浙江交通职院制冷与空调技术理论教案.docx

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1、制冷与空调技术理论教案第一部分理论知识工程热力学Ei1.1基本概念司1.2热力学第一定律同1.3传热学教学目的与要求：1 .了解工程热力学的基本概念、传热学的基本概念，能正确理解这些基本概念的定义和意义。2 .熟悉热力学系统的基本内涵、热能转换装置的工作过程。3 .掌握热力学第一定律的内容及实质。4 .掌握传热三种方式的内容及实质。内容和时间安排、教学方法:1 .内容和时间安排：4学时。2 .教学方法：课堂讲解、多媒体教学、案例教学、课堂提问。教学重点和难点：1 .重点：工程热力学的基本概念、热力学第一定律的内容及实质；2 .难点：热力学系统的基本内涵；传热三种方式的实质；热力学是研究热能和其

2、它形式的能量相互转换规律的学科。工程热力学是热力学的一个分支，是从工程应用的角度研究热能和机械能相互转换规律的一门学科。工程热力学研究的内容为：热能与机械能相互转换的媒介质一一工质的性质；热能与机械能相互转换的过程；提高热力设备和装置经济性的有效途径和方法。1.1基本概念通过简要介绍常见的热能转换装置的工作过程，建立工质、热力系统、热力状态、状态参数、可逆过程、循环等概念，使我们能正确理解这些基本概念的定义和意义。常见热能转换装置的工作过程:1.1.1柴油机工作过程柴油机是活塞式内燃机的一种，它的基本结构由固定部件、运动部件、配气系统、燃油系统、润滑系统、冷却系统、操纵系统组成，图IT是四冲程

3、柴油机工作原理示意图。柴油以雾状喷入气缸，在气缸中与高温高压的空气混合并燃烧，燃烧后的高温高压燃气推动活塞下行并带动曲轴转动。燃料的化学能通过燃烧转化为热能，乂通过曲柄连杆机构转化为输出的机械能，通过进、排气过程完成新鲜空气与废气的置换。图IT四冲程柴油机工作原理示意图1）燃气轮机装置工作过程简单的燃气轮机装置包括压气机、燃气轮机、燃油泵和燃烧室。图1-2是燃气轮机装置的示意图。油泵和压气机向燃烧室供给增压后的燃油和空气，它们在其中混合并燃烧，释放出热能，燃烧后的高温燃气在叶轮前的喷管中膨胀，把热能转换成动能，高温燃气转变成高速气流，高速气流冲击叶轮叶片，并使叶轮轮轴转动，向外输出机械能,作功

4、后的废气由排气口排向大气并在大气中放热。图1-2燃气轮机装置示意图2）蒸汽动力装置工作过程蒸汽动力装置由锅炉、蒸汽轮机、冷凝器、水泵所组成，燃料在锅炉的炉膛内燃烧，将燃料的化学能转变成烟气的热能，经炉膛沸水管壁传热给管内的水，水受热后变成蒸汽储藏在汽包内，包内的蒸汽又通过过热器进一步加热后，输送到汽轮机，蒸汽进入汽轮机后，先在汽轮机进口处的喷管中膨胀，转变成高速气流，高速气流冲击汽轮机叶片，并使汽轮机轮轴转动，向外输出机械能。作功后的乏汽排入冷凝器，在冷凝器中放热并冷凝成水，水再由水泵送入锅炉，经加热后又变成蒸汽。如此循环往复，蒸汽动力装置就不断地将热能转换成机械能并传输给外界。3）蒸汽压缩制

5、冷装置的工作过程产生并保持比环境温度低的温度需要制冷装置。在船上及生活等领域普遍采用蒸汽压缩制冷装置。蒸汽压缩制冷装置的基本设备由压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、蒸发器（冷库）所组成,图1-4为它的示意图。.T.123=图1-4?蒸汽压缩制冷装置工作示意图从对上述四个热能转换装置工作过程的介绍可以看出，柴油机、燃气动力装置、蒸汽动力装置虽然它们的工作原理、设备各不相同，但都是将热能转变成机械能的装置，这也是一切热动力机能量转换的共同方式：而蒸汽压缩制冷装置则是用消耗机械能的方式将低温制冷剂升高温度，使从冷库中取出的低温热量和消耗的压缩功一起放给环境。消耗一定的能量才能使低温热量传向高温环境，这也是

