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1、食品食品工程原理工程原理 制冷原理制冷原理 张亮张亮第一节 制冷基础知识1.1.制冷的定义制冷的定义 作为一门科学，制冷是指采作为一门科学，制冷是指采用用人工的方法在一定时间人工的方法在一定时间和一定空间内将某和一定空间内将某物体物体或流体冷却，使其温度降到环境或流体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。温度以下，并保持这个低温。因此，制冷不同于自然冷却。因此，制冷不同于自然冷却。2.2.明确以下概念明确以下概念(1)(1)制冷剂：在制冷机中使用的工质称为制冷剂。制冷剂：在制冷机中使用的工质称为制冷剂。(2)(2)制冷机：机械制冷中所需机器和设备的总制冷机：机械制冷中所需机器和设备的
2、总和和称为制冷机。称为制冷机。(3)(3)制冷装置：将生产冷量的制冷机械和消耗冷量的设备结合制冷装置：将生产冷量的制冷机械和消耗冷量的设备结合在一起的装置。在一起的装置。3.制冷的分类制冷的分类 按照制冷所得到的低温范围，制冷技术划分为以按照制冷所得到的低温范围，制冷技术划分为以下下4个领域：个领域：普通制冷普通制冷 120K以上以上 深度制冷深度制冷 120K20K 低温制冷低温制冷 20K0.3K 低温制冷低温制冷 超低温制冷超低温制冷 0.3K以下以下 食品制冷食品制冷主要主要采用采用普通制冷。普通制冷。摄氏温度摄氏温度tc（oC）华氏温度华氏温度tF（oF）绝对温度绝对温度T（K）tc
3、=5(tF-32)/9T=tc+273.15基础知识基础知识基础知识基础知识-温度温度温度温度温度是表示物体冷热程度的量度。温度是表示物体冷热程度的量度。压力压力P（Pa）=F（N）/S（m2）绝对压力绝对压力Pa相对压力相对压力Pg=绝对压力绝对压力-大气压力大气压力 1标准大气压（标准大气压（atm）=1.01x105（Pa）常用压力单位：常用压力单位：M Pa,k Pa,mmH2O,mmHg,bar,psi基础知识基础知识基础知识基础知识-压压压压 力力力力工程上把单位面积上所受的垂直作用力称为压力。工程上把单位面积上所受的垂直作用力称为压力。密度密度kg/m3比容比容 m3/kg质量流
4、量质量流量 kg/s体积流量体积流量 m3/s 基础知识基础知识基础知识基础知识-其它常用基本参数其它常用基本参数其它常用基本参数其它常用基本参数热能：物质分子运动的动能热能：物质分子运动的动能热量：热能转移的度量热量：热能转移的度量 焦耳（J），千焦耳（kJ）质量比热质量比热一kg物体温度升高1K所吸收的热量 水在常温时的Cp=4.1868kJ/kg.干空气的定压比热Cp=1.005kJ/kg.热流，功率热流，功率 kW基础知识基础知识基础知识基础知识-热热热热 量量量量内能内能u=动能动能+势能势能焓焓i=气体内能气体内能+推动功推动功 i=u+P（比焓-kJ/kg）焓是用来表示物质系统能
5、量状态的一个参数。熵是表征工质状态变化时，与外界换热程度的一熵是表征工质状态变化时，与外界换热程度的一个导出的热力状态参数。个导出的热力状态参数。S2-S1=q/T（比熵比熵-kJ/kg.K）S2 S1 吸热 S2 S1 放热基础知识基础知识基础知识基础知识-焓和熵焓和熵焓和熵焓和熵热力学第一定律能量既不能创造，也不能消亡，而只能从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转变成另一种形式。在任何发生能量转换的热力过程中，转换前后能量的总量维持恒定。热能和机械能是可以相互转换的。基础知识基础知识基础知识基础知识-基本物理定律基本物理定律基本物理定律基本物理定律 热力学第二定律热量自发地从高强度体流
