhēng)慘烈、利潤變薄的行業(yè) 發(fā)展制冷、服務(wù)經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)生產(chǎn)、造福人類,3,課程的基本要求,教學(xué)目的 掌握常規(guī)制冷系統(tǒng)及其部件的基本原理 明確制冷系統(tǒng)的調(diào)控特性及其特性分析方法 達(dá)到制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求 了解制冷行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài) 內(nèi)容簡(jiǎn)介 學(xué)習(xí)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷裝置，包括工作原理、構(gòu)造、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工作特性、運(yùn)行調(diào)節(jié)問題 學(xué)校熱能驅(qū)動(dòng)的吸收式制冷（熱泵）技術(shù) 介紹國內(nèi)外各種空調(diào)用制

2、冷機(jī)組、發(fā)展方向及其所涉及的主要技術(shù)內(nèi)容,4,參考文獻(xiàn),陳汝東. 制冷技術(shù)與應(yīng)用（第二版）.同濟(jì)大學(xué)出版社. 彥啟森，申江，石文星. 制冷技術(shù)及其應(yīng)用 .中國建筑工業(yè)出版社. 彥啟森，石文星，田長青.空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)（第四版）.中國建筑工業(yè)出版社.,5,前 言,何謂制冷技術(shù)？,6,一、制冷的含義,制冷 使自然界的某物體或某空間達(dá)到低于周圍環(huán)境溫度，并使之維持這個(gè)溫度 冷源 天然冷源：深井水、天然冰 人工冷源：利用物理、化學(xué)、生物等方法，制造的冷源 制冷技術(shù)：研究人工冷源產(chǎn)生的原理、設(shè)備、裝置的科學(xué) 制冷原理 制冷設(shè)備,7,一、人工制冷發(fā)展歷史,1834 年動(dòng)第一臺(tái)乙醚活塞制冷機(jī)問世 1844

3、年出現(xiàn)空氣制冷機(jī) 1859 年出現(xiàn)吸收式制冷機(jī) 1918 年自動(dòng)冰箱問世 1923 年發(fā)明食品快速凍結(jié) 1927 年生產(chǎn)出空調(diào)器、空氣源熱泵1930 年汽車空調(diào)出現(xiàn) 1935 年出現(xiàn)卡車自動(dòng)冷藏裝置、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)低溫試驗(yàn)裝置等。 1928 年制造出氟利昂R12，人類從采用天然制冷劑邁向采用合成制冷劑時(shí)代,8,二、制冷技術(shù)的分類,1普通制冷 120以上 應(yīng)用領(lǐng)域 空氣調(diào)節(jié) 食品貯藏 工藝?yán)鋮s,9,二、制冷技術(shù)的分類,2深度制冷： 20K-120 工業(yè)過程，化工過程 3低溫和超低溫： 20K以下 低溫超導(dǎo)，宇宙空間模擬，半導(dǎo)體激光等,10,“冷” 是怎樣制出來的?,11,三、普通制冷方法,1. 蒸氣

4、壓縮式（本課程的重點(diǎn)） 2. 吸收式（本課程的重點(diǎn)） 3. 蒸氣噴射式 4. 氣體膨脹法 4. 吸附式 5. 熱電式 6. 固體絕熱去磁,12,第1講 蒸氣壓縮式制冷循環(huán),蒸氣壓縮式制冷循環(huán)是目前制冷設(shè)備最主要的制冷方式,13,學(xué)習(xí)思路,理想循環(huán),理論循環(huán),實(shí)際循環(huán),循環(huán)的改進(jìn),亞臨界循環(huán) 跨臨界（超臨界）循環(huán),14,一、理想制冷循環(huán),1. 氣體的逆卡諾循環(huán) 理想過程的極限,Sadi Nicolas Lonard Carnot 1796-1832,15,1.逆卡諾循環(huán),16,1.氣體的逆卡諾循環(huán)：理想過程的極限,17,1.氣體的逆卡諾循環(huán)：理想過程的極限,We,T,T,S,S,18,1.氣體的

