注册设备工程师暖通空调制冷课件.docx

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注册设备工程师暖通空调制冷课件

基本要求

●掌握制冷与热泵技术的基本定义，概念和计算技巧；

●掌握制冷热泵工作原理、结构流程和相关机组系统；

●掌握空调、制冷热泵技术设计安装运行知识和有关最新规范（规范非本次课讲授重点）；

●掌握原理及工程特点的答题技巧；

●熟悉教材中应用到的系数、计算公式、工艺流程、施工特点等，方便答题时快速查取。

讲课特点

●思路：

以大纲为主线、综合型讲授制冷与热泵技术

●内容：

制冷与热泵系统、冷藏冷冻、燃气技术

●方法：

概念、原理、工程应用、部分技术规范

●课后：

补充教材中没有的有关技术规范

●巩固：

讲解考题、案例和复习题

举例1

1、某建筑采用土壤源热泵冷热水机组作为空调冷、热源，在夏季向建筑供冷时，空调系统各末端设备的综合冷负荷合计为1000kW，热泵制冷工况下的性能系数为COP=5。

空调冷水循环的轴功率为50kW，空调冷水管道系统的冷损为50kW，问：

上述工况下热泵向土壤释放的总热量接近下列何项？

A1100kWB1200kWC1300kWD1320kW

（1）机组制冷量：

Q0——末端消耗制冷量

P——水泵散热量

∆Q——冷损

（2）机组耗功率：

（3）向土壤释热量：

注意：

（1）系统有两个环路（制冷剂环路和冷媒水环路）组成

（2）冷媒水环路中要考虑水泵和冷损

请问：

（1）该系统如果考虑以地埋管释热，循环泵功耗，向土壤释热量如何计算？

系统是由几个环路构成？

（2）该系统在冬天供热怎么计算？

（3）如果空气源制冷热泵系统，夏天制冷、冬天供热又如何计算？

该类题目综合下述知识点：

（1）制冷、热泵工作原理知识；

（2）制冷、热泵循环时吸热量、排热量、功耗的平衡；

（3）熟悉地源热泵冷热源机组及其工程系统。

前面的例子引发思路：

应对考试主要考虑制冷空调系统几个环路。

分析如下：

1、制冷剂环路分析。

2、用冷、用热环路分析（冷媒水、热水系统）。

3、排热、供热环路分析（冷却水、热泵水系统）。

举例2

2、某一冷热水机组的冷凝器负荷为350kW，采用R134a压缩机制冷，蒸发温度为3℃，冷凝温度为40℃，无过冷，压缩机入口为饱和蒸汽，各状态点参数如下：

问：

如果应用条件下冷媒水进、出口温差为8℃，供给空调房间的流量为（）。

A30~40m3/hB42~46m3/hC46~48m3/hD50~60m3/h

求解：

（a）系统制冷剂循环量：

（b）总制冷量：

（c）使用条件下冷媒水量：

（图）

问：

如果以国家标准GB/T18430.1-2007规定的名义工况计，机组冷媒水的回水温度应该是（），不考虑实际工程效率因素？

A18℃B12℃C7℃D15℃

求解：

（a）系统制冷剂循环量：

（b）总制冷量：

（c）名义工况条件下冷媒水回水温度：

国标规定出口水温：

7℃

国标规定流量：

0.172

该类题目综合下述知识点：

（1）熟悉压力-焓图和查取状态点参数，熟悉制冷循环，掌握制冷循环计算方法；

（2）灵活计算制冷循环内部能量；

（3）制冷循环与外界（冷却水、冷媒水）能量平衡；

（4）熟悉机组名义工况和使用工况的区别；

（5）了解国标新规定（例GB/T18430.1-2007）。

建议：

找《制冷技术》书籍，做2~3道类似题目，基本功训练。

举例3

3、同前举例2.

