《制冷技术》课件1.docx
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《制冷技术》课件1
1.1概述
1.1.1什么是制冷技术?
是研究和处理低温工程问题、满足人们对低于
环境温度的空间或低温条件的需要而产生和发展起
来的一门学科。
1.1.2制冷技术应用范畴
1.空调制冷技术
2.普通制冷技术
3.冷藏冷冻技术
4.低温制冷技术
5.超低温制冷技术
1.1.3制冷技术面临挑战
1.实现CFCs和HCFs的完备替代,保护大气
臭氧层免遭破坏和抑制温室效应
2.改善制冷空调设备和系统效率,提高节
能减排效果
3.高新技术在制冷和空调系统中应用
1.2制冷技术内容
1.2.1制冷定义
制冷(refrigeration)是用人工的方法在一定时
间和一定空间内将某物体或流体降温,使其温度降
到环境温度以下,并保持这个低温。
注意:
1.制冷是将被冷却物体温度降到低于环境温度的
过程。
2.制冷是将热量由低温转移到高温的过程。
3.制冷是消耗能量的过程。
4.制冷由制冷机械和制冷剂循环来实现。
1.2.2制冷技术重点
1.制冷方方式多样化及其特点
2.制冷循环热力学分析和计算(log-p图使用)
3.制冷剂特性
4.制冷机械设备性能及节能
5.制冷装置自动化和智能化技术(机电一体化)
1.2.3制冷温度划分
1.普通制冷:
温度高于120K
深度制冷:
温度在120~20K
低温制冷:
温度在20~O.3K
超低温制冷:
温度低于0.3K
2.作用:
(1)根据制冷技术学科的温度特点去探索和应用。
(2)表明制冷温度范围不同,制冷方式,原理、制
冷工质和设备性能间有差别。
1.3制冷方法简介
本课程简要介绍以下几种制冷方式:
(1)蒸气压缩式制冷
(2)蒸气喷射式制冷
(3)吸收式制冷
(4)吸附式制冷
(5)空气膨胀制冷
(6)热电制冷
1.3.1蒸气压缩式制冷
1.工作原理:
(1)利用制冷剂气、液相变完成热量转移;
(2)利用机械式地压缩和膨胀完成制冷剂相变而
制冷。
2.制冷设备与制冷剂相匹配:
3.蒸气压缩式制冷系统:
1—蒸发器
2—节流装置
3—冷凝器
4—压缩机
5—原动机
4.特点:
(1)系统结构简单,使用方便
(2)制冷循环效率较高
(3)能量调节灵活,制冷温度范围广
(4)机电一体化程度较高
(5)各种压缩机适应性能好
(6)制冷温度过低时单级制冷循环效率较低
1.3.2蒸气喷射式制冷
1.工作原理:
(1)高压工作蒸气引射制冷剂低压蒸发而
制冷
(2)低压工作蒸气与制冷剂蒸气混合后扩
压冷凝
(3)消耗热能产生高压工作蒸气
(4)工作蒸气与制冷剂为相同工质
2.蒸气喷射式制冷循环示意图
1—喷射器(a一喷嘴b一扩压器c一吸人室),2—冷凝器
3—压力锅炉,4—制冷剂泵,5—节流装置6—冷媒水泵
7—蒸发器,8—空调用户末端系统
3.特点:
(1)制冷循环结构简单,加工方便
(2)没有运动部件,可靠性高
(3)能利用一次能源
(4)不足之处是所需工作蒸气的压力高,喷射
器流动损失大而效率低
(5)喷射器增压与蒸气压缩式循环相结合使
用,提高效率
1.3.3吸收式制冷
1.吸收原理:
利用吸收剂吸收气化的制冷剂蒸气,制冷剂气
化带走气化潜热而产生制冷效应。
吸收了制冷剂蒸
气的吸收剂在发生器中消耗热能而释放出制冷剂蒸
气,重新恢复吸收能力。
2.吸收对:
吸收式制冷中吸收蒸气的介质叫吸收剂,被
吸收蒸气是制冷剂。
二者称为吸收对。
吸收剂沸点
高,制冷剂沸点低。
二者组成非挥发性溶质溶液。
例:
溴化锂—水、水—氨等。
3.溴化锂吸收式制冷示意图:
1—溶液泵
2—发生器
3—冷凝器
4—制冷剂节流
装置
5—蒸发器
6—吸收器
7—吸收剂节流
装置
4.溴化锂吸收式制冷原理图:
(1)制冷剂循环由3、4、
5、6、1和2组成。
工作时,外
界热量给2内稀溶液加热沸腾发
生出高压制冷剂蒸气进3,被冷
却冷凝为液体,制冷剂液体经
4节流后到5内蒸发产生制冷效
应。
低压制冷剂蒸气进入6内
由浓吸收剂吸收。
(2)吸收剂循环由2、7、
6、1组成。
工作时,2内稀溶
液被加热蒸发出制冷剂蒸气变
为浓溶液,经过7节流后到6内
吸收从5的制冷剂蒸气变为稀溶
