制冷技术与热泵技术.doc
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1、全国注册公用设备工程师执业资格考辅导制冷技术与热泵技术 制冷技术是使某一空间或物体的温度降到低于周边环境温度,并保持在规定低温状态的一门科学技术,它随着人们对低温条件的规定和社会生产力的提高而不断发展。 液体转变为气体,固体转变为液体,固体转变为气体都要吸取潜热.4.1.1、蒸气压缩式制冷的工作原理 人工制冷有多种方法,目前重要是使用工作物质(制冷工质)状态变化时吸热和放热的特性来实现制冷。 任何液体在沸腾过程中将要吸取热量,液体的沸腾温度(即饱和温度)和吸热量随液体所处的压力而变化,压力越低,沸腾温度也越低。并且不同液体的饱和压力、沸腾温度和吸热量也各不相同。 例:1 个大气压(0.1M P
2、a)下 制冷工质 沸点 () 气化潜热 r (kJ / kg) 水 100 2256 氨(R717) -33.4 1368 R22 -40.8 375 只要根据所用制冷液体(称制冷剂)的热力性质,发明一定的压力条件,就可以在一定范围内获得所规定的低温。 要实现制冷循环必须要有一定的设备,并且要以消耗能量作为补偿。 蒸气压缩式制冷循环就是用压缩机等设备,以消耗机械功作为补偿,对制冷剂的状态进行循环变化,从而使用冷场合获得连续和稳定的冷量及低温。a. 低压管道 保温b. 工质状态 过热蒸气 饱和液 湿蒸气4.1.2.图表1.T-S图2.压-焓图(lgP-h图) 4.1.3、 抱负制冷循环逆卡诺循环
3、 研究蒸气压缩式制冷循环的重要目的,是为了分析影响制冷循环的各种因素,寻求节省制冷能耗的途径。 逆卡诺循环是使工质(制冷剂)在吸取低温热源的热量后通过制冷装置,并以外功作补偿,然后流向高温热源。逆向循环是一种消耗功的循环,制冷循环就是按逆向循环进行的,在温熵或压焓图上,循环的各个过程都是依次按逆时针方向变化的。1.逆卡诺循环设备示意图逆卡诺循环在T-S图上的表达 2.实现逆卡诺循环必须具有的条件:(1)高、低温热源温度恒定;(2)工质在冷凝器和蒸发器中与外界热源之间无传热温差;(3)工质流经各个设备时无内部不可逆损失;制冷系数 制冷循环常用制冷系数表达它的循环经济性能,制冷系数等于单位耗功量所
4、制得的冷量。 对于逆卡诺循环而言: 假如考虑冷凝器和蒸发器的传热温差分别为Tk和T0时,则4.1.4、蒸气压缩式制冷理论循环及热力计算 1.蒸气压缩式制冷理论循环 理论制冷循环不同于逆卡诺循环之处是: a.制冷剂在冷凝器和蒸发器中按等压过程循环,并且具有传热温差; b.制冷剂用膨胀阀绝热节流,而不是用膨胀机绝热膨胀; c.压缩机吸入饱和蒸气而不是湿蒸气。 用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失:不仅增长了制冷循环的耗功量,还损失了制冷量。这两部分损失必然使制冷系数和热力完善度有所下降。 用干压缩代替湿压缩后的过热损失: (1).用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失制冷剂绝热膨胀作功量:we = h3h4制冷
