制冷原理及技术(第一讲)课件

制冷原理与技术韩宗伟hanzw@150401686961制冷原理与技术韩宗伟1

为何要学习制冷技术？应用领域广泛上天入地的所有人工环境领域的冷热源设备行业特点要求发展最快的行业消耗能源最多的行业之一节能技术应用最好的行业倍受关注的行业竞争惨烈、利润变薄的行业发展制冷、服务经济、促进生产、造福人类2

为何要学习制冷技术？应用领域广泛2课程的基本要求教学目的掌握常规制冷系统及其部件的基本原理明确制冷系统的调控特性及其特性分析方法达到制冷系统设计的基本要求了解制冷行业发展动态内容简介学习单级蒸气压缩式制冷装置，包括工作原理、构造、系统设计、工作特性、运行调节问题学校热能驱动的吸收式制冷（热泵）技术介绍国内外各种空调用制冷机组、发展方向及其所涉及的主要技术内容3课程的基本要求教学目的3参考文献陈汝东.《制冷技术与应用》（第二版）.同济大学出版社.彦启森，申江，石文星.《制冷技术及其应用》.中国建筑工业出版社.彦启森，石文星，田长青.《空气调节用制冷技术》（第四版）.中国建筑工业出版社.4参考文献陈汝东.《制冷技术与应用》（第二版）.同济大学出版前言何谓制冷技术？5前言何谓制冷技术？5一、制冷的含义制冷使自然界的某物体或某空间达到低于周围环境温度，并使之维持这个温度冷源天然冷源：深井水、天然冰人工冷源：利用物理、化学、生物等方法，制造的冷源制冷技术：研究人工冷源产生的原理、设备、装置的科学制冷原理制冷设备6一、制冷的含义制冷6一、人工制冷发展历史1834年动第一台乙醚活塞制冷机问世1844年出现空气制冷机1859年出现吸收式制冷机1918年自动冰箱问世1923年发明食品快速冻结1927年生产出空调器、空气源热泵1930年汽车空调出现1935年出现卡车自动冷藏装置、飞机发动机低温试验装置等。1928年制造出氟利昂R12，人类从采用天然制冷剂迈向采用合成制冷剂时代7一、人工制冷发展历史1834年动第一台乙醚活塞制冷机问世7二、制冷技术的分类1．普通制冷–120℃以上应用领域空气调节食品贮藏工艺冷却8二、制冷技术的分类1．普通制冷8二、制冷技术的分类2．深度制冷：20K~-120℃工业过程，化工过程3．低温和超低温：20K以下低温超导，宇宙空间模拟，半导体激光等9二、制冷技术的分类2．深度制冷：9“冷”

是怎样制出来的?1010三、普通制冷方法1.蒸气压缩式（本课程的重点）2.吸收式（本课程的重点）3.蒸气喷射式4.气体膨胀法4.吸附式5.热电式6.固体绝热去磁请查阅文献！11三、普通制冷方法1.蒸气压缩式（本课程的重点）11第1讲蒸气压缩式制冷循环蒸气压缩式制冷循环是目前制冷设备最主要的制冷方式12第1讲蒸气压缩式制冷循环蒸气压缩式制冷循环是目前制冷设备学习思路理想循环理论循环实际循环循环的改进亚临界循环跨临界（超临界）循环13学习思路理想循环理论循环实际循环循环的改进亚临界循环13一、理想制冷循环1.气体的逆卡诺循环理想过程的极限sink/ambientsource/fridgeRMQ.Q.PSadiNicolasLéonardCarnot1796-183214一、理想制冷循环1.气体的逆卡诺循环sink/ambi1.逆卡诺循环冷凝器蒸发器压缩机膨胀机1432Q2Q1WcWe151.逆卡诺循环冷凝器蒸发器压缩机膨胀机1432Q2Q1WcW1.气体的逆卡诺循环：理想过程的极限161.气体的逆卡诺循环：理想过程的极限161.气体的逆卡诺循环：理想过程的极限WcWeSWTTSS171.气体的逆卡诺循环：理想过程的极限WcWeSWTTSS171.气体的逆卡诺循环：气体的逆卡诺循环：理想过程的极限COP(CoefficientofPerformance) =制冷系数=ec qk=q0+Sw制冷系数(能效比)供热系数(性能系数)181.气体的逆卡诺循环：气体的逆卡诺循环：理想过程的极限制冷系1.气体的逆卡诺循环：影响逆卡诺循环制冷系数的因素与工质无关仅取决于工质的工作温度(无温差传热)ToTk191.气体的逆卡诺循环：影响逆卡诺循环制冷系数的因素192.劳仑兹循环

