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制冷专业基础知识

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制冷专业基础知识

发布日期:2022-09-27 作者: 点击:

制冷就是人为地使某一范围内的温度低于范围外的温度。

制冷又分为热电制冷、半导体制冷、磁制冷、核制冷等,

我们通常用的是液体气化制冷,还有少量的气体膨胀制冷。

与制冷相关的常用名词有温度、热量、比热、显热、潜热、压力,蒸发与沸腾、导热系数、对流换热系数、传热系数、密度和比热、湿度、焓、熵、制冷量,还有压焓图。

1、温度又分为摄氏温度℃、华氏温度℉、热力学温度=开尔文温度K。

其中开尔文温度是以以绝对零度作为计算起点的温度,即以零度的水的温度作为273.16℃。

需要注意的是:理想气体状态方程PV = nRT在做温度换算的时候,那个用的温度T为理想气体的绝对温度,并不是摄氏度。

绝对温度,因为分子已经停止运动了,所以说现实中是不存在的。

2、热量的内容就不说了,单位有两个:一个是卡(cal)通常也叫卡路里,这个另一个是焦耳(J),1cal=4.1868J。

通常卡分为小卡(cal)和大卡(Cal或者Kcal),1000 cal=1Cal。

3、比热:比热的定义,就是一克水温度上升1℃所需要的热量,定义为4.1868J。

比热是物质的固有属性,就是说单位物质温度上升,或者下降1℃所吸收或放出的热量。

比热是个变量,就是温度不同,比热的值也会发生微调,所以说在以后的制冷量计算用比热的时候,用的这个比热值,只是一个大概的,不是很准确,而焓差是比较准确的,所以说真正制冷计算的时候,用焓差来计算制冷量准一些,用比热计算的只是一个参考值。

4、显热:热量变化温度也发生变化,物态不变,不管是固体、液体,物态还是那样,只不过是温度发生了变化。

Z直观的显热就是水加热以后,温度从常温逐渐升到40、50……直到100℃;

5、潜热:热量变化后温度不变化,物态发生改变,比如由固体变为液体,液体变为气体;

Z直观的潜热就是水烧开了以后,即使再加热,只能还是100℃,不会再高了。但是,水会有一部分由液态变成气态;又或者是水温度下降到0℃以后,不论水如何被制冷,但是那个水温仍然是0℃,只不过有一部分水变成了冰,一直到全部水变成冰以后,温度才会继续下降,而此后的热量又属于显热。

显热呢,就是温度的升降还热量的多少,通过温度计可以量化

6、压力内容就不谈了,压力的单位很乱,有大气压、mmHg、Pa、KPa、水柱、bar、kgf/cm2(俗称公斤)psi .

1标准大气压=760mmHg=1900px汞柱=1.01325×10^5Pa=100KPa=10.336m水柱=1bar=1千克力/厘米2(俗称公斤kgf/cm2)=14.7磅/英寸2(psi),

大家自己上网仔细查一下压力的单位之间的换算。

我要提出来一点,让大家重视的就是这个压力通常分为,表压和绝压:表压就是压力表上能看得见的压力,通常表示MPa(G)实际上,绝压或称为真实压,是以绝对零压为起点计算的压强,通常表示MPa(A)。

绝对压力MPa(A)=表压MPa(G)+大气压0.1MPa

7、蒸发是在液体表面发生的气化现象,是随时随地发生的,只要吸热,就蒸发,并且蒸发的同时还会降温。

8、沸腾是在液体表面和内部同时发生的一种气化现象,吸热的同时,温度却不变是恒温的,这个点的同时也叫沸点。

沸腾相对应的是冷凝,冷凝就是发生气体内部的一种液化现象,就是说气体液化凝结,这个过程是放热,也是恒温。

沸腾与压力有关,当一个大气压就是101KPa的时候,水是100℃沸腾,当压力是240KPa的时候,水是138℃沸腾,当压力43KPa的时候,即不到半个大气压的时候,水是84.5℃沸腾。

