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制冷原理与设备天津商业大学机械工程学院制冷与空调工程系李慧宇教学主要内容：制冷原理各种制冷方法概述单级蒸气压缩式制冷循环制冷剂双级蒸气压缩式制冷循环复叠式蒸气压缩式制冷循环制冷设备冷凝器和蒸发器节流机构及其他辅助设备教学参考书：制冷原理与设备吴业正主编，机械工业出版社制冷与低温原理陈光明陈国邦主编，机械工业出版社制冷原理与装置郑贤德主编，机械工业出版社空调调节用制冷技术彦启森主编，中国建筑工业出版社课程学习要求：了解并掌握蒸气压缩式制冷的基本原理及其循环特点；了解并掌握制冷机设备的各种类型及其设计计算；了解各种制冷方法的基本原理及其循环；通过本课程的学习，能够进行制冷循环的热力计算及机器设备的选型（或设计）；按时完成作业。绪论制冷技术实现制冷的途径制冷技术的应用制冷技术的研究内容和基础理论绪论一、制冷技术1.制冷的定义：•制冷就是使某一空间内物体的温度低于周围环境介质的温度，并维持这个低温环境的过程。2.实现制冷的途径：天然冷却利用自然界的物质来完成的降温过程人工制冷—利用制冷装置获得所需的低温，但要消耗能量（如：电能、热能、机械能、太阳能等）。3.制冷机机械制冷中所需机器设备的总合称为制冷机。4.制冷剂制冷机中使用的工作介质称为制冷剂。制冷剂在制冷机中循环流动，同时与外界发生能量交换，即不断地从被冷却对象中吸取热量，向环境排放热量。二、实现人工制冷的方法1.利用物质的相变来吸热制冷；融化（固体—液体）气化（液体—气体）升华（固体—气体）气化制冷（蒸气制冷）：包括蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷、吸附式制冷。2.利用气体膨胀产生低温气体等熵膨胀时温度总是降低的，产生冷效应。3.气体涡流制冷高压气体经涡流管膨胀后，可分为冷热两股气流；4.热电制冷（半导体制冷）利用半导体的温差电效应实现的制冷。根据制冷温度的不同，制冷技术可大体上划分三大类：1.普通冷冻：＞120K2.深度冷冻：120K~20K3.低温和超低温：＜20K。t=T-273.15(t,℃;T,Kelvin开）T=273+t三.制冷技术的研究内容1）研究获得低温的方法和有关的机理以及与此相应的制冷循环，并对制冷循环进行热力学的分析和计算。2）研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供性能满意的工作介质。3）研究实现制冷循环所必需的各种机械和技术设备，包括它们的工作原理、性能分析、结构设计，以及制冷装置的流程组织、系统配套设计。四.制冷技术的应用１.空调工程空调工程是制冷技术应用的一个广阔领域。光学仪器仪表、精密计量量具、纺织等生产车间及计算机房等，都要求对环境的温度、湿度、洁净度进行不同程度的控制；体育馆、大会堂、宾馆等公共建筑和小汽车、飞机、大型客车等交通工具也都需有舒适的空调系统。２.食品工程易腐食品从采购或捕捞、加工、贮藏、运输到销售的全部流通过程中，都必须保持稳定的低温环境，才能延长和提高食品的质量、经济寿命与价值。这就需有各种制冷设施，如冷加工设备、冷冻冷藏库、冷藏运输车或船、冷藏售货柜台等。３.机械与电子工业精密机床油压系统利用制冷来控制油温，可稳定油膜刚度，使机床能正常工作。对钢进行低温处理可改善钢的性能，提高钢的硬度和强度，延长工件的使用寿命。多路通讯、雷达、卫星地面站等电子设备也都需要在低温下工作。４.医疗卫生事业血浆、疫苗及某些特殊药品需要低温保存。低温麻醉、低温手术及高烧患者的冷敷降温等也需制冷技术。５.国防工业和现代科学在高寒地区使用的发动机、汽车、坦克、大炮等常规武器的性能需要作环境模拟试验，火箭、航天器也需要在模拟高空条件下进行试验，这些都需要人工制冷技术。人工降雨也需要制冷。６.家用冰箱及空调等日常生活方面也是制冷技术的应用。拼装式冷库结构简图大型装配式冷库外形图果汁机楼宇空调陈列柜五.制冷技术的发展历史1755年，爱丁堡的化学教授库伦利用乙醚蒸发使水结冰。