(LorenzCycle)特点：由两个等熵绝热过程和两个可逆多变过程组成为可逆过程TSabcdTkmDTkDTosaqoSw=wc-wescqkTom202.劳仑兹循环(LorenzCycle)特点：TSabc2.劳仑兹循环(LorenzCycle)从冷源（被冷却物）吸收的热量向热源（冷却剂）放出的热量212.劳仑兹循环(LorenzCycle)从冷源（被冷却物2.劳伦斯循环(LorenzCycle)制冷系数劳仑兹循环的制冷系数等于一个以放热平均温度和吸热平均温度为高、低温热源温度的等效逆卡诺循环的制冷系数取决于被冷却物和冷却剂的温度状况，而与制冷剂性质无关222.劳伦斯循环(LorenzCycle)制冷系数22一、理想制冷循环问题：蒸发温度与冷凝温度哪个因素对制冷系数影响更大？23一、理想制冷循环问题：蒸发温度与冷凝温度哪个因素对制冷系数影怎样才能实现逆卡诺循环？循环过程两个定温过程液体的定压蒸发吸热Æ等温过程气体的定压冷凝放热Æ等温过程两个绝热过程绝热压缩Æ蒸气绝热压缩Æ压缩机绝热膨胀Æ蒸气绝热膨胀Æ膨胀机无温差传热换热面积无穷大循环周期无限长24怎样才能实现逆卡诺循环？循环过程24一、理想制冷循环2.可能的实现方式湿蒸气作工质，循环在两相区，等温过程即等压过程25一、理想制冷循环2.可能的实现方式湿蒸气作工质，循环在两一、理想制冷循环为什么膨胀功相当于D3453的面积?h3-h4=(h3-h5)-(h4-h5)根据能量方程，有由于液体v小，vdp可以忽略，有h3-h5＝面积35673且h4-h5＝面积45674所以h3-h4＝D345357626一、理想制冷循环为什么膨胀功相当57626二、蒸气压缩式制冷的理论循环实际采用的蒸气压缩式制冷的理论循环是由两个等压过程、一个绝热压缩过程和一个绝热节流过程组成理论循环与理想循环（逆卡诺循环）相比，有以下3个特点两个传热过程均为等压过程，并且具有传热温差用膨胀阀代替膨胀机蒸气的压缩在过热区进行，而不是在湿蒸气区内进行27二、蒸气压缩式制冷的理论循环实际采用的蒸气压缩式制冷的理论循二、蒸气压缩式制冷的理论循环CompressorCondenserEvaporatorExpansiondeviceLowpressuresideHighpressureside28二、蒸气压缩式制冷的理论循环CompressorConden二、蒸气压缩式制冷的理论循环CompressorEvaporatorCondenserExpansionvalveIncrementpressureRemoveheatoutdoorCoolingair/WaterReducepressure29二、蒸气压缩式制冷的理论循环CompressorEvapor二、蒸气压缩式制冷的理论循环

(与逆卡诺循环的区别)(1)有温差传热：COP下降例：当环境T’k＝308K(35℃)，T’0＝280K(7℃)时逆卡诺循环Tk＝308K(35℃)，T0＝280K(7℃)所以EER＝10有温差传热时，假定传热温差为3～5℃，Tk＝311K(38℃)，T0＝275K(2℃)所以EER＝8.1530二、蒸气压缩式制冷的理论循环

二、蒸气压缩式制冷的理论循环31二、蒸气压缩式制冷的理论循环31二、蒸气压缩式制冷的理论循环(2)膨胀阀代替膨胀机32二、蒸气压缩式制冷的理论循环(2)膨胀阀代替膨胀机32二、蒸气压缩式制冷的理论循环

