制 冷 第 七 章 Refrigeration 第四节 湿空气热力学 第一节 制冷技术的理论基础 第二节 蒸汽压缩式制冷 第三节 食品冷冻 制 冷 Refrigeration 第一节 制冷技术的理论基础 第二节 蒸汽压缩式制冷 第三节 食品冷冻  第四节 湿空气热力学 第五节 空气调节

第一节 制冷技术的理论基础 7-1 制冷的基本概念 7.1A 逆卡诺循环 7.1B 制冷剂和载冷剂 7-2 一般制冷方法

7-1 制冷的基本概念 7.1A 逆卡诺循环 1→2 等温可逆膨胀， 2→3 绝热可逆膨胀 3→4 等温可逆压缩， 4→1 绝热可逆压缩 1→2 等温可逆膨胀， 2→3 绝热可逆膨胀 3→4 等温可逆压缩， 4→1 绝热可逆压缩 构成正循环：顺时针的热力循环 1-2-3-4-1闭合线所围面积：对外所作之功

逆卡诺循环 也是由四个可逆过程组成 经过一个反循环，工质从冷源吸热Q2， 并和外功W一并向热源放热Q1 制冷因数： 逆卡诺循环制冷因数： 1→2 绝热可逆压缩，等熵过程， T2升至T1 2→3 等温可逆压缩,熵减少,向热源(T1)放热Q1 3→4 绝热可逆膨胀，熵不变，T1降到T2 4→1 等温可逆膨胀,熵增加,由冷源(T2)吸热Q2 经过一个反循环，工质从冷源吸热Q2， 并和外功W一并向热源放热Q1 制冷因数： 逆卡诺循环制冷因数：

7.1B 制冷剂和载冷剂 1.制冷剂 实现制冷循环的工作物质 对制冷剂的要求： （1）汽化热 要大，↓制冷剂循环量 1.制冷剂 实现制冷循环的工作物质 对制冷剂的要求： （1）汽化热 要大，↓制冷剂循环量 （2）冷凝压力 不应过高，省功 （3）沸点 应适当低，使压缩吸入压力适合 （4）凝固点 应低，适用温度范围较大 （5）临界温度 应高些，常温可液化 （6）比容 要小，可↓压缩机尺寸 （7）安全性 无毒无腐蚀性,难燃难爆,化学稳定 （8）价格 低廉易得

目前，最常用的制冷剂为氨和氟利昂等 （1）氟利昂（Freon） 氟利昂：饱和烃的卤素取代物的总称 氟利昂按其组成可分为三类： CFC--含氯的氟化碳 HCFC--含氢和氯 的氟化碳 HFC--含氢无氯的氟化碳 分子通式： 氟利昂的种类多，通常用编号以便于称呼 编号用字母R和其后数字(m-1)(n+1)(y)B(z)组成 当（m-1）= 0时不写出，z = 0 时字母B省略 例如：CCl3F 编号R11， CClF3 编号R13 CF3Br 编号R13B1 CHClF2 编号R22 CClF2CClF2 编号R114

氟利昂促进了制冷技术的发展。但到1970s，人 们发现氟利昂进入大气后会破坏臭氧层，并产生温 室效应。 氟利昂中: CFC类 对臭氧层的破坏能力最强 HCFC类 次之 HFC类 因不含氯而无破坏作用 为保护人类赖以生存的自然环境，1987年以来， 经过三次国际会议讨论，决定对R11，R12等15种 CFC物质及R10等5种物质到2010年完全停止生产, 对R22等34种HCFC物质从2020年起开始控制 现在，各国都在积极研究CFC的代用问题

（2） 氨（NH3） 是我国最广泛应用的制冷剂 按国家标准规定，无机化合物制冷剂: 编号数字为700加其分子量 因此，氨的制冷剂编号为R717 2．载冷剂 间接冷却装置需用载冷剂 载冷剂：将制冷系统产生的冷量传给被冷却物 体的中间介质 载冷剂条件：mp <最低工作温度；安全性好； 价廉易得；热容量大。 常用的载冷剂有三类： 水、盐水(NaCl,CaCl2)及有机物载冷剂(乙二醇)

7-2 一般制冷方法 1.蒸汽压缩式制冷 应用最广泛的制冷方法 理想蒸汽压缩式制冷循环分四步： 1.绝热压缩； 2.等温等压冷凝；   1.蒸汽压缩式制冷 应用最广泛的制冷方法 理想蒸汽压缩式制冷循环分四步： 1.绝热压缩； 2.等温等压冷凝； 3.绝热膨胀； 4.等温等压蒸发

