低温制冷原理田Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望第1章 绪论（2）制冷过程与冷却过程的不同之处 a. 物体（热源）温度是否可以低于环境温度； b. 是否可以自发进行（需要制冷机否？）（3）环境温度 可以是大气温度，也可以是冷却水温，土壤温度，地下水温等，总之环境温度是指在制冷过程中制冷系统向“外界”放热的放热介质温度，即热汇温度。第1章 绪论（4）热泵 若采用相同的系统，如环境温度是热源温度，物体、流体（加热对象）温度是热汇温度，收益能为Qh，则该热力过程是热泵过程。（5）能量间的关系 制冷：Ql = Qh E 热泵：Qh = Ql + E第1章 绪论1.2 制冷机、制冷剂和制冷循环制冷机：制冷中所需的机器和设备的总和。制冷工质：制冷剂 能量传递的介质：流体：气体、液体和气液两相体第1章 绪论制冷循环：1）研究对象是制冷剂，不同的制冷剂在相同的条件下的循环热力性能是不一样的；2）制冷机中的各个设备与外界能量交换的数量可以通过制冷剂通过该设备的焓变化反映出来；3) 工况对循环性能有极大的影响。第1章 绪论1.3 制冷技术的领域划分 120K以上：普冷 120 20K：深度制冷 20 0.3K：低温制冷 0.3K以下：超低温制冷第1章 绪论1.5 制冷技术的研究内容（1）获取低温的方法和机理以及他们的循环，进行循环的热力分析计算，得到其特点及规律；（2）制冷剂及他们的热物性，循环特点；（3）设备的 工作原理、性能分析、结构设计，系统的流程组织、设计等。第2章 制冷方法2.1物质相变制冷2.1.1 集态：固、液、气相 潜热 制冷中使用最广泛的是气、液间的相变制冷方式。（1）固体相变冷却：冰、冰盐、干冰冰：0摄氏度时潜热为335kJ/kg，密度为900kg/m3。第2章 制冷方法制冷温度：零摄氏度以上。冰盐冷却： 制冷温度零摄氏度以下： tm = - 0.7 * x qo = 335 + 4.187tm 不同种类的冰盐可得到的最低温度不一样。第2章 制冷方法干冰冷却： 制冷温度低。 升华潜热随温度改变而变化，温度越高，潜热越大。 在零摄氏度时，单位质量制冷量为冰的1.9倍，单位容积制冷量为2.95倍。第2章 制冷方法（2）液体蒸发制冷制冷剂饱和压力与温度的关系第2章 制冷方法制冷机理（画张图）特点：（1）qm小（2）升压过程中加入能量有可能少（3）有利于换热 液体蒸发制冷（1）蒸汽压缩式制冷 系统简图能量转换效率最高 液体蒸发制冷（2）蒸气吸收式制冷系统图制冷剂和吸收剂 吸收剂溶液的浓度越高，制冷剂的分压力越低。常用的吸收剂和制冷剂对：溴化锂 水； 水 氨使用的是热能；左边相当于压缩机。热电制冷工作原理 物理定律系统简图通过并联或串联方式，可以改变制冷温度和制冷量。没有制冷工质和循环。能量转换效率低，常用于特殊场合。气体涡流制冷1.进气管；2.喷嘴；3.涡流室；4.孔板；5.冷端管子6.热端管子；7.控制阀气体涡流制冷T-S 图特点： 结构简单、维护方便、启动快、能达到较低温度；效率低。气体膨胀制冷第三章 蒸气压缩式制冷3.1 可逆制冷循环压缩式制冷热力学原理概述 补偿能提供给压缩机，E - W3.1 可逆制冷循环制冷循环的性能系数COP和循环效率 COP = 收益能量 / 补偿能量 制冷： 热泵：循环效率（热力完善度）：（1）可以评价循环的完善度，也可以评价不同类型制冷机的完善度；（2）COP，EER， 的定义在实际上是不同的，具体应用应该根据标准 ；（3）性能还可用SEER来评价。3.1 可逆制冷循环逆卡诺制冷循环逆卡诺循环的性能系数仅与TH和TL有关，与工质无关。3.1 可逆制冷循环意义：（1）制冷机的性能与热源和热汇的温度条件有关-与工况有关；（2）只有在指明工况的条件下，才能用COP评价制冷机的优劣，才能比较不同的制冷机性能；（3） 可以直接评价和比较各种制冷循环（因为在相同的工况条件下）。3.1 可逆制冷循环劳伦次循环 （2个变温过程和2个等熵过程组成） 劳伦次循环的性能系数与在 工况条件下的卡诺循环相等，因此为最理想的变温源（汇）热力学循环。3.2 单级压缩式制冷的理论循环系统简图 忽略与循环图无关的部件。 1：压缩机；2.冷凝器；3.膨胀阀；4. 蒸发器 工作过程；3.2 单级压缩式制冷的理论循环制冷剂的状态图 作用（1）通过已知的状态参数求未知的状态参数；（2）表示热力过程，进行热力过程和循环分析。 T-s图，p-h图（尤为重要） 3.2 单级压缩式制冷的理论循环理论循环：假定：（1） 恒定，制冷剂在相变传热过程中没有传热温差，即（2）不计过热度和过冷度；（3）除膨胀装置和压缩机外，制冷剂流经其他部件和管道没有压力变化；（4）除换热器外，其他部件和管道与外界没有热交换；（5）压缩过程为可逆的等熵绝热压缩过程。3.2 单级压缩式制冷的理论循环制冷循环过程在状态图上的表示3.2 单级压缩式制冷的理论循环理论循环特性（热力计算-用控制体方法）意义：（1）理论循环并非可逆循环；（2）最大限度地排除系统本身的不完善度，已是在给定 条件下具有的最好热力性能；（3）循环的热力性能仅与 和制冷剂有关。