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1、制冷原理与技术制冷原理与技术韩宗伟150401686961为何要学习制冷技术？应用领域广泛l上天入地的所有人工环境领域的冷热源设备行业特点要求l发展最快的行业l消耗能源最多的行业之一l节能技术应用最好的行业l倍受关注的行业l竞争惨烈、利润变薄的行业发展制冷、服务经济、促进生产、造福人类2课程的基本要求教学目的教学目的l掌握常规制冷系统及其部件的基本原理l明确制冷系统的调控特性及其特性分析方法l达到制冷系统设计的基本要求l了解制冷行业发展动态内容简介内容简介l学习单级蒸气压缩式制冷装置，包括工作原理、构造、系统设计、工作特性、运行调节问题l学校热能驱动的吸收式制冷（热泵）技术l介绍国内外各种空调
2、用制冷机组、发展方向及其所涉及的主要技术内容3参考文献陈汝东. 制冷技术与应用制冷技术与应用（第二版）.同济大学出版社. 彦启森，申江，石文星. 制冷技术及其应用制冷技术及其应用 .中国建筑工业出版社.彦启森，石文星，田长青.空气调节用制冷技术空气调节用制冷技术（第四版）.中国建筑工业出版社.4前前 言言何谓制冷技术？何谓制冷技术？5一、制冷的含义制冷制冷l使自然界的某物体或某空间达到低于周围环境温度，并使之维持这个温度冷源冷源l天然冷源：深井水、天然冰l人工冷源：利用物理、化学、生物等方法，制造的冷源制冷技术制冷技术：研究人工冷源产生的原理、设备、装置的科学l制冷原理l制冷设备6一、人工制冷
3、发展历史1834 年动第一台乙醚活塞制冷机问世1844年出现空气制冷机1859 年出现吸收式制冷机1918 年自动冰箱问世1923 年发明食品快速冻结1927 年生产出空调器、空气源热泵1930 年汽车空调出现1935 年出现卡车自动冷藏装置、飞机发动机低温试验装置等。1928 年制造出氟利昂R12，人类从采用天然制冷剂迈向采用合成制冷剂时代7二、制冷技术的分类1普通制冷l120以上l应用领域空气调节食品贮藏工艺冷却8二、制冷技术的分类2深度制冷：l20K-120l工业过程，化工过程3低温和超低温：l20K以下l低温超导，宇宙空间模拟，半导体激光等9“冷冷” 是怎样制出是怎样制出来的来的? ?
4、10三、普通制冷方法1. 蒸气压缩式（本课程的重点）2. 吸收式（本课程的重点）3. 蒸气喷射式4. 气体膨胀法4. 吸附式5. 热电式6. 固体绝热去磁请查阅文献！请查阅文献！11第第1讲讲 蒸气压缩式制冷循环蒸气压缩式制冷循环蒸气压缩式制冷循环是目前制冷设备最是目前制冷设备最主要的制冷方式主要的制冷方式12学习思路理想循环理论循环实际循环循环的改进v亚临界循环v跨临界（超临界）循环13一、理想制冷循环1. 气体的逆卡诺循环l理想过程的极限sink / ambientsource / fridgeRMQ.Q.PSadi Nicolas Lonard Carnot1796-1832141.逆卡
5、诺循环逆卡诺循环冷凝器蒸发器压缩机膨胀机1432Q2Q1WcWcWeWe151.气体的逆卡诺循环：气体的逆卡诺循环：理想过程的极限理想过程的极限161.气体的逆卡诺循环：气体的逆卡诺循环：理想过程的极限理想过程的极限WcWeS SWTTSS171.气体的逆卡诺循环：气体的逆卡诺循环：气体的逆卡诺循环：理想过程的极限气体的逆卡诺循环：理想过程的极限 COP (Coefficient of Performance) = 制冷系数制冷系数 = e ecqk = q0 + S Sw制冷系数制冷系数( (能效比能效比) )供热系数供热系数( (性能系数性能系数) )181.气体的逆卡诺循环：气体的逆卡诺
