制冷原理与设备配置

1. 制冷原理与设备配置 山西财贸职业技术学院

2. 热力学过程分析及其计算 • 理论单级循环压焓图状态点的查找与分析 • 单级理论循环的热力学计算 • 冷库单级循环压焓图状态点的查找与分析 • 冷库单级循环的热力学计算 • 理论双级循环压焓图状态点的查找与分析 • 双级理论循环的热力学计算 • 冷库双级循环压焓图状态点的查找与分析 • 冷库双级制冷系统的热力学计算 • 中央空调溴化锂制冷系统的热力学分析

3. 单级循环热力学状态点分析 ● ● 状态点1 状态点2 低温低压（饱和蒸气） 高温高压（过热蒸气） • 理论单级循环压焓图状态点的查找与分析

4. 单级循环热力学状态点分析 ● ● 状态点2 状态点3 高温高压（过热蒸气） 常温高压（饱和液体） • 理论单级循环压焓图状态点的查找与分析

5. 单级循环热力学状态点分析 ● ● 状态点4 状态点5 高温高压（过热蒸气） 常温低压（湿蒸气） • 理论单级循环压焓图状态点的查找与分析

6. 单级循环热力学状态点分析 ● ● 状态点5 状态点1 常温低压（湿蒸气） 低温低压（饱和蒸气） • 理论单级循环压焓图状态点的查找与分析

7. 单级循环热力学状态点分析 • 单级蒸汽压缩式制冷系统由压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器组成。 • 制冷剂蒸汽压缩、冷凝成液体，放出热量 • 冷凝后的制冷剂流经节流元件进入蒸发器。从入口端的高压pk降低到 低压p0，从高温tk降低到t0，并出现少量液体汽化变为蒸汽。 • 制冷剂液体在低压（低温）下蒸发吸热 • 制冷剂蒸汽回到压缩机中压缩 • 单级蒸气压缩式制冷循环

8. 单级理论循环热力学计算 • 1.单位质量制冷量 q0 • 制冷压缩机每输送1kg制冷剂经循环从被冷却介质中制取的冷量称为单位质量制冷量，用q0表示。 • q0=h1-h4=r0（1-x4） • 式中 ： • q0单位质量制冷量（kJ/kg）； • h1与吸气状态对应的比焓值（kJ/kg）； • h4节流后湿蒸汽的比焓值（kJ/kg）； • r0蒸发温度下制冷剂的汽化潜热（kJ/kg）； • x4节流后气液两相制冷剂的干度。

9. 单级循环热力学计算 • 2.单位容积制冷量 qv • 制冷压缩机每吸入1m3制冷剂蒸汽（按吸气状态计）经循环从被冷却介质中制取的冷量，称为单位容积制冷量，用qv表示。 • qv= q0/v1 • 式中： • qv单位容积制冷量（kJ/m3）； • v1制冷剂在吸气状态时的比体积（m3/kg） • 3.理论比功w0 • 制冷压缩机按等熵压缩时每压缩输送1kg制冷剂 蒸汽所消耗的功，称为理论比功，用w0表示。 • w0=h2-h1 • 式中： • w0理论比功（kJ/kg）； • h2压缩机排气状态制冷剂的比焓值（kJ/kg）； • h1压缩机吸气状态制冷剂的比焓值（kJ/kg）

10. 单级循环热力学计算 4.单位冷凝热负荷 qk • 制冷压缩机每输送1kg制冷剂在冷凝器中放出的热量，称为单位冷凝热负荷，用qk表示。 • qk=（h2-h2）+（h2-h3）=h2-h3 • 式中： qk单位冷凝热负荷（kJ/kg）； h2与冷凝压力对应的干饱和蒸汽状态所具有的比焓值（kJ/kg）； h3与冷凝压力对应的饱和液状态所具有的比焓值（kJ/kg）； 对于单级蒸汽压缩式制冷理论循环，存在着下列关系 qk = q0 +w0 5.制冷系数 0 单位质量制冷量与理论比功之比，即理论循环的收益和代价之比，称为理论循环制冷系数，用0表示， ε0=q0 / w0 =（h1-h4）/（h2-h1）

