空調用制冷技術 緒論1 制冷的定義2 制冷的應用3 制冷的方式4 制冷技術的發展 一 制冷的定義從物體或流體中取出熱量 并將熱量排放到環境介質中去 以產生低于環境溫度并保持這個溫度的過程 制冷循環熱力學第二定律 輸入制冷系統的動力 機械能 電能 熱能 太陽能等 制冷的溫度范圍 普通制冷 120K以上深度制冷 120 20K低溫制冷 20 0 3K超低溫制冷 0 3K以下制冷問題的研究內容 1 研究獲得低溫的方法和有關的機理以及與此相應的制冷循環 并對制冷循環進行熱力學的分析和計算 2 研究制冷劑的性質3 研究實現制冷循環所必須的各種機械和技術設備 它們的工作原理 性能分析 結構設計計算以及各種制冷裝置的流程 系統配置計算 保溫 自動化等 二 制冷技術的應用1 商業 冷凍 冷藏2 降溫和空氣調節 工藝用 生活用3 工業生產4 農牧業 生物5 醫療6 建筑工程7 國防等應用范圍 27 0熱泵 空調0 10冷藏運輸 10 33冷凍運輸 食品保鮮 燃氣液化 33 50礦井工作面的凍結 50 73低溫環境實驗室 制取干冰 73 123乙烯 乙烷的液化 低溫醫學 低溫生物學 123 173天然氣液化 173 223空氣液化 空氣分離等 223 253氖和氫的液化 宇航艙空間環境模擬 253 269超導 269 273 15物理研究 三 制冷方式1 液體汽化制冷2 氣體膨脹制冷3 渦流管制冷4 熱電制冷1 液體汽化制冷蒸汽壓縮制冷吸收式制冷吸附式制冷2 氣體膨脹制冷推導氣體膨脹制冷制冷系數3 渦流管制冷4 熱電制冷四 制冷技術的發展讀書報告主要參考數目 主要中 英 文雜志 主要網站 蒸汽壓縮式制冷的基本概念 一 基本系統1 蒸發器功能參數 蒸發壓力的影響因素 2 壓縮機功能 3 冷凝器功能參數 冷凝壓力4 節流機構功能 5 系統除了4大件 還有 二 制冷劑種類7種 編號方法 制冷劑替代物種類簡介三 制冷劑的熱力參數圖表圖2 21點 臨界點2線 飽和液 飽和汽線3區 過冷區 兩相區 過熱區6條等參數線 等壓線 等焓線 等溫線 等容線 等熵線 等干度線四 制冷量與制冷系數單位換算制冷系數 性能系數cop 蒸汽壓縮制冷原理 一 理想的制冷循環1 逆卡諾循環 兩個定溫和兩個絕熱過程特點 無 熱 力 損失畫出與T S圖對應的P V圖2 為什么逆卡諾循環是理想的制冷循環 具有最大制冷系數圖2 3 公式 2 6 2 8 2 9 公式 2 10 2 11 2 12 2 13 不可實現無傳熱溫差 否則 無能耗 摩擦 渦流或擾動等等 損失T0與Tk誰的影響大滿足 濕蒸汽區熱力完善度 習題 1 用卡諾熱泵加熱某建筑物 室外溫度為 8 建筑物溫度為27 每小時加熱量為200000Kj h 求 1 從室外環境輸入到建筑物中的熱量 2 輸入熱泵的功率 3 若要用電加熱 則輸入電功率為多少 2 設熱源溫度th 25 冷源溫度tc 10 求 1 在這兩個溫度間運行的可逆制冷機的制冷系數 2 當制冷劑與冷 熱源的傳熱溫差為10 時的制冷系數 二 蒸汽壓縮式制冷的理論循環 1 壓焓圖1點 臨界點2線 飽和液 飽和汽線3區 過冷區 兩相區 過熱區6條等參數線 等壓線 等焓線 等溫線 等容線 等熵線 等干度線2 蒸汽壓縮制冷的理論循環 a 用節流閥代替膨脹機 節流損失 b 用干壓縮代替濕壓縮 