9Chapter9制冷.ppt

单击此处编辑母版样式,单击此处编辑幻灯片母版样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,*,化学工业出版社,Chapter 9,制冷,9.1,概述,一、基本概念,(,一,),制冷定义,制冷是指借助于外界提供的能量，在一定的时间和空间内从一定量的物质或流动介质中移走热能，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温的过程。,(,二,),制冷领域的划分,粗略划分：,100,（,173K,）,普冷,100,（,173K,）,深冷,按照制冷所达到的低温范围，制冷可分为如下几个领域：,T,120K,（,153.15,）,普通制冷（简称普冷）,20K,（,253.15,）,T,120K,深度制冷（简称深冷）,0.3K,（,272.85,）,T,20K,低温制冷,T,0.3K,超低温制冷,1,9.1,概述,(,三,),制冷设备、条件和工质,1.,制冷设备,机械制冷中所需机器和设备的总和称为制冷机。,2.,制冷条件,必须消耗外供能量，该能量可以是机械能、电能、热能、太阳能及其他形式的能量。,3,.,制冷工质,制冷剂、冷冻剂、冷媒,(,四,),制冷技术的研究内容,1.,制冷方法、原理、工艺等,2.,制冷剂,3.,制冷机械、设备、材质，控制方法、手段、仪器及仪表等,2,9.1,概述,二、制冷技术的应用,1.,商业,2.,空调,:,家用小型舒适性空调,;,大型中央空调,;,生产场所的工艺性空调。,3.,工业生产,化学工业,;,钢铁工业,;,机械制造业,;,机器的装配过程。,4.,农牧业,5.,建筑工程,6.,国防工业,7.,医疗卫生,8.,其它，如,:,航空、航天工业、生物技术、微电子技术等,3,9.1,概述,制冷技术的一些应用范围,K,应 用 范 围,300273,270,热泵、制冷装置,273263,0,10,苛性钾的结晶、冷藏运输、运动场的滑冰装置,263240,10,33,冷冻运输、食品保鲜、燃气（丙烷）等的液化,240233,33,50,矿井工作面的冻结,233200,50,73,低温环境实验室、制取固体干冰,200150,73,123,乙烷、乙烯的液化、低温医学和低温生物学,150100,123,173,天然气液化,10050,173,223,空气液化、空分、合成气分离、液氮、液氧,5020,223,253,氖和氢的液化、宇航舱空间环境模拟,204,253,269,超导、氦液化,410,6,269,273.15,He,的液化、,Josephson,效应,4,9.1,概述,三、制冷技术的发展简介,1.,中国古代,如,:,诗经,、,周礼,、,大暑赋,中的记载,2.,国外古代,3.,近代世界制冷技术,1834,年,波尔金斯,(Jacob,Perbins,),蒸气压缩式制冷机；,1844,年,美国医生高里,(John,Gorrie,),空气制冷机；,1859,年,法国卡列,(Ferdinand,Carre,),氨吸收式制冷机；,1874,年,德国林德,(,Linde,),氨制冷机；,1910,年,家用冰箱问世,1917,年,美国作为商品投放市场,1929,年,发明,Freon,4.,新中国制冷技术,1954,年,开始冰箱生产,(,雪花牌,),19541978,年,间共生产,11,万台,19781982,年,间生产,20,万台,。,5,9.1,概述,四、制冷方法简介,如,空气压缩后膨胀制冷,用于飞机上机舱中温度的调节。