如果冷媒水进出口温度为7℃和12℃，干事壳管蒸发器的传热系数为510W/（m2﹒℃），试问所需蒸发器传热面积为下列何值？

A59~70m2B70~100m2C43~45m2D100m2

（a）传热对数温差：

（b）蒸发器传热面积：

可见：

一个问题改变形式、从不同角度可以得到多道题。

复习时应注意，多思考，触类旁通。

举例4

4、关于夏热冬冷地区设置冷库除霜系统的说法，下列哪几项是错误的？

A荔枝冷藏间的空气冷却器设备应设置除霜系统。

B红薯冷藏间的空气冷却器设备应设置除霜系统。

C蘑菇冷餐间的空气冷却器设备应设置除霜系统。

D全脂奶粉冷藏间的空气冷却器设备应设置除霜系统。

分析：

（1）根据《三版教材》P704~705表4.8-10~12，存荔枝、红薯、蘑菇、全脂奶粉约室温分别是1~2℃、15℃、0℃、21℃。

（2）根据《三版教材》P595，室外环境温度在5~7℃范围内，室外风冷换热器表面会结露；室外温度在0~5℃范围内，机组运行一段时间后风冷换热器表面会结霜。

（3）因为风冷换热器内制冷剂与室内有换热温差，制冷剂蒸发温度在0℃以下，故结霜。

室温5℃以下需要设置除霜。

选项B、D错误。

磁体说明：

（1）答题时要查取教材中有关食品保鲜的数组数据。

（2）运用制冷原理和结霜知识，分析是否结霜，进行判断。

（3）复习时要熟悉食品冷藏知识和教材的内容，考试时有利于快速查取数据，进行比较。

举例5

进行某空调水系统方案比选时，若将系统的供水温度从7℃调整为5℃，回水温度保持不变，为12℃（系统的供冷负荷不变），调整后将出现下列哪几项结果？

A空调水系统的输送能耗有所减少。

B采用相同形式和相同供冷负荷的电动式冷水机组时，机组制冷性能系数会降低。

C若空气处理设备的表冷器的形式与风量都不变，其供冷负荷不变。

D采用溴化锂吸收式冷水机组时，机组运行可能出现不正常。

分析：

（1）在系统供冷负荷保持不变的前提下，冷水供水温差有7℃变为5℃，温差增大，水流量减小，由水泵轴功率计算公式N=QH/（367.3h）得，水泵轴功率降低，则空调水系统的输送能耗有所减少，选项A正确。

（2）根据《三版教材》P570图4.1-8，冷水供冷温度降低，蒸发温度T0降低，机组单位制冷量q0减少，在冷凝温度，tk不变的情况下，单位制冷量耗功率ωth变大，导致机组制冷性能系数降低，选项B正确。

（3）由《三版教材》P405式3.4-14知，当冷水初温tw1降低时，热交换效率系数e1增大。

再者，冷水温度降低，表冷器传热温差变化，传热量变化，若出水温度降低，表冷器传热温差变化，传热量变化，若出回水温差不变，表冷器可能部分结霜。

说明随着供水温度的降低，若空气处理设备的表冷器的形式与风量都不变，其供冷负荷发生变化，选项C错误。

（4）根据《三版教材》P644~645表4.5-2~表4.5-3，机组冷水出水温度最低为7℃，根据《三版教材》P648，溴化锂水溶液温度过低容易发生结晶，已造成机组运行不正常情况，故选项D正确。