5、逆卡諾循環(huán)：,氣體的逆卡諾循環(huán)：理想過程的極限 COP (Coefficient of Performance) = 制冷系數(shù) = ec qk = q0 + Sw,制冷系數(shù)(能效比),供熱系數(shù)(性能系數(shù)),19,1.氣體的逆卡諾循環(huán)：,影響逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)的因素 與工質(zhì)無關(guān) 僅取決于工質(zhì)的工作溫度(無溫差傳熱) To Tk,20,2.勞侖茲循環(huán) (Lorenz Cycle),特點(diǎn)： 由兩個(gè)等熵絕熱過程和兩個(gè)可逆多變過程組成 為可逆過程,T,S,a,b,c,d,Tkm,DTk,DTo,sa,qo,Sw=wc-we,sc,qk,Tom,21,2.勞侖茲循環(huán) (Lorenz Cycle),從冷源（

6、被冷卻物）吸收的熱量 向熱源（冷卻劑）放出的熱量,22,2.勞倫斯循環(huán) (Lorenz Cycle),制冷系數(shù) 勞侖茲循環(huán)的制冷系數(shù)等于一個(gè)以放熱平均溫度和吸熱平均溫度為高、低溫?zé)嵩礈囟鹊牡刃婵ㄖZ循環(huán)的制冷系數(shù) 取決于被冷卻物和冷卻劑的溫度狀況，而與制冷劑性質(zhì)無關(guān),23,一、理想制冷循環(huán),問題：蒸發(fā)溫度與冷凝溫度哪個(gè)因素對(duì)制冷系數(shù)影響更大？,24,怎樣才能實(shí)現(xiàn)逆卡諾循環(huán)？,循環(huán)過程 兩個(gè)定溫過程 液體的定壓蒸發(fā)吸熱等溫過程 氣體的定壓冷凝放熱等溫過程 兩個(gè)絕熱過程 絕熱壓縮蒸氣絕熱壓縮壓縮機(jī) 絕熱膨脹蒸氣絕熱膨脹膨脹機(jī) 無溫差傳熱 換熱面積無窮大 循環(huán)周期無限長,25,一、理想制冷循環(huán),2.

7、 可能的實(shí)現(xiàn)方式,濕蒸氣作工質(zhì)，循環(huán)在兩相區(qū)，等溫過程即等壓過程,26,一、理想制冷循環(huán),為什么膨脹功相當(dāng) 于D3453的面積? h3-h4=(h3-h5)-(h4-h5) 根據(jù)能量方程，有 由于液體 v 小，vdp 可以忽略，有 h3-h5 面積35673 且 h4-h5面積45674 所以 h3-h4 D3453,5,7,6,27,二、蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán),實(shí)際采用的蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)是由兩個(gè)等壓過程、一個(gè)絕熱壓縮過程和一個(gè)絕熱節(jié)流過程組成 理論循環(huán)與理想循環(huán)（逆卡諾循環(huán)）相比，有以下3個(gè)特點(diǎn) 兩個(gè)傳熱過程均為等壓過程，并且具有傳熱溫差 用膨脹閥代替膨脹機(jī) 蒸氣的壓縮在過熱區(qū)進(jìn)行

8、，而不是在濕蒸氣區(qū)內(nèi)進(jìn)行,28,二、蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán),Low pressure side,High pressure side,29,二、蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán),Compressor,Evaporator,Condenser,Expansion valve,Increment pressure,Remove heat outdoor,Cooling air / Water,Reduce pressure,30,二、蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán) (與逆卡諾循環(huán)的區(qū)別),(1)有溫差傳熱：COP下降 例：當(dāng)環(huán)境Tk 308K (35)，T0280K (7) 時(shí) 逆卡諾循環(huán) Tk308K (3

9、5)，T0280K (7) 所以EER10 有溫差傳熱時(shí)，假定傳熱溫差為35， Tk311K (38)，T0275K (2) 所以EER8.15,31,二、蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán),32,二、蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán),(2)膨脹閥代替膨脹機(jī),33,二、蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán),(2)膨脹閥代替膨脹機(jī) 原因： 飽和液體或兩相混合物膨脹系數(shù)小，可做功有限 功回收系統(tǒng)復(fù)雜 加工困難 COP下降的原因： 膨脹閥不能回收膨脹功，且損失部分制冷能力,34,二、蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán),有摩擦的過程不可以用實(shí)線表示！,膨脹功熱量,35,二、蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán),工作流程圖,36,二蒸氣壓縮式制冷的理論循

