1、冷凝器按冷却方式冷凝器按冷却方式空气冷却式冷凝器中空气冷却式冷凝器中根据管外空气流动方式根据管外空气流动方式空气冷却式空气冷却式水冷式水冷式蒸发冷却式蒸发冷却式自然对流空气冷自然对流空气冷却式冷凝器却式冷凝器强制对流空气冷强制对流空气冷却式冷凝器却式冷凝器图图2-27 自然对流空气冷却式冷凝器自然对流空气冷却式冷凝器图图2-28 空气强制对流冷凝器空气强制对流冷凝器1-肋片肋片 2-传热管传热管 3-上封板上封板 4-左端板左端板 5-进气集管进气集管6-弯头弯头7-出液集管出液集管 8-下封板下封板 9-前封板前封板10-通风机通风机 11-装配螺钉装配螺钉图图2-29 氨卧式壳管式冷凝器氨
2、卧式壳管式冷凝器图图2-30 氟利昂套管式冷凝器氟利昂套管式冷凝器图图2-31 蒸发式冷凝器结构原理蒸发式冷凝器结构原理1-通风机通风机 2-挡水栅挡水栅 3-传热管组传热管组 4-水泵水泵 5-滤网滤网 6-补水阀补水阀 7-喷水嘴喷水嘴空气自然对流时空气自然对流时多采用光盘管结构多采用光盘管结构空气强制对流时空气强制对流时采用翅片管结构采用翅片管结构壳管式壳管式沉没式沉没式 冷却液体（水或其它液冷却液体（水或其它液体载冷剂）的蒸发器体载冷剂）的蒸发器图图2-32 卧式满液式蒸发器结构卧式满液式蒸发器结构图图2-33 干式壳管蒸发器干式壳管蒸发器图图2-34 空气强制对流的蒸发器及其肋片管型
3、式空气强制对流的蒸发器及其肋片管型式a) 蒸发器蒸发器 b) 绕片管绕片管 c) 套片管套片管1-传热管传热管 2-肋片肋片 3-挡板挡板 4-通风机通风机 5-集气管集气管 6-分液器分液器 自然界中的一切物质都具有能量，能量不自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从可能被创造，也不可能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化一种形态转变为另一种形态，且在能量的转化过程中能量的总量保持不变。过程中能量的总量保持不变。 能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一。能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一。1.1.1 1.1.1 制冷与低温原理的
4、热力学基础制冷与低温原理的热力学基础1.1.热力学第一定律热力学第一定律用符号用符号U U表示，单位是焦耳表示，单位是焦耳 （J J） 热力学能热力学能1kg1kg物质的热力学能称比热力学能物质的热力学能称比热力学能用符号用符号u u表示，单位是焦耳表示，单位是焦耳/ /千克千克 （J Jkgkg）比热力学能比热力学能热力学能热力学能热力学能和总能热力学能和总能热力状态的单值函数。热力状态的单值函数。两个独立状态参数的函数两个独立状态参数的函数 。 状态参数，与路径无关。状态参数，与路径无关。工质的总储存能工质的总储存能内部储存能内部储存能外部储存能外部储存能热力学能热力学能总能总能动动 能能
5、位位 能能 E E总能，总能， E Ek k 动能动能 E Ep p 位能位能 E=U+E E=U+Ek k+E+Ep p (1-2) 内部储存能和外部储存能的和，即热力学能与宏观内部储存能和外部储存能的和，即热力学能与宏观 运动动能及位能的总和运动动能及位能的总和 。若工质质量若工质质量m m，速度，速度c cf f，重力场中高度，重力场中高度z z宏观动能宏观动能 221fkmcE 重力位能重力位能mgzEp工质的总能工质的总能mgzmcUEf221(1-3) 能量从一个物体传递到另一个物体有能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式两种方式作功作功借作功来传递能量总和物体宏观位移有关。借作
6、功来传递能量总和物体宏观位移有关。 传热传热借传热来传递能量无需物体的宏观移动。借传热来传递能量无需物体的宏观移动。 推动功推动功因工质在开口系统中流动而传递的功因工质在开口系统中流动而传递的功对开口系统进行功的计算时需要考虑这种功。对开口系统进行功的计算时需要考虑这种功。推动功只有在工质移动位置时才起作用。推动功只有在工质移动位置时才起作用。力学参数力学参数c cf f和和z z只取决于工质在参考系中的速度和高度只取决于工质在参考系中的速度和高度2.2.能量的传递和转化能量的传递和转化 gzcuef221(1-4) 比总能比总能焓焓用符号用符号H H表示，单位是焦耳表示，单位是焦耳 （J J