,6,9.2,蒸气压缩制冷循环,(,二,),理想蒸气压缩制冷循环,理论制冷系数,一、理想蒸气压缩制冷循环,(,一,),理想蒸气压缩制冷循环及在,T,-,s,图上的表示,T,冷凝,=,T,冷却介质,T,被冷物,=,T,蒸发,(,三,),理想蒸气压缩制冷循环的缺点,1.,液体的不可压缩性，会产生液击而造成压缩机机件的损坏,;,2.,湿蒸气中的液体与气缸壁发生剧烈的热交换而迅速蒸发,从而使压缩机的容积效率降低，致使整个制冷循环的效率降低。,7,9.2,蒸气压缩制冷循环,压缩机,冷凝器,节流阀,蒸发器,注意,:(1),各温度之间的相互关系！,(2),压缩过程可逆,!,T,冷凝,T,冷却介质,T,被冷物,T,蒸发,二、实际蒸气压缩制冷循环,(,一,),实际单级蒸气压缩制冷循环装置的基本构成及,T,-,s,图,8,9.2,蒸气压缩制冷循环,以,1,小时为计算基准,1.,压缩机耗功,(1,2),、,(,1,2),W,S,(,R,),=,m,(,h,2,h,1,),、,W,S,(,ac,),=,m,(,h,2,h,1,),、,S,=,W,S,(,R,),/,W,S,(,ac,),2.,冷却冷凝过程放热量,(2,3 4),Q,1,=,m,(,h,4,h,2,),3.,节流过程,(4,5),h,4,=,h,5,4.,蒸发过程,(5,1,),吸热量即冷冻量,Q,0,Q,0,=,m,(,h,1,h,5,),冷冻吨,:1,天将,1,吨,0,的水凝结为同温度的冰时所需取走的热量,1.394,10,4,kJ/h,5,循环效率,制冷系数,二、实际蒸气压缩制冷循环,(,二,),简单、单级蒸气压缩制冷循环的热力计算,9,9.2,蒸气压缩制冷循环,解,:,以,1kg,氨计算基准，氨为热力系,作出过程示意,T,-,s,图，查出图中所需点焓值列表,二、实际蒸气压缩制冷循环,(,三,),计算举例,1.,例,9-1,某氨冷循环中液氨在,223K,下蒸发，冷冻,227K,的物体，气氨进压缩机的温度为,227K,，冷却水温度为,298K,，压缩机中压缩过程按等熵过程考虑，冷凝温度与冷却水温度相差,5,。试求,:(1),冷冻量,;(2),压缩机功耗,;(3),冷凝器中制冷剂放热量,;(4),冷冻系数。若按逆卡诺循环进行操作，则冷冻系数为多少？,点,h,，,kJ/kg,1,1380.72(330kcal),2,1924.64(460kcal),4,326.35(78kcal),5,326.35,T,-,s,图上各点焓值具体查得过程,(,幻灯片,29),10,9.2,蒸气压缩制冷循环,(1),冷冻量,q,0,:,q,0,=,h,51,=,h,1,h,5,=1380.72-326.35=1054.37 kJ/kg,(2),可逆绝热压缩功耗,w,s,(R),:,w,s,(R),=,h,12,=,h,2,h,1,=1924.64-1380.72=543.92 kJ/kg,(3),冷凝器放热量,q,1,:,q,1,=,h,2,4,=,h,4,h,2,=,326.35,-,1924.64,=-,1598.29,kJ/kg,(4),制冷系数,:,二、实际蒸气压缩制冷循环,(,三,),计算举例,1.,例,9-1,(5),理论制冷系数,id,:,点,h,，,kJ/kg,1,1380.72(330kcak),2,1924.64(460kcal),4,326.35(78kcal),5,326.35,11,（三）计算举例（补充）,某蒸汽压缩制冷循环，采用氨作制冷剂。制冷能力为,10,5,kJ/h,，,蒸发温度为,15,，冷凝温度为,30,，已知压缩进口、冷凝器出口都为对应的饱和状态，压缩过程为可逆绝热过程。