低温制冷原理田.ppt
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1、低温制冷原理田 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第1章 绪论(2)制冷过程与冷却过程的不同之处 a.物体(热源)温度是否可以低于环境温度;b.是否可以自发进行(需要制冷机否?)(3)环境温度 可以是大气温度,也可以是冷却水温,土壤温度,地下水温等,总之环境温度是指在制冷过程中制冷系统向“外界”放热的放热介质温度,即热汇温度。第1章 绪论(4)热泵 若采用相同的系统,如环境温度是热源温度,物体、流体(加热对象)温度是热汇温度,收益能为Qh,则该热力过程
2、是热泵过程。(5)能量间的关系 制冷:Ql=Qh E 热泵:Qh=Ql+E第1章 绪论1.2 制冷机、制冷剂和制冷循环制冷机:制冷中所需的机器和设备的总和。制冷工质:制冷剂 能量传递的介质:流体:气体、液体和气液两相体第1章 绪论制冷循环:1)研究对象是制冷剂,不同的制冷剂在相同的条件下的循环热力性能是不一样的;2)制冷机中的各个设备与外界能量交换的数量可以通过制冷剂通过该设备的焓变化反映出来;3)工况对循环性能有极大的影响。第1章 绪论1.3 制冷技术的领域划分 120K以上:普冷 120 20K:深度制冷 20 0.3K:低温制冷 0.3K以下:超低温制冷第1章 绪论1.5 制冷技术的研究
3、内容(1)获取低温的方法和机理以及他们的循环,进行循环的热力分析计算,得到其特点及规律;(2)制冷剂及他们的热物性,循环特点;(3)设备的 工作原理、性能分析、结构设计,系统的流程组织、设计等。第2章 制冷方法2.1物质相变制冷2.1.1 集态:固、液、气相 潜热 制冷中使用最广泛的是气、液间的相变制冷方式。(1)固体相变冷却:冰、冰盐、干冰冰:0摄氏度时潜热为335kJ/kg,密度为900kg/m3。第2章 制冷方法制冷温度:零摄氏度以上。冰盐冷却:制冷温度零摄氏度以下:tm=-0.7*x qo=335+4.187tm 不同种类的冰盐可得到的最低温度不一样。第2章 制冷方法干冰冷却:制冷温度
4、低。升华潜热随温度改变而变化,温度越高,潜热越大。在零摄氏度时,单位质量制冷量为冰的1.9倍,单位容积制冷量为2.95倍。第2章 制冷方法(2)液体蒸发制冷制冷剂饱和压力与温度的关系第2章 制冷方法制冷机理(画张图)特点:(1)qm小(2)升压过程中加入能量有可能少(3)有利于换热 液体蒸发制冷(1)蒸汽压缩式制冷 系统简图能量转换效率最高 液体蒸发制冷(2)蒸气吸收式制冷系统图制冷剂和吸收剂 吸收剂溶液的浓度越高,制冷剂的分压力越低。常用的吸收剂和制冷剂对:溴化锂 水;水 氨使用的是热能;左边相当于压缩机。热电制冷工作原理 物理定律系统简图通过并联或串联方式,可以改变制冷温度和制冷量。没有制
5、冷工质和循环。能量转换效率低,常用于特殊场合。气体涡流制冷1.进气管;2.喷嘴;3.涡流室;4.孔板;5.冷端管子6.热端管子;7.控制阀气体涡流制冷T-S 图特点:结构简单、维护方便、启动快、能达到较低温度;效率低。气体膨胀制冷第三章 蒸气压缩式制冷3.1 可逆制冷循环压缩式制冷热力学原理概述 补偿能提供给压缩机,E -W3.1 可逆制冷循环制冷循环的性能系数COP和循环效率 COP=收益能量/补偿能量 制冷:热泵:循环效率(热力完善度):(1)可以评价循环的完善度,也可以评价不同类型制冷机的完善度;(2)COP,EER,的定义在实际上是不同的,具体应用应该根据标准;(3)性能还可用SEER
