制冷系統(tǒng)基本工作原理

1、制冷系統(tǒng)工作原理簡介,攝氏溫度tc（oC）華氏溫度tF（oF）絕對溫度T（K）tc=5(tF-32)/9T= tc +273.15,熱工基礎(chǔ)知識 - 溫度,溫度是表示物體冷熱程度的量度。,壓力P（Pa）=F（N）/S（m2）絕對壓力Pa相對壓力Pg =絕對壓力-大氣壓力 1標準大氣壓（atm）=1.01x105 （Pa ） 常用壓力單位： M Pa , k Pa , mmH2O , mmHg , bar ,

2、at,熱工基礎(chǔ)知識 - 壓 力,工程上把單位面積上所受的垂直作用力稱為壓力。,密度ρkg/m3比容υ m3/kg質(zhì)量流量 kg/s體積流量 m3/s,熱工基礎(chǔ)知識 - 其它常用基本參數(shù),熱能-物質(zhì)分子運動的動能熱量-熱能轉(zhuǎn)移的度量 焦耳（J），千焦耳（kJ） 1kJ=0.239kcal1kWh=3600kJ質(zhì)量比熱一kg物體溫度升高1K所吸收的熱量 水在常溫時的Cp=4.1868kJ/kg.℃

3、 干空氣的定壓比熱Cp=1.005kJ/kg.℃熱流，功率 kW （1P機就是2500W,2P機就是5100W,5P機就是12500W）,熱工基礎(chǔ)知識 - 熱 量,熱力學第一定律能量既不能創(chuàng)造，也不能消亡，而只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或從一種形式轉(zhuǎn)變成另一種形式。 在任何發(fā)生能量轉(zhuǎn)換的熱力過程中，轉(zhuǎn)換前后能量的總量維持恒定。熱能和機械能是可以相互轉(zhuǎn)換的。,熱工基礎(chǔ)知識 - 基本物理定律,熱力學第二定律熱

4、量自發(fā)地從高強度體流向低強度體。熱量自發(fā)地從高溫流向低溫。 不可能把熱量從低溫物體傳至高溫物體而不需要附加條件。,熱工基礎(chǔ)知識 - 基本物理定律,1、熱量1）熱量傳遞的途徑有：傳導、對流、輻射。,（1）熱傳導： 熱在物質(zhì)內(nèi)直接傳送稱為熱傳導。,熱工基礎(chǔ)知識-熱量傳遞方式,（2）熱對流 ：熱對流是受熱的液體或氣體運動傳遞熱量,熱工基礎(chǔ)知識-熱量傳遞方式（續(xù)）,（3）熱輻射：熱輻射是以紅外線的方式發(fā)射和傳遞熱量。,熱工基礎(chǔ)知識-熱

5、量傳遞方式（續(xù)）,熱工基礎(chǔ)知識 - 物質(zhì)的三態(tài)及變化,固體,液體,氣體,,,,,,,熔解,凝固,液化,汽化,升華,固化,熱工基礎(chǔ)知識,物質(zhì)有三種集態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。物質(zhì)集態(tài)的改變稱為相變。相變過程中，由于物質(zhì)分子重新排列和分子熱運動速度的改變，會吸收或放出熱量，這種熱量稱作潛熱。 物質(zhì)發(fā)生從質(zhì)密態(tài)到質(zhì)稀態(tài)的相變時，將吸收潛熱；反之，當它發(fā)生由質(zhì)稀態(tài)向質(zhì)密態(tài)的相變時，放出潛熱。,熱工基礎(chǔ)知識 - 顯 熱,加熱,水,大氣壓,顯

6、熱：不改變物質(zhì)狀態(tài)只引起物質(zhì)溫度變化的熱量。,熱工基礎(chǔ)知識 - 潛熱、蒸發(fā)和沸騰,水沸騰 水變成水蒸汽,大氣壓,,,,,,,,,,,,,,,,潛熱：不改變物質(zhì)溫度只改變物質(zhì)狀態(tài)的熱量。,熱工基礎(chǔ)知識 - 飽和、過冷和過熱,212°F,大氣壓容器內(nèi)汽液共存,212°F,100°C,100°C,,,,,,,,,,,,,,,,,,汽體,液體,熱工基礎(chǔ)知識-過冷過熱,飽和狀態(tài)：當液體處在密閉容器內(nèi)時，