试求：,(1),制冷剂小时循环量,;,(2),压缩机的功率及蒸汽处理量,;,(3),冷凝器的负荷,;(,4,),节流后制冷剂中的蒸汽含量,;(5),循环的制冷系数,;,(,6,),若传热温度差都为,5,则对应的理论制冷系数为多少,;,(,7,),若压缩机的等熵效率为,85%,机械效率为,95%,求压缩机实际功率。,解：,1.,以,1,小时为计算基准,2.,由题意作出过程示意,T-s,图,由氨的,T-s,图查出各所需状态点的焓,(,h,),值列表,点,焓（,h,）,1,342kcal/kg=1430.93 kJ/kg,2,395kcal/kg=1652.68 kJ/kg,4,78kcal/kg=326.35 kJ/kg,5,326.35 kJ/kg,6,28kcal=117.15kJ/kg,v,1,=0.5088m,3,/kg(,氨饱和蒸气表,),T,-,s,图各点焓值具体查得过程,(,幻灯片,30),12,（三）计算举例（补充）,3.,计算,(1),制冷剂循环量,m,kg/h(5,1),Q,0,=,m,(,h,1,h,5,),m,=,Q,0,/,(,h,1,h,5,),=10,5,/,(1430.93,326.35,),=,90.53kg/h,(2),压缩机的功率及蒸汽处理量,(1,2),N,id,=,m,(,h,2,h,1,)/3600=,=5.576kW,V,=,mv,1,=90.53,0.5088=46.06m,3,/h,(3),冷凝器的负荷,(2,3,4),Q,1,=,m,(,h,4,h,2,)=90.53(326.35,1652.68,),=,1.201,10,5,kJ/h,(4),节流后制冷剂中的蒸汽含量,h,5,=,x,h,1,+(1,x,),h,6,x,=(,h,5,h,6,)/(,h,1,h,6,)=,=,0.159,(5),循环的制冷系数,=,Q,0,/,W,s,=,10,5,/(,5.576,3600),=,4.98,(6),理论制冷系数,传热温差为,5,T,L,=,15+5+273.15=263.15K,、,T,H,=30,5+273.15=298.15K,id,=,T,L,/(,T,H,T,L,)=,263.15/(298.15,263.15)=7.52,(7),压缩机实际功率,(1,2,),N,ac,=,N,id,/(,s,m,)=,5.576/(0.85,0.95)=6.905kW,点,焓（,h,）,1,342kcal/kg=1430.93 kJ/kg,2,395kcal/kg=1652.68 kJ/kg,4,78kcal/kg=326.35 kJ/kg,5,326.35 kJ/kg,6,28kcal=117.15kJ/kg,v,1,=0.5088m,3,/kg(,氨饱和蒸气表,),13,9.2,蒸气压缩制冷循环,2,减少压缩功耗,（,1,）可使多级压缩向等温压缩靠拢；,三、多级蒸气压缩制冷,（一）多级蒸气压缩制冷的原因,1,降低压缩终温,（,2,）对往复式压缩可提高容积效率,3,获得不同温度级的冷量，满足不同工艺要求,14,9.2,蒸气压缩制冷循环,高压压缩机,;,冷凝器,;,高压节流阀,;,中间预冷器,;,中压蒸发器,;,低压节流阀,;,低压蒸发器,;,低压压缩机,;,水冷却器,三、多级蒸气压缩制冷,（二）两级蒸气压缩制冷循环装置的构成及在,T,-,s,图上的表示,15,9.2,蒸气压缩制冷循环,1,蒸发潜热要尽可能大,(,减少设备投资,),2,适宜的蒸汽压,(,降低操作费用,),3,制冷剂必须具有化学稳定性,4,为了操作安全，制冷剂不应有易燃性和爆炸性,5,制冷剂价格便宜，而且可获得大量的供应,6,满足环境保护的要求,（二）常用制冷剂简介,四、制冷剂简介,（一）对制冷剂的一般要求,16,四、制冷剂简介,制冷剂,代 