液體相變制冷與熱泵(專題)-高校版課件

，2013年11月15日液體相變制冷與熱泵Liquidphasechangerefrigerationandheatpump主要內(nèi)容一引言二液體相變制冷三節(jié)流過程的熱力學(xué)特征四液體相變制冷與熱泵裝置五制冷劑狀態(tài)圖六單級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)主要內(nèi)容2主要內(nèi)容熟悉概念：相變制冷、節(jié)流、單級(jí)壓縮制冷、過冷、過熱、回?zé)?；能夠基本理解和熟悉家用空調(diào)器制冷\制熱原理；能夠基本理解和熟悉家用冰箱制冷的基本原理；能夠基本理解和熟悉冷凝器和蒸發(fā)器在制冷系統(tǒng)中的重要作用；能夠結(jié)合理論分析實(shí)際制冷過程存在的問題；能夠解釋夏天空調(diào)規(guī)定在26℃的原因；學(xué)習(xí)目的3一引言哪個(gè)更好，更節(jié)能？相變制冷的常見應(yīng)用5哪個(gè)更節(jié)能？一引言相變制冷的常見應(yīng)用6

國(guó)務(wù)院法制辦2007年7月3日全文公布征求意見的《民用建筑節(jié)能條例(草案)》規(guī)定：

“除特殊用途外，夏季室內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)置不得低于26℃，冬季室內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)置不得高于20℃?！?/p>

？一引言相變制冷的常見應(yīng)用7二液體相變制冷

物質(zhì)有三種集態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。物質(zhì)集態(tài)的改變稱為相變。

相變8相變制冷就是利用“物質(zhì)發(fā)生從質(zhì)密態(tài)到質(zhì)稀態(tài)的相變時(shí)，吸收潛熱”這一“吸熱效應(yīng)”而實(shí)現(xiàn)的。利用液體相變的，是液體相變（汽化）制冷；二液體相變制冷10如何實(shí)現(xiàn)液體汽化？降低壓力℃水及水蒸氣狀態(tài)表二液體相變制冷12壓縮式制冷的實(shí)質(zhì)就是依賴于節(jié)流裝置引起的節(jié)流降壓，從而引起制冷劑產(chǎn)生相變制冷。二液體相變制冷14三節(jié)流過程的熱力學(xué)特征1節(jié)流的定義(Throttle)高壓流體（氣體、液體或汽液混合物）在穩(wěn)定流動(dòng)過程中，快速通過阻力元件（節(jié)流閥、細(xì)管等）達(dá)到低壓的過程。2典型的節(jié)流元件-節(jié)流閥時(shí)間短-絕熱15三節(jié)流過程的熱力學(xué)特征實(shí)際過程：h=f(T,p)節(jié)流前后溫度有可能發(fā)生變化焦耳-湯姆遜效應(yīng)(Joule-Thomsoneffect，簡(jiǎn)稱J-T效應(yīng))上述溫度變化效應(yīng)稱為：16三節(jié)流過程的熱力學(xué)特征3節(jié)流過程的物理實(shí)質(zhì)對(duì)于實(shí)際氣體，存在上述三種情況；對(duì)于氣液兩相區(qū)物質(zhì)，總有

節(jié)流后T降低，對(duì)于液體物質(zhì)，T不變。17三節(jié)流過程的熱力學(xué)特征節(jié)流前的壓力小于最大轉(zhuǎn)化壓力節(jié)流前的溫度在上、下轉(zhuǎn)化溫度之間對(duì)不同的工質(zhì)，其轉(zhuǎn)化曲線的位置不同。氮的轉(zhuǎn)化曲線18問題是：?jiǎn)我坏墓?jié)流裝置并不能構(gòu)成完整意義的制冷循環(huán)裝置。為了使其連續(xù)不斷地工作，成為一個(gè)循環(huán)，必須使制冷劑經(jīng)歷蒸發(fā)汽化、蒸氣壓縮、高壓氣體冷卻液化和高壓液體降壓四個(gè)過程，從而完成制冷循環(huán)。四個(gè)過程所對(duì)應(yīng)的設(shè)備部件為：蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥。

四液體相變制冷與熱泵裝置20gdW高溫?zé)嵩吹蜏責(zé)嵩磓q四液體相變制冷與熱泵裝置制冷循環(huán)過程用于制冷的叫制冷裝置，用于制熱的叫熱泵裝置21空調(diào)裝置四液體相變制冷與熱泵裝置23根據(jù)液體相變制冷與熱泵循環(huán)的工作原理，可以設(shè)計(jì)制造出各種制冷與熱泵裝置：水餃速凍機(jī)、汽車空調(diào)、冰箱、分體空調(diào)、冷庫(kù)、保鮮柜、中央空調(diào)……四液體相變制冷與熱泵裝置24五制冷劑狀態(tài)圖——p-h圖制冷劑在上述制冷裝置中，運(yùn)行狀態(tài)如何變化？其運(yùn)行過程中的熱力學(xué)狀態(tài)如何？能否實(shí)現(xiàn)狀態(tài)變化的熱工計(jì)算？

