专业认识实习(制冷与空调概论)

2018/11/2,1,制冷与空调概论,专业认识实习,2018/11/2,2,一、制冷与空调的范畴,制冷(refrigeration)：从低于环境温度的空间或物体中吸取热量， 并将其转移给环境介质的过程。,制冷几乎包括了从室温到0K附近的整个热力学温度范围。根据低温的要求，通常把制冷范围分为三个区间，即,普通制冷范围（普冷, 高温制冷)：,低于环境温度-120（153K）；,深度制冷范围（深冷,中温制冷)：,-120-253（15320K）；,低温制冷范围（低温,低温制冷)：,-253-273（200K）。,2018/11/2,3,空调(air-condition)：即空气调节，包括供暖、制冷、 增减空气的湿度、调节空气质量等。,制冷与空调是相互联系的两个领域，各有其范畴。,2018/11/2,4,二、主要应用（main application）,1.环境空调：建筑空调、工业空调等；,2018/11/2,5,2.运输机械制冷空调：车辆空调、航空空调、运输冷藏冷冻等；,2018/11/2,6,4.工业制冷：工业加工应用等； 5.医用制冷：低温治疗、低温保存等； 6.深低温制冷：深低温加工、特殊环境等； 7.热泵：供暖、制冷、干燥等。,3.食品冷藏冷冻：保鲜、冷冻、冷藏等；,2018/11/2,7,制冷方法归纳起来主要有三种：,（1）相变制冷（液体蒸发制冷、固体升华制冷、 溶解吸热制冷）。,（2）气体膨胀制冷,（3）热电效应制冷,另外，还有绝热去磁制冷、热声制冷、气体涡流制冷 和激光制冷等。 这其中以液体蒸发制冷形式应用最广泛。,三、制冷方法概述(methods of refrigeration),制冷技术经历了由古代天然用冷人工制冷,现代的制冷技术，是18世纪后期发展起来的。,2018/11/2,8,1、液体蒸发制冷（Evaporation of liquid refrigeration）,液体蒸发制冷是利用制冷剂的蒸发、汽化来达到制冷目的的。,液体蒸发制冷,蒸汽压缩式制冷 吸收式制冷,机械式 喷射式,单机压缩 多级压缩 复叠式,1755年爱丁堡的化学教师库仑利用乙醚蒸发使水结冰。他的学生布拉克从本质上解释了融化和气化现象，提出了潜热的概念，并发明了冰量热器，标志着现代制冷技术的开始。 1834年发明家波尔金斯造出了第一台以乙醚为工质的蒸气压缩式制冷机，这是后来所有蒸气压缩式制冷机的雏型，也标志着人工制冷的开始。 1859年，卡列发明了氨水吸收式制冷系统，申请了原理专利。 1875年卡利和林德用氨作制冷剂，从此蒸气压缩式制冷机开始占有统治地位。,2018/11/2,9,（1）机械式压缩制冷(mechanical compression refrigeration),机械式压缩制冷装置有压缩机，以消耗机械功为代价实现制冷，又可分为单级压缩、多级压缩和复叠式。,2018/11/2,10,2018/11/2,11,（2）蒸汽喷射式压缩制冷 （steam jet compression refrigeration）,1910年左右，马利斯·莱兰克发明了蒸气喷射式制冷系统。,2018/11/2,12,（3） 吸收式制冷（absorption refrigeration）,2018/11/2,13,溴化锂吸收式制冷系统（LiBr absorption refrigeration）,2018/11/2,14,蒸汽单效溴化锂吸收式制冷系统 （steam single-effect LiBr absorption refrigeration）,2018/11/2,15,双效溴化锂吸收式制冷系统 （double-effect LiBr absorption refrigeration）,直燃型溴化锂吸收式制冷系统 （direct-fired LiBr absorption refrigeration）,2018/11/2,16,2. 气体膨胀制冷（空气压缩制冷）,气体膨胀制冷是利用气体的状态变化，实现逆向循环来制冷。 