11. 单级循环热力学计算 • 例1-1　假定循环为单级蒸汽压缩式制冷的理论循环，蒸发温度t0=-10℃，冷凝温度tk=35℃，工质为R22，循环的制冷量Q0=55kW，试对该循环进行热力计算。 解：　 点1：t1=t0= 10℃，p1=p0=0.3543MPa，h1=401.555kJ/kg，v1=0.0653m3/kg 点3：t3=tk=35℃，p3=pk=1.3548MPa，h3=243.114 kJ/kg， 由图可知，h2=435.2 kJ/kg， t2=57℃

12. 单级循环热力学计算 1）单位质量制冷量 q0=h1-h4= h1-h3=401.555-243.114=158.441kJ/kg 2）单位容积制冷量 qv= q0/v1=158.411/0.0653=2426kJ/m3 3）制冷剂质量流量 qm= Q0/q0=55/158.443=0.3741kg/s 4）理论比功 w0=h2-h1=435.2-401.555=33.645kJ/kg 5）压缩机消耗的理论功率 P0=qmw0=0.347133.645=11.68kW

13. 单级循环热力学计算 6）制冷系数 ε0=q0 / w0=158.411/33.645=4.71 7）冷凝器单位热负荷 qk=h2-h3 =435.2-243.114=192.086kJ/kg 8）冷凝器热负荷 Qk=qmqk=0.3471192.086=66.67kW

14. 单级实际循环热力学分析 • 液体过冷对循环的影响； • 吸汽过热对循环的影响； • 回热对循环的影响。 • 实际工况及制冷剂的变化对循环的影响

15. 单级实际循环热力学分析 液体过冷对循环的影响： • 实际工况及制冷剂的变化对循环的影响

16. 单级实际循环热力学分析 液体过冷对循环的影响： • 实际工况及制冷剂的变化对循环的影响

17. 单级实际循环热力学分析 吸汽过热对循环的影响： • 实际工况及制冷剂的变化对循环的影响

18. 单级实际循环热力学分析 吸汽过热图： • 实际工况及制冷剂的变化对循环的影响：

19. 理论循环 1-2-3-4-1 过热循环 1-2-3-4-1 有效过热 有害过热 q0=h1-h4 q0=h1-h4=（h1-h4）+（h1- h1）=q0+q0 q0=h1-h4= q0 w0=h2-h1 w0=h2-h1=w0+w0 w0=h2-h1=w0+w0 单级实际循环热力学分析 吸气过热制冷量和制冷系数变化对比 ： • 实际工况及制冷剂的变化对循环的影响：

20. 单级实际循环热力学分析 回热对循环的影响： • 实际工况及制冷剂的变化对循环的影响

21. 单级实际循环热力学分析 回热对循环的原理图： • 实际工况及制冷剂的变化对循环的影响

22. 理论循环1-2-3-4-1 回热循环1-2-3-4-1 q0=h1-h4 q0=h1-h4 =q0+q0 w0=h2-h1 w0=h2-h1=w0+w0 单级实际循环热力学计算 回热制冷量和制冷系数变化对比 ： • 实际工况及制冷剂的变化对循环的影响

23. 双级循环压焓图状态点 的查找与分析 采用多级蒸汽压缩式制冷循环的特点及应用： • （1）降低压缩机的排气温度 • （2）降低压力比 • （3）减少节流损失 • 双级蒸气压缩式制冷循环

24. 双级循环压焓图状态点 的查找与分析 一次节流中间完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环的流程图和 lgp-h图

25. 双级循环压焓图状态点 的查找与分析

26. 双级循环压焓图状态点 的查找与分析 一次节流中间不完全冷却双级蒸汽压缩式制冷循环的流程图和 lgp-h图

27. 双级循环压焓图状态点 的查找与分析 氨泵供液的一级节流中间完全冷却制冷循环的流程图和 lgp-h图

28. 双级循环热力学计算 • （1）选配压缩机时中间压力的确定 • 选配压缩机时，中间压力pm的选择，可以根据制冷系数最大这一原则去选取，这一中间压力pm又称最佳中间压力。确定最佳中间压力pm常用的方法有公式法和图解法。 • 1）公式法 • 常用的公式法有比例中项公式法和拉塞经验公式法两种 。 • 双级蒸气压缩式制冷循环

29. 双级循环热力学计算 ①比例中项公式法 按压力的比例中项确定中间压力 pm=√po*pk 式中Pm ,Po和Pk分别为中间压力、蒸发压力和冷凝压力,单位MPa。 按式求出的中间压力和制冷循环的最佳中间压力有一定的偏差。但公式很简单，可用于初步估算。 按温度的比例中项确定中间压力 Tm=√To*Tk 式中Tm ,To和Tk分别为中间温度，蒸发温度和冷凝温度,单位均为K。