液,稀溶液由1增压并送入2加
热释放制冷剂蒸气,重变为浓
溶液,周而复始循环。
1—溶液泵,2—发生器,
3—冷凝器,4—制冷剂节流装置
5—蒸发器,6—吸收器
7—吸收剂节流装置
5.特点:
(1)以一次能源热能为驱动能源
(2)利用低品位热能(废气热、废水热)
(3)节约电耗
(4)运转部件少,噪音低
(5)机组处于真空状态,安全可靠
(6)采用冷热电联产运行,提高能源利用效率
1.3.4吸附式制冷
1.吸附原理:
固体微孔材料具有吸附气体的特性。
不同固体
吸附剂对不同制冷剂气体产生吸附效应。
吸附能力
随吸附剂温度而变化:
降低吸附剂温度吸附能力增
强(吸附);升高其温度吸附能力减弱(脱附)。
2.吸附对:
吸附式制冷中吸附蒸气的固体叫吸附剂,被吸
附蒸气是制冷剂。
二者称为吸附对。
例:
沸石—
水、硅胶—水、活性碳—甲醇、金属氢化物—氢等
3.吸收式和吸附式的区别
(1)相同点:
二者均利用制冷剂相变(蒸发和
冷凝)传递热量,均利用工质对相互作用制冷。
(2)相异点:
吸附式制冷利用固体介质吸附制
冷剂蒸气,并通过降温和升温来进行吸附和脱附
过程,完成制冷;吸收式制冷利用液体吸收剂来
吸收制冷剂蒸气,并通过发生和吸收过程使吸收
剂浓、稀变化,完成制冷。
4.吸附式制冷系统示意图
1—蒸发器
2—冷凝器
3—吸附床
截止阀A、
B、C、D、
E、F
5.吸附式制冷工作原理:
(1)吸附:
阀门A、B、E、F关闭,阀门C、D打
开。
基本吸附单元中吸附床吸附制冷剂蒸气,蒸
发器内制冷剂蒸发,从载冷剂(低温热源)中吸
收热量,相当于蒸气压缩式制冷中制冷剂节流降
压和蒸发吸热过程;
(2)脱附:
阀门A、B、E、F打开,阀门C、D关
闭。
外界加热热量予吸附床,被吸附气体脱离吸
附剂,通过冷凝器凝结向冷却流体(高温热源)
释放热量,相当于蒸气压缩式制冷中制冷剂蒸气
由“压缩机”升压后在冷凝器中放热过程。
6.特点:
(1)利用热源驱动,可适应高、低品位热量
(2)可利用余热、废热和可再生能源
(3)系统简单,无运动部件,运行可靠性高
(4)选用对环境污染小的吸附对
(5)系统间歇性制冷
(6)制冷效率不高
(7)发生在同一吸附床的间歇性吸附和脱附的
彻底性决定了传热传质特性和制冷效率。
1.3.5空气膨胀制冷
1.工作原理:
k−1
⎛⎞k
p
⎜⎟
T=T⋅
低
⎜⎟
高
p
⎝⎠
低
高
理想气体(空气)膨胀
后温度降低,取决于:
压缩比、膨胀前温度和
绝热指数
2.空气膨胀制冷系统示意图
1—空气压缩机,2、4、5—截止阀,
3—被冷却空间,6—膨胀机,
7—空气冷却器
3.特点:
(1)可运用到冷藏冷冻装置和空气调节系统
(2)用于空调时,可采用开式循环或者闭式循
环。
开式循环中,既节省换热器,又采用冷热气
体直接混合,减小温差传热,提高循环效率
(3)以空气为制冷剂,对大气没有污染
(4)空气比热小,制冷效率低
(5)气气热交换效果欠佳
1.3.6热电制冷
1.热电效应(帕尔帖(Peltire)效应):
电流流过两种不同导体界面时,冷端从
外界吸收热量,热端向外界放出热量。
ϑ=dQ
pl
dI
P型半导体(空穴型)和N型半导体(电子
型)材料用金属材料连接,形成热电制冷基本电
偶。
其叠加帕尔帖系数为:
ϑto=ϑP−ϑN
直流电路中,电
2.热电制冷原理:
流I的电子由金属
板5流向P型半导
体材料时,电子与该
材料内部空穴产生复
合效应而放出热量;
当电子离开P型材料
进入金属板1时电子
和空穴产生离解效应
而吸收热量。
结果在
金属板1左侧吸收热
量Q01而制冷,形成
冷端;在金属板5左
侧放出热量Qk1,形
1、3、5—金属板节点,2—电臂之一
(N型材料),4—直流电源,6—电
臂之二(P型材料)
成热端。
右边N型材
料相同。
3.特点:
(1)装置没有机械运动部件,可靠性能好
(2)噪音低
(3)对环境无污染
(4)灵活性强、使用方便,适合于微型制冷领域
或特殊要求用冷场合
(5)受热电材料特性限制,热电制冷效率较低
(6)热电材料价格较昂贵
(7)使用直流电源,整流设备增加体积和成本
1.4热泵技术简介
1.4.1热泵:
人工地将热量从低温环境传送到
被加热对象中,并维持加热对象温度不变的泵热