6、循环：影响逆卡诺循环制冷系数的因素l与工质无关l仅取决于工质的工作温度(无温差传热)ToTk192.劳仑兹循环劳仑兹循环 (Lorenz Cycle)特点：特点：由两个等熵由两个等熵绝热过程和绝热过程和两个可逆多两个可逆多变过程组成变过程组成 为可逆过程为可逆过程TSabcdTkmD D D DT Tk kD D D DT To osaqoS Sw=wc-wescqkTom202.劳仑兹循环 (Lorenz Cycle)从冷源（被冷却物）吸收的热量 向热源（冷却剂）放出的热量 212.劳伦斯循环 (Lorenz Cycle)制冷系数 劳仑兹循环的制冷系数等于一个以放热平均温度和吸热平均温度为高
7、、低温热源温度的等效逆卡诺循环的制冷系数取决于被冷却物和冷却剂的温度状况，而与制冷剂性质无关 22一、理想制冷循环问题：蒸发温度与冷凝温度哪个因素对制冷系数影响更大？23怎样才能实现逆卡诺循环？循环过程l两个定温过程液体的定压蒸发吸热 等温过程气体的定压冷凝放热 等温过程l两个绝热过程绝热压缩 蒸气绝热压缩 压缩机绝热膨胀 蒸气绝热膨胀 膨胀机无温差传热l换热面积无穷大l循环周期无限长24一、理想制冷循环2. 可能的实现方式湿蒸气作工湿蒸气作工质，循环在质，循环在两相区，等两相区，等温过程即等温过程即等压过程压过程25一、理想制冷循环为什么膨胀功相当 于D3453的面积? h3-h4=(h3-
8、h5)-(h4-h5)根据能量方程，有由于液体 v 小，vdp 可以忽略，有 h3-h5 面积35673 且 h4-h5面积45674所以 h3-h4 D345357626二、蒸气压缩式制冷的理论循环实际采用的蒸气压缩式制冷的理论循环是由两个等压过程、一个绝热压缩过程和一个绝热节流过程组成 理论循环与理想循环（逆卡诺循环）相比，有以下3个特点l两个传热过程均为等压过程，并且具有传热温差l用膨胀阀代替膨胀机l蒸气的压缩在过热区进行，而不是在湿蒸气区内进行27二、蒸气压缩式制冷的理论循环CompressorCondenserEvaporatorExpansion deviceLow pressur
9、e sideHigh pressure side28二、蒸气压缩式制冷的理论循环二、蒸气压缩式制冷的理论循环CompressorEvaporatorCondenserExpansion valveIncrement pressureRemove heat outdoorCooling air / WaterReduce pressure29二、蒸气压缩式制冷的理论循环 (与逆卡诺循环的区别)(1)有温差传热：有温差传热：COP下降下降例：当环境Tk 308K (35)，T0280K (7) 时逆卡诺循环 Tk308K (35)，T0280K (7)所以EER10有温差传热时，假定传热温差为35
10、，Tk311K (38)，T0275K (2)所以EER8.1530二、蒸气压缩式制冷的理论循环31二、蒸气压缩式制冷的理论循环(2)膨胀阀代替膨胀机膨胀阀代替膨胀机32二、蒸气压缩式制冷的理论循环 (2)膨胀阀代替膨胀机膨胀阀代替膨胀机 原因：l 饱和液体或两相混合物膨胀系数小，可做功有限l功回收系统复杂l加工困难 COP下降的原因：l膨胀阀不能回收膨胀功，且损失部分制冷能力33二、蒸气压缩式制冷的理论循环有摩擦的过程不可以用实线表示！有摩擦的过程不可以用实线表示！膨胀功 热量34二、蒸气压缩式制冷的理论循环工作流程图35二蒸气压缩式制冷的理论循环36二、蒸气压缩式制冷的理论循环蒸气的压缩过