過熱損失3 蒸汽壓縮制冷的理論循環熱力計算 a 蒸汽壓縮制冷的理論循環在壓焓圖上的表示 圖2 9 b 根據熱力學第一定律進行各部件的計算 例題2 1 1 節流閥 2 壓縮機 3 蒸發器 4 冷凝器單位質量制冷量q單位容積制冷量qv q v1制冷系數計算 單級蒸汽壓縮制冷理論循環蒸發溫度為 10 冷凝溫度為35 工質為R22和R134a 循環的制冷量為55Kw 對循環進行熱力計算 4 在p h圖上分析蒸發溫度 冷凝溫度的影響 三 蒸汽壓縮式制冷的實際循環 1 液體過冷對循環的影響好處 節流損失中的制冷量損失 對節流損失中的耗功增加無用 制冷系數 膨脹閥壞處 設備 冷凝溫度40 蒸發溫度 5 過冷溫度35 工質R22 R134a 制冷量為50Kw求兩種情況下單位制冷量的變化 單位容積制冷量的變化 質量流量的變化 容積流量的變化 制冷系數的變化 是否過冷度越低越好 2 蒸汽過熱對循環的影響有效與無效過熱 保溫制冷系數的變化 冷凝溫度40 蒸發溫度 5 過熱度10 工質R22 R134a 制冷量為50Kw求兩種情況下單位制冷制冷量的變化 單位容積制冷量的變化 質量流量的變化 容積流量的變化 制冷系數的變化 3 回熱對循環的影響不同制冷劑 冷凝溫度40 蒸發溫度 5 過熱度10 工質R22 R134a 確定回熱器中液體的出口溫度和循環的性能指標 并與理論循環比較 4 實際循環 熱交換及壓力損失對循環性能的影響 a 吸氣管道傳熱 壓降 b 排氣管道傳熱 壓降 c 冷凝器 膨脹閥傳熱 壓降設離開儲液器的氨液為34 壓力為13 5bar 垂直向上絕熱流動 試確定氨液變為飽和液體時所允許上升的高度 d 膨脹閥到蒸發器傳熱 壓降 e 蒸發器傳熱 壓降 f 冷凝器傳熱 壓降 g 壓縮機壓縮過程 余隙容積 吸排氣損失泄漏輸氣系數 實際輸氣量 理論輸氣量 h 不凝性氣體的影響在P H圖上畫出實際循環 雙級壓縮和復疊式制冷循環 壓縮比大 過熱節流損失大 單位容積制冷量減小 排氣溫度升高 壓縮機容積效率減小 兩級節流完全中間冷卻 減少節流和過熱損失 降低排氣溫度 壓縮機容積效率 一級節流完全中間冷卻 避免閃發蒸汽影響膨脹閥 一級節流不完全中間冷卻 過熱度較大 不能用于氨制冷 復疊式制冷 獲得很低溫度熱泵循環1 制熱系數永遠大于12 使用低品位熱能 制冷劑和載冷劑 1 制冷劑的表達 2 對制冷劑的要求 3 共沸與非共沸制冷劑 4 替代一 制冷劑制冷劑是制冷機中的工作介質 它在制冷機系統中循環流動 通過自身熱力狀態的變化與外界發生能量交換 從而實現制冷的目的 制冷劑有三類 1 無機物 2 氟里昂 3 碳氫化合物無機物 R7 分子量 取整 寫出下列物質的表達制冷劑NH3H2OCO2SO2N2O分子量1718446444氟里昂 通式cmhnfxclybrzN x y z 2m 2表達式 R m 1 n 1 x B z 分子中含氯 氟 碳的完全鹵代烴表達為CFC 如CFC11分子中含氫 氯 氟 碳的不完全鹵代烴表達為 HCFC 如HCFC22分子中含氫 氟 碳的無氯鹵代烴表達為 HFC 如HFC134a共沸混合物表達式 R5 按先后命名如R500 R501 R502非共沸混合物 直接寫出混合物符號 并用 分開 如R22 R152a 二 對制冷劑的要求1 環境可接受性2 