制冷原理与设备.ppt
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1、制冷原理与设备1目录目录1、制冷概念、制冷概念2、常用制冷原理与设备、常用制冷原理与设备制冷概念制冷概念制冷的概念制冷的概念制冷:制冷:即致冷,又称冷冻,将物体温度降低到或维持在自然环境温度温度以下。实现制冷的途径有两种,一是天然冷却,一是人工制冷。天然冷却利用天然冰或深井水冷却物体,但其制冷量(即从被冷却物体取走的热量)和可能达到的制冷温度往往不能满足生产需要。天然冷却是一传热过程。人工制冷是利用制冷设备加入能量,使热量从低温物体向高温物体转移的一种属于热力学过程的单元操作。人工制冷人工制冷人工制冷概述人工制冷概述是通过制冷工质(也称制冷剂、雪种)将热量从低温物体(如冷库等)移向高温物体(如
2、大气环境)的循环过程,从而将物体冷却到低于环境温度,并维持此低温,这一过程是利用制冷装置来实现的。由热力学第二定律可知,热量从低温物体移向高温物体不可能自动、无补偿地进行,因此必须提供机械能(或热能等),以确保包括低温冷源、高温热源、功源(或向循环供能的源)在内的孤立系统的熵不减小制冷系数:制冷系数:制冷循环的重要参数是制冷系数,工程上也称之为制冷装置的工作性能系数,用符号COP表示。在一定的环境温度下,冷库温度越低,制冷系数就越小。(因此为取得良好的经济效益,没有必要把冷库的温度定得超乎寻常的低。这也是一切实际制冷循环遵循的原则。)人工制冷的分类人工制冷的分类制冷循环包括压缩式制冷循环、吸收
3、式制冷循环、吸附式制冷循环、蒸气喷射制冷循环及半导体制冷等。压缩式制冷循环又可分为压缩气体制冷循环和压缩蒸气制冷循环。目前世界上运行的制冷装置绝大部分是压缩气体制冷循环。以往,制冷循环应用的制冷剂多半为商品名为氟利昂的氯氟烃物质CFC、含氢氯氟烃HCFC和氨等。但由于日益严重的环境问题,CFC、HCFC正逐渐被对环境友善的新型制冷剂替代。R-134a(1,1,1,2-四氟乙烷)是一种不含氯原子,对臭氧层不起破坏作用,具有良好的安全性能(不易燃、不爆炸、无毒、无刺激性、无腐蚀性)的制冷剂,其制冷量与效率与R-12(二氯二氟甲烷,氟利昂)非常接近,所以被视为优秀的长期替代制冷剂。R-134a是目前
4、国际公认的R-12最佳的环保替代品。完全不破坏臭氧层,是当前世界绝大多数国家认可并推荐使用的环保制冷剂,也是目前主流的环保制冷剂,广泛用于新制冷空调设备上的初装和维修过程中的再添加。R134a的毒性非常低,在空气中不可燃,安全类别为A1,是很安全的制冷剂。常用制冷原理与设备常用制冷原理与设备目录目录1、蒸汽压缩式制冷原理与设备、蒸汽压缩式制冷原理与设备2、吸收式制冷原理与设备、吸收式制冷原理与设备1、蒸汽压缩式制冷原理与设备、蒸汽压缩式制冷原理与设备制冷工质(制冷剂、冷媒、雪种);常用有:氨(R717)、氟里昂等;氟里昂:R11:一氟三氯甲烷R22:二氟一氯甲烷R23:三氟甲烷R134a:四氟
5、乙烷;R123:三氟二氯乙烷;载冷剂传递冷量的物质,空调一般是用水做载冷剂。制冷量单位千瓦(Kw)、大卡(Kcal)、冷吨(Rt);1千瓦(Kw)=860大卡(Kcal);1冷吨(Rt)=3.517Kw=3024Kcal;100Rt=351.7Kw=30万Kcal冷凝温度气体液化时的温度(在一定压力下)同一物质冷凝温度是随压力变化而变化。蒸汽压缩式制冷原理与设备蒸汽压缩式制冷原理与设备蒸汽压缩式制冷原理与设备系统组成:系统组成:压缩机,节流阀,蒸发器和冷凝器等主要设备及辅助设备(过滤器,油分压缩机,节流阀,蒸发器和冷凝器等主要设备及辅助设备(过滤器,油分离器,储液器)。离器,储液器)。蒸汽压缩