5、剂通过膨胀阀损失的冷量:q01 = h4h4绝热节流前后焓值不变,即h3 = h4;we = q01节流损失:制冷剂干度,液体含量,制冷能力。(T0Tk)或者制冷剂液态比热,则节流损失;反之。制冷剂节流后的干度增长还与它的潜热有关。用膨胀阀代替膨胀机后,增长了we,损失了q01,制冷系数和热力完善度下降。(2).用干压缩代替湿压缩后的饱和损失 在制冷压缩机的实际运营中,若吸入湿蒸气,会引起液击,并占有气缸容积,使吸气量减少,制冷量下降。 饱和损失不仅与制冷循环工况有关,还与制冷剂的物理性质也有关。 2.理论循环的热力计算 制冷剂在蒸发器中的单位质量制冷量:q0 = h1h4 kJ/kg压缩机的
6、单位质量绝热压缩耗功量: w = h2h1 kJ/kg制冷剂在冷凝器中的单位质量放热量:qk = h2h3 kJ/kg节流前、后焓值不变h3 = h4,则qk = q0 + w 制冷剂单位容积制冷量: kJ/m3若已知总制冷量为Q0kW,则制冷剂质量循环量: kg/s压缩机的吸气体积流量: m3/s 冷凝器的热负荷:Qk = Mrqk kW压缩机的理论耗功量:N = Mrw kW 理论制冷系数: 3.蒸气压缩式制冷循环改善1.膨胀阀前液体过冷(1)液体过冷对制冷循环的影响 液体过冷会增长q,且随着过冷温度的减少,q会增长; 同时并不增长w,因此制冷系数增长。 在实际应用中,按逆流方式传热或增长
7、冷凝器传热面积,可达成一定的过冷度。 (2)回热循环 回热制冷循环的制冷剂液体过冷和吸气过热,是运用流出蒸发器的低温饱和蒸气与流出冷凝器的饱和液体通过热互换器的传热过程而产生的。 回热循环特别合用于增长吸气过热度能提高其循环制冷系数、以及绝热指数较小,绝热压缩后排气温度较低的制冷剂,如R12(K = 1.136)、R502。 R22采用回热循环是制冷系数减少不多,但保证干压缩和热力膨胀阀稳定工作。 对氨(K = 1.310)、R11等,由于提高过热度后会减少其制冷系数,所以不采用回热循环。 (2).带膨胀机的制冷循环(3).带有经济器的螺杆式压缩制冷循环(4).带有经济器的离心式压缩制冷循环4
8、.1.5.双级蒸气压缩制冷循环蒸发温度减少对单级制冷循环的影响:1节流损失增长,制冷系数下降。2压缩机的排气温度上升。3压缩机运营时的压力比增大,容积效率下降。 1、一次节流、完全中间冷却的双级压缩制冷循环循环过程 它与单级压缩制冷循环流程的重要区别是大部分制冷剂必须在高、低压级两只气缸中进行压缩,还增设了中间冷却器和膨胀阀。 假如已知一次节流、完全中间冷却的双级压缩制冷循环所需要的制冷量、冷凝温度和蒸发温度,则该循环的热力计算环节和公式如下: MPa t7 = t6 + t kg/sMr1 ( h2 h3 ) +Mr1 ( h5 h7 ) = Mr2 ( h3 h6 ) 2、一次节流、不完全
9、中间冷却的双级压缩制冷循环Mr1 ( h3 h6 ) = Mr2 ( h5 h7 ) kJ/sMr2h2 Mr1h3 = (Mr1 Mr2 )h3 = Mrh3 4.1.6、热泵 空气源热泵冷热水机组在选型时应注意以下几点: (1)空气源热泵机组冬季运营时,室外换热器温度低于O时,其表面会结霜,明显减少机组效率,严重时会堵塞盘管,为此必须除霜。 (2) 应考虑机组噪声对周边建筑环境影响。 (3) 在冬季寒冷且潮湿的地区,需连续运营或对室内温度有较高规定的空调系统,应按本地平衡点温度(即空气源热泵供热量等于建筑耗热量时的室外计算温度)拟定机组的容量和辅助加热的容量,以避免机组选择过大,导致初投资