11、程采用干压缩代替湿压缩蒸气的压缩过程采用干压缩代替湿压缩原因：防止液击方法：l气液分离器 l膨胀阀控制压缩机吸气过热度COP下降的原因：l干压缩过程的过热损失37蒸气压缩式制冷的应用举例汽车空调空调器、电冰箱38三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算lgp-h图制冷循环在lgp-h图上表示利用lgp-h图进行热力计算39lg ph 制冷剂压焓图（lgp-h图）1点：临界点CC2线：饱和液线 =0 饱和气线 =1 =0 =13区：过冷液体区 饱和区 过热蒸气区t6线：等压线 等温线 等比焓线 等比熵线 等比容线 等干度线xhpsv40制冷剂压焓图（R134a）41制冷循环在压焓图上表示制冷循环在压焓图
12、上表示EnthalpyCompressorCondenserReceiverPressureEvaporatorqkqowc42制冷循环在压焓图中表示制冷循环在压焓图中表示43 三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算(1) 为什么使用压焓图？l能准确描述制冷循环过程（设计与控制）l图上任何一点表示制冷剂的状态l两状态点的焓差反映了过程中的能量变化(2) 热力计算的目的是什么？l已知需要的制冷量和环境参数l计算 压缩机的制冷剂流量、功耗、理论COP和冷凝器排热量 l目的 确定“四大件”和其它部件的容量、规格、型号44三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算三、蒸气压缩式制冷循环
13、的热力计算(1)计算方法（压焓图的应用）l压缩机：wch2-h1 l冷凝器：qkh2-h3 l节流阀：h3h4 l蒸发器：q0h1-h4l 热平衡：wcqk-q0 45三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算制冷循环的热力计算是根据所确定的蒸发温度、冷凝温度、液态制冷剂的再冷度和压缩机的吸气温度等已知条件，计算下列数值 ：l求解单位质量制冷能力q0和单位容积制冷能力qv=q0/v (容积指压缩机吸气口的v)l制冷剂质量流量 Mr=F0 / q0和体积流量Vrl冷凝器排热量 Mrqkl压缩机功耗 P=MrwCl理论制冷系数th = F0 /P=q0/wCl制冷效率R th
14、 / c(或th / l) 46三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算非共沸工质在制冷循环中接近劳仑兹循环lg ph41234tk=40to=42pkpot2t3t1t447三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算非共沸工质在制冷循环热力计算的步骤l1. 按照给定外部条件和相当冷凝（或蒸发）温度，计算需要的对数平均温差（按照逆流方式换热）l2. 根据相当冷凝（或蒸发）温度，假定冷凝压力和蒸发压力l3. 在lgp-h图上绘制制冷循环，查找循环上各状态点的物性参数l4. 计算节流后状态点的物性l5. 校核实际对数平均温差，如果误差小，则进入步骤6.
