1、,（二）热交换设备,制冷系统的热交换设备主要是冷凝器和蒸发器，它们是制冷剂与外部热源介质之间发生热交换的设备。, 冷凝器,用冷凝器将制冷剂从低温热源吸收的热量及压缩后增加的热焓排放到高温热源。,冷凝器按冷却方式,空气冷却式冷凝器中 根据管外空气流动方式,空气冷却式 水冷式 蒸发冷却式,自然对流空气冷却式冷凝器 强制对流空气冷却式冷凝器,图2-27 自然对流空气冷却式冷凝器,图2-28 空气强制对流冷凝器,1-肋片 2-传热管 3-上封板 4-左端板 5-进气集管 6-弯头 7-出液集管 8-下封板 9-前封板 10-通风机 11-装配螺钉,图2-29 氨卧式壳管式冷凝器,图2-30 氟利昂套管
2、式冷凝器,图2-31 蒸发式冷凝器结构原理,1-通风机 2-挡水栅 3-传热管组 4-水泵 5-滤网 6-补水阀 7-喷水嘴, 蒸发器,蒸发器是制冷机中的冷量输出设备。制冷剂在蒸发器中蒸发，吸收低温热源介质（水或空气）的热量，达到制冷的目的。,冷却空气的蒸发器,空气自然对流时 多采用光盘管结构空气强制对流时 采用翅片管结构,壳管式沉没式,冷却液体（水或其它液 体载冷剂）的蒸发器,图2-32 卧式满液式蒸发器结构,图2-33 干式壳管蒸发器,图2-34 空气强制对流的蒸发器及其肋片管型式 a) 蒸发器 b) 绕片管 c) 套片管 1-传热管 2-肋片 3-挡板 4-通风机 5-集气管 6-分液器
3、,第一节 制冷与低温原理的热工基础,1.1.1 制冷与低温原理的热力学基础,1.热力学第一定律,热力学能,热力学能和总能,工质的总储存能,内部储存能,外部储存能,热力学能,总能,若工质质量m，速度cf，重力场中高度z,宏观动能,重力位能,能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式,推动功,2.能量的传递和转化,3焓,进入系统的能量-离开系统的能量=系统中储存能量的增加(1-10),4.1 闭口系统的能量平衡,4热力学第一定律的基本能量方程式,工质从外界吸热Q后从状态1变化到2，对外作功W。若工质宏观动能和位能的变化忽略不计，则工质储存能的增加即为热力学能的增加U,(1-11),热力学第一定律的解
4、析式,工质流经换热器时和外界有热量交换而无功的交换，动能差和位能差也可忽略不计,1kg的工质吸热量,1kg工质动能的增加,工质流经喷管和扩压管时不对设备作功 ，热量交换可忽略不计,1.制冷循环的热力学分析,热力学循环,2.热力学第二定律,熵是热力学状态参数，是判别实际过程的方向，提供过程能否实现、是否可逆的判据。,可逆过程1-2的熵增,克劳修斯积分,p、T状态下的比熵定义为,(1-33),2.热源温度不变时的逆向可逆循环逆卡诺循环,（一）简单单级蒸气压缩式制冷的理论循环计算,单级理论循环是建立在以下一些假设的基础上的：,（1）压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中不存在任何不可逆损失,（2）在冷凝
5、器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值,（4）制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力损失，忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管外介质之间没有热交换,（5）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小，可以忽略不计，且与外界环境没有热交换,（3）离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体,图2-16理论循环在T-s图（a）和lnp-h图（b）上的表示,按照热力学第一定律，对于在控制容积中进行的状态变化存在如下关系：,（2-1）,这里，把自外界传入的功作为负
6、值。对上式积分可以得到整个过程的表达式 ：,（2-2）,按照式（2-1）和式（2-2），单级压缩蒸气制冷机循环的各个过程有如下关系：,q0称为单位制冷量，习惯上取为正值，在T-s图上用面积1-5-b-a-1代表，而在lg p-h图上则用线段5-1表示。,(2)冷凝过程： dw=0,dq=dh qk=h2-h4,（2-4）,(3) 节流过程：w=0 q=0,h=0h4=h5,（2-5）,（1）压缩过程: dq=0,因而,dw=dhw=h2-h1,（2-3）,（4）蒸发过程： dw=0因而,dq=dhq0=h1-h5=h1-h4,（2-6）,(2)单位容积制冷量qv,(2-8),(3)理论比功w0
