第十二章冷冻优秀PPT.ppt

第十二章冷冻第一页，本课件共有41页2 2、热热力力循循环环：体体系系经经过过一一个个过过程程的的变变化化，热热和和功功有有一一定定的的转转换换，如如果果从从初初始始状状态态经经过过若若干干过过程程后后，回回复复到到原原状状态态，又又完完成成了了热热与与功功的的转转换换，而而物物质质状状态态发发生生周周期期性性变变化化。该该循环过程称为循环过程称为热力循环热力循环。一、热力学第一定律一、热力学第一定律（一）封闭体系热力过程（一）封闭体系热力过程1 1、封封闭闭体体系系:与与外外界界无无物物质质交交换换，但但可可以以有有热热、功功交交换换的的热热力力学学体体系，即只有能量传递，没有物质传递。系，即只有能量传递，没有物质传递。热热力力学学第第一一定定律律恰恰好好描描述述了了热热力力学学体体系系中中热热与与功功转转换换的的数数量量关系。关系。第二页，本课件共有41页3 3、热力学第一定律热力学第一定律：以以热热和和功功的的形形式式传传递递的的能能量量必必定定对对应应于于系系统统的的内内能能确确定定的的变变化。化。对于任一制冷系统，由热力学第一定律可知：对于任一制冷系统，由热力学第一定律可知：进入系统的能量进入系统的能量离开系统的能量离开系统的能量=系统中积累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制冷剂进入系统时的焓kJ/kgH2制冷剂离开系统时的焓制冷剂离开系统时的焓kJ/kgW制冷剂对外所做的机械功制冷剂对外所做的机械功kJ/kgQ外界传递至制冷剂的热量外界传递至制冷剂的热量kJ/kg第三页，本课件共有41页二、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。第四页，本课件共有41页对于温度为对于温度为T的系统，当有热量输入或输的系统，当有热量输入或输出时，过程的熵变可表示为出时，过程的熵变可表示为 S=S2S1=S过程的熵变过程的熵变 S1系统在初始状态下的熵系统在初始状态下的熵S2-系统在终了状态下的熵系统在终了状态下的熵Q输入或输出系统的热量输入或输出系统的热量T系统的温度系统的温度第五页，本课件共有41页三、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、等容线第六页，本课件共有41页三、温熵图三、温熵图 K K点：点：临临界点；界点；K K点左支曲点左支曲线线:饱饱和液体曲和液体曲线线；K K点右支曲点右支曲线线:饱饱和和蒸汽蒸汽曲曲线线；等等压线压线群群:ABCD:ABCD；等等焓线焓线群群:EF:EF；等比容等比容线线群群:GHJ:GHJ（虚（虚线线）；）；等温等温t t线线群群（水平水平线）线）等等熵熵S S线线群群（垂垂线）线）过过冷冷液液体体过过热热蒸蒸汽汽第七页，本课件共有41页第二节单级蒸气压缩制冷（第二节单级蒸气压缩制冷（refrigerator）循环循环 单级蒸气压缩制冷循环所必需的机器和设备总单级蒸气压缩制冷循环所必需的机器和设备总称为称为压缩蒸气制冷机压缩蒸气制冷机，简称，简称蒸气制冷机蒸气制冷机。第八页，本课件共有41页能量（能量（energyenergy）的传递和转化）的传递和转化.制冷循环的热力学分析制冷循环的热力学分析热力学循环热力学循环热源温度不变时的逆向可逆循环热源温度不变时的逆向可逆循环逆卡诺循环逆卡诺循环 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。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。高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失。正向循环正向循环 热能转化为机械功热能转化为机械功 逆向循环逆向循环 消耗功消耗功 第九页，本课件共有41页单级单级蒸汽压缩式制冷循环“冷源冷源”指需冷却的空间指需冷却的空间“热源热源”则指制冷机放热的对象则指制冷机放热的对象 制冷循环制冷循环就是通过一定的能量补偿，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与压力，相应地决定了制冷循环中的高低压的压力比。低压的压力比。第十页，本课件共有41页单级蒸汽压缩式制冷循环单级蒸汽压缩式制冷循环l单级蒸汽压缩式制冷系统单级蒸汽压缩式制冷系统由压缩机，冷凝器，膨胀阀由压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器组成。和蒸发器组成。l制冷剂蒸汽压缩、冷凝成液体，放出热量制冷剂蒸汽压缩、冷凝成液体，放出热量l冷凝后的制冷剂流经节流元件进入蒸发器。从入口端的高冷凝后的制冷剂流经节流元件进入蒸发器。从入口端的高压压pk降低到低压降低到低压p0，从高温，从高温tk降低到降低到低温低温t0，并出现少量，并出现少量液体汽化变为蒸汽。液体汽化变为蒸汽。