6、一切制冷装置的工作原理。1.1.2工质从上述热力设备的工作过程中我们知道，在热能和机械能的相互转换中必须要有一个工作物质，例如柴油机的工作物质为空气和燃气，蒸汽动力装置的工质为水和水蒸汽，蒸汽压缩制冷装置的工作物质为制冷剂。在热力转换过程中由这个工作物质来吸收热量膨胀并对外做功，或者由这个工作物质把从冷库吸收的热量放给环境，没有这个工作物质，就不可能实现热能和机械能之间的转换。我们把这个工作物质称为工质，即实现热能和机械能相互转换的媒介物称为工质。作为工质的物质必须具有良好的膨胀性、压缩性和流动性。所以，热动力装置所用的工质都为气态物质，如空气、燃气和蒸汽。1）热力学系统从上述热能转换装置的工

7、作过程我们知道，任何一种能量转换装置都是由几个相互作用的实现能量转换或传递的热力设备所组成的。例如蒸汽动力装置是由锅炉、蒸汽轮机、冷凝器、水泵所组成。为了进行热力学分析，首先我们要在相互作用的各种热力设备中划分一个（或几个）热力设备作为研究对象，这种被划分出来的研究对象称为热力学系统，简称系统。系统之外的其它热力设备统称为外界。系统与外界的分接口称为边界。边界可以是真实的，也可以是设想的。例如取压缩空气瓶内的空气为系统，则瓶的内壁面就是真实的边界；而当取废气涡轮内的空气作为系统时，则进出口处的边界是设想的。热力学系统与外界一般有三种相互作用：系统与外界的物质交换，热的交换和功的交换。按照系统与

8、外界相互作用的特点，在热力学中往往把系统分为下述几类。闭口（封闭）系统：系统与外界没有物质的交换。例如把柴油机气缸中正进行膨胀的燃气选作系统，尽管燃气会从气缸与活塞的缝隙间漏泄一点，但泄漏量极小，可以足够精确地看作系统与外界没有物质交换，这就是封闭系统，如图1-5所示。封闭系统是由闭合表面包围的质量恒定的物质集合。封闭系统与外界可以有热和功的交换，也可以没有。开口系统：系统与外界有物质的交换。例如把废气涡轮选作系统，它有工质的流入与流出,这就是开口系统，如图1-6所示。开口系统与外界可以有热和功的交换，也可以没有。图1-5封闭系统a图1-6开口系统图1-7绝热系统绝热系统：系统与外界没有热量的

9、交换。如图1-7所示的燃气膨胀时有热量传给冷却水，如取燃气和冷却水（通常称为冷源）为系统，则包括燃气和冷却水的系统与外界没有热交换，因而该系统为绝热系统。孤立系统：系统与外界没有物质交换，也没有热和功的交换。如果把所有发生相互作用的各种热力设备作为一个整体，并把这个整体选定为所研究的系统，虽然这个系统内部的各部分可以有物质交换、热和功的交换，但这个系统作为整体与外界没有任何相互作用，那么这个系统就是孤立系统。与系统发生作用的外界也可分为以下几种：热源：热力学中将与系统只发生热的相互作用的外界，称为“热源”。温度高的热源称为高温热源，温度低的热源称为低温热源，并且认为热源的容量足够大，它吸入和放

10、出有限热量时温度保持不变。功源：热力学中将与系统只发生功的相互作用的外界定义为“功源”。功源与封闭系统交换的功是直接通过系统中工质膨胀或压缩引起的容积改变实现的，称为“容积功”；功源与开口系统交换的功通过转轴传递，称为“轴功”。习惯上，系统对外界（功源）作功为正值，外界（功源）对系统作功为负值。质源：热力学中将与系统进行物质交换的外界定义为“质源”2）热力系统的状态参数从上面的讨论可以知道，当系统处于平衡状态时，可以用确定的唯一的一组状态参数值来描述它。在工程热力学里，常用的状态参数有六个，即压力、温度、容积、内能、燃和嫡。在这六个状态参数中，只需知道其中任意两个独立的状态参数就可以决定一个状

11、态，所以工质的状态也可以用参数坐标图表示。工程上把可直接观察和测量的状态参数称为基本状态参数，它们是压力、温度和比容。在工程热力学中，把工质指向系统表面（真实的容器壁或假想的分接口）单位面积上的垂直作用力，称为“压力”（即压强）。分子运动论把气体压力看作是气体分子撞击壁面的宏观表现，数值上等于单位容积内的分子数与分子的平均移动动能乘积的三分之二。压力的定义式:P二R-R上式中：P工质指向表面的垂直作用力，单位为牛顿，用N表示;作用面积，单位为平方米，用m2表示。压力的国际单位为N112,称为帕斯卡，简称“帕”，符号为Pa。系统的真实压力称为绝对压力，绝对压力P是工质的状态参数。因为不管用什么测