10、增长,运营效率减少。 (4) 机组选型时,应考虑机组使用的制冷剂种类是否符合国家当前环保的规定。 热泵供热系数为: 热泵供热系数=制得的热量/耗功量 = COP+ 1 公式表达,热泵系数恒大于1,这说明热泵装置在高温热源的放热量始终大于耗功量。 空气源热泵冷热水机组冬季的制热量,应根据室外空调计算温度修正系数和化霜修正系数进行修正。4.2制冷剂和载冷剂 制冷剂又称制冷工质,它是在制冷系统中完毕制冷循环的工作介质。 制冷剂在蒸发器内气化吸取被冷却介质的热量而制冷,又在冷凝器中把热量放给周边介质,重新成为液态制冷剂,不断进行制冷循环。4.2.1、制冷剂的种类 1无机化合物氨和水是当前常用的制冷剂。
11、2氟利昂 CFC:含氯而无氢的氟化碳;会破坏同温层中的臭氧。 HCFC:含氢、氯的氟化碳; HFC:含氢而无氯的氟化碳。 3混合物制冷剂(1)共沸溶液 共沸溶液制冷剂是由两种或两种以上不同的制冷剂按一定比例互相溶解而成的混合物。 它和单一化合物同样,在一定压力下蒸发温度一定。常用的有R500、R502等。 (2)非共沸溶液4.1.2、对制冷剂的规定1.热力学性质方面(1)冷凝压力不太高,蒸发压力不低于大气压力;冷凝压力和蒸发压力之比不要过大;(2)单位容积制冷量要大; (3)临界温度要高;(4)凝固温度要低;(5)气化潜热要大; (6)绝热指数要低;3.制冷剂的安全及环境特性指标 (1)、无害
12、,不燃烧和爆炸; (2)、 破坏臭氧(03) 潜值ODP的大小表达该制冷剂破坏大气03分子潜能的限度,即对大气03层破坏的大小。 (3)、全球变暖潜值GWP,GWP是衡量制冷剂对全球气候变暖影响限度大小的指标值。 (4)、大气寿命是指制冷剂排放到大气中,一直到分解前的时间,也就是制冷剂在大气中存留的时间。制冷剂寿命长,说明其潜在的破坏作用大。 4.2.3、氯氟碳化合物的禁用及其对策 1. 蒙特利尔议定书及其修正案 氯氟碳化合物是氟利昂族中的一大类,即含氯而无氢的氟利昂,它们会破坏同温层中的臭氧。 1985年和1987年缔结了保护03层维也纳公约和关于消耗03层物质的蒙特利尔议定书. 议定书缔约
13、方大会又先后通过了伦敦修正案(1990年)、哥本哈根修正案(1993年)、蒙特利尔修正案(1997年)和北京修正案(1999年)。这些修正案对议定书所列消耗03层物质(Ozone Deleting Substanceo简称ODS)的种类、消耗量基准和禁用时间等做了进一步的调整和限制。 (1)蒙特利尔议定书及伦敦修正案重要规定了逐步削减与禁用CFC和哈龙(即BCFC)两类物质的规定和时间表,对HCFC类物质、没有提出相应的限制。 (2)1993年的哥本哈根修正案第一次将HCFC类物质纳入受控物质清单,并规定了逐步削减与禁用时间表,其内容如下: 1) 对CFC(含BCFC)涉及CFC一11、CFC
14、一12、CFC一113、CFC一114、CFC-115等氯氟化碳类物质等,规定发达国家从1996年1月1日起完全停止生产与消费;发展中国家(CFC年人均消耗量小于0.3kg)最后停用日期为2023年1月1日。 2). 对HCFC涉及HCFC一22、HCFC一123、HCFC一142b等。发达国家从1996年开始冻结生产量,2023年开始削减,2030年完全停业使用;发展中国家从2023年开始冻结生产量,2040年完全禁用。3)1997年的蒙特利尔修正案则更进一步地将上述HCFC的禁用时间提前,发达国家从2030年提前到2023年,发展中国家从2040年提前到2030年。4)1999年的北京修正