作用：3.3 单级压缩式制冷的实际循环实际循环与理论循环的比较（热力过程）3.3 单级压缩式制冷的实际循环各种实际因素对循环的影响（1）过冷度 （作用、获得方法）3.3 单级压缩式制冷的实际循环（2）过热度 原因：干式蒸发器、吸气管道、压缩机、回热器 作用：排温、W、Qk、v1、qm、润滑油、制冷量和COP（ 有用过热、无用过热） 必须有过热度的场合：3.3 单级压缩式制冷的实际循环管道压力和热交换（1）吸气管；（2）排气管（3）高压液管；（4）低压液管压缩机与压缩过程的不可逆相变传热不可逆其他因素（润滑油、水分和不凝气体等）3.3 单级压缩式制冷的实际循环实际循环的热力计算（书上有例题）3.3单级压缩式制冷的实际循环- 单级压缩式制冷机的变工况特性冷凝温度变化的影响（讨论对的影响）3.4 单级压缩式制冷机的变工况特性蒸发温度的影响（书上写的2点注意）3.4 制冷剂分类：（1）是否是纯质：单一或混合制冷剂；（2）化学类别：无机物、氟利昂、碳氢化合物；（3 ）物质来源：人工或天然制冷剂命名：R+数字（1）无机物：R7（摩尔分子量） 氨：R717；H2O：R718；CO2：R744（2）氟利昂（最好还是查表）烷烃化合物(CmHnFxClyBrz)：R(m-1)(n+1)(x)(z) 二氟一氯甲烷（CHF2Cl）：R22； 丙烷（C3H8）：R2903.4 制冷剂（3）共沸混合物：5( )( )-按命名次序（4）非共沸混合物： 4( )( )-按命名次序选用三原则：（1）制冷性能：取决于制冷剂的热物性。 要求：Pk不能太高，Po不能太低，压比小，qo大，排温低，COP高，传热好，流动性好。（2）实用性：化学稳定性，热稳定性，无腐蚀，不与润滑油产生不良反应。安全性：无毒，不易爆炸。来源广，价廉。（3）环境可接受性： 对臭氧层破坏程度（最好为零）；对温室效应的影响（越少越好）。3.4制冷剂-性质热力性质：（1）饱和蒸汽压力曲线-各种制冷剂的曲线形状大致相同，但位置不同。 ts: 制冷剂划分的标准。3.4 制冷剂-性质（2）临界温度tc 它是制冷剂不可能加压液化的最低温度。 Ts/Tc约为0.6，意义：。 希望：pk与pc之间距离越大越好。（3）粘性、导热性和比热容 粘性： 温度越高，粘性越小。 导热率：不受压力变化影响或者影响很小；气体随温度升高而增加，液体随温度升高而减少。 比热容可查表或者用程序计算。3.4 制冷剂-性质环境影响指数（1）臭氧影响指数（ODP）：规定R11为1，2030年要全部为零。（2）温室影响指数： 基准：CO2：GWP；R11：HGWP。 HGWP=3500GWP。 越小越好。物理和化学性质：（1）安全性；（2）电绝缘性；（3）热稳定性和与材料的相容性，以氨、R22为例。（4）与润滑油的互溶性；（5）溶水性；（6）参透性。3.4 制冷剂-混合制冷剂定义基本概念：（1）非共沸混合物、共沸混合物、近共沸混合物：温度滑移 （2）分馏：易挥发的先蒸发，不易挥发的优先冷凝造成的成分变化。3.4 制冷剂-混合制冷剂混合制冷剂的性质与使用（1）性质：改变热物性和理化指标、降低排温。（2）使用： 目的：环保、提高热力性能，增加运行安全性。 选择原则：在环保、热力性能大致相当情况下，优先共沸、近共沸、共沸。 原因：泄露会造成成分改变。 一般非共沸制冷剂传热比较差。3.4 制冷剂-实用制冷剂天然制冷剂环保最好，但是通常有些热力性能和工作安全性的问题。氟利昂通常热力性能好，价格贵，并注意环保问题。氟利昂：（1）ODP要求的替代： R11-R123，R245ca，R245fa R12-R134a R22-R407C，R410A，R410B R502-R404A,R5073.4 制冷剂-实用制冷剂天然制冷剂（1）水：不适合压缩式，吸收式用（2）氨：热力性能好，有毒易爆，k高，臭。（3）CO2：价廉环保，qo高，传热和流动性好；但是工作压力高，tc低。3.4 制冷剂-制冷剂热力性能计算查表查图利用程序计算3.5 采用混合制冷剂的单级蒸气压缩式制冷循环理论循环 对于非共沸制冷剂，它的冷凝和蒸发过程为等压非等温的换热过程，温度变化如图所示。 可以部分实现劳伦次循环。3.5 采用混合制冷剂的单级蒸气压缩式制冷循环实际循环（1）冷凝和蒸发过程中流动阻力对温度滑移的影响：两者不一样；（2）成分偏移：由于气相和液相的成分不一样，因此可能造成实际系统的成分与理想的不同。原因：生产和充灌工艺；运行过程中高压区和低压区所占比例不同；泄露；与润滑油的互溶。 这些也是尽量采用纯质和近共沸的原因。1.（1）关于制冷的定义；热力学意义；环境温度的含义；热泵的定义；与冷却的不同；有关能量间的关系？（2）制冷工质和制冷循环是指的什么，有什么特点？2.（1）液体蒸发制冷循环的主要热力过程有哪些？与其他制冷循环相比它有什么特点？（2）吸收式制冷方式的主要机理是什么？它的特点？它系统中哪些部件的作用相当于压缩式制冷系统的压缩机的作用？3.（1）制冷机和热泵性能有哪些？评价制冷机和热泵性能的指标是什么？（2）指示功（或功率）、机械功（或功率）和电功（或功率）有何不同？