6、来评价。3.1 可逆制冷循环逆卡诺制冷循环逆卡诺循环的性能系数仅与TH和TL有关,与工质无关。3.1 可逆制冷循环意义:(1)制冷机的性能与热源和热汇的温度条件有关-与工况有关;(2)只有在指明工况的条件下,才能用COP评价制冷机的优劣,才能比较不同的制冷机性能;(3)可以直接评价和比较各种制冷循环(因为在相同的工况条件下)。3.1 可逆制冷循环劳伦次循环 (2个变温过程和2个等熵过程组成)劳伦次循环的性能系数与在 工况条件下的卡诺循环相等,因此为最理想的变温源(汇)热力学循环。3.2 单级压缩式制冷的理论循环系统简图 忽略与循环图无关的部件。1:压缩机;2.冷凝器;3.膨胀阀;4.蒸发器 工
7、作过程;3.2 单级压缩式制冷的理论循环制冷剂的状态图 作用(1)通过已知的状态参数求未知的状态参数;(2)表示热力过程,进行热力过程和循环分析。T-s图,p-h图(尤为重要)3.2 单级压缩式制冷的理论循环理论循环:假定:(1)恒定,制冷剂在相变传热过程中没有传热温差,即(2)不计过热度和过冷度;(3)除膨胀装置和压缩机外,制冷剂流经其他部件和管道没有压力变化;(4)除换热器外,其他部件和管道与外界没有热交换;(5)压缩过程为可逆的等熵绝热压缩过程。3.2 单级压缩式制冷的理论循环制冷循环过程在状态图上的表示3.2 单级压缩式制冷的理论循环理论循环特性(热力计算-用控制体方法)意义:(1)理
8、论循环并非可逆循环;(2)最大限度地排除系统本身的不完善度,已是在给定 条件下具有的最好热力性能;(3)循环的热力性能仅与 和制冷剂有关。作用:3.3 单级压缩式制冷的实际循环实际循环与理论循环的比较(热力过程)3.3 单级压缩式制冷的实际循环各种实际因素对循环的影响(1)过冷度 (作用、获得方法)3.3 单级压缩式制冷的实际循环(2)过热度 原因:干式蒸发器、吸气管道、压缩机、回热器 作用:排温、W、Qk、v1、qm、润滑油、制冷量和COP(有用过热、无用过热)必须有过热度的场合:3.3 单级压缩式制冷的实际循环管道压力和热交换(1)吸气管;(2)排气管(3)高压液管;(4)低压液管压缩机与
9、压缩过程的不可逆相变传热不可逆其他因素(润滑油、水分和不凝气体等)3.3 单级压缩式制冷的实际循环实际循环的热力计算(书上有例题)3.3单级压缩式制冷的实际循环-单级压缩式制冷机的变工况特性冷凝温度变化的影响(讨论对的影响)3.4 单级压缩式制冷机的变工况特性蒸发温度的影响(书上写的2点注意)3.4 制冷剂分类:(1)是否是纯质:单一或混合制冷剂;(2)化学类别:无机物、氟利昂、碳氢化合物;(3)物质来源:人工或天然制冷剂命名:R+数字(1)无机物:R7(摩尔分子量)氨:R717;H2O:R718;CO2:R744(2)氟利昂(最好还是查表)烷烃化合物(CmHnFxClyBrz):R(m-1)
10、(n+1)(x)(z)二氟一氯甲烷(CHF2Cl):R22;丙烷(C3H8):R2903.4 制冷剂(3)共沸混合物:5()()-按命名次序(4)非共沸混合物:4()()-按命名次序选用三原则:(1)制冷性能:取决于制冷剂的热物性。要求:Pk不能太高,Po不能太低,压比小,qo大,排温低,COP高,传热好,流动性好。(2)实用性:化学稳定性,热稳定性,无腐蚀,不与润滑油产生不良反应。安全性:无毒,不易爆炸。来源广,价廉。(3)环境可接受性:对臭氧层破坏程度(最好为零);对温室效应的影响(越少越好)。3.4制冷剂-性质热力性质:(1)饱和蒸汽压力曲线-各种制冷剂的曲线形状大致相同,但位置不同。t
