液体相变制冷与热泵(专题)-高校版

1、盛 伟 （博士，副教授机械(jxi)与动力工程学院2013年11月15日液体相变制冷(zhlng)与热泵Liquid phase change refrigeration and heat pump共七十八页主要(zhyo)内容一 引言二 液体相变制冷三 节流过程的热力学特征 四 液体相变制冷与热泵(r bn)装置五 制冷剂状态图六 单级压缩制冷理论循环七 单级压缩制冷实际循环主要内容2共七十八页主要(zhyo)内容熟悉概念：相变制冷、节流、单级压缩制冷、过冷、过热、回热；能够基本理解和熟悉家用空调器制冷制热原理；能够基本理解和熟悉家用冰箱制冷的基本原理；能够基本理解

2、和熟悉冷凝器和蒸发器在制冷系统中的重要作用(zuyng)；能够结合理论分析实际制冷过程存在的问题；能够解释夏天空调规定在26的原因；学习目的3共七十八页一 引言(ynyn)相变制冷的常见(chn jin)应用4共七十八页一 引言(ynyn)哪个更好，更节能？相变制冷的常见(chn jin)应用5共七十八页哪个更节能？一 引言(ynyn)相变制冷的常见(chn jin)应用6共七十八页 国务院法制办2007年7月3日全文公布征求意见的民用建筑节能条例(草案)规定： “除特殊用途外，夏季室内(sh ni)空调温度设置不得低于26，冬季室内空调温度设置不得高于20 。” ？一 引言(ynyn)相变制

3、冷的常见应用7共七十八页二 液体(yt)相变制冷 物质有三种集态：气态、液态、固态(gti)。物质集态的改变称为相变。 相变8共七十八页 相变过程中，由于(yuy)物质分子重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量，这种热量称作潜热。 物质发生从质密态到质稀态的相变时，将吸收潜热；反之，当它发生由质稀态向质密态的相变时，放出潜热。潜热(qinr)吸收潜热吸收潜热二 液体相变制冷9共七十八页 相变制冷就是利用“物质发生从质密态到质稀态的相变时，吸收潜热”这一“吸热效应”而实现(shxin)的。 利用液体相变的，是液体相变（汽化）制冷；二 液体(yt)相变制冷10共七十八页加热(ji r)降

4、低压力如何实现(shxin)液体(相变)汽化？水及水蒸气状态表二 液体相变制冷11共七十八页如何实现液体(yt)汽化？降低(jingd)压力水及水蒸气状态表二 液体相变制冷12共七十八页如何(rh)降低压力？二 液体(yt)相变制冷节流膨胀13共七十八页 压缩式制冷的实质就是依赖于节流(ji li)装置引起的节流降压，从而引起制冷剂产生相变制冷。二 液体(yt)相变制冷14共七十八页三 节流过程的热力学特征(tzhng)1 节流的定义(dngy)(Throttle) 高压流体（气体、液体或汽液混合物）在稳定流动过程中，快速通过阻力元件（节流阀、细管等）达到低压的过程。2 典型的节流元件-节流阀

5、 时间短-绝热 热力学特征压力下降，比容增加不可逆过程，节流后的熵增大 节流前后焓不变，h1=h215共七十八页三 节流过程的热力学特征(tzhng)实际过程：h=f(T,p) 节流前后温度(wnd)有可能发生变化温度变化升高不变降低焦耳-汤姆逊效应(Joule-Thomson effect，简称J-T效应)上述温度变化效应称为：16共七十八页三 节流过程的热力学特征(tzhng)3 节流过程的物理(wl)实质对于实际气体，存在上述三种情况；对于气液两相区物质，总有 节流后T 降低， 对于液体物质， T 不变。17共七十八页三 节流过程的热力学特征(tzhng)节流前的压力小于最大转化压力节流