熱力性質滿足要求蒸發壓力及冷凝壓力適中單位容積制冷量較大 但是 單位質量制冷量較大 但是 臨界溫度要高凝固溫度要適當低些絕熱指數低些 排氣溫度低等熵壓縮的比功小制冷系數大3 傳熱性和流動性好 密度粘度小 4 化學穩定性和熱穩定性好 使用可靠 水 冰堵 鍍銅 5 無毒 無刺激 不燃 不爆 完全6 電絕緣7 與潤滑油的互容8 價格便宜 來源廣 三 對環境的影響1 對臭氧層的影響ODP 臭氧層破壞指數R11 1氯以R11為例 Ccl3F 紫外線 Ccl2F clCl O3 clo O2Clo O Cl O2Clo NO N02 Cl一個氯原子由于連鎖反應可破壞上萬個O3原子O3被破壞 紫外線對地球的輻射大所以 皮膚癌和白內障上升人體抵抗力下降多種農作物 微生物 海洋生物被破壞建筑物 繪畫 包裝 老化加劇溫室效應 2 對溫室效應的影響GWP 溫室效應指數CO2 1 a 病蟲害 b 海平面上升寫出 京都議定書 關于 替代的內容 特別是替代的期限 制冷劑的毒性與分類 四 混合制冷劑為提高制冷機的性能 擴大制冷機的使用范圍 需要不斷尋找新的工質 由于純工質在性質和品種規格上的局限性 不能完全滿足要求 發展了混合制冷工質 混合工質一般比構成它的純組分能耗小 排溫低 腐蝕性小 標準蒸發溫度低 并能是適應不同制冷裝置的要求 1 共沸混合工質 共沸溶液和單一的化合物一樣 在一定的壓力下蒸發時保持恒定的蒸發溫度 并且它的氣相與液相具有相同的組分 特點 a 在適當選擇純工質后 共沸混合工質的標準蒸發溫度比構成它的純工質的蒸發溫度低 b 單位容積制冷量比構成它的純組分的單位容積制冷量大 c 壓縮終溫低 d 改善制冷劑的物理 化學性質 2 非共沸混合工質 無共同的沸點 在定壓下蒸發或凝結時 汽相與液相的組成成分不同 且在不斷變化 溫度也隨之不斷變化 由于相變過程不等溫 非共沸混合工質更適合于變溫熱源 因為這樣可縮小傳熱溫差 降低不可逆損失 所以非共沸混合工質主要用與不等溫制冷裝置中 使用非共沸混合工質后 裝置的蒸發和冷凝溫度能與外部條件相是適應 讀書報告 不同制冷劑的適用壓縮機與用途 二 載冷劑載冷劑 在間接制冷系統中 用以傳送制冷量的中間介質 要求 1 比熱大 2 導熱系數高 3 黏度小 4 凝固點低 5 腐蝕性小 6 載冷劑與空氣混合物不燃燒 無毒 7 無活性 不會使其他物質變色和變質 8 來源充沛 價格低廉常用載冷劑水 無機鹽水溶液 有機物載冷劑 乙二醇等 制冷壓縮機一 分類1 按工作原理容積式 往復 活塞式 回轉式 滾動轉子 旋轉葉片 螺桿 渦旋速度式 離心式 軸流式2 按制冷量大型 550kW以上中型 550kW 25kW小型 25kW以下 高溫 10 10 中穩 20 10 低溫 45 20 高速 1000rpm以上中速 300 1000 rpm 低速 300rpm以下3 按密封方式開啟式半封閉全封閉 二 活塞式壓縮機常用術語 活塞的上 下止點 活塞行程 氣缸工作容積 余隙容積 相對余隙容積 1 單級活塞式壓縮機的理論循環 a 理論循環的假設無余隙無阻力無泄漏壓縮過程為絕熱過程 b 理論循環的P V圖 c 理論輸氣量Vh i n D2s 4 2 單級活塞式壓縮機的實際循環a 余隙容積b 吸排氣損失c 壓力脈動d 泄漏e 吸氣在壓縮機內被加熱f 