7、液體不斷氣化，蒸氣不斷凝結(jié)，若在某一時刻，液體氣化量等于蒸氣凝結(jié)量，即氣液兩相處于平衡共存的狀態(tài),這一狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)。它是—個動態(tài)的平衡。此時，若加入熱量則達到一新的飽和狀態(tài)達到平衡。過冷：飽和液體在飽和壓力不變的條件下，繼續(xù)冷卻到飽和溫度一下稱為過冷，這種液體稱為過熱液體。下降后的溫度稱為過冷溫度，過冷溫度與飽和溫度之差稱為過冷度。過熱：在飽和壓力的條件下，繼續(xù)對飽和蒸汽加熱，使其溫度高于飽和溫度，這種狀態(tài)稱為過熱，這種蒸氣稱為過

8、熱蒸汽。升高后的溫度稱為過熱溫度，過熱溫度與飽和溫度之差稱為過熱度。,熱工基礎(chǔ)知識 - 升高飽和點,水沸騰,壓力鍋防止蒸汽逃逸。液體表面壓力升高使液體的沸點升高,,,,,,,,,,,1.208bar105°C,,,,,,,,,,,,,,,,,熱工基礎(chǔ)知識 - 降低飽和點,水沸騰,真空泵將空氣抽出容器。液體表面壓力降低使液體的沸點降低。,,,,,,,,,,,,,0.008129bar4°C,真空泵,制冷系統(tǒng) -

9、制冷方法及工作原理,一.制冷的概念 制冷：就是使某一空間或某物體達到低于其周圍環(huán)境介質(zhì)的溫度，并維持這個低溫的過程。 實現(xiàn)制冷的途徑有兩種，一是天然冷卻，一是人工制冷。 天然冷卻利用天然冰或深井水冷卻物體，但其制冷量（即從被冷卻物體取走的熱量）和可能達到的制冷溫度往往不能滿足生產(chǎn)需要。 人工制冷是利用制冷設(shè)備加入能量，使熱量從低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移的過程。,制冷系統(tǒng) -制冷方法及工作原理二.制冷的分類,按照制冷所得到的低溫范圍

10、，制冷技術(shù)劃分為以下4個領(lǐng)域： 普通制冷 120K以上 深度制冷 120K~20K 低溫制冷 20K~0.3K 超低溫制冷 0.3K以下,制冷系統(tǒng) -制冷方法及工作原理三、制冷的基本原理,由于熱量只能自動地從高溫物體傳給低溫物體，因此實現(xiàn)制冷必須包括消耗能量的補償過程。制冷機的基本原理：利用某種工質(zhì)的狀態(tài)變化，從較低溫度的熱源吸取

11、一定的熱量Q0，通過一個消耗功W的補償過程，向較高溫度的熱源放出熱量Qk,。在這一過程中，由能量守恒得 Qk= Q0 + W。,制冷系統(tǒng) -制冷方法及工作原理,,制冷機,高溫熱源TH,,,,QC,QH,W,QC+W=QHε= QC / W,低溫熱源TC,,基本工作原理,制冷系統(tǒng) –制冷方法及工作原理,1 液體汽化制冷方法,,蒸氣壓縮式制冷,蒸氣吸收式制冷,蒸汽噴射式制冷,吸附式制冷,2 氣體的節(jié)流效應(yīng)和絕熱膨脹制冷,3 其它制冷方法

12、,,熱電制冷,磁制冷,渦流管制冷,熱聲制冷,四.制冷方法,利用液體的蒸發(fā)可以吸收周圍環(huán)境的熱量。,制冷系統(tǒng) -蒸汽壓縮式制冷 1、制冷的基本思路,制冷系統(tǒng) -蒸汽壓縮式制冷,制冷系統(tǒng) -蒸汽壓縮式制冷,單級蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，是由制冷壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥四個基本部件組成。它們之間用管道依次連接，形成一個密閉的系統(tǒng)，制冷劑在系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動，發(fā)生狀態(tài)變化，與外界進行熱量交換。制冷循環(huán):制冷劑經(jīng)過一系列的狀態(tài)變化后