6、前的温度在上、下转化温度之间对不同(b tn)的工质，其转化曲线的位置不同(b tn)。氮的转化曲线18共七十八页三 节流过程的热力学特征(tzhng)以上讲述(jingsh)表明：（1）对于实际气体，存在着温度转化曲线，因此节流降压后，温度不一定降低；（2）对于气液两相区物质，总有节流降压后，温度总是降低。 液体相变制冷正是基于（2）原理得以实现。 结霜位置结霜位置19共七十八页 问题是：单一的节流装置并不能构成完整意义的制冷(zhlng)循环装置。 为了使其连续不断地工作，成为(chngwi)一个循环，必须使制冷剂经历蒸发汽化、蒸气压缩、高压气体冷却液化和高压液体降压四个过程，从而完成制冷

7、循环。四个过程所对应的设备部件为：蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀。 四 液体相变制冷与热泵装置20共七十八页gdW高温热源低温热源qq四 液体相变制冷与热泵(r bn)装置 制冷(zhlng)循环过程用于制冷(zhlng)的叫制冷装置，用于制热的叫热泵装置21共七十八页家用电冰箱散热器冷冻室蒸发器节流阀储液器压缩机200C10atm3atm700C100Cgqqd氟利昂四 液体相变制冷(zhlng)与热泵装置22共七十八页空调(kn dio)装置四 液体相变制冷(zhlng)与热泵装置23共七十八页 根据液体相变制冷与热泵循环的工作(gngzu)原理，可以设计制造出各种制冷与热泵装置： 水饺速

8、冻机、汽车空调、冰箱(bngxing)、分体空调、冷库、保鲜柜、中央空调四 液体相变制冷与热泵装置24共七十八页 还有喜欢玩CPU超频的达人们，可以(ky)利用这种原理，给CPU增加降温器。四 液体(yt)相变制冷与热泵装置25共七十八页五 制冷剂状态图p-h 图 制冷剂在上述制冷装置中，运行状态如何变化？其运行过程(guchng)中的热力学状态如何？能否实现状态变化的热工计算？ 26共七十八页五 制冷剂状态图p-h 图等压线 水平线等焓线 垂直线等干度线 湿蒸汽(zhn q)区域内等熵线 向右上方倾斜等容线 向右上方倾斜等温线 垂直线（未） 水平线（湿） 向右下方弯曲（过）p-h图27共七十

9、八页五 制冷剂状态图p-h 图28共七十八页六 单级压缩制冷(zhlng)理论循环 理论循环的假设条件离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气是处于蒸发压力下的饱和蒸气；离开冷凝(lngnng)器和进入膨胀阀的液体是处于冷凝(lngnng)压力下的饱和液体；压缩机的压缩过程为等熵压缩；29共七十八页制冷剂通过膨胀阀的节流过程为等焓过程；制冷剂在蒸发和冷凝过程中为定压过程，且没有传热温差，即制冷剂的冷凝温度等于冷却介质温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度。制冷剂在各设备的连接管道(gundo)中流动没有流动损失，与外界不发生热量交换。六 单级压缩制冷(zhlng)理论循环30共七十八页六 单级压缩制冷(

10、zhlng)理论循环1-2：压缩(y su)过程2-4：冷凝过程 4-5：膨胀过程 5-1：蒸发过程 单级蒸气压缩式制冷热泵理论循环在压焓图上的表示h2ph042315pkp0h1h4=h5蒸汽压缩制冷理论循环ph图31共七十八页六 单级压缩制冷理论(lln)循环理论(lln)循环的热力计算计算的主要依据：稳定流动的能量平衡方程其中 Q 系统的换热热量 P 系统的耗功量 系统工质的质量流量 进出系统的焓值32共七十八页六 单级压缩制冷理论(lln)循环1、节流阀对于(duy)节流阀，与外界无热量交换也不做功，则 方程可简化为：则有：33共七十八页六 单级压缩制冷(zhlng)理论循环对于压缩机

11、，与外界没有(mi yu)热量交换，则方程变成：其中， 称为理论比功2、压缩机34共七十八页六 单级压缩(y su)制冷理论循环13、蒸发器对于蒸发器，设备(shbi)不做功，但有热量交换，则可列方程：为单位质量制冷量为单位容积制冷量为容积流量35共七十八页六 单级压缩制冷(zhlng)理论循环4、冷凝器对于冷凝器，不做功，但有热量交换，则有能量方程(fngchng)：其中， 为冷凝器单位热负荷36共七十八页六 单级压缩制冷(zhlng)理论循环5、制冷系数(xsh)性能系数对于制冷循环：对于热泵循环：37共七十八页六 单级压缩制冷理论(lln)循环单级压缩制冷(zhlng)理论循环计算例题

