冷冻原理.docx

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冷冻原理

1.冷冻原理

※1.1用语的说明

（1）温度（℃）K

所谓的温度就是将冷、暖的程度用数量表示。

一般使用的温度单位是摄氏（℃）和华摄（℉）两种。

摄氏是把水的沸点用100℃，冰点用0℃表示，它们之间分为100等分。

世界中没有比这个更低的温度。

热力学中的最低温度是决对零度（K）表示量度单位

绝对温度和摄氏温度的关系如下所示：

K=273+（℃）

（2）压力（MPaabs）（MPagauge）

绝对压力是以绝对真空作为零基准表示的。

包围在地球表面一层很厚的大气层对地球表面或表面物体所造成的压力称为“大气压”。

以绝对压力为标准，大气压的压力是0.101325MPaabs。

以大气压为基准的叫做表压。

普通的压力表表示这个压力。

与绝度压力的关系如下所示

表压力（MPagauge）=绝对压力—大气压0.101325MPaabs

（3）显热.潜热

（a）显热是物体的温度变化过程吸收或放出热量。

（b）潜热是物体发生状态变化过程吸收或放出的热量。

蒸发热（凝缩热）：

从液体变化成气体（从气体变化成液体）所需的热量

溶解热（凝固热）：

从固体变化成液体（从液体变化成固体）所需的热量

升华热：

从固体直接变化成气体所需的热量

（4）热量的单位（kＪ）

在大气压（0.101325MPa）下，使1g的水温度上升1摄氏度所需的热量。

以4.1868J@15℃作为单位表示。

（5）比热（kJ/kg.K）

1kg的物质温度上升（或下降）1摄氏度所需的热量叫做比热。

分为定压比热Cp（kJ/kg.K）和定容比热Cv（kJ/kg.K）。

Cp,Cv都是随着温度及压力的变化而变化。

定压比热是：

压力一定时，单位质量的物质温度变化所需要的热量。

定容比热是：

体积一定时，单位质量的物质温度变化所需要的热量。

即使是相同质量的物质，它们的温度上升或下降所需的热量由物质的不同也不同。

.空气：

Cp=1.005kJ/kg.K（@大气压）

.水：

Cp=4.1868kJ/kg.K（@大气压）

物体W（kg）温度t（℃）上升或下降所需的热量Q（kJ）与比热C（kJ/kg.K）有以下关系式

.Q=W×C×t（kJ）

（6）热功当量及功热当量

功、热、能量，功可变化成热或热可变化成功。

消耗功W（N.m）产生的热量Q（kJ）它的关系如下所表示

．Q=AW或者W=A/Q

但是A=0.001kJ/N.m

功和热的比值A叫做功的热当量；A分之一叫做热的功当量。

比方说，有摩擦力的情况下用1N的力将物体移动1m，这时就产生了1N·m的功。

这个功转变为热，产生了1J的热。

这就是功的热当量。

.1J=1N.m

.1kW=3600kJ/h

（7）比焓（kJ/kg）

把某种基准状态以0检测的物质所带有的能量。

符号h表示，就像焓被称做总热量一样物体本身内部储存热量的合计。

（8）比熵（kJ/㎏·ｋ）

比熵并不是能量，也不是像温度一样能感知测定的物理学上的单位。

对某种物质增加热时熵就会增加，如果冷却将减少相当的量，所以假设没有热的出入比熵的值也不会有所改变。

然而在压缩机冷媒蒸气被压缩时，由于压缩将在极其短的时间内完成，所以可以认为这其间冷媒没有热的出入。

从而我们也可以知道这种压缩，比熵将不会有所变化。

（9）比容（m3/kg）

比容是1kg的物质所占的体积。

把比容的倒数叫做比重量（㎏/m3）

（10）饱和蒸气压力

如果把液体放在一个密闭的容器里，液体的一部分不断蒸发成为蒸气。

但如果在一定的温度时达到界限后将不会在蒸发。

把这种在该温度下达到限度后的状态叫做饱和状态。

在饱和状态下的蒸气叫做饱和蒸气，液体叫做饱和液体。

另外，在该温度下的饱和蒸气的压力叫做饱和蒸气压力。

※1.2冷冻的定义

夺取物体热量就会使周围的温度下降。

冷冻有很多种方法。

接下来举例说明利用热的方法的种类。

（1）溶解热：

由固体变化为液体（从液体到固体）所需的热

（2）蒸发热：

由液体变化为气体（从气体到液体）所需的热

（3）升华热：

由固体直接变化为气体（气体直接变化为固体）所需的热

这些热叫做潜热，物体状态变化所需的热。

※1.3压缩式冷冻机的原理