11、s:制冷剂划分的标准。3.4 制冷剂-性质(2)临界温度tc 它是制冷剂不可能加压液化的最低温度。Ts/Tc约为0.6,意义:。希望:pk与pc之间距离越大越好。(3)粘性、导热性和比热容 粘性:温度越高,粘性越小。导热率:不受压力变化影响或者影响很小;气体随温度升高而增加,液体随温度升高而减少。比热容可查表或者用程序计算。3.4 制冷剂-性质环境影响指数(1)臭氧影响指数(ODP):规定R11为1,2030年要全部为零。(2)温室影响指数:基准:CO2:GWP;R11:HGWP。HGWP=3500GWP。越小越好。物理和化学性质:(1)安全性;(2)电绝缘性;(3)热稳定性和与材料的相容性,
12、以氨、R22为例。(4)与润滑油的互溶性;(5)溶水性;(6)参透性。3.4 制冷剂-混合制冷剂定义基本概念:(1)非共沸混合物、共沸混合物、近共沸混合物:温度滑移(2)分馏:易挥发的先蒸发,不易挥发的优先冷凝造成的成分变化。3.4 制冷剂-混合制冷剂混合制冷剂的性质与使用(1)性质:改变热物性和理化指标、降低排温。(2)使用:目的:环保、提高热力性能,增加运行安全性。选择原则:在环保、热力性能大致相当情况下,优先共沸、近共沸、共沸。原因:泄露会造成成分改变。一般非共沸制冷剂传热比较差。3.4 制冷剂-实用制冷剂天然制冷剂环保最好,但是通常有些热力性能和工作安全性的问题。氟利昂通常热力性能好,
13、价格贵,并注意环保问题。氟利昂:(1)ODP要求的替代:R11-R123,R245ca,R245fa R12-R134a R22-R407C,R410A,R410B R502-R404A,R5073.4 制冷剂-实用制冷剂天然制冷剂(1)水:不适合压缩式,吸收式用(2)氨:热力性能好,有毒易爆,k高,臭。(3)CO2:价廉环保,qo高,传热和流动性好;但是工作压力高,tc低。3.4 制冷剂-制冷剂热力性能计算查表查图利用程序计算3.5 采用混合制冷剂的单级蒸气压缩式制冷循环理论循环 对于非共沸制冷剂,它的冷凝和蒸发过程为等压非等温的换热过程,温度变化如图所示。可以部分实现劳伦次循环。3.5 采
14、用混合制冷剂的单级蒸气压缩式制冷循环实际循环(1)冷凝和蒸发过程中流动阻力对温度滑移的影响:两者不一样;(2)成分偏移:由于气相和液相的成分不一样,因此可能造成实际系统的成分与理想的不同。原因:生产和充灌工艺;运行过程中高压区和低压区所占比例不同;泄露;与润滑油的互溶。这些也是尽量采用纯质和近共沸的原因。1.(1)关于制冷的定义;热力学意义;环境温度的含义;热泵的定义;与冷却的不同;有关能量间的关系?(2)制冷工质和制冷循环是指的什么,有什么特点?2.(1)液体蒸发制冷循环的主要热力过程有哪些?与其他制冷循环相比它有什么特点?(2)吸收式制冷方式的主要机理是什么?它的特点?它系统中哪些部件的作
15、用相当于压缩式制冷系统的压缩机的作用?3.(1)制冷机和热泵性能有哪些?评价制冷机和热泵性能的指标是什么?(2)指示功(或功率)、机械功(或功率)和电功(或功率)有何不同?指示效率、机械效率和电效率的定义?(3)过热区、两相区和过冷区制冷剂状态参数之间的关系?(4)压缩式制冷系统简图和p-h图上循环图的画法?理想循环的假定是什么?(5)理想循环的意义和特点?(6)在理想循环中,蒸发温度和冷凝温度变化对各个性能参数的影响规律?(7)实际循环与理论循环的区别?(8)过热度(有用和无用)和过冷度对循环性能的影响规律?(9)蒸发器、冷凝器流动阻力对性能的影响?吸气管、排气管、液管和膨胀阀到蒸发器之间的