10、環(huán),37,二、蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán),蒸氣的壓縮過程采用干壓縮代替濕壓縮 原因：防止液擊 方法： 氣液分離器 膨脹閥控制壓縮機(jī)吸氣過熱度 COP下降的原因： 干壓縮過程的過熱損失,38,蒸氣壓縮式制冷的應(yīng)用舉例,汽車空調(diào) 空調(diào)器、電冰箱 ,39,三、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的熱力計(jì)算,lgp-h圖 制冷循環(huán)在lgp-h圖上表示 利用lgp-h圖進(jìn)行熱力計(jì)算,40,lg p,h,制冷劑壓焓圖（lgp-h圖）,41,制冷劑壓焓圖（R134a）,42,制冷循環(huán)在壓焓圖上表示,43,制冷循環(huán)在壓焓圖中表示,44,三、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的熱力計(jì)算,(1) 為什么使用壓焓圖？ 能準(zhǔn)確描述制冷循環(huán)過程（設(shè)計(jì)與控

11、制） 圖上任何一點(diǎn)表示制冷劑的狀態(tài) 兩狀態(tài)點(diǎn)的焓差反映了過程中的能量變化 (2) 熱力計(jì)算的目的是什么？ 已知需要的制冷量和環(huán)境參數(shù) 計(jì)算 壓縮機(jī)的制冷劑流量、功耗、理論COP和冷凝器排熱量 目的 確定“四大件”和其它部件的容量、規(guī)格、型號(hào),45,三、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的熱力計(jì)算,(1)計(jì)算方法（壓焓圖的應(yīng)用） 壓縮機(jī)：wch2-h1 冷凝器：qkh2-h3 節(jié)流閥：h3h4 蒸發(fā)器：q0h1-h4 熱平衡：wcqk-q0,46,三、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的熱力計(jì)算,制冷循環(huán)的熱力計(jì)算是根據(jù)所確定的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、液態(tài)制冷劑的再冷度和壓縮機(jī)的吸氣溫度等已知條件，計(jì)算下列數(shù)值 ： 求解單位質(zhì)量制

12、冷能力q0和單位容積制冷能力qv=q0/v (容積指壓縮機(jī)吸氣口的v) 制冷劑質(zhì)量流量 Mr=F0 / q0和體積流量Vr 冷凝器排熱量 Mrqk 壓縮機(jī)功耗 P=MrwC 理論制冷系數(shù)th = F0 /P=q0/wC 制冷效率R th / c(或th / l),47,三、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的熱力計(jì)算,非共沸工質(zhì)在制冷循環(huán)中接近勞侖茲循環(huán),48,三、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的熱力計(jì)算,非共沸工質(zhì)在制冷循環(huán)熱力計(jì)算的步驟 1. 按照給定外部條件和相當(dāng)冷凝（或蒸發(fā)）溫度，計(jì)算需要的對(duì)數(shù)平均溫差（按照逆流方式換熱） 2. 根據(jù)相當(dāng)冷凝（或蒸發(fā)）溫度，假定冷凝壓力和蒸發(fā)壓力 3. 在lgp-h圖上繪制制冷循

13、環(huán)，查找循環(huán)上各狀態(tài)點(diǎn)的物性參數(shù) 4. 計(jì)算節(jié)流后狀態(tài)點(diǎn)的物性 5. 校核實(shí)際對(duì)數(shù)平均溫差，如果誤差小，則進(jìn)入步驟6.，否則轉(zhuǎn)向步驟2. 6. 按單質(zhì)類制冷循環(huán)熱力計(jì)算方法，計(jì)算其它冷凝負(fù)荷、耗功量、制冷系數(shù)和制冷效率等性能參數(shù),確定制冷循環(huán)的工況,49,三、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的熱力計(jì)算 （非共沸工質(zhì)的熱力計(jì)算）,4點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)的確定方法 根據(jù)等效蒸發(fā)溫度與等效冷凝溫度計(jì)算要求的蒸發(fā)器與冷凝器的對(duì)數(shù)平均溫差 用制冷劑的泡點(diǎn)與露點(diǎn)的平均值代替要求的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度進(jìn)行試算 根據(jù)計(jì)算結(jié)果校驗(yàn)試算結(jié)果，當(dāng)兩個(gè)對(duì)數(shù)平均溫差與要求值達(dá)到要求精度時(shí)，開始計(jì)算單位制冷量、單位容積制冷量、單位壓縮功、單位冷