此题说明：

（1）涉及到变工况制冷循环性能、循环泵功率、换热器特性、溴化锂吸收式制冷特点等知识点。

（2）范围广、综合性强、分析要有一定的深度。

复习时掌握其特点。

上述举例说明，要应对考试：

（1）要掌握和灵活运用基本概念和计算技巧；

（2）在掌握基本知识基础之上，学会融会贯通。

学会一个问题引射出多道题；

（3）对某些知识复习时多想到考试可能涉及到的问题；

（4）将理论知识、技术规范、工程实际三者融为一体；

（5）培养将各方面知识综合分析和运用的能力。

第一章蒸汽压缩式制冷循环

1基本知识：

（1）什么叫制冷？

用人工的方法在一定时间和一定空间内将物体或周围流体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。

注意：

几个特点

（a）比环境温度高的物体自然降温不叫制冷。

（b）制冷过程是从某一物体取出热量，并将其排放到环境介质中，以产生低于环境温度的过程；

（c）制冷的必要条件是消耗能量。

（2）制冷机：

机械制冷中所需机器和设备总和。

（3）制冷剂：

制冷剂总使用的工作介质。

（4）制冷循环：

制冷剂一系列状态变化过程的综合。

（5）蒸汽压缩式制冷系统四大件：

压缩机；冷凝器；节流装置；蒸发器。

功能：

冷凝器——凝结高压制冷剂其他，把热量传递给环境介质（换热器）

蒸发器——将制冷剂气化，从被冷却对象吸取热量（换热器）

压缩机——提高其他压力（消耗能量）

节流装置——降低高压液体压力，维持制冷剂流量

（6）制冷循环性能系数：

COP

性能系数=所获收益/所耗能量

（7）制冷循环热力完善度：

实际循环与可逆制冷循环差别

热力完善度=实际制冷循环性能系数/可逆制冷循环性能系数

（8）性能系数与热力完善度之区别：

相同点：

共同放映制冷循环经济性

不同点：

（a）COP与温差、制冷剂、各部件效率有关，是衡量机子本事经济性一个绝对值，仅在相同条件下比较；

（b）热力完善度是度量实际制冷循环与可逆制冷循环的相对比值，可在任意条件下比较；

（c）COP值可以大于、小于、等于1，而热力完善度永远小于1。

卡诺循环的COP（理想值）；

由logp-h图查取热力参数计算COP（理论值）；

制冷压缩机的COP（EER）（机械摩擦）；

冷水机组COP（机械摩擦、换热器温差等）；

热泵冷（热）水机组COP（机械摩擦、换热器温差等）；

吸收式冷（热）水机组COP（热能+机械能）；

使用工况条件系统COP（名义和实际工况）。

（9）制冷技术所涉及的物理参数：

压力；温度；比容；比焓；比熵；比潜热

（10）几个热力过程定义：

饱和状态、饱和温度、饱和压力、饱和蒸汽、湿蒸汽、甘保护蒸汽、过热、过热气体、过热度、过冷、过冷度、汽化、冷凝、比潜热。

（a）饱和状态、饱和温度、饱和压力、饱和蒸汽：

封闭容器，气、液两相，某一温度下平衡：

饱和状态、饱和温度、饱和压力、饱和蒸汽、饱和液体、饱和温度和饱和压力单值对应。

（b）湿蒸汽、干饱和蒸汽：

包和液体和饱和蒸汽混合物，称湿蒸汽。

饱和液体全部变为蒸汽称干饱和蒸汽。

（c）过热、过热气体、过热度：

对干饱和蒸汽加热，温度升高，比容增大而压力不变，称过热。

蒸汽温度高于相同压力下饱和温度，称过热蒸汽。

蒸汽温度与饱和温度之差称过热度。

（条件：

只有七天在一个容器中）

（d）过冷、过冷度：

饱和液体温度低于该饱和压力下饱和温度，称过冷。

液体为过冷液体。

液体温度与饱和温度之差称过冷度。

（e）汽化、冷凝、比潜热。

饱和液体蒸发为饱和气体叫汽化；饱和气体凝结为饱和液体叫冷凝。

比潜热：

1公斤饱和液体转变为同温度干饱和蒸汽所吸收的汽化热量。

单位kJ/kg。

（条件：

汽液两相共存）

制冷剂热力参数图

（1）温-熵图：

①一个点：

临界点

②两条线：

饱和液体线和饱和气体线

③三个区：

过冷区、两相区、过热区

④六种等参数线族：

等温线；等熵线；等压线；等容线；等焓线；等干度线

热力参数间关系：

过热区、过冷区两个参数确定状态点；饱和区只需一个参数可以确定状态点。

T-S图作用：

①直观的分析热力过程；

②以面积来表示热量。

对热量计算较难而且不准确。

（1）面积34cd3为放热量；而面积12ab1为系热量（阴影部分）

（2）熵大于零吸热，小于零放热

（2）压-焓图：

与T-S图相对应；

同样由一个点、两条线、三个区和六种参数；

在logp-h图上以线段长度表示热量；

纵轴是压力取对数后表示；

焓、熵值是相对值，非绝对值。

国际规定为：

