冷热源工程课件.ppt

第一章 制冷基本知识冷热源工程 一、制冷发展简史我国早在三千年前的周朝就有了用冰的 历史据《艺文志》记载：“大秦国有五宫殿 ，以水晶位柱拱，称水晶宫，内实以冰，遇 夏开放”这是我国最早的空调房间希腊人和罗马人早已知道建造地下雪窖 ，储藏压实的雪印度人、埃及人把水放在 浅的多孔陶器内，夜间放于地下洞穴中，利 用水蒸发冷却空气 1.1 理想制冷循环—逆卡诺循环 1.1.1 概 述1834年美国人波尔金斯（Perkins） 制成第一台用乙醚为工质的制冷机；1844年美国医生高里（Gorrie）用 封闭循环的空气制冷机为发烧病人建立 了一座空调站威廉·西门斯（William Siemens）在空气制冷机中确立了回热器 原理1860年法国人卡列（Carre）发明 了氨水吸收式制冷系统；到1874年林德（Linde）设计成功氨 制冷机，被公认为制冷机的始祖，这些都 对制冷技术的发展起了重大作用； 1913年美国工程师拉森（Lnvsen） 制造出世界上第一台手操纵家用电冰箱；1918年美国开尔文纳特（Kelvinator ）公司首次在市场上推出自动电冰箱； 1926年美国通用（G.E.）公司经过 11年的试验，研制成功了世界上第一台全 封闭式制冷系统的自动电冰箱，1927年 家用吸收式冰箱问世。

目前全国生产制冷设备的厂家有近 100家，生产空调设备的厂家有近200家 自1989年来工业产值平均年增长20% 左右目前我国制冷空调行业产值约占全球 总量的12%以上，成为继美国、日本之后 的第三大制冷空调生产国我国电冰箱、家用空调器产量已居世 界第一位，分别占到世界总产量的30%和 16%溴化锂吸收式制冷机产量居世界第 二位我国在产品质量、技术水平上均 有很大提高，与国外先进水平的差距日 益缩小，有的产品已达到世界同类产品 的先进水平二十多年来中国制冷空调行业取得 了长足的进步，但在全球经济一体化的 背景下，面对加入WTO的挑战和竞争， 前进的道路上还有很多困难制冷空调行业要同心协力，加强联 合，调整产品结构，注重科研技术开发 ，创造中国的国际名牌产品，逐步形成 规模经济，增强国际竞争力，使中国真 正成为制冷空调强国 二、制冷的方法及分类分为物理方法和化学方法绝大多数 的方法是物理方法目前广泛应用的制 冷方法有以下几种：1、相变制冷液体转变为气体、固体转变为液体、 固体转变为气体都要吸收潜热，可以利 用这个现象来实现制冷1）融化制冷 图1-1 利用冰融化制冷（2）气化制冷 图1-2 利用 液体气化 的制冷装 置（3）升华制冷 利用固体升华的吸热效应来实现制 冷的方法。

例如干冰（固体CO2 ）在1标 准大气压下升华要吸收573.6kJ/kg的升 华潜热，升华时的温度维持在-78.9℃ 目前干冰制冷常被用在人工降雨和医疗 中2、气体绝热膨胀制冷一定状态的气体通过节流阀或膨胀 机绝热膨胀时，它的温度降低，从而达 到制冷的目的气体绝热节流是通过节 流阀来实现的气体经过阀门时，流速 大、时间短，来不及与外界进行热交换 ，可以近似地看成绝热过程根据稳定 流动能量方程，气体绝热节流后焓值不 变 对于实际气体，焓值是温度、压 力的函数，节流后的温度将发生变化 这一现象称焦耳-汤姆逊效应有些 气体，如空气、氧、氮、二氧化碳， 在常温下节流后温度下降，可以用来 制冷气体绝热节流膨胀常用于气体 液化、气体分离 3、温差电制冷图1-3 温差电制冷利用物理现象的制冷方法很多，还 有绝热放气制冷、涡流管制冷、绝热退 磁制冷、氦稀释制冷等 制冷技术的分类：1、普通制冷（普冷）：低于环境温 度至-100℃（173K）冷库制冷技术 和空调用制冷技术属于这一类2、深度制冷（深冷）：-100℃（ 173K）至-200℃（73K）空气分离 的工艺用制冷技术属于这一类3、低温制冷（低温）：-200℃（ 73K）至-268.95℃（4.2K）。