12、假定循环为单级压缩蒸气制冷的理论循环，蒸发温度 ，冷凝温度 ，工质 为R22，循环的制冷量 ，试对该循环进行热力计算。 38共七十八页六 单级压缩制冷(zhlng)理论循环由R22压焓图，查得39共七十八页六 单级压缩制冷理论(lln)循环40共七十八页七 单级压缩制冷实际(shj)循环 前面讨论的制冷循环过程，是在一系列假设基础之上的理论循环，在实际问题中，还要考虑到以下问题：1、液体的过冷；2、气体的过热(u r)；3、系统中可能存在的不凝结气体的影响；4、管道中的热交换以及压力损失等；41共七十八页 实际(shj)循环与理论循环的差异实际循环中，离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气往往是过

13、热蒸气；实际循环中，离开冷凝器和进入膨胀阀的液体往往是过冷液体；实际循环中，压缩机的压缩过程不是等熵压缩；七 单级压缩(y su)制冷实际循环42共七十八页实际循环与理论循环的差异实际循环中，制冷剂通过膨胀阀的节流过程不完全绝热，节流后焓值有所增加；实际循环中，在蒸发器和冷凝器处存在传热温差，即制冷剂的冷凝温度高于冷却介质温度，蒸发温度低于被冷却介质的温度；实际循环中，制冷剂在管道及设备内流动是存在阻力损失(snsh)，并与外界存在热量交换。 七 单级压缩制冷(zhlng)实际循环43共七十八页1、液体过冷对循环性能(xngnng)的影响两个基本概念：过冷：制冷剂液体的温度低于同一压力下饱和状

14、态的温度；两者温度差值称为过冷度。过冷度的大小取决于冷凝系统的设计以及制冷剂与冷却(lngqu)介质之间的温差。k七 单级压缩制冷实际循环44共七十八页 过冷产生的影响(yngxing)： （1）增加单位制冷量； （2）对于给定的制冷量，制冷剂流量减小； （3）对压缩机而言，理论比功不变，而单位制冷量增加，故制冷系数增加；k七 单级压缩制冷实际(shj)循环45共七十八页七 单级压缩制冷实际(shj)循环 增加过冷度的目的(md)是为了减少节流后的干度，从而可以增大制冷量。 有三种方法可以增加过冷度： （1）增加再冷却器，通入深井水； （2）增加冷凝器的传热面积； （3）系统中使用回热器； 过

15、冷循环理论上总是有利的，而且过冷度越大，对制冷循环越有利；但是要综合考虑投资回报等技术经济与技术之间的矛盾。46共七十八页七 单级压缩制冷实际(shj)循环 试比较(bjio)理论循环与过冷循环的性能。假定两个循环的冷凝温度 均为40，蒸发温度 均为-5 ，过冷循环中液体的温度由40过冷到35 ，两个循环的压缩机吸入状态均为蒸发压力 下的饱和蒸气状态，工质为R22，制冷量 。解：查图、表及进行相关计算可得47共七十八页七 单级压缩(y su)制冷实际循环48共七十八页七 单级压缩制冷(zhlng)实际循环2、 蒸汽过热对循环性能(xngnng)的影响过热：制冷剂蒸气的温度高于同一压力下饱和状态

16、的温度；两者温度差值称为过热度。49共七十八页七 单级压缩(y su)制冷实际循环产生过热(u r)的三种方式：（1）蒸发器中过热；（2）管道中过热；（3）回热过热；50共七十八页七 单级压缩制冷(zhlng)实际循环过热对循环性能产生的影响：（1）过热循环中压缩机排气温度升高了；（2）循环比功增加了；（3）冷凝器的热负荷增加了；（4）对于给定的压缩机，质量流量减少了；（5）过热对制冷量及制冷系数的影响取决与过热是否(sh fu)产生有效过热；51共七十八页七 单级压缩(y su)制冷实际循环无效过热 没有在蒸发器中吸热，因而没有产生制冷效果的过热方式； 产生的影响(yngxing)：（1）单