7、）H= U+pVH= U+pV （内能（内能+ +推动功）推动功） (1-5)比焓比焓 (1-6) pvuh用符号用符号h h表示，单位是焦耳表示，单位是焦耳/ /千克千克 （J Jkgkg）焓是一个状态参数。焓是一个状态参数。焓也可以表示成另外两个独立状态参数的函数。焓也可以表示成另外两个独立状态参数的函数。如：如：h=f(T,v) h=f(T,v) 或或 h=f(p,T); h=f(p,v)h=f(p,T); h=f(p,v)12212121hhdhhhba (1-9) (1-9) 3 3焓焓 进入系统的能量进入系统的能量- -离开系统的能量离开系统的能量= =系统中储存能量的增加系统中储
8、存能量的增加 (1-10) 4.1 4.1 闭口系统的能量平衡闭口系统的能量平衡4 4热力学第一定律的基本能量方程式热力学第一定律的基本能量方程式 工质从外界吸热工质从外界吸热Q Q后从状态后从状态1 1变化到变化到2 2，对外作功，对外作功W W。若工质宏观动能和位能的变化忽略不计，则。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工质储存能的增加即为热力学能的增加UU 12UUUWQWUQ(1-11) 热力学第一定律的解析式热力学第一定律的解析式 图图1-6 1-6 喷管能量转换喷管能量转换 图图1-5 1-5 换热器能量平衡换热器能量平衡 工质流经换热器时和外工
9、质流经换热器时和外界有热量交换而无功的界有热量交换而无功的交换，动能差和位能差交换，动能差和位能差也可忽略不计也可忽略不计 1kg1kg的工质吸热量的工质吸热量 12hhq1kg1kg工质动能的增加工质动能的增加 212122)(21hhccff工质流经喷管和扩压工质流经喷管和扩压管时不对设备作功管时不对设备作功 ，热量交换可忽略不计热量交换可忽略不计 研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律件及限度的定律 热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体温物体 1.1.制冷循环的热力学分析制冷循环的热
10、力学分析 热力学循环热力学循环 正向循环正向循环 热能转化为机械功热能转化为机械功 逆向循环逆向循环 消耗功消耗功 循环除了一二个不可避免的不可逆过程外其循环除了一二个不可避免的不可逆过程外其余均为可逆过程。可逆循环是理想循环。余均为可逆过程。可逆循环是理想循环。 理想循环理想循环2.2.热力学第二定律热力学第二定律热力学第二定律涉及的温度为热力学温度热力学第二定律涉及的温度为热力学温度(K)(K) T=273.16+tT=273.16+t (1-29) 熵熵是热力学状态参数，是判别实际过程的方是热力学状态参数，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。向，提供过程能否实现、是否
11、可逆的判据。 定义式定义式 Tqdsrev(1-30) q qrevrev是可逆过程的换热量，是可逆过程的换热量，T T为热源温度为热源温度可逆过程可逆过程1-21-2的熵增的熵增 212112Tqdssssrev克劳修斯积分克劳修斯积分 Tqrev=0 =0 可逆循环可逆循环 0 0 不可逆循环不可逆循环 0 0 不可能实行的循环不可能实行的循环 p p、T T状态下的比熵状态下的比熵定义为定义为 TpTpTpTpTqss、0000(1-33) 2.2.热源温度不变时的逆向可逆循环热源温度不变时的逆向可逆循环 逆卡诺循环逆卡诺循环 当高温热源和低温热源随着过程的进行温度当高温热源和低温热源随
12、着过程的进行温度不变时，具有两个可逆的等温过程和两个等不变时，具有两个可逆的等温过程和两个等熵过程组成的逆向循环。熵过程组成的逆向循环。 在相同温度范围内，它是消耗功最小的循在相同温度范围内，它是消耗功最小的循环，即热力学效率最高的制冷循环，因为它环，即热力学效率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失。没有任何不可逆损失。 （1 1）压缩过程为等熵过程，即在压缩）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过程中不存在任何不可逆损失 （2 2）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂）在冷凝器和蒸发器中，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
