制冷系统基础知识和工作原理

1、制冷系统基础知识和工作原理摄氏温度tc（oC）华氏温度tF（oF）绝对温度T（K）tc=5(tF-32)/9T= tc热工基础知识 - 温度温度是表示物体冷热程度的量度。压力P（Pa）=F（N）/S（m2）绝对压力Pa相对压力Pg =绝对压力-大气压力 1标准大气压（atm5 （Pa ） 常用压力单位： M Pa , k Pa , mmH2O , mmHg , bar , at热工基础知识 - 压 力工程上把单位面积上所受的垂直作用力称为压力。密度kg/m3比容 m3/kg质量流量 kg/s体积流量 m3/s热工基础知识 - 其它常用基本参数热能-物质分子运动的动能热量-热能转移的度量 焦耳（

2、J），千焦耳（kJ）1kWh=3600kJ质量比热一kg物体温度升高1K所吸收的热量 水在常温时的Cp=4.1868kJ/kg. 干空气的定压比热Cp=1.005kJ/kg.热流，功率 kW （1P机就是2500W,2P机就是5100W,5P机就是12500W）热工基础知识 - 热 量热力学第一定律能量既不能创造，也不能消亡，而只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转变成另一种形式。 在任何发生能量转换的热力过程中，转换前后能量的总量维持恒定。热能和机械能是可以相互转换的。 热工基础知识 - 基本物理定律 热力学第二定律热量自发地从高强度体流向低强度体。热量自发地从高温流向低温。 不可能

3、把热量从低温物体传至高温物体而不需要附加条件。热工基础知识 - 基本物理定律 1、热量1）热量传递的途径有：传导、对流、辐射。 （1）热传导： 热在物质内直接传送称为热传导。 热工基础知识-热量传递方式（2）热对流 ：热对流是受热的液体或气体运动传递热量 热工基础知识-热量传递方式（续）（3）热辐射：热辐射是以红外线的方式发射和传递热量。热工基础知识-热量传递方式（续）热工基础知识 - 物质的三态及变化固体液体气体熔解凝固液化汽化升华固化热工基础知识 物质有三种集态：气态、液态、固态。物质集态的改变称为相变。相变过程中，由于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

4、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。 热工基础知识 - 显 热加热水大气压显热：不改变物质状态只引起物质温度变化的热量。热工基础知识 - 潜热、蒸发和沸腾水沸腾 水变成水蒸汽 大气压潜热：不改变物质温度只改变物质状态的热量。热工基础知识 - 饱和、过冷和过热212F 大气压容器内汽液共存212F 100C 100C 汽体液体热工基础知识-过冷过热饱和状态：当液体处在密闭容器内时，液体不断气化，蒸气不断凝结，若在某一时刻，液体气化量等于蒸气凝结量，即气液两相处于平衡共存的状态,这一状态称为饱和状态。它是个动态的平衡。此时，若加入

5、热量则达到一新的饱和状态达到平衡。过冷：饱和液体在饱和压力不变的条件下，继续冷却到饱和温度一下称为过冷，这种液体称为过热液体。下降后的温度称为过冷温度，过冷温度与饱和温度之差称为过冷度。过热：在饱和压力的条件下，继续对饱和蒸汽加热，使其温度高于饱和温度，这种状态称为过热，这种蒸气称为过热蒸汽。升高后的温度称为过热温度，过热温度与饱和温度之差称为过热度。热工基础知识 - 升高饱和点水沸腾压力锅防止蒸汽逃逸。液体表面压力升高使液体的沸点升高bar105C 热工基础知识 - 降低饱和点水沸腾真空泵将空气抽出容器。液体表面压力降低使液体的沸点降低。bar4C 真空泵 制冷系统 -制冷方法及工作原理一.

