布雷顿制冷循环课件.ppt
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1、多媒体教学课件多媒体教学课件李文科 制作第二章第二章 制冷方法制冷方法 第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷第二节第二节 电、磁、声制冷电、磁、声制冷第三节第三节 气体涡流制冷气体涡流制冷第四节第四节 气体膨胀制冷气体膨胀制冷第五节第五节 绝热放气制冷绝热放气制冷第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷内内 容容 提提 要要一、一、相变制冷概述相变制冷概述二、二、蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷三、三、蒸气吸收式制冷蒸气吸收式制冷四、四、蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷五、五、吸附制冷吸附制冷第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 一、相变制冷概述一、相变制冷概述 物质有三种集态物质有三种集态( (相
2、态相态) ):气态、液态、固态。:气态、液态、固态。 物质集态的改变称为物质集态的改变称为“相变相变”。 相变过程中,由于物质相变过程中,由于物质分子重新排列分子重新排列和和分子热运动速分子热运动速度的改变度的改变,会吸收或放出热量,这种热量称为,会吸收或放出热量,这种热量称为潜热潜热。 (1)(1)物质发生从质密态到质稀态的相变时将物质发生从质密态到质稀态的相变时将吸收潜热吸收潜热; (2)(2)物质发生由质稀态向质密态的相变时将物质发生由质稀态向质密态的相变时将放出潜热放出潜热。 相变制冷相变制冷就是利用物质发生从质密态到质稀态的相变就是利用物质发生从质密态到质稀态的相变时的吸热效应而实现
3、的。时的吸热效应而实现的。利用液体相变的,是利用液体相变的,是液体蒸发制液体蒸发制冷冷;利用固体相变的,是;利用固体相变的,是固体融化或升华冷却固体融化或升华冷却。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 液体蒸发制冷液体蒸发制冷以流体作制冷剂,通过一定的机器设备以流体作制冷剂,通过一定的机器设备构成构成制冷循环制冷循环,可以对被冷却对象实现连续制冷。实现连续制冷。它是制冷技术中使用的主要方法。 固体相变冷却固体相变冷却则是以一定数量的固体物质作制冷剂,则是以一定数量的固体物质作制冷剂,作用于被冷却对象,实现冷却降温。作用于被冷却对象,实现冷却降温。一旦固体全部相变,冷却过程即告终止。第一节第一
4、节 物质相变制冷物质相变制冷 1 1固体相变冷却固体相变冷却 常用的制冷剂有:常用的制冷剂有:冰冰、冰盐冰盐、干冰干冰,以及,以及其他固体物其他固体物质质。 (1) (1) 冰冷却冰冷却 冰融化或升华均可用于冷却,主要利用冰融化冷却。冰融化或升华均可用于冷却,主要利用冰融化冷却。 常压下冰在0融化,冰的融化潜热为冰的融化潜热为335 kJ/kg。能够满足0以上的制冷要求。 冰冷却时,常借助空气或水作中间介质以吸收被冷却冰冷却时,常借助空气或水作中间介质以吸收被冷却对象的热量。对象的热量。此时,换热过程发生在水或空气与冰表面之间。被冷却物体所能达到的温度一般比冰的融化温度高被冷却物体所能达到的温
5、度一般比冰的融化温度高510。厚度10 cm左右的冰块,其比表面积在2530 m2/m3之间。为了增大比表面积,可以将冰粉碎成碎冰。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 水与冰表面的表面传热系数为水与冰表面的表面传热系数为116 W/(m2K)。空气与冰表面的表面传热系数见表2l。 表表2 21 1 空气与冰表面的表面传热系数空气与冰表面的表面传热系数W/(/(m2 K) 冰的其他物理特性如下:冰的其他物理特性如下: 水冻结成冰时出现膨胀现象,其水冻结成冰时出现膨胀现象,其体积约体积约增大增大9%。冰的平均密度为平均密度为900 kg/m3。冰的冰的膨胀系数膨胀系数与温度有关,见表与温度有关
