制冷原理与装置课堂ppt第一章

1、2021-11-261第一章第一章 制冷的热力学基础制冷的热力学基础n制冷机、热泵、联合机制冷机、热泵、联合机按逆向循环工作按逆向循环工作n据热力学第一定律：向高温热源的放热量等据热力学第一定律：向高温热源的放热量等于从低温热源的吸热量与所消耗的功之和。于从低温热源的吸热量与所消耗的功之和。公式表示如下：公式表示如下：n制冷机：制冷机：n热泵：热泵：n联合机：联合机：00kahhQwQQwQQwQ2021-11-262n在制冷技术范围内，常用的人工制冷方法有：在制冷技术范围内，常用的人工制冷方法有：n相变制冷；气体绝热膨胀制冷；气体涡流制冷；相变制冷；气体绝热膨胀制冷；气体涡流制冷；热电制冷等

2、。热电制冷等。2021-11-263第一节第一节 相变制冷相变制冷一、物质的相变特性一、物质的相变特性（一）液体汽化（一）液体汽化 汽化汽化吸收汽化潜热吸收汽化潜热 实际制冷循环中，高压液体节流压力降低，实际制冷循环中，高压液体节流压力降低，产生闪发气体，干度为产生闪发气体，干度为x x。此时。此时1Kg1Kg制冷剂汽制冷剂汽化所吸收的热量为：化所吸收的热量为： ()/rhhT sskj kg0(1)/qrxkJ kg2021-11-264( (二二) )固体的融化与升华固体的融化与升华n融化：固体变为液体的过程。一般用冰融化吸收潜融化：固体变为液体的过程。一般用冰融化吸收潜热制冷。热制冷。n

3、升华：固体直接变为气体的过程。一般用干冰升华升华：固体直接变为气体的过程。一般用干冰升华吸收潜热制冷。吸收潜热制冷。n在水的三相点温度下，冰可以直接升华为水蒸气。在水的三相点温度下，冰可以直接升华为水蒸气。冰升华时的温度与相应的压力有关。见表冰升华时的温度与相应的压力有关。见表1-1。图图片片表表11.tif2021-11-2652021-11-266n冰盐混合物的融化过程可以达到冰盐混合物的融化过程可以达到0以下的温以下的温度。度。n冰盐冷却所能达到的温度与盐的种类及溶液的冰盐冷却所能达到的温度与盐的种类及溶液的浓度有关。见表浓度有关。见表1-2。图片图片表表12.tifn溶液冰：由共晶溶液

4、冻结成的冰，也称共晶冰。溶液冰：由共晶溶液冻结成的冰，也称共晶冰。2021-11-267n在共晶固体未完全融化成液体之前，它的温度在共晶固体未完全融化成液体之前，它的温度是不变的，称为共晶温度。是不变的，称为共晶温度。n表表1-3为一些用于制冷目的的共晶溶液的物理为一些用于制冷目的的共晶溶液的物理性质。性质。图片图片表表13.tif2021-11-268二二.压压焓图焓图 在制冷行业中用处最大，用得最多的是压在制冷行业中用处最大，用得最多的是压焓图。焓图。 通常使用的压通常使用的压焓图均用压力取对数作纵坐标。焓图均用压力取对数作纵坐标。 图上共有六个状态参数，相应有六簇等状态参数图上共有六个状

5、态参数，相应有六簇等状态参数曲线。曲线。分别为：分别为： 压力压力 pbar； 比焓比焓 hkj/kg； 温度温度 t； 比熵比熵 skj/kg.K； 比体积比体积 vm3/kg；干度；干度 x 无因次无因次 2021-11-269第二节第二节 绝热膨胀制冷绝热膨胀制冷 气体制冷机是利用高压气体的绝热膨胀以达到低温，气体制冷机是利用高压气体的绝热膨胀以达到低温，并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制冷。并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制冷。 气体膨胀制冷有三种方式：气体膨胀制冷有三种方式： 1.高压气体经膨胀机膨胀，有外功输出，温度降大。高压气体经膨胀机膨胀，有外功输出，温度降大。膨胀