15、，否则转向步骤2.l6. 按单质类制冷循环热力计算方法，计算其它冷凝负荷、耗功量、制冷系数和制冷效率等性能参数确确定定制制冷冷循循环环的的工工况况48三、蒸气压缩式制冷循环的热力计算 （非共沸工质的热力计算）4点的状态参数的确定方法l根据等效蒸发温度与等效冷凝温度计算要求的蒸发器与冷凝器的对数平均温差l用制冷剂的泡点与露点的平均值代替要求的冷凝温度和蒸发温度进行试算l根据计算结果校验试算结果，当两个对数平均温差与要求值达到要求精度时，开始计算单位制冷量、单位容积制冷量、单位压缩功、单位冷凝负荷、制冷系数等49四、蒸气压缩式制冷循环的改善蒸发温度、冷凝温度不变时，改善制冷循环的性能参数l过冷、回
16、热l回收膨胀功l多级压缩（双级）改善制冷循环的低温性能l复叠式（外复叠、内复叠）改善制冷（热泵）循环的高温性能l跨临界（超临界）循环50四、蒸气压缩式制冷循环的改善1制冷循环性能的改善措施 l (1)冷凝器的过冷l (2)过冷方法： 增大冷凝器换热面积（程度有限） 冷凝器后加再冷却器51四、蒸气压缩式制冷循环的改善(2) 蒸气回热循环52四、蒸气压缩式制冷循环的改善(1)(1)(1)(1)冷凝器的过冷冷凝器的过冷冷凝器的过冷冷凝器的过冷q053四、蒸气压缩式制冷循环的改善(1)(1)(1)(1)冷凝器的过冷冷凝器的过冷冷凝器的过冷冷凝器的过冷54四、蒸气压缩式制冷循环的改善(2) 蒸气回热循环
17、55四、蒸气压缩式制冷循环的改善(2) (2) 蒸气回热循环蒸气回热循环56四、蒸气压缩式制冷循环的改善(2) (2) 蒸气回热循环蒸气回热循环回热量回热量回热量回热量 h h h h1 1 1 1 -h-h-h-h1 1 1 1=h=h=h=h3 3 3 3-h-h-h-h3 3 3 3 制冷量增量制冷量增量制冷量增量制冷量增量 h h h h4 4 4 4 -h-h-h-h4 4 4 4 = = = = h h h h3 3 3 3-h-h-h-h3 3 3 3 57四、蒸气压缩式制冷循环的改善(3)回收膨胀功58四、蒸气压缩式制冷循环的改善(4)多级压缩一级节流一级节流中间完全中间完全冷
18、却双级冷却双级压缩制冷压缩制冷循环循环从冷凝器到蒸从冷凝器到蒸从冷凝器到蒸从冷凝器到蒸发器之间节流发器之间节流发器之间节流发器之间节流级数级数级数级数高压级压缩高压级压缩高压级压缩高压级压缩机吸气状态机吸气状态机吸气状态机吸气状态59四、蒸气压缩式制冷循环的改善mm1 1(h(h22-h-h55)=(m-m)=(m-m1 1)(h)(h4 4 - h- h44+h+h2 2 - h- h22) )mm1 1 /m=(h/m=(h4 4-h-h44+h+h2 2 - h- h22)/(h)/(h2 2-h-h55+h+h4 4-h-h44) )q q0 0= (m-m= (m-m1 1)(h)(
19、h1 1-h-h5 5) )高压级流量高压级流量高压级流量高压级流量: m: m: m: m旁通流量旁通流量旁通流量旁通流量: m: m: m: m1 1 1 1流量比流量比流量比流量比:m:m:m:m1 1 1 1/ m/ m/ m/ m低压级流量低压级流量低压级流量低压级流量: m- m: m- m: m- m: m- m1 1 1 160四、蒸气压缩式制冷循环的改善一级节流中间不完全冷却双级压缩制冷循环一级节流中间不完全冷却双级压缩制冷循环中间冷却器中间冷却器中间冷却器中间冷却器节流阀节流阀节流阀节流阀2 2 2 2低压级低压级低压级低压级压缩机压缩机压缩机压缩机高压级高压级高压级高压级