0℃时饱和液体值：

焓：

h=200kJ/kg,熵：

s=1.00kJ/（kgK），为计算标准。

1.3理想制冷循环——逆卡诺循环

（1）气象区逆卡诺循环：

逆卡诺循环制冷系数：

上式表示：

制冷系数与制冷剂性质无关，仅取决于冷热源温度；

冷元温度越高，热源温度越低制冷系数越大；

冷源温度影响大于热源温度。

有温差传热（不可逆循环）

前提：

两个循环制冷量相等

（2）湿蒸汽区逆卡诺循环：

四个过程均存在两相区

湿压缩容易产生压缩机液击现象

湿蒸气气化减少质输气量

上述原因要对循环进行改进：

（1）将压缩过程向过热区域移动（实现干压缩过程）

（2）将等熵膨胀过程以等焓过程代替（损失部分制冷量）

（3）实现了蒸汽压缩理论制冷循环

1.4单级蒸气压缩式制冷理论循环

（1）什么叫理论循环？

不考虑任何损失的循环。

（即：

不考虑传热温差、压力损失、无过热或过冷现象）；

（2）单机压缩式制冷系统：

A）组成：

四大件（压缩机、冷凝器、节流装置[膨胀阀代替了膨胀机]、蒸发器）；

B）制冷工质状态变化（相变）。

1.5制冷理论循环热力学计算步骤

（1）列出已知条件及所求的参数；

（2）画出图，并在其上标出相应的状态点；

（3）查工质的热力性质图或表，得到各状态点的热力参数值；

（4）按照制冷循环要求的内容计算

1.6热力学计算举例

一个制冷循环，蒸发温度-15℃，冷凝温度40℃，压缩机吸气时工质过热5℃，工质出冷凝器时过冷5℃。

工质是R12.总制冷量φ0=50kW。

对该循环进行热力计算。

1、已知条件R12；tk=40℃；t0=-15℃，∆tk=5℃，求热力计算。

2、logp-h图：

3、由图查得状态点热力参数：

4、热力计算

（1）单位质量制冷量：

q0=h1-h4=114.2kJ/kg

（2）单位容积制冷量：

（3）制冷剂质量流量：

（4）制冷剂体积流量：

VR=MR﹒vl=0.0412m3/s

（5）冷凝器单位热负荷：

qk=h2-h3=148.1kJ/kg

（6）冷凝器热负荷：

φk=MR﹒qk=64.84kW

（7）压缩机单位质量耗功：

ωth=h2-h1=33.9kJ/kg

（8）压缩机理论耗功率：

Pth=MR﹒ωth=14.8kW

（9）理论制冷系数：

（10）热力完善度（制冷效率）：

1.7蒸汽压缩式制冷循环改善（实际循环）

实际循环中考虑了如下因素：

a）液体过冷：

液体过冷措施：

（1）专设再冷器；

（2）再冷器设在冷凝器下部，先让冷却水冷却冷凝液体再冷却凝结的制冷剂气体；

（3）加大冷凝器面积（5%~10%），让冷凝液体存在下端，浸泡的冷水管再冷。

b）吸入压缩机蒸气过热

过热效果：

T2；ω；qk；v

气体有害过热和有效过热

1）对制冷剂蒸汽而言，外界对其传热均发生过热现象；

2）若外界传递给蒸汽热量来源于被冷却空间或流体，称有效过热；

3）若外界传递给蒸汽热量来源于环境，则称有害过热。

有过冷和过热制冷循环的logp-h图

c）回热循环：

q0；ω；ε大小以制冷剂而变化

回热对不同制冷剂特性影响

有回热器制冷循环和有过热、过冷循环的区别：

（1）回热过程是制冷循环内部热量交换，制冷量仅计算过程或者过冷过程；

（2）过热过程和过冷过程是外界对制冷循环的热交换，制冷量要计算过热（有效过热）过程和过冷过程。

d）制冷剂在热交换器中产生压力损失和传热温差；气体在气缸中发生热交换

e）系统中有不凝结气体。

系统中存在不凝结气体时：

使冷凝器内压力升高；冷凝器压力上升，压比升高；功耗增加。

（上述几种因素形成实际制冷循环）

f）制冷系统带节能器

特点：

（1）主要对系统的循环过程进行改进，以提高循环效率；

（2）大多数用在有二级或多级压缩的制冷循环；

（3）制冷量增加，功耗减小，COP提高；

（4）多用于螺杆式压缩机、涡旋式或多级压缩离心式制冷机；

（5）节能、减少热损失，性能提高5~20%；

（6）制取较高温度；

（7）转速低，噪声小，寿命长。

P576图

1.8双级蒸汽压缩式制冷循环

（1）为什么要用两级压缩式制冷？

欲制取更低温度，降低蒸发压力，出现不利：

①压比达，节流损失大，制冷量下降，功耗增加，制冷系数下降；

②压比达，压缩机排气温度过高，过热损失大，润滑油变稀，润滑效果变差，影响寿命；

③蒸发压力低，比容大，压缩机尺寸体积增大，运行经济型差。

④压比大，压缩机容积效率低，不制冷；

超出使用条件：

螺杆及派问不高于105℃，高温极压比小于6，低温机小于16.氨为8，氟利昂为10.

