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制冷原理培訓(xùn) 2008 03 目錄 一 熱工基礎(chǔ) 二 蒸汽壓縮式制冷 三 制冷工質(zhì) 1 1氣體的熱力性質(zhì) 1 1 1氣體狀態(tài)參數(shù) 在制冷與熱泵中 大都是利用氣體的熱力參數(shù)變化進(jìn)行工作的 用到的主要熱力參數(shù)與方程有 氣體狀態(tài)方程 熵 焓 氣體狀態(tài)變化的過程方程 以及狀態(tài)變化的外功 相變時(shí)的潛熱 氣體與液休的導(dǎo)熱系數(shù) 粘性等 一 熱工基礎(chǔ) 氣體的狀態(tài)參數(shù) 壓力p 溫度T 比體積 與氣體狀態(tài)有關(guān)的另三個(gè)參數(shù) 比內(nèi)能u 比熵s 比焓h 質(zhì)量定壓比熱j kg k 比焓 單位工質(zhì)流動(dòng)過程具有的內(nèi)能和流動(dòng)功 在熱力設(shè)備中 工質(zhì)總是不斷地從一處流到另一處 隨著工質(zhì)流動(dòng)而轉(zhuǎn)移的能量不等于熱力學(xué)能而等于焓 故在熱力工程計(jì)算中焓具有更廣泛的應(yīng)用 比熵 單位工質(zhì)在恒溫下吸熱量與溫度之比 是判別實(shí)際過程的方向 提供過程能否實(shí)現(xiàn) 是否可逆的判據(jù) 1 1 1氣體狀態(tài)參數(shù) 1 1 2氣體狀態(tài)方程 理想氣體狀態(tài)方程 實(shí)際氣體狀態(tài)方程 式中R 氣體常數(shù) z 壓縮性系數(shù) a T b修正系數(shù) 制冷中常用實(shí)際氣體狀態(tài)方程P R Peng Robinson 方程 1 1氣體的熱力性質(zhì) 1 1 3氣體狀態(tài)變化過程方程 過程方程 1 1氣體的熱力性質(zhì) 氣體狀態(tài)的變化 主要表現(xiàn)為壓力和溫度的變化 而壓力的變化是由比體積的變化得來的 壓縮式循環(huán)中 或者是由溫度變化得來的 在吸收式循環(huán)中 絕熱過程 指數(shù)n k 稱為絕熱過程指數(shù) 等溫過程 n 1 多變過程 介于兩者間有熱量交換的過程 1 n k 氣體狀態(tài)過程的變化需加入熱量或外功 壓縮過程 也可釋放熱量或?qū)ν庾鞴?膨脹過程 理想氣體外功 定容加熱過程 1 2熱力學(xué)第一定律 自然界中的一切物質(zhì)都具有能量 能量不可能被創(chuàng)造 也不可能被消滅 但能量可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài) 且在能量的轉(zhuǎn)化過程中能量的總量保持不變 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界的基本規(guī)律之一 確定了熱力過程中熱力系與外界進(jìn)行能量交換時(shí) 各種形態(tài)能量數(shù)量上的守恒關(guān)系 1 2熱力學(xué)第一定律 1 2 1能量傳遞方式 做功 如工質(zhì)膨脹推動(dòng)活塞做功 做功的結(jié)果是工質(zhì)把熱力學(xué)能傳遞給活塞和飛輪 成為動(dòng)能 此時(shí)熱力學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 反之亦然 功的形式 與系統(tǒng)界面宏觀移動(dòng)有關(guān)的功 如壓縮功 膨脹功 工質(zhì)在開口系統(tǒng)中流動(dòng)而傳遞的功 推動(dòng)功 1 2熱力學(xué)第一定律 1 2 1能量傳遞方式 推動(dòng)功定義 進(jìn)入氣缸質(zhì)量為m的工質(zhì)作用在面積為A的活塞上的力為PA 推動(dòng)活塞所做的功為 推動(dòng)功只有在工質(zhì)移動(dòng)位置時(shí)才起作用 進(jìn)入系統(tǒng)的能量 離開系統(tǒng)的能量 系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的增加 1 2熱力學(xué)第一定律 1 2 2熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式 任何系統(tǒng) 任何過程均可據(jù)此原則建立能量平衡式 工質(zhì)流經(jīng)壓縮機(jī)時(shí) 機(jī)器對(duì)工質(zhì)做功wc 使工質(zhì)升壓 工質(zhì)對(duì)外放熱q 動(dòng)能和位能差可忽略不計(jì) 則有 例1 壓縮機(jī)能量平衡 1 2熱力學(xué)第一定律 1 2 3能量方程式的應(yīng)用 q 0時(shí) 為絕熱過程 工質(zhì)流經(jīng)換熱器時(shí) 和外界有熱量交換而無功的交換 動(dòng)能和位能差可忽略不計(jì) 則有 例2 換熱器能量平衡 1 2熱力學(xué)第一定律 1 2 3能量方程式的應(yīng)用 克勞修斯積分 1 3熱力學(xué)第二定律 熱不能自發(fā)地 不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體 研究與熱現(xiàn)象相關(guān)的各種過程進(jìn)行的方向 條件及限度的定律 溫差傳熱 自由膨脹 混合等過程是在溫度差 壓力差 濃度差等有限勢(shì)差作用下進(jìn)行的非準(zhǔn)平衡過程 是不可逆的過程 1 4熱力學(xué)定律在制冷 熱泵機(jī)的應(yīng)用 制冷 熱泵過程是從低溫?zé)嵩次鼰嵯蚋邷責(zé)嵩磁艧徇^程 為實(shí)施該過程需要消耗功 1 5逆卡諾循環(huán) 理想循環(huán) 1 5 1循環(huán)特點(diǎn) 具有兩個(gè)可逆的等溫過程和兩個(gè)等熵過程組成 在相同溫度范圍內(nèi) 它是消耗功最小的循環(huán) 即熱力學(xué)效率最高的制冷循環(huán) 因?yàn)樗鼪]有任何不可逆損失 熱源溫度不變的逆向可逆循環(huán) 1 5 2卡諾循環(huán)熱力計(jì)算 1 6勞倫茲循環(huán) 理想循環(huán) 1 6 1循環(huán)特點(diǎn) 熱源溫度可變的逆向可逆循環(huán) 換熱沒有熱阻 工質(zhì)溫度在冷凝和蒸發(fā)過程中跟隨外部熱源溫度而變化 具有兩個(gè)可逆的不等溫過程和兩個(gè)等熵過程組成 假設(shè)蒸發(fā)過程和冷卻過程傳熱溫差均為 T 制冷量 排熱量 洛倫茲循環(huán)制冷系數(shù) 1 6 2勞倫茲循環(huán)計(jì)算 三 蒸氣壓縮式制冷 3 1蒸氣壓縮式制冷特征 液體蒸發(fā)制冷構(gòu)成循環(huán)的四個(gè)基本過程 1 制冷劑液體在低壓低溫下蒸發(fā) 成為低壓蒸氣 2 將該低壓蒸氣提高壓力成為高壓蒸氣 能量補(bǔ)償 3 將高壓蒸氣冷凝成高壓液體 4 高壓液體降低壓力重新變?yōu)榈蛪阂后w 再返回至1 從而完成循環(huán) 屬于液體蒸發(fā)制冷 即制冷劑液體在氣化 蒸發(fā) 時(shí)產(chǎn)生的吸熱效應(yīng) 達(dá)到制冷目的 能量補(bǔ)償方式是用壓縮機(jī)對(duì)低壓氣體壓縮做功從而提高壓力 1 2 3 4 5 6 3 1 1認(rèn)識(shí)壓焓圖 1 等壓線2 等焓線3 等溫線4 等熵線5 等容線6 等干度線 3 4 1 2 5 6 3 1 2認(rèn)識(shí)溫熵圖 1 等壓線2 等焓線3 等溫線4 等熵線5 等容線6 等干度線 1 朗肯循環(huán)2 勞倫茨循環(huán)3 跨臨界循環(huán) 3 2單級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán) 壓縮過程僅有一級(jí) 而不需分級(jí)壓縮 適用當(dāng)高 低溫?zé)嵩礈囟炔畈惶?