14、凝負(fù)荷、制冷系數(shù)等,50,四、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,蒸發(fā)溫度、冷凝溫度不變時(shí)，改善制冷循環(huán)的性能參數(shù) 過冷、回?zé)?回收膨脹功 多級(jí)壓縮（雙級(jí)） 改善制冷循環(huán)的低溫性能 復(fù)疊式（外復(fù)疊、內(nèi)復(fù)疊） 改善制冷（熱泵）循環(huán)的高溫性能 跨臨界（超臨界）循環(huán),51,四、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,1制冷循環(huán)性能的改善措施 (1)冷凝器的過冷 (2)過冷方法： 增大冷凝器換熱面積（程度有限） 冷凝器后加再冷卻器,52,四、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,(2) 蒸氣回?zé)嵫h(huán),53,四、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,(1)冷凝器的過冷,q0,54,四、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,(1)冷凝器的過冷,55,四、蒸氣壓縮式

15、制冷循環(huán)的改善,(2) 蒸氣回?zé)嵫h(huán),56,四、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,(2) 蒸氣回?zé)嵫h(huán),57,四、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,(2) 蒸氣回?zé)嵫h(huán),58,四、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,(3)回收膨脹功,59,四、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,(4)多級(jí)壓縮,一級(jí)節(jié)流中間完全冷卻雙級(jí)壓縮制冷循環(huán),60,四、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,m1(h2-h5)=(m-m1)(h4 - h4+h2 - h2) m1 /m=(h4-h4+h2 - h2)/(h2-h5+h4-h4) q0= (m-m1)(h1-h5),高壓級(jí)流量: m 旁通流量: m1 流量比:m1/ m 低壓級(jí)流量: m- m1,61,四

16、、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,一級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻雙級(jí)壓縮制冷循環(huán),62,四、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,二級(jí)節(jié)流中間完全冷卻雙級(jí)壓縮制冷循環(huán),經(jīng)濟(jì)器 Economizer,63,四、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,64,四、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,(5)復(fù)疊式制冷循環(huán) 與多級(jí)壓縮循環(huán)相比，可以獲得更低的低溫 兩套獨(dú)立制冷循環(huán) 高溫級(jí)制冷循環(huán) 低溫級(jí)制冷循環(huán) 冷凝蒸發(fā)器 根據(jù)目標(biāo)低溫要求，合理選擇工質(zhì)對(duì),65,四、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,復(fù)疊式制冷循環(huán),TkH,T0H,66,四、蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善 內(nèi)復(fù)疊式（自然復(fù)疊）制冷循環(huán),自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)采用混合工質(zhì)，通過單臺(tái)壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)了多級(jí)復(fù)疊，可以

17、制取-60 以下的低溫，極大地簡(jiǎn)化了制冷系統(tǒng) 一臺(tái)壓縮機(jī) 多元非共沸工質(zhì)對(duì) 具有比較大的工作溫區(qū)，無論是在普冷領(lǐng)域還是在低溫電子、低溫醫(yī)學(xué)、冷凍干燥、氣體液化等低溫領(lǐng)域，都具有比較大的實(shí)用價(jià)值,67,五、跨臨界蒸氣壓縮式制冷循環(huán),對(duì)于高溫與中溫制冷劑，在普通制冷范圍內(nèi)，由于制冷循環(huán)的冷凝壓力遠(yuǎn)離制冷劑的臨界壓力，故稱之為亞臨界循環(huán) 亞臨界循環(huán)是目前制冷、空調(diào)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的循環(huán)形式 一些低溫制冷劑在普通制冷范圍內(nèi)，利用冷卻水或室外空氣作為冷卻介質(zhì)時(shí)，壓縮機(jī)的排氣壓力位于制冷劑臨界壓力之上，而蒸發(fā)壓力位于臨界壓力之下，故將此類循環(huán)稱為跨臨界循環(huán)（Transcritical Cycle）或超臨界循環(huán)