号,化学式,分子量,M,正 常沸 点,t,b,，,凝 固温 度,t,s,，,绝热,指数,k,=,c,p,/,c,v,可达最低冷冻温度,水,R718,H,2,O,18.016,100.0,0.0,1.33,氨,R717,NH,3,17.031,33.4,77.7,1.30,65,二氧化碳,R744,CO,2,44.01,78.5,56.6,1.30,50,氯甲烷,R40,CH,3,Cl,50.49,24.2,97.6,1.20,60,氟里昂,-11,R11,CFCl,3,137.38,23.1,111.0,1.13,25,氟里昂,-12,R12,CF,2,Cl,2,120.92,28.2,155.0,1.14,65,氟里昂,-13,R13,CF,3,Cl,104.47,80.2,180.0,110,氟里昂,-21,R21,CHFCl,2,102.93,8.9,135.0,1.16,氟里昂,-22,R22,CHF,2,Cl,86.48,40.8,160.0,1.20,70,氟里昂,-113,R113,C,2,F,3,Cl,3,187.39,92.8,36.5,1.09,氟里昂,-142,R142,C,2,H,3,F,2,Cl,100.48,9.2,13.08,1.137,乙烷,R170,C,2,H,6,30.06,88.6,183.2,1.25,丙烷,R290,C,3,H,8,44.1,42.1,187.1,1.13,乙烯,R1150,C,2,H,4,28.05,103.7,169.5,丙烯,R1270,C,3,H,6,42.08,47.7,185.0,17,9.2,蒸气压缩制冷循环,1,蒸发温度不能过低，否则：,(1),制冷剂可能凝固；,(2),蒸发压力过低，需在高真空度下操作，密封困难；,(3),T,、,p,过低，材质、设备制造困难。,2,冷凝压力与蒸发压力相差过大,造成,:,(1),设备无法承受,;(2),功耗太大。,3,对于活塞式制冷压缩机循环,因气阀依靠气体压差开启。当吸气压力低于,0.15bar,时,气阀将会因气缸内、外压差过小而无法开启。故活塞式压缩机制冷循环,能达到的最低蒸发温度只能是与,0.15bar,相对应的制冷剂饱和温度。,五、复叠式制冷（一）单一制冷剂制冷的限制,18,9.2,蒸气压缩制冷循环,（二）复叠式制冷循环的定义,复叠式制冷循环是指由两个或两个以上的单级（或多级）蒸气压缩制冷循环叠加而成的循环。,（三）两级复叠式制冷循环装置的基本构成及在,T,-,s,图上的表示,C,3,H,6,C,2,H,4,p,冷凝,=30atm,t,冷凝,=47,t,冷凝,=,13,p,蒸发,=1atm,t,冷凝,=,47.7,t,冷凝,=,103,.7,五、复叠式制冷,19,9.3,蒸气吸收制冷循环,一、蒸气吸收制冷循环的基本构成,蒸发器,;,节流阀,;,冷凝器,;,压缩机,;,再生器,;,吸收器,;,换热器,;,泵,;IX,减压阀,;,IX,减压阀,吸收制冷的热力系数,:,=,Q,0,/,Q,T,（,9-4,）,20,9.3,蒸气吸收制冷循环,二、蒸气吸收制冷循环与蒸气压缩制冷循环的区别,2.,在消耗能量方面,:,吸收制冷循环主要消耗外界提供的热能,而蒸气压缩制冷循环消耗机械能,该机械能通常由电能转换而得。,3.,在设备方面,:,蒸气吸收制冷循环以静设备为主,通过再生器、吸收器、换热器等一系列静设备结合溶液泵完成了蒸气压缩制冷循环中压缩机的工作任务。