6、向低强度体。热量自发地从高温流向低温。不可能把热量从低温物体传至高温物体而不需要附加条件。基础知识基础知识基础知识基础知识-基本物理定律基本物理定律基本物理定律基本物理定律 查理定律压力一定时，气体的体积与温度成正比；压力一定时，气体的体积与温度成正比；体积一定时，气体的压力与温度成正比。体积一定时，气体的压力与温度成正比。基础知识基础知识基础知识基础知识-基本物理定律基本物理定律基本物理定律基本物理定律基础知识基础知识基础知识基础知识-物质的三态及变化物质的三态及变化物质的三态及变化物质的三态及变化固体液体气体熔解凝固液化汽化升华固化基础知识基础知识基础知识基础知识-传热和隔热传热和隔热传热
7、和隔热传热和隔热热量传递的三种基本形式：导热：同一物体的不同部分之间和相互接触的不同物体之间。对流：流体与固体表面之间或流体内部，流体运动。辐射：热辐射，电磁波。传热：一种流体通过一定厚度的固体将热量传给另传热：一种流体通过一定厚度的固体将热量传给另一种流体。一种流体。基础知识基础知识基础知识基础知识-显显显显 热热热热加热加热水水大气压大气压 物体在加热或冷却过程中，温度升物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量，称为收或放出的热量，称为“显热显热”。它能使人们有明显的冷热变化感觉，它能使人们有明显的冷热变化感觉，通常可用温
8、度计测量出来。通常可用温度计测量出来。基础知识基础知识基础知识基础知识-潜热、蒸发和沸腾潜热、蒸发和沸腾潜热、蒸发和沸腾潜热、蒸发和沸腾水沸腾水沸腾 水变成水蒸汽水变成水蒸汽 大气压大气压基础知识基础知识基础知识基础知识-饱和、过冷和过热饱和、过冷和过热饱和、过冷和过热饱和、过冷和过热212F 大气压大气压容器内汽液共存容器内汽液共存212F 100C 100C 汽体液体基础知识基础知识基础知识基础知识-升高饱和点升高饱和点升高饱和点升高饱和点水沸腾水沸腾压力锅防止蒸汽逃压力锅防止蒸汽逃逸。逸。液体表面压力升高液体表面压力升高使液体的沸点升高使液体的沸点升高1.208bar105C 基础知识基
9、础知识基础知识基础知识-降低饱和点降低饱和点降低饱和点降低饱和点水沸腾水沸腾真空泵将空气抽出容真空泵将空气抽出容器。器。液体表面压力降低使液体表面压力降低使液体的沸点降低。液体的沸点降低。0.008129bar4C 真空泵真空泵 基础知识基础知识基础知识基础知识-制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理制冷的基本热力学原理 制冷机制冷机高温热源高温热源THQCQHWQC+W=QH=QC/W低温热源低温热源TC什么是制冷?液体汽化制冷蒸汽压缩式吸收式 基础知识基础知识基础知识基础知识-制冷方法制冷方法制冷方法制冷方法 气体膨胀制冷 涡流管制冷 热电制冷 第二节 液体汽化制冷原
10、理及实现 1、汽化及汽化潜热q 汽化：液体转变为气体的物态变化称为汽化，有蒸发和沸腾两种形式。液体汽化时需吸收汽化潜热。q 汽化潜热：1kg液体汽化时所吸收的热量。液体的压力不同，其饱和温度（即沸点）也不同（压力越低，沸点越低，如氨在1标准大气压下，其沸点为33.4）。因此，只要创造一定的低压条件，利用液体的汽化即可获取所需要的低温。2、液体、液体汽汽化制冷的制冷原理（工作过程）化制冷的制冷原理（工作过程）3、蒸气压缩式制冷系统的构成、蒸气压缩式制冷系统的构成 四大基本部件及对应的热力过程压缩机：蒸气压缩 冷凝器：放热冷凝 节流阀：节流降压蒸发器：吸热蒸发 压缩机压缩机：从蒸发器中抽吸制冷剂蒸
11、气并进行压缩的设备。：从蒸发器中抽吸制冷剂蒸气并进行压缩的设备。其功能为：其功能为：从蒸发器中抽取气化的蒸气，从而维持蒸发器内一定的蒸发从蒸发器中抽取气化的蒸气，从而维持蒸发器内一定的蒸发温度和压力；温度和压力；对吸入的蒸气进行压缩，以维持冷凝器内的高压；对吸入的蒸气进行压缩，以维持冷凝器内的高压；输送制冷剂，是系统中的循环动力。输送制冷剂，是系统中的循环动力。冷冷凝凝器器：制制冷冷剂剂与与冷冷却却介介质质进进行行热热交交换换的的设设备备，对对外外输输出出热热量量。制制冷冷剂剂蒸蒸气气在在其其中中冷冷却却、冷冷凝凝，释释放放的的热热量量由由空空气气或或水等介质带走。水等介质带走。冷冷却却介介质