l制冷剂液体在低压（低温）下蒸发制冷剂液体在低压（低温）下蒸发吸热吸热l制冷剂蒸汽回到压缩机中压缩制冷剂蒸汽回到压缩机中压缩单级循环原理图动画第十一页，本课件共有41页制冷系统各部件的主要用途制冷系统各部件的主要用途压缩制冷剂蒸汽，提高压力压缩制冷剂蒸汽，提高压力和温度和温度放热，使高压高温制冷剂蒸汽冷却、冷放热，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凝成高压常温的制冷剂液体 得到低温低压制冷剂得到低温低压制冷剂制冷剂液体吸热、蒸发、制冷制冷剂液体吸热、蒸发、制冷第十二页，本课件共有41页单级蒸汽压缩式制冷循环单级蒸汽压缩式制冷循环容容积积式式压压缩缩机机的的单单级级压压缩缩比比受受压压缩缩机机容容积积效效率率和和压压缩缩终终了了温度的制约温度的制约 通常被限制在通常被限制在810离心式压缩机的单级压缩比受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工质分子量大小与叶轮的周边速度制约边速度制约 通常被限制在通常被限制在 24 第十三页，本课件共有41页蒸汽压缩式制冷系统的构成各种控制阀各种控制阀辅助部件辅助部件蒸汽蒸汽压缩压缩式制式制冷系冷系统的统的构成构成四个主四个主要部件要部件压缩机压缩机冷凝器冷凝器节流件节流件蒸发器蒸发器不可不可缺少缺少管道管道净化净化贮集贮集分离设备分离设备第十四页，本课件共有41页压缩机压缩机按压缩原理有两大类：压缩机按压缩原理有两大类：容积型容积型速度型速度型容积型压缩机容积型压缩机 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。汽压力来完成压缩功能。速度型压缩机速度型压缩机 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。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压缩式制冷系统的心脏主机主机有用功的输入、制冷剂在系统中的循环流动有用功的输入、制冷剂在系统中的循环流动压缩机压缩机称为称为第十五页，本课件共有41页热交换设备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们是制冷剂与外部热源介质之间发生热交换的设备。备。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。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。第十六页，本课件共有41页节流机构节流机构、管道、管道节流机构节流机构 控制进入蒸发器的制冷剂控制进入蒸发器的制冷剂；对；对制冷剂的流动起扼制作用；制冷剂的流动起扼制作用；使来自冷使来自冷凝器的高压液态制冷剂压力降低凝器的高压液态制冷剂压力降低。管道管道 用管道将制冷机各组成部件连接成用管道将制冷机各组成部件连接成一个完整的制冷系统，使制冷剂在封一个完整的制冷系统，使制冷剂在封闭的系统中循环。闭的系统中循环。第十七页，本课件共有41页单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成制冷压缩机制冷压缩机 冷凝器冷凝器 节流器节流器 蒸发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，最低蒸发温度可达只经过一次压缩，最低蒸发温度可达-40-30。单。单级蒸汽压缩式制冷广泛用于制冷、冷藏、工业生产过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。冷工程。第十八页，本课件共有41页制冷剂的变化过程制冷剂的变化过程单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成：单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成：制冷压缩机制冷压缩机 冷凝器冷凝器 节流器节流器 蒸发器蒸发器 压缩过程（压缩机中进行）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。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）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。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）节流过程（节流阀中进行）压力、温度降低，焓值不变压力、温度降低，焓值不变蒸发过程（蒸发器中进行）蒸发过程（蒸发器中进行）吸热蒸发，变成低温低压制冷剂气吸热蒸发，变成低温低压制冷剂气体体第十九页，本课件共有41页各部件的作用各部件的作用压缩机压缩机: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。第二十页，本课件共有41页一、一、制冷剂：即制冷工质制冷剂：即制冷工质传递热能的媒介。传递热能的媒介。第三节第三节 制冷剂与载冷剂制冷剂与载冷剂第二十一页，本课件共有41页1、对制冷剂的要求：对制冷剂的要求：常压下常压下，沸点低沸点低 蒸发温度低；蒸发温度低；单位容积制冷量大单位容积制冷量大 制冷剂量小制冷剂量小，压缩机尺寸小；压缩机尺寸小；制冷剂潜热要大制冷剂潜热要大 可减少制冷剂循环量；可减少制冷剂循环量；不燃烧、无毒、无刺激气味（无爆炸、无腐蚀性）价低。不燃烧、无毒、无刺激气味（无爆炸、无腐蚀性）价低。第二十二页，本课件共有41页2.2.常用制冷剂常用制冷剂（1）氨）氨:单位容积制冷量大、价廉；但有味、有害且有腐蚀；单位容积制冷量大、价廉；但有味、有害且有腐蚀；（2）氟里昂（）氟里昂（Freon）：饱和碳氢化合物的卤素衍生物。常）：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。球的臭氧层，已限制使用。