他的学生布拉克从本质上解释了融化和汽化现象，导出了潜热的概念，并发明了冰量热器，标志着现代制冷技术的开始。1834年，在伦敦工作的美国发明家波尔金斯造出了第一台以乙醚为工质的蒸气压缩式制冷机，并正式呈请了英国第6662号专利。这是后来所有蒸气压缩式制冷机的雏型。1875年，卡列和林德用氨作制冷剂，制造了氨蒸气压缩式制冷机。1844年，美国人J.Gorrie发明了空气循环式制冷机，并于1851年获得美国专利，这是世界第一台制冷和空调用机器。1858年，美国人尼斯取得了冷库设计的第一个美国专利，从此商用食品冷藏事业开始发展。我国制冷的发展简史人类最早的制冷方法是利用自然界存在的冷物质－冰、深井水等。我国早在周朝就有了用冰的历史。到了秦汉，冰的使用就更进了一步，据《艺文志》记载：大秦国有五宫殿，以水晶为柱拱，称水晶宫，内实以冰，遇夏开发。”这实质是我国最早的空调房间。到了唐朝已生产冰镇饮料并已有了冰商。冰酪、奶冰也发源于中国，是冰淇淋的雏形，在元朝时由意大利著名旅行家马可·波罗带到了欧洲。人工制冷至今在世界上才有100多年的历史。旧中国制冷工业基本上是空白，解放前上海只有几家很小的“冰箱厂”且只搞维修业务，全国冷库也仅有几座。解放后，制冷工业得到飞速发展，特别是八十年代通过引进国外先进技术，使我国的制冷、空调产品打入了国际市场。第一章制冷方法常用制冷的方法有：液体气化制冷气体膨胀制冷涡流管制冷热电制冷液体汽化形成蒸气，利用该过程的吸热效应制冷的方法称液体蒸发制冷。当液体处在密闭的容器内时，若容器内除了液体和液体本身的蒸气外不含任何其它气体，那么液体和蒸气在某一压力下将达到平衡。这种状态称饱和状态。如果将一部分饱和蒸气从容器中抽出，液体中就必然要再汽化出一部分蒸气来维持平衡。以液体为制冷剂，它在汽化时要吸收汽化潜热，该热量来自被冷却对象，只要液体的蒸发温度比环境温度低，便可使被冷却对象变冷或者使它维持在环境温度以下的某一低温。为了使上述过程得以连续进行，必须不断地从容器中抽走制冷剂蒸气，再不断地将液体补充进去。通过一定的方法将蒸气抽出，再令其凝结为液体后返回到容器中。为使制冷剂蒸气的冷凝过程可以在常温下实现，需要将制冷剂蒸气的压力提高到常温下的饱和压力。这样，制冷剂将在低温低压下蒸发，产生制冷效应；又在常温和高压下凝结，向环境温度的冷却介质排放热量。凝结后的制冷剂液体由于压力较高，返回容器之前需要先降低压力。液体蒸发制冷循环必须具备以下四个基本过程：制冷剂液体在低压下汽化产生低压蒸气，将低压蒸气抽出并提高压力变成高压气，将高压气冷凝成高压液体，高压液体再降低压力回到初始的低压状态。按照实现循环所采用的方式之不同，液体蒸发制冷有蒸气压缩式制冷蒸气吸收式制冷蒸气喷射式制冷吸附式制冷等系统组成：1-压缩机2-冷凝器3-膨胀阀4-蒸发器组成的密闭系统。图1-1蒸气压缩式制冷循环流程图§1-1蒸气压缩式制冷蒸气压缩制冷.exe工作原理：制冷剂在蒸发器中吸收被冷却对象的热量而蒸发，产生的低压蒸气被压缩机吸入，经压缩机压缩后制冷剂压力升高，压缩机排出的高压蒸气在冷凝器中被常温冷却介质冷却，凝结成高压液体。高压液体经膨胀阀节流，变成低压、低温湿蒸气，进入蒸发器，低压液体在蒸发器中再次汽化蒸发。如此周而复始。§1-2.蒸气吸收式制冷系统组成：发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、溶液热交换器、溶液泵、冷剂泵等图1-2吸收式制冷流程图工质对：制冷剂与吸收剂常用：氨—水溶液溴化锂—水溶液吸收式制冷机消耗的热源，可以是废热、废气、蒸汽、热水或燃油、燃气等。吸收式制冷.exe图1-3单效热水型溴化锂吸收式制冷机工作原理（工作过程）：Ⅰ.溴化锂溶液在发生器中被热源加热沸腾，产生出制冷剂蒸汽在冷凝器被冷凝成冷剂水。冷剂水经U型管节流进入蒸发器，在低压下蒸发，产生制冷效应。Ⅱ.发生器中出来的浓溶液，经热交换器降温、降压后进入吸收器，与吸收器中的稀溶液混合为中间浓度的溶液。中间热度的溶液被吸收器泵输送并喷淋，吸收从蒸发器中产生的冷剂蒸汽，形成稀溶液。