(2)膨胀阀代替膨胀机原因：饱和液体或两相混合物膨胀系数小，可做功有限功回收系统复杂加工困难COP下降的原因：膨胀阀不能回收膨胀功，且损失部分制冷能力33二、蒸气压缩式制冷的理论循环(2)膨胀阀代替膨胀机33二、蒸气压缩式制冷的理论循环有摩擦的过程不可以用实线表示！！膨胀功Æ热量34二、蒸气压缩式制冷的理论循环有摩擦的过程不可以用实线表示！！二、蒸气压缩式制冷的理论循环工作流程图35二、蒸气压缩式制冷的理论循环工作流程图35二．蒸气压缩式制冷的理论循环36二．蒸气压缩式制冷的理论循环36二、蒸气压缩式制冷的理论循环蒸气的压缩过程采用干压缩代替湿压缩原因：防止液击方法：<1>气液分离器<2>膨胀阀控制压缩机吸气过热度COP下降的原因：干压缩过程的过热损失37二、蒸气压缩式制冷的理论循环蒸气的压缩过程采用干压缩代替湿压蒸气压缩式制冷的应用举例汽车空调空调器、电冰箱……38蒸气压缩式制冷的应用举例汽车空调38三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算lgp-h图制冷循环在lgp-h图上表示利用lgp-h图进行热力计算39三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算lgp-h图39lgph

制冷剂压焓图（lgp-h图）1点：临界点CC2线：饱和液线ф=0饱和气线ф=1ф=0ф=13区：过冷液体区饱和区过热蒸气区t6线：等压线等温线等比焓线等比熵线等比容线等干度线xhpsv40lgph制冷剂压焓图（lgp-h图）1点：临界点CC2线制冷剂压焓图（R134a）41制冷剂压焓图（R134a）41制冷循环在压焓图上表示EnthalpyCompressorCondenserReceiverPressureEvaporatorqkqowc42制冷循环在压焓图上表示EnthalpyCompressorC制冷循环在压焓图中表示43制冷循环在压焓图中表示43

三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算(1)为什么使用压焓图？能准确描述制冷循环过程（设计与控制）图上任何一点表示制冷剂的状态两状态点的焓差反映了过程中的能量变化(2)热力计算的目的是什么？已知Þ需要的制冷量和环境参数计算Þ压缩机的制冷剂流量、功耗、理论COP和冷凝器排热量目的Þ确定“四大件”和其它部件的容量、规格、型号44三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算(1)为什么使用压焓图？三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算(1)计算方法（压焓图的应用）压缩机：wc＝h2-h1冷凝器：qk＝h2-h3’节流阀：h3’＝h4’蒸发器：q0＝h1-h4’热平衡：wc＝qk-q045三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算(1)计算方法（压焓图的应用三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算制冷循环的热力计算是根据所确定的蒸发温度、冷凝温度、液态制冷剂的再冷度和压缩机的吸气温度等已知条件，计算下列数值：求解单位质量制冷能力q0和单位容积制冷能力qv=q0/v(容积指压缩机吸气口的v)制冷剂质量流量Mr=F0/q0和体积流量Vr冷凝器排热量Mrqk压缩机功耗P=MrwC理论制冷系数εth=F0/P=q0/wC制冷效率ηR＝εth/εc(或εth/εl)46三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算制冷循环的热力计算是根据所确三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算非共沸工质在制冷循环中接近劳仑兹循环lgph4'1234tk=40℃to=4℃2'pkpot2't3t1t447三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算非共沸工质在制冷循环中接近劳三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算非共沸工质在制冷循环热力计算的步骤1.按照给定外部条件和相当冷凝（或蒸发）温度，计算需要的对数平均温差（按照逆流方式换热）2.根据相当冷凝（或蒸发）温度，假定冷凝压力和蒸发压力3.在lgp-h图上绘制制冷循环，查找循环上各状态点的物性参数4.计算节流后状态点的物性5.校核实际对数平均温差，如果误差小，则进入步骤6.，否则转向步骤2.6.按单质类制冷循环热力计算方法，计算其它冷凝负荷、耗功量、制冷系数和制冷效率等性能参数确定制冷循环的工况48三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算非共沸工质在制冷循环热力计算三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算

（非共沸工质的热力计算）4点的状态参数的确定方法根据等效蒸发温度与等效冷凝温度计算要求的蒸发器与冷凝器的对数平均温差用制冷剂的泡点与露点的平均值代替要求的冷凝温度和蒸发温度进行试算根据计算结果校验试算结果，当两个对数平均温差与要求值达到要求精度时，开始计算单位制冷量、单位容积制冷量、单位压缩功、单位冷凝负荷、制冷系数等49三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算