7、,对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说，理论比功可表示为,(2-9),单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随制冷剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的。,(4)单位冷凝热qk,单位（1kg）制冷剂蒸气在冷凝器中放出的热量，称为单位冷凝热。单位冷凝热包括显热和潜热两部分,(2-10),比较式（2-6）、（2-9）和（2-10）可以看出，对于单级压缩式蒸气制冷机理论循环，存在着下列关系,(2-11),(5)制冷系数,对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，制冷系数为,(2-12),制冷系数愈大,经济性愈好,冷凝温度越高,制冷系数越小,蒸发温度越低,（二）液体过冷、气体过热及回热对理想循环性能的影响,上面所述的循
8、环，是单级压缩蒸气制冷机的基本循环，也是最简单的循环。在实用上，根据实际条件对循环往往要作一些改进，以便提高循环的热力完善度。在单级制冷机循环中，这一改进主要有液体过冷、吸气过热及由此而产生的回热循环。,将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温度的状态，称为过冷。,1. 液体过冷,带有过冷的循环，叫做过冷循环。,采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数都是有利的,图2-17 过冷循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示,(2-14),与无过冷的循环1-2-3-4-5-1相比，过冷循环的单位制冷量的增加量为,(2-15),2.吸入蒸气的过热,压缩机吸入前的制冷剂蒸气的温度高于吸气压力下制冷剂的饱和
9、温度时，称为过热。具有吸气过热的循环，称为过热循环。,图2-18示出了过热循环1-1-2-3-4-5-1的T-s图和lg p-h图。图中1-1是吸气的过热过程，其余与基本循环相同。,图2-18过热循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示,(2-16),(2-17),有效过热循环的制冷系数可表示为,(2-18),由制冷剂的T-s图我们可以得到，在过热区，过热度越大，其等熵线的斜率越大，根据式（2-17），得,（2-19）,图2-19有效过热的过热度对制冷系数的影响,表2-2过热度对排气温度的影响,(2-20),若不计回热器与环境空气之间的热交换，则液体过冷的热量等于使蒸气过热的热量，其热
10、平衡关系为,3.回热循环,利用回把热使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换，使液体过冷、蒸气过热，称之为回热。,图2-21 回热循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示,（2-21）,由式（2-21）可以求出,（2-22）,回热循环的性能指标如下： 单位制冷量,（2-23）,单位容积制冷量,（2-24）,单位功,制冷系数,（2-26）,由图（2-21）可知，与无回热循环1-2-3-4-5-1相比较，回热循环的单位制冷量增大了,（2-27）,（2-25）,循环的单位功可近似地表示成,（2-29）,但单位功也增大了,（2-28）,单位容积制冷量和制冷系数可表示成,（2-3
11、0）,(2-31),即,（2-32）,如果要使回热循环的单位容积制冷量及制冷系数比无回热循环高，其条件应是,（三）单级蒸气压缩式制冷实际循环计算,实际循环和理论循环有许多不同之处，除了压缩机中的工作过程以外，主要还有下列一些差别：,1流动过程有压力损失。,2制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热交换。,3热交换器中存在温差。,图2-22 实际循环在T-s图（a）和lg p-h图（b）上的表示,换热器换热计算介绍,1.2.1冷凝器热负荷根据热力学原理，冷凝器的热负荷Qk=Q0+Pe， 式中，Q0指压缩机制冷量，Pe指压缩机轴功率。,1.2.2水冷式冷凝器设计 1.2.2.1水冷式冷凝器冷却水量计
12、算水冷式冷凝器冷却水量与冷却水的进水温度、出水温度以及冷凝器的热负荷有关。Gw=3.6Qk/C(tw2-tw1) 式中 Gw冷却水流量，m3/hQk冷凝器热负荷，kWC冷却水的比热容，C=4.1868kJ/kg. tw1、tw2冷却水进出冷凝器的温度， 代入得 Gw=0.86Qk/(tw2-tw1) 冷却水在冷凝器中进出口温差tw一般选46，据经验：一般可取5，待温差tw确定后，即可计算出冷却水的质量流量。,1.2.2.2水冷式冷凝器换热面积计算根据传热公式：Qk=KFTm 则F= Qk/（KTm） 式中 K传热系数 W/（m2） F传热面积 m 2 Tm对数平均传热温差 ， Tm =（t w2-t w1）/ln（tk-t w2）/（tk-t w1） tk冷凝温度 ,
