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文檔簡介
制冷基本原理第一頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二ShenzhenMcQuayTC2制冷基本原理一、基本定律和概念:
1.溫度:表示物體冷熱程度的物理量
。
T(℃)=T(K)-273.15
tF=1.8t℃+32(t為攝氏溫度數,T為華氏溫度數)
最冷的—273.15℃(絕對零度)到最熱的5.1億℃約比太陽中心熱30倍。
2.壓力:單位面積上所受到的垂直作用力(即壓強)。
1Pa=1N/m2
1MPa=10.2kN/cm2=10bar=9.8大氣壓
1bar=1.0197kg/cm2=0.987大氣壓;
1大氣壓=0.101325MPa=1.0333kg/cm2=1.0133bar;
1mmHg=133.33Pa
表壓=絕對壓力-大氣壓力
真空度=大氣壓力-絕對壓力
3.比容:單位質量的物質所占有的容積稱為比容。用小寫的字母ν表示,
即:ν=V/mm3/kg
式中m——物質的質量,kg;
V——物質所占有的容積,m3。
比容的倒數,即單位容積的物質所具有的質量,稱為密度,用符號“ρ”,單位為kg/m3。
4.比熱:單位質量物質升高1℃吸收的熱量,單位:kJ/(kg.℃)5.熱力學第0定律:
與第三個系統(tǒng)處于
熱平衡狀態(tài)的兩個
系統(tǒng)之間,必定處
于熱平衡狀態(tài)。
第二頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二ShenzhenMcQuayTC3制冷基本原理
6.熱力學第一定律:即能量守恒定律
W+Q=ΔU
其中:
W:外界對物體做的正功(J)
Q:物體吸收的熱量(J)
ΔU:增加的內能(J)
7.熱力學第二定律:
熱不可能自發(fā)地、不
付代價地從低溫物體
傳至高溫物體。
QH=QL+E8.焓:
焓是一個復合的狀態(tài)參數,是表征系統(tǒng)中所有的總能量。工質在某一狀態(tài)下的總能量等于其內能U與推動功PV之和。
H=U+pV(kJ
)
比焓:1kg工質的焓稱為比焓。用符號h表示,單位是kJ/kg
h=U+pV(kJ/kg)
U---內能(kJ/kg)
p---壓力(kPa)
V---比體積(m3/kg)9.熵:熵是一個導出的狀態(tài)參數,是表示工質狀態(tài)變化時,其熱量傳遞的程度。對1kg工質而言,用符號S表示,單位為kJ/(kg.K)S=Q/T[kJ/(kg.k)]
Q---1kg物質所獲得的熱量(kJ/kg)
T---物質獲得熱量時的熱力學溫度(K)
絕熱、可逆的壓縮或膨脹過程為等熵過程。第三頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二ShenzhenMcQuayTC4制冷基本原理11、制冷、制熱(熱泵):
用人工的方法將低溫區(qū)的熱量移送到高溫區(qū),若轉移熱量是為獲得低于環(huán)境的溫度或滿足某種低溫需要,此種方法稱為“制冷”;若是為了將低溫區(qū)無用的熱量移送到高溫區(qū)成為有用的熱量,此種方法稱為“熱泵”。10、對于一個由制冷機及其環(huán)境(包括被冷卻物體及冷卻介質)所構成的孤立系統(tǒng),當其中進行的過程完全可逆時系統(tǒng)的熵保持不變。若過程不可逆,則系統(tǒng)的熵要增大。12、用來實現自低溫區(qū)向高溫區(qū)傳遞熱量的主要方法:
A、熱力循環(huán)法:通過一個熱力循環(huán)系統(tǒng)把低溫熱源的熱量傳遞到高溫熱源。
B、化學法。
C、半導體法。13、目前熱力循環(huán)法最成熟,應用最普遍。而在熱力循環(huán)法制冷與熱泵中,可分為系統(tǒng)中工質發(fā)生相變與工質不發(fā)生相變兩類,前者熱效率高。第四頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二lgp0h1、壓焓圖ShenzhenMcQuayTC5制冷基本原理456二、制冷劑狀態(tài)分析工具11.等壓線22.等焓線33.等溫線4.等熵線5.等容線6.等干度線第五頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二TS0ShenzhenMcQuayTC6制冷基本原理3412562、溫熵圖:3.等溫線2.等焓線1.等溫線4.等熵線5.等容線6.等干度線第六頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二ShenzhenMcQuayTC7制冷基本原理三、熱力循環(huán)及壓焓圖(lgp–h圖)單級理論循環(huán)組成:
1.壓縮機
2.冷凝器
3.節(jié)流裝置