17、位制冷量不变，单位容积制冷量减少，对于给定的压缩机，循环制冷量降低；（2）循环比功增加，循环制冷系数下降；（3）无效过热为有害过热，而且蒸发温度越低，与环境温差越大，循环经济性越差。52共七十八页七 单级压缩制冷实际(shj)循环有效过热 过热产生与蒸发器中，因而(yn r)产生了制冷效果称为有效过热； 产生影响：（1）单位容积制冷量可以增加也可以减少，与制冷剂本身的特性有关；（2）制冷系数可以增加也可以减少，与制冷剂本身的特性有关；53共七十八页七 单级压缩制冷(zhlng)实际循环54共七十八页七 单级压缩制冷实际(shj)循环55共七十八页 由以上图示可知，过热对NH3、R22、R11等

18、物质不利，无效(wxio)过热将更加恶化。七 单级压缩制冷实际(shj)循环56共七十八页 试比较理论循环与过热循环的性能。假定(jidng)两个循环的冷凝温度均为 ，蒸发温度 均为-5，出冷凝器时的状态均为冷凝压力下的饱和液体状态，在过热循环中，吸入蒸气由-5 过热到10 ，工质为R22，理论循环的压缩机容积 。七 单级压缩(y su)制冷实际循环57共七十八页七 单级压缩制冷(zhlng)实际循环58共七十八页七 单级压缩制冷实际(shj)循环59共七十八页3、气-液热交换（回热）对循环性能(xngnng)的影响七 单级压缩(y su)制冷实际循环60共七十八页热交换器中，有：回热循环中，

19、单位(dnwi)制冷为：单位制冷量的增加量为：循环的比功增加为： 采用回热循环后，单位制冷量增加，比功也增加，故制冷系数可以(ky)增加也可以(ky)减少，与有效过热的影响一致；七 单级压缩制冷实际循环61共七十八页七 单级压缩(y su)制冷实际循环采用回热的理由：1、对于R12、R502、丙烷等工质而言，回热后单位容积制冷量和制冷系数增加；2、对于氨、R22等工质而言，虽然单位容积制冷量和制冷系数减少，但是，为了保证压缩剂的安全运行，仍然需要吸入口蒸汽的过热，其中采取回热是比较理想的办法。3、为了防止液体进入节流装置以前(yqin)就发生了气化，要求节流前有一定的过冷度。62共七十八页七

20、单级压缩制冷(zhlng)实际循环在图示的回热循环中，假定 工质分别为丙烷和氨，试确定回热器中液体的出口(ch ku)温度 和循环性能指标，并和理论循环加以比较。 解：根据已知条件，查相关图表得：63共七十八页七 单级压缩(y su)制冷实际循环64共七十八页七 单级压缩制冷实际(shj)循环考虑到实际过程中还存在的管道、换热器损失以及(yj)压缩机散热等损失后的单级压缩循环图65共七十八页七 单级压缩制冷(zhlng)实际循环1、蒸发温度对循环性能的影响（讨论蒸发温度降低(jingd)的情况）（1）单位容积制冷量蒸发温度下降，单位容积制冷量降低66共七十八页七 单级压缩制冷(zhlng)实际

21、循环67共七十八页七 单级压缩制冷(zhlng)实际循环（2）比容积(rngj)功随着蒸发温度的降低， 增加，而 也增加，故 有可能增加也有可能减少。68共七十八页七 单级压缩制冷实际(shj)循环69共七十八页七 单级压缩(y su)制冷实际循环经过理论推导，认为压缩比约为3时，功率(gngl)消耗最大。推导过程如下：70共七十八页七 单级压缩制冷实际(shj)循环蒸发温度降低时，制冷系数(xsh)下降。71共七十八页七 单级压缩制冷实际(shj)循环2、冷凝温度对循环(xnhun)性能的影响对冷凝温度升高的情况进行讨论（1）单位容积制冷量 单位制冷量降低，而1点状态参数不变，因此，单位容积制冷量降低。72共七十八页七 单级压缩(y su)制冷实际循环（2）比容积(rngj)功 理论比功增加，而1点状态参数不变，因此，因此，比容积功增加。（3）制冷系数 制冷