20、压缩机压缩机压缩机压缩机蒸蒸蒸蒸发发发发器器器器冷冷冷冷凝凝凝凝器器器器节节节节流流流流阀阀阀阀2 261四、蒸气压缩式制冷循环的改善二级节流中间完二级节流中间完全冷却双级压缩全冷却双级压缩制冷循环制冷循环经济器Economizer62四、蒸气压缩式制冷循环的改善63四、蒸气压缩式制冷循环的改善(5)复叠式制冷循环l与多级压缩循环相比，可以获得更低的低温l两套独立制冷循环高温级制冷循环低温级制冷循环l冷凝蒸发器l根据目标低温要求，合理选择工质对冷冷冷冷凝凝凝凝蒸蒸蒸蒸发发发发器器器器节流阀节流阀节流阀节流阀2 2 2 2低温级压缩机低温级压缩机低温级压缩机低温级压缩机高温级压缩机高温级压缩机高
21、温级压缩机高温级压缩机蒸蒸蒸蒸发发发发器器器器冷冷冷冷凝凝凝凝器器器器节流阀节流阀节流阀节流阀1 164四、蒸气压缩式制冷循环的改善复叠式制冷循环TkHT0HTSTkLT0L65四、蒸气压缩式制冷循环的改善 内复叠式（自然复叠）制冷循环自然复叠制冷系统采用混合工质，通过单台压缩机实现了多级复叠，可以制取-60 以下的低温，极大地简化了制冷系统l一台压缩机l多元非共沸工质对具有比较大的工作温区，无论是在普冷领域还是在低温电子、低温医学、冷冻干燥、气体液化等低温领域，都具有比较大的实用价值冷凝蒸发器冷凝蒸发器冷凝蒸发器冷凝蒸发器低沸点工低沸点工低沸点工低沸点工质节流阀质节流阀质节流阀质节流阀压缩机
22、压缩机压缩机压缩机蒸蒸蒸蒸发发发发器器器器冷凝器冷凝器冷凝器冷凝器高沸点工高沸点工高沸点工高沸点工质节流阀质节流阀质节流阀质节流阀分馏器分馏器分馏器分馏器66五、跨临界蒸气压缩式制冷循环对于高温与中温制冷剂，在普通制冷范围内，由于制冷循环的冷凝压力远离制冷剂的临界压力，故称之为亚临界循环亚临界循环是目前制冷、空调领域广泛应用的循环形式一些低温制冷剂在普通制冷范围内，利用冷却水或室外空气作为冷却介质时，压缩机的排气压力位于制冷剂临界压力之上，而蒸发压力位于临界压力之下，故将此类循环称为跨临界循环（Transcritical Cycle）或超临界循环（Supercritical Cycle），CO
23、2（R744）就是这种制冷剂之一 67五、跨临界蒸气压缩式制冷循环CO2跨临界制冷循环 (a)循环原理图循环原理图 (b)压焓图压焓图h1234lgh气体冷却器气体冷却器蒸发器蒸发器wc压压缩缩机机膨膨胀胀阀阀qoqk123468五、跨临界蒸气压缩式制冷循环跨临界制冷循环的热力计算l方法：与亚临界循环完全相同l特点：在常规亚临界制冷循环中，冷凝器出口的制冷剂焓值只是温度的函数在跨临界循环中，温度和压力共同影响着气体冷却器出口制冷剂的焓值当其它条件不变时，制冷系数th先逐渐升高再逐渐下降，在某一p2时出现最大值thm，对应于thm的压力称之为最优高压侧压力p2opt 当其它条件不变时，循环的理论
24、性能系数th随T3的增加而迅速下降 69五、跨临界蒸气压缩式制冷循环CO2跨临界制冷循环的改善l（1）蒸气回热循环 (a)循环原理图循环原理图 (b)压焓图压焓图h234lgP3?1?1气体冷却器 蒸发器wc压缩机膨胀阀qoqk回热器11?23?3470五、跨临界蒸气压缩式制冷循环CO2跨临界制冷循环的改善l（2）双级压缩回热循环 (a)循环原理图循环原理图 (b)压焓图压焓图qkh1234lgP3?1?2?2?气体冷却器 蒸发器wc2高压级压缩机膨胀阀qo回热器2?1?23?312?wc14低压级压缩机71五、跨临界蒸气压缩式制冷循环CO2跨临界制冷循环的改善l（3）用膨胀机回收膨胀功 (a