6、式制冷原理与设备蒸汽压缩式制冷原理与设备各主要部件作用:压缩机:压缩制冷剂,向制冷剂压缩做功,为整个制冷循环提供动力。冷凝器:冷凝器是一个热交换设备,作用是利用环境冷却介质(空气或水),将来自压缩机的高温高压制冷蒸气的热量带走,降低制冷剂温度至环境温度。膨胀阀:节流原件-将高压常温的制冷剂液体通过膨胀阀降压,得到低温低压制冷剂。蒸发器:蒸发器也是一个热交换设备。节流后的低温低压制冷剂液体在其内蒸发变为蒸气,吸收被冷却物质的热量,使物质温度下降,达到冷冻、冷藏食品的目的。蒸汽压缩式制冷原理与设备什么是焓?什么是焓?焓的表达式:H=U+PV物理意义:工质所处状态具有的总能量工质所处状态具有的总能量
7、。根据它的表达式,可以知道是焓是一个状态参数。在热力设备中,工质总是不断地在热力设备中,工质总是不断地从一个地方流到另一个地方,随着工质不断地流动,所转移的能量就是焓从一个地方流到另一个地方,随着工质不断地流动,所转移的能量就是焓。这就是为什么引入焓这个概念的原因,因为每次计算的时候总是要写U+PV。所以后来干脆就把U+PV定义为焓。简而言之,引入焓就是为了方便分析,简化计算蒸汽压缩式制冷原理与设备什么是熵?什么是熵?熵,热力学中表征物质状态的参量之一,用符号S表示,其物理意义是体系混乱程度的度量。熵越大说明物质内部越混乱。蒸汽压缩式制冷原理与设备蒸汽压缩式制冷原理与设备压压-焓图焓图温温-熵
8、图熵图制冷剂的状态图制冷剂的状态图 压压-焓图:焓图:1点,点,2线,线,3区,区,5态,态,6等参数线等参数线簇。簇。2线线3区区5态态1点点临界点临界点(critical point)下临界线下临界线:不同压力下饱和液体状态不同压力下饱和液体状态上临界线:不同压力下干饱和蒸汽状态上临界线:不同压力下干饱和蒸汽状态液相区液相区(liquid region)汽液两相区汽液两相区(liquid-vapor region)汽相区汽相区(vapor region)未饱和液体,饱和液体,湿饱和蒸汽,未饱和液体,饱和液体,湿饱和蒸汽,干饱和蒸汽,过热蒸汽。干饱和蒸汽,过热蒸汽。蒸汽压缩式制冷原理与设备
9、6等参数线簇等参数线簇(压压-焓图)焓图)等压线等压线-水平线;水平线;等焓线等焓线-垂直线;垂直线;等温线等温线-液相区:几乎为垂直线,液相区:几乎为垂直线,两相区:水平线,两相区:水平线,气相区:向下方弯曲的倾斜线;气相区:向下方弯曲的倾斜线;等熵线等熵线-向右上方倾斜的实线;向右上方倾斜的实线;等容线等容线-向右上方倾斜的虚线,比等熵线平坦;向右上方倾斜的虚线,比等熵线平坦;等干度线等干度线-只存在于湿蒸气区。只存在于湿蒸气区。蒸汽压缩式制冷原理与设备 压焓图的结构如下图所示。以绝对压力为纵坐标(为了缩小图的尺寸,提高低压压焓图的结构如下图所示。以绝对压力为纵坐标(为了缩小图的尺寸,提高
10、低压区域的精度,区域的精度,通常纵坐标取对数坐标),以焓值为横坐标。通常纵坐标取对数坐标),以焓值为横坐标。临界点临界点K左边的粗实线为左边的粗实线为饱和液体线饱和液体线,线上的任,线上的任何一点代表一个饱和液体状态,干度何一点代表一个饱和液体状态,干度 x=0。临界点临界点K右边的粗实线为右边的粗实线为饱和蒸气线饱和蒸气线,线上任何,线上任何一点代表一个饱和蒸气状态,干度一点代表一个饱和蒸气状态,干度 x=1。这两条粗实线将图分这两条粗实线将图分 为三个区域:为三个区域:1.饱和液体线的左边为饱和液体线的左边为过冷液体区过冷液体区,过冷液体,过冷液体的温度低于相同压力下饱和液体的温度;的温度
