热能与动力机械基础 第六章 制冷与空调

总目录返回本章下一页上一页结束第六章制冷与空调6.1概述6.3制冷压缩机6.2蒸气压缩式制冷原理6.4冷水机组总目录返回本章下一页上一页结束6.5吸收式制冷6.7空调系统6.6热泵技术及其应用总目录返回本章下一页上一页结束制冷和空调的应用已成为社会生存与发展不可或缺的一部分。制冷是一种冷却过程，除用于食品冷冻加工、化工和机械加工等工业制冷外，其最主要的应用是空调。空调中既有冷却，也有供暖、加湿、去湿以及流速、热辐射和空气质量的调节等。那么你知道常用的制冷方法有那些？它们是如何工作的？各自有什么特点？如何利用制冷设备来组成空调系统?本章将从以下四部分来回答这些问题.1.蒸气压缩式制冷原理及压缩机；2.吸收式制冷原理及系统；3.热泵技术及应用；4.空调原理及系统。总目录返回本章下一页上一页结束6.1概述6.1.1制冷的定义与分类制冷是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将物体冷却，使其温度降低到环境温度以下，保持并利用这个温度。按制冷的温度范围分，有：120K以上，普冷；（120~0.3）K，深冷（又称低温）；0.3K以下，极低温。按制冷方法分，有：适用于普通制冷——蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、蒸气喷射式制冷；适用于深度制冷（20~160K）——气体膨胀制冷、半导体制冷、磁制冷等。总目录返回本章下一页上一页结束6.1.2制冷的研究内容循环;循环中使用的工质;所需的机械和设备;工艺过程;气体的液化和分离技术。6.1.2制冷技术的应用（1）商业及人民生活（2）工业生产及农牧业（3）科学研究（4）医疗卫生（5）空间技术（6）低温物理研究总目录返回本章下一页上一页结束6.2蒸气压缩式制冷原理6.2.1理想制冷循环1.恒温热源的理想制冷循环——逆卡诺循环（1）逆卡诺循环图6-1a、b分别为制冷循环（或制冷机）的热力学原理图和以气体为工质的逆卡诺循环的T—s图。总目录返回本章下一页上一页结束高温热源T2低温热源T1QkQoT2T1制冷机（热泵）输入功WT0（即T1）Tk（即T2）3412s(kJ/kg.k)T(k)(a)T2T1（b）图6-1制冷循环热力学原理图和逆卡诺循环的T—s图总目录返回本章下一页上一页结束通常以制冷系数或称性能系数作为制冷系统性能的评价指标——或COP。其定义为消耗单位功所获得制冷量，即热力学第二定律中已经证明，由可逆过程组成的逆卡诺循环最经济，其制冷系数也最大。因此，它就是工作在两个恒定的热源温度之间的理想循环。这时，高温热源（即环境介质）的温度T2、低温热源（即被冷却对象）的温度T1，分别等于可逆制冷机中制冷剂放热时的温度即冷凝温度Tk和吸热时的温度即蒸发温度T0。wqPWQ///000总目录返回本章下一页上一页结束由图6—1，逆卡诺循环的制冷系数为低温热源的温度T1（或蒸发温度T0）对制冷系数的影响比高温热源温度T2（或冷凝温度Tk）更显著。00121411241100TTTTTTssTTssTwqkc总目录返回本章下一页上一页结束（2）对温度的限制及热力完善度工作于相同热源温度间的实际制冷循环的制冷系数与逆卡诺循环的制冷系数之比，称为这个制冷循环的热力完善度，用表示，即cc/总目录返回本章下一页上一页结束s(kJ/kg.k)T(k)TkT03421303．15K(大气温度)253．15K(冷室温度)图6-2对制冷循环温度的限制总目录返回本章下一页上一页结束实际制冷循环的制冷系数，其值可以大于1或小于1。但热力完善度的数值恒小于1，故也称循环效率或卡诺效率。只是从热力学第一定律（能量转换）的数量角度反映循环的经济性，而是同时考虑了能量转换的数量关系和实际循环中不可逆的影响程度。制冷剂在循环过程中与高、低温热源之间的传热必须要有温差。