6、制冷的概念 制冷：就是使某一空间或某物体达到低于其周围环境介质的温度，并维持这个低温的过程。 实现制冷的途径有两种，一是天然冷却，一是人工制冷。 天然冷却利用天然冰或深井水冷却物体，但其制冷量（即从被冷却物体取走的热量）和可能达到的制冷温度往往不能满足生产需要。 人工制冷是利用制冷设备加入能量，使热量从低温物体向高温物体转移的过程。制冷系统 -制冷方法及工作原理二.制冷的分类按照制冷所得到的低温范围，制冷技术划分为以下4个领域： 普通制冷 120K以上 深度制冷 120K20K 低温制冷 20K0.3K 超低温制冷 以下制冷系统 -制冷方法及工作原理三、制冷的基本原理由于热量只能自动地从高温物

7、体传给低温物体，因此实现制冷必须包括消耗能量的补偿过程。制冷机的基本原理：利用某种工质的状态变化，从较低温度的热源吸取一定的热量Q0，通过一个消耗功W的补偿过程，向较高温度的热源放出热量Qk,。在这一过程中，由能量守恒得 Qk= Q0 + W。制冷系统 -制冷方法及工作原理制冷机高温热源THQCQHWQC+W=QH= QC / W低温热源TC基本工作原理制冷系统 制冷方法及工作原理1 液体汽化制冷方法 蒸气压缩式制冷 蒸气吸收式制冷 蒸汽喷射式制冷 吸附式制冷 2 气体的节流效应和绝热膨胀制冷 3 其它制冷方法 热电制冷 磁制冷 涡流管制冷 热声制冷 四.制冷方法利用液体的蒸发可以吸收周围环境

8、的热量。 制冷系统 -蒸汽压缩式制冷 1、制冷的基本思路制冷系统 -蒸汽压缩式制冷制冷系统 -蒸汽压缩式制冷单级蒸汽压缩制冷系统，是由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀四个基本部件组成。它们之间用管道依次连接，形成一个密闭的系统，制冷剂在系统中不断地循环流动，发生状态变化，与外界进行热量交换。制冷循环:制冷剂经过一系列的状态变化后,重新回复到它的初态,称为制冷循环.液体蒸发制冷的特征： 利用制冷剂液体在气化时（蒸发时）产生的吸热效应，达到制冷目的。 其工作过程如图1所示。 2.蒸汽压缩式制冷原理蒸发器冷凝器低压高压压缩机膨胀阀蒸气液体制冷系统 -蒸汽压缩式制冷图3-1 压缩式制冷循环原理图四个

9、必要组成部分:压缩机冷凝器节流（膨胀）装置蒸发器蒸发器冷凝器低压高压压缩机膨胀阀蒸气液体制冷系统 -蒸汽压缩式制冷气体高温高压液体低温低圧气体低温低压压缩机（压缩）耗电做功使低温低压冷媒气体变为高温高压气体冷凝器（冷凝）向空气放出冷媒的热量使气态冷媒变为液态膨胀阀（膨胀）降低冷媒压力调整冷媒流量蒸发器（蒸发）空气吸收冷媒的冷量使液态冷媒变为气态液体高圧高温制冷系统 -蒸汽压缩式制冷制冷循环的蒸发过程制冷剂液体在低压（低温）下蒸发，成为低压蒸气制冷系统 -蒸汽压缩式制冷制冷循环的压缩过程将该低压蒸气压缩为高压蒸气制冷系统 -蒸汽压缩式制冷制冷循环的冷凝过程将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体制冷系统

10、 -蒸汽压缩式制冷制冷循环的节流过程高压液体降低压力重新变为低压液体。上述四个过程依次不断循环，进而达到制冷目的。PITI制冷系统 -蒸汽压缩式制冷制冷过程综述制冷剂工质以液态在蒸发器中吸热制冷，低温液体吸收汽化潜热变成制冷剂气体被压缩机吸入并压缩，被压缩的气体压力和温度都增高，之后流进冷凝器，冷凝器以风冷水冷等形式对制冷剂气体进行冷凝，冷凝后的高温高压液体储存在冷凝器底部及储液器中，冷凝时放出的热量通过风机、水泵等设备带出并散到环境中，当高温高压的液体流经膨胀阀后，以低温低压的液体状态再进入蒸发器吸收汽化潜热而制冷，如此完成制冷循环。 制冷系统 -蒸汽压缩式制冷制冷系统 -蒸汽压缩式制冷蒸气

