第十二章冷冻

第十二章冷冻第1页，共41页，2023年，2月20日，星期三2、热力循环：体系经过一个过程的变化，热和功有一定的转换，如果从初始状态经过若干过程后，回复到原状态，又完成了热与功的转换，而物质状态发生周期性变化。该循环过程称为热力循环。一、热力学第一定律（一）封闭体系热力过程1、封闭体系:与外界无物质交换，但可以有热、功交换的热力学体系，即只有能量传递，没有物质传递。

热力学第一定律恰好描述了热力学体系中热与功转换的数量关系。第2页，共41页，2023年，2月20日，星期三3、热力学第一定律：以热和功的形式传递的能量必定对应于系统的内能确定的变化。

对于任一制冷系统，由热力学第一定律可知：进入系统的能量—离开系统的能量=系统中积累的能量（H1+Q）－

(H2+W)=0Q=（H2－

H1）+WH1制冷剂进入系统时的焓kJ/kgH2制冷剂离开系统时的焓kJ/kgW制冷剂对外所做的机械功kJ/kgQ外界传递至制冷剂的热量kJ/kg第3页，共41页，2023年，2月20日，星期三二、热力学第二定律热量总是自发地由高温物体向低温物体传递；若使热量由低温向高温物体传递，则必须消耗一定的外加能量。人工制冷实质上就是消耗一定的电能热能或其他能量，使热量由低温热源传递至高温热源。第4页，共41页，2023年，2月20日，星期三对于温度为T的系统，当有热量输入或输出时，过程的熵变可表示为△S=S2﹣S1=△S—过程的熵变S1—系统在初始状态下的熵S2--系统在终了状态下的熵Q—输入或输出系统的热量T—系统的温度第5页，共41页，2023年，2月20日，星期三 三、温熵图

一点：临界点 三区：气相区、液相区、湿蒸气区 五态：过冷液体、饱和液体、饱和蒸气、过热蒸气、湿蒸气 八线：等压线、等焓线、等温线、等熵线、饱和蒸气线、饱和液体线、等干度线、等容线第6页，共41页，2023年，2月20日，星期三三、温熵图K点：临界点；K点左支曲线:饱和液体曲线；K点右支曲线:饱和蒸汽曲线；等压线群:ABCD；等焓线群:EF；等比容υ线群:GHJ（虚线）；等温t线群（水平线）等熵S线群（垂线）过冷液体过热蒸汽第7页，共41页，2023年，2月20日，星期三第二节单级蒸气压缩制冷（refrigerator）循环

单级蒸气压缩制冷循环所必需的机器和设备总称为压缩蒸气制冷机，简称蒸气制冷机。

第8页，共41页，2023年，2月20日，星期三能量（energy）的传递和转化.制冷循环的热力学分析热力学循环热源温度不变时的逆向可逆循环——逆卡诺循环

当高温热源和低温热源随着过程的进行温度不变时，具有两个可逆的等温过程和两个等熵过程组成的逆向循环。在相同温度范围内，它是消耗功最小的循环，即热力学效率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失。正向循环

热能转化为机械功逆向循环消耗功第9页，共41页，2023年，2月20日，星期三单级蒸汽压缩式制冷循环“冷源”指需冷却的空间“热源”则指制冷机放热的对象

制冷循环就是通过一定的能量补偿，从低温热源吸热，向高温热源排热。热源的温度决定制冷剂吸热与排热的温度与压力，相应地决定了制冷循环中的高低压的压力比。第10页，共41页，2023年，2月20日，星期三单级蒸汽压缩式制冷循环单级蒸汽压缩式制冷系统由压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器组成。制冷剂蒸汽压缩、冷凝成液体，放出热量冷凝后的制冷剂流经节流元件进入蒸发器。从入口端的高压pk降低到低压p0，从高温tk降低到低温t0，并出现少量液体汽化变为蒸汽。制冷剂液体在低压（低温）下蒸发吸热制冷剂蒸汽回到压缩机中压缩单级循环原理图动画第11页，共41页，2023年，2月20日，星期三制冷系统各部件的主要用途压缩制冷剂蒸汽，提高压力和温度放热，使高压高温制冷剂蒸汽冷却、冷凝成高压常温的制冷剂液体得到低温低压制冷剂制冷剂液体吸热、蒸发、制冷第12页，共41页，2023年，2月20日，星期三单级蒸汽压缩式制冷循环容积式压缩机的单级压缩比受压缩机容积效率和压缩终了温度的制约通常被限制在8～10离心式压缩机的单级压缩比受工质分子量大小与叶轮的周边速度制约