壓力比不太大的循環(huán) 典型單級(jí)壓縮制冷循環(huán) 3 2 1基本描述 空調(diào) 制冷 食品冷藏大量使用的循環(huán) 基本朗肯循環(huán) 空調(diào) 冷水機(jī)有回?zé)岬睦士涎h(huán) 冰箱 冷柜 朗肯循環(huán)的主要特征 有兩個(gè)定壓定溫的相變過程與純質(zhì)制冷劑及共沸混合制冷劑的壓力特性可相適應(yīng) 3 2單級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán) 3 2 2朗肯循環(huán) 基本朗肯循環(huán)循環(huán)T S圖 1 2壓縮過程2 3冷卻冷凝過程3 4節(jié)流過程4 1蒸發(fā)吸熱過程 朗肯循環(huán)圖例 圖2 2有回?zé)岬睦士涎h(huán)T S圖 1 2壓縮過程2 3冷凝過程3 3 液體過冷過程3 4節(jié)流過程4 1蒸發(fā)過程1 1 吸氣過熱過程 3 2 2朗肯循環(huán) 不可逆勞倫茨循環(huán)的主要特征 冷凝相變過程 定壓降溫蒸發(fā)相變過程 定壓升溫與非共沸混合制冷劑的壓力特性可相適應(yīng)工質(zhì)與熱源溫度變化相協(xié)調(diào) 可均衡傳熱溫差 減小不可逆損失相變溫度滑變引起分餾 氣相與液相成分不同 3 2 3不可逆勞倫茨循環(huán) 不可逆勞倫茨循環(huán) 循環(huán)T S圖1 2壓縮過程2 3冷卻冷凝過程3 4節(jié)流過程4 1蒸發(fā)吸熱過程 3 3單級(jí)蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán) 3 3 1理論循環(huán)建立的假設(shè)基礎(chǔ) 壓縮過程為等熵過程 即不存在任何不可逆損失 在冷凝器中 制冷劑冷凝溫度等于冷卻介質(zhì)溫度 且為定值 在蒸發(fā)器中 制冷劑蒸發(fā)溫度等于被冷卻介質(zhì)溫度 且為定值 離開冷凝器和進(jìn)入膨脹閥的液體為冷凝壓力下的飽和液體 離開蒸發(fā)器和進(jìn)入壓縮機(jī)的蒸氣為蒸發(fā)壓力下的飽和蒸氣 制冷劑在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)沒有流動(dòng)阻力損失 忽略動(dòng)能變化 除蒸發(fā)器和冷凝器中管子外 制冷劑與管外介質(zhì)間沒有熱交換 制冷劑流過膨脹閥時(shí) 忽略動(dòng)能變化 且與外界環(huán)境沒有熱交換 3 3 2理論循環(huán)壓焓圖 1 2等熵壓縮過程2 3 4制冷劑在冷凝器中冷卻和冷凝過程 制冷劑壓力保持不變2 3冷卻過程 制冷劑與環(huán)境介質(zhì)有溫差 3 4冷凝過程 制冷劑與環(huán)境介質(zhì)沒有溫差 4 5節(jié)流過程 制冷劑壓力與溫度均降低 焓不變 5 1制冷劑在蒸發(fā)器中吸熱過程 制冷劑壓力與溫度保持不變 無溫差換熱 3 3單級(jí)蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán) 3 3 3理論循環(huán)計(jì)算比較 3 3單級(jí)蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán) 實(shí)際循環(huán)和理論循環(huán)有許多不同之處 除了壓縮機(jī)中的工作過程以外 主要還有下列一些差別 1 流動(dòng)過程有壓力損失 2 制冷劑流經(jīng)管道及閥門時(shí)同環(huán)境介質(zhì)間有熱交換 3 熱交換器中存在溫差 3 4單級(jí)蒸氣壓縮式制冷實(shí)際循環(huán)計(jì)算 1 單位制冷量 單位容積制冷量及單位理論功 2 單位冷凝熱 上式中點(diǎn)2狀態(tài)的焓值用下式計(jì)算 3 制冷劑的循環(huán)流量 4 壓縮機(jī)的理論功率和指示功率分別為 5 實(shí)際制冷系數(shù) 6 冷凝器的熱負(fù)荷 制冷劑按其化學(xué)組成主要有三類 制冷劑是制冷系統(tǒng)中的工作流體 通常稱為制冷工質(zhì) 它擔(dān)當(dāng)氣化吸熱和冷凝放熱的熱力循環(huán)而實(shí)現(xiàn)制冷目的 在蒸氣壓縮式制冷循環(huán)中 利用制冷劑在系統(tǒng)中的狀態(tài)變化 即制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)從被冷卻物體中吸取熱量而氣化 在冷凝器中高溫冷凝排熱到周圍物質(zhì) 水或空氣 而液化 周而復(fù)始循環(huán)流動(dòng)達(dá)到制冷目的 三 制冷工質(zhì) 1 熱力學(xué)性質(zhì)方面 2 遷移性質(zhì)方面 1 作為制冷劑應(yīng)符合的要求 3 物理化學(xué)