18、（Supercritical Cycle），CO2（R744）就是這種制冷劑之一,68,五、跨臨界蒸氣壓縮式制冷循環(huán),CO2跨臨界制冷循環(huán),(a)循環(huán)原理圖 (b)壓焓圖,69,五、跨臨界蒸氣壓縮式制冷循環(huán),跨臨界制冷循環(huán)的熱力計(jì)算 方法：與亞臨界循環(huán)完全相同 特點(diǎn)： 在常規(guī)亞臨界制冷循環(huán)中，冷凝器出口的制冷劑焓值只是溫度的函數(shù) 在跨臨界循環(huán)中，溫度和壓力共同影響著氣體冷卻器出口制冷劑的焓值 當(dāng)其它條件不變時(shí)，制冷系數(shù)th先逐漸升高再逐漸下降，在某一p2時(shí)出現(xiàn)最大值thm，對(duì)應(yīng)于thm的壓力稱之為最優(yōu)高壓側(cè)壓力p2opt 當(dāng)其它條件不變時(shí)，循環(huán)的理論性能系數(shù)th隨T3的增加而迅速下降,70,五

19、、跨臨界蒸氣壓縮式制冷循環(huán),CO2跨臨界制冷循環(huán)的改善 （1）蒸氣回?zé)嵫h(huán),(a)循環(huán)原理圖 (b)壓焓圖,71,五、跨臨界蒸氣壓縮式制冷循環(huán),CO2跨臨界制冷循環(huán)的改善 （2）雙級(jí)壓縮回?zé)嵫h(huán),(a)循環(huán)原理圖 (b)壓焓圖,72,五、跨臨界蒸氣壓縮式制冷循環(huán),CO2跨臨界制冷循環(huán)的改善 （3）用膨脹機(jī)回收膨脹功,(a)循環(huán)原理圖 (b)壓焓圖,73,五、跨臨界蒸氣壓縮式制冷循環(huán),CO2跨臨界制冷循環(huán)的改善 上述循環(huán)的比較 1.簡(jiǎn)單單級(jí)壓縮循環(huán) 2.單級(jí)壓縮回?zé)嵫h(huán) 3.雙級(jí)壓縮回?zé)嵫h(huán) 4.用膨脹機(jī)的單級(jí)壓縮循環(huán) 各種方式的綜合利用,74,六、蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán),實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的

20、區(qū)別 無論是亞臨界還是跨臨界制冷，其實(shí)際過程存在功熱損失 壓縮機(jī)內(nèi)摩擦和傳熱 壓縮機(jī)進(jìn)、排氣閥節(jié)流損失 部件、管道摩擦損失和傳熱 過熱度、過冷度,75,六、蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán),1.實(shí)際循環(huán)分析,76,六、蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán),蒸發(fā)器內(nèi)壓力損失,管道摩擦、吸熱,77,六、蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán),蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)lgP-h圖,78,六、蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán),各種損失引起壓縮機(jī)輸氣量的減少可用容積效率v來表示，容積效率v的定義為壓縮機(jī)實(shí)際輸氣量VR與理論輸氣量Vb之比 制冷量減少,79,六、蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán),指示功率Pi 增大 軸功率 Pe增大（存在摩擦功） 需考慮壓縮機(jī)與電動(dòng)機(jī)的聯(lián)接方式（傳動(dòng)效率d ）,80,六、蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán),2. 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià) 制冷循環(huán)的實(shí)際制冷系數(shù)s （又稱為性能系數(shù)，用COP表示 ） 對(duì)于封閉式壓縮機(jī)構(gòu)成的制冷循環(huán)系統(tǒng)，因驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)置于壓縮機(jī)，故需要考慮電動(dòng)機(jī)效率e（以能效比EER來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能）,81,六、蒸氣壓