制冷空调原理培训教程2

（二）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，它们是制冷剂与外部热源介质之间发生热交换的设备。⒈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。冷凝器按冷却方式空气冷却式冷凝器中根据管外空气流动方式空气冷却式水冷式蒸发冷却式自然对流空气冷却式冷凝器强制对流空气冷却式冷凝器图2-27自然对流空气冷却式冷凝器图2-28空气强制对流冷凝器1-肋片2-传热管3-上封板4-左端板5-进气集管6-弯头7-出液集管8-下封板9-前封板10-通风机11-装配螺钉图2-29氨卧式壳管式冷凝器图2-30氟利昂套管式冷凝器图2-31蒸发式冷凝器结构原理1-通风机2-挡水栅3-传热管组4-水泵5-滤网6-补水阀7-喷水嘴⒉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。冷却空气的蒸发器空气自然对流时多采用光盘管结构空气强制对流时采用翅片管结构壳管式沉没式冷却液体（水或其它液体载冷剂）的蒸发器图2-32卧式满液式蒸发器结构图2-33干式壳管蒸发器图2-34空气强制对流的蒸发器及其肋片管型式a)蒸发器b)绕片管c)套片管1-传热管2-肋片3-挡板4-通风机5-集气管6-分液器第一节制冷与低温原理的热工基础自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化过程中能量的总量保持不变。能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一。1.1.1制冷与低温原理的热力学基础1.热力学第一定律用符号U表示，单位是焦耳（J）热力学能1kg物质的热力学能称比热力学能用符号u表示，单位是焦耳/千克（J／kg）比热力学能热力学能热力学能和总能热力状态的单值函数。两个独立状态参数的函数。状态参数，与路径无关。工质的总储存能内部储存能外部储存能热力学能总能动能位能E－总能，Ek－动能Ep－位能E=U+Ek+Ep(1-2)内部储存能和外部储存能的和，即热力学能与宏观运动动能及位能的总和。若工质质量m，速度cf，重力场中高度z宏观动能221fkmcE重力位能mgzEp工质的总能mgzmcUEf221(1-3)能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式作功借作功来传递能量总和物体宏观位移有关。传热借传热来传递能量无需物体的宏观移动。推动功因工质在开口系统中流动而传递的功对开口系统进行功的计算时需要考虑这种功。推动功只有在工质移动位置时才起作用。力学参数cf和z只取决于工质在参考系中的速度和高度2.能量的传递和转化gzcuef221(1-4)比总能焓用符号H表示，单位是焦耳（J）H=U+pV（内能+推动功）(1-5)比焓(1-6)pvuh用符号h表示，单位是焦耳/千克（J／kg）焓是一个状态参数。焓也可以表示成另外两个独立状态参数的函数。如：h=f(T,v)或h=f(p,T);h=f(p,v)12212121hhdhhhba(1-9)3．焓进入系统的能量-离开系统的能量=系统中储存能量的增加(1-10)4.1闭口系统的能量平衡4．热力学第一定律的基本能量方程式工质从外界吸热Q后从状态1变化到2，对外作功W。若工质宏观动能和位能的变化忽略不计，则工质储存能的增加即为热力学能的增加ΔU12UUUWQWUQ(1-11)热力学第一定律的解析式图1-6喷管能量转换图1-5换热器能量平衡工质流经换热器时和外界有热量交换而无功的交换，动能差和位能差也可忽略不计1kg的工质吸热量12hhq1kg工质动能的增加212122)(21hhccff工质流经喷管和扩压管时不对设备作功，热量交换可忽略不计研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体1.制冷循环的热力学分析热力学循环正向循环热能转化为机械功逆向循环消耗功循环除了一二个不可避免的不可逆过程外其余均为可逆过程。可逆循环是理想循环。理想循环2.热力学第二定律热力学第二定律涉及的温度为热力学温度(K)T=273.16+t(1-29)熵是热力学状态参数，是判别实际过程的方向，提供过程能否实现、是否可逆的判据。定义式Tqdsrev(1-30)qrev是可逆过程的换热量，T为热源温度可逆过程1-2的熵增212112Tqdssssrev克劳修斯积分Tqrev=0可逆循环＜0不可逆循环＞0不可能实行的循环p、T状态下的比熵定义为TpTpTpTpTqss、、、、0000(1-33)2.热源温度不变时的逆向可逆循环——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，即热力学效率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失。（一）简单单级蒸气压缩式制冷的理论循环计算单级理论循环是建立在以下一些假设的基础上的：（1）压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中不存在任何不可逆损失（2）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值（4）制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力损失，忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管外介质之间没有热交换（5）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小，可以忽略不计，且与外界环境没有热交换（3）离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体图2-16理论循环在T-s图（a）和lnp-h图（b）上的表示按照热力学第一定律，对于在控制容积中进行的状态变化存在如下关系：whqddd（2-1）这里，把自外界传入的功作为负值。对上式积分可以得到整个过程的表达式：whq（2-2）按照式（2-1）和式（2-2），单级压缩蒸气制冷机循环的各个过程有如下关系：q0称为单位制冷量，习惯上取为正值，在T-s图上用面积1-5-b-a-1代表，而在lgp-h图上则用线段5-1表示。