12、质：用用于于冷冷却却制制冷冷剂剂蒸蒸气气的的介介质质称称为为冷冷却却介介质质（冷冷却剂）；却剂）；冷凝压力冷凝压力：冷凝器中制冷剂蒸气的压力称为冷凝压力；：冷凝器中制冷剂蒸气的压力称为冷凝压力；冷凝温度冷凝温度：冷凝压力对应的蒸气饱和温度称为冷凝温度。：冷凝压力对应的蒸气饱和温度称为冷凝温度。膨胀阀：膨胀阀：一种节流机构。其功能为：一种节流机构。其功能为：经冷凝器冷凝后的高压液态制冷剂转变为低压的液体，经冷凝器冷凝后的高压液态制冷剂转变为低压的液体，为制冷剂在低温低压下气化创造条件；为制冷剂在低温低压下气化创造条件；调节蒸发器的供液量（用于控制压缩机入口处制冷剂蒸调节蒸发器的供液量（用于控制压
13、缩机入口处制冷剂蒸气的过热度）气的过热度）。蒸蒸发发器器：制制冷冷剂剂与与冷冷冻冻水水进进行行热热交交换换的的设设备备，对对外外输输出出 冷冷量量。制制冷冷剂剂从从冷冷冻冻水水中中吸吸热热，在在蒸蒸发发器器中中产产生生气气化化，从从而而实现蒸发制冷。实现蒸发制冷。蒸发压力蒸发压力：蒸发器内的制冷剂蒸气压力称为蒸发压力。：蒸发器内的制冷剂蒸气压力称为蒸发压力。蒸发温度蒸发温度：蒸发压力对应的制冷剂饱和温度为蒸发温度。：蒸发压力对应的制冷剂饱和温度为蒸发温度。单级压缩制冷循环基本组成要件最简单的制冷系统由四大要件组成：压缩机；冷凝器；节流阀；蒸发器；压 力焓汽液混合饱和液体线饱和汽体线临界点100
14、%液体液体100%汽体汽体20%液体液体,80%汽体汽体单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环 -压压压压-焓图焓图焓图焓图 压 力焓t等温线等容线s等熵线p等压线x等干度线h等焓线单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环 -压压压压-焓图焓图焓图焓图41单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环 压 力kPa焓kJ/kg进入蒸发器进入蒸发器R22汽液两相汽液两相621.22t1=7oC1h1=249.6
15、86x1=0.242 压 力kPa焓kJ/kg蒸发器蒸发器621.22x1=0.2制冷剂从负荷吸收热量，温度和压力不变，变成饱和蒸汽x2=1单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环12h1=249.686t1-2=7oC43 压 力kPa焓kJ/kg蒸发器蒸发器621.22制冷剂焓差为单位质量制冷量qo=h2-h1h2=407.831h1=249.686单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环x1=0.2x2=112t1-2=7oC单位容积制冷量qv=qo/244 压
16、 力kPa焓kJ/kg压缩机压缩机621.22h2=407.831h1=249.686单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环x1=0.2x2=11231533.5压缩理论比功wo=h3-h2t1-2=7oC45 压 力kPa焓kJ/kg冷凝器冷凝器621.22h2=407.831h1=249.686单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环x1=0.2x2=11231533.5制冷剂把热量传给外界制冷剂把热量传给外界,变变成饱和液体成饱和液体t1-2=7oC45t4-