指示效率、机械效率和电效率的定义？（3）过热区、两相区和过冷区制冷剂状态参数之间的关系？（4）压缩式制冷系统简图和p-h图上循环图的画法？理想循环的假定是什么？（5）理想循环的意义和特点？（6）在理想循环中，蒸发温度和冷凝温度变化对各个性能参数的影响规律？（7）实际循环与理论循环的区别？（8）过热度（有用和无用）和过冷度对循环性能的影响规律？（9）蒸发器、冷凝器流动阻力对性能的影响？吸气管、排气管、液管和膨胀阀到蒸发器之间的管道的流动阻力和传热对性能的影响？（10）如何计算实际压缩机的指示功率、机械功率和电功率？如何计算实际压缩机出口的制冷剂状态参数？11）如何确定实际的制冷循环？（书上的例题）（12）理想循环和实际循环的热力性能计算方法，单位制冷量、单位容积制冷量和比功的定义及物理含义。（13）制冷剂命名的方法？（14）制冷剂的标准沸点的含义？从循环的性能出发，应该如何选择制冷剂？（15）制冷剂的标准沸点的含义？环境影响指数有哪些？如何定义（16）与单一成分制冷剂相比较，非共沸混合制冷剂有主要特点？（17）作为替代制冷剂，混合制冷剂选用的原则是什么？3.6 多级压缩制冷循环为什么要采用？ 在to大幅减少，to 和tk相差较大时，如仍用单级压缩，会产生以下问题：（1）制冷量大幅减少（质量输气量和单位制冷量）（2）运行安全性减少（排气温度、离心式压缩机、负压）（3）经济性减少（压缩机的效率、耗功与压力不是线性关系）（4）超出制冷剂工作温度范围解决方法：（1）在制冷剂工作温度范围内，采用多级压缩制冷循环；（2）在制冷剂工作温度范围外，采用复叠式制冷。3.6 多级压缩制冷循环分类方法：节流级数，中间是否是完全冷却，液体是否过冷？一级节流、中间完全冷却的两级压缩循环（多用于氨系统） 系统简图，循环图，热力计算（注意两级压缩机流量不一样）3.6 多级压缩制冷循环一次节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环（多用于氟利昂系统） （热力计算方法同上）3.6 多级压缩制冷循环获得两种蒸发温度的两级压缩制冷循环（E1制冷性能高，减少低压级压缩机尺寸，E2工作条件）3.6 多级压缩制冷循环中间压力的确定两种情况（1）已选配好高、低压压缩机，求pm;（2）从循环出发，根据最佳的COP，求两级压缩机的排量。3.7 复叠式制冷什么是复叠式制冷？复叠式与多级压缩制冷的特点比较（6个方面）为什么要使用复叠式制冷？ 3.7.1 系统与循环系统简图与循环图系统简图：忽略与制冷循环不相干的部件。 R22 R23pc (tc) 4.99MPa(96 oC) 4.83MPa (26 oC)Ts -41 oC- 82 oCpk (tk=40 oC) 1.5MPapo（to=-100oC） 0.002MPa 0.0315MPa3.7 复叠式制冷制冷工作循环图的画法1）确定冷凝压力（冷凝温度） 、蒸发压力、过热度、过冷度和压缩机效率；2）各子系统循环单独画：准确、科学、有利于计算；3）各子系统循环画在一张图上：直观，不科学。 制冷工作循环图的画法各子系统循环画在一张图上：直观，不科学3.7.2 使用中的若干问题应用温度范围和制冷剂 复叠式制冷通常适于零下60度以下的场合。 一般情况，当制冷温度在-60 - 80 oC，存在多级压缩制冷与复叠式制冷方式选择问题。 3.7.2 使用中的若干问题 制冷剂的选择和子系统的多少与制冷温度有关。复叠温度和复叠温差辅助热交换器的使用 1）回热器 2）水冷却器启动与防止停机时防止低温子系统超压和运行超载的措施 1）大型机； 2）小型机3.8二氧化碳制冷天然工质，最环保的制冷剂。制冷剂热物性特点：1）临界压力为7.38MPa，临界温度为31摄氏度；三相点温度-56.6摄氏度，制冷温度应在三相点温度以上。2）对于空调工况，蒸发压力约为4MPa，环境温度可能大于或者接近临界温度，造成只有冷却过程没有冷凝过程的情况；系统工作压力高，但是压比并不大；3）密度高，导热率大，热容大，传热性能好，流动的压力损失相对较小，可以忽略；4）空调工况对应的低压液体密度小于润滑油密度；5）临界点上方附近的等温线有一小段压力升高的不多，但是比焓下降得很快。二氧化碳的状态图近临界循环跨临界循环梅辛特法3.8.1近临界循环和跨临界循环近临界循环：由于节流后制冷剂干度较大（大于0.5），单位制冷量较小，系统性能较差。跨临界循环：提高冷却压力（大于临界压力），多付出的耗功换来更大的制冷量提高的收益，使得COP提高。 最佳的压缩机排气压力的确定方法：1）通过不同的排气压力循环计算，找出最佳值； 2）梅辛特法。3.8.1近临界循环和跨临界循环系统制冷剂最小充灌量问题 在不同工况条件下，系统的最小充灌量是不一样的。为了保证在各种工况条件下可靠的工作，制冷系统必须有液体制冷剂的储备。储液器位于高压侧和低压侧的所需的条件（氟利昂、氨和二氧化碳系统各有不同）3.8.2 跨临界循环的应用装置汽车空调 据说根据实验结果，效果甚至可高于传统的氟利昂系统。