总目录返回本章下一页上一页结束例6-1设有热源温度T2=298K，冷源温度（或称低温热源温度）T1=263K，求：1）在这两个温度间运转的可逆制冷机的制冷系数；2）当制冷剂与冷、热源的传热温差为10K时的制冷系数；3）具有10K传热温差的实际制冷机的热力完善度。总目录返回本章下一页上一页结束解1）对于可逆制冷机，无传热温差，故2）当传热温差为10K时，制冷剂的最高温度即冷凝温度Tk＝308K，最低温度即蒸发温度T0＝253K，因而可见，传热温差导致制冷系数的明显下降。51.7)263298/(263121TTTc60.4)253308/(25300TTTk总目录返回本章下一页上一页结束3）当实际制冷机的传热温差为10K时，其热力完善度为若传热温差增加到20K，可以算出制冷系数为3.24，热力完善度为0.43。可以看出，随着传热温差的增加，循环的不可逆程度增加，热力完善度明显下降。61.051.7/6.4/c总目录返回本章下一页上一页结束2.变温热源的理想制冷循环——劳伦兹循环为了减少在制冷机的冷凝器和蒸发器中不可逆传热所引起的可用能损失，制冷剂和传热介质之间应保持尽可能小的传热温差。就制冷机的一般工作条件来说，冷却介质及被冷却物体的热容量都不是无穷大，在传热过程中要发生温度变化，不能看作为恒温热源。此时，制冷剂的冷凝温度应略高于（在极限情况下等于）冷却介质的出口温度（图6-3中的），但与冷却介质的进口温度（）间存在较大的温差。1T1T总目录返回本章下一页上一页结束同样，制冷剂的蒸发温度同被冷却介质的进口温度（）之间也存在较大的温差，如图6-3所示，对于变温热源来说，含有恒温热源的逆卡诺循环已不复存在，因此需要找到一种变温热源（而不是恒温热源）的理想循环，以改善制冷系数。变温热源间的可逆循环，可依据冷源和热源的性质而以不同的方式来实现。只要满足工质与变温冷源、热源之间热交换时的温差各处均为无限小，以及工质与对其作用的物体之间保持机械平衡的条件，则工质进行的循环即为理想制冷循环，劳伦兹循环就是这种变温热源时可逆的逆循环的形式。2T总目录返回本章下一页上一页结束Tscbda1T1T2T2T图6-3变温热源与逆卡诺循环总目录返回本章下一页上一页结束如图6-4所示，劳伦兹循环由两个等熵过程a—b、c—d和两个变温的多变过程b—c、d—a组成。在实际中，要实现劳伦兹循环，冷凝器和蒸发器都必须是完全逆流式的；而且应用非共沸混合制冷剂作为工质，利用其在等压下蒸发或冷凝时温度不断变化这个特点，在传热温差无限小的极限情况下就可以实现完全可逆的劳伦兹循环，所以，劳伦兹循环是外部热源为变温热源时的理想制冷循环。总目录返回本章下一页上一页结束Tscbda图6-4劳伦兹循环的T－s图TkmTom总目录返回本章下一页上一页结束对于变温条件下的可逆循环，可利用平均当量温度的概念，则有式中，、分别为两个变温热源的平均温度（K）；为制冷系数。omkmomLTTT/omTkmTL总目录返回本章下一页上一页结束3.理想热泵循环用来制冷的逆向循环称为制冷循环，而用来供热的逆向循环称为热泵循环。热泵循环的性能用供热系数或COPh表示，它表示单位耗功量所获得的供热量，即热泵循环的供热系数永远大于1，对节能有重要意义。1cokhwwqwqh总目录返回本章下一页上一页结束6.2.2蒸气压缩式制冷系统蒸气压缩式制冷系统，在普通制冷温度范围内具有较高的性能系数，它广泛用于工农业生产及人民生活的各个领域。1.蒸气压缩式制冷系统的理论循环（1）制冷系统的组成与制冷剂1）制冷系统的组成如图6-5所示。总目录返回本章下一页上一页结束1－压缩机；2－冷凝器；3－节流阀；4－蒸发器图6-5蒸气压缩式制冷系统组成示意图总目录返回本章下一页上一页结束2）制冷剂制冷剂就是在制冷装置中进行制冷循环的工作物质.它不仅应具有优良的热力学、物理化学性能，还应该经济、安全，对人体无害，对环境无污染。制冷剂有多种,使用最为广泛的是氟利昂制冷剂.它可分为氯氟烃（CFC）、氢氯氟烃（HCFC）、氢氟烃（HFC）三大类，见表6-1(如下)。