16、管道的流动阻力和传热对性能的影响?(10)如何计算实际压缩机的指示功率、机械功率和电功率?如何计算实际压缩机出口的制冷剂状态参数?11)如何确定实际的制冷循环?(书上的例题)(12)理想循环和实际循环的热力性能计算方法,单位制冷量、单位容积制冷量和比功的定义及物理含义。(13)制冷剂命名的方法?(14)制冷剂的标准沸点的含义?从循环的性能出发,应该如何选择制冷剂?(15)制冷剂的标准沸点的含义?环境影响指数有哪些?如何定义(16)与单一成分制冷剂相比较,非共沸混合制冷剂有主要特点?(17)作为替代制冷剂,混合制冷剂选用的原则是什么?3.6 多级压缩制冷循环为什么要采用?在to大幅减少,to 和
17、tk相差较大时,如仍用单级压缩,会产生以下问题:(1)制冷量大幅减少(质量输气量和单位制冷量)(2)运行安全性减少(排气温度、离心式压缩机、负压)(3)经济性减少(压缩机的效率、耗功与压力不是线性关系)(4)超出制冷剂工作温度范围解决方法:(1)在制冷剂工作温度范围内,采用多级压缩制冷循环;(2)在制冷剂工作温度范围外,采用复叠式制冷。3.6 多级压缩制冷循环分类方法:节流级数,中间是否是完全冷却,液体是否过冷?一级节流、中间完全冷却的两级压缩循环(多用于氨系统)系统简图,循环图,热力计算(注意两级压缩机流量不一样)3.6 多级压缩制冷循环一次节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环(多用于氟利
18、昂系统)(热力计算方法同上)3.6 多级压缩制冷循环获得两种蒸发温度的两级压缩制冷循环(E1制冷性能高,减少低压级压缩机尺寸,E2工作条件)3.6 多级压缩制冷循环中间压力的确定两种情况(1)已选配好高、低压压缩机,求pm;(2)从循环出发,根据最佳的COP,求两级压缩机的排量。3.7 复叠式制冷什么是复叠式制冷?复叠式与多级压缩制冷的特点比较(6个方面)为什么要使用复叠式制冷?3.7.1 系统与循环系统简图与循环图系统简图:忽略与制冷循环不相干的部件。R22 R23pc(tc)4.99MPa(96 oC)4.83MPa(26 oC)Ts -41 oC-82 oCpk(tk=40 oC)1.5
19、MPapo(to=-100oC)0.002MPa 0.0315MPa3.7 复叠式制冷制冷工作循环图的画法1)确定冷凝压力(冷凝温度)、蒸发压力、过热度、过冷度和压缩机效率;2)各子系统循环单独画:准确、科学、有利于计算;3)各子系统循环画在一张图上:直观,不科学。制冷工作循环图的画法各子系统循环画在一张图上:直观,不科学3.7.2 使用中的若干问题应用温度范围和制冷剂 复叠式制冷通常适于零下60度以下的场合。一般情况,当制冷温度在-60-80 oC,存在多级压缩制冷与复叠式制冷方式选择问题。3.7.2 使用中的若干问题 制冷剂的选择和子系统的多少与制冷温度有关。复叠温度和复叠温差辅助热交换器
20、的使用 1)回热器 2)水冷却器启动与防止停机时防止低温子系统超压和运行超载的措施 1)大型机;2)小型机3.8二氧化碳制冷天然工质,最环保的制冷剂。制冷剂热物性特点:1)临界压力为7.38MPa,临界温度为31摄氏度;三相点温度-56.6摄氏度,制冷温度应在三相点温度以上。2)对于空调工况,蒸发压力约为4MPa,环境温度可能大于或者接近临界温度,造成只有冷却过程没有冷凝过程的情况;系统工作压力高,但是压比并不大;3)密度高,导热率大,热容大,传热性能好,流动的压力损失相对较小,可以忽略;4)空调工况对应的低压液体密度小于润滑油密度;5)临界点上方附近的等温线有一小段压力升高的不多,但是比焓下