它属于显热形式制冷，因此效率较低； 由于气体比热较小，比容大，所以气缸容积必须很大、机体体 积大、制冷量低；,理论上讲，若充分膨胀可便于实现低温制冷； 采用回热的气体制冷机低温制冷时的热力学性能要好于其它制冷系统。,1844年，医生高里用封闭循环的空气制冷机为患者建立了一座空调站，空气制冷机使他一举成名。,2018/11/2,17,若要获得较低的温度，则装置的增压比较大，使压缩机、膨胀机负荷重，为此，低温时常采用回热，如下图。,威廉·西门斯在空气制冷机中引入了回热器，提高了制冷机的性能。,2018/11/2,18,10、气体绝热节流制冷循环,11、冰式制冷； 12、固体二氧化碳干冰式制冷（即固体升华制冷）；,6. 固体吸附制冷,5. 绝热放气制冷,7. 电化学制冷,8. 磁制冷,9、热声制冷,4. 热电制冷(温差电制冷、半导体制冷、电子制冷),3. 气体涡流制冷（1933年法国工程师兰克提出）,2018/11/2,19,现代的制冷技术，是18世纪后期发展起来的。 1755年爱丁堡的化学教师库仑利用乙醚蒸发使水结冰。他的学生布拉克从本质上解释了融化和气化现象，提出了潜热的概念，并发明了冰量热器，标志着现代制冷技术的开始。 1834年发明家波尔金斯造出了第一台以乙醚为工质的蒸气压缩式制冷机，这是后来所有蒸气压缩式制冷机的雏型，也标志着人工制冷的开始。 1844年，医生高里用封闭循环的空气制冷机为患者建立了一座空调站，空气制冷机使他一举成名。威廉·西门斯在空气制冷机中引入了回热器，提高了制冷机的性能。 1859年，卡列发明了氨水吸收式制冷系统，申请了原理专利。 1875年卡利和林德用氨作制冷剂，从此蒸气压缩式制冷机开始占有统治地位。,四、现代制冷技术的发展,古代天然用冷人工制冷,2018/11/2,20,1877年卡里捷液化了氧气（O2:Tc=154.6K） ； 1895年林德液化了空气(N2 : Tc=126.2K） ，建立了空气分离器； 1892年杜瓦发明的杜瓦瓶，用于贮存低温液体，为低温领域的研究提供了重要条件。 1898年杜瓦用液态空气预冷氢气，然后用绝热节流使氢气成为液体(H2 : Tc=33.2K)，温度降至20.4K； 1908年卡末林·昂纳斯用液态空气和液态氢预冷氦气，再用绝热节流将氦液化（He: Tc=5.19K) ，获得4.2K的低温。 1910年左右，马利斯·莱兰克发明了蒸气喷射式制冷系统。 到20世纪，制冷技术有了更大发展。全封闭制冷压缩机的研制成功（美国通用电器公司）；米里杰发现氟里昂制冷剂并用于蒸气压缩式制冷循环以及混合制冷剂的应用；伯宁顿发明回热式除湿器循环以及热泵的出现，均推动了制冷技术的发展。,2018/11/2,21,1926年和1927年德拜和焦克分别提出了用顺磁盐绝热退磁的方法获取低温； 1934年，卡皮查发明了先用膨胀机将氦气降温，再用绝热节流使其液化的氦液化器； 1947年柯林斯采用双膨胀机于氦的预冷。大部分的氦液化器现已采用膨胀机，在制冷技术的开发和实际使用中获得广泛的应用。 新的降低温度方法的发明，扩大了低温的范围，并进入了超低温领域。由库提和西蒙等提出的核子绝热去磁的方法可将温度降至更低，1956年库提用此法于获得了20×103 K。1951年伦敦提出并于1965年研制出的3He-4He混合液稀释制冷法，可达到4×103 K；1960年泡墨朗切克提出利用压缩液态3He的绝热固化的方法，达到1×103 K。,2018/11/2,22,随着人们对食品、舒适和健康方面，以及在空间技术、国防建设和科学实验方面的需要，使制冷技术在20世纪的后半期得到飞速发展。受微电子、计算机、新型原材料和其它相关工业领域的技术进步的渗透和促进，制冷技术取得了一些突破性的进展，同时也面临一场新的挑战。突破性的进展在于：,（1）微电子和计算机技术的应用,（2）新材料在制冷产品上的应用,（3）机器、设备的发展,（4）工质,2018/11/2,23,（2）新材料在制冷产品上的应用,聚合材料（工程塑料、合成橡胶和复合材料）用于制冷产品中作为电绝缘材料、减振件和软管材料；利用聚合材料的热塑性，以新工艺通过热定型的方法制造压缩机中的复杂零件（转子、阀片等）。