系统特点：1）储液器在低压侧，适于变工况和制冷剂泄漏的需要；防止停机时压力过高；保证蒸发器湿周100%，提高蒸发器传热性能；使用前提是润滑油密度低于液体制冷剂密度，通过储液器下部回油，可保证系统工作安全。2）采用回热器，可防止压缩机进液，减少无用过热。3.8.2 跨临界循环的应用装置热泵式热水器 有单级和两级压缩两种循环单级压缩系统3.8.2 跨临界循环的应用装置 系统结构与汽车空调基本相同。两级压缩系统：主要是改变高压二氧化碳降温曲线与水的加热曲线匹配问题，同时也降低高压级压缩机的温度和进气比容，提高效率。据说系统性能优于传统热泵性能。3.8.2 跨临界循环的应用装置应用中的一些问题：1）系统压力高的问题，解决办法：减少直径，增加厚度；2）变工况能量调节问题；3）二氧化碳跨临界循环的系统目前主要针对空调工况以及相近似的工况。由于上述问题的存在，即使对于这些工况，使用还是没有传统的系统普遍。对于制冷温度较低的工况，还是传统的循环用的多一些。如制取干冰制冷循环。第四章 热交换过程和换热器制冷机中的换热器：蒸发器，冷凝器，回热器等； 吸收式制冷还有吸收器，发生器等。 作用和特点： 实现冷热流体间的热交换； 冷热流体间由金属壁面分隔，传热过程由三个传热过程组成。 对系统的性能有很大的影响； 是系统的主要组成部分，占系统成本的比例高； 影响着系统的组成和运行控制方式。本章主要授课内容：介绍换热器传热计算的主要思路；蒸发器和冷凝器的主要形式及特点。4.1 .1通过平壁的传热假定： 1） 稳定传热过程； 2） 两流体传热过程中没有集态变化； 3) 传热过程中流体的温度不变； 4) 固体壁面上没有污垢；换热器传热计算的基本公式4.1 .1通过平壁的传热分别列出两个换热过程和一个导热过程的传热量计算公式，再消去内外壁面温度，可得： （1） 其中：传热系数 特点：只需知道换热器的几何特征和流体的换热参数，不需要知道壁面温度，即可计算，使用非常简单方便。 因此式（1）成为换热器传热计算的基本公式。 实际换热器在传热过程中往往存在着金属壁面两侧面积不相等、壁面有污垢，传热过程中流体温度发生变化、流体的集态有改变的情况。因此需要介绍在这样条件下如何利用式（1）的公式形式计算换热器传热量的方法。 4.1.2 通过圆管的传热圆管内外的传热面积不相等，则用管外面积作为传热计算面积，并对传热系数按管外传热面积进行修正。即： 传热公式： 传热系数： 污垢热阻对传热的影响在传热系数计算中考虑（污垢系数）： 4.1.3 通过肋壁的传热设肋壁为外表面，它对利用式（1）计算传热量需要考虑两个因数：内外面积不相等和肋表面温度与肋根温度不相等。 对于前者，处理方法与圆管传热相同；归于后者，处理方法是用肋面总效率对外部表面传热系数进行修正。因此： 式中：肋化系数： 肋面总效率： 带肋的圆管传热系数公式可见书的p234。4.1.3 通过肋壁的传热设肋壁为外表面，它对利用式（1）计算传热量需要考虑两个因数：内外面积不相等和肋表面温度与肋根温度不相等。 对于前者，处理方法与圆管传热相同；归于后者，处理方法是用肋面总效率对外部表面传热系数进行修正。因此： 式中：肋化系数： 肋面总效率： 带肋的圆管传热系数公式可见书的p234。4.1.4 平均对数传热温差和析湿系数在没有集态变化换热过程中，冷热流体在传热过程中，温度始终在变化。它对传热的影响可以通过传热温差来修正。修正的方法由冷热流体的顺、逆流动过程中的传热推导出来。4.1.4 平均对数传热温差和析湿系数对于顺流和逆流的流动形式，使用对数传热温差理论上可以证明是准确的： 对数平均传热温差： 对于下图中的混合流传热，在工程中也常用对数平均传热温差进行传热计算（左近似为顺流，有近似为逆流）。对数平均传热温差只是一种传热量的计算方法，不能用于对传热不可逆性进行判断。4.1.4 平均对数传热温差和析湿系数对于传热过程中流体有集态变化情况，根据该流体传热过程中仅有潜热变化的传热，还是既有潜热又有显热变化的传热这两种情况分别考虑。仅有潜热传热（如下图），用对数平均传热温差来计算。：4.1.4 平均对数传热温差和析湿系数既有潜热同时又有显热变化的传热 如空气在冷却过程中，当冷却到温度低于露点温度时，空气中的水蒸气就会冷凝出水分来。与没有水蒸气冷凝出水分情况相比，使用前面介绍的方法计算传热量就会少计算冷凝水的潜热。该误差用析湿系数对空气侧传热系数进行修正的方法进行处理： 析湿系数 ： 物理意义：全热换热量与显热换热量之比（空气冷却过程中大于或等于1）。 全热换热的表面传热系数：4.2 蒸发器对蒸发器的要求： 1）k值高：体积小，价廉；或者降低传热温差。 2）不能有液滴进入压缩机。4.2.1干式蒸发器制冷剂在蒸发器内完全蒸发，通常在蒸发器出口处还有一些过热度的蒸发器。湿周制冷剂在管内的流程数制冷剂在管内两相流动换热的传热特点4.2 蒸发器特点： 1）制冷剂在管内流动（板式换热器除外），流速高； 大，易回油； 2）液体制冷剂体积约为管内容积的10-20%，所需充灌量少； 3）相对再循环式蒸发器，湿润面积较小，管内集总 较小； 4）系统制冷量的能量调节可利用过热度，系统一般不用气液分离器，系统结构简单； 5）设计中有换热管路优化和分液问题； 6）小型机用的多，氟利昂系统用的多。