21、降得很快。二氧化碳的状态图近临界循环跨临界循环梅辛特法3.8.1近临界循环和跨临界循环近临界循环:由于节流后制冷剂干度较大(大于0.5),单位制冷量较小,系统性能较差。跨临界循环:提高冷却压力(大于临界压力),多付出的耗功换来更大的制冷量提高的收益,使得COP提高。最佳的压缩机排气压力的确定方法:1)通过不同的排气压力循环计算,找出最佳值;2)梅辛特法。3.8.1近临界循环和跨临界循环系统制冷剂最小充灌量问题 在不同工况条件下,系统的最小充灌量是不一样的。为了保证在各种工况条件下可靠的工作,制冷系统必须有液体制冷剂的储备。储液器位于高压侧和低压侧的所需的条件(氟利昂、氨和二氧化碳系统各有不同)
22、3.8.2 跨临界循环的应用装置汽车空调 据说根据实验结果,效果甚至可高于传统的氟利昂系统。系统特点:1)储液器在低压侧,适于变工况和制冷剂泄漏的需要;防止停机时压力过高;保证蒸发器湿周100%,提高蒸发器传热性能;使用前提是润滑油密度低于液体制冷剂密度,通过储液器下部回油,可保证系统工作安全。2)采用回热器,可防止压缩机进液,减少无用过热。3.8.2 跨临界循环的应用装置热泵式热水器 有单级和两级压缩两种循环单级压缩系统3.8.2 跨临界循环的应用装置 系统结构与汽车空调基本相同。两级压缩系统:主要是改变高压二氧化碳降温曲线与水的加热曲线匹配问题,同时也降低高压级压缩机的温度和进气比容,提高
23、效率。据说系统性能优于传统热泵性能。3.8.2 跨临界循环的应用装置应用中的一些问题:1)系统压力高的问题,解决办法:减少直径,增加厚度;2)变工况能量调节问题;3)二氧化碳跨临界循环的系统目前主要针对空调工况以及相近似的工况。由于上述问题的存在,即使对于这些工况,使用还是没有传统的系统普遍。对于制冷温度较低的工况,还是传统的循环用的多一些。如制取干冰制冷循环。第四章 热交换过程和换热器制冷机中的换热器:蒸发器,冷凝器,回热器等;吸收式制冷还有吸收器,发生器等。作用和特点:实现冷热流体间的热交换;冷热流体间由金属壁面分隔,传热过程由三个传热过程组成。对系统的性能有很大的影响;是系统的主要组成部
24、分,占系统成本的比例高;影响着系统的组成和运行控制方式。本章主要授课内容:介绍换热器传热计算的主要思路;蒸发器和冷凝器的主要形式及特点。4.1.1通过平壁的传热假定:1)稳定传热过程;2)两流体传热过程中没有集态变化;3)传热过程中流体的温度不变;4)固体壁面上没有污垢;换热器传热计算的基本公式4.1.1通过平壁的传热分别列出两个换热过程和一个导热过程的传热量计算公式,再消去内外壁面温度,可得:(1)其中:传热系数 特点:只需知道换热器的几何特征和流体的换热参数,不需要知道壁面温度,即可计算,使用非常简单方便。因此式(1)成为换热器传热计算的基本公式。实际换热器在传热过程中往往存在着金属壁面两
25、侧面积不相等、壁面有污垢,传热过程中流体温度发生变化、流体的集态有改变的情况。因此需要介绍在这样条件下如何利用式(1)的公式形式计算换热器传热量的方法。4.1.2 通过圆管的传热圆管内外的传热面积不相等,则用管外面积作为传热计算面积,并对传热系数按管外传热面积进行修正。即:传热公式:传热系数:污垢热阻对传热的影响在传热系数计算中考虑(污垢系数):4.1.3 通过肋壁的传热设肋壁为外表面,它对利用式(1)计算传热量需要考虑两个因数:内外面积不相等和肋表面温度与肋根温度不相等。对于前者,处理方法与圆管传热相同;归于后者,处理方法是用肋面总效率对外部表面传热系数进行修正。因此:式中:肋化系数:肋面总
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