4.蒸發(fā)器
1234單級理論循環(huán)、多級理論循環(huán)第七頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二ShenzhenMcQuayTC8制冷基本原理空調四大部件:1.壓縮機;2.冷凝器;3.節(jié)流裝置;4.蒸發(fā)器
作用:1234壓縮機:壓縮系統(tǒng)中的氣態(tài)工質(制冷劑);為系統(tǒng)的循環(huán)提供動力;對循環(huán)系統(tǒng)內作功的部件。冷凝器:將壓縮機排出的高溫高壓蒸氣的熱量導走,使之冷凝成液態(tài)工質。節(jié)流裝置:節(jié)流、降壓、降溫。
節(jié)流裝置必須具有隨時自動調節(jié)工質流量的能力。蒸發(fā)器:將被冷卻對象的熱量傳遞給循環(huán)工質,使工質液體蒸發(fā)成蒸氣返回壓縮機。蒸發(fā)器的性能直接影響到制冷機和熱泵的性能。第八頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二ShenzhenMcQuayTC9制冷基本原理壓焓圖(lgp–h圖)
的構成1234lgph0A壓焓圖(lgp–h圖)
的構成:
壓焓圖是以焓(h)值作為橫坐標,以絕對壓力(p)為縱坐標所組成的直角坐標系。為了方便起見,便于圖型的展開,避免圖下部分線條過分擁擠,所以縱坐標又以對數lgp標度排列。
X=0為飽和液體線;x=1為干飽和蒸氣線;X=0與x=1兩條線若向上延長將交于一點,A點為臨界點,臨界點存在于理想狀態(tài),實際上不可能存在。一般不表示出來。X=0X=1ⅠⅡⅢ第九頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二ShenzhenMcQuayTC10制冷基本原理lgph0AX=0與x=1兩條線將整個直角坐標平面分成了3個區(qū)域:
①:X=0左邊為過冷液態(tài)區(qū);
②:X=0為飽和液體;
③:X=0與X=1之間為濕飽和蒸氣區(qū)(氣液共存區(qū));由X=0向X=1移動時,則干度x也相應增加,即氣體成分越來越多;
④:X=1為干飽和氣體;
⑤:X=1的右邊為過熱蒸氣區(qū)。X=0X=1ⅠⅡⅢ壓焓圖lgp–h
的構成:在X=0與x=1以及兩者之間,均為飽和狀態(tài),此時制冷劑的溫度線與壓力線重合。因此,在飽和狀態(tài)時,制冷劑確定一個壓力,便有一個并且有一個溫度與之相對應。
第十頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二ShenzhenMcQuayTC11制冷基本原理用lgp–h圖來分析單級理論循環(huán)的單一工質變化狀態(tài)1234對于最簡單的理論循環(huán)(或稱簡單的飽和循環(huán)):
1點----蒸發(fā)器出口點、壓縮機吸氣口點;
2點----壓縮機排氣口點、冷凝器入口點;
3點----冷凝器出口點、節(jié)流裝置入口點;
4點----節(jié)流裝置出口點、蒸發(fā)器入口點;232’h4h1h2lgphq0w0pkp0qk041第十一頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二各狀態(tài)點敘述:
1點----蒸發(fā)器出口點、壓縮機吸氣口點
它是對應于蒸發(fā)溫度t0的飽和蒸氣。
根據壓力與飽各溫度的對應關系,
該點位于p0的等壓線與飽和蒸氣線(χ=1)的
交點上。2342‘1h4h1h2phq0w0pkp0qkShenzhenMcQuayTC12制冷基本原理第十二頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二各狀態(tài)點敘述:
2點----壓縮機排氣口點、冷凝器入口也就是進冷凝器時的狀態(tài)點。
該點可通過1點的等熵線和冷凝壓力為pk的等壓線的交點來確定。
由于壓縮過程中外界對制冷劑作功,制冷劑溫度升高,因此點2表示過熱蒸氣狀態(tài)。2342‘1h4h1h2phq0w0pkp0qkShenzhenMcQuayTC13制冷基本原理第十三頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二
各狀態(tài)點敘述:
3點----冷凝器出口、節(jié)流裝置
入口點
它是對應于冷凝溫度tk的飽和液體。
根據壓力與飽各溫度的對應關系,
該點位于冷凝壓力pk
的等壓線與飽和濕蒸氣線
(χ=0)的交點上。2342‘1h4h1h2phq0w0pkp0qkShenzhenMcQuayTC14制冷基本原理第十四頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二
各狀態(tài)點敘述:
4點----節(jié)流裝置出口點、蒸發(fā)
器入口點
由于節(jié)流過程為等焓過程,所以該點處于點3的等焓線
與蒸發(fā)壓力p0
的等壓線的交點上。
2342‘1h4h1h2phq0w0pkp0qkShenzhenMcQuayTC15制冷基本原理第十五頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二ShenzhenMcQuayTC16制冷基本原理單級理論循環(huán)的單一工質在壓焓圖各段的狀態(tài)2342’1h4h1h2lgphq0w0pkp0qk0單級理論循環(huán)假設了:
1、壓縮過程等熵過程;
2、除兩個熱交換器外,其余各部分絕熱;
3、在冷凝與蒸發(fā)過程中與兩恒溫熱源間無傳熱溫差且冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都是定值。
4、離開蒸發(fā)器和進入壓縮機的工質為蒸發(fā)壓力下的飽和蒸氣,離開冷凝器和進入節(jié)流裝置的液體為冷凝壓務下的飽和液體。
5、工質流動中無壓力損失。第十六頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二ShenzhenMcQuayTC17制冷基本原理單級理論循環(huán)的單一工質在壓焓圖各段的狀態(tài)2342’1h4h1h2lgphq0w0pkp0qk01-2段:等熵壓縮過程。
制冷劑:由低溫、低壓、飽和蒸氣向高溫、高壓、過熱蒸氣轉變。
其2點的溫度就是壓縮機排氣溫度。這兩點(1、2)的焓差是壓縮機作功大小的主要參數值。因此,盡量減少這兩點的距離才能節(jié)約能源。若蒸發(fā)溫度不變時,盡量降低冷凝壓力就可以減少功耗。W0=h2-h1
第十七頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二ShenzhenMcQuayTC18制冷基本原理單級理論循環(huán)的單一工質在壓焓圖各段的狀態(tài)2342’1h4h1h2lgphq0w0pkp0qk02-2’段:等壓放熱過程。
制冷劑:高壓(冷凝壓力pk
)條件下,制冷劑氣體放出顯熱,由排氣溫度t2降至冷凝溫度tk,溫度下降,相態(tài)沒變,仍為氣態(tài)。
(相對高溫、高壓、過熱蒸氣變到飽和蒸氣)
第十八頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二ShenzhenMcQuayTC19制冷基本原理單級理論循環(huán)的單一工質在壓焓圖各段的狀態(tài)2342’1h4h1h2lgphq0w0pkp0qk02’-3段:等壓放熱過程。
制冷劑:
高壓(冷凝壓力pk
)條件下,制冷劑放出潛熱而氣態(tài)液化成液態(tài),但溫度沒變,仍為冷凝溫度tk,相態(tài)改變,由飽和氣體->氣液共存->飽和液體,干度從x=1到x=0逐漸變小。
第十九頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二ShenzhenMcQuayTC20制冷基本原理單級理論循環(huán)的單一工質在壓焓圖各段的狀態(tài)2342’1h4h1h2lgphq0w0pkp0qk03-4段:等焓節(jié)流過程。
制冷劑:高壓、高溫飽和液體變成低壓低溫氣液共存。
制冷劑通過節(jié)流裝置,由高壓pk
降至低壓p0,
溫度由冷凝溫度tk降至蒸
發(fā)溫度t0,狀態(tài)由飽和液體
變?yōu)闅庖汗泊鏍顟B(tài)(濕蒸
氣狀態(tài))。
第二十頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二ShenzhenMcQuayTC21制冷基本原理單級理論循環(huán)的單一工質在壓焓圖各段的狀態(tài)2342’1h4h1h2lgphq0w0pkp0qk04-1段:等溫等壓吸熱氣化過程。
制冷劑:低壓低溫氣液共存變成低壓低溫飽和蒸氣。
壓力p0為蒸發(fā)壓力,溫度t0稱蒸發(fā)溫度。4-1區(qū)間,p0與t0相對應,兩點間焓差q0的大小是決定制冷量多少的重要參數值。因此,在不影響要求的條件下,盡量提高蒸發(fā)溫度以提高制冷量。第二十一頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二
根據熱力學第一定律,如果忽略位能和動能的變化,穩(wěn)定流動的能量方程可表示為
Q+W=qm(h2-h1)
Q
------單位時間內系統(tǒng)從外界吸取的熱量;
W------單位時間內外界對系統(tǒng)作的功;
qm是流進或流出該系統(tǒng)的穩(wěn)定質量流量;
h是比焓
下標1和2分別表示流體流進和離開系統(tǒng)的狀態(tài)點.