壓縮過程的熱交換h 潤滑油與制冷劑的混合i 濕蒸汽實際循環的P V圖 3 壓縮機的工況與性能指標 標準 名義工況最大壓差工況 考核制冷機的零部件強度 排氣溫度 油溫和電機繞組溫度 最大軸功工況 考核壓縮機的噪音 振動及機器能否正常啟動 工況舉例全封閉壓縮機各種工況 蒸發冷凝過冷吸氣名義7 254 446 135最大壓差 5504515最大軸功10555015性能指標1 反映壓縮機制冷能力的輸氣性能指標a 輸氣量實際輸氣量 理論輸氣量 Qh Q Qh 輸氣系數b 輸氣系數 v p t l v 容積系數 衡量余隙容積對輸氣系數的影響簡化的計算公式 v 1 c 1 m 1 c 相對余隙容積m 膨脹指數 膨脹過程蒸汽被加熱 名義壓力比討論c m 對 v的影響問題 設c 0 04m 1問在什么條件下壓縮機無排氣一般 10如何減小c 全封閉壓縮機c在2 6 低溫用單級壓縮機c在2 4 高速 3000rpm 壓縮機m可近似等于k 為什么 一般對氟里昂m 0 95 1 05 對氨1 10 1 15 p 壓力系數 由于進氣過程產生的阻力 使進氣終了時的壓力降到名義吸氣壓力以下 將該壓力折算到名義吸氣壓力而使有效吸氣進程的減少 p 1 c 1 v ps ps ps f 制冷劑密度 流速 壓力脈動 氣閥性能 工況 氟里昂 ps 0 05 0 1 ps 氨 ps 0 03 0 05 ps排氣 t 溫度系數 制冷劑進入壓縮機后 在進入汽缸前 被加熱 將這個因素折算到進氣溫度 則吸氣量減少 t To a1Tk b1 To 蒸發溫度 Ts To 過熱度Tk 冷凝溫度1 a1 1 150 25 b1 0 8 l 泄漏系數0 97 0 99c 制冷量Q mqm Vqv v2 反映壓縮機功率及效率的性能指標壓縮機耗功 軸功 直接用于壓縮工質的功 指示功 克服機械摩擦的功 摩擦功 a 指示功率 pi 單位時間內消耗的指示功 b 指示效率 i 壓縮1kg工質所需理論絕熱循環功與實際循環指示功之比 為0 6 0 8 壓縮比大的工況取低值c 摩擦功率 pm 克服機械摩擦的功率d 軸功率 pe Pe pi pm f 機械效率 m m pi pe一般在0 8 0 9之間g 軸效率 e e m ih 電機效率 mo 一般在0 6 0 95間 大功率三相取上限 小功率單相取下限i 電效率 el el mo ek 性能系數copCop 制冷量 輸入功率 理論循環制冷系數 e開啟式壓縮機封閉式壓縮機 4 壓縮機的運行特性曲線與運行界限1 2 最低蒸發溫度2 3 最大排氣溫度3 4 最大壓差4 5 最高冷凝溫度5 6 最高蒸發溫度蒸發溫度下降 制冷量下降 指示功率上升 軸功率上升 cop下降 排氣溫度上升冷凝溫度提高 壓比提高 指示功率上升 cop下降 制冷量下降 排氣溫度上升排氣溫度上升 潤滑油變質 機械磨損 腐蝕電機 積碳 電機壽命下降 經驗 排氣溫度上升10度 壽命下降一半水解 冰堵等 5 練習1 空調系統 使用制冷劑為R22 R134a 需要制冷量為50kW 空調用冷水溫度為10 冷卻水溫度為30 蒸發器端部傳熱溫差為5 冷凝器端部的傳熱溫差為8 請就兩種工質對制冷機做熱力計算 取液體過冷度為5 吸氣過熱度為5 壓縮機的輸氣系數為0 8 指示效率為0 8 單位制冷制冷量單位容積制冷量理論比功 