冷凝过程就是发生在冷凝器内部的过程,实际上包括气体冷却+气体冷凝+液体冷却,即Z初是气体冷却,到了冷凝点以后才是冷凝,之后是液体冷却。

在制冷系统的蒸发器里面发生的过程,实际上是沸腾,并不是蒸发。

蒸发温度与蒸发压力是相对应的,当蒸发器负荷过大,吸入热量过多,导致蒸发量过大,蒸发量大于压缩机吸入量的时候,蒸发压力升高;

反之,蒸发器的负荷不大,但是压缩机配比偏大,导致吸气量偏大的时候,吸气量大于蒸发量时,蒸发压力就随之降低,整个蒸发温度呢也随之下降。

9、导热系数,具体定义就不说了,单位是1W/m*K=0.86Kcal/m*h*K。

介绍导热系数实际上是为了以后介绍传热系数做准备,单纯的导热系数能对大家其实没多大用,将来介绍传热系数是如何导出时会有一点用处,大家需要注意的时候导热系数的单位是W/m*K,其中是m,并不是m2。

导热系数给人Z直观的感觉呢,就是冬天摸它的时候凉不凉,凉就是导热快,导热系数大,不凉就是导热慢

10、对流换热系数就是流体与固体表面之间的换热能力,其具体细节,大家自己看看,其实的意思就是流体与其他物质之间的换热情况,包括液体与固体、气体与固体。液体与气体间换热大部分发生在开放空间,比如水蒸发,与我们制冷关系不大,暂且不讨论。

对流换热系数α比较复杂,与之相关的参数有,首先是有没有相变:有相变α要大些;还跟流体的流动状态有关,层流时α小一些,紊流时α大些;还跟流速有关,流速大α则大;再跟他的物性也有关系:包括热导率λ,密度ρ,黏度η,比热c,热扩散率a体,积膨胀系数,还与接触面的外形尺寸、粗糙度都有关系。

11、传热系数K,比较复杂,大概的意思就是一种流体通过一个固体壁面,然后把热量传导到另一种流体上,流体当然也包括气体和液体。K的组成包括,流体A和壁间的换热、固体的导热、壁与流体B间的换热,还包括固体两面污垢层的污垢系数,就说固体表面换热面上沉积物所产生的传热阻力。

以下为风冷冷凝器的传热系数的计算过程:

 

 

通过以上公式大家可以看出来:系统的传热系数主要与固体壁两侧的对流换热系数有关,跟其他导热系数、热阻什么影响都不是很大,计算时可考虑忽略。

12、密度与比容,密度与比容互为倒数的,这个没什么太多的技术含量,但是大家注意的就是单位,单位有g/L、Kg/m3、Kg/L、g/m3等等,计算时注意了,将单位统一了就行。

常用的还有比重计,实际上跟密度基本差不多,只不过将常温情况下的水的密度作为1,然后,其他的物质的密度/水的密度得出来的比例系数,比重正常下是没有单位的,但也可以把它当做密度来参考。

13、湿度:是单位体积湿空气中,所含有的水蒸气的质量,单位是Kg/m3,有些类似于密度的单位,这个湿度的通常叫做绝对湿度。

相对湿度φ:

φ=实际水蒸气的分压/相同温度下饱和空气中的水蒸气的分压

≈实际的含湿量/饱和含湿量,注意是相同工况下的,当然了这个值有2%~3%的误差。

φ=1时候,是饱和水蒸气,φ=0的时候呢,是干蒸气,也就是说相对湿度呢,是从饱和蒸汽到干蒸汽,结合压焓图来说,是过热蒸气。

含湿量:就是每Kg干空气中,水蒸气的质量,就是g/Kg。

干度x:就是气体的质量/湿气的总质量。x=1时候,是饱和气体,x =0的时候,是饱和液体。

对比:

