冷热源工程课件

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a s
1
4' 4 5' 5
pk p0 q0
3 1
2
?
q0
c b
?
q0
h
图 1-11 具有液体过冷的制冷循环
1-压缩机;2-冷凝器;3-贮液筒;4-过冷器;5-节流阀;6-蒸发器
由图(1-11)可看出:
1.1.2 有温差传热的逆卡诺循环
根据热力学第二定律,热量不会自发地从 低温环境传向高温环境。要实现这种逆向传热 过程,必须要伴随一个补偿过程使整个孤立系 统的熵增等于或大于零。蒸气压缩式制冷就是 以消耗机械能作为补偿条件,借助制冷工质的 状态变化将热量从温度较低的环境(通常是空 调房间、冷库等)不断地传给温度较高的环境 (通常是自然界的水或空气)中去。逆卡诺循 环由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组 成,循环沿逆时针方向进行,该循环过程的示 意图和T-s图如图1-4所示。
制冷技术的分类: 1、普通制冷(普冷):低于环境温 度至-100℃(173K)。冷库制冷技术 和空调用制冷技术属于这一类。 2、深度制冷(深冷):-100℃ (173K)至-200℃(73K)。空气分 离的工艺用制冷技术属于这一类。
3、低温制冷(低温):-200℃ (73K)至-268.95℃(4.2K)。4.2K 是液氦的沸点。 4、极低温制冷(极低温):低于 4.2K。
T T2 T km T3
3 1
3'
2
2'
T1 T 0m T4
4 6 5 7
4'
s
图 1-6
变温热源逆向循环
为了达到变温条件下耗功最小的目的, 制冷剂的循环过程应为12341,让制冷剂在 吸、放热过程中其温度也发生相应的变化, 做到制冷剂与热源之间的热交换过程为无温 差传热,不存在不可逆换热损失。1-2和3-4 过程仍分别为可逆绝热压缩和可逆绝热膨胀 过程。这样,1-2-3-4循环为一个变温条件下 的可逆逆向循环—劳伦兹循环。实现这一循 环所消耗的功为最小,制冷系数达到给定条 件下的最大值。
例1.3。
(1-13)
1.3 蒸气压缩式制冷的实际循环
在前面的循环分析中作了一些假定, 构成了蒸气压缩的“理论循环”。事实 上,它与实际循环之间存在着许多差别。 例如,理论循环没有考虑制冷剂液体过 冷和蒸气过热的影响;压缩机中的实际 压缩过程并非等熵过程;冷凝和蒸发过 程中存在着传热温差等。下面分别予以 分析和讨论。
冷却介质
qk T
3
Tk
冷凝器
2 3
T we
膨胀机
2
k
wc T q0
被冷却介质 压缩机 1
we
0
wc
1
4
q0 T' 0
蒸发器 (a) 5 (b) 6
4
s
图1-4 逆卡诺循环
(a)工作流程;(b)理想循环
在制冷循环中,制冷剂从被冷却物 体中吸取的热量(即制冷量)与所消耗 的机械功之比称为制冷系数,用 c 表示。 它是评价制冷循环经济性的指标之一。 在逆卡诺循环中:
到1874年林德(Linde)设计成功氨 制冷机,被公认为制冷机的始祖,这些都 对制冷技术的发展起了重大作用; 1913年美国工程师拉森(Lnvsen) 制造出世界上第一台手操纵家用电冰箱; 1918年美国开尔文纳特(Kelvinator )公司首次在市场上推出自动电冰箱;
1926年美国通用(G.E.)公司经过 11年的试验,研制成功了世界上第一台全 封闭式制冷系统的自动电冰箱,1927年 家用吸收式冰箱问世。
溴化锂吸收式制冷机产量居世界第 二位。我国在产品质量、技术水平上均 有很大提高,与国外先进水平的差距日 益缩小,有的产品已达到世界同类产品 的先进水平。
二十多年来中国制冷空调行业取得 了长足的进步,但在全球经济一体化的 背景下,面对加入WTO的挑战和竞争, 前进的道路上还有很多困难。
制冷空调行业要同心协力,加强联 合,调整产品结构,注重科研技术开发, 创造中国的国际名牌产品,逐步形成规 模经济,增强国际竞争力,使中国真正 成为制冷空调强国。
q0 T0 m ( s1 s4 )