13、的温度，且冷凝温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度和蒸发温度都是定值 （4 4）制冷剂在管道内流动时，没有）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外介质之间没有热交换 （5 5）制冷剂在流过节流装置时，流速）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小，可以忽略不计，且与外界环境变化很小，可以忽略不计，且与外界环境没有热交换没有热交换 （3 3）离开蒸发器和进入压缩机的制冷）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
14、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凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体饱和液体图图2-162-16理论循环在理论循环在T-sT-s图（图（a a）和）和lnp-hlnp-h图（图（b b）上的表示）上的表示 按照热力学第一定律，对于在控制容积中进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：行的状态变化存在如下关系：whqddd（2-1） 这里，把自外界传入的功作为负值。对上式积这里，把自外界传入的功作为负值。对上式积分可以得到整个过程的表达式分可以得到整个过程的表达式 ：whq（2-2） 按照式（按照式（2-12-1）和式（）和
15、式（2-22-2），单级压缩蒸气制），单级压缩蒸气制冷机循环的各个过程有如下关系：冷机循环的各个过程有如下关系：q q0 0称为单位制冷量，习惯上取为正值，称为单位制冷量，习惯上取为正值，在在T-sT-s图上用面积图上用面积1-5-1-5-b b- -a a-1-1代表，而在代表，而在lglg p-h p-h图上则用线段图上则用线段5-15-1表示。表示。(2)(2)冷凝过程：冷凝过程： d dw w= =0 0d dq q= =d dh hq qk k=h=h2 2-h-h4 4 （2-42-4） (3) (3) 节流过程：节流过程： w=w=0 0 q= q=0 0h=0h=0 h h4
16、4=h=h5 5 （2-52-5） （1 1）压缩过程）压缩过程: d: dq q= =0,0,因而因而 dw=dh w=h2 2-h1 1 （2-3） （4 4）蒸发过程：）蒸发过程： d dw w= =0 0因而因而 d dq q= =d dh h q q0 0=h=h1 1-h-h5 5=h=h1 1-h-h4 4 （2-6） (2)(2)单位容积制冷量单位容积制冷量q qv v14110vhhvqqv(2-8)(3)(3)理论比功理论比功w w0 0对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说，理对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说，理论比功可表示为论比功可表示为120hhw(2-9) 单级压
17、缩蒸气制冷机的理论比功也是随制冷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。剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的。(4)(4)单位冷凝热单位冷凝热q qk k单位（单位（1kg1kg）制冷剂蒸气在冷凝器中放出的）制冷剂蒸气在冷凝器中放出的热量，称为单位冷凝热。单位冷凝热包括热量，称为单位冷凝热。单位冷凝热包括显热和潜热两部分显热和潜热两部分 qhhhhhhk233424 (2-10) 比较式（比较式（2-62-6）、（）、（2-92-9）和（）和（2-102-10）可以）可以看出，对于单级压缩式蒸气制冷机理论循看出，对于单级压缩式蒸气制冷机理论循环，存在着下列关
18、系环，存在着下列关系(2-11)qqwk00(5)(5)制冷系数制冷系数0 对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，制冷系数为制冷系数为 (2-12) 0001421qwhhhh制冷系数愈大制冷系数愈大经济性愈好经济性愈好冷凝温度越高冷凝温度越高制冷系数越小制冷系数越小蒸发温度越低蒸发温度越低将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝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。温度的状态，称为过冷。1. 1. 液体过冷液体过冷带有过冷的循环，叫做过冷循环。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采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数都是有利的都是