4.2K是 液氦的沸点4、极低温制冷（极低温）：低于 4.2K1.1.2 有温差传热的逆卡诺循环根据热力学第二定律，热量不会自发地从 低温环境传向高温环境要实现这种逆向传热 过程，必须要伴随一个补偿过程使整个孤立系 统的熵增等于或大于零蒸气压缩式制冷就是 以消耗机械能作为补偿条件，借助制冷工质的 状态变化将热量从温度较低的环境（通常是空 调房间、冷库等）不断地传给温度较高的环境 (通常是自然界的水或空气）中去逆卡诺循 环由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组 成，循环沿逆时针方向进行，该循环过程的示 意图和T-s图如图1-4所示 图1-4 逆卡诺循环（a）工作流程；（b）理想循环在制冷循环中，制冷剂从被冷却物 体中吸取的热量（即制冷量）与所消耗 的机械功之比称为制冷系数，用 表示 它是评价制冷循环经济性的指标之一 在逆卡诺循环中：（1-1） 此外，逆卡诺循环也可用来获得供 热效果，例如冬季将大气环境作为低温 热源，将供热房间作为高温热源进行供 热这样工作的装置称为热泵，也就是 向泵那样把低位热源的热能转移至高位 热源 (1-2) 1.1.3 有温差传热的逆卡诺循环实际上，制冷剂在吸热过程中 ，它的温度总是低于被冷却物体的 温度；在放热过程中，它的温度总 是高于环境介质温度。

具有恒定传 热温差的逆卡诺循环的T-s图如图1 -5所示 图1-5 具有温差传热的逆卡诺循环有温差传热时，循环所消耗的功 比无温差传热时多消耗功 因此有温差传热时的制冷系数小于 无温差传热时的制冷系数，即由此可见，无温差传热的逆卡诺循 环是具有恒温热源时的理想循环，在给 定的相同温度条件下，它具有最大的制 冷系数实际的逆向循环具有外部和内部的 不可逆损失，其不可逆程度用热力完善 度来衡量 （1-3） 值越接近于1，说明实际 循环越接 近可逆循环，不可逆循环损 失越小，经 济性越好只有采用加以比较才是有意义的 例1.1，1.21.1.4 具有变温热源的理想制冷循环— 劳伦兹循环在制冷循环实际工作时，有时会遇 到热源的温度是变化的例如，利用 窗式空调器向房间供冷时，随着时间 的延续，房间温度会降低考察如图1- 6所示的劳伦兹循环 为了达到变温条件下耗功最小的目的， 制冷剂的循环过程应为12341，让制冷剂在 吸、放热过程中其温度也发生相应的变化， 做到制冷剂与热源之间的热交换过程为无温 差传热，不存在不可逆换热损失1-2和3-4 过程仍分别为可逆绝热压缩和可逆绝热膨胀 过程这样，1-2-3-4循环为一个变温条件下 的可逆逆向循环—劳伦兹循环。

实现这一循 环所消耗的功为最小，制冷系数达到给定条 件下的最大值随着非共沸混合制冷剂的应用逐渐 增多，可以寻找到某些非共沸混合制冷 剂，使循环过程中制冷剂与热源之间的 换热温差比单一制冷剂循环更小，因而 可以提高循环的热力完善度1.2 蒸气压缩式制冷的理论循环1.2.1 蒸气压缩式制冷的理论循环工程上采用最多的是蒸气压缩式制冷 循环液态制冷剂由饱和液体气化成蒸 气时要吸收热量（潜热）气化时的压 力不同，其液体的饱和温度（沸点）不 同，气化潜热的数值也不同 蒸气压缩式制冷系统均由节流机构 （如节流阀、膨胀阀、毛细管等）代替 膨胀机 若压缩机吸入的是湿蒸气，在压缩 过程中必然产生湿压缩湿压缩会引起 种种不良后果，严重时甚至毁坏压缩机 ，在实际运行中应严禁发生 1.2.2 蒸气压缩式制冷循环在压焓 图和温熵图上的表示1、压焓图2、制冷循环在温熵图和压焓图上的表示 最简单的蒸气压缩式制冷循环是指离 开蒸发器和进入压缩机的制冷工质为蒸 发压力下的饱和蒸气；离开冷凝器和进 入节流阀的液体是冷凝压力下的饱和液 体；压缩机的压缩过程为等熵压缩；制 冷工质的冷凝温度等于冷却介质的温度 ；制冷工质的蒸发温度等于被冷却物体 的温度；系统管路中无任何损失，压力 降仅在节流膨胀过程中产生。