（1）液体蒸发时的冷却效果

水状态变化时的温度和状态变化所需的热量的关系如图所示：

（2）全氟化碳蒸发时的冷却效果

全氟化碳R22的蒸发温度和压力的关系以下所示，像全氟化碳一样在低温易蒸发的液体在冷冻机中被充当制冷媒介的东西叫做冷媒。

R22在-40.8℃时蒸发时需从周围夺取相当于1Kg约234kJ的热量。

冷冻机就是利用这个蒸发热进行冷却。

蒸发后的R22返回至液体。

再次蒸发的话冷媒不用排出，通过循环一定量的冷媒进行冷却。

把蒸发后的R22进行液化需要更低温度的冷却，R22蒸气压缩,将压力提高至1.5MPa后蒸气降低42℃以下后液化。

应此利用30℃以下的水和空气冷却的话可以使其液化。

根据这个原理实际的冷冻机是使用压缩机压缩将低压蒸气压缩成高压蒸气，然后利用水和空气冷却的冷凝器将其液化。

1.4压缩式冷冻机的构成

以上介绍了关于压缩式冷冻机的原理。

它的构造如图1.5所示。

压缩式冷冻机主要由蒸发器、压缩机、冷凝器以及膨胀阀4个部分组成，冷媒就是通过它们循环。

（1）高压部和低压部

压缩机到冷凝器再到膨胀阀之间因为都是管道依次连接，所以压力相同。

用冷却水或空气将冷媒蒸气冷凝的话需要很高的压力。

把这个叫做高压部。

膨胀阀到蒸发器再到压缩机之间因为都是管道依次连接，所以压力相同。

使液体冷媒蒸发需要很低的压力。

把这叫做低压部。

（2）主要部件的作用

（a）压缩机的作用

吸入蒸发器蒸发出来低温低压冷媒气体，把这个压力提高到冷凝器的饱和压力后再送至冷凝器。

（b）冷凝器的作用

由压缩机出来的高压高温的冷媒蒸气用水或者空气使它冷却凝缩成为高温中压的液体冷媒。

（C）膨胀阀的作用

是将从冷凝器出来的液体冷媒进行减压。

另外对于蒸发器所需的冷媒量可以自动进行调节。

（d）蒸发器的作用

蒸发低温的冷媒液达到冷却作用。

※1.5压力比焓线图

冷媒在冷冻装置内循环过程中，在各机器内是怎样变化的，对于知道冷媒需要多少热能和功的变化是非常必要的。

可是用数值表表示的话一眼很难推断全体循环的状态。

把冷媒的性质用线图表示的话更为实用、方便。

所以采用各种线图表示。

在表示冷冻机时它是以比焓h作为横坐标，以绝对压力p作为纵坐标绘制而成的P-h线图。

P-h线图也可以叫做以创始人命名的莫理尔线图。

1.5.1P-h线图的构成

P-h线图以绝对压力p作为纵坐标，比焓h作为横坐标。

压力P是绝对压力MPaabs的单位，比焓是冷媒每1kg的热量，单位以kJ/Kg表示。

线图由饱和液线、饱和蒸气线、等压线、等焓线、等熵线、等容线、等干度线构成

（1）饱和液线和饱和蒸气线

（a）临界点：

表示在这个温度以上即使压缩也不会凝缩的临界状态。

（b）饱和液体线：

表示将要蒸发的冷媒液体状态。

它的左边是液体冷媒区域，右边是湿饱和液体和饱和蒸气的混合领域。

（c）饱和蒸气线：

这个曲线状的冷媒是干饱和蒸气。

它的右边是过热蒸气区域，饱和蒸气线和饱和液体线之间的区域是湿饱和蒸气。

（2）饱和区域

饱和液体线和饱和蒸气线之间的区域叫做饱和区域，这个区域内是冷媒液体和冷媒蒸气共存的湿蒸气。

（3）过冷却区域

饱和液体线的左侧是过冷却区域，在这个区域内的是过冷却状态的冷媒液。

（4）过热区域

饱和液体线的右侧是过热区域，在这个区域内的是过热状态的冷媒蒸气。

（5）等温线

经过过冷却区域、饱和液体和过热区域将表示温度相同的各点用点划线连接起来成一条线，这条线就等温线。

等温线在过冷却区为竖直线。

饱和区域与这个温度下表示饱和压力的水平线一致；在过热区为向右下方向的曲线。

（6）等容线（v）

将表示1Kg冷媒体积的比容相同的各点用线连接起来的曲线叫做等比容线。

（7）等比焓线（s）

表示比焓相同的各点连接的线叫做等比焓线。

在P-h线图上表示时沿着这条线表示冷媒蒸气的断热压缩变化。

（8）等干度线

液体和蒸气共存状态下所含蒸气的重量比例叫做干度。

干度0.1，就是表示0.1蒸气和0.9液体的比例混合。

将干度相同的湿饱和蒸气点连接而成的曲线叫做等干度线。

※1.6压焓线图上的冷冻循环

1.6.1冷冻循环的构成

1.4项对冷冻机的构成进行了介绍，下面介绍了冷媒在压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器中的循环时的各种状态变化。