2.吸收式制冷 以吸收器—发生器组代替压缩机 以热能代替机械能而工作 低沸点组分作制冷剂 工质是二元溶液 高沸点组分作吸收剂

最常用的工质有： ① 氨—水二元溶液 氨为制冷剂，水为吸收剂 ② 水—溴化锂二元溶液 水为制冷剂，溴化锂为吸收剂 溴化锂极易溶于水，溴化锂水溶液有较强的 吸水能力。 3.蒸汽喷射式制冷 利用高压水蒸气在喷射器内高速喷射造成低压， 并使水在此低压下蒸发吸热的原理实现制冷。 广泛应用于空调

第二节 蒸汽压缩式制冷 7-3 蒸汽压缩式制冷循环 7.3A 压焓图 7-4 蒸汽压缩式制冷的计算 7-5 蒸汽压缩式制冷设备和系统 第二节  蒸汽压缩式制冷 7-3  蒸汽压缩式制冷循环 7.3A 压焓图 7.3B 蒸汽压缩式制冷的理论循环 7-4 蒸汽压缩式制冷的计算 7-5 蒸汽压缩式制冷设备和系统

7-3 蒸汽压缩式制冷循环 7.3A 压焓图 制冷剂的压焓图(lgp-h图)， 又称莫里哀(mollier)图, 7-3  蒸汽压缩式制冷循环 7.3A 压焓图 制冷剂的压焓图(lgp-h图)， 又称莫里哀(mollier)图, 用这种图表达制冷循环图线简明,计算非常方便。 横坐标：比焓h，纵坐标：lgp (直接读取的仍是p值) 除等压线,等焓线外， 过冷液体区 还绘出： 等温线（T = c） 等比容线（v = c） 等熵线（S = c） 等干度线（x = c ） 湿蒸汽区 过热蒸汽区

7.3B 蒸汽压缩式制冷的理论循环 两图比较可见，制冷循环在压焓图上表达更为简洁， 1-2表示压缩机中的绝热压缩过程 2-3-4 是冷凝器中的等压冷却过程: 制冷剂首先被冷却成干饱和蒸汽（2-3） 并进一步冷凝为饱和液体（3-4） 4-5为膨胀阀中的绝热节流过程 是个等焓过程 5-1表示蒸发器内的等压蒸发过程 两图比较可见，制冷循环在压焓图上表达更为简洁， 也便于过程能量变化的计算。

出现制冷剂过冷过热的情形 ①若饱和液体受到过冷(4-4’) 则节流过程为虚线4’-5’ 蒸发过程为5’-5-1 点4’由过冷温度确定 ②若制冷剂蒸汽进压缩机前过热(1-1’) 蒸发过程则变为5’-5-1-1’ 压缩过程为等熵线1’-2’ 点1’由过热温度确定

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7-4 蒸汽压缩式制冷的计算 1.制冷机的制冷量 单位时间制冷剂从被冷却物体中所能取走的热量 Φ0表示制冷机的制冷能力，单位为W或kW 7-4 蒸汽压缩式制冷的计算 1.制冷机的制冷量 单位时间制冷剂从被冷却物体中所能取走的热量 Φ0表示制冷机的制冷能力，单位为W或kW 2.单位制冷量 单位质量制冷量Qm (J/kg) 单位容积制冷量Qv (J/m3 )

3.制冷剂循环量 4.制冷剂的放热量 冷却过程放热热流量 冷凝过程放热热流量 过冷过程放热热流量

5.压缩机的功率 单位理论功： 理论功率: 实际功率: 6.制冷因数 理论制冷因数： 实际制冷因数：

例7-1 氨压缩制冷机制冷量为 116.3kW,蒸发温度 –15℃，冷凝温度30℃，压缩机效率为70％，作制冷循环计算。 解：查氨的lg p-h 图,据操作温度,定出1,2,3,4,5 各点， 查得： 30℃ -15℃ (1)单位制冷量 (2)制冷剂循环量

（3）制冷剂放热量 （4）功率消耗 单位理论功 wt=h2-h1=1975-1740=235kJ/kg 理论功率 Pt=qmwt=0.106×235=24.9kW 实际功率 （5）制冷因数 30℃ -15℃

7-5 蒸汽压缩式制冷设备和系统 7.5A 压缩机(compressor) 1.活塞式制冷压缩机 7-5 蒸汽压缩式制冷设备和系统 7.5A 压缩机(compressor) 1.活塞式制冷压缩机 类型最多，应用最广，Φ0范围：1~1000kW 2.离心式制冷压缩机 特点为低压大流量,适于温度较高制冷量较大场合 结构简单，尺寸小，运转平稳，耗能低 3.旋转式制冷压缩机 特点为中压小流量,适用于小型制冷机,如电冰箱 应用较广的是螺杆式制冷压缩机