通常被限制在2～4

第13页，共41页，2023年，2月20日，星期三蒸汽压缩式制冷系统的构成各种控制阀辅助部件蒸汽压缩式制冷系统的构成四个主要部件压缩机冷凝器节流件蒸发器不可缺少管道净化贮集分离设备第14页，共41页，2023年，2月20日，星期三压缩机压缩机按压缩原理有两大类：容积型速度型容积型压缩机通过对运动机构作功，以减少压缩式容积，提高蒸汽压力来完成压缩功能。速度型压缩机由旋转部件连续将角动量转换给蒸汽，再将该动量转为压力。

压缩式制冷系统的心脏主机有用功的输入、制冷剂在系统中的循环流动压缩机称为第15页，共41页，2023年，2月20日，星期三热交换设备制冷系统的热交换设备主要是冷凝器和蒸发器，它们是制冷剂与外部热源介质之间发生热交换的设备。⒈冷凝器

用冷凝器将制冷剂从低温热源吸收的热量及压缩后增加的热焓排放到高温热源。

⒉蒸发器

蒸发器是制冷机中的冷量输出设备。制冷剂在蒸发器中蒸发，吸收低温热源介质（水或空气）的热量，达到制冷的目的。

第16页，共41页，2023年，2月20日，星期三节流机构、管道节流机构控制进入蒸发器的制冷剂；对制冷剂的流动起扼制作用；使来自冷凝器的高压液态制冷剂压力降低。管道用管道将制冷机各组成部件连接成一个完整的制冷系统，使制冷剂在封闭的系统中循环。第17页，共41页，2023年，2月20日，星期三单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成制冷压缩机冷凝器节流器蒸发器单级蒸汽压缩式制冷循环，是指制冷剂在一次循环中只经过一次压缩，最低蒸发温度可达-40～-30℃。单级蒸汽压缩式制冷广泛用于制冷、冷藏、工业生产过程的冷却，以及空气调节等各种低温要求不太高的制冷工程。第18页，共41页，2023年，2月20日，星期三制冷剂的变化过程单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成：制冷压缩机冷凝器节流器蒸发器压缩过程（压缩机中进行）通过压缩使制冷剂由低温低压的蒸汽变为高温高压气体。冷却冷凝过程（冷凝器中进行）在冷凝器中冷却冷凝成制冷剂液体。节流过程（节流阀中进行）压力、温度降低，焓值不变蒸发过程（蒸发器中进行）吸热蒸发，变成低温低压制冷剂气体第19页，共41页，2023年，2月20日，星期三各部件的作用压缩机:压缩和输送制冷蒸汽，并造成蒸发器中低压、冷凝器中高压，是整个系统的心脏。冷凝器:是输出热量的设备，将制冷剂在蒸发器中吸收的热量和压缩机消耗功所转化的热量排放给冷却介质。节流阀:对制冷剂起节流降压作用，并调节进入蒸发器的制冷剂流量。蒸发器:是输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却对象的热量，从而达到制冷的目的。第20页，共41页，2023年，2月20日，星期三一、制冷剂：即制冷工质——传递热能的媒介。第三节制冷剂与载冷剂第21页，共41页，2023年，2月20日，星期三1、对制冷剂的要求：①常压下，沸点低→蒸发温度低；②单位容积制冷量大→制冷剂量小，压缩机尺寸小；③制冷剂潜热要大→可减少制冷剂循环量；