4.2.1干式蒸发器a. 干式壳管式蒸发器 a. 干式壳管式蒸发器一般用于冷却液体。特点： 1）对于多流程，制冷剂下进上出； 2）壳内加折流板，以防止流动短路和流速不均匀；数量一般为奇数，以便载流剂上进上出； 3）管外载流剂为水时，易结垢，因此强化传热常在管内。U型管式干式蒸发器结构特点： 1）管组可装配后入壳内，抽出后清洗， 较好； 2）只能用于二流程，弯管工艺复杂，难以更换换热管，管内不能使用纵向内翅。与后面讲的满液式蒸发器相比，有以下缺点： 1）折流板与壳、换热关键有间隙，会造成流动的局部短路。 2）制冷剂流动阻力较大，会影响传热温差或蒸发温度； 3）折流板的结构造成工艺复杂，管外清垢仅能用化学方法。 b.板式换热器b.板式换热器除了用作蒸发器外，还可以用作冷凝器。一般用于冷却液体。特点： 1）传热系数高（如管内外流体均为水，传热系数可达5-7kW/(m2K)； 2）最大工作压力为3.0MPa； 3）流动阻力小； 4）结构紧凑，金属消耗量小； 5）传热面积（或者传热量）可以通过调节换热片的数量来实现。c.冷却空气型干式蒸发器分类： 1. 按换热管形式分：光管式和翅片管式； 2. 空气冷却方式分：自然对流换热和强制对流换热。特点： 1. 热阻主要在空气侧。减少热阻的主要途径：增加空气侧的换热面积；强制对流换热（加风机）； 2. 翅片间距：空调器：最小1.6mm，一般2mm；低温制冷：6-12mm（防止结霜后影响换热）； 3. 换热管材料：氟利昂：铜。铝；氨：无缝钢管。c.冷却空气型干式蒸发器c.冷却空气型干式蒸发器4.2.2 再循环式蒸发器再循环式实际上是一种向蒸发器供给液体制冷剂的供液方式。通常的制冷系统供液动力来自压缩机排气压力，但是对于所需供液的蒸发器数量多，距离远，位能差大的情况，这种供液方式就不适用了。采用这种供液方式的蒸发器，制冷剂在换热管内流动。在再循环式供液方式下，蒸发器的传热有以下特点： 1） 其它供液方式的循环倍数为1；再循环式中的重力供液为1，液泵供液大于1（一般为3 - 6）； 2）没有过热度，湿润面积100%； 4.2.2 再循环式蒸发器 3）由于管内湿润面积大，制冷剂流速高，因此换热器的传热系数高； 4）由于压缩机的上游有低压储液容器（气液分离器或者低压循环桶），制冷剂充灌量大，通常适用于氨系统。结构形式 1）下图为一冷却液 体型的（氨系统，用于盐水池制冰），还有满液式蒸发器；4.2.2 再循环式蒸发器 2）冷却空气型的与干式蒸发器的结构基本相同，有采用自然对流方式冷却的，也有采用强制对流方式冷却的。4.2.3 满液式蒸发器4.2.3 满液式蒸发器结构特点： 1）有卧式和立式，卧式用的多。 2）由壳体、封头、管板、换热管和气液分离器等组成。 3）制冷剂在换热管外侧，水或者其它载冷剂在内侧。 4）因为它也同时是低压储液器，因此对于氟利昂系统，需要专门的回油装置。传热特点： 1）k值大于干式蒸发器（因为湿润面积100%，换热均为液体-金属壁面）； 2）管外表面传热系数小于管内（管外流速基本为零）。4.2.3 满液式蒸发器优点：结构紧凑，传热效果好，易于安装，使用方便。缺点： 1）制冷剂充灌量大，对于氟利昂系统明显增加成本； 2）壳体直径大时，液体的静压会造成蒸发温度的提高； 3） 润滑油难排，需要专门的装置； 4）不太适合船、车等移动性设备（液面不稳）； 5）载冷剂为水时，应该避免蒸发温度低于零度，使得管内结冰，损坏蒸发器。4.1.4 平均对数传热温差和析湿系数在没有集态变化换热过程中，冷热流体在传热过程中，温度始终在变化。它对传热的影响可以通过传热温差来修正。修正的方法由冷热流体的顺、逆流动过程中的传热推导出来。4.1.4 平均对数传热温差和析湿系数对于顺流和逆流的流动形式，使用对数传热温差理论上可以证明是准确的： 对数平均传热温差： 对于下图中的混合流传热，在工程中也常用对数平均传热温差进行传热计算（左近似为顺流，有近似为逆流）。对数平均传热温差只是一种传热量的计算方法，不能用于对传热不可逆性进行判断。4.1.4 平均对数传热温差和析湿系数对于传热过程中流体有集态变化情况，根据该流体传热过程中仅有潜热变化的传热，还是既有潜热又有显热变化的传热这两种情况分别考虑。仅有潜热传热（如下图），用对数平均传热温差来计算。：4.1.4 平均对数传热温差和析湿系数既有潜热同时又有显热变化的传热 如空气在冷却过程中，当冷却到温度低于露点温度时，空气中的水蒸气就会冷凝出水分来。与没有水蒸气冷凝出水分情况相比，使用前面介绍的方法计算传热量就会少计算冷凝水的潜热。该误差用析湿系数对空气侧传热系数进行修正的方法进行处理： 析湿系数 ： 物理意义：全热换热量与显热换热量之比（空气冷却过程中大于或等于1）。 全热换热的表面传热系数：4.2 蒸发器对蒸发器的要求： 1）k值高：体积小，价廉；或者降低传热温差。 2）不能有液滴进入压缩机。4.2.1干式蒸发器制冷剂在蒸发器内完全蒸发，通常在蒸发器出口处还有一些过热度的蒸发器。