6、,见表22。温差/K51015自然循环4.17.09.3强制循环11.617.423.2第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷表表2 22 2 冰的膨胀系数冰的膨胀系数 冰的比热容与温度有关冰的比热容与温度有关,用下式表达 kJ/(kgk) (21) 在温度为在温度为- -200范围内,其平均比热容为范围内,其平均比热容为2.093 kJ/(kgK)。 冰的导热系数导热系数也随温度改变。在在- -20以下,冰的导热以下,冰的导热系数的平均值为系数的平均值为2.32 W/(mK)。冰在。冰在0时的导温系数时的导温系数a=0.00419 W/h。温度()05101520膨胀系数104(1/)2.7
7、62.131.711.281.43Tc0264. 0165. 2第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 (2)(2)冰盐冷却冰盐冷却 冰盐冰盐是指冰与盐类的混合物。是指冰与盐类的混合物。用冰盐作制冷剂可以获得更低的温度。 冰盐冷却是利用冰盐融化过程的吸热。冰盐融化过程冰盐融化过程的吸热包括的吸热包括冰融化吸热冰融化吸热和和盐溶解吸热盐溶解吸热这两种作用。这两种作用。起初冰在0下吸热融化,融化水在冰表面形成一层在冰表面形成一层水膜水膜。接着。接着盐溶于水,变成盐溶于水,变成盐水膜盐水膜,由于溶解要吸收溶解热,造成盐水膜的温度降低。继而,在较低的温度下冰进一步融化,并通过其表层的盐水膜与被冷却对象
8、发生热交换。这样的过程一直进行到冰全部融化,与盐形成均匀的盐水溶液。 冰盐冷却能达到的低温程度与盐的冰盐冷却能达到的低温程度与盐的种类种类和混合物中盐和混合物中盐与冰的与冰的质量比质量比有关。有关。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 工业上应用最广的冰盐是块冰与工业食盐NaCl的混合物。表表23给出给出NaCl冰盐的融化温度和单位制冷冰盐的融化温度和单位制冷能力。能力。表表2 23 3 NaCl冰盐的融化温度和单位制冷量冰盐的融化温度和单位制冷量NaCl与冰的质量比x (%)51015202530融化温度tm()-3.1-6.2-9.9-13.7-17.8-21.2单位制冷量q0(kJ/k
9、g)314.3284.9259.8238.8213.7192.7第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 工业上常用如下经验公式经验公式计算NaCl冰盐的制冷特性: 融化温度 tm =0.7x (22) 单位制冷能力 q0 = 335 + 4.187tm (23) 密度 = 500 + 0.5x (24) NaCl冰盐与空气之间的表面传热系数值:冰盐与空气之间的表面传热系数值: 当温差为515时,若空气自然对流自然对流,表面传热系数为5.88.l W/(m2K);若空气强制对流强制对流,表面传热系数将增大1.2倍。 其他种类的冰盐特性如表24所示。冰(雪)与某些酸类的混合物也有与冰盐类似的冷却作
10、用和机理,其特性在表24中一并列出。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷表表24 冰盐冰盐(酸酸)的混合物特性的混合物特性混合物中的盐(酸)盐(酸)与冰的质量比/%混合后的最低温度/CaCl26H2ONa2SO45H2OKClNH4ClNH4NO3NaNO3NH4NO3NaClNaCl6H2ONaCl6H2OH2SO4(浓度60%)H2SO4(浓度60%)413067.5302560596233828139.011.011.011.015.817.318.519.021.221.516.020.0第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 (3)(3)干冰冷却干冰冷却 固态固态CO2俗称干冰。俗