①氯氟烃（CFC）－R11、R12、R113、R114、R115、R500、R502等②氢氯氟烃（HCFC）－R22、R123、R141b、R142b等总目录返回本章下一页上一页结束③氢氟烃类（HFC）－R134a，R125，R32，R407C，R410A、R152等受臭氧层破坏、温室效应等环境因素的影响，人们开始逐步重视制冷工质对环境的负面影响,为此我国全面实现了CFCs消费的完全淘汰。当前，我国空调和冰箱中主要以R22、R134a、R410A、R407C、R142b作为制冷剂，各工质的特性见表6-2(略)。原本用于替代CFCs、HCFCs类制冷工质的HFCs制冷工质已被《京都议定书》定为温室气体，开发、选择制冷剂时应关注的因素见图6-6。总目录返回本章下一页上一页结束图6-6选择制冷工质时需要考虑的因素下一代环保制冷剂保护臭氧层抑制温室效应安全性经济性节能小型／轻量直接充灌无毒不燃/微燃高额定COP低GWP低泄漏CFC替代HCFC替代ODP=0HFC替代大制冷量总目录返回本章下一页上一页结束3）载冷剂在以间接冷却方式工作的制冷装置中，它吸收被冷却物体或空间的热量，传递给制冷剂。作为载冷剂的条件有：在使用温度范围内不凝固，不汽化；无毒,化学稳定性好，对金属不腐蚀等。常用的载冷剂有空气、水、盐水、有机化合物及其水溶液等。如仅考虑工作温度,则工作在5℃以上的载冷剂系统，一般都采用水作载冷剂；工作温度在5~-50℃,则用氯化钠水溶液及氯化钙水溶液;工作温度低于-50℃，则用碳氢化合物;如工作温度范围较广，则应采用相应的合适物质为载冷剂.总目录返回本章下一页上一页结束（2）蒸气压缩式制冷系统的理论循环—逆卡诺循环的修改按逆卡诺循环的蒸气制冷系统在实际运行中无法实现。图6-7为修改后的蒸气压缩式制冷的理论循环。1134212总目录返回本章下一页上一页结束s(kJ/kg.k)T(k)TkT03421图6-7蒸气压缩式制冷的理论循环124总目录返回本章下一页上一页结束它的修改是：1）用干压缩代替湿压缩干压缩是蒸气压缩制冷机正常工作的一个重要标志。采用干压缩，经济性有所损失，但对于制冷机的安全运行却是必要的。2）用节流阀代替膨胀机虽然会损失膨胀机的膨胀功，但装置简单。此外,在图6-7冷凝器中发生的过程是由冷却和冷凝两过程组成的.总目录返回本章下一页上一页结束（3）理论循环的性能指标1）单位质量制冷量和制冷剂的质量流量制冷剂的汽化潜热越大或节流所形成的蒸气越少，则循环的单位制冷量就越大。制冷系统的制冷量常为已知，因此，制冷系统中制冷剂的质量流量可由下式得到0qRmq,31410hhhhq041000,//hhqqRm总目录返回本章下一页上一页结束2）单位体积制冷量和制冷剂的体积流量制冷系统中制冷剂的体积流量是指压缩机每秒吸入制冷剂蒸气的容积，即由上面两式又可以得到蒸发器中制冷量的另一个计算公式制冷剂的质量流量或体积流量，与压缩机的尺寸和转速有关；单位质量制冷量或单位容积制冷量，与制冷剂的种类和工作条件有关，与装置的大小无关。VqRVq,01141//Vqqvhhv,,1VRmRqqvVRVqq,0总目录返回本章下一页上一页结束3）单位冷凝热量和冷凝器的热负荷1kg制冷剂蒸气在冷却（显热阶段）和冷凝（潜热阶段）两过程中放出的热量，称为单位冷凝热量所以冷凝器的热负荷（输出热量）为kqk32hhqk32,,hhqqqRmkRmk总目录返回本章下一页上一页结束4）单位理论压缩功和压缩机消耗的理论功率对于单级压缩蒸气制冷机的理论循环来说，单位理论压缩功可表示为压缩机消耗的理论功率单级蒸气压缩式制冷机的单位理论功也是随制冷剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的。0w0P120hhw12,0hhqPRm总目录返回本章下一页上一页结束5）制冷系数对于单级蒸气压缩式制冷机，其理论循环的制冷系数000000//wqP总目录返回本章