2342‘1h4h1h2hq0w0pkp0qk四、單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計算ShenzhenMcQuayTC22制冷基本原理lgp0第二十二頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二理論循環(huán)的熱力計算
1.
節(jié)流閥
制冷劑液體通過節(jié)流孔口時絕熱膨脹,對外不作功,Q=0,W=0,
Q+W=qm(h2-h1)
故
W=0=qm(h4–h3)
h4=h32342’1h4h1h2hq0w0pkp0qklgp0ShenzhenMcQuayTC23制冷基本原理第二十三頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二理論循環(huán)的熱力計算
2.
壓縮機
如果忽略壓縮機與外界環(huán)境所交換的熱量
Q=0,
因Q+W=qm(h2-h1)
故
W=qm(h2-h1)
式中(h2-h1)表示壓縮機每壓縮并輸送1kg制冷劑所消耗的功,稱為理論比功,用w0表示。
2342’1h4h1h2hq0w0pkp0qkShenzhenMcQuayTC24制冷基本原理lgp0第二十四頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二理論循環(huán)的熱力計算
3.蒸發(fā)器
被冷卻物體通過蒸發(fā)器向制冷劑傳遞熱量Q0,因為蒸發(fā)器不作功,
W=0,Q+W=qm(h2-h1)
故
Q0=qm(h1–h4)=qm(h1–h3)
式中(h1–h4)稱為蒸發(fā)器單位熱負荷,用q0
表示。它表示1kg制冷劑蒸氣在蒸發(fā)器中吸收的熱量。
2342’1h4h1h2hq0w0pkp0qklgp0ShenzhenMcQuayTC25制冷基本原理當蒸發(fā)溫度T0不變而冷凝溫度Tk升高時,對于同一臺制冷機來說它的制冷量將要減小,而消耗的功率將要增大。第二十五頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二理論循環(huán)的熱力計算
4.冷凝器
假設制冷劑在冷凝器中外界放出熱量為Qk,因為冷凝器不作功,
W=0
Q+W=qm(h2-h1)
故
Qk=qm(h2–h3)
式中(h2–h3)稱為冷凝器單位熱負荷,用qk
表示。它表示1kg制冷劑蒸氣在冷凝器中放出的熱量。2342’1h4h1h2hq0w0pkp0qklgpShenzhenMcQuayTC26制冷基本原理0
當TK(冷凝溫度)不變而T0(蒸發(fā)溫度)降低時,制冷機的制冷量,制冷劑流量及制冷系數都是降低的,而壓縮機的功率是增大還是減小,與變化前后的壓比值有關。第二十六頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二理論循環(huán)的熱力計算
5.
制冷系數與供熱系數
按定義,理論循環(huán)中,制冷/供熱系數可用下式表示
2342’1h4h1h2hq0w0pkp0qklgpShenzhenMcQuayTC27制冷基本原理0第二十七頁,共三十一頁,編輯于2023年,星期二2342’1h4h1h2hq0w0pkp0qklgpShenzhenMcQuayTC28制冷基本原理0五.
實際制冷循環(huán)的壓焓圖1、吸氣過熱:理論循環(huán)是假設了壓縮機的吸氣為干蒸氣,即不會有液體進入壓縮機。
因環(huán)境條件的不斷變化、生產工藝不足等因素制約,實際運
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