6、机结构复杂，一般气体制冷机均采用。膨胀机结构复杂，一般气体制冷机均采用。 2.气体经节流阀膨胀，无外功输出，温度降小，设备气体经节流阀膨胀，无外功输出，温度降小，设备结构简单，便于进行气体流量的调整。结构简单，便于进行气体流量的调整。 3.绝热放气制冷绝热放气制冷在低温制冷机中大量使用，普冷中在低温制冷机中大量使用，普冷中极少采用。极少采用。2021-11-2610一一.有外功输出的膨胀过程有外功输出的膨胀过程等等熵膨胀熵膨胀n温度随微小压力变化而变化的关系即微分温度随微小压力变化而变化的关系即微分等熵效应：等熵效应：ssppTTvPCT2021-11-2611n对于理想气体：对于理想气体：,

7、12121111ps idkkvRTPTkPkpTTTTp2021-11-2612n实际膨胀过程中，按多变过程膨胀。实际膨胀过程中，按多变过程膨胀。n理想气体的积分等熵效应由下式确定：理想气体的积分等熵效应由下式确定：nm多变过程的多变指数。多变过程的多变指数。1212111mmpTTTTp2021-11-2613二二.节流膨胀过程节流膨胀过程n如节流过程中气体与环境之间无热量交换，则节流如节流过程中气体与环境之间无热量交换，则节流前后焓值保持不变。前后焓值保持不变。n节流会产生冷效应、热效应及零效应三种情况，利节流会产生冷效应、热效应及零效应三种情况，利用节流的冷效应可以制冷。用节流的冷效应

8、可以制冷。n节流降温但不制冷，节流有摩擦损失。节流降温但不制冷，节流有摩擦损失。n理想气体：理想气体：u和和pv仅是温度的函数，所以仅是温度的函数，所以h也是温也是温度的函数。度的函数。n理想气体节流时，理想气体节流时，u=0； h=0； 所以所以 T=0；n对于实际气体对于实际气体u、h不仅与不仅与T有关，还与有关，还与p有关。有关。2021-11-2614n节流后节流后p降低，降低，T可能升高、降低或不变。微可能升高、降低或不变。微分节流效应（或焦耳分节流效应（或焦耳汤姆逊效应）为：汤姆逊效应）为：hhTp2121pphTTTTdpp2021-11-2615n纯物质在饱和区域内，在相同的压

9、降下具有相纯物质在饱和区域内，在相同的压降下具有相同的温差同的温差T。 因此：因此：shshdTdpTTTvvppr2021-11-2616第三节第三节 制冷热力学特性分析制冷热力学特性分析循环可分循环可分正向循环正向循环热机，按顺时热机，按顺时针方向进行针方向进行逆向循环逆向循环制冷机或热泵，按制冷机或热泵，按逆时针方向进行。逆时针方向进行。循环又可分为循环又可分为可逆循环可逆循环不可逆循环不可逆循环2021-11-2617n 内部不可逆内部不可逆摩擦、扰动等摩擦、扰动等n不可逆过程包括不可逆过程包括n 外部不可逆外部不可逆温差传热等温差传热等一一.热源温度不变时的逆向可逆循环热源温度不变时

10、的逆向可逆循环逆卡逆卡诺循环诺循环n逆向卡诺循环：当高温热源和低温热源的温逆向卡诺循环：当高温热源和低温热源的温度不变时，具有两个可逆的等温过程和两个度不变时，具有两个可逆的等温过程和两个可逆的绝热过程组成的逆向循环，称为逆向可逆的绝热过程组成的逆向循环，称为逆向卡诺循环。卡诺循环。n在相同的温度范围内，逆向卡诺循环是效率在相同的温度范围内，逆向卡诺循环是效率最高的制冷循环，无任何不可逆损失。最高的制冷循环，无任何不可逆损失。n逆卡诺循环的温熵图如下：逆卡诺循环的温熵图如下：n23过程放热量：过程放热量：n 面积面积23562n41过程吸热量：过程吸热量：n 面积面积145612314qT s

11、sT ss0014qTss2021-11-2620n据热力学第一定律：据热力学第一定律：面积面积123410000014qwqwqqTTss2021-11-2621n消耗单位功所获得的制冷量的值，称为消耗单位功所获得的制冷量的值，称为制冷系数。制冷系数。n制冷系数与低温热源的温度成正比，与制冷系数与低温热源的温度成正比，与高低温热源的温差成反比。当高低温热高低温热源的温差成反比。当高低温热源的温度一定时，制冷系数为定值。制源的温度一定时，制冷系数为定值。制冷系数与制冷剂的性质无关。冷系数与制冷剂的性质无关。01400000140TssqTwTTssTT2021-11-2622n高低温热源温度变