稀溶液由发生器泵输送到发生器，重新被热源加热，形成浓溶液。氨水吸收式制冷循环工作原理：在发生器中的氨水浓溶液被热源加热至沸腾，产生的蒸气（氨气中含有一小部分水蒸汽）经精馏塔精馏后（得到几乎是纯氨的蒸气），进入冷凝器放出热量后被冷凝成液体，经节流机构节流，进入蒸发器，低压液体制冷剂，吸收被冷却物体的热量而蒸发，达到制冷的目的，产生的低压蒸气进入吸收器。而发生器中发生后的稀溶液，降压后也进入吸收器，吸收由蒸发器来的制冷剂蒸气，浓溶液经溶液泵加压后送入发生器。如此不断循环。单级氨水实际循环.swf整个系统包括两个回路：制冷剂回路，溶液回路。系统中使用制冷剂和吸收剂作为工作流体，称为吸收式制冷的工质对。吸收剂对制冷剂气体有很强的吸收能力。吸收剂吸收了制冷剂气体后形成溶液。溶液经加热又能释放出制冷剂气体。因此，可以用溶液回路取代压缩机的作用，构成蒸气吸收式制冷循环。制冷剂回路由冷凝器、制冷剂节流阀、蒸发器组成。高压制冷剂气体在冷凝器中冷凝，产生的高压制冷剂液体经节流后到蒸发器蒸发制冷。溶液回路由发生器、吸收器、溶液节流阀、溶液热交换器和溶液泵组成。在吸收器中，吸收剂吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸气，形成富含制冷剂的溶液，将该溶液用泵送到发生器，经加热使溶液中的制冷剂重新以高压气态发生出来，送入冷凝器。另一方面，发生后的溶液重新恢复到原来成分，经冷却、节流后成为具有吸收能力的吸收液，进入吸收器，吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸气。吸收过程中伴随释放吸收热，为了保证吸收的顺利进行，需要用冷却的方法带走吸收热，以免吸收液温度升高。如果将吸收式制冷系统与压缩式制冷系统做个对比：吸收器好比压缩式制冷系统中压缩机的吸入侧；发生器好比压缩机的排出侧；对发生器内溶液的加热，提供提高制冷剂蒸气压力的能量。普遍应用的工质对有两种：溴化锂-水（制冷剂是水），氨-水（制冷剂是氨）。溴化锂吸收式制冷机用于制取7-10℃的冷水；氨水吸收式制冷机能够制冷的温度达－20℃或更低。§1-3.蒸气喷射式制冷图1-4蒸气喷射式制冷循环流程图系统组成：喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀、泵。喷射器由喷嘴、吸入室、扩压器组成。循环流程图如图1-4所示。蒸气喷射式制冷原理.swf工作原理高压的工作蒸气进入喷嘴，膨胀并以1000m/s以上的流速流动，于是在喷嘴出口处造成很低的压力，这就为蒸发器中水在低温下汽化创造了条件。由于水的汽化吸热，而使未汽化的水的温度下降，为空调系统提供低温冷水。蒸发器中产生的冷剂水蒸气与工作蒸气在喷嘴出口处混合，一起进入扩压器。在扩压器中由于流速降低而使压力升高，进入冷凝器，放出热量后被冷凝成为液体，液态水分两路：一路经过节流阀降压后送回蒸发器，继续蒸发制冷；另一路用泵加压后送入锅炉。图1-5蒸气喷射式制冷机理论循环的温熵图1-2表示工作蒸气在喷嘴内的膨胀过程2、3混合后的状态是44-5是混合蒸气在扩压器中流动升压的过程5-6冷凝器中气体的凝结过程6-7冷剂水的节流过程7-3冷剂水的蒸发过程6-9-1锅炉的工作过程蒸气喷射式制冷机理论循环的温熵图循环热力分析：制冷量：Q0=qm0(h3-h6)kW式中：qm0——被引射蒸气的质量流量，kg/s；h3——制冷剂流出蒸发器时的焓值，kJ/kg；h6——凝结水出冷凝器时的焓值,kj/kg。锅炉热负荷：Qh=qm1(h1-h6)kW式中：qm1——工作蒸气的质量流量，kg/s；h1——工作蒸气出锅炉时的焓值，kJ/kg。冷凝器热负荷：Qk=(qm0+qm1)(h5-h6)kW式中：h5——混合蒸气进冷凝器时的焓值，kJ/kg。循环热平衡：Q0+Qh=Qk喷射系数：每公斤工作蒸气所引射的制冷蒸气的量（kg），即u=qm0/qm1理论喷射系数：u=qm0/qm1=(h1-h5)/(h5-h3)§1-4.吸附制冷图1-6太阳能沸石—水吸附制冷原理图吸附制冷也消耗热能。基本