,新材料的应用，带来产品性能、寿命的提高和成本的降低。,陶瓷及陶瓷复合物（如熔融石英、稳定氧化锆、硼化钛、氧化硅等）具有一系列优良性质：比钢轻、强度和韧性好、耐磨、导热系数小、表面光洁度高。将陶瓷用烧结法渗入溶胶体制成零件或用作零件的表面涂釉，可改善零件的性能。,2018/11/2,24,（3）机器、设备的发展,压缩机以高效、可靠、低振动、低噪声、结构简单、成本低为追求目标，由往复式向回转式发展。 将变频器用于制冷系统的变速驱动，带来了节能效果。 生产开发的产品和设备在温度、制冷量、启动速度、可靠性、能耗、体积等方面均有长足的进步。辐射制冷、固态制冷已经实际应用。 利用3He-4He混合稀释制冷原理的低温制冷机已经商品化，可作为磁制冷机的预冷设备。 各种气体分离设备，热交换器，低温恒温器也在高效、紧凑、可靠等方面取得很大的进展。,2018/11/2,25,（4）工质,氟里昂是饱和碳氢化合物中全部或部分被卤族元素（Cl、F、Br）代替后衍生物的总称。 R12为首批限用制冷剂，R22为第二批限制使用的，R134a也具有一定的温室效应，也是暂时替代物。,HFC134a温室效应指数GWP是CO2的300倍,为1300，也已列入“京都协议”规定限制发展的工质范畴。欧盟已经决定2011年以后投产的新车禁止使用HFC134a制冷剂，2017年将全部淘汰GWP数值大于150的制冷剂.,目前替代制冷工质主要向两个方向发展： 混合工质和自然工质（氨、二氧化碳、碳氢化合物等） 其他制冷方法也在进一步研发使用。,2018/11/2,26,五、 制冷机组,制冷系统机组化是现代制冷装置的发展方向。 制冷机组就是将制冷系统中的全部或部分设备直接在工厂组装成一个整体，为用户提供所需要的冷量和用冷温度。 制冷机组不但结构紧凑、使用灵活、管理方便，而且质量可靠、安装简便、能缩短施工周期、加快施工进度，深受设计人员和用户欢迎。 目前常用的制冷机组有压缩机-冷凝器机组，压缩式冷水和冷、热水机组，以及各种形式的空调和低温机组。 目前，我国制造的活塞式、螺杆式、离心式冷水机组，其中的冷凝器均采用水冷式（最近已有少量风冷式）。随着用水紧张，世界各国的大型冷水机组正在向空冷式发展。采用空冷，不仅节省用水，而且可以免装水冷却塔和水泵及水管路系统，现场安装简便、维护保养更容易。,2018/11/2,27,1. 螺杆式冷水机组,螺杆式冷水机组是由螺杆式制冷压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、蒸发器、油处理设备以及自控元件和仪表等组成的冷水机组。,2018/11/2,28,2018/11/2,29,2018/11/2,30,由于螺杆式制冷压缩机运行平稳、机组安装时可以不装地脚螺栓，可以直接放置在具有足够强度的水平地面或楼板上。 机组在出厂前已通过各种实验，在现场安装后，如无意外情况，只要加足润滑油、抽真空，然后就可按说明书要求充加制冷剂进行调试。 螺杆式冷水机组结构紧凑、运行平稳，冷量能进行无级调节，节能，易损件少，它的使用范围正日益扩大。 目前，国产螺杆式冷水机组的制冷剂为R22，空调工况冷量范围在1201200kW之间。,2018/11/2,31,2. 离心式冷水机组,离心式冷水机组是由离心式制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构和调节机构以及各种控制仪表组成的整体机组。 离心式冷水机组的空调工况制冷量通常在580kW以上，单机容量较大，目前，世界上最大的离心冷水机组的制冷量可达35000kW。,2018/11/2,32,3. 空调机组,冷水机组提供的低温冷冻水（载冷剂）必须通过表面式空气冷却器、风机盘管机组或空气处理室才能使空气进行温湿度调节。 空调机组实际上是一个小型空调系统，它通过机组内的制冷装置和风机，以及加湿器 和加热器，可以直接处理空气的温湿度，因此使用和安装方便，目前，在中、小型空调范围内几乎全部采用各类空调机组。,