17、5=40oCq=h3-h546 压 力kPa焓kJ/kg621.22h2=407.831h1=249.686单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环x1=0.2x2=11231533.5绝热节流绝热节流t1-2=7oC45t4-5=40oCs5=1.167kJ/kg.K h5=h147 压 力焓冷凝器冷凝器压缩机压缩机节流装置节流装置蒸发器蒸发器制冷剂从负荷吸收热量qo制冷剂把热量传给外界q压缩机输入理论比功woq=qo+woo=qo/wo=7.01单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级
18、蒸汽压缩式制冷理论循环48 压 力焓单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环1243123h1h2h2h3h3蒸发温度对循环性能的影响tete蒸发温度下降单位质量制冷量下降单位容积制冷量迅速下降压缩理论比功增加制冷系数下降49 压 力焓单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环1243413h1h1h2h3h3冷凝温度对循环性能的影响tctc冷凝温度升高单位质量制冷量下降单位容积制冷量下降压缩理论比功增加制冷系数下降制冷循环的蒸发过程蒸发过程通过膨胀阀截流后的低压湿蒸汽
19、，在蒸发器中从周围介质吸热制冷，并逐渐增加其干度。这样，从蒸发器出来的气体就已经成为干饱和蒸汽或稍有过热度的过热蒸汽了。在蒸发过程中，制冷剂的温度和压力保持不变。制冷循环的压缩过程压缩过程完成制冷作用后从蒸发器出来的蒸汽经制冷压缩机压缩后，温度和压力急剧升高。压缩机排出的气体就变成了过热度较大的热蒸汽。压缩气体时，压缩机要消耗一定的压缩功，但制冷剂熵值不变。制冷循环的冷凝过程冷凝过程从制冷机排出的高温高压过热蒸汽，进入冷凝器与冷却水或空气进行热交换，使过热蒸汽逐渐变成饱和蒸汽，进而变成饱和液体。当用冷却水冷却时，饱和液体的温度继续降低，出现过冷。冷凝过程中压力保持不变。制冷循环的四个过程节流过
20、程从冷凝器出来的液体经过膨胀阀被节流，成为低温低压的湿蒸汽。节流过程制冷剂焓值不变。上述四个过程依次不断循环，进而达到制冷目的。PITI单级制冷机理论循环原理图1压缩机 2 冷凝器 3 蒸发器 4 节流阀123412345Pk tkP0 t0tgPh单级压缩制冷循环的压焓图0点蒸发器出口；1点压缩机吸气口；2点压缩机排气口5点节流装置入口；6点蒸发器入口6-0段：等温等压吸热汽化过程。P0 与t0为相对应。两点间的焓差大小主要看蒸发温度的高低。在不影响要求的条件下，应尽量提高蒸发温度以提高制冷量。0-1段：蒸发压力下的吸气过程。这段过热是为压缩机安全运行所必需的。1-2段：等熵压缩过程。2点的
21、温度就是压缩机的排气温度，这两点的焓差是压缩机作功大小的主要参数值。因此应尽量减少两点间的距离才能节约能源。如蒸发温度不变时，尽量降低冷凝压力，可减少功耗。2-3段：等压放热过程。制冷剂气体放出显热，由排气温度t2降至tk，仍为气体。3-4段：制冷剂放出潜热被液化，Pk、tk恒定。此段占冷凝段放热量的80%以上。4-5段：制冷剂液体继续散热（显热）,tk降至过冷温度t5，无相态变化，过冷是提高制冷量的重要措施。5-6段：等焓节流过程。制冷机通过节流装置，Pk降至P0，由郭楞液体变为汽液共存状态，即湿蒸汽状态。12346Pk tkP0 t0tgPh50X=0X=1Pk：冷凝压力 tk ：冷凝温度
22、P0：蒸发压力 t0：蒸发温度单级蒸气压缩制冷的理论循环单级蒸气压缩制冷的理论循环1.1.理论循环定义：在没有任何实际损失下的制冷理论循环定义：在没有任何实际损失下的制冷循环。循环。2.2.条件：条件：无温差传热；无温差传热；压缩过程是可逆绝热压缩过程即等熵压缩过程是可逆绝热压缩过程即等熵过程；过程；管路中无任何耗损。管路中无任何耗损。3.3.理想制冷循环：逆卡诺循环（理想制冷循环：逆卡诺循环（原理图原理图）4.4.实际采用的制冷理论循环组成（实际采用的制冷理论循环组成（原理图原理图）：）：两个定压过程；两个定压过程；一个绝热压缩过程；一个绝热压缩过程；一个绝热节流过程。一个绝热节流过程。5.