12、化对制冷系数的影响：高低温热源温度变化对制冷系数的影响： 结论：结论：002000020000TTTTTTTTTTTT 0200000022000000022001()01()TTuvuuvvvTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT2021-11-2624具有传热温差（外部不可逆）的逆向卡具有传热温差（外部不可逆）的逆向卡诺循环：循环的诺循环：循环的T-S图如下：图如下：2021-11-2625n如如 和和 为可逆过程，则循环为可逆过程，则循环的制冷系数为：的制冷系数为：n由卡诺定理得知，由卡诺定理得知， 总是小于总是小于3412000kTTT02021-11-2626n热力完善度：实际循

13、环的制冷系数与工作于相同热力完善度：实际循环的制冷系数与工作于相同温度范围内的逆向卡诺循环的制冷系数之比。其温度范围内的逆向卡诺循环的制冷系数之比。其值恒小于值恒小于1。n制冷系数与热力完善度的异同：制冷系数与热力完善度的异同：1.两者同为衡量制冷循环经济性的指标；两者同为衡量制冷循环经济性的指标；2.两者定义不同。制冷系数为制冷循环总的制冷量两者定义不同。制冷系数为制冷循环总的制冷量与所消耗的总功之比。与所消耗的总功之比。 热力完善度为实际循环的制冷系数与工作于相同热力完善度为实际循环的制冷系数与工作于相同温度范围内的逆向卡诺循环的制冷系数之比。温度范围内的逆向卡诺循环的制冷系数之比。202

14、1-11-2627n3.两者的作用不同。制冷系数只能用于衡量两两者的作用不同。制冷系数只能用于衡量两个工作于相同温度范围内的制冷循环的经济性，个工作于相同温度范围内的制冷循环的经济性，热力完善度可用于衡量两个工作于不同温度范热力完善度可用于衡量两个工作于不同温度范围内的制冷循环的经济性。围内的制冷循环的经济性。n4.两者的数值不同。制冷系数一般大于两者的数值不同。制冷系数一般大于1，热，热力完善度恒小于力完善度恒小于1。二.变温热源时的逆向可逆循环变温热源时的逆向可逆循环洛伦兹洛伦兹循环循环n制冷机在实际工作中，被冷却对制冷机在实际工作中，被冷却对象和环境介质的温度往往是随着象和环境介质的温度

15、往往是随着热交换过程的进行而变化的。热交换过程的进行而变化的。n图图1-4表示的循环即为高温热源表示的循环即为高温热源和低温热源温度变化时的情况。和低温热源温度变化时的情况。循环为循环为a-b-c-d-a；制冷量为面；制冷量为面积：积：a-d-d-a-a。2021-11-2629如要用一个由两个定温过如要用一个由两个定温过程和两个绝热过程组成的程和两个绝热过程组成的循环代替，则：循环代替，则：制冷剂向高温热源的放过制冷剂向高温热源的放过程为：程为：b-g，温度，温度Tb；制冷剂从低温热源的吸热制冷剂从低温热源的吸热过程为：过程为：d-1，温度，温度Td； 要获取与循环要获取与循环a-b-c-d

16、-a相同的制冷相同的制冷量，则需进行循环量，则需进行循环e-f-g-d-e。n循环循环a-b-c-d-a与循环与循环e-f-g-d-e比较：比较：n制冷量面积制冷量面积 a-d-d-a-a； n a-d-d-a-an功耗面积功耗面积 a-b-c-d-a； n e-f-g-d-en在热源温度变化的条件下，由两个和热在热源温度变化的条件下，由两个和热源之间无温差的热交换过程及两个等熵源之间无温差的热交换过程及两个等熵过程组成的逆向可逆循环是消耗功最小过程组成的逆向可逆循环是消耗功最小的循环，即制冷系数最高的循环。的循环，即制冷系数最高的循环。n热源温度变化时循环的热力完善度可表热源温度变化时循环的