30. 双级循环热力学计算 ②拉塞经验公式法 • 对于两级氨制冷循环，拉赛(A.Rasi)提出了较为简单的最佳中间温度计算式： • tm=0.4tk+ 0.6to+3 • 式中，tm , tk和to分别表示中间温度，冷凝温度和蒸发温度，单位均为℃。 • 上式不只适用于氨，在－40～40℃温度范围内，对于R12也能得到满意的结果。

31. 双级循环热力学计算 2）图解法 ①根据确定的蒸发压力p0和冷凝压力pk， ②在pm（tm）值的上下，按一定间隔选取若干个中间温度tm值。 ③根据给定的工况和选取的各个中间温度tm分别画出双级缩循环的lgp-h图，确定循环的各状态点的参数，计算出相应的制冷系数。 ④绘制  =f（tm）曲线，找到制冷系数最大值  max，由该点对应的中间温度tm 。

32. 双级循环热力学计算 （2）既定压缩机时中间压力的确定 已经选定压缩机好，此时高、低压级的容积比已确定，即值一定，这时可采用容积比插入法求出中间压力 。

33. 双级循环热力学计算 1、冷凝温度：tk=th+Δtk 2、蒸发温度：to=tl-Δto 3、中间温度：上述分析。 4、低压级吸气温度：R717，查表选取；氟利昂吸气温度取15℃。 5、高压级吸气温度：R717高压级压缩机的吸气状态为中间压力下的干饱和蒸汽。氟里昂制冷剂，其高压级吸气温度取15℃，吸气状态为中间压力下的过热蒸汽。 6、节流前液体的温度：制冷剂液体经中间冷却器盘管冷却后的出液温度比中间温度高3一7℃，一般R717取小值，氟里昂取大值。对于氟里昂双级制冷系统，还考虑采用回热器，其过冷度由回热器的热平衡关系式求得。

34. 双级循环热力学计算 单位质量制冷量为： q0=h1-h8 低压级的理论比功为： w0d=h2-h1 低压级制冷剂的质量流量qmd为：qmd = Q0/q0=Q0/（h1-h8） 低压级压缩机的理论功率为P0d= qmd * w0d= Q0*（h2-h1 ）*（h1-h8 ）

35. 双级循环热力学计算 在二级压缩制冷循环中，制取冷量的都是低压部分的蒸发过程，其单位制冷量： q0=h1-h4 低压压缩机的单位理论功： wd=h2-h1 当制冷机的冷负荷为Q0时，低压级制冷剂循环量： qmd = Q0/q0=Q0/（h1-h8）

36. 双级循环热力学计算 低压压缩机消耗的理论功率： P0d=P0d= qmd * w0d = Q0*（h2-h1 ）*（h1-h8 ） 对于中间完全冷却的两级循环： qmgh9+qmdh2=qmgh3+qmdh4 qmg =qmd(h2-h4) /( h3- h9)

37. 双级循环热力学计算 高压压缩机的单位理论功为： wg=h7-h3 由此可得高压压缩机的理论功率： P0g= qmg * w0g = Q0*[(h2-h7)*(h4-h3)]/[(h3-h5)*(h1-h8)] 根据制冷系数的定义，两级压缩制冷循环的理论制冷系数为 ε= Q0/（P0g + P0d） =[(h3-h5)*(h1-h8)]/[(h3-h5)*(h2-h1)]+[(h2-h7)*(h4-h3)]

38. 双级循环热力学计算 低压压缩机消耗的理论功率： P0d=P0d= qmd * w0d = Q0*（h2-h1 ）*（h1-h8 ） 对于中间完全冷却的两级循环： qmgh9+qmdh2=qmgh3+qmdh4 qmg =qmd(h2-h4) /( h3- h9)

39. 单效溴化锂吸收式制冷循环的热力计算 热力计算目的与原则； 循环工作参数确定：工作蒸汽参数、冷媒水进出口温度、冷却水进出口温度、冷凝温度、蒸发温度、吸收器内溶液的最低温度、溶液浓度、发生器内溶液最高温度、浓溶液出换热器温度； 溶液循环倍率及热力计算：单位热负荷、设备热负荷、热平衡、热力系数。