指示比功制冷系數冷凝器單位熱負荷所需質量流量 實際輸氣量壓縮機消耗的功率冷凝器熱負荷熱力學完善度 2 一冷庫 庫溫要求為 20 水冷冷凝器冷卻水進水溫度30 已知 壓縮機汽缸直徑為100mm 行程為70mm 雙缸 轉速為16r s 蒸發器傳熱溫差為10 冷凝器傳熱溫差為5 工質為R134a 蒸發器過熱度為5 管路過熱度為15 液體無過冷 壓縮機機械效率為0 9 指示效率為0 6 輸氣系數為0 5 求單位制冷 容積 制冷量理論 指示 比功理論 實際 輸氣量制冷機質量流量壓縮機各種耗功制冷系數冷凝器熱負荷 6 壓縮機的潤滑1 飛濺潤滑2 壓力潤滑 7 壓縮機的冷卻1 汽缸的冷卻2 潤滑油的冷卻3 電機的冷卻 8 壓縮機的保護1 防液擊 a 假蓋b 油加熱c 氣液分離器2 高低壓保護3 潤滑油壓差保護4 溫度保護a 壓縮機內保b 排氣保護 9 壓縮機的氣量調節1 壓縮機間歇運行2 頂開吸氣閥3 變頻 10 壓縮機的啟動卸載頂開吸氣閥 分級啟動等 二 螺桿式壓縮機1 工作原理2 螺桿壓縮機的特點a 結構緊湊 零部件少b 易損件少 操作 維護簡單c 氣體無脈動d 壓縮機排氣溫度低e 對濕行程不敏感f 可在較高的壓比下運行h 油處理設備復雜在標準制冷量600 2300kW的范圍內廣泛使用螺桿壓縮機開啟式 半封閉 全封閉3 螺桿壓縮機的系統組成a 制冷劑系統b 潤滑油系統 4 螺桿壓縮機的氣量調節a 滑閥調節b 變頻5 螺桿壓縮機的經濟器運行的原理與系統及壓焓圖a 閃蒸式經濟器b 換熱器式經濟器6 螺桿式壓縮機的制冷量與功率制冷量 容積效率 a 泄露b 節流c 預熱功率 圖3 31 如果 寧可 二 滾動轉子式壓縮機工作原理圖3 38 1 余隙損失2 預熱損失3 泄露損失三 渦旋式壓縮機1 工作原理圖3 40 2 特點a 效率高b 力矩變化小 振動小 噪音低c 結構簡單 體積小 重量輕 運動部件少 易損件少 可靠性高d 加工精度高 四 離心式壓縮機1 工作原理2 工作特性曲線圖3 45 M點 最大流量點 滯止工況 D點 設計工作點 S點 喘振點 影響 蒸發溫度 冷凝溫度 轉速 重大教材 3 五種調節方法4 喘振的原因及預防主要原因 冷凝壓力過高或蒸發壓力過低另外 調節壓縮機制冷量 當負荷過小時 也會產生喘振預防 旁通調節法 冷凝器與蒸發器制冷系統換熱設備的特點 1 制冷設備的工作壓力 0 1 2 0MPa 溫度范圍 60 50 比較窄2 換熱介質的傳熱溫差小 幾度至十幾度3 制冷換熱器與壓縮機匹配結構 材料 工作壓力 JB T6917 98 制冷裝置用壓力容器 一 冷凝器1 冷凝器的種類與特點冷凝器是制冷設備中的放熱設備按冷卻介質不同 分為水冷冷凝器風冷冷凝器蒸發式冷凝器 a 水冷冷凝器 1 殼管式冷凝器 立式 臥式 2 套管式冷凝器 3 板式b 風冷冷凝器 1 自然對流 2 強制對流換熱器布置翅片型式翅片間距風機匹配迎面風速及風速的均勻性各分路制冷劑的流速不同工況問題 高效換熱管 c 蒸發式冷凝器2 冷凝器的選擇計算目的 選擇冷凝器型式確定換熱面積確定冷卻介質流量阻力計算a 冷凝器負荷熱力學第一定律Qk Qe WQk Qe 1 15 1 25b 對數平均溫差制冷劑側簡化為單一冷凝態 溫度不變 tm tout tin ln tc tin tc