19、有利的图图2-17 2-17 过冷循环在过冷循环在T-sT-s图（图（a a）和）和lglgp-hp-h图（图（b b）上的表示）上的表示qhhhh05544 (2-14)与无过冷的循环与无过冷的循环1-2-3-4-5-11-2-3-4-5-1相比，过相比，过冷循环的单位制冷量的增加量为冷循环的单位制冷量的增加量为 在图2-17（a）中，q0以面积5-5-b-c表示，在图2-17（b）中，q0以线段5-5表示。因两个循环的理论比功w 0相同，过冷循环的制冷系数比无过冷循环的制冷系数要大。 hhhhhhc thh144421021(2-15)2.2.吸入蒸气的过热吸入蒸气的过热 压缩机吸入前的制
20、冷剂蒸气的温度高于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温度时，称为吸气压力下制冷剂的饱和温度时，称为过热。具有吸气过热的循环，称为过热过热。具有吸气过热的循环，称为过热循环。循环。图图2-18示出了过热循环示出了过热循环1-1-2-3-4-5-1的的T-s图和图和lg p-h图。图中图。图中1-1是吸气的过热是吸气的过热过程，其余与基本循环相同。过程，其余与基本循环相同。 图图2-182-18过热循环在过热循环在T-sT-s图（图（a a）和）和lglgp-hp-h图（图（b b）上的表示）上的表示110hhq (2-16)hh()hh(w12120 (2-17)有效过热循
21、环的制冷系数可表示为有效过热循环的制冷系数可表示为00000wwqqwq (2-18)由制冷剂的由制冷剂的T-sT-s图我们可以得到，在过热图我们可以得到，在过热区，过热度越大，其等熵线的斜率越大，区，过热度越大，其等熵线的斜率越大，根据式（根据式（2-172-17），得），得 00w （2-19）图图2-192-19有效过热的过热度对制冷系数的影响有效过热的过热度对制冷系数的影响表表2-22-2过热度对排气温度的影响过热度对排气温度的影响hhhh4411 (2-20) 若不计回热器与环境空气之间的热交换，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则液体过冷的热量等
22、于使蒸气过热的热量，其热平衡关系为量，其热平衡关系为 3.3.回热循环回热循环利用回把热使节流前的制冷剂液体与压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，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。使液体过冷、蒸气过热，称之为回热。图图2-21 2-21 回热循环在回热循环在T-sT-s图（图（a a）和）和lglgp-hp-h图（图（b b）上的表示）上的表示c ttcttkp4010（2-21） 由式（由式（2-212-21）可以求出）可以求出 ttccttkp4010（2-22）回热循环的性能指标如下：回热循环的性能指标如下：单位制冷量单
23、位制冷量41410hhhh q （2-23） 单位容积制冷量单位容积制冷量vv q q10（2-24） 单位功单位功 12hh w制冷系数制冷系数12410hhhh w q （2-26）由图（由图（2-212-21）可知，与无回热循环）可知，与无回热循环1-2-1-2-3-4-5-13-4-5-1相比较，回热循环的单位制冷相比较，回热循环的单位制冷量增大了量增大了Rptchhhhq011440 （2-27）（2-25）Rptcq q000循环的单位功可近似地表示成循环的单位功可近似地表示成000101TtwTTw wR（2-29）但单位功也增大了但单位功也增大了)hh()hh(w ww1212
24、00（2-28） 000010010111TttqcqTtvtcqv q qRRpvRRpv （2-302-30）00000000111TttqcTtwqqRRpR (2-31)(2-31)11000cqttTpRR即即c Tqp000（2-32）如果要使回热循环的单位容积制冷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，其量及制冷系数比无回热循环高，其条件应是条件应是1 1流动过程有压力损失。流动过程有压力损失。 2 2制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热交换。交换。3 3热交换器中存在温差。热交换器中存在温差。图图2-22 2-22 实际循环在实际循环在T-sT-s图（图（a a）和）和lglg p-hp-h图（图（b b）上的表示）上的表示