7.5B 冷凝器(condenser) 1.水冷式冷凝器 多用壳管式换热器，管程通冷水，制冷剂蒸汽 在壳程冷凝 2.空冷式冷凝器 一般是蛇管式，冷空气横吹管外，制冷剂蒸汽 在管内冷凝 3.蒸发式冷凝器 冷水喷淋于蛇管上,强制冷空气吹过潮管,导致 部分水蒸发，吸收大量汽化热使管内制冷剂冷凝

7.5C 膨胀阀(expansion valve) 作用：使制冷剂↓p,汽化↓T 呈湿气状态 1.浮球调节阀 液量↓：浮球↓，针阀开度↑ 2.热力膨胀阀 蒸发器热负荷↑：全汽化 截面A-A←,T↑,3,2内p↑, 膜片4↓，阀孔开度↑

7.5D 蒸发器 1.直接冷却式蒸发器 为冷却空气的蒸发器,分盘管式,翅片管式，板式等 2.间接冷却式蒸发器 为冷却载冷剂液体的蒸发器

第三节 食品冷冻 7-7 食品冷冻设备 7-6 食品冷冻的理论基础 7.6A 食品冻结过程 7.7A 非直接接触式冻结设备 第三节 食品冷冻 7-6 食品冷冻的理论基础 7.6A 食品冻结过程 7.6B 冻结时间 7.6C 冻结速率 7-7 食品冷冻设备 7.7A 非直接接触式冻结设备 7.7B 直接接触式冻结设备

7-6 食品冷冻的理论基础 7.6A 食品冻结过程 1.冻结的温度曲线 AB：降温至过冷 BC：冰晶开始形成 CD：冻结主要阶段 DE：溶质开始结晶 EF：水和溶质继续 结晶 FG：已冻食品继续降温 tf — 总冻结时间(freezing time)

2.冰晶的形成和共晶现象 均匀成核 两种晶核成核机制 不均匀成核(食品冻结多属此) 共晶现象出现于低共熔点温度 7.6B 冻结时间 Planck方程 L—食品特征尺寸， 大平板：L = 厚度； 长圆柱：L = 半径； 球 体：L = 半径。 a,b —与形状有关的常数 大平板：a = 1/2, b = 1/8； 长圆柱：a = 1/4, b = 1/16； 球 体：a = 1/6, b = 1/24

7.6C 冻结速率 （1） 冻结速率（freezing rate） (2) 冻结速度（freezing velocity） ( K/ h ) Tf —开始冻结的温度,℃ TF —冻结终了的温度,℃ (2) 冻结速度（freezing velocity） ( cm / h ) d—食品表面到中心的最短距离，cm t1—食品表面温度达10℃的时间，h t2—食品中心温度降至冰点的时间，h 慢速冻结 0.1~1cm/h, 中速冻结 1 ~5 cm/h 快速冻结 5~10 cm/h, 超速冻结 10~100 cm/h

例 解：球形物料 a = 1/6 b = 1/24 代入Planck方程 =7920s tf = 2.20h

7-7 食品冷冻设备 7.7A 非直接接触式冻结设备 1.板式冻结机 被冻结食品夹在冷冻板之间，靠导热传热 2.鼓风冻结机 3.刮板式冻结机 7-7 食品冷冻设备 7.7A 非直接接触式冻结设备 1.板式冻结机 被冻结食品夹在冷冻板之间，靠导热传热 2.鼓风冻结机 3.刮板式冻结机 用刮板式换热器，产品冻结浆状

7.7B 直接接触式冻结设备 食品和冷介质直接接触换热， 可以实现所谓“单体快速冻结”， 即IQF（ individual quick freezing） 1.流化床速冻装置 高速低温气流↑ 穿过传送带，其 上食品单体悬浮 呈流化态，实现 IQF 2.沉浸式速冻装置 使用液氮、液态CO2,更易达到IQF条件

第四节 湿空气热力学 7-8  湿空气的性质 7.8A 湿空气的状态参数 7.8B 湿空气的湿度图 7-9 湿空气的热力学过程

7-8  湿空气的性质 7.8A 湿空气的状态参数 1.湿度（humidity） (1) 绝对湿度 (2) 相对湿度

(3) 湿含量（moisture content） 单位质量干空气中所含水蒸气的质量 亦即湿空气中水蒸气的质量与干空气质量之比 又称湿度比（humidity ratio）, 用符号H表示

