食品工程原理课件 第三章 制冷

本章重点1.理想制冷循环与实际制冷循环的差别及其T-S图和lgp-h图；2.计算。第三章制冷第一节理论基础及基本概念•在食品工业上的应用：①产生冷冻、速冻食品；②贮藏；③加工手段（冷冻浓缩、干燥）；④空气调节等。•制冷:消耗机械功或其它能量获得低温（相对环境）的单元操作。工业上，一般是采用机械压缩、蒸汽喷射和吸收剂吸收等实现制冷的。•分类：深度冷冻（-100℃以下）和一般冷冻（-100℃以上）。一、概述2、热力循环：体系经过一个过程的变化，热和功有一定的转换，如果从初始状态经过若干过程后，回复到原状态，又完成了热与功的转换，而物质状态发生周期性变化。该循环过程称为热力循环。二、基础理论与方法（一）封闭体系热力过程1、封闭体系:与外界无物质交换，但可以有热、功交换的热力学体系，即只有能量传递，没有物质传递。热力学第一定律恰好描述了热力学体系中热与功转换的数量关系。3、热力学第一定律：dq=de+pdV（J/kg）因此，对于理想的封闭体系（热力循环），热交换量等于功交换量。以热和功的形式传递的能量必定对应于系统的内能确定的变化。规定：de↑为+,内能增加为正;dq↑为+,吸热,q为正;dV↑为+,膨胀,即对外做功,w为正。工质循环后，内能无变化，回复到原状态。wq,dwdq,de即01、卡诺循环和逆卡诺循环TTCTNP12342341q1q2TCTNS1S2•卡诺循环——热机循环VS1→2等温膨胀过程2→3等熵膨胀过程3→4等温压缩过程4→1等熵压缩过程P-V图T-S图（二）制冷循环•逆卡诺循环——制冷循环TTCTNP12342341q1q2TCTNS1S2VSP-V图T-S图1→2等熵（绝热）压缩过程2→3等温压缩过程3→4等熵（绝热）膨胀过程4→1等温膨胀过程2、实际制冷过程蒸发器等温等压等压冷凝器膨胀阀（节流阀）等焓等熵压缩机制冷过程简图四个阶段：压缩、冷凝膨胀、蒸发（三）制冷剂的压焓图与温熵图•等压线群：水平线•等焓线群：垂直线•等比容υ线群：虚线•等干度x线群:•等温t线群:•等熵S线群:饱和蒸汽饱和液体临界点过冷液体过热蒸汽1、压焓图2、温熵图•K点：临界点；•K点左支曲线:饱和液体曲线；•K点右支曲线:饱和蒸汽曲线；•等压线群:ABCD；•等焓线群:EF；•等比容υ线群:GHJ（虚线）；•等温t线群（水平线）•等熵S线群（垂线）过冷液体过热蒸汽P89F-12压焓图P90（四）理想制冷循环与实际制冷循环的比较1、理想制冷循环2、实际制冷循环1.绝热可逆压缩(等熵)过程:1-2线2.等压冷却、冷凝及过冷过程：2-2’-3’-3线3.节流膨胀(等焓)过程:3-4线(不可逆,无外功,绝热)4.等温等压蒸发:4-1线h1h2h3=h4h1、绝热可逆压缩(等熵)线1-2。2、等压冷却、冷凝及过冷过程：2-2’线—冷却(到饱和蒸汽)(等压)；2’-3’—冷凝(等压,等温)；3’-3—过冷(等压),3’与3点的温度不同；故2-2’-3’-3为等压冷却、冷凝及过冷过程线。3、节流膨胀(等焓)线3-4。4、蒸发(等压,等温)线4-1。实际制冷循环与理想过程的区别1.节流阀取代膨胀机：节流膨胀：连续流动流体经到节流阀急剧膨胀,使其压强p2下降至p1。由于过程太快,其情况不可逆，由于节流阀没有作外功,w=0,又流体与周围介质来不及作热交换,故节流前后焓值不变。2.引入过冷凝线：加大冷凝器面积，增大吸热量，即增加了制冷量。3.干法压缩取代湿法压缩：制冷系数减少，但避免液击事故，提高生产能力。4.过程不可逆。实际制冷循环所消耗外功多。三、一般制冷方法（一）机械压缩制冷1、空气压缩制冷：用空气作为制冷剂。制冷系数小，经济性差，单位制冷量小（无相变）。2、蒸汽压缩制冷：用常温下加压可以液化的物质作为制冷剂（工质），工质在循环过程中不断发生相变（液态→气态，气态→液态）蒸汽压缩式制冷循环原理图冷凝器等温过程等温过程特点：制冷系数大，单位制冷量大，传热系数大，设备小。