26五制冷劑狀態(tài)圖——p-h圖等壓線—水平線等焓線—垂直線等干度線—濕蒸汽區(qū)域內(nèi)等熵線—向右上方傾斜等容線—向右上方傾斜等溫線—垂直線（未）→水平線（濕）→向右下方彎曲（過）p-h圖27五制冷劑狀態(tài)圖——p-h圖28制冷劑通過膨脹閥的節(jié)流過程為等焓過程；制冷劑在蒸發(fā)和冷凝過程中為定壓過程，且沒有傳熱溫差，即制冷劑的冷凝溫度等于冷卻介質(zhì)溫度，蒸發(fā)溫度等于被冷卻介質(zhì)的溫度。制冷劑在各設(shè)備的連接管道中流動(dòng)沒有流動(dòng)損失，與外界不發(fā)生熱量交換。六單級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)30六單級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)1-2：壓縮過程2-4：冷凝過程4-5：膨脹過程5-1：蒸發(fā)過程單級(jí)蒸氣壓縮式制冷\熱泵理論循環(huán)在壓焓圖上的表示h2ph042315pkp0h1h4=h5蒸汽壓縮制冷理論循環(huán)ph圖31六單級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)理論循環(huán)的熱力計(jì)算計(jì)算的主要依據(jù)：穩(wěn)定流動(dòng)的能量平衡方程其中Q系統(tǒng)的換熱熱量

P系統(tǒng)的耗功量系統(tǒng)工質(zhì)的質(zhì)量流量進(jìn)出系統(tǒng)的焓值32六單級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)1、節(jié)流閥對(duì)于節(jié)流閥，與外界無熱量交換也不做功，則方程可簡(jiǎn)化為：則有：33六單級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)對(duì)于壓縮機(jī)，與外界沒有熱量交換，則方程變成：其中，

稱為理論比功2、壓縮機(jī)34六單級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)13、蒸發(fā)器對(duì)于蒸發(fā)器，設(shè)備不做功，但有熱量交換，則可列方程：為單位質(zhì)量制冷量為單位容積制冷量為容積流量35六單級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)4、冷凝器對(duì)于冷凝器，不做功，但有熱量交換，則有能量方程：其中，為冷凝器單位熱負(fù)荷36六單級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)5、制冷系數(shù)\性能系數(shù)對(duì)于制冷循環(huán)：對(duì)于熱泵循環(huán)：37六單級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)單級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)計(jì)算例題

假定循環(huán)為單級(jí)壓縮蒸氣制冷的理論循環(huán)，蒸發(fā)溫度，冷凝溫度，工質(zhì)為R22，循環(huán)的制冷量，試對(duì)該循環(huán)進(jìn)行熱力計(jì)算。

38六單級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)由R22壓焓圖，查得39六單級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)40七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)前面討論的制冷循環(huán)過程，是在一系列假設(shè)基礎(chǔ)之上的理論循環(huán)，在實(shí)際問題中，還要考慮到以下問題：1、液體的過冷；2、氣體的過熱；3、系統(tǒng)中可能存在的不凝結(jié)氣體的影響；4、管道中的熱交換以及壓力損失等；41實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的差異實(shí)際循環(huán)中，離開蒸發(fā)器和進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑蒸氣往往是過熱蒸氣；實(shí)際循環(huán)中，離開冷凝器和進(jìn)入膨脹閥的液體往往是過冷液體；實(shí)際循環(huán)中，壓縮機(jī)的壓縮過程不是等熵壓縮；七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)42實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的差異實(shí)際循環(huán)中，制冷劑通過膨脹閥的節(jié)流過程不完全絕熱，節(jié)流后焓值有所增加；實(shí)際循環(huán)中，在蒸發(fā)器和冷凝器處存在傳熱溫差，即制冷劑的冷凝溫度高于冷卻介質(zhì)溫度，蒸發(fā)溫度低于被冷卻介質(zhì)的溫度；實(shí)際循環(huán)中，制冷劑在管道及設(shè)備內(nèi)流動(dòng)是存在阻力損失，并與外界存在熱量交換。

七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)431、液體過冷對(duì)循環(huán)性能的影響兩個(gè)基本概念：過冷：制冷劑液體的溫度低于同一壓力下飽和狀態(tài)的溫度；兩者溫度差值稱為過冷度。過冷度的大小取決于冷凝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及制冷劑與冷卻介質(zhì)之間的溫差。k七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)44過冷產(chǎn)生的影響：（1）增加單位制冷量；（2）對(duì)于給定的制冷量，制冷劑流量減??；（3）對(duì)壓縮機(jī)而言，理論比功不變，而單位制冷量增加，故制冷系數(shù)增加；k七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)45七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)增加過冷度的目的是為了減少節(jié)流后的干度，從而可以增大制冷量。有三種方法可以增加過冷度：（1）增加再冷卻器，通入深井水；（2）增加冷凝器的傳熱面積；（3）系統(tǒng)中使用回?zé)崞鳎贿^冷循環(huán)理論上總是有利的，而且過冷度越大，對(duì)制冷循環(huán)越有利；但是要綜合考慮投資回報(bào)等技術(shù)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)之間的矛盾。46七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)試比較理論循環(huán)與過冷循環(huán)的性能。假定兩個(gè)循環(huán)的冷凝溫度均為40℃，蒸發(fā)溫度均為-5℃，過冷循環(huán)中液體的溫度由40℃過冷到35℃，兩個(gè)循環(huán)的壓縮機(jī)吸入狀態(tài)均為蒸發(fā)壓力下的飽和蒸氣狀態(tài)，工質(zhì)為R22，制冷量。解：查圖、表及進(jìn)行相關(guān)計(jì)算可得47七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)48七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)2、蒸汽過熱對(duì)循環(huán)性能的影響過熱：制冷劑蒸氣的溫度高于同一壓力下飽和狀態(tài)的溫度；兩者溫度差值稱為過熱度。49七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)產(chǎn)生過熱的三種方式：