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2.湿空气的比容 （1）比容 （2）密度 3.湿空气的焓 （1）湿比热容（ humid heat）

(2) 比焓 含有单位质量干空气的湿空气的比焓: T—温度，℃ 4.湿空气的温度 （1）干球温度 空气的真实温度T （2）湿球温度 普通温度计的感温部分包以常湿纱布，置于湿 空气中达稳定后，温度计显示的温度称为湿空气的 湿球温度（wet bulb temperature）,用符号Tw表示

湿球温度形成原理 ： 向外蒸发传热的热流量Φout： 向内对流传热的热流量Φin： 二者相等时达热平衡， 水温维持不变 此温度Tw即为湿空气的湿球温度 Φout Φin

(3) 露点 (dew-point temperature) 保持湿空气的压力和湿含量不变而使其冷却, 达饱和状态时的温度Td (4)绝热饱和温度 在绝热条件下，湿空气与足量水充分接触 而达饱和时的温度Ts

7.8B 湿空气的湿度图 湿空气的焓-湿图，纵坐标为比焓h 湿含量H是采用与纵坐标成135°角的斜角坐标轴 3.等干球温度线（等T线） 4.等相对湿度线（等φ线） 5.水蒸气分压线 H 135° 定p,知H,可得pv有pv~H

水蒸气分压线

7-8  湿空气的热力学过程 A→B过程的焓湿比： 1.等湿过程 A→B线 （1）等湿加热过程 （2)  等湿冷却过程 A→C线

2.增湿和减湿过程 （1）等焓减湿过程 A→D线 （2）等焓增湿过程 A→E线 （3）等温增湿过程 A→ F线 （4) 减湿冷却过程 A→G线 是A→C线和C→G线 两过程的合成

3.不同状态空气的混合过程 这个关系称为杠杆规则 （the lever rule）

第五节 空气调节 7-10 直流式空气调节 7-11 回风式空气调节 7.11A 一次回风式空调 7.11B 二次回风式空调

7-10 直流式空气调节 1.直流式空气调节机

2.直流式空调系统的操作原理 （1）冬季工作制 操作可分为三个连续 的阶段: ①一次加热和绝热增湿阶段： 1-1’- a-K 湿含量达Hk ②二次加热阶段：K-2 ③被调室中混合平衡阶段： 2-3 达到要求的状态点3.

（2）夏季工作制 第二和第三阶段完全 与冬季工作制相同 在第一阶段，应该用 降焓冷却方法， 所需冷量：

7-11 回风式空气调节 7.11A 一次回风式空调 被调室的废气一部分将通过回风管引回到空调 机中，与室外新鲜空气混合以循环使用 具有一个来自被调室的回风管道入口， 通到空调机空气入口端

一次回风式空调机的操作原理： 1.加热混合 状态1的新鲜空气一次加热 到1’，再与回风3混合达d 或者 新鲜空气1与回风3混合为 状态e,再加热至d 2.绝热增湿 d→K 3.二次加热 K→2 4.混合平衡 2→3

7.11B 二次回风式空调 来自被调室的回风在空 调机中被利用二次： 不但在喷水室之前设有 回风管入口，在喷水室之 后也设有回风管入口。 空气状态整个变化路线： 1-1’-d’-a’-K’-2’-2-3 节省二次加热量

例 将20℃,相对湿度0.05的新鲜空气和50℃,相对湿度0.80的 废气混合，混合比为2：5 （以干空气作基准），求混合气的比焓 例 将20℃,相对湿度0.05的新鲜空气和50℃,相对湿度0.80的 废气混合，混合比为2：5 （以干空气作基准），求混合气的比焓 和湿含量。将混合气加热至90℃时，其相对湿度和比焓是何值？ 解：在空气的焓-湿图上，查点A( T = 20℃,φ = 0.05) 查点B(T = 50℃,φ=0.80) 混合气的状态点C, D h B 加热至点D (T=90℃)，查得 C A H

例 （p.256之习题13） T1 = 0℃,φ1=0.50→T2=20℃,φ2=0.40 求 （1）Δh1; (2)TK; (3) Δh2 解 H1’=0.002 h1’=17 T1’=12℃ T2=20℃ Φ2=0.40 H2=0.005 h2=30 h 1’ 2 1 K (1)Δh1=h1’-h1 =17-5=12kJ/kgd H (2)TK=4.5 ℃ HK=0.005 φK=0.95 TK=4.5 ℃ hK=17 T1=0℃ Φ1=0.50 H1=0.002 h1=5 (3)Δh2=h2-hK =30-17=13kJ/kgd

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