25、)循环原理图循环原理图 (b)压焓图压焓图qk气体冷却器气体冷却器蒸发器蒸发器wce压缩机压缩机qo1235膨胀机膨胀机weTs1234565?3?6?72五、跨临界蒸气压缩式制冷循环CO2跨临界制冷循环的改善l上述循环的比较 1.简单单级压缩循环 2.单级压缩回热循环 3.双级压缩回热循环 4.用膨胀机的单级压缩循环 l各种方式的综合利用R744 T3=404.03.02.01.0-50510蒸发温度蒸发温度T Te e/实实际际制制冷冷系系数数s s132循环循环473六、蒸气压缩式制冷的实际循环实际循环与理论循环的区别l无论是亚临界还是跨临界制冷，其实际过程存在功热损失压缩机内摩擦和传热
26、压缩机进、排气阀节流损失 部件、管道摩擦损失和传热l过热度、过冷度74六、蒸气压缩式制冷的实际循环1.实际循环分析75六、蒸气压缩式制冷的实际循环冷凝器内压力损失冷凝器内压力损失冷凝器内压力损失冷凝器内压力损失膨膨膨膨胀胀胀胀阀阀阀阀吸吸吸吸热热热热压压压压缩缩缩缩机机机机内内内内散散散散热热热热、吸吸吸吸热热热热进气阀节流进气阀节流进气阀节流进气阀节流排气阀节流排气阀节流排气阀节流排气阀节流蒸发器内压力损失蒸发器内压力损失蒸发器内压力损失蒸发器内压力损失管道摩擦、吸热管道摩擦、吸热管道摩擦、吸热管道摩擦、吸热76六、蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环lgP-h图lg ph234
27、 43?pkpo1c1?2?dap2p177六、蒸气压缩式制冷的实际循环各种损失引起压缩机输气量的减少可用容积效率v来表示，容积效率v的定义为压缩机实际输气量VR与理论输气量Vb之比 制冷量减少78六、蒸气压缩式制冷的实际循环指示功率Pi 增大轴功率 Pe增大（存在摩擦功）需考虑压缩机与电动机的联接方式（传动效率d ）79六、蒸气压缩式制冷的实际循环2. 系统性能评价l制冷循环的实际制冷系数s （又称为性能系数，用COP表示 ）l对于封闭式压缩机构成的制冷循环系统，因驱动电动机内置于压缩机，故需要考虑电动机效率e（以能效比EER来评价系统的性能）80六、蒸气压缩式制冷的实际循环实际过程的制冷系
28、数的大致范围l风冷式空调机组：2.56.0l单级水冷式机组：3.85.5 l多级水冷式机组：5.07.081七、总结熟练掌握蒸气压缩式制冷循环的基本原理明确改善制冷循环的各种措施灵活应用压焓图工具，分析与计算制冷循环82思考题1.在制冷系统中，沿程阻力会如何影响制冷系统的性能，在系统设计中，哪些部位的阻力会严重影响系统的性能？2.为何采用经济器(Economizer)可有效改善风冷热泵系统的性能？3.分析亚临界制冷循环和跨临界制冷循环的异同点；能否用CO2制冷剂实现亚临界制冷循环，可以用在哪些场合？当复叠式制冷系统停机后，低温级制冷剂的压力过高，可能会影响系统的安全，请问需要采取何种措施？83
29、计算题1.某空气调节系统需冷量20kW，采用R410a压缩式制冷，蒸发温度=4，冷凝温度=40，无再冷，而且压缩机入口为饱和蒸气，试进行制冷理论循环的热力计算；2.将一级节流中间不完全冷却的双级压缩制冷循环表示在lgp-h和T-S图上，推导出该循环的理论制冷系数th 和最佳中间压力pm公式。84计算题3.房间空调器的设计工况为：l制冷工况：室外侧：干湿球温度35/24oC；室内侧：干湿球温度27/19oCl制热工况室外侧：干湿球温度7/6oC室内侧：干湿球温度21/20oCl试分析：（1）在目前技术条件下设计的房间空调器可能达到的最大EER和最大COP各为多少？（2）目前有些企业称最大EER和最大COP均达到6.6以上，这种说法是否真实？如果达到了，估计是采用了哪些措施？85