40. 溴化锂吸收式制冷机的热力分析 已知参数 （a）制冷量Q0 （b）冷媒水出口温度tx。 对于溴化锂吸收式制冷机组，因为用水作为制冷剂，因此一般tx’大于5℃。 （c）冷却水进口温度tw’根据当地的自然条件决定。 （d）加热热源温度，采用0.1～0.25MPa的饱和蒸汽或75℃以上的热水作为热源比较合理。 动画演示

41. 设计参数的选定 吸收器出口水温tw1和冷凝器出口水温tw2；总温升一般取7～9℃； 冷凝温度tk和冷凝压力pk冷凝温度一般较冷却水出口温度高2～5 ℃； 蒸发温度t0及蒸发压力p0蒸发温度一般较冷媒水出口温度tx’低2～4 ℃ 吸收器内稀溶液的最低温度t2 t2一般比冷却水出口温度3～5℃； 吸收器压力pa流经挡板时有阻力损失。 稀溶液浓度ξa 根据pa和t2，由溴化锂溶液的h－ξ图确定；

42. 设计参数的选定 浓溶液浓度ξr 为保证循环的经济性和安全运行，希望放气范围(ξr－ξa)在(0.03～0.06)之间。 发生器内溶液的最高温度t4 溶液热交换器出口温度t7与t8，为了浓防止结晶，t8应比ξr所对应的结晶温度高10℃以上，因此冷端温差取(15～25) ℃。 忽略溶液与环境的热交换，稀溶液的出口温度t7根据溶液热交换器的热平衡式取定。

43. 强化传热与传质过程 添加能量增强剂;(减小溴化锂溶液的表面张力;降低溴化锂溶液的水蒸汽分压力,强化传质过程;在铜管表面形成液膜,使凝结过程近似为珠状凝结.) 减小冷剂蒸汽的流动阻力; 提高换热器管内工作介质的流速;(冷却水和冷媒水:1.5~3m/s;加热蒸汽:15~30m/s;溶液:>0.3m/s) 传热管表面进行脱脂和防腐处理; 改进喷嘴结构,改善喷淋液的雾化情况; 提高冷却水和冷媒水的水质,减少污垢热阻; 采用强化传热管; 合理的调节喷淋密度.

44. 采取适当的防腐措施 溴化锂溶液在有空气存在的情况下,对一般金属有强烈的腐蚀性,因此要及时抽除不凝性气体并严格防止空气的漏入; 采用耐腐蚀的材料; 增加缓蚀剂(0.1%~0.3%铬酸锂和适量的氢氧化锂,使溶液的pH=9.5~10.5).

45. 溴化锂吸收式制冷机冷量的调节及其安全保护措施溴化锂吸收式制冷机冷量的调节及其安全保护措施 冷量的调节 加热蒸汽量调节法 加热蒸汽压力调节法 加热蒸汽凝结水量调节法 冷却水量调节法 溶液循环量调节法 溶液循环量与蒸汽量组合调节法 溶液循环量与加热蒸汽凝结水量组合调节法

46. 溴化锂吸收式制冷机冷量的调节及其安全保护措施溴化锂吸收式制冷机冷量的调节及其安全保护措施 各种措施 防溶液 结晶 屏蔽泵 保护 防止破坏 安全保护 冷媒水 冷剂水 冻结 冷剂水 污染

47. 防止溴化锂溶液结晶的措施 设置自动溶晶管; 在发生器出口浓溶液管道上设温度继电器; 在蒸发器中设置液位控制器,使冷剂水旁通到吸收器中; 装设溶液泵和蒸发器泵延时继电器; 加设手动的冷剂水旁通管. 直燃机组动画

48. 预防蒸发器中冷媒水或冷剂水冻结的措施 在外界负荷突然降低或冷媒水泵发生故障的时候，会使蒸发器中冷剂水或冷媒水温度下降，严重时会冻裂水管。 措施：在冷剂水管道上装设温度继电器，在冷媒水管道上装设压力继电器或压差继电器。

49. 1 2 3 在蒸发器和吸收器中装设液位控制器 在屏蔽泵电路中装设过负荷继电器 在屏蔽泵出口管道上装设温度继电器 屏蔽泵的保护

50. 预防冷剂水污染的措施 当冷却水温度太低，由于冷凝压力过低，可能使得发生过程剧烈进行，有可能将溴化锂溶液溅入冷凝器中，污染冷剂水。 预防措施：在冷却水进口处装设水量调节阀，用以控制冷却水流量。