3、吸收式制冷：消耗热能。使用制冷剂和吸收剂两种工质。中央空调系统如溴化锂吸收制冷。制冷剂吸热蒸发制冷剂蒸汽冷凝减压蒸发制冷混合吸收制冷剂吸收剂吸收式制冷原理图4、蒸汽喷射式制冷：消耗热能。（二）非机械压缩制冷1、融解和溶解制冷：如冰融解制冷；盐水低温制冷（降低冰点）。2、固体升华和液体汽化制冷：如干冰制冷、液氮制冷。四、低温制冷方法为了获得更低的温度，可用以下几种方法：1、多级制冷循环：多级压缩（一种制冷剂）。2、串级制冷循环：多级压缩（多种制冷剂）。3、节流膨胀和绝热膨胀法：配合1、2方法使用。4、固体升华与液体汽化制冷：两级蒸气压缩式制冷循环1、制冷量（制冷能力）：单位时间制冷剂从被冷冻物中（在蒸发器中吸收）取出的热量Q0，单位W或kW。冷冻吨(国外)，1冷吨(USA)=3.52kW=12660kJ/h1冷吨(JP)=3.86kW=13900kJ/h单位制冷量：单位质量或单位容积制冷剂在蒸发器中所吸收的热量。（1）单位质量制冷量q0；单位J/kg（2）单位容积制冷量qv；单位J/m3单位制冷量q0、qv可从蒸汽压焓图查取、计算。第二节食品冷冻常用的蒸汽压缩式制冷的计算一、制冷计算h4=h3h1h2hq0=h1-h4J/kgkJ/kg04100hhqqvkJ/m3J/m3比容单位质量制冷量q0单位容积制冷量qv式中υ0是1点的比容。2、制冷剂循环量：单位时间内制冷机中循环的制冷剂流量。（1）单位时间质量循环量G，单位kg/s（2）单位时间容积循环量V，单位m3/s（1）单位时间质量循环量G41000hhQqQG单位kg/s（2）单位时间容积循环量VvqQqQGV00000单位m3/s3、制冷剂的放热量Qk：包括冷却、冷凝、过冷三阶段的放热量。h4=h3h1h2h）（32hhGQQQQ'''k''k'kk）（''khhGQ22冷却段冷凝段）（''''khhGQ32过冷段）（33hhGQ''''k单位均为：W或kW单位放热量：qk=(h2-h3)4、制冷压缩机功率：对于单位质量制冷剂，压缩机的理论压缩功称为理论功wt，单位J/kg。h4=h3h1h2h12hhwtJ/kg（1）理论功wt（2）理论功率Nt：对于制冷剂循环量为G（kg/s）的压缩循环,压缩机所消耗的功率，单位W。）（12hhGGwNtt单位：W120qqqqwktJ/kg（3）实际功率N：实际功率大于理论功率。NNt。如果压缩机的总效率为η，则实际功率：tNNDmai其中ηai—指示效率，为理论功率Nt与指示功率Ni之比。是压缩机余隙容积、压缩比、汽缸、活塞和气阀等结构因素造成能量损失。可用该式计算：0bTwai蒸发温度中、小型卧式压缩机：2273233TTkw大型卧式压缩机：kwTT2992730立式压缩机：kwTT2732730冷凝温度排气温度预热系数温度℃卧式：b=0.002立式：b=0.001ηm—机械效率。指示功率Ni与轴功率Nz之比。机械摩擦损失。zimNN95080.~.mηD—传动效率。轴功率Nz与实际功率N之比。传动机构的完善程度。NNzD传动效率ηD的取值：三角皮带：0.97~0.98平皮带：0.96齿轮箱：0.96~0.99电动机直接联接：1.0为了保证压缩机工作可靠，取保险系数B=1.1~1.15，则电机的额定功率N0为：DmaithhGBNBN）（120单位：W5、制冷系数ε：制冷循环中的制冷量Q0（W，或kW）与该循环所消耗的功率N（W，或kW）之比值ε。消耗单位外功所能获得的制冷量。用于衡量制冷循环的效率，是评价某具体制冷循环经济性的一项指标。NQ012410hhhhwqtt单位质量的理论值理论功单位质量制冷量对于理想制冷循环,ε仅与T0和Tk有关，与制冷剂的性质无关。