④不燃烧、无毒、无刺激气味（无爆炸、无腐蚀性）价低。第22页，共41页，2023年，2月20日，星期三2.常用制冷剂（1）氨:单位容积制冷量大、价廉；但有味、有害且有腐蚀；（2）氟里昂（Freon）：饱和碳氢化合物的卤素衍生物。常用的主要是甲烷、乙烷、丙烷的衍生物。但氟里昂破坏地球的臭氧层，已限制使用。（3）SO2、CO2第23页，共41页，2023年，2月20日，星期三HFC：含氢无氯的氟化碳；HCFC：含氢和氯的氟化碳；CFC：含氯的氟化碳。新型制冷剂第24页，共41页，2023年，2月20日，星期三二、载冷剂（冷媒）常用的载冷剂：空气、水和盐水及有机物水溶液。定义：载运蒸发器所产生的冷量，并将其传递给欲冷冻物体的物质。第25页，共41页，2023年，2月20日，星期三第四节制冷系统与设备的选用一、蒸汽压缩式制冷的主要设备：压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器。1、压缩机：活塞式、离心式、旋转式2、冷凝器：水冷式、空冷式和蒸发式3、膨胀阀：节流阀。手动式、自动式4、蒸发器：直接式和间接式第26页，共41页，2023年，2月20日，星期三第27页，共41页，2023年，2月20日，星期三二、冷凝器冷凝器的任务：将压缩机排出的高温高压气态制冷剂冷却使之液化。冷凝器的分类（据冷却介质的不同）：（1）水冷式冷凝器（用水冷却）；（2）空气冷却式冷凝器（用空气冷却）；（3）蒸发式冷凝器（用水蒸发吸热）；（4）淋水式冷凝器（空气流动）。第28页，共41页，2023年，2月20日，星期三

表常用冷凝器的比较

第29页，共41页，2023年，2月20日，星期三第30页，共41页，2023年，2月20日，星期三立式冷凝器第31页，共41页，2023年，2月20日，星期三卧式冷凝器第32页，共41页，2023年，2月20日，星期三卧式冷凝器第33页，共41页，2023年，2月20日，星期三套

管式冷凝器第34页，共41页，2023年，2月20日，星期三蒸发式冷凝器第35页，共41页，2023年，2月20日，星期三

单级蒸气压缩制冷机运行时制冷剂的冷凝压力是由环境介质（如空气或水）温度所决定。在冷凝温度tk一定的条件下蒸发温度的降低冷凝压力和蒸发压力之差（pk-po）增大压缩比pk/po变大第五节多级蒸气压缩式与复叠式

制冷循环

第36页，共41页，2023年，2月20日，星期三

单级压缩循环所能达到的最低制冷温度是有限的。通常，最低只能达到-40℃左右。原因:（1）单级压缩制冷循环压比的限制。（2）制冷剂物性参数的限制。受单级活塞式压缩机的极限使用条件的限制。

我国活塞式制冷压缩机标准GB10875--89中规定了不同制冷机使用温度在高温、中温和低温的不同温度范围。第37页，共41页，2023年，2月20日，星期三单级压缩的局限性☞

制冷压缩机的余隙影响会增大☞制冷压缩机的排气温度升高。☞制冷机压缩过程的不可逆性增大☞循环中的节流损失增大，制冷量下降

单级蒸气压缩活塞式制冷机，压缩比一般不超过10。当蒸发温度过低，超出极限使用条件时会带来如下问题：

多级蒸气压缩式与复叠式制冷循环第38页，共41页，2023年，2月20日，星期三所以，为了获得比较低的温度（－40～－70℃），同时又能使压缩机的工作压力控制在一个合适的范围内，就要采用多级压缩循环。考虑到技术问题以及设备费用等因素，常采用两级和三级压缩多级蒸气压缩式与复叠式制冷循环第39页，共41页，2023年，2月20日，星期三一次节流中间完全冷却两级蒸气压缩制冷循环一次节流中间不完全冷却两级蒸气压缩制冷循环一次节流中间不冷却两级蒸气压缩制冷循环两级