湿周制冷剂在管内的流程数制冷剂在管内两相流动换热的传热特点4.2 蒸发器特点： 1）制冷剂在管内流动（板式换热器除外），流速高； 大，易回油； 2）液体制冷剂体积约为管内容积的10-20%，所需充灌量少； 3）相对再循环式蒸发器，湿润面积较小，管内集总 较小； 4）系统制冷量的能量调节可利用过热度，系统一般不用气液分离器，系统结构简单； 5）设计中有换热管路优化和分液问题； 6）小型机用的多，氟利昂系统用的多。4.2.1干式蒸发器a. 干式壳管式蒸发器 a. 干式壳管式蒸发器一般用于冷却液体。特点： 1）对于多流程，制冷剂下进上出； 2）壳内加折流板，以防止流动短路和流速不均匀；数量一般为奇数，以便载流剂上进上出； 3）管外载流剂为水时，易结垢，因此强化传热常在管内。U型管式干式蒸发器结构特点： 1）管组可装配后入壳内，抽出后清洗， 较好； 2）只能用于二流程，弯管工艺复杂，难以更换换热管，管内不能使用纵向内翅。与后面讲的满液式蒸发器相比，有以下缺点： 1）折流板与壳、换热关键有间隙，会造成流动的局部短路。 2）制冷剂流动阻力较大，会影响传热温差或蒸发温度； 3）折流板的结构造成工艺复杂，管外清垢仅能用化学方法。 b.板式换热器b.板式换热器除了用作蒸发器外，还可以用作冷凝器。一般用于冷却液体。特点： 1）传热系数高（如管内外流体均为水，传热系数可达5-7kW/(m2K)； 2）最大工作压力为3.0MPa； 3）流动阻力小； 4）结构紧凑，金属消耗量小； 5）传热面积（或者传热量）可以通过调节换热片的数量来实现。c.冷却空气型干式蒸发器分类： 1. 按换热管形式分：光管式和翅片管式； 2. 空气冷却方式分：自然对流换热和强制对流换热。特点： 1. 热阻主要在空气侧。减少热阻的主要途径：增加空气侧的换热面积；强制对流换热（加风机）； 2. 翅片间距：空调器：最小1.6mm，一般2mm；低温制冷：6-12mm（防止结霜后影响换热）； 3. 换热管材料：氟利昂：铜。铝；氨：无缝钢管。c.冷却空气型干式蒸发器c.冷却空气型干式蒸发器4.2.2 再循环式蒸发器再循环式实际上是一种向蒸发器供给液体制冷剂的供液方式。通常的制冷系统供液动力来自压缩机排气压力，但是对于所需供液的蒸发器数量多，距离远，位能差大的情况，这种供液方式就不适用了。采用这种供液方式的蒸发器，制冷剂在换热管内流动。在再循环式供液方式下，蒸发器的传热有以下特点： 1） 其它供液方式的循环倍数为1；再循环式中的重力供液为1，液泵供液大于1（一般为3 - 6）； 2）没有过热度，湿润面积100%； 4.2.2 再循环式蒸发器 3）由于管内湿润面积大，制冷剂流速高，因此换热器的传热系数高； 4）由于压缩机的上游有低压储液容器（气液分离器或者低压循环桶），制冷剂充灌量大，通常适用于氨系统。结构形式 1）下图为一冷却液 体型的（氨系统，用于盐水池制冰），还有满液式蒸发器；4.2.2 再循环式蒸发器 2）冷却空气型的与干式蒸发器的结构基本相同，有采用自然对流方式冷却的，也有采用强制对流方式冷却的。4.2.3 满液式蒸发器4.2.3 满液式蒸发器结构特点： 1）有卧式和立式，卧式用的多。 2）由壳体、封头、管板、换热管和气液分离器等组成。 3）制冷剂在换热管外侧，水或者其它载冷剂在内侧。 4）因为它也同时是低压储液器，因此对于氟利昂系统，需要专门的回油装置。传热特点： 1）k值大于干式蒸发器（因为湿润面积100%，换热均为液体-金属壁面）； 2）管外表面传热系数小于管内（管外流速基本为零）。4.2.3 满液式蒸发器优点：结构紧凑，传热效果好，易于安装，使用方便。缺点： 1）制冷剂充灌量大，对于氟利昂系统明显增加成本； 2）壳体直径大时，液体的静压会造成蒸发温度的提高； 3） 润滑油难排，需要专门的装置； 4）不太适合船、车等移动性设备（液面不稳）； 5）载冷剂为水时，应该避免蒸发温度低于零度，使得管内结冰，损坏蒸发器。4.3冷凝器作用：将高温高压的制冷剂气体冷却、冷凝、冷却成过冷液体。按冷却类别分类：空气冷却式，水冷式，蒸发和淋激式。制冷剂侧的凝结液膜为凝结换热的主要热阻。因此，当制冷剂在换热管外凝结时，排掉液膜、使液膜减薄和增加管外换热面积成为强化换热的主要措施。4.3.1 空气冷却式冷凝器特点： 1）制冷剂在换热管内，空气在管外侧； 2）k值较小，常用于电冰箱、冷藏柜、空调器等； 3）常用于水贵、水质不好，和用水不方便的场合（车用等）；4.3冷凝器 4）冷凝温度通常比水冷高5 10摄氏度。 5）制冷剂上进下出。 6）在冷量使用范围上有增大趋势（现可达500kW以上）。a.自然对流换热式 特点：不用风机，节电无噪声，K值低，换热面积大。常用于小型制冷装置。结构：丝管式、管板式、排管。b.强制通风式风机一般为轴流式，迎面风速一般为2 3 m/s, 迎风面多为矩形或者方形。4.3.2 水冷式冷凝器a.壳管式制冷剂在换热管外侧，上进下出，冷却水在内侧。水流速一般1-2m/s, k=930-1400W/m2， 。热阻主要在外侧。4.3.2 水冷式冷凝器卧式：冷却水下进上出，通常偶数流程。立式：冷却水上进下出；传热系数相对卧式较小，原因是液膜厚度较大和显热换热时为顺流换热。