11、低于相同压力下饱和液体的温度;2.饱和蒸气线的饱和蒸气线的 右边是右边是过热蒸气区过热蒸气区,该区域内,该区域内的蒸气称为过热蒸气,它的温度高于同一压的蒸气称为过热蒸气,它的温度高于同一压力下饱和蒸气的温度;力下饱和蒸气的温度;3.两条线之间的区域为两相区,制冷剂在该区两条线之间的区域为两相区,制冷剂在该区域内处于域内处于气、液混合状态(湿蒸气区)气、液混合状态(湿蒸气区)。蒸汽压缩式制冷原理与设备过程线过程线1-2表示制冷剂蒸气在压缩机中的等熵压缩过程表示制冷剂蒸气在压缩机中的等熵压缩过程,压力由蒸发压力,压力由蒸发压力 升高升高到冷凝压力到冷凝压力。因此该点可通过。因此该点可通过1点的等熵
12、线和压力为冷凝压力的等压线的交点点的等熵线和压力为冷凝压力的等压线的交点来确定。来确定。由于压缩过程中外界对制冷剂作功,制冷剂温度升高,因此点由于压缩过程中外界对制冷剂作功,制冷剂温度升高,因此点2表示表示过热蒸气状态。过热蒸气状态。点点2表示制冷剂出压缩机时的状态,表示制冷剂出压缩机时的状态,也就是进冷凝器时的状态。也就是进冷凝器时的状态。点点1表示制冷剂进入压缩机的状态。表示制冷剂进入压缩机的状态。蒸汽压缩式制冷原理与设备过程线过程线2-2-3表示制冷剂在冷凝器内的表示制冷剂在冷凝器内的冷却(冷却(2-2)和冷凝()和冷凝(2-3)的过程。)的过程。由于这个过程是在由于这个过程是在冷凝压力
13、冷凝压力 不变不变的情的情况下进行的,进入冷凝器的过热蒸气首况下进行的,进入冷凝器的过热蒸气首先先 将部分热量放给外界冷却介质,在将部分热量放给外界冷却介质,在等压下冷却成饱和蒸气(点等压下冷却成饱和蒸气(点2),然后),然后再在再在等压、等温等压、等温下继续放出热量,下继续放出热量,直直至最后冷凝成饱和液体(点至最后冷凝成饱和液体(点3)。因此,)。因此,冷凝压力的等压线和冷凝压力的等压线和x0的饱和液体的饱和液体线的交点即为点线的交点即为点3的状态。的状态。点点3表示制冷剂出冷凝器时的状态。表示制冷剂出冷凝器时的状态。点点4表示制冷剂出节流阀时的状态,也就是进入蒸发器时的状态。表示制冷剂出
14、节流阀时的状态,也就是进入蒸发器时的状态。过程线过程线3-4表示制冷剂在通过节流阀时的节流过程。在这一过程中,制冷剂的压表示制冷剂在通过节流阀时的节流过程。在这一过程中,制冷剂的压力由冷凝压力降到力由冷凝压力降到 蒸发压力蒸发压力,温度由冷凝温度降到蒸发温度,温度由冷凝温度降到蒸发温度,并进入两相区。,并进入两相区。由于节流前后制冷剂的焓值不变,由于节流前后制冷剂的焓值不变,因此由点因此由点3作等焓线与蒸发压力的等压线的交作等焓线与蒸发压力的等压线的交点即为点点即为点4的状态。由于节流过程是一个不可逆过程,所以用一虚线表示的状态。由于节流过程是一个不可逆过程,所以用一虚线表示3-4过过程。程。
15、蒸汽压缩式制冷原理与设备过程线过程线4-1表示制冷剂在蒸发器表示制冷剂在蒸发器中的气化过程。由于这一过程是中的气化过程。由于这一过程是在等温、等压下进行的在等温、等压下进行的,液体制,液体制冷剂吸取被冷却介质的热量(即冷剂吸取被冷却介质的热量(即制冷)而不断气化,制冷剂的状制冷)而不断气化,制冷剂的状态沿蒸发压力的等压线态沿蒸发压力的等压线 向干度向干度增大的方向变化,直到全部变为增大的方向变化,直到全部变为饱和蒸气为止。饱和蒸气为止。这样,制冷剂的这样,制冷剂的状态又重新回到进入压缩机前的状态又重新回到进入压缩机前的状态点状态点1,从而完成一个完整的,从而完成一个完整的理论制冷循环。理论制冷