12、压仪表，如图18?弹簧管压力表、图19U形管压力计，测得的是工质的绝对压力P与大气压力Pb之间的相对值。因为大气压力随时随地都会发生变化，所以测量值不等于系统的真实压力值，不能真实地表示系统内工质所处的热力状态，所以这个相对值就不是工质的状态参数图18弹簧管压力表图19U形管压力计当绝对压力高于大气压力（ppb）时，压力表（计）指示的数值称为表压力，用Pg表示，如图1-9（八）所示。显然，这时系统绝对压力为：当绝对压力低于大气压力（pO,则dsO,即系统从热源吸热，工质比燃增加；反之，dqO,则ds0表示热源对系统加热q0表示系统比内能增加u0表示系统对功源作功wGl）I（因为wt、qI）蒸发

13、温度toII（因为Vlf使GI）当Pk/P03左右时I（因为Glwt）I（因为WOt、q不变）供液过冷度（tk-t3）tt（因为q0t）不变t（因为q0t;w0不变）吸气过热度（tl-t）1R12：（因为qf）GI）R22：（因为qt=GI）R717：（因为qt（Gl）I（因为Glwt）R12：（因为qfwf）R22：稍IR717：（因为qtwt返回2.3制冷压缩机2.3.1制冷压缩机的分类与作用D.作用作用是：从蒸发器内吸出蒸气，将其压缩，并使压缩终了的高压气体排入冷凝器。2） .分类（1）按压缩气体的方式分类：（2）按制冷量的大小分类：可分为大、中、小型制冷压缩机2.3.2活塞式压缩机的基

14、本结构和名词术语1）、基本结构各种活塞式制冷压缩机的制冷量、外形、制冷剂、用途等不尽相同，但其基本结构和组成的主要零部件都大体相同，即包括机体、曲轴、连杆组件、活塞组件、吸排汽组件、汽缸套组件等。图3-3即为一台立式两缸活塞曲柄连杆式制冷压缩机的结构轴测图。图3-3立式两缸活塞式制冷压缩机2）、名词术语下面利用图3-4介绍压缩机的有关名词术语。1 .外止点（上止点）：活塞在汽缸中作反复运动时，离曲轴旋转中心最远的位置，如图3-4（八）所示。2 .内止点（下止点）：活塞在汽缸中作反复运动时，离曲轴旋转中心最近的位置，如图3-4（b）所示。3 .活塞行程：外止点与内止点之间的距离，通常用S表示，等

15、于曲柄半径R的两倍，即S=2R,单位为米（或毫米）。4 .余隙容积：活塞位于外止点时，活塞顶面与汽缸端面之间的容积，汽阀通道（与汽缸一直相通的）及第一道活塞环以上的环形容积的总和（图3-4a）,以Vc表示。5 .相对余隙容积：余隙容积与汽缸工作容积之比，以C表示，即C=X100%PP式中：Vc余隙容积；Vp汽缸工作容积。图3-4制冷压缩机有关的几何名称I-排气阀;2-吸气阀；3-汽缸；4-活塞；5-连杆；6-曲轴旋转中心2.3.4、 全封闭式制冷压缩机全封闭式制冷压缩机的特点，是将压缩机与电动机一起组装在一个密闭的罩壳内，形成一个整体，从外表上看只有压缩机进、排气管和电动机引线。图3-5为国产

16、2FV5Q型全封闭压缩机剖面图。压缩机的外部罩壳由钢板冲压而成，分上下两部分，装配完毕后焊死。它比半封闭压缩机更为紧凑，密封性更好。图3-52FV5Q型全封闭压缩机剖面图2.3.5、 活塞式制冷压缩机的优缺点一）、活塞式制冷压缩机的优点：1、能适应较广的工况范围和制冷量要求；2、热效率较高，单位是耗较少；3、对材料要求较低，多用普通钢铁材料，零件的加工比较容易，造价较低廉；4、技术上较为成熟，生产操作上有着丰富的经验。二）、活塞式制冷压缩机的缺点：1、因受到活塞往复运动惯性力的影响，转速受到限制，单机输汽量大时,机器显得笨重2、结构复杂，易损件多，维修工作量大；3、因受到各种力、力矩的作用，运