23、5.特点特点(与卡诺循环比较）与卡诺循环比较）：用节流阀代替膨胀机：用节流阀代替膨胀机：损失膨胀功、产生损失膨胀功、产生“闪发气体闪发气体”；但简化装置、便于调节，；但简化装置、便于调节，产生节流损失。产生节流损失。用干压缩代替湿压缩；实现用干压缩代替湿压缩；实现“干冲程干冲程”；但耗功量、制冷量；但耗功量、制冷量均增加，制冷系数下降。均增加，制冷系数下降。产生过热损失产生过热损失蒸气压缩式制冷的理想循环蒸气压缩式制冷的理想循环蒸气压缩式制冷的理论循环蒸气压缩式制冷的理论循环制冷剂制冷剂是在制冷设备中完成制冷循环的工作介质，制冷剂是在制冷设备中完成制冷循环的工作介质，也称工质。也称工质。对制冷
24、剂的要求是：价格便宜、无毒、制冷效果好、对制冷剂的要求是：价格便宜、无毒、制冷效果好、物理化学性质稳定。其特性：物理化学性质稳定。其特性：标准大气压下，沸点要低。一般要在标准大气压下，沸点要低。一般要在-20-20以下。如以下。如:R12:R12为为-29.8-29.8，R22R22为为-40.8-40.8，R717R717为为-33.4-33.4。冷凝压力低。冷凝压力低。一般冷凝压力不超过一般冷凝压力不超过1.17MPa-1.47MPa1.17MPa-1.47MPa。可以减少容器耐。可以减少容器耐压强度、减少泄漏、降低压缩机功耗。压强度、减少泄漏、降低压缩机功耗。蒸发潜热大。即单位容积的制冷
25、量大，循环量小。有利于蒸发潜热大。即单位容积的制冷量大，循环量小。有利于缩小制冷系统规模。缩小制冷系统规模。化学性质稳定，腐蚀性小。特别是与润滑油不起化学反应。化学性质稳定，腐蚀性小。特别是与润滑油不起化学反应。无度、不易燃、不易爆、粘性小、传热性能好、安全可靠无度、不易燃、不易爆、粘性小、传热性能好、安全可靠等。等。常用制冷剂（氨及氟利昂）性能比较常用制冷剂（氨及氟利昂）性能比较序号R717F对比1价廉易取比R717贵十几倍R717系统投资、运行费低2q0、qv大，MR小相反同0下，R717com尺寸小、管径小3几乎不溶于油大多数易溶于油R717系统分油易，F系统分油难4、大，k大相反R717换热设备尺寸小5渗透力弱，易发现相反R717损耗小，运行费低6无限溶于水难溶于水F系统易产生冰堵7毒性大,有燃烧爆炸危险相反F可用于空调中直接蒸发冷却8含水对铜有腐蚀（系统中无铜）对天然橡胶有侵蚀（垫圈不能用橡胶）不同系统采用不同材料9分子量小，t排高相反R717 com用水冷；F com用风冷10粘度小,密度小,阻力小相反R717系统管径小、com耗功小11对生态环境影响小某些F工质对生态环境影响大某些F工质渗透、排放造成人类生态环境恶化