（1）蒸發(fā)器中過熱；（2）管道中過熱；（3）回?zé)徇^熱；50七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)過熱對(duì)循環(huán)性能產(chǎn)生的影響：（1）過熱循環(huán)中壓縮機(jī)排氣溫度升高了；（2）循環(huán)比功增加了；（3）冷凝器的熱負(fù)荷增加了；（4）對(duì)于給定的壓縮機(jī)，質(zhì)量流量減少了；（5）過熱對(duì)制冷量及制冷系數(shù)的影響取決與過熱是否產(chǎn)生有效過熱；51七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)無效過熱

沒有在蒸發(fā)器中吸熱，因而沒有產(chǎn)生制冷效果的過熱方式；產(chǎn)生的影響：（1）單位制冷量不變，單位容積制冷量減少，對(duì)于給定的壓縮機(jī)，循環(huán)制冷量降低；（2）循環(huán)比功增加，循環(huán)制冷系數(shù)下降；（3）無效過熱為有害過熱，而且蒸發(fā)溫度越低，與環(huán)境溫差越大，循環(huán)經(jīng)濟(jì)性越差。52七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)有效過熱過熱產(chǎn)生與蒸發(fā)器中，因而產(chǎn)生了制冷效果稱為有效過熱；

產(chǎn)生影響：（1）單位容積制冷量可以增加也可以減少，與制冷劑本身的特性有關(guān)；（2）制冷系數(shù)可以增加也可以減少，與制冷劑本身的特性有關(guān)；53七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)54七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)55由以上圖示可知，過熱對(duì)NH3、R22、R11等物質(zhì)不利，無效過熱將更加惡化。七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)56

試比較理論循環(huán)與過熱循環(huán)的性能。假定兩個(gè)循環(huán)的冷凝溫度均為，蒸發(fā)溫度均為-5℃，出冷凝器時(shí)的狀態(tài)均為冷凝壓力下的飽和液體狀態(tài)，在過熱循環(huán)中，吸入蒸氣由-5℃過熱到10℃，工質(zhì)為R22，理論循環(huán)的壓縮機(jī)容積。七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)57七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)58七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)593、氣-液熱交換（回?zé)幔?duì)循環(huán)性能的影響七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)60熱交換器中，有：回?zé)嵫h(huán)中，單位制冷為：?jiǎn)挝恢评淞康脑黾恿繛椋貉h(huán)的比功增加為：采用回?zé)嵫h(huán)后，單位制冷量增加，比功也增加，故制冷系數(shù)可以增加也可以減少，與有效過熱的影響一致；七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)61七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)采用回?zé)岬睦碛桑?、對(duì)于R12、R502、丙烷等工質(zhì)而言，回?zé)岷髥挝蝗莘e制冷量和制冷系數(shù)增加；2、對(duì)于氨、R22等工質(zhì)而言，雖然單位容積制冷量和制冷系數(shù)減少，但是，為了保證壓縮劑的安全運(yùn)行，仍然需要吸入口蒸汽的過熱，其中采取回?zé)崾潜容^理想的辦法。3、為了防止液體進(jìn)入節(jié)流裝置以前就發(fā)生了氣化，要求節(jié)流前有一定的過冷度。62七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)在圖示的回?zé)嵫h(huán)中，假定工質(zhì)分別為丙烷和氨，試確定回?zé)崞髦幸后w的出口溫度和循環(huán)性能指標(biāo)，并和理論循環(huán)加以比較。

解：根據(jù)已知條件，查相關(guān)圖表得：63七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)64七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)考慮到實(shí)際過程中還存在的管道、換熱器損失以及壓縮機(jī)散熱等損失后的單級(jí)壓縮循環(huán)圖65七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)1、蒸發(fā)溫度對(duì)循環(huán)性能的影響（討論蒸發(fā)溫度降低的情況）（1）單位容積制冷量蒸發(fā)溫度下降，單位容積制冷量降低66七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)67七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)（2）比容積功隨著蒸發(fā)溫度的降低，增加，而也增加，故有可能增加也有可能減少。68七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)69七單級(jí)壓縮制冷實(shí)際循環(huán)經(jīng)過理論推導(dǎo)，認(rèn)為壓縮比約為3時(shí)，功率消耗最大。推導(dǎo)過程如下：70七單