11、压缩式制冷系统的构成压 缩 机热 交 换 设 备节 流 机 构管 道各 种 控 制 阀辅 助 部 件蒸气压缩式制冷系统的构成制冷四大金刚压缩机：作用：提升压力低压（低温）气体被吸入压缩机并被压缩成高压（高温）气体。 压缩机分为容积型和速度型两种,速度型主要有离心式压缩机,容积型可分为活塞式和回转式,其中回转式又包括滚动转子式,滑片式,单螺杆,双螺杆和蜗旋式.冷凝器： 从压缩机出来的高温制冷剂气体进入冷凝器，在一定压力下释放热量变成液体。高温制冷剂在冷凝器中冷凝。制冷系统 -蒸汽压缩式制冷节流装置 (膨胀阀) ：液体经过节流装置使压力下降。孔板、热力膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管等蒸发器：液体制冷剂

12、进入蒸发器蒸发为气体。制冷剂在蒸发器中吸收热量。（输送冷量）制冷四大金刚制冷系统 -蒸汽压缩式制冷制冷系统 -蒸气吸收式制冷 吸收式制冷利用溶液在一定条件下能析出低沸点组分的蒸气，在另一种条件下又能吸收低沸点组分这一特性完成制冷循环。 目前吸收式制冷机多用二元溶液，习惯上称低沸点组分为制冷剂，高沸点组分为吸收剂。吸收式制冷基本原理整个系统包括两个回路： 制冷剂回路 溶液回路制冷系统 -蒸气吸收式制冷在溴化锂吸收式制冷机运行过程中，当溴化锂水溶液在发生器内受到热媒水的加热后，溶液中的水不断汽化；随着水的不断汽化，发生器内的溴化锂水溶液浓度不断升高，进入吸收器；水蒸气进入冷凝器，被冷凝器内的冷却水

13、降温后凝结，成为高压低温的液态水；当冷凝器内的水通过节流阀进入蒸发器时，急速膨胀而汽化，并在汽化过程中大量吸收蒸发器内冷媒水的热量，从而达到降温制冷的目的；在此过程中，低温水蒸气进入吸收器，被吸收器内的溴化锂水溶液吸收，溶液浓度逐步降低，再由循环泵送回发生器，完成整个循环。如此循环不息，连续制取冷量。由于溴化锂稀溶液在吸收器内已被冷却，温度较低，为了节省加热稀溶液的热量，提高整个装置的热效率，在系统中增加了一个换热器，让发生器流出的高温浓溶液与吸收器流出的低温稀溶液进行热交换，提高稀溶液进入发生器的温度。制冷系统 -蒸汽喷射式制冷原理：和蒸汽压缩式及吸收式制冷相似，均是利用液体汽化时吸收热量来

14、制冷的。系统组成：喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀及泵五部分。系统流程图： 工作过程： 用锅炉产生高温高压的工作蒸汽，将其送入喷嘴，膨胀并以高速流动（流速可达1000m/s以上），于是在喷嘴出口处，造成很低的压力，由于吸入室和蒸发器相连，所以蒸发器中的压力也会很低，低温低压的部分水吸热而汽化，将未汽化的水的温度降低。这部分低温水就可用于制冷。蒸发器中产生的冷剂水蒸气和工作蒸汽在喷嘴出口处混合，一起进入冷凝器，被外部的冷却水冷却而变成液态水，这些冷凝水再由冷凝器引出，分两路，一路经过节流降压后送往蒸发器，继续蒸发制冷，另一部分用泵提高压力送往锅炉，重新加热产生工作蒸汽。制冷系统 -蒸汽喷射式制冷制