13、,重新回復到它的初態(tài),稱為制冷循環(huán).液體蒸發(fā)制冷的特征： 利用制冷劑液體在氣化時（蒸發(fā)時）產(chǎn)生的吸熱效應(yīng)，達到制冷目的。 其工作過程如圖1所示。,2.蒸汽壓縮式制冷原理,蒸發(fā)器,冷凝器,,低壓,高壓,,壓縮機,膨脹閥,,蒸氣,液體,制冷系統(tǒng) -蒸汽壓縮式制冷,圖3-1 壓縮式制冷循環(huán)原理圖,四個必要組成部分:壓縮機冷凝器節(jié)流（膨脹）裝置蒸發(fā)器,制冷系統(tǒng) -蒸汽壓縮式制冷,制冷系統(tǒng) -蒸汽壓縮式制冷,制冷循環(huán)的蒸發(fā)過程

14、,制冷劑液體在低壓（低溫）下蒸發(fā)，成為低壓蒸氣,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,制冷系統(tǒng) -蒸汽壓縮式制冷,,制冷循環(huán)的壓縮過程,將該低壓蒸氣壓縮為高壓蒸氣,制冷系統(tǒng) -蒸汽壓縮式制冷,制冷循環(huán)的冷凝過程,將高壓蒸氣冷凝，使之成為高壓液體,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

15、,,,,,,,,,,,,,,,,制冷系統(tǒng) -蒸汽壓縮式制冷,制冷循環(huán)的節(jié)流過程,高壓液體降低壓力重新變?yōu)榈蛪阂后w。上述四個過程依次不斷循環(huán)，進而達到制冷目的。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,PI,,,,,,,,,TI,,,,,制冷系統(tǒng) -蒸汽壓縮式制冷,制冷過程綜述,制冷劑工質(zhì)以液態(tài)在蒸發(fā)器中

16、吸熱制冷，低溫液體吸收汽化潛熱變成制冷劑氣體被壓縮機吸入并壓縮，被壓縮的氣體壓力和溫度都增高，之后流進冷凝器，冷凝器以風冷水冷等形式對制冷劑氣體進行冷凝，冷凝后的高溫高壓液體儲存在冷凝器底部及儲液器中，冷凝時放出的熱量通過風機、水泵等設(shè)備帶出并散到環(huán)境中，當高溫高壓的液體流經(jīng)膨脹閥后，以低溫低壓的液體狀態(tài)再進入蒸發(fā)器吸收汽化潛熱而制冷，如此完成制冷循環(huán)。,制冷系統(tǒng) -蒸汽壓縮式制冷,制冷系統(tǒng) -蒸汽壓縮式制冷,蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的構(gòu)成,

17、壓 縮 機熱 交 換 設(shè) 備節(jié) 流 機 構(gòu)管 道各 種 控 制 閥輔 助 部 件,蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的構(gòu)成,,,制冷四大金剛,壓縮機：作用：提升壓力低壓（低溫）氣體被吸入壓縮機并被壓縮成高壓（高溫）氣體。 壓縮機分為容積型和速度型兩種,速度型主要有離心式壓縮機,容積型可分為活塞式和回轉(zhuǎn)式,其中回轉(zhuǎn)式又包括滾動轉(zhuǎn)子式,滑片式,單螺桿,雙螺桿和蝸旋式.冷凝器： 從壓縮機出來的高溫制

18、冷劑氣體進入冷凝器，在一定壓力下釋放熱量變成液體。高溫制冷劑在冷凝器中冷凝。,制冷系統(tǒng) -蒸汽壓縮式制冷,,節(jié)流裝置 (膨脹閥) ：液體經(jīng)過節(jié)流裝置使壓力下降?？装?、熱力膨脹閥、電子膨脹閥、毛細管等,蒸發(fā)器：液體制冷劑進入蒸發(fā)器蒸發(fā)為氣體。制冷劑在蒸發(fā)器中吸收熱量。（輸送冷量）,制冷四大金剛,制冷系統(tǒng) -蒸汽壓縮式制冷,制冷系統(tǒng) -蒸氣吸收式制冷,吸收式制冷利用溶液在一定條件下能析出低沸點組分的蒸氣，在另一種條件下又能吸收低

19、沸點組分這一特性完成制冷循環(huán)。 目前吸收式制冷機多用二元溶液，習慣上稱低沸點組分為制冷劑，高沸點組分為吸收劑。,吸收式制冷基本原理,,整個系統(tǒng)包括兩個回路： 制冷劑回路 溶液回路,制冷系統(tǒng) -蒸氣吸收式制冷,在溴化鋰吸收式制冷機運行過程中，當溴化鋰水溶液在發(fā)生器內(nèi)受到熱媒水的加熱后，溶液中的水不斷汽化；隨著水的不斷汽化，發(fā)生器內(nèi)的溴化鋰水溶液濃度不斷升高，進入吸收器；水蒸氣進入冷凝器，被冷凝器內(nèi)的冷卻水降溫后