（非四、蒸气压缩式制冷循环的改善蒸发温度、冷凝温度不变时，改善制冷循环的性能参数过冷、回热回收膨胀功多级压缩（双级）改善制冷循环的低温性能复叠式（外复叠、内复叠）改善制冷（热泵）循环的高温性能跨临界（超临界）循环50四、蒸气压缩式制冷循环的改善蒸发温度、冷凝温度不变时，改善制四、蒸气压缩式制冷循环的改善1．制冷循环性能的改善措施(1)冷凝器的过冷(2)过冷方法：<1>增大冷凝器换热面积（程度有限）<2>冷凝器后加再冷却器51四、蒸气压缩式制冷循环的改善1．制冷循环性能的改善措施51四、蒸气压缩式制冷循环的改善(2)蒸气回热循环52四、蒸气压缩式制冷循环的改善(2)蒸气回热循环52四、蒸气压缩式制冷循环的改善(1)冷凝器的过冷Δq053四、蒸气压缩式制冷循环的改善(1)冷凝器的过冷Δq053四、蒸气压缩式制冷循环的改善(1)冷凝器的过冷54四、蒸气压缩式制冷循环的改善(1)冷凝器的过冷54四、蒸气压缩式制冷循环的改善(2)蒸气回热循环55四、蒸气压缩式制冷循环的改善(2)蒸气回热循环55四、蒸气压缩式制冷循环的改善(2)蒸气回热循环56四、蒸气压缩式制冷循环的改善(2)蒸气回热循环56四、蒸气压缩式制冷循环的改善(2)蒸气回热循环回热量h1’-h1=h3-h3’

制冷量增量h4’-h4

=h3-h3’57四、蒸气压缩式制冷循环的改善(2)蒸气回热循环回热量制冷量四、蒸气压缩式制冷循环的改善(3)回收膨胀功58四、蒸气压缩式制冷循环的改善(3)回收膨胀功58四、蒸气压缩式制冷循环的改善(4)多级压缩一级节流中间完全冷却双级压缩制冷循环从冷凝器到蒸发器之间节流级数高压级压缩机吸气状态59四、蒸气压缩式制冷循环的改善(4)多级压缩一级节流中间完全冷四、蒸气压缩式制冷循环的改善m1(h2’-h5’)=(m-m1)(h4-h4’+h2-h2’)m1/m=(h4-h4’+h2-h2’)/(h2-h5’+h4-h4’)q0=(m-m1)(h1-h5)高压级流量:m旁通流量:m1流量比:m1/m低压级流量:m-m160四、蒸气压缩式制冷循环的改善m1(h2’-h5’)=(m-m四、蒸气压缩式制冷循环的改善一级节流中间不完全冷却双级压缩制冷循环中间冷却器节流阀2低压级压缩机高压级压缩机蒸发器冷凝器节流阀261四、蒸气压缩式制冷循环的改善一级节流中间不完全冷却双级压缩制四、蒸气压缩式制冷循环的改善二级节流中间完全冷却双级压缩制冷循环经济器Economizer62四、蒸气压缩式制冷循环的改善二级节流中间完全冷却双级压缩制冷四、蒸气压缩式制冷循环的改善63四、蒸气压缩式制冷循环的改善63四、蒸气压缩式制冷循环的改善(5)复叠式制冷循环与多级压缩循环相比，可以获得更低的低温两套独立制冷循环高温级制冷循环低温级制冷循环冷凝蒸发器根据目标低温要求，合理选择工质对冷凝蒸发器节流阀2低温级压缩机高温级压缩机蒸发器冷凝器节流阀164四、蒸气压缩式制冷循环的改善(5)复叠式制冷循环冷凝蒸发器节四、蒸气压缩式制冷循环的改善复叠式制冷循环TkHT0HTSTkLT0L65四、蒸气压缩式制冷循环的改善复叠式制冷循环TkHT0HTST四、蒸气压缩式制冷循环的改善

¾¾内复叠式（自然复叠）制冷循环自然复叠制冷系统采用混合工质，通过单台压缩机实现了多级复叠，可以制取-60℃以下的低温，极大地简化了制冷系统一台压缩机多元非共沸工质对具有比较大的工作温区，无论是在普冷领域还是在低温电子、低温医学、冷冻干燥、气体液化等低温领域，都具有比较大的实用价值冷凝蒸发器低沸点工质节流阀压缩机蒸发器冷凝器高沸点工质节流阀分馏器66四、蒸气压缩式制冷循环的改善