qk Tkm ( s2 s3 ) Tkm ( s1 s4 )
T0 m r Tkm T0 m
随着非共沸混合制冷剂的应用逐渐 增多,可以寻找到某些非共沸混合制冷 剂,使循环过程中制冷剂与热源之间的 换热温差比单一制冷剂循环更小,因而 可以提高循环的热力完善度。
-15℃
图1-2 利用 液体气化 的制冷装 置
(3)升华制冷
利用固体升华的吸热效应来实现制 冷的方法。例如干冰(固体CO2 )在1标 准大气压下升华要吸收573.6kJ/kg的升 华潜热,升华时的温度维持在-78.9℃。 目前干冰制冷常被用在人工降雨和医疗 中。
2、气体绝热膨胀制冷
一定状态的气体通过节流阀或膨胀 机绝热膨胀时,它的温度降低,从而达 到制冷的目的。气体绝热节流是通过节 流阀来实现的。气体经过阀门时,流速 大、时间短,来不及与外界进行热交换, 可以近似地看成绝热过程。根据稳定流 动能量方程,气体绝热节流后焓值不变。
c
(1-3)
值越接近于1,说明实际循环越接近
可逆循环,不可逆循环损失越小,经济 性越好。
只有采用 加以比较才是有意义的。
例1.1,1.2。
1.1.4 具有变温热源的理想制冷循环— 劳伦兹循环 在制冷循环实际工作时,有时会遇 到热源的温度是变化的。例如,利用 窗式空调器向房间供冷时,随着时间 的延续,房间温度会降低。考察如图16所示的劳伦兹循环。
T Tk
5 T0 3
p
2 4 6 4 1 6 5
pk p0
3
2
const v=
1
c a
(a)
b
s
(b)
h
图 1-9 单级蒸气压缩式制冷理论基本循环的温熵图和压焓图
1.2.3
蒸气压缩式制冷理论循环的 热力计算
热力计算的主要内容有:单位质量 制冷量、单位容积制冷量、单位功、 冷凝器单位热负荷、制冷系数、热力 完善度等。
对于实际气体,焓值是温度、压 力的函数,节流后的温度将发生变化。 这一现象称焦耳-汤姆逊效应。有些气 体,如空气、氧、氮、二氧化碳,在 常温下节流后温度下降,可以用来制 冷。气体绝热节流膨胀常用于气体液 化、气体分离。
3、温差电制冷
冷端吸热
P
N
铜导体
热端放热
图1-3 温差电制冷
利用物理现象的制冷方法很多,还 有绝热放气制冷、涡流管制冷、绝热退 磁制冷、氦稀释制冷等。
1.2 蒸气压缩式制冷的理论循环
1.2.1 蒸气压缩式制冷的理论循环
工程上采用最多的是蒸气压缩式制冷 循环。液态制冷剂由饱和液体气化成蒸 气时要吸收热量(潜热)。气化时的压 力不同,其液体的饱和温度(沸点)不 同,气化潜热的数值也不同。
蒸气压缩式制冷系统均由节流机构 (如节流阀、膨胀阀、毛细管等)代替 膨胀机。 若压缩机吸入的是湿蒸气,在压缩 过程中必然产生湿压缩。湿压缩会引起 种种不良后果,严重时甚至毁坏压缩机, 在实际运行中应严禁发生。
(1-2)
1.1.3 有温差传热的逆卡诺循环
实际上,制冷剂在吸热过程中, 它的温度总是低于被冷却物体的温 度;在放热过程中,它的温度总是 高于环境介质温度。具有恒定传热 温差的逆卡诺循环的T-s图如图1-5 所示。
T 3' T' k Tk T0 T'0 4' 2'
3 4 2 1
1'
5
6
6'
s
图1-5 具有温差传热的逆卡诺循环
1834年美国人波尔金斯(Perkins) 制成第一台用乙醚为工质的制冷机;
1844年美国医生高里(Gorrie)用 封闭循环的空气制冷机为发烧病人建立 了一座空调站。威廉· 西门斯(William Siemens)在空气制冷机中确立了回热器 原理。
1860年法国人卡列(Carre)发明 了氨水吸收式制冷系统;
q0 h1 h5 0 w0 h2 h1
(1-12)
7、热力完善度
图(1-9)表示的理论循环仍是一 个不可逆循环,它在制冷剂的冷却(23)过程及节流过程中仍存在不可逆损 失,其不可逆程度用热力完善度表示。
0 h1 h5 Tk T0 c h2 h1 T0
q0 q0 T0 c w0 qk q0 Tk T0
(1-1)
此外,逆卡诺循环也可用来获得供 热效果,例如冬季将大气环境作为低温 热源,将供热房间作为高温热源进行供 热。这样工作的装置称为热泵,也就是 向泵那样把低位热源的热能转移至高位 热源。