设备。
也叫制热过程。
1.4.2热泵与制冷同、异点:
1.相同:
热泵和制冷的热力学循环相同,制冷系
统可兼顾热泵系统。
2.相异:
(1)使用目的不同。
目的是将被冷却
对象的热量转移,保持该温度低于大气环境温
度,即:
制冷机。
目的是将环境热量转移到高于
环境温度的被加热对象中,并保持这个高温条
件,即:
热泵。
(2)工作温度区间不同。
●制冷循环将大气环境作为高温热源而放热,
工作温度范围在大气环境和被冷却对象温度(低
温热源)之间。
●热泵循环把大气环境作为低温热源而吸取热
量,工作温度范围在大气环境和被加热对象温度
(高温热源)之间。
●如果从低温热源吸取热量而制冷,向高温热
源排出热量,该循环完成制冷和制热两种功能,
该装置是制冷机和热泵的综合。
1.4.3热泵循环系统:
1—止回阀,2—板式换热器,3—四通换向阀,4—回热型汽液分离器,
5—压缩机,6—空气侧换热器,7—贮液器,8—截止阀,9—干燥过滤器,
10—电磁阀,11—视液镜,12—单向膨胀阀
1.5制冷中的热力学
可逆的正向卡诺热机循环。
由热力学第一定律消耗能量
Qg=W+QW
1.5.1热机循环效率:
热力循环效率定义为单位消耗热
量所得到的输出功率:
ηH=QWg
由热力学第二定律,两个恒温热源
间的可逆循环,循环熵增为零:
Qg
=Q
W
Tg
Ta
整理上式,得:
ηH=W=1−
Ta
Q
Tg
g
1.5.2制冷循环性能系数
所获效益
1.定义:
性能系数(COP)=
所耗能量
2.制冷系数(消耗二次能源):
εc=Q
0
W
3.热力系数(消耗热能):
ξ=Q
0
Qg
4.制冷系数热力学推导(二次能源):
可逆的逆向卡诺热机循环。
由热力学第一定律;
Qk=W+Q0
由热力学定二定律,在两个
恒温热源之间工作的可逆循
环,完成一个循环的熵增为
零:
QkQ0
=
TaT0
整理上述公式,得:
ε=Q0
1
WTa/T0−1
=
5.结论:
上式对任何可逆制冷循环均适宜。
分析:
1)工作在两个恒温热源间的可逆制冷循环,仅与
热源温度有关,与系统所用的制冷剂性质无关;
2)制冷系数值与两个热源高、低温度的比值相
关。
高温热源温度越低,低温热源温度越高,制
冷系数越高,说明系统循环效率高。
反之亦然;
3)制冷系数值最大,表明输入单位功所得制冷量
最多。
6.制冷系数热力学推导(一次能源):
由热力学第一定律:
Qk=Qd+Q0
由热力学定二定律,可逆循环的熵增为零:
QQQd
=+
k
0
TaTTd
0
整理后,得:
⎛⎞
ξ=Q=
1
1
T
⋅⎜−⎟=ε⋅ηH
0
a
⎜⎟
QTa/T0−1T
⎝⎠
d
d
7.结论:
(1)热力系数和制冷系数的关系是后者乘以热机
效率等于前者。
即:
以热量驱动的制冷循环等价
于将驱动热源的热量经过一个热机转换为机械
能,再用机械能带动该制冷循环;
(2)要提高制冷循环的热力系数,除了降低高温
热源温度Ta、提高低温热源温度T0、提高制冷系数
外,还要提高驱动热源温度Td以提高热能转换机
械能的效率。
反之亦然;
(3)热力系数与Ta、T0、Td等温度有关,与制冷
剂和可逆循环方式无关;
(4)热力系数值最大,单位热量的制冷量最多。
1.5.3制冷循环热力完善度
1.定义:
热力完善度ϑ=实际循环性能系数
可逆循环性能系数
2.消耗二次能源热力完善度:
ϑ=ε
r
ε
3.消耗一次能源热力完善度:
ϑ=ξ
r
ξ
ϑ
1.5.4制冷系数和热力完善度经济性:
(1)相同点:
制冷系数和热力完善度均反映制冷
循环经济性;
(2)不同点:
制冷系数与循环中传热温差、制冷
剂特性以及系统损失有关,是衡量制冷机械经济
性的绝对值。
热力完善度是度量一个实际制冷循
ϑ
。
环与可逆制冷循环的比值,表示制冷机械实际循
环效率与可逆循环理想值的差异程度,是一个相
对值。
在任意热源工作条件、任一机型之间均具
有可比性。
(3)制冷系数COP值可以大于1、小于1或等于1,
而热力完善度值永远小于1。
ϑ
1.5.5制冷系数和制热系数关系:
1.制冷系数:
Q0
εc=
W
2.制热系数:
QW+Q0=1+εc
εh==
k
W
W
制冷机械的制冷系数值可以大于1、小于1
或等于1,而制热系数值恒大于1。