1.2.3 蒸气压缩式制冷理论循环的 热力计算热力计算的主要内容有：单位质量 制冷量、单位容积制冷量、单位功、 冷凝器单位热负荷、制冷系数、热力 完善度等 1、单位质量制冷量它表示每kg制冷剂在蒸发器内完成 一次循环所制取的制冷量，等于制冷 剂进出蒸发器时的焓差kJ/kg) (1- 4 )(kJ/kg) (1- 5 )2、单位容积制冷量它表示压缩机每吸入1m3制冷剂蒸 气（按吸气状态计）所制取的冷量kJ/m3) (1-6) 3、制冷装置中制冷剂的质量流量 和体积流量(kg/s) (1-7) (m3/s) (1-8) 4、单位功压缩机压缩并输送1kg制冷剂所消 耗的功，称为单位功，用 表示 (kJ/kg) (1-9) (kJ/kg) (1-10) 冷凝器的热负荷：(kW) (1-11)5、冷凝器单位热负荷它表示1kg制冷剂在冷凝器中放给冷 却介质的热量，它可用制冷剂进出冷凝 器时的焓差表示6、制冷系数它表示制冷循环的单位制冷量与单 位功之比 1-12) 7、热力完善度图（1-9）表示的理论循环仍是一 个不可逆循环，它在制冷剂的冷却(2- 3)过程及节流过程中仍存在不可逆损 失，其不可逆程度用热力完善度表示 。

1-13) 例1.31.3 蒸气压缩式制冷的实际循环在前面的循环分析中作了一些假定 ，构成了蒸气压缩的“理论循环”事实 上，它与实际循环之间存在着许多差别 例如，理论循环没有考虑制冷剂液体 过冷和蒸气过热的影响；压缩机中的实 际压缩过程并非等熵过程；冷凝和蒸发 过程中存在着传热温差等下面分别予 以分析和讨论1.3.1 液体过冷制冷剂节流后湿蒸气干度的大小直接 影响到单位质量制冷量的大小在冷凝 压力一定的情况下，若能进一步降低节 流前液体的温度，使其低于冷凝温度而 处于过冷液体状态，则可减少节流后产 生的闪发蒸气量，提高单位质量制冷量 由图（1-11）可看出：（1-15） 此式说明过冷循环增加的制冷量等 于液态制冷剂放出的热量过冷度越大，单位质量制冷量也越 大，而循环的压缩功并未增加，故液体 过冷的制冷循环的制冷系数提高了但 必须增加工程初投资和设备运行费用1.3.2 蒸气过热及回热循环在制冷循环中，压缩机吸入蒸气处 于过热状态，如图（1-12）在相同压力下，蒸气过热后的温度与 饱和温度之差称为过热度由图可知，蒸气过热循环在单位质量 制冷量相同情况下会使单位压缩功增加， 从而导致冷凝器的单位负荷增加，进入压 缩机蒸气的比容增大，单位容积制冷量减 少，制冷装置的制冷能力和制冷系数都将 降低。

分析说明，吸入蒸气在管道内过热是 不利的，称为有害过热应当指出，有时蒸气在蒸发器内已经 过热，此时这部分热量就应计入单位制冷 量内，不属于有害过热，这一点在热力计 算时应特别注意利用气-液热交换器（又称回热器） 使节流前的常温液态工质与蒸发器出来的 低温蒸气进行热交换，这样不仅可以增加 节流前的液体过冷度提高单位质量制冷量 ，而且可以减少甚至消除吸气管道中的有 害过热这种循环称为回热循环，如图1.13 在无冷量损失的情况下液体放出的热 量应等于蒸气所吸收的热量，即为回热 器的单位热负荷： （1-16） 或者（1-16） 回热循环的单位制冷量和单位压缩 功都比理论循环增大，因而不能直接判 断制冷系数是否提高小型氟里昂空调装置一般不单独设 回热器，而是将高压液体管与低压回气 管包扎在一起，以起到回热的效果1.3.3 热交换及压力损失对循环性能的影响1、吸入管道吸入管道中的热交换和压力降直接影 响到压缩机的吸入状态压力降使得吸气 比容增大、单位容积制冷量减少、压缩机 的实际输气量降低、压缩功增大、制冷系 数下降2、排气管道压缩机的排气温度均高于环境温度 ，向环境空气传热能减少冷凝器热负荷 管道中的压力降增加了压缩机的排气 压力及功耗，使得实际输气量降低、制 冷系数下降。

3、冷凝器到膨胀阀之间的液体管道。