16、循环。蒸汽压缩式制冷原理与设备2.理论循环在坐标图上的描述理论循环在坐标图上的描述工作过程工作过程(1)1-2 压缩机中干饱和蒸汽等熵压缩过程;压缩机中干饱和蒸汽等熵压缩过程;(2)2-3 冷凝器中过热蒸汽等压冷却及冷凝过程;冷凝器中过热蒸汽等压冷却及冷凝过程;(3)3-4 节流阀中饱和液体绝热节流过程;节流阀中饱和液体绝热节流过程;(4)4-1 蒸发器中湿蒸汽等温等压汽化过程。蒸发器中湿蒸汽等温等压汽化过程。蒸汽压缩式制冷原理与设备(2)2点:压缩机压缩后的排气状态,点:压缩机压缩后的排气状态,对应于冷凝压力下的过热蒸汽。对应于冷凝压力下的过热蒸汽。各点对应状态各点对应状态(1)1点:制冷剂
17、进入压缩机的状态,点:制冷剂进入压缩机的状态,对应于蒸发温度对应于蒸发温度To下的饱和蒸汽。下的饱和蒸汽。(3)3点:制冷剂在冷凝器出口处的状态,点:制冷剂在冷凝器出口处的状态,是与冷凝温度是与冷凝温度TK对应的饱和液体。对应的饱和液体。(4)4点:节流后流出节流阀,进入蒸发器的状态,点:节流后流出节流阀,进入蒸发器的状态,为湿饱和蒸汽状态。为湿饱和蒸汽状态。蒸汽压缩式制冷原理与设备(1)蒸发过程和单位制冷量)蒸发过程和单位制冷量 制冷量:制冷量:制冷剂通过蒸发器时从低温热源吸收的热量。制冷剂通过蒸发器时从低温热源吸收的热量。单位质量制冷量:单位质量制冷量:1kg 制冷剂在蒸发器中从低温热源制
18、冷剂在蒸发器中从低温热源 吸收的热量。吸收的热量。式中:式中:qm制冷剂的质量流量。制冷剂的质量流量。说说明明制冷量制冷量 制冷剂的质量流量制冷剂的质量流量 制冷剂进出蒸发器的焓差制冷剂进出蒸发器的焓差与压缩机的尺寸与压缩机的尺寸和转速有关和转速有关与制冷剂的种类和与制冷剂的种类和工作条件有关工作条件有关 单位容积制冷量:单位容积制冷量:压缩机每吸入压缩机每吸入 1m3 制冷剂蒸气制冷剂蒸气 (按(按压缩机压缩机吸气状态)所制取的冷量。吸气状态)所制取的冷量。制冷剂的质量流量制冷剂的质量流量:式中:式中:v1压缩机入口处状态点压缩机入口处状态点1的比体积。的比体积。式中:式中:qvh压缩机的理
19、论输气量,压缩机的理论输气量,m3/s。(2)压缩过程和比功)压缩过程和比功 理论比功:理论比功:压缩机每压缩和输送压缩机每压缩和输送 1kg 制冷剂所制冷剂所 消耗的压缩功。消耗的压缩功。压缩机功率:压缩机功率:容积比功:容积比功:压缩机每压缩和输送压缩机每压缩和输送 1m3 制冷剂制冷剂 (按压缩机吸气状态)所消耗的压缩功。(按压缩机吸气状态)所消耗的压缩功。与制冷剂的种类和与制冷剂的种类和工作条件有关工作条件有关 压缩机的压力比:压缩机的压力比:循环中压缩机的排气压力循环中压缩机的排气压力 与吸气压力之比。与吸气压力之比。压缩机的排气温度压缩机的排气温度 T2:制冷剂气体压缩终了的温度。
20、制冷剂气体压缩终了的温度。(3)冷凝过程和冷凝器的热负荷冷凝过程和冷凝器的热负荷 冷凝器单位热负荷:冷凝器单位热负荷:1kg 制冷剂蒸汽在冷凝器中放出的热量。制冷剂蒸汽在冷凝器中放出的热量。(4)节流过程)节流过程 节流过程特点节流过程特点 节流前后焓值不变;但节流过程非等焓过程。节流前后焓值不变;但节流过程非等焓过程。节流过程是不可逆过程。节流过程是不可逆过程。节流时绝热膨胀,对外不作功。节流时绝热膨胀,对外不作功。整个整个循环比功与压缩机的理论比功相等。循环比功与压缩机的理论比功相等。(5)制冷系数:制冷系数:总结总结 运用某种制冷剂时:运用某种制冷剂时:蒸发压力蒸发压力po,冷凝压力,冷