11、称干冰。 CO2的三相点参数为:温度的三相点参数为:温度- -56.6,压力,压力0.518MPa。图21是CO2的相平衡图。图中示出它的相区和相变特征。干冰在三相点以上吸热时融化,成为液态二氧化碳;在三相点和三相点以下吸热时,则直接升华,成为二氧化碳气体。 干冰的升华潜热干冰的升华潜热r与温度与温度T之间的关系之间的关系可用下式表达: (25) 式中 r的单位为kJ/kg。3523108 . 11026. 65 .665TTTr第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷图图2 21 C01 C02 2的相平衡图的相平衡图 A A气液相界线;气液相界线;B B固液相界线;固液相界线;C C固气相界
12、线;固气相界线;l l沸腾;沸腾;2 2融化;融化;3 3升华升华第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 常压下干冰的升华温度为常压下干冰的升华温度为- -78.5,升华潜热为,升华潜热为573.6 kJ/kg。升华后的低温二氧化碳气体仍具有显热制冷能力,若再使它温度升到0,其显热为显热为72.8 kJ/kg,则总的制冷总的制冷能力为能力为646.4 kJ/kg。所以干冰的制冷能力比冰和冰盐都大。在与冰制冷相同的条件下,干冰的单位质量制冷能力是冰干冰的单位质量制冷能力是冰的的1.9倍,单位容积制冷能力是冰的倍,单位容积制冷能力是冰的2.95倍倍。 干冰的平均密度为干冰的平均密度为1560 kg
13、/m3。干冰融化成液体时,。干冰融化成液体时,体积约增大体积约增大28.5%。这一点与水冰融化时体积减小正相反。设计和操作干冰液化设备时务必注意此特性。 干冰是良好的制冷剂,它化学性质稳定,对人体无害。早在19世纪,干冰冷却就用于食品工业、冷藏运输、医疗、人工降雨、机械零件冷处理和冷配合等方面。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 (4)(4)其他固体升华冷却其他固体升华冷却 近代科学研究中,为了冷却红外探测器、射线探测器、机载红外设备等的需要,采用了固态制冷剂升华的制冷系统。其制冷温度取决于固体的种类、系统中的压力和被冷却对象的热负荷。通过改变升华气体的流量来调节系统中的背压和温度,就可以
14、保持一个特定的温度。这种制冷系统的工作寿命由固体制冷剂的用量和被冷却对象的负荷决定,有达1年之久的。固体升华制冷的主要优点是升华潜热大,制冷温度低,固体制冷剂的贮存密度大。 表表25列出了一些固体制冷剂的工作温度范围、升华列出了一些固体制冷剂的工作温度范围、升华潜热和密度的值。潜热和密度的值。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 2 2液体蒸发制冷液体蒸发制冷 液体汽化形成蒸气,利用该过程的吸热效应制冷的方液体汽化形成蒸气,利用该过程的吸热效应制冷的方法称液体蒸发制冷。法称液体蒸发制冷。液体蒸发制冷循环的基本原理基本原理如下如下(参参照图照图22)。 当液体处在密闭的容器内时,若容器内除了液
15、体和液体本身的蒸气外不含任何其他气体,那么液体和蒸气在某一压力下将达到平衡。这种状态称为饱和状态饱和状态。如果将一部分饱和蒸气从容器中抽出,液体中就必然要再汽化出一部分蒸气来维持平衡。以液体为制冷剂,它在汽化时要吸收汽化潜热,该热量来自被冷却对象,只要液体的蒸发温度比环境温度低,便可使被冷却对象变冷或者使它维持在环境温度以下的某一低温。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 (a) (a)饱和压力曲线饱和压力曲线 (b)(b)构成循环的原理构成循环的原理图图2 22 2 液体蒸发制冷原理图液体蒸发制冷原理图第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 为使过程连续进行,必须不断地从容器中抽走制冷剂蒸