（2）两级压缩制冷工作原理：

①在大压比间取一个中间压力pm；

②分为高低两个压缩阶段；

③低压级将p0蒸汽压缩到pm；

④将压力为pm的气体降温；

降温后气体由高压压缩机压缩到pk；

进入冷凝器，节流阀，蒸发器完成循环。

（3）两级压缩制冷优、缺点：

①中间冷却后，功耗减少；

②各级压力比适中；

③可靠性提高；

④系统复杂和庞大。

（4）一级节流、中间完全冷却两级压缩制冷循环

工作过程：

系统特点：

a）增加一台压缩机；

b）增加一个中间冷却器，一个节流阀；

c）高压脊制冷剂流量大于低压级。

系统循环的热力学分析：

分高、低压两级分析。

热力性能计算：

（1）制冷量以MR1计算；

（2）低压级压缩机功率以MR1计算；

（3）高压级压缩机功率以MR计算；

（4）COP以抵押及制冷量与高、低压级总压缩功之比；

（5）蒸发MR2质量所吸收的热量等于MR1高压液体的过冷热量与MR1低压级过热蒸气冷却到饱和态的质量之和。

（6）以中间冷却器为研究对象

（7）已知制冷量φ0时，可求得MR1：

MR1=φ0/（h1-h8）

（8）对中间冷却器进行能量平衡，得：

（9）高、低牙祭的理论压缩功率：

低压级：

Pth1=MR1﹒（h2-h1）

高压级：

Pth2=MR﹒（h4-h3）

（10）总理论压缩功耗：

Pth=Pth1+Pth2

（11）制冷系数：

注意：

1、上面题已知φ0

2、φk

3、φm

4、VR1低压实际

5、VR2高压实际

（一个问题可以引出几道题，复习时多考虑）

（5）一级节流、中间不完全冷却两级压缩制冷循环

工作过程：

系统特点：

a）增加一台压缩机；

b）增加一个中间冷却器，一个节流阀；

c）高压级制冷剂流量大于低压级；

d）与中间完全冷却两级压缩循环不同之处是低压级压缩蒸汽在中间冷却器外混合成为过热蒸汽。

系统循环的热力学分析：

分高、低压两级分析。

a）相同：

高低压两级与中间完全冷却计算相同；

b）不同：

中冷器中求MR2不同；混合后过热点热力参数由热平衡关系求得（详见教材P578）。

（6）中间压力的确定

按照制冷系数最大原则：

t佳=0.4tk+0.6t0+3℃

按照高、低压压比相等原则：

按照所选高低压缩机输气量比确定原则：

1.9热泵

（1）什么叫热泵？

一种热泵（吸热放热）的机械装置；

（2）热泵循环的工作原理：

与制冷剂相同；

（3）热泵循环和制冷循环异同点：

相同点：

都是一个制冷循环装置；

不同点：

a）目的是为了活的高温（制热），想高温部分放热，就是热泵；目的是为了活的低温（制冷），向低温热源吸热，就是制冷剂。

b）二者工作温度区间不同。

热泵把环境温度作为低温热源，而制冷机将环境温度作为高温热源。

c）制冷系数可以大于1、小于1或等于1，而制热系数恒大于1（同一台机器，相同工况）。

（4）空调热泵系统

1.10制冷或热泵系统能量平衡

制冷和热泵循环：

——制热量（热泵循环）

——制冷量（制冷循环）

该部分须掌握（原理，较重要）：

1、热力学在制冷热泵中基本知识；

2、理想、理论、实际（改进）三种制冷循环的原理和特点；

3、两级压缩制冷循环的原理和特点；

4、制冷循环性能的基本计算技巧；

5、变工况与制冷的关系；

6、热泵原理、与制冷的关系；

7、分析工具logp-h图的灵活运用；

8、上述原理部分要多思考，一通百通，是后面的基础。

1.11举例

（1）一个制冷循环，假如蒸发温度保持不变，当冷凝温度升高时，制冷系数（A）