15、冷系统 -吸附式制冷 一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，并且吸附能力随吸附剂温度的不同而不同。周期性地冷却和加热吸附剂，使之对制冷剂交替吸附和解吸。吸附时制冷剂液体蒸发，产生制冷作用，解吸时，释放出制冷剂气体，并使之冷凝成液体，从而完成整个制冷循环。工作介质：吸附剂和制冷剂；常见的吸附工质对有：沸石水；硅胶水，氯化钙氨等 活性碳甲醇；金属氢化物氢制冷系统 -吸附式制冷 间歇式吸附式制冷系统（太阳能制冷机） 以沸石水工质对为例说明其工作过程： 白天，吸附床受日光照射温度升高产生解析作用，从沸石中脱附出水蒸汽，系统内的水蒸气压力升高，当达到与环境温度对应的饱和压力时，水蒸汽在冷凝器中凝

16、结，同时放出潜热，凝水储存在蒸发器中，夜间，吸附床冷下来，沸石温度逐渐降低，它吸附水蒸汽的能力逐渐提高，造成系统内压力降低，同时，蒸发器中的水不断蒸发出来，用以补充沸石对水蒸汽的吸附，水蒸发的过程吸热，达到制冷的目的。 说明：吸附床的作用相当于压缩机所起的作用。制冷系统 -吸附式制冷制冷系统 -绝热膨胀制冷基本原理：高压气体通过膨胀机绝热膨胀时，对外输出功率，同时气体的温度降低 A 压缩机 B 空气冷却器 C 膨胀机 D 制冷室定压循环空气制冷机系统 制冷系统 -其它制冷方法珀尔帖效应基本原理 基本原理： 利用珀尔帖效应原理达到制冷目的，即在两种不同金属组成的闭合线路中，通以直流电流，会产生一

17、个接点热，另一个接点冷的现象，称为温差电现象。半导体材料所产生的温差电现象较其他金属要显著得多，一般热电制冷都采用半导体材料，所以也称之为半导体制冷。 1.热电制冷热电制冷的原理：制冷系统 -其它制冷方法制冷系统 -其它制冷方法 1931年，法国工程师兰克（Ranque）发现旋风分离器中旋转的空气流具有低温，于是他在1933年发明了一种装置，可以使压缩气体产生涡流并能将气流冷、热两部分，其中冷气流用来制冷，该装置称为涡流管，又叫兰克管。这种制冷方法称为涡流管制冷 原理：是使压缩气体产生涡流运动并分离成冷、热两部分，其中冷气体用来制冷。组成：喷嘴、涡流室、孔板、管子和控制阀。原理图：如右图2.涡

18、流管制冷制冷系统 -其它制冷方法磁致冷首先是给磁体加磁场，使磁矩按磁场方向齐排列（磁熵变小），然后再撤去磁场，使磁矩的方向变为紊乱（磁熵变大），这时磁体从周围吸收热量，通过热交换使周围环境的温度降低，达到致冷的目的。也就是所谓磁致冷就是利用磁性体的磁矩在无序态和有序态之间来回交换的过程中，磁性体放出或吸收热量的冷却方法。 3.磁制冷制冷系统 -其它制冷方法热声制冷机基本原理 1 高温热源 2 热端换热器 3 热声板叠 4 冷端换热器 5 谐振管 6 低温热源热声制冷的概念是美国LosAlamodynamics国家实验室的J.C. Wheatley等人在80年代提出的。简单地说热声制冷就是利用热声效应的制冷技术 4.热声制冷1.制冷剂 制冷剂是制冷循环中传热的载体，通过状态的变化吸收和放出热量，因此要求制冷剂在常温下很容易气化，加压后很容易液化，而且在状