16、气,再不断地将液体补充进去。为使制冷剂蒸气的冷凝过程可在常温下实现,需要将制冷剂蒸气的压力提高到常温下的饱和压力。这样,制冷剂将在低温低压下蒸发,产生制冷效应;然后在常温和高压下凝结,向环境温度的冷却介质排放热量;凝结后的制冷剂液体由于压力较高,返回容器之前需要先降低压力。 液体蒸发制冷循环必须具备以下四个基本过程:液体蒸发制冷循环必须具备以下四个基本过程:制制冷剂液体在低压下汽化产生低压蒸气;冷剂液体在低压下汽化产生低压蒸气;将低压蒸气抽出将低压蒸气抽出并提高压力变成高压蒸气;并提高压力变成高压蒸气;将高压蒸气冷凝成高压液体;将高压蒸气冷凝成高压液体;高压液体再降低压力回到初始的低压状态。高
17、压液体再降低压力回到初始的低压状态。如此便完成循环。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 按照实现循环所采用的方式不同,按照实现循环所采用的方式不同,液体蒸发制冷有液体蒸发制冷有蒸蒸气压缩式制冷气压缩式制冷、蒸气吸收式制冷蒸气吸收式制冷、蒸气喷射式制冷蒸气喷射式制冷和和吸附吸附式制冷式制冷等几种形式。等几种形式。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 二、蒸气压缩式制冷二、蒸气压缩式制冷 蒸气压缩式制冷的基本系统如图23所示。 系统由系统由压缩机压缩机、冷凝器冷凝器、膨胀阀膨胀阀、蒸发器蒸发器组成,用管组成,用管道将它们连接成一个密封的系统。道将它们连接成一个密封的系统。 在蒸发器内处于低温
18、低压的制冷剂液体与被冷却对象发生热交换,吸收被冷却对象的热量并汽化。产生的低压蒸气被压缩机吸入,经压缩后以高压排出。压缩机排出的高压气态制冷剂进冷凝器,被常温的冷却水或空气冷却,凝结成高压液体。高压液体流经膨胀阀时节流,变成低压低温的气、液两相混合物,进入蒸发器,其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷,产生的低压气再次被压缩机吸入。如此周而复始,不断循环。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷图图2 23 3 蒸气压缩式制冷的基本系统蒸气压缩式制冷的基本系统第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 蒸气压缩式制冷系统中,用压缩机抽出低压气并将其提高压力后排出。气体压缩过程需要气体压缩过程需要消耗能量
19、消耗能量,由输入压,由输入压缩机的缩机的机械能机械能或或电能电能提供。提供。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 三、蒸气吸收式制冷三、蒸气吸收式制冷 蒸气吸收式制冷的基本系统如图24所示。整个系统整个系统包括两个回路:包括两个回路:制冷剂回路制冷剂回路和和溶液回路溶液回路。 系统中使用系统中使用制冷剂制冷剂和和吸收剂吸收剂作为工作流体,称为吸收作为工作流体,称为吸收式制冷的式制冷的工质对工质对。吸收剂对制冷剂气体具有很强的吸收能吸收剂对制冷剂气体具有很强的吸收能力。吸收剂吸收了制冷剂气体后形成溶液。溶液经加热又力。吸收剂吸收了制冷剂气体后形成溶液。溶液经加热又能释放出制冷剂气体。能释放出制
20、冷剂气体。因此,可以用溶液回路取代压缩机可以用溶液回路取代压缩机的作用,构成蒸气吸收式制冷循环。的作用,构成蒸气吸收式制冷循环。 图24中,制冷剂回路制冷剂回路由冷凝器2、制冷剂节流阀3和蒸发器4组成。高压制冷剂气体在冷凝器中冷凝,产生的高压制冷剂液体经节流后到蒸发器蒸发制冷。溶液回路溶液回路由发生器1、吸收器5、溶液节流阀6、溶液热交换器7和溶液泵8第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 图图2 24 4 蒸气吸收式制冷的基本系统蒸气吸收式制冷的基本系统1-1-发生器;发生器;2-2-冷凝器;冷凝器;3-3-制冷剂节流阀;制冷剂节流阀;4-4-蒸发器;蒸发器;5-5-吸收器;吸收器;6-6-