换热管材料： 氨制冷剂：钢管。 氟利昂：铜管。b. 套管式制冷剂 上进下出，冷却水下进上出，易实现逆流换热，对数平均传热温差较大。制冷剂和水均高速流动，k值高。金属耗量大。换热量一般小于60kW，用于中小型机组。水冷式冷凝器的水的流程数问题4.3.3蒸发式和淋激式a.蒸发式制冷剂上进下出，冷却水抽出喷淋在换热管上，与自下而上的空气相遇后一部分液体水蒸发吸热，从而降低水和空气的温度，大大增强换热效果。主要靠水蒸发的潜热将冷凝热量带走；与壳管式不同的是，它不需要冷却水塔来时水温降低。4.3.3蒸发式和淋激式特点： 1）耗水量很小，空气流量也不大，适于缺水干旱地区； 2）每1.16kW冷凝热需循环水60 80 l/h，补充水量3 5l/h;水泵和风机耗电0.2 0.3kW； 3）水应该软化处理，防止结垢； 4）潮湿和带水滴的空气流经风机，对风机有防潮要求。b. 淋激式特点 1）没有风机； 2）既靠冷却水的潜热，又靠冷却水的显热携带冷凝热量； 3）冷却水有温升，需要有冷却塔。4.4 蒸发器供液量的自动调节膨胀机构（节流装置）的作用： 1）节流降压，节流后制冷剂的压力降低； 2）调节制冷剂流量，这是制冷系统根据负荷变化调节制冷量的主要环节。常用的膨胀机构类型: 1）手动膨胀阀；根据过热度或者截流后的压力； 2）热力膨胀阀：根据过热度； 3）热电膨胀阀：主要根据过热度； 4）毛细管：根据过冷度； 5）浮球阀：根据制冷剂液位。4.4.1 热力膨胀阀内平衡式 现分析感温包内充注的制冷剂与制冷系统的制冷剂相同的情况，并且节流后到蒸发器出口制冷剂没有流动阻力。内平衡式膜片的位置决定了阀针的位置，即阀的开度的大小。膜片的位置取决于膜片上下所受的力。流量调节原理： 当负荷增大时，过热度增加，上方的力增加，针阀下移，流量增加，但弹簧力也增加，使之平衡到新的位置。 当负荷减少时，针阀的移动方向与之相反，减少流量。 从控制原理上来讲，这是一种负反馈的比例调节方式。特点： 1）阀的过热度预先设定；阀对蒸发温度没有限定；内平衡式 2）当蒸发温度较低时，调节随过热度变化变得不敏感，调节性能变差； 3）当过热度过大时，阀的开度过大，可能会造成蒸发温度过高，阀的流量过大，压缩机过载和阀超压的情况。 4）当节流后到蒸发器出口制冷剂流动阻力较大时，感温包不能正确反映蒸发器真实的过热度； 5）与热电式膨胀阀相比，流量调节范围较小。解决问题2），采用交叉充注的方法。解决问题3），采用气体充注的方法。解决问题4），采用外平衡式的方法。4.4.2 热电膨胀阀常见的包括热电式、电磁式和电动式。其调节系统构成：蒸发温度和过热度的测量（为电信号）；控制机构（通常有cpu）,可以设定调节规律，根据运行模式或过热度进行调节；执行机构通过某种方式是阀门的开度变大或变小。热电膨胀阀的分类是根据驱动机构驱动阀门开度的方式划分的。 热电式：将电能变为热能，由驱动原件的热变形改变阀杆 的位置。阀杆移动量与输入的电能成比例。 电磁式：输入的电压越大，磁场越强，阀的开度越小； 电动式：输入的电脉冲数量越多，电机转子的角位移越大，阀杆移动的距离越大。 使用最多还是测量温差的，与书中不同的是一个测温传感器位于蒸发器中部，一个位于蒸发器出口。热电膨胀阀特点（与热力膨胀阀相比）： 1）克服了热力膨胀阀低温特性不好的问题； 2）流量调节范围大； 3）流动方向可以改变，使制冷系统构成简化； 4）由于可以实现控制智能化，可以设定多种调节模式，使得系统达到平衡时间短，并满足各种工作模式的要求。 如：启动，除霜，正常运行等； 5）动作执行迅速、准确； 6）成本较贵，一般用于较昂贵的制冷系统。 另外与毛细管相比，流量调节还有不受过冷度和冷凝压力影响的特点。4.4.3 毛细管在流量一定条件下压降特点影响流量的因素特点： 1）流量调节范围较小； 2）靠过冷度和冷凝压力调节，但主要是过冷度； 3）价廉，系统简单。多用于小制冷系统。4.4.4 浮球阀特点： 1）根据液位的变化自动调节供液量; 2）为负反馈的比例调节； 3）低压浮球阀是根据满液式、气液分离器等液面高度来调节流量的大小；高压浮球阀是根据冷凝器或高压储液器的液面高度来调节流入蒸发器液体制冷剂的流量。 4）多用于大型制冷系统。4.5制冷系统传热的强化与消弱强化传热的原则及方法原则： a. 主要减少换热器中热阻较大一侧的热阻； b. 提高h也要注意不要使摩擦损失增加太多（一般强制对流换热提高h的同时，也会提高f）。强化传热的方法： a. 自然对流换热和大空间中的冷凝和蒸发； b. 强制对流换热。计算过程的处理方法（于传热机理有时会不同）强化传热的具体措施 a. 制冷剂凝结与沸腾换热强化 a. 制冷剂凝结与沸腾换热强化1）内微肋管 肋高0.1 0.3mm，螺旋角10 30度，制冷剂在馆内流动，一般采用纵向肋。h增加2 3倍，流动阻力增加1 2倍。a. 制冷剂凝结与沸腾换热强化 2）管外凝结换热低肋管和横纹管 氟利昂用低肋管得多；氨用横纹管得较多（加工方面的原因）。横纹管：u=1m/s, k为光管的1.6倍，水的流阻为1.9倍。a. 