tout 對數平均溫差及tc取值的影響 一般 水冷冷凝器 對數平均溫差取5 7 風冷冷凝器 對數平均溫差取8 12 c 冷卻介質的流量與溫度變化冷卻介質的流量m Qk c tout tin c 比容立式殼管式冷凝器 tout tin 為1 5 4 臥式殼管式冷凝器 tout tin 為4 8 空冷冷凝器 tout tin 不大于8 蒸發式冷凝器 tout tin 為2 3 d 傳熱系數k管內制冷劑的換熱系數管外冷卻介質的換熱系數管壁熱阻污垢系數 練習1 有一R22系統 使用水冷冷凝器 進水溫度為30 蒸發溫度為 10 時 壓縮機制冷量為100kW 計算臥式殼管式冷凝器的傳熱面積 冷卻水流量 2 以R22為制冷劑的空冷器 要求冷凝器有5 過冷 壓縮機在蒸發溫度為5 冷凝溫度為50度時的實際排氣量為180kg h 空氣進風溫度為35 翅片管為正三角形排列 換熱管外徑為9 52mm 壁厚為0 12mm 式設計該換熱器 一 蒸發器1 蒸發器的種類與特點蒸發器是吸熱設備 在蒸發器中低壓液體制冷劑汽化 從被冷卻的物體或空間吸熱 從而使被冷卻的物體或空間的溫度降低 因此 蒸發器是制冷裝置中產生和輸出冷量的設備 冷卻液體冷卻空氣按供液方式分為 A 滿液式蒸發器蒸發器內充滿液體制冷劑 液體與傳熱表面接觸好 換熱系數高 制冷劑充注量大回油困難B 非滿液式蒸發器液態制冷劑在管內流動蒸發 它的傳熱效果不如滿液式 制冷劑充注量小 約是滿液式的1 3 易回油C 再循環式蒸發器 殼管式干式殼管式套管式板式 翅片管式2 蒸發器的選擇計算a 換熱量b 對數平均溫差c 傳熱系數析濕系數d 被冷卻介質循環量 練習設計一臺表面式空氣冷卻的蒸發器 進口空氣的干球溫度為27 濕球溫度為19 5 管內R22的蒸發溫度為5 大氣壓101325pa 要求出風干球溫度17 5 濕球溫度14 6 蒸發器的制冷量20000w 節流機構一 節流機構的作用a 降壓 保證兩器壓差b 調節供液量二 種類1 手動膨脹閥氨制冷系統或實驗裝置中使用 氟制冷系統中在旁通管路中作備用閥2 浮球式膨脹閥適用于滿液式系統 廣泛用于氨制冷系統 閥前裝截止閥 3 熱力膨脹閥外平衡式用于蒸發器壓降大的情況 或帶分液器的蒸發器調節的熱惰性 超調 一般熱力膨脹閥容量應取蒸發器的1 2 1 3倍4 毛細管無法調節 用于負荷相對穩定的環境5 電子膨脹閥分熱電膨脹閥和電子脈沖膨脹閥 后者用于精細流量調節三 熱力膨脹閥1 各種過熱度關閉過熱度 最大 最小 靜裝配過熱度 閥門由全閉到開始開啟時所需過熱度有效過熱度工作過熱度額定狀態可變過熱度備用過熱度 2 熱力膨脹閥的力平衡感溫包內的力 p3 彈簧力 p2 蒸發器的壓力 p1 3 內平衡式膨脹閥計算 R12 第一種情況進蒸發器壓力為5 過熱度為5 求打開彈簧的力第二種情況若蒸發器內有壓力降0 278bar 則打開彈簧的力為多少第三種情況若蒸發器內有壓力降0 54bar 則打開彈簧的力為多少4 外平衡式膨脹閥求蒸發器內有壓力降0 54bar時 打開彈簧的力5 熱力膨脹閥的選擇余量 響應 廠家 四 膨脹閥的安裝與選配1 選配 根據R Q0 t0 tk 液體管路及閥件的阻力損失來進行1 1確定膨脹閥兩端的壓力差 確定閥的形式 選擇閥的型號與規格 選擇時應符合下述要求 1 所選擇的熱力膨脹閥的