21、溶液节流阀;溶液节流阀;7-7-溶液热交换器;溶液热交换器;8-8-溶液泵。溶液泵。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 组成。在吸收器中,吸收剂吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸气,形成富含制冷剂的溶液,将该溶液用泵送到发生器,经加热使溶液中的制冷剂重新以高压气态发生出来,送入冷凝器。另一方面,发生后的溶液重新恢复到原来成分,经冷却、节流后成为具有吸收能力的吸收液,进入吸收器,吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸气。吸收过程中伴随释放吸收热,为了保证吸收的顺利进行,需要用冷却的方法带走吸收热,以免吸收液温度升高。 将吸收式制冷系统与压缩式制冷系统做个对比:将吸收式制冷系统与压缩式制冷系统做个对比:在蒸在
22、蒸气吸收式制冷系统中,吸收器好比压缩式制冷系统中压缩气吸收式制冷系统中,吸收器好比压缩式制冷系统中压缩机的吸入侧;发生器好比压缩机的排出侧;对发生器内溶机的吸入侧;发生器好比压缩机的排出侧;对发生器内溶液的加热,提供提高制冷剂蒸气压力的能量。液的加热,提供提高制冷剂蒸气压力的能量。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 蒸气吸收式制冷的蒸气吸收式制冷的机种机种以其所用的以其所用的工质对工质对区分。区分。 当前普遍应用的工质对有两种:当前普遍应用的工质对有两种:溴化锂水溴化锂水(制冷剂是制冷剂是水水),氨水氨水(制冷剂是氨制冷剂是氨)。溴化锂吸收式制冷机用于制取710的冷水;氨水吸收式制冷机能够
23、制冷的温度可达-20或更低。 第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 四、蒸气喷射式制冷四、蒸气喷射式制冷 蒸气喷射式制冷的基本系统如图蒸气喷射式制冷的基本系统如图25所所示,其组成部示,其组成部件包括件包括喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀和泵。喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀和泵。喷射器由喷射器由喷嘴、吸入室、混合室和扩压器四部分组成。喷嘴、吸入室、混合室和扩压器四部分组成。喷射器的吸入室与蒸发器相连,扩压器出口与冷凝器相连。 工作过程为:工作过程为:用锅炉产生高温高压工作蒸气,工作蒸气进入喷嘴,在喷嘴中膨胀并以高速(可达可达1000 m/s以上以上)流动,于是在喷嘴出口处造成很低的压力,使蒸发
24、器中的水在低温下蒸发。由于水汽化时需从未汽化的水中吸收潜热,因而使未汽化的水温度降低。这部分低温水便可用于空气调节或其他生产工艺过程。蒸发器中产生的冷剂水蒸气与工作蒸气在喷嘴出口处混合,一起进入扩压器;在扩第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷图图2 25 5 蒸气喷射式制冷的基本系统蒸气喷射式制冷的基本系统1 1喷射器喷射器(a(a喷嘴;喷嘴;b b扩压器;扩压器;c c吸入室吸入室) );2 2冷凝器;冷凝器;3 3蒸发器;蒸发器;4 4节流阀;节流阀;5 5、6 6泵泵第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 压器中流动的蒸气流速逐渐降低,压力逐渐升高,以较高压力进入冷凝器,被外部冷却水冷
25、却变成液态水。从冷凝器流出的液态水分两路:一路经节流降压后送回蒸发器,继续蒸发制冷;另一路用泵提高压力送回锅炉,重新加热产生工作蒸气。 图25表示的是一个封闭循环系统。在实际使用的系统中,冷凝后的水往往不再进入锅炉和蒸发器,而将它排入冷却水池作为循环冷却水的补充水使用。蒸发器和锅炉则另设水源供给补充水。第一节第一节 物质相变制冷物质相变制冷 图图26示出在示出在Ts图上所描述的蒸气喷射式制冷机的图上所描述的蒸气喷射式制冷机的理论工作过程与循环。理论工作过程与循环。图中12表示工作蒸气在喷嘴内部的膨胀过程。工作蒸气(状态2)与制冷剂水蒸气(状态3)混合后的状态是4。45表示混合蒸气在扩压器中流动
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