20、凝結(jié)，成為高壓低溫的液態(tài)水；當冷凝器內(nèi)的水通過節(jié)流閥進入蒸發(fā)器時，急速膨脹而汽化，并在汽化過程中大量吸收蒸發(fā)器內(nèi)冷媒水的熱量，從而達到降溫制冷的目的；在此過程中，低溫水蒸氣進入吸收器，被吸收器內(nèi)的溴化鋰水溶液吸收，溶液濃度逐步降低，再由循環(huán)泵送回發(fā)生器，完成整個循環(huán)。如此循環(huán)不息，連續(xù)制取冷量。由于溴化鋰稀溶液在吸收器內(nèi)已被冷卻，溫度較低，為了節(jié)省加熱稀溶液的熱量，提高整個裝置的熱效率，在系統(tǒng)中增加了一個換熱器，讓發(fā)生器流出的高溫濃溶液

21、與吸收器流出的低溫稀溶液進行熱交換，提高稀溶液進入發(fā)生器的溫度。,制冷系統(tǒng) -蒸汽噴射式制冷,原理：和蒸汽壓縮式及吸收式制冷相似，均是利用液體汽化時吸收熱量來制冷的。系統(tǒng)組成：噴射器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥及泵五部分。系統(tǒng)流程圖：,工作過程： 用鍋爐產(chǎn)生高溫高壓的工作蒸汽，將其送入噴嘴，膨脹并以高速流動（流速可達1000m/s以上），于是在噴嘴出口處，造成很低的壓力，由于吸入室和蒸發(fā)器相連，所以蒸發(fā)器中的壓力也會很

22、低，低溫低壓的部分水吸熱而汽化，將未汽化的水的溫度降低。這部分低溫水就可用于制冷。蒸發(fā)器中產(chǎn)生的冷劑水蒸氣和工作蒸汽在噴嘴出口處混合，一起進入冷凝器，被外部的冷卻水冷卻而變成液態(tài)水，這些冷凝水再由冷凝器引出，分兩路，一路經(jīng)過節(jié)流降壓后送往蒸發(fā)器，繼續(xù)蒸發(fā)制冷，另一部分用泵提高壓力送往鍋爐，重新加熱產(chǎn)生工作蒸汽。,制冷系統(tǒng) -蒸汽噴射式制冷,制冷系統(tǒng) -吸附式制冷,一定的固體吸附劑對某種制冷劑氣體具有吸附作用，并且吸附能力隨

23、吸附劑溫度的不同而不同。周期性地冷卻和加熱吸附劑，使之對制冷劑交替吸附和解吸。吸附時制冷劑液體蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷作用，解吸時，釋放出制冷劑氣體，并使之冷凝成液體，從而完成整個制冷循環(huán)。工作介質(zhì)：吸附劑和制冷劑；常見的吸附工質(zhì)對有：沸石——水；硅膠——水，氯化鈣——氨等 活性碳－甲醇；金屬氫化物－氫,,,制冷系統(tǒng) -吸附式制冷,,間歇式吸附式制冷系統(tǒng)（太陽能制冷機）,以沸石——水工質(zhì)對為例說明其工作過程： 白天，吸

24、附床受日光照射溫度升高產(chǎn)生解析作用，從沸石中脫附出水蒸汽，系統(tǒng)內(nèi)的水蒸氣壓力升高，當達到與環(huán)境溫度對應(yīng)的飽和壓力時，水蒸汽在冷凝器中凝結(jié)，同時放出潛熱，凝水儲存在蒸發(fā)器中，夜間，吸附床冷下來，沸石溫度逐漸降低，它吸附水蒸汽的能力逐漸提高，造成系統(tǒng)內(nèi)壓力降低，同時，蒸發(fā)器中的水不斷蒸發(fā)出來，用以補充沸石對水蒸汽的吸附，水蒸發(fā)的過程吸熱，達到制冷的目的。 說明：吸附床的作用相當于壓縮機所起的作用。,制冷系統(tǒng) -吸附