17、热力完善度可表示成：示成：n洛伦兹循环制冷系数的计算：可分解成洛伦兹循环制冷系数的计算：可分解成无数个微元循环计算。无数个微元循环计算。l 2021-11-2632n见图见图1-5整个循环的制冷系数可表示为：整个循环的制冷系数可表示为：aoiodibakoioicdommomT dsqqqTdsT dsTTT2021-11-2633nT Tm m 及及T TOmOm是热力学意义上的平均温度。是热力学意义上的平均温度。所以所以洛伦兹循环的制冷系数等于一洛伦兹循环的制冷系数等于一个以放热平均温度个以放热平均温度T Tm m 和以吸热和以吸热平均平均温度温度T TOmOm为高低温热源的逆向卡诺循为高

18、低温热源的逆向卡诺循环的制冷系数。环的制冷系数。2021-11-2634三三.热能驱动制冷循环热能驱动制冷循环n吸收式制冷循环即为热能驱动的制冷循环。实际吸收式制冷循环即为热能驱动的制冷循环。实际上为三热源循环。据热力学第一定律：上为三热源循环。据热力学第一定律：q qk k=q=qH H+q+q0 0n对于可逆制冷机，根据热力学第二定律，在一个对于可逆制冷机，根据热力学第二定律，在一个循环中熵增为零。循环中熵增为零。koHaHoooHaHaoHqqqTTTqTTTqTTT00000000111(1)1kHHkHaHHaaHHHaaHaHHHqqqqqqq TTq TqTqTqTqTTqTTT

19、TqTT n经济性能是以热力系数作为评价指标的。经济性能是以热力系数作为评价指标的。n热力系数：获得的制冷量与消耗的热量之比。热力系数：获得的制冷量与消耗的热量之比。用用0 0表示。表示。ooHaoHaoHqTTTqTTT2021-11-2637n结论：通过输入热量制冷的可逆制结论：通过输入热量制冷的可逆制冷机，其热力系数等于工作于冷机，其热力系数等于工作于Ta、T0之间的逆向卡诺循环制冷机的制冷系之间的逆向卡诺循环制冷机的制冷系数与工作在数与工作在 TH、Ta之间的正卡诺循之间的正卡诺循环的热效率的乘积，由于后者小于环的热效率的乘积，由于后者小于1，因此：因此： 0总是小于总是小于0。202

20、1-11-2638四四.压缩蒸汽制冷循环压缩蒸汽制冷循环n流程图见图流程图见图1-7。n组成的基本设备：压缩组成的基本设备：压缩机、冷凝器、节流设备、机、冷凝器、节流设备、蒸发器。蒸发器。n进行四个热力过程。进行四个热力过程。n压缩机：对工质进行压压缩机：对工质进行压缩过程，消耗外功缩过程，消耗外功W，将工质压力升高；将工质压力升高；n冷凝器：为换热器，将来自压缩机的高温、冷凝器：为换热器，将来自压缩机的高温、高压气体冷却并冷凝成液体。工质对外放出高压气体冷却并冷凝成液体。工质对外放出热量热量qk；n节流设备：将工质压力由冷凝压力降低为蒸节流设备：将工质压力由冷凝压力降低为蒸发压力，同时温度降

21、低；发压力，同时温度降低；n蒸发器：也为换热器，经过节流的制冷剂在蒸发器：也为换热器，经过节流的制冷剂在其中汽化，吸收汽化潜热完成制冷。吸热量其中汽化，吸收汽化潜热完成制冷。吸热量为为q0；2021-11-2640循环的制冷系数：循环的制冷系数：q0单位质量制冷量。单位质量制冷量。定义：单位质量制冷剂在一次循环中从低定义：单位质量制冷剂在一次循环中从低温热源所吸收的热量。温热源所吸收的热量。 单位压缩功（比功）。单位压缩功（比功）。定义：压缩机压缩单位质量的制冷剂所消定义：压缩机压缩单位质量的制冷剂所消耗的功。耗的功。w000QqWw2021-11-2641n - -流经压缩机的制冷剂质量流量流经压缩机的制冷剂质量流量,Kg/s,Kg/s；n - -压缩机吸入口处的制冷剂体积流压缩机吸入口处的制冷剂体积流量量,m,m3 3/s/s。nq qv v=q=q0 0/v/v1 1 kj/mkj/m3 3nq qv v- -单位容积制冷量；单位容积制