（a）压缩机：

低压、低温的冷媒气体被断热压缩变成高压、高温的气体

（b）冷凝器:

高温、高压的冷媒气体在一定压力下被冷却，凝缩变成中温的液体

（c）膨胀阀:

高压、中温的冷媒液体受阻后变成低压、低温的湿饱和蒸气。

（d）蒸发器：

冷媒吸入外界的热量，蒸发成为低温、低压的气体。

冷媒在各个机器中的状态变化以P-h线图上的表示如图1.7

图1.7热泵的主要构成机器和P-h线图上的循环

1.6.2压缩机方面的断热压缩

压缩机压缩气体时沿着「等比焓线图」由①→②的变化。

把它叫做「断热压缩」或「等比焓压缩」。

伴随着压缩气体的压力和温度上升，变成高温高压的「过热蒸气」。

压缩完成（②点）比焓h2比压缩开始（①点）比比焓h1大，这是因为压缩功变成热量储存在冷媒中。

（h2-h1）表示压缩功的热当量。

1.6.3有关冷凝器的变化

从压缩机出来的高压冷媒气体（②点），是由于在冷凝器的冷却空气或冷却水的热量被夺取而使得温度下降。

其变化从②点开始沿着压力PC线往左进展，到与饱和蒸气线相交的点时就成了饱和蒸气。

成为饱和蒸气的冷媒接着在压力PC温度tC一定的条件下热量被夺取凝缩，到与饱和液线相交点时就成了饱和液。

凝缩完了时，成为饱和液的冷媒再次冷却，热量被夺取，直到③点被过冷却。

关于凝缩器冷媒的变化是从过热气体的状态②直到过冷却液的状态③的直线②—③所表示,

其比焓的减少由（h2—ｈ3）来表示。

1.6.4有关膨胀阀的节流作用

（1）节流作用

遇到流体的通路突然变窄的地方时，流体的压力就会突然下降。

像这样的压力下降方法就叫做节流作用。

然而，节流作用因与外部无热交换，而且与功无关系，所以，此变化的前后时流体所带的热量也不会变化。

因此，这种变化等就是等焓变化。

通过调节节流的大小就可以调节压力的大小，其次，通过的流体的量也可以调节。

膨胀阀就是利用这种方来进行节流的。

（2）有关膨胀阀的变化

因为膨胀阀是起节流的作用，所以冷媒的状态变化在P—ｈ线图上就是等焓线，也就是用垂直线表示通过膨胀阀时，压力PC的过冷却液从③点开始到垂直压力Pe下降到④点。

这时无比焓的变化ｈ3＝ｈ4

④点的状态是湿蒸气，其干度ｘ4就是A④/AB。

1.6.5有关蒸发器的变化

进入蒸发器的冷媒的状态在P—ｈ线图上的④点表示。

也就是，蒸发压力Pe蒸发温度te干度x4的湿饱和蒸气。

④点的状态的冷媒吸取蒸发器周围的热，在B点蒸发完成后成干燥饱和蒸气，接着从B点到①点过热。

这时被过热的量（与饱和温度的温度差）就叫过热度。

在蒸发器的冷媒变化在P—ｈ线图上的线分A—①表示，比焓的变化量是（ｈ1—ｈ4）。

1.6.6冷冻循环的理论

（1）冷冻效果

在冷冻循环内，1㎏的冷媒冷冻得到的热量叫做冷冻效果q1（KJ/㎏），可以以蒸发器出入口的比焓差表示。

q1＝ｈ1—ｈ4（KJ/㎏）

（2）冷冻能力

冷冻循环的冷冻能力Q（kW）,是在冷冻循环内循环的冷媒G（㎏/ｈ）与冷冻效果q1（KJ/㎏）相乘的值，按以下的算式来表示。

Q＝G×q1×（1/3600）（kW）

（3）功的热当量

在冷冻循环的压缩工事中，冷媒的功热当量AW可以用②和①点的比焓的差来计算。

AW＝ｈ2—ｈ1（KJ/㎏）

（4）冷凝器除去的热量

冷凝器除去的热量q2（KJ/㎏），是蒸发器吸热的热量和压缩工作所增加的功的热当量相加的和来计算的。

q2＝ｈ2—ｈ3＝q1＋AW（KJ/㎏）

（5）理论动力

假设冷冻循环的冷媒循环量为G（㎏/ｈ），理论动力P（kW）就按以下的算式来计算。

p＝G×AW×（1/3600）（kW）

（6）成绩系数

压缩工作的功热当量AW相对的冷冻效果q1的比就叫理论成绩系数COP，按以下的算式来计算。

COPc＝q1/AW（制冷）

COPh＝q2/AW（制热）

＝（q1＋AW）/AW

＝1＋COPc

另外，实际的成绩系数是制冷能力（制热能力）与消耗电力相除所得。

COP＝Q/P