含湿量:只能表达,含有水蒸气的质量,却不能表达接近饱和的程度。就像学生的分数:只知道学生的分数,不知道他的名次,并不知道他在学校学习好坏程度。

相对湿度:只能表达接近饱和的程度,却不能表达具体含有水蒸气的质量。相当于只知道学生的名次,却不知道具体的分数,并不知道他将来高考时到底能考多少分。

14、焓:就是物质含有的所有的能量的总和。在制冷系统中,四大件中的膨胀阀,一般在系统使用的时候都默认为等焓节流,意思就是绝热,与外界没有热交换,没有热损失。

单纯的焓在制冷系统中没有研究的价值,制冷系统计算的时候通常用比焓作为单位,即单位质量物质中含有的能量:kj/kg。

在计算中使用的焓有好多种标准和基准:有英制的标准,有工程用的,有国际单位的,而每个单位的具体焓值呢可能都不一样,所以说具体计算的时候呢,要采用同一资料,同一标准的数值,不要跨书本来选择焓。

对制冷计算来说,单一的焓值也没有价值,实际上对我们有用的是焓差。

15、熵:熵的定义是热量转化为功的程度, 比较绕口也比较复杂,其实大家没必要去研究它的具体意义。

在制冷系统中能用得上的时候,只是出现压缩机等熵压缩,意思就是,压缩过程中与外界没有发生热传递、热转化。但外界对其所做的功全部转化为能量。

人为定义的一个词,只要知道其等熵表示对外界不做功即可。

16、制冷量:某一工况下,单位时间里,制冷系统给被冷却物降温的能力值。

压缩机制冷量计算:

1、开启式压缩机的制冷量可以通过输气量,吸气密度,输气系数等参数计算出.

2、封闭式和半封闭式压缩机所产生的总的制冷量里,一部分输出,也会有一部分消耗于冷却电机,即压缩机输气量计算所得制冷量等于实际使用量与冷却电机消耗量的和。因此对于封闭式和半封闭式压缩机而言,常规方法不便准确计算制冷量,多是实验方式测试得到。

习惯上的几匹,是指压缩机的功率,与制冷量无关,不同工况,制冷量相差甚远。

对于货物,制冷量=耗冷量:对于需要冷却的货物而言,制冷量用于抵消耗冷量,获得需要的低于常温的环境。

例如冷库,耗冷量主要是冷库里货物含有的热量,但同时包括:外界环境通过围护结构(墙壁,门窗等)对冷库传入的热量,电机、灯泡等设备的散热,人员出入带入的热量,某些货物(如保鲜库里蔬菜水果类的货物会有呼吸作用,也会产生热量)

谈及制冷量,不能不提及工况,

工况:简言之,设备运行的工作环境。对于制冷系统而言,在一个确定的环境下工作,这个环境的各个参数就是这个系统运行的工况。制冷系统的制冷量会因为工况不一样而改变,因此不提工况,只谈制冷量毫无意义。

制冷系统的工况参数:对于制冷系统,工况包括冷凝温度(压力)、蒸发温度(压力)、过冷度、过热度等等;同时对于双级系统或复叠系统,还有中间温度、中间压力等参数,根据具体情况会有不同。

17、过热和过热度:

过热表示一种状态,意思是在某一压力下,蒸气实际的温度高于这个压力下蒸气的饱和温度,参考昨天压焓图内容,饱和气体线上任意一点对应的温度是相对压力的饱和温度,从这一点水平往右区域内任意一点表示的状态都是过热状态。

过热度:表示过热状态的程度,是实际蒸气温度和同压力下饱和温度的差值。

有效过热:在蒸发器里得到的过热叫有效过热,因为过热会产生制冷,在蒸发器过热,这部分制冷量会被利用,因此叫有效过热。但是量很少,因为是显热换热。

无效过热:发生在管路上的过热是无效过热,因为这部分过热获得的制冷量没有被利用,散失到环境里去了。但是如果利用回气管去给节流阀前面的液体降温,这时候回气管的过热也是有效过热(回热系统)。

过热的意义:过热会减小制冷量,因为吸气温度高,气体密度小,压缩机体积流量不变(吸入同样体积制冷剂),但制冷剂质量流量已经减少(之前有讨论),因此制冷量下降;但仍然保留过热度的原因是防止制冷剂液滴出现,引发液击。