21、凝压力pk 反映系统的压力水平;反映系统的压力水平;压力比,压力差和排气温度反映压缩机的工作条件;压力比,压力差和排气温度反映压缩机的工作条件;单位制冷量,单位容积制冷量反映制冷能力,单位制冷量,单位容积制冷量反映制冷能力,COP 反映制冷循环的经济性。反映制冷循环的经济性。制冷机的性能制冷机的性能 制冷量制冷量0 压缩机功率压缩机功率P 循环的性能系数循环的性能系数COP 影响理论循环特性的因素:影响理论循环特性的因素:(1)热源的温度;)热源的温度;(2)制冷剂的性质。)制冷剂的性质。理论循环的意义:理论循环的意义:(1)是实际循环的基准和参照,用于分析研究实际循环)是实际循环的基准和参照
22、,用于分析研究实际循环 的各种不完善因素和作出相应改进。的各种不完善因素和作出相应改进。(2)用于评价制冷剂。相同)用于评价制冷剂。相同Tk,To条件下,通过不同条件下,通过不同 制冷剂的理论循环特性比较,可以评价它们在热力制冷剂的理论循环特性比较,可以评价它们在热力 性质方面的适宜程度。性质方面的适宜程度。理论循环是不可逆循环。理论循环是不可逆循环。理论循环的意义理论循环的意义影响实际循环的因素影响实际循环的因素 高温热源和低温热源为变温热源,高温热源和低温热源为变温热源,热源与制冷剂的传热为有限温差传热。热源与制冷剂的传热为有限温差传热。外部条件外部条件 内部条件内部条件 制冷剂液体过冷和
23、蒸气过热的影响;制冷剂液体过冷和蒸气过热的影响;冷凝器,蒸发器和连接各设备的管道中因制冷剂流动冷凝器,蒸发器和连接各设备的管道中因制冷剂流动 而产生压降,制冷剂通过管道与外界有热交换;而产生压降,制冷剂通过管道与外界有热交换;压缩机中的实际压缩过程为非等熵过程;压缩机中的实际压缩过程为非等熵过程;系统中存在不凝性气体等。系统中存在不凝性气体等。各种实际因素对循环的影响各种实际因素对循环的影响(1)过冷:制冷剂液体的温度低于同一压力下)过冷:制冷剂液体的温度低于同一压力下 饱和状态的温度。饱和状态的温度。过冷度:两者温度之差。过冷度:两者温度之差。(2)液体过冷循环:液体过冷循环:在一定的冷凝温
24、度和蒸发温度下,采用使在一定的冷凝温度和蒸发温度下,采用使 制冷剂离开冷凝器,进入节流阀之前具有一定制冷剂离开冷凝器,进入节流阀之前具有一定 过冷度的循环。过冷度的循环。各种实际因素对循环的影响各种实际因素对循环的影响各种实际因素对循环的影响各种实际因素对循环的影响1.高压液体过冷的影响高压液体过冷的影响(3)过冷循环的坐标图表示过冷循环的坐标图表示各种实际因素对循环的影响各种实际因素对循环的影响各种实际因素对循环的影响各种实际因素对循环的影响 单位容积制冷量单位容积制冷量 增大增大 循环比循环比功功 不变不变 过冷前后压缩机进出口状态不变,过冷前后压缩机进出口状态不变,比功比功不变。不变。制
25、冷系数制冷系数 增加增加(4)过冷对制冷循环的影响)过冷对制冷循环的影响 单位制冷量单位制冷量 增大增大各种实际因素对循环的影响各种实际因素对循环的影响各种实际因素对循环的影响各种实际因素对循环的影响(5)结论:结论:采用液体过冷循环,理论上总是有利的,可以提高循环采用液体过冷循环,理论上总是有利的,可以提高循环 的的经济性。且过冷度越大,对循环越有利;经济性。且过冷度越大,对循环越有利;蒸发温度越低,过冷使性能的相对提高越大。蒸发温度越低,过冷使性能的相对提高越大。各种实际因素对循环的影响各种实际因素对循环的影响各种实际因素对循环的影响各种实际因素对循环的影响 利用再冷却器或过冷器获得过冷;
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