A减小B增大C不变D不能确定

（2）一个制冷循环，假如冷凝温度保持不变，当蒸发温度升高时，制冷系数（B）

A减小B增大C不变D不能确定

（3）双级制冷循环中的高、低压级制冷剂吸气体积量（C）

A相等B前者大于后者C前者小于后者D不能确定

（4）压缩机吸入蒸气的过热（C）

A产生制冷效果B不产生制冷效果

C有效过热产生制冷效果D有害过热产生制冷效果

（5）在电动离心式冷水机组的制冷系统中，下列哪些参数是必须计量的？

A燃料的消耗量B耗电量

C集中供热系统的供热量D集中供冷系统的补水量

答案：

B、D

分析：

选项A、C是供热系统中必须计量的。

（6）下列哪种因素不会导致水冷电动压缩式冷水机组发生停机？

A压缩机吸气压力过低B压缩机排气压力过高

C油压差过低D冷冻水回水温度高于设计工况值

答案：

D

分析：

选项A、B、C有“过”字。

选项A：

导致压缩机吸气压力过低的可能原因：

压缩机吸气阀堵塞；膨胀阀堵塞；从蒸发器出口到压缩机进口管道堵塞；蒸发压力p0或蒸发温度T0低，人为将膨胀阀关小。

选项B：

导致压缩机排气压力过高的可能原因：

压缩机排气阀堵塞；膨胀阀堵塞；从压缩机出口到冷凝器进口管道堵塞；冷却塔不工作；冷却水压力或温度高。

选项C：

导致油压差过低的可能原因：

油泵损坏。

（7）以下哪个选项，是实现蒸汽压缩制冷理想循环的必要条件？

A制冷剂和被冷却介质之间的传热五温差

B用膨胀阀代替膨胀机

C用干压缩代替湿压缩

D提高过冷度

答案：

A

分析：

《教材》P570

选项B和C：

均为理论循环。

选项D：

为实际循环。

（8）制冷剂的制冷效率标志这不同制冷剂的（）的大小。

A节流损失和过热损失

B制冷量

C耗功量

D压缩比

（9）在相同冷热源温度下，有传热温差的逆卡诺制冷循环与理论制冷循环的制冷系数分别为εc和ε，下列哪一项是正确的？

Aεc=εBεc＞εCεc＜εD条件不够，无法比较

答案：

B

分析：

有传热温差逆卡诺制冷循环1-2’’-3-4’-1功是面积12’’34’1制冷量是面积a14’b’a；理论制冷循环1-2-3-4-1功是面积12301，制冷量是面积14ba1，所以εc＞ε。

（10）下为理论制冷循环图，用膨胀机代替了膨胀阀，膨胀机出口h4=253kJ/kg，蒸发器出口h1=401kJ/kg，压缩机出口h2=423kJ/kg,冷凝器出口h1=257kJ/kg，1）求制冷系数（不考虑制膨胀机功回收）

单位质量制冷量：

q0=h1-h4=401-253=148kJ/kg

压缩比功：

w=h2-h1=423-401=22kJ/kg

制冷系数：

ε=q0/w=148/22=6.73

2）求制冷系数（考虑制膨胀机功回收）：

∆w=h4-h4’=257-253=4kJ/kg

3）求制冷系数（以节流阀代替膨胀机）：

单位质量制冷量：

q0=h1-h4=401-257=144kJ/kg

压缩比功：

w0=h2-h1=423-401=22kJ/kg

制冷系数：

ε=q0/w=144/22=6.55

（11）一个带有回热的制冷循环，会热气与外界绝热，低温制冷剂气体出回热器的状态点为2.压缩过程为等熵压缩，2-3过程为为无效过热。

制冷循环各个状态点的参数如下图。

这个循环的单位容积制冷量是（），性能系数是（）。

A2197，4.67B2357，6.87C4563，3.56D1784，2.65

1

2

3

4

5

6

7

8

h（kJ/kg）