,1.,在工作介质方面,:,吸收制冷循环除采用制冷剂外,还采用了吸收剂,借助吸收剂热力状态的改变,使制冷剂实现由低压到高压的过程；,21,9.3,蒸气吸收制冷循环,1,NH,3,+H,2,O,系统,制冷剂：,NH,3,，,吸收剂：,H,2,O,以氨与水组成的吸收制冷循环，其制冷范围在,0,以下，主要用于化工、冶金和轻工业中作为制冷的设备。,2,H,2,O+LiBr,系统,制冷剂：,H,2,O,，,吸收剂：,LiBr,以水与溴化锂组成的吸收制冷循环，由于水的冰点为,0,，故此循环只能用于温度稍高的系统，一般为,5,以上，因此该循环通常作为大型空调装置（中央空调）而被广泛应用于医院、宾馆、剧院、办公大楼、舰艇等要求制冷量很大的场合。,三、蒸气吸收制冷循环主要工作介质及适用场合,22,9.3,蒸气吸收制冷循环,1,优点,1,）利用低温余热，节省高质量能量；,2,）静设备便于制造、管理；,3,）,运转周期长，噪音等较小，可露天安装,；,4,）,操作弹性大，负荷在,30100%,范围内调节,。,2,缺点,1,）溶液对设备、管道有腐蚀性；,2,）装置所用的材料及冷却水的消耗量大；,3,）装置的占地面积大，占有的空间大；,4,）整个装置的热力系数较低。,四、蒸气吸收制冷循环的主要特点,23,9.4,热 泵,依靠消耗机械能而将低温处的热能移到高温处的设备。,(,二,),热泵循环与蒸气压缩制冷循环的主要区别,1.,制冷循环的工作温度范围为：,T,蒸发,T,L,T,T,H,=,T,0,T,冷凝,2.,热泵的工作温度范围：,T,蒸发,T,L,T,T,H,T,冷凝,一、热泵概念及与蒸气压缩制冷循环的主要区别,(,一,),热泵的定义,24,9.4,热 泵,供热系数,(,又称获热系数,),:,=,q,1,/,w,s,(9-5),与,之间的关系为,:,二、热泵循环工作原理及热力计算,同蒸气压缩制冷循环,理想的热泵循环即逆向卡诺循环,其供热系数,:,25,9.4,热 泵,1.,冬季供暖空调,;2.,热泵精馏,;3.,热泵蒸发,;,4.,热泵干燥,;5,.,热泵在吸收与再生系统中的应用,三、热泵的用途,26,9.4,热 泵,例,9-4,用热泵自地下水吸热量，向室内放热以维持室温为,294K,，,循环示意图见图,9-12,。求,:(1),氨蒸发和冷凝的压力？从地下水获得,4,10,4,kJ/h,的热量,则,(2),制冷剂循环量为多少？,(3),可释放给房间的热量为多少？,(4),压缩机所需最小功率是多少？,(5),热泵的供热系数和作为冷冻装置时的冷冻系数为多少？,解：体系：热泵；由题意作出循环过程示意,T-s,图，如图,9-11,，查出图中所需各点的焓值列于表,9-5,。,点,h,kJ/kg,1,1456.0,2,1569.00,4,351.46,5,351.46,四、热泵供热计算举例,27,（,1,）冷凝压力与蒸发压力,查氨的,T-s,图得：,p,1,=6atm(6.14795,10,5,Pa),、,p,2,=14atm(1.42956,10,6,Pa),（,2,）,制冷剂循环量,m,m,=,Q,0,/(,h,1,h,5,)=4,10,4,/(1456.03,351.46)=36.21 kg/h,（,3,）,热泵供热量,Q,1,Q,1,=,m,(,h,4,h,2,)=36.21(351.46,1569.00)=,4.41,10,4,kJ/h,（,4,）,压缩机的最小功率,N,N,=,m,(,h,2,h,1,)/3600=36.21(1569.00,1456.03)/3600=1.14kW,（,5,）,热泵的供热系数,和制冷系数,点,h,kJ/kg,1,1456.0,2,1569.00,4,351.46,5,351.46,28,返回,(,例题,9-1),29,返回,(,计算举例（补充）,),30,