一般过热度留5℃左右(实际1~20℃皆可,只要能连续、稳定即可)。

18、类似过热和过热度,过冷是一种状态,某一压力下液体温度低于同温度下液体饱和温度的状态叫过冷。

过冷度:表示过冷状态的程度,是实际液体温度和同压力下饱和温度的差值。

注:过冷的另一概念:物质凝固以后继续冷却,实际温度和结晶温度的差也叫过冷。如标准状态水的凝固温度为0℃,冷却水到0℃时水开始结冰,完全结冰后温度继续下降,如-1℃冰的过冷度也为1℃,但是相对凝固状态的过冷。

举例:一个标准大气压下,水的饱和温度为100℃,加热产生101℃水蒸气,就是过热蒸气,过热度为1℃;冷却后水温到99℃,就是过冷状态的水,过冷度为1℃。

19、冷冻冷藏

实际上都是给物品降温,二者主要区别是降温过程中含不含有潜热。

冷冻是指降温过程中液体变成了固体,是一个相变的过程。

例如片冰机,20℃的水变成-5℃的冰,水的比热为4.2。对于20℃的水,4.2×20=84kj/kg,水的潜热是335kj/kg,冰的比热是10.5(冰的热负荷2.1×5=10.5kj/kg),总和为84+335+10.5=430 335/430=78% 也就是说在整个制冷过程中,潜热部分耗能Z大,大约占80%。这个例子说明在整个冻结过程中潜热的负荷占据80%,也就是在计算时,主要计算潜热的负荷,其他的可以影响可以大体估一下,影响不是很大,在没有比热情况下,根据含水量多少,估一下就可以。

冷藏就是将物品温度降低,但是没有发生相变。

冷藏也分两种,一个是冰点上的冷藏就是所谓的高温库,另一种冰点下的冷藏就是所谓的低温库。高温库主要是果蔬的冷藏,也包括一些鲜鱼鲜肉的冷藏。低温库是生鲜品、水产品、速冻产品的冷冻。

对于冷冻,我们Z关心的是如何缩短冻结时间。这里就要涉及到之前所讲过的传热系数,传热系数有三部分组成:一部分为制冷剂的放热系数;另一部分为货物本身导热系数的影响;Z后一部分为空气放热系数的倒数。

---------参考下面公式,大同小异!

 

 

因为制冷剂的放热系数,主要是由制冷剂和蒸发器形式决定的,这个与蒸发器的材料结构有关,我们对他改变不了很多,所以研究制冷的放热系数意义不大。

食品的导热主要与食品的物性有关,但是跟食品的厚度成反比;越厚,传热系数越小,越薄越大。所以冻结的时候一般把食品冻得薄一点。

空气的放热系数是Z容易改变的,比如改变风机的风压,风量,来提高风速。这个Z容易实现的。

冷冻方式有两种:一种是直接冷冻,直接冷冻又包括两种,一种是浸入式,直接浸入到载冷剂中,比如食盐,乙二醇,丙三醇,酒精等,由于食品与盐水是直接接触的,即使有包装,如果发生包装泄露也会污染食品,所以用处不多。另一种直接冻结的,比如液氮,二氧化碳(干冰),这种形式需要大量消耗东西,所以造价高,常规的产品也不适合,所以也不详细说干冰和液氮这一块。

间接式冻结主要通过空气对流,当然也可能有水,其主要分为四种:

第一种是自然对流,比如家里的冷冻柜,冰柜,盘管的冷冻库。

第二种是强制对流,其实际上是在自然对流的基础上用引入外界动力,如冷风机、水泵,主要是冷风机式的冷冻库,还有就是各种速冻机:螺旋速冻机、网带速冻机、流态化速冻机IQF。