¾¾内复叠式（自然复五、跨临界蒸气压缩式制冷循环对于高温与中温制冷剂，在普通制冷范围内，由于制冷循环的冷凝压力远离制冷剂的临界压力，故称之为亚临界循环亚临界循环是目前制冷、空调领域广泛应用的循环形式一些低温制冷剂在普通制冷范围内，利用冷却水或室外空气作为冷却介质时，压缩机的排气压力位于制冷剂临界压力之上，而蒸发压力位于临界压力之下，故将此类循环称为跨临界循环（TranscriticalCycle）或超临界循环（SupercriticalCycle），CO2（R744）就是这种制冷剂之一67五、跨临界蒸气压缩式制冷循环对于高温与中温制冷剂，在普通制冷五、跨临界蒸气压缩式制冷循环CO2跨临界制冷循环(a)循环原理图(b)压焓图h1234lgh气体冷却器蒸发器wc压缩机膨胀阀qoqk123468五、跨临界蒸气压缩式制冷循环CO2跨临界制冷循环(a)循环五、跨临界蒸气压缩式制冷循环跨临界制冷循环的热力计算方法：与亚临界循环完全相同特点：在常规亚临界制冷循环中，冷凝器出口的制冷剂焓值只是温度的函数在跨临界循环中，温度和压力共同影响着气体冷却器出口制冷剂的焓值当其它条件不变时，制冷系数εth先逐渐升高再逐渐下降，在某一p2时出现最大值εthm，对应于εthm的压力称之为最优高压侧压力p2opt当其它条件不变时，循环的理论性能系数εth随T3的增加而迅速下降69五、跨临界蒸气压缩式制冷循环跨临界制冷循环的热力计算69五、跨临界蒸气压缩式制冷循环CO2跨临界制冷循环的改善（1）蒸气回热循环(a)循环原理图(b)压焓图h234lgP3?1?1气体冷却器蒸发器wc压缩机膨胀阀qoqk回热器11?23?3470五、跨临界蒸气压缩式制冷循环CO2跨临界制冷循环的改善(a)五、跨临界蒸气压缩式制冷循环CO2跨临界制冷循环的改善（2）双级压缩回热循环(a)循环原理图(b)压焓图qkh1234lgP3?1?2?2?气体冷却器蒸发器wc2高压级压缩机膨胀阀qo回热器2?1?23?312?wc14低压级压缩机71五、跨临界蒸气压缩式制冷循环CO2跨临界制冷循环的改善(a)五、跨临界蒸气压缩式制冷循环CO2跨临界制冷循环的改善（3）用膨胀机回收膨胀功(a)循环原理图(b)压焓图qk气体冷却器蒸发器wce压缩机qo1235膨胀机weTs1234565?3?6?72五、跨临界蒸气压缩式制冷循环CO2跨临界制冷循环的改善(a)五、跨临界蒸气压缩式制冷循环CO2跨临界制冷循环的改善上述循环的比较1.简单单级压缩循环2.单级压缩回热循环3.双级压缩回热循环4.用膨胀机的单级压缩循环各种方式的综合利用R744T3=40℃4.03.02.01.0-50510蒸发温度Te/℃实际制冷系数εs132循环473五、跨临界蒸气压缩式制冷循环CO2跨临界制冷循环的改善R74六、蒸气压缩式制冷的实际循环实际循环与理论循环的区别无论是亚临界还是跨临界制冷，其实际过程存在功热损失压缩机内摩擦和传热压缩机进、排气阀节流损失部件、管道摩擦损失和传热过热度、过冷度74六、蒸气压缩式制冷的实际循环实际循环与理论循环的区别74六、蒸气压缩式制冷的实际循环1.实际循环分析75六、蒸气压缩式制冷的实际循环1.实际循环分析75六、蒸气压缩式制冷的实际循环冷凝器内压力损失膨胀阀吸热压缩机内散热、吸热进气阀节流排气阀节流蒸发器内压力损失管道摩擦、吸热76六、蒸气压缩式制冷的实际循环冷凝器内压力损失膨胀阀吸热压缩机六、蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环lgP-h图lgph234'43?pkpo1c1?2?dap2p177六、蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环lgP-六、蒸气压缩式制冷的实际循环各种损失引起压缩机输气量的减少可用容积效率ηv来表示，容积效率ηv的定义为压缩机实际输气量VR与理论输气量Vb之比制冷量减少78六、蒸气压缩式制冷的实际循环各种损失引起压缩机输气量的减少可六、蒸气压缩式