（3）SO2、CO2第二十三页，本课件共有41页HFC：含氢无氯的氟化碳；：含氢无氯的氟化碳；HCFC：含氢和氯的氟化碳；：含氢和氯的氟化碳；CFC：含氯的氟化碳。：含氯的氟化碳。新型制冷剂新型制冷剂第二十四页，本课件共有41页二、二、载冷剂（冷媒）载冷剂（冷媒）常用的载冷剂常用的载冷剂：空气、水和盐水及有机物水溶液。：空气、水和盐水及有机物水溶液。定定义义：载载运运蒸蒸发发器器所所产产生生的的冷冷量量，并并将将其其传传递递给给欲欲冷冷冻物体的物质。冻物体的物质。第二十五页，本课件共有41页第四节第四节 制冷系统与设备的选用制冷系统与设备的选用一、蒸汽压缩式制冷的主要设备一、蒸汽压缩式制冷的主要设备：压缩机、冷凝器、：压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器。膨胀阀、蒸发器。1 1、压缩机：活塞式、离心式、旋转式、压缩机：活塞式、离心式、旋转式2 2、冷凝器：水冷式、空冷式和蒸发式、冷凝器：水冷式、空冷式和蒸发式3 3、膨胀阀：节流阀。手动式、自动式、膨胀阀：节流阀。手动式、自动式4 4、蒸发器：直接式和间接式、蒸发器：直接式和间接式第二十六页，本课件共有41页第二十七页，本课件共有41页二、冷凝器二、冷凝器冷冷凝凝器器的的任任务务：将将压压缩缩机机排排出出的的高高温温高高压压气气态制冷剂冷却使之液化。态制冷剂冷却使之液化。冷凝器的分类（冷凝器的分类（据冷却介质的不同据冷却介质的不同）：）：（1）水冷式冷凝器（）水冷式冷凝器（用水冷却用水冷却）；）；（2）空气冷却式冷凝器（）空气冷却式冷凝器（用空气冷却用空气冷却）；）；（3）蒸发式冷凝器（用水蒸发吸热）；）蒸发式冷凝器（用水蒸发吸热）；（4）淋水式冷凝器（空气流动）。）淋水式冷凝器（空气流动）。第二十八页，本课件共有41页 表表 常用冷凝器的比较常用冷凝器的比较 第二十九页，本课件共有41页第三十页，本课件共有41页立立式式冷冷凝凝器器第三十一页，本课件共有41页卧式冷凝器卧式冷凝器第三十二页，本课件共有41页卧式冷凝器卧式冷凝器第三十三页，本课件共有41页套套管管式式冷冷凝凝器器第三十四页，本课件共有41页蒸蒸发发式式冷冷凝凝器器第三十五页，本课件共有41页 单级蒸气压缩制冷机运行时制冷剂的冷凝压力是由环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。境介质（如空气或水）温度所决定。在冷凝温度在冷凝温度tk一定的条件下一定的条件下蒸发温度的降低蒸发温度的降低冷凝压力和蒸发压力之差（冷凝压力和蒸发压力之差（pk-po）增大）增大压缩比压缩比pk/po变大变大第五节第五节 多级蒸气压缩式与复叠式多级蒸气压缩式与复叠式制冷循环制冷循环第三十六页，本课件共有41页 单级压缩循环所能达到的最低制冷温度是有限单级压缩循环所能达到的最低制冷温度是有限的。的。通常，最低只能达到通常，最低只能达到-40左右。左右。原因原因:（1）单级压缩制冷循环压比的限制。）单级压缩制冷循环压比的限制。（2）制冷剂物性参数的限制。）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。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我国活塞式制冷压缩机标准GB10875-89中规定了不同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。制冷机使用温度在高温、中温和低温的不同温度范围。第三十七页，本课件共有41页 单级压缩的局限性单级压缩的局限性 制冷压缩机的余隙影响会增大制冷压缩机的余隙影响会增大 制冷压缩机的排气温度升高。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多级蒸气压缩式与复叠式制冷循环第三十八页，本课件共有41页所以，所以，为了获得比较低的温度（为了获得比较低的温度（4070），），同时又能使压缩机的工作压力控制在一个合适的范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。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，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多级蒸气压缩式与复叠式制冷循环第三十九页，本课件共有41页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一次节流中间不冷却两级蒸气压缩制冷循环两级压缩制冷循环是指制冷剂的压缩过程分两个阶段两级压缩制冷循环是指制冷剂的压缩过程分两个阶段进行，既将来自蒸发器的低压制冷剂蒸汽（压力为进行，既将来自蒸发器的低压制冷剂蒸汽（压力为P0）先进入低压压缩机，在其中压缩到中间压力）先进入低压压缩机，在其中压缩到中间压力Pm，经过中间冷却后再进入高压压缩机，将其压缩到冷凝经过中间冷却后再进入高压压缩机，将其压缩到冷凝压力压力Pk，排入到冷凝器中。，排入到冷凝器中。两级往复式蒸气压缩制冷循环两级往复式蒸气压缩制冷循环第四十页，本课件共有41页 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完全冷却两级蒸气压缩制冷循环a低压级制冷压缩机低压级制冷压缩机b蒸发器蒸发器c节流器节流器Bd中间冷却器中间冷却器e节流器节流器Af冷凝器冷凝器g高压级制冷压缩机高压级制冷压缩机 两级往复式蒸气压缩制冷循环两级往复式蒸气压缩制冷循环第四十一页，本课件共有41页