制冷剂凝结与沸腾换热强化低肋管：表面传热系数约为光管的2 3倍。氟利昂系统与氨系统所用的强化管形式的不同主要是由于材料和加工方面的原因。a. 制冷剂凝结与沸腾换热强化 3）管外沸腾换热强化 使用较多的是低肋管，右图换热效果更好，大半是加工不易。q最大为光管的10倍，比低肋管可多36%，节省换热面积26%（按光管面积计算）。b. 空气侧换热强化 1）加翅片 平翅； 波纹翅（h 多20%），冲缝翅片（h多80%）； 流动阻力：波纹翅和冲缝翅片多50 70%，波纹冲缝翅比波纹翅多30 40%。 波纹冲缝翅加低肋管比平翅加光管h多40 60%。 但是结霜后效果会更差。 2）肋片间距 空调器：1.7 2.2mml；低温冷风机：间距6 8mm； 间冷式冰箱、冷柜间距更大，最大为22mm，且不等间距。 3）空调冷风机蒸发器的表面处理 表面镀一层1 2 亲水膜（一水氧化铝等），减少冷凝水厚度，降低热阻。b. 空气侧换热强化4）减少翅片与换热管间的接触热阻 单翻边，双翻边，涨管。4.5.4 制冷系统的隔热目的：1）减少冷量损失，提高运行的经济性； 2）防止设备表面结水或者结霜。隔热方法：1）真空隔热（低温中常用）；2）多空材料隔热（制冷中常用）。隔热材料的热阻减少冷损方法 4.5.4 制冷系统的隔热确定隔热层厚度的方法 1）按限定冷量损失计算厚度； 2）不结露（结霜）厚度； 3）经济性最好的厚度。第五章 载冷与蓄冷直接冷却与间接冷却 中间介质：第二制冷剂（secondary refrigerant)。使用第二制冷剂的优缺点5.1 传统制冷剂与蓄冷剂5.1.1 对载冷剂的要求1）无毒，不可燃，无刺激性气味，化学、物理稳定性好；2）在使用范围内呈液态；3）换热性能好，流动阻力小。5.1.2 常有传统载冷剂1）水，载冷温度零度以上；2）无机盐水溶液5.1.2 常有传统载冷剂载冷温度在0度以下场合使用。一般制冷剂按共晶浓度配制盐水浓度。不同盐水溶液的共晶温度不一样。（p317）。盐水溶液需加缓蚀剂。5.1.2 常有传统载冷剂3）有机载冷剂 一般用于盐水所不能达到的载冷温度，具有较强的挥发能力。乙二醇、丙二醇和丙三醇水溶液 载冷温度-60度以上。氟利昂 可用于低温载冷，但对环境有破坏作用。甲醇、乙醇和它们的水溶液 载冷温度范围较广，挥发性较强，易燃。 5.1.3 传统蓄冷剂液态水 热容好，传热好；依靠显热蓄冷，蓄能密度较小；制冷蒸发温度较高，蓄冷温度为零度以上。纯水冰 蓄冷温度零度。但是制冷温度可在零度附近，也可以低于零度（加盐）-熔解热低于纯水冰。共晶冰 用共晶盐水制成的冰，蓄冷温度为共晶温度，但是使用广泛程度不如纯水冰加盐。 5.2 环保要求下载冷技术的新发展天然制冷剂（NH3,CO2,碳氢化合物等）为最环保的制冷剂，但也存在易燃、有毒、工作压力过高等问题。为此须将有关的制冷系统集中在安全的机房里，用载冷剂将冷量输送到冷却对象。流态冰（Flo-Ice) 载冷温度-4 - -40 oC，容量可达MW级。 特点： 1）可用作载冷剂或者蓄冷剂。用作载冷剂，单位载冷能力大，减少在冷剂流量和泵功；用作蓄冷剂，可减少蓄冷剂尺寸。 2）输送管道直径小，绝热材料成本低。 3）冷却器进出口温差小，冷却温度较均匀。5.2 环保要求下载冷技术的新发展表面传热系数大。流动阻力较大（与含冰率有关）。制冰过程中析冰温度在不断降低。因此含冰率高时所需蒸发温度较低。流态冰的使用实例由氨系统生产出的流态冰，一部分作为载冷剂用于直接冷却陈列柜食品；一部分用于吸收CO2制冷系统的冷凝热，指却更低温度。5.3 蓄冷蓄冷方式 水或冰蓄冷。与直接冷却系统相比，有蓄冷的系统多了个蓄冷器，多了两个传热温差；但可以转移尖峰用电负荷，减少制冷系统容量。水蓄冷特点：水温约为5度，蒸发温度较高，冷量大，效率高节能；蓄能密度低，蓄水池大，防渗漏和隔热不易，蓄冷过程需要泵功较多。5.3 蓄冷冰蓄冷特点：冰的温度为零度，制冷系统蒸发温度低，冷量小，效率低；但是蓄能密度大（水的16倍），因此蓄冷池体积小，防渗漏、隔热容易，冷损少。制冰方法a.静态制冰 冰的热阻大，制冰时间与冰的厚度平方成正比；冰层厚了制冷系统性能恶化。一般要用载冷剂，用罐装或者球状制冰热交换器。5.3 蓄冷b. 动态制冰1）间歇剥离收获型制冰方式2）流态冰制作3）过冷水制冰4）直接膨胀直接换热制冰5）用非水溶性油作为载冷剂制冰5.3 蓄冷制冰热交换器 除了要考虑有关的加强传热措施外，还要考虑材质的耐腐蚀、控制冰层厚度和冰层脱落问题。1）静态制冰热交换器 管状制冰热交换器：结构简单，但易形成大块冰。 球状式制冰热交换器：可避免形成大块冰。2）流态冰生成器与蓄冷系统5.3 蓄冷5.3 蓄冷气体水合物蓄冷 是一种气体或者挥发性液态与水作用时，造成水在高于冰点温度下的结冰现象。通常用制冷剂和水。特点：1）蓄能密度大，与冰相当；2）相变温度5 - 13 oC ，使制冷机在空调工况条件下也能蓄冷；3）可以实现在直接接触的蓄冷-释冷换热过程，大大减少了相变过程的传热损失；5.3 蓄冷5.3 蓄冷4）气体水合物虽然已有20多年的研究，但是现在还不是一种实用的商用技术，尤其是直接接触蓄冷和释冷。