15、案规定对HCFCs, 允许所有国家其冻结后可以继续生产其冻结水平的15,以满足国内基本需求。2.温室效应及京都议定书 CFC的排放会加剧地球的温室效应,CFC是产生温室效应的气体,使地球的平均气温升高,海平面上升,土地沙漠化加速,危害生物,破坏生态平衡。在目前估计的气温变暖的因素中,20-25是CFC类物质作用的结果。CFCs的禁用及替代物的使用,不仅要考虑ODP值,并且应考虑到GWP值,即对温室效应的影响。 1997年12月联合国气候变化框架公约缔约国第三次会议在日本东京都召开,会议通过了京都议定书。 议定书拟定C02、HFCs等6种气体为受管制的温室气体,并将限制上述温室气体排放总量。规定
16、各国减少其能源需求,调整能源结构等技术措施,减少其温室气体排放总水平。 CFCs及HCFCs的长期替代物HFCs制冷剂的排放、生产和使用将会受到限制,因此,HFCs物质作为永久性替代制冷剂问题,国际上尚存着不同见解。 我国于2023年9月正式核准京都议定书,并承担相应的国际义务。 在寻求CFC替代剂的同时,可以采用一些措施,如提高制冷系统的密封性,减少机器故障,回收制冷剂等,以减少CFC向大气的扩散。 从国际制冷学会最近汇总的调查结果表白,如采用各种措施,有也许减少3050的CFC的扩散。 4.2.4、常用制冷剂的性质1氨(R717):中温制冷剂 单位容积制冷量大; 与水可以任何比例互相溶解,
17、但对铜及铜合金有腐蚀作用; 难溶于润滑油,密度比润滑油小; 氨蒸气无色,有强烈的刺激性臭味,会引起中毒,有可燃和爆炸的危险性; 绝热指数高,排气温度也较高; 容易获得,价格便宜 。2氟利昂 性能随其所含的氟、氯、氢的原子数不同而变化,很难与水溶解,会产生冰塞现象,对金属有腐蚀作用 ,氟利昂和润滑油的溶解性与制冷剂的种类、润滑油的成分及其温度有关:a难溶:R13,R14,R115,有明显的分层;b有限溶解:R22,R114,R152,R502,高温时无限溶解,低温时分离成两层;c完全溶解:R11,R12,R113,R500,形成均匀溶液。 优点: 无毒,不燃烧,对金属不腐蚀;绝热指数小,因而排气
18、温度低;具有较大分子量,合用于离心式制冷压缩机。缺陷: 部分制冷剂单位容积制冷量较小,因而循环量大;密度大,流动阻力较大;吸水性能差,价格较高,极易渗漏又不易被发现。 (1)氟利昂22(CHF2Cl) R22的热力性能与氨相近。在标准大气压下,R22的标准气化温度为40.8(),通常冷凝压力不超过1.6(MPa)。在常温下,其冷凝压力和单位容积制冷量与氨差不多。 R22不燃、不爆、使用比氨安全可靠。 水在R22液体中的溶解度比R12大,R22可以部分地与润滑油互相溶解,但在低温制冷系统仍然也许产生“冰塞”或集油。因此在制冷系统中必须安装过滤干燥器和分油器。 R22与润滑油能有限溶解,其溶解度亦
19、随着温度的变化而变化。 R22已广泛应用于中、小型空气调节和冷藏制冷装置中。 (2) R134a (CH2FCF3) R134a的热力性质与R12相近,毒性与R12相同, R134a的ODP=0;GWP=1300,比R22(1700)小。 R134a的气、液体的导热系数高于R12,因此在蒸发器和冷凝器中的放热系数比R12约分别高3540和2535。 常规制冷剂大都使用矿物性润滑油,但R134a与矿物油不相溶,必须使用PAG(Polyolkene Glycol-聚乙二醇)醇类合成润滑油、POE(PolyoeEster-多元醇酯)酯类合成润滑油和改性POE油(在原POE油中添加了抗磨剂)。 R13
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