25、式制冷,制冷系統(tǒng) -絕熱膨脹制冷,基本原理：高壓氣體通過膨脹機絕熱膨脹時，對外輸出功率，同時氣體的溫度降低,,A 壓縮機 B 空氣冷卻器 C 膨脹機 D 制冷室,定壓循環(huán)空氣制冷機系統(tǒng),制冷系統(tǒng) -其它制冷方法,珀爾帖效應(yīng)基本原理,基本原理： 利用珀爾帖效應(yīng)原理達到制冷目的，即在兩種不同金屬組成的閉合線路中，通以直流電流，會產(chǎn)生一個接點熱，另一個接點冷的現(xiàn)象，稱為溫差電現(xiàn)象。半導體材料所產(chǎn)生的溫差電現(xiàn)象較其他金屬要顯著得多

26、，一般熱電制冷都采用半導體材料，所以也稱之為半導體制冷。,1.熱電制冷,熱電制冷的原理：,制冷系統(tǒng) -其它制冷方法,制冷系統(tǒng) -其它制冷方法,1931年，法國工程師蘭克（Ranque）發(fā)現(xiàn)旋風分離器中旋轉(zhuǎn)的空氣流具有低溫，于是他在1933年發(fā)明了一種裝置，可以使壓縮氣體產(chǎn)生渦流并能將氣流冷、熱兩部分，其中冷氣流用來制冷，該裝置稱為渦流管，又叫蘭克管。這種制冷方法稱為渦流管制冷,原理：是使壓縮氣體產(chǎn)生渦流運動并分離成冷、熱兩部分，其中冷氣

27、體用來制冷。組成：噴嘴、渦流室、孔板、管子和控制閥。原理圖：如右圖,2.渦流管制冷,制冷系統(tǒng) -其它制冷方法,磁致冷首先是給磁體加磁場，使磁矩按磁場方向齊排列（磁熵變?。?，然后再撤去磁場，使磁矩的方向變?yōu)槲蓙y（磁熵變大），這時磁體從周圍吸收熱量，通過熱交換使周圍環(huán)境的溫度降低，達到致冷的目的。。也就是所謂磁致冷就是利用磁性體的磁矩在無序態(tài)和有序態(tài)之間來回交換的過程中，磁性體放出或吸收熱量的冷卻方法。,,3.磁制冷,制冷系統(tǒng) -其它制

28、冷方法,熱聲制冷機基本原理,1 高溫熱源 2 熱端換熱器 3 熱聲板疊 4 冷端換熱器 5 諧振管 6 低溫熱源,熱聲制冷的概念是美國LosAlamodynamics國家實驗室的J.C. Wheatley等人在80年代提出的。簡單地說熱聲制冷就是利用熱聲效應(yīng)的制冷技術(shù),4.熱聲制冷,1.制冷劑,制冷劑是制冷循環(huán)中傳熱的載體，通過狀態(tài)的變化吸收和放出熱量，因此要求制冷劑在常溫下很容易氣化，加壓后很容易液化，而且在狀態(tài)變化時要盡可能多

29、的吸收或放出熱量。同時制冷劑還應(yīng)具備以下的性質(zhì)：不易燃易爆；無毒；無腐蝕性；對環(huán)境無害。制冷劑可分為五類：無機化合物制冷劑、氟里昂、飽和碳氫化合物制冷劑、不飽和碳氫化合物制冷劑和共沸混合物制冷劑。根據(jù)冷凝壓力，制冷劑可分為三類：高溫（低壓）制冷劑、中溫（中壓）制冷劑和低溫（高壓）制冷劑。 制冷劑常用其頭一個字母R來代表制冷劑，后面表示制冷劑名稱，如R717、 R12、R22、R134a、R-410A等。,制冷系統(tǒng)-制冷劑及載

30、冷劑,制冷系統(tǒng)-制冷劑及載冷劑,載冷劑是指間接冷卻系統(tǒng)中運載冷量的媒介物質(zhì)，又稱冷媒。它依靠顯熱來傳遞冷量。常見載冷劑 t＞0 oC，用水；t≤0 oC，用鹽溶液或有機物。,鹽水凝固溫度與濃度有關(guān)。鹽水濃度太低，會析出冰粒；濃度太高，比熱小、比重大、流阻大、有鹽粒析出。,制冷系統(tǒng)-制冷劑及載冷劑,水：高溫載冷劑，在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用特別理想。鹽水溶液：中溫載冷劑，一般用氯化鈉或氯化鈣配置，適用于-5～-50℃制冷裝置。腐蝕性大