qk q0 w0 c c 1 w0 w0
q0 h1 h5 qv v1 v1
(kJ/m3)
(1-6)
3、制冷装置中制冷剂的质量流量 和体积流量
Q0 MR q0
(kg/s)
(1ห้องสมุดไป่ตู้7)
Q0 VR M R v1 qv
(m3/s)
(1-8)
4、单位功
压缩机压缩并输送1kg制冷剂所消 耗的功,称为单位功,用 w0 表示。
1.3.1
液体过冷
制冷剂节流后湿蒸气干度的大小直接 影响到单位质量制冷量的大小。在冷凝 压力一定的情况下,若能进一步降低节 流前液体的温度,使其低于冷凝温度而 处于过冷液体状态,则可减少节流后产 生的闪发蒸气量,提高单位质量制冷量。
2
T
3 4 1 Δ tg 4 4' 5' 6 5 5
p
2
Tk 3 T0 q0
有温差传热时,循环所消耗的功 比无温差传热时多消耗功 w w0 'w0 因此有温差传热时的制冷系数小于 无温差传热时的制冷系数,即
q0 q0 c ' c w0 ' w0
由此可见,无温差传热的逆卡诺循 环是具有恒温热源时的理想循环,在给 定的相同温度条件下,它具有最大的制 冷系数。 实际的逆向循环具有外部和内部的 不可逆损失,其不可逆程度用热力完善 度来衡量。
1、单位质量制冷量 它表示每kg制冷剂在蒸发器内完成 一次循环所制取的制冷量,等于制冷 剂进出蒸发器时的焓差。
q0 h1 h5
(kJ/kg)
(1- 4 )
q0 r0 (1 x5 )
(kJ/kg)
(1- 5 )
2、单位容积制冷量
它表示压缩机每吸入1m3制冷剂蒸 气(按吸气状态计)所制取的冷量。
目前全国生产制冷设备的厂家有近 100家,生产空调设备的厂家有近200家。 自1989年来工业产值平均年增长20%左 右。
目前我国制冷空调行业产值约占全球 总量的12%以上,成为继美国、日本之后 的第三大制冷空调生产国。
我国电冰箱、家用空调器产量已居世 界第一位,分别占到世界总产量的30%和 16%。
二、制冷的方法及分类 分为物理方法和化学方法。绝大多数 的方法是物理方法。目前广泛应用的制 冷方法有以下几种:
1、相变制冷
液体转变为气体、固体转变为液体、 固体转变为气体都要吸收潜热,可以利 用这个现象来实现制冷。
(1)融化制冷
冰0℃
10℃

图1-1 利用冰融化制冷
(2)气化制冷
NH 3
-33.4℃
w0 h2 h1
(kJ/kg)
(1-9)
5、冷凝器单位热负荷
它表示1kg制冷剂在冷凝器中放给冷 却介质的热量,它可用制冷剂进出冷凝 器时的焓差表示。
qk h2 h4
冷凝器的热负荷:
(kJ/kg)
(1-10)
Qk M R qk
(kW)
(1-11)
6、制冷系数
它表示制冷循环的单位制冷量与单 位功之比 。
3 Ⅰ 水 4 Ⅱ 5 Ⅲ Ⅳ 1 2
图 1-7
单级蒸汽压缩式制冷系统图
Ⅰ-冷凝器;Ⅱ-节流阀;Ⅲ-蒸发器;Ⅳ-压缩机
1.2.2 蒸气压缩式制冷循环在压焓 图和温熵图上的表示
1、压焓图
p h t K s v
x= 0
x
x p
x= 1
h
图 1-8
压焓图
2、制冷循环在温熵图和压焓图上的表示 最简单的蒸气压缩式制冷循环是指离 开蒸发器和进入压缩机的制冷工质为蒸 发压力下的饱和蒸气;离开冷凝器和进 入节流阀的液体是冷凝压力下的饱和液 体;压缩机的压缩过程为等熵压缩;制 冷工质的冷凝温度等于冷却介质的温度; 制冷工质的蒸发温度等于被冷却物体的 温度;系统管路中无任何损失,压力降 仅在节流膨胀过程中产生。
冷热源工程
第一章 制冷基本知识
1.1 理想制冷循环—逆卡诺循环
1.1.1 概 述
一、制冷发展简史 我国早在三千年前的周朝就有了用冰的 历史。据《艺文志》记载:“大秦国有五宫 殿,以水晶位柱拱,称水晶宫,内实以冰, 遇夏开放”。这是我国最早的空调房间。 希腊人和罗马人早已知道建造地下雪窖, 储藏压实的雪。印度人、埃及人把水放在浅 的多孔陶器内,夜间放于地下洞穴中,利用 水蒸发冷却空气。
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