(2)冷凝过程：dw=0dq=dhqk=h2-h4（2-4）(3)节流过程：w=0q=0Δh=0h4=h5（2-5）（1）压缩过程:dq=0,因而dw=dhw=h2-h1（2-3）（4）蒸发过程：dw=0因而dq=dhq0=h1-h5=h1-h4（2-6）(2)单位容积制冷量qv14110vhhvqqv(2-8)(3)理论比功w0对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说，理论比功可表示为120hhw(2-9)单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随制冷剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的。(4)单位冷凝热qk单位（1kg）制冷剂蒸气在冷凝器中放出的热量，称为单位冷凝热。单位冷凝热包括显热和潜热两部分qhhhhhhk233424(2-10)比较式（2-6）、（2-9）和（2-10）可以看出，对于单级压缩式蒸气制冷机理论循环，存在着下列关系(2-11)qqwk00(5)制冷系数0对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，制冷系数为(2-12)0001421qwhhhh制冷系数愈大经济性愈好冷凝温度越高制冷系数越小蒸发温度越低（二）液体过冷、气体过热及回热对理想循环性能的影响上面所述的循环，是单级压缩蒸气制冷机的基本循环，也是最简单的循环。在实用上，根据实际条件对循环往往要作一些改进，以便提高循环的热力完善度。在单级制冷机循环中，这一改进主要有液体过冷、吸气过热及由此而产生的回热循环。将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温度的状态，称为过冷。1.液体过冷带有过冷的循环，叫做过冷循环。采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数都是有利的图2-17过冷循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示qhhhh05544(2-14)与无过冷的循环1-2-3-4-5-1相比，过冷循环的单位制冷量的增加量为在图2-17（a）中，q0以面积5‘-5-b-c表示，在图2-17（b）中，q0以线段5’-5表示。因两个循环的理论比功w0相同，过冷循环的制冷系数比无过冷循环的制冷系数要大。hhhhhhcthh144421021(2-15)2.吸入蒸气的过热压缩机吸入前的制冷剂蒸气的温度高于吸气压力下制冷剂的饱和温度时，称为过热。具有吸气过热的循环，称为过热循环。图2-18示出了过热循环1-1‘-2’-3-4-5-1的T-s图和lgp-h图。图中1-1‘是吸气的过热过程，其余与基本循环相同。图2-18过热循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示110hhq'(2-16))hh()hh(w''12120(2-17)有效过热循环的制冷系数可表示为00000wwqqwq'(2-18)由制冷剂的T-s图我们可以得到，在过热区，过热度越大，其等熵线的斜率越大，根据式（2-17），得00w（2-19）图2-19有效过热的过热度对制冷系数的影响过热度℃R502R600aR290R134aR22NH3045.337.444.444.155.993.03073.965.772.172.986.3131.5表2-2过热度对排气温度的影响hhhh4411(2-20)若不计回热器与环境空气之间的热交换，则液体过冷的热量等于使蒸气过热的热量，其热平衡关系为3.回热循环利用回把热使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换，使液体过冷、蒸气过热，称之为回热。图2-21回热循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示cttcttkp4010（2-21）由式（2-21）可以求出ttccttkp4010（2-22）回热循环的性能指标如下：单位制冷量41410hhhh'q（2-23）单位容积制冷量'vv'q'q10（2-24）单位功12hh'w制冷系数12410hhhh'w'q'（2-26）由图（2-21）可知，与无回热循环1-2-3-4-5-1相比较，回热循环的单位制冷量增大了Rptchhhhq011440（2-27）（2-25）Rptcq'q000循环的单位功可近似地表示成000101TtwTTw'wR（2-29）但单位功也增大了)hh()hh(w'ww121200（2-28）单位容积制冷量和制冷系数可表示成000010010111TttqcqTtvtcqv'q'qRRpvRRp'v（2-30）00000000111TttqcTtwqq'RRpR(2-31)11000cqttTpRR即cTqp000（2-32）如果要使回热循环的单位容积制冷量及制冷系数比无回热循环高，其条件应是（三）单级蒸气压缩式制冷实际循环计算实际循环和理论循环有许多不同之处，除了压缩机中的工作过程以外，主要还有下列一些差别：1．流动过程有压力损失。2．制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热交换。3．热交换器中存在温差。图2-22实际循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示换热器换热计算介绍1.2.1冷凝器热负荷根据热力学原理，冷凝器的热负荷Qk=Q0+Pe，式中，Q0指压缩机制冷量，Pe指压缩机轴功率。1.2.2水冷式冷凝器设计1.2.2.1水冷式冷凝器冷却水量计算水冷式冷凝器冷却水量与冷却水的进水温度、出水温度以及冷凝器的热负荷有关。Gw=3.6Qk/[C×(tw2-tw1)]式中Gw——冷却水流量，m3/hQk——冷凝器热负荷，kWC——冷却水的比热容，C=4.1868kJ/kg.℃tw1、tw2——冷却水进出冷凝器的温度，℃代入得Gw=0.86Qk/(tw2-tw1)冷却水在