17、转时有振动；4、排汽不连续，汽体压力有波动。返回2.4制冷系统的换热器换热器是制冷设备中不可缺少的重要装置，换热器的传热效果直接影响制冷机的重量、体积以及运行特性和经济性。冷凝器和蒸发器是制冷机不可缺少的换热器，是制冷机的重要组成部分。除了冷凝器和蒸发器以外常用的换热器还有回热器、过冷器、中间冷却器和冷却塔。2.4.1、 冷凝器冷凝器是制冷设备向制冷系统放出热量的换热装置，制冷剂在冷凝器中放出的热量包括两部分：一是在蒸发器中吸收的被冷却物体的热量，二是制冷剂蒸气在制冷压缩机中被压缩时，由压缩机消耗的机械功转化的热量。i三航饱和蒸汽J饱和液体过冷液体制冷剂在冷凝器中被冷却冷凝液化的过程如下:冷凝

18、器按冷却介质和冷却方式，可以分为三种类型：1）水冷式冷凝器2）空冷式冷凝器3）蒸发式冷凝器1）、水冷式冷凝器的结构水冷式冷凝器是利用水来吸收制冷剂放出的热量，其特点是传热效率高，可配有水冷却塔，冷却水在冷却塔中将从冷凝器吸收的热量释放给周围的空气。水冷却式冷凝器的结构有管壳式、套管式、板式、螺旋板式冷凝器等几种形式。2）立式管壳式冷凝器（如图3-6所示。）3）卧式管壳式冷凝器卧式管壳式冷凝器广泛应用在大、中、小型氨和氟利昂制冷装置，卧式管壳式冷凝器是水平放置的，所以称为卧式冷凝器。冷却水入口IRWl,分水箱CSKq酷刑制冷剂蒸汽0：1.由三三一制冷剂液体冷却水流入水池图3-6立式管壳式冷凝器4

19、）管套式冷凝器管套式冷凝器是由两种或几种不同直径的管子套在一起组成的，有的套管式冷凝器为了节省空间，把套在一起的管子盘成圆形或椭圆形的盘管，目前套管式冷凝器主要用于小型的氟利昂制冷设备。5）螺旋板式冷凝器螺旋板式换热器是一种高效的换热器，螺旋板由两张平行的钢板在专用卷板机上卷制而成，流道始于螺旋板式换热器的中心，而终于螺放板式的换热器的外缘，螺旋板的上下两端用封条焊死。板式冷凝器的传热组件是冲压成型的薄金属片，换热板热中冲有波纹以强化传热，很多换热板片迭放在一起焊死，换热板与换热板之间的周边放入一定形状的密封圈，使换热板之间保持一定的距离，构成制冷剂与冷却水的流道，流体在换热板之间的流程可以按

20、具体的情况进行安排，一般常见的有并联、串联和混联，在制冷设备中多用于并联流程。7）、空气冷却式冷凝器（如图3-7所示）空气冷却式冷凝器又称为风冷式冷凝器，在这种冷凝器中，制冷剂蒸气和冷凝所放出的热量是由空气来冷却的，空气式冷凝器按空气冷却方式又分为自然对流空气冷却式冷凝器和强迫对流空气冷却式冷凝器；图3-7空气冷却式冷凝器8）、蒸发式冷凝器2.4.2、 蒸发器蒸发器是制冷剂从系统外吸收热量即制冷的换热器，制冷剂液体在蒸发器的换热管内流动，并在低温下蒸发，变为蒸气，制冷剂在蒸发的过程中吸收被冷却物体或介质的热量，蒸发器位于制冷系统的节流阀和压缩机的吸气管之间。蒸发器的结构按被冷却介质可以分为冷却

21、液体载冷剂的蒸发器和冷却空气的蒸发器两大类，冷却液体载冷剂的蒸发器有管壳式蒸发器、直立管式蒸发器、螺旋管式蒸发器和蛇形管式蒸发器，冷却空气有直接蒸发式空气冷却器和排管式蒸发器。1、卧式管壳式蒸发器卧式管壳式蒸发器是用来冷却如水和盐水等液体载冷剂的蒸发器。2、干式蒸发器干式蒸发器的结构与卧式管壳式蒸发器的结构相似,所不同的是在干式蒸发器中制冷剂液体在换热管内流动，而载冷剂在换热管外流动。3、沉浸式蒸发器1）、直立管式蒸发器2）、螺旋管式蒸发器3）、蛇管式蒸发器4、冷却空气的蒸发器冷却空气的蒸发器又分为直接蒸发式空气冷却蒸发器（冷风机）和排管式空气冷却蒸发器两种，冷却空气的蒸发器制冷剂都是在换热管内流动蒸发，空气在换热管外流动被冷却。2.