制冷原理与设备绪论、第一章

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1、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：n制冷原理n各种制冷方法概述n单级蒸气压缩式制冷循环n制冷剂n双级蒸气压缩式制冷循环n复叠式蒸气压缩式制冷循环n制冷设备n冷凝器和蒸发器n节流机构及其他辅助设备教学参考书：n制冷原理与设备n吴业正主编，机械工业出版社n制冷与低温原理n陈光明 陈国邦主编，机械工业出版社n制冷原理与装置n郑贤德主编，机械工业出版社n空调调节用制冷技术n彦启森主编，中国建筑工业出版社课程学习要求：n了解并掌握蒸气压缩式制冷的基本原理及其 循环特点；n了解并掌握制冷机设备的各种类型及其设计 计算；n了解各种制冷方法的基本原理及其循环；n通

2、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）；n按时完成作业。绪 论n制冷技术n实现制冷的途径n制冷技术的应用n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. 2.实现制冷的途径：实现制冷的途径： 天然冷却天然冷却利用自然界的物质来完成的降温过程利用自然界的物质来完成的降温过程 人工制冷人工制冷 利用制冷装置获得所需的低温，但要消耗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、太阳能等能量（如：电能、热能、机械能、太阳能等 ）。）。3. 制冷机机

3、械制冷中所需机器设备的总合称为制冷 机。4. 4. 制冷剂制冷剂制冷机中使用的工作介质称为制冷剂。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。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（固体融化（固体液体）液体）气化（液体气化（液体气体）气体）升华（固体升华（固体气体）气体）气化制冷（蒸气制冷）：气化制冷（蒸气制冷）：包括蒸气压缩式制冷、吸收式制包括蒸气压缩式制冷、吸收式制 冷、蒸汽喷射式制

4、冷、吸附式制冷冷、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. 3.气体涡流制冷气体涡流制冷高压气体经涡流管膨胀后，可分为冷高压气体经涡流管膨胀后，可分为冷 热两股气流；热两股气流；4. 4.热电制冷（半导体制冷）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。利用半导体的温差电效应实现的制冷。n根据制冷温度的不同，制冷技术可大体上 划分三大类：普通冷冻：120K深度冷冻：120K20K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

5、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.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。.食品工程易腐食品从采购或捕捞、加工、贮藏、运输到 销售

6、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。.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。.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。.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

7、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。.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n1755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。n1834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。n18

8、75年，卡列和林德用氨作制冷剂，制造了氨蒸气压缩 式制冷机。n1844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。n1858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。n我国制冷的发展简史n 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

9、雏形，在元朝时由意大利著名旅行家马可波罗带到了欧洲。n 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 n常用制冷的方法有：n液体气化制冷n气体膨胀制冷n涡流管制冷n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。 n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

10、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。n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。 n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。n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。n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

11、热量。n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：n制冷剂液体在低压下汽化产生低压蒸气， n将低压蒸气抽出并提高压力变成高压气，n 将高压气冷凝成高压液体，n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 吸附式制冷等一. 二.系统组成：三.1-压缩机四.2-冷凝器五.3-膨胀阀六.4-蒸发器七.组成的密闭系统 。八. 图1-1蒸气压缩式制冷循环流程图n n 1-11-1蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷蒸气压缩制冷.exe工作原理：n制冷剂在蒸

12、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n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

13、过程）：n.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。n.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：n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

14、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.swfn整个系统包括两个回路：制冷剂 回路，溶液回路。n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。n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。 n制冷剂回路由冷凝器 、制冷剂节 流阀 、蒸发器

15、 组成。n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。 n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。 n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。n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。n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 。 n如果将吸收式制冷系

16、统与压缩式 制冷系统做个对比：n吸收器好比压缩式制冷系统中压 缩机的吸入侧；n发生器好比压缩机的排出侧；n对发生器内溶液的加热，提供提 高制冷剂蒸气压力的能量。 n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） 。n溴化锂吸收式制冷机用于制取 7-10 的冷水；n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n系统组成：喷射器、冷凝器、蒸 发器、节流阀、泵。n喷射器由喷嘴、吸入室、扩压器组成 。n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n 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，