第三种是接触式,常见的是平板速冻机。

第四种是半接触式,常见的是搁架,有一部分导热,一部分对流。另外,板带速冻机也算是半接触式。

以后在讲蒸发器具体形式时候,可以再讲下各种蒸发器。

自然对流特点是:慢,劳动强度大;好处是便宜,结构简单,故障率低、省电。缺点是周转率低,融霜不太方便,可能停机融霜或人工扫霜。

强制对流冻结速度快,劳动强度小,有连续性的强制对流和半连续的强制对流,连续的有各种速冻机等。半连续的有台车速冻机,需要靠一部分人工。还有一种强制对流,介质不是空气而是盐水。比如冰池(产生块冰),先通过蒸发器给把盐水降温,再把冰桶浸入盐水中,给冰桶内的淡水制冷。在蒸发面积要满足需要的前提下,冻结时间主要由块冰的厚度决定,当然,对流情况即盐水循环程度也至关重要)。

接触式冻结特点完全靠导热,不能有空气层, 有空气的话效果几乎要打对折,因为空气不流动,传热系数很小。这种冻结方式对厚度要求也很主要,一般在60~120mm之间,再厚不经济,再薄了适合各种速冻机。具体冻结时间跟蒸发面积和产品厚度都有关系,不能自己设定。其特点是紧凑能耗低,除了液压装置外几乎不需别的用电设备。

半接触式例如搁架,下面是接触,上面通过风机对流。效果主要跟蒸发器形式有关,圆管不如方管效果好,也有在管上铺一些铝板或不锈钢板增加导热对其影响,产量比较大。在保证蒸发面积、风机风量前提下,这种形式还是比较通用的,但是要对风机风量蒸发面积要有经验,比如风机风量:通常1000kg货物10000m3/h的风量。

冷藏:冷藏分为高温库、低温库。高温库用于冷却蔬菜水果,计算时除了常规的热量外还要考虑呼吸热。再就是常规的鲜肉和鲜鱼,鲜鱼这块用的比较多的为近海的冰鲜船。出海时候船上带着冰,捕到鱼的时候一层鱼一层冰,跟市场上卖鱼的形式差不多。

冷藏也是与物品形状、厚度、空气侧换热系数、温差有关。温差大了效果好,但是会造成库房内的温差大,风机进出口温度偏大,近风侧的物品可能会冻坏,所以小心。库温和蒸发温度温差一般为10℃~15℃。当然也与蒸发器形式有关,也不是一概而论的。

因为冷藏时很多东西可能已经包装,只改变空气侧的放热系数,箱内一些情况是改变不了的。因为物品外面有袋,所以只改变空气的放热系数对综合导热系数影响不是很大,所以不要一味地考虑提高空气侧的风速。选择降温时间时要注意,欲速则不达,一味地提高风速不但不经济,还可能造成食品干耗大,使食品的品质降低。

冷藏方法通常冷风、冷水、碎冰、真空预冷。

冷风常见的是冷风机,特点是干耗大,但是无论是电除霜还是制冷剂除霜,容易实现自动化。

冷水包括侵入式、洒水式、淋水式。基本常见就是肉鸡屠宰预冷线,肉鸡屠宰完冷水逆流,肉鸡的温度降到5℃左右,水的温度从2~3℃度升到常温排放,水是消耗品。优点是:没有干耗;缺点是:所有的东西混合在一块容易交叉感染。可以处理一些初级产品。

碎冰包括淡水片冰、海水片冰还有块冰经过粉碎后的。适合特殊的场合或小规模的场合。

抽真空原理是利用水份蒸发吸收热量、降温。这种方式降温速度快,但是由于水份大量蒸发,干耗大,能耗大。这种方式适合价值高的蔬菜类,平时应用不多。

低温库的冷藏,也就是冻藏。因为都是在冰点下,所以没有水份的导热,降温的时候只考虑冻品的传导。由于只是一味地传导,中心温度与外表面温度有一定的温差,冻品的大小也不一样,所以温差不能忽略,一般检测时也是检测中心温度。另外由于冻品外表面的水份有一定的蒸发,会产生干耗,所以现在一般用多镀冰衣,防止外表面裸露防止蒸发干耗。

 


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关键词:冷库安装,冷库设计,聚氨酯冷库板

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