逆卡诺循环制冷系数ε最大,制冷最为经济，ε↑,制冷效率↑；(Tk-T0)↓,ε↑→但Tk↓受环境条件限制；T0↑不利于传热。对于理想制冷循环（逆卡诺循环）：00TTTk理想理想实际蒸发温度冷凝温度例1.某制冷循环为逆向卡诺循环。在-25℃下每kg制冷剂在蒸发器内的吸热量和在冷凝器内的放热量分别为200kJ/kg和240kJ/kg。求：1.制冷系数；2.冷凝温度；3.若制冷剂循环量为450kg/h，求所需理论功为若干kW。解：1.制冷系数ε由题意知：54020040200240240200000tktkwqkg/kJqqw:kg/kJq,kg/kJq则2.冷凝温度Tk因是逆向卡诺循环，故制冷系数：已知蒸发温度T0=273-25=248K00TTTk3.理论功Nt℃.tK.TTTTTkkkk6246297524824800kWh/kJGwNtt540450例2、在氨蒸气压缩制冷循环中，蒸发温度和冷凝温度分别为-20℃和20℃，制冷量为20冷吨(日本)。氨在冷凝器中的放热速率为100kJ/s，氨进入压缩机的状态为干饱和蒸气，并在其中进行绝热压缩。求：1.压缩机的理论功率；2.制冷系数；3.氨的循环流量。解：1.压缩机的理论功率Nt氨在冷凝器中放热速率为100kJ/s，即h/kJ.Qk510633600100制冷量:h/kJQ2780001390020200冷吨净功:h/kJQQWkt820002780003600000理论功率:kW.WNtt8223600820003600393820002780000.WQt2.制冷系数3.氨的循环流量G根据题意知，蒸发温度t0=-20℃，又因为压缩机入口为干饱和蒸气，并进行绝热压缩，故可由附录logp-h图查出：h4h1h2h3-20℃20℃h,kJ/kgLogph1=1445kJ/kgh2=1640kJ/kgwt=h2-h1=195kJ/kgG=Wt/wt=420kg/h例3.某蒸气压缩制冷循环以氨为制冷剂，冷凝温度为30℃，蒸发温度为-10℃。制冷剂离开蒸发器时为干饱和蒸气，离开冷凝器时为饱和液体。如制冷剂流量为100kg/h，求：1.制冷系数；2.制冷装置的制冷量；3.所需的理论功率。解：该制冷循环的logp-i示意图由本题附图所示。由附录logp-h图查出制冷剂在各状态点的焓值分别为：kgkJhhkgkJhkgkJh/350/1570/145034211.制冷系数ε125.91450157035014501241hhhhh4h1h2h3-10℃30℃h,kJ/kgLogp2.制冷量Q01kg氨的制冷量为：kgkJhhq/11003501450410制冷装置的制冷量为：hkJGqQ/1100001100100003.所需理论功率Nt压缩机对1kg制冷剂所作的净功为：kgkJhhwt/1201450157012所需理论功率为：kWGwWNttt33.3360010012036003600二、制冷循环工作参数的确定1、蒸发温度（T0）：随制冷剂的不同而不同。空气载冷:T0比冷库空气温度低8～12℃;盐水载冷:T0比盐水温度低4～6℃。2、冷凝温度（Tk）：由冷凝器型式、冷凝介质的温度决定。水冷却:Tk=t+(4～5℃)(t为冷凝器排水温度，进出水的温差取2～3℃)空气冷却:Tk=t’+(8～12℃)(t’为冷凝器排气温度)(立、卧式、淋激式冷凝器）3、压缩机的吸汽温度（T1）：为控制过热点温度。低压蒸汽过热有害，使压缩机功耗↑，可通过控制冷凝温度，回收一部分过热能量。吸汽温度取决于回汽的过热度。若不考虑回汽的过热,则T1≈T0,实际上,自蒸发器的低压蒸汽进压缩机前将在吸汽管中吸收周围空气的热量,温度升高,比容增大,叫蒸汽过热。制冷量q0没有变化，但压缩机的功耗却增加了△W（图中1-1’-0-2-1的面积），这在经济上是不利的，称为有害过热。蒸发温度越低，