建筑冷热源素材.docx

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建筑冷热源素材

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建筑冷热源

素材电子版

前　言

建筑冷热源素材电子版（以下简称电子版）摘录了教材《建筑冷热源》（以下简称教材）中主要内容的梗概，以方便教师在制作讲课的课件时摘取教材中的素材。

电子版涵盖了教材第1章~第１3章的主要内容,不包括第14章内容。

第14章供学生做课程设计或毕业设计时参考，教师在指导学生设计时可结合设计题择要讲授。

为便于查找内容,电子版保留了教材的章、节名称，但取消了节下小节编排。

电子版每节的内容均分若干段,在每段的标题前用“·”标志，标题名称及分段的方法并不完全与教材的小节一致，但每节内容的次序仍保持与教材一致。

电子版中的公式、插图、表均无编号。

教材制作课件时，可根据所选内容及增补内容，重新编章、节、小节的序号和公式、插图、表的序号。

为便于识别图中各组成部件,电子版中插图原标注的1、2、3……均用文字取代,但图中的英文标注仍保留。

图中的英文字母均为该部件英文名称的第一个或前两个字母。

例如图２－１中C为Condｅnser的第一个字母;CO为Compreｓｓor的前两个字母。

教师在讲课时解释一个即可，学过英语的学生很易记住。

因此，电子版中未给予注释。

限于作者的水平,电子版可能存在不尽人意的地方，敬请使用者提出宝贵意见，以便今后进一步完善。

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陆亚俊

第1章绪　论

１.1　　建筑与冷热源

●保持建筑室内一定温、湿度的方法

在一定温湿度条件下维持室内热量、湿量平衡,即可维持室内一定温度和湿度。

当室内有多余热量和湿量时，需把它移到室外;当室内有热量损失时，需补充热量。

建筑物热量和湿量传递过程

建筑物夏季与冬季热量和湿量传递过程

建筑有多余的热量和湿量,如何移到室外呢？

利用低温介质通过换热器对空气冷却和去湿,从而通过低温介质将热量湿量移到室外。

——

低温介质—

建筑物夏季与冬季热量和湿量传递过程

建筑有热量损失,如何向建筑补充热量呢?

利用温度较高的介质通过换热器对室内空气进行加热。

——

——

高温介质—

●制冷量、冷量、供热量、制热量、热量的概念

热量是有温差的两个物体间传递的能量。

工程中根据能量传递的方向不同分别用不同的名称。

●制冷装置（制冷机）热泵

一套由各种设备组成的，消耗一定量的高位能量将热量由低位热源传递到高位热源的装置称为制冷装置或制冷机；若它的目标为供热用,则称为热泵

制冷的物理方法—

●　建筑热源在建筑中的其他用途

热水供应；工艺过程用热;其他用热，如游泳池池水加热、洗衣房用热。

１．2冷源与热源的种类

●人工冷源种类

蒸气压缩式制冷机（消耗机械功的冷源）—

吸收式制冷机（消耗热能的冷源）—

●　建筑热源种类

消耗燃料的热源—

太阳能热源——利用太阳能生产热能的热源

热泵—

电能直接转换为热能的热源—

余热——烟气、热废气或排气、废热水、废蒸汽、热的固体或液体等。

●冷热源按集中程度分类

集中式冷源、热源——集中制备冷量或热量，利用冷媒或热媒提供给用户应用。

分散式冷源、热源——设备制取的冷量或热量直接提供给房间应用

１.3　建筑冷热源系统基本组成

　建筑冷热源系统由制冷机、锅炉等冷热源设备与相配套的各子系统组成的综合系统。

●冷源系统

电动制冷机冷源系统

典型制冷机组成的冷源系统

蒸汽或热水型溴化锂吸收式制冷机冷源系统

典型制冷机组成的冷源系统

直燃型溴化锂吸收式冷热水机组的冷热源系统

典型制冷机组成的冷源系统

●热源系统

燃煤锅炉热源系统

典型热源组成的热源系统

电动热泵热源系统

典型热源组成的热源系统

第2章　蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理

2．1　蒸气压缩式制冷与热泵的工作原理

●　蒸气压缩式制冷机的工作过程

最简单的蒸气压缩式制冷机原理图

制冷机中充注易挥发的工质，例如四氟乙烷（CH２FCF3,代号R134a）。

制冷机中的工质称制冷剂。

工质在制冷机中4个状态变化过程：

（1）工质在蒸发器中的等压汽化过程（蒸发过程）汽化吸热,产生制冷效应。

汽化时的压力称蒸发压力，对应的饱和温度称蒸发温度。

（2）工质在压缩机中的压缩过程

压缩过程消耗机械功。

压缩后工质压力升高。

（３）工质在冷凝器中等压冷却和凝结过程（冷凝过程）

冷凝过程放出热量，产生制热效应。

冷凝过程中的压力称冷凝压力，对应的饱和温度称冷凝温度。

（4）工质经节流阀节流

节流后工质压力降低。

工质经历了蒸发—压缩—冷凝—节流4个状态循环变化过程,实现了热量从低温到高温的转移。

其代价是消耗了功。

当制冷机用于供热（利用转移到高温处的热量）时,称为热泵。

●制冷量和制热量

制冷量——单位时间内蒸发器从被冷却介质中提取的热量。

用

表示（e—蒸发器ｅvaｐｏrａtor的第一个字母）。

制热量——单位时间内热泵的冷凝器供出的热量，在制冷机中称为冷凝热量，用

表示（c—冷凝器cｏnｄeｎsｅr的第一个字母）。

制冷量、制热量法定单位:

Ｗ，ｋＷ。

工程制单位：

千卡/小时（kcal/ｈ）,英热单位/小时（Bｔu/h）。

换算关系：

1W＝０．86kｃal/h1kW=860kcal／h

　　　1kｃal/ｈ=１．163W　　１W=3.412Bｔu/ｈ

制冷量另一单位——冷吨（TR-TｏnofＲefrigeration）。

1RT是指1吨0℃的水２4h凝固成0℃冰所需提出的热量。

英、美国家1吨=2000磅，因此有

１ＵSＲＴ=35１７W=３024kcａl/ｈ=１2000Ｂｔu/ｈ

●压缩机消耗的功率

　　制冷机或热泵中压缩机在单位时间内消耗的功称为压缩机消耗的功率，用

表示，单位为W,ｋＷ。

●制冷机或热泵的性能系数

制冷机

热泵ﻩﻩﻩﻩﻩﻩ

注意：

可以指压缩机理论消耗功率、轴功率、电机输入功率或制冷机（热泵）的总输入功率（含风机、泵的电机功率）。

２.2制冷剂及其热力性质图表

●卤代烃

卤代烃是饱和碳氢化合物（CmH2m＋２）的氟、氯、溴的衍生物，是建筑中应用的制冷机（热泵）中常用的一类制冷剂。

卤代烃化学通式　　ＣmHnCｌpFqＢrr

卤代烃的编号　　RaｂｃBｄ

其中a＝ｍ-１，当a=0时,编号中省略

b=n+1

ｃ＝q

d=ｒ,当r=0时，编号中Bd均省略

编号中氯原子数不表示，可按下式推算:

n+p+ｑ+r=2m+２

例:

R22——CHＣｌF2（二氯一氟甲烷）

　CＣl2Ｆ2——R１2

乙烷（Ｃ2H6）衍生物有同分异构体

卤代烃有以下几类：

氟烃（ＦＣ）,如CＦ４（R14），或写成FＣ14

氯氟烃（CFC），如CCl2F2（Ｒ１2）,或写成CＦC1２

氢氯氟烃（ＨCＦC），如CHＣlF２（R22），或写成HＣFC2２

氢氟烃（HFC），如CＨ2FCＦ3（R134a）,或写成HFC1３４a

氢氯烃（ＨＣC），如CH3Cl（R40），或写成ＨCC40

全氯代烃，如CCl4

符号中第一个Ｃ代表氯，第二个Ｃ代表碳。

●饱和碳氢化合物

甲烷（CH4）—R50,乙烷（C2H6）—R1７0

丁烷及以后的烷类按序号６00依次编号

●环状有机化合物

分子结构呈环状的有机化合物，如C４F8,编号为RC31８。

●共沸混合制冷剂

由两种或多种制冷剂按一定比例混合在一起的制冷剂,在一定压力下平衡的液相和气相的组分相同，且保持恒定的沸点,这样的混合物称为共沸混合制冷剂。

例如R125/１34ａ（50/50）,编号为R5０7A

编号法则：

已商品化的共沸混合制冷剂给予编号,序号从５０0开始。

●非共沸混合制冷剂

由两种或多种制冷剂按一定比例混合在一起的制冷剂,在一定压力下平衡的液相和气相组分不同（低沸点的组分在气相中的成分高于液相中的成分），且沸点并不恒定。

例如R３2/125/１34a（2３/25／52），编号R４07C

编号法则:

已商品化的非共沸制冷剂给予编号，序号从４0０号开始。

●无机化合物

编号法则：

700加分子量

氨（NH3）R71７

二氧化碳（CO２）R744

水（H2Ｏ）R718

●制冷剂热力参数表

　制冷剂饱和状态下热力性质表

R134a饱和状态下热力性质表

温度

t（℃）

绝对压力

p（kPa）

比　容

比焓

汽化潜热

hfg

（kJ/kg）

比熵

液体υｆ

（L／kｇ）

蒸气υg

（m3/kg）

液体ｈf

（kJ/kg）

蒸气hｇ

（kJ/kｇ）

液体sｆ

（kJ/（kg·Ｋ））

蒸气sg

（kJ/（ｋg·K））

－６０

16.31７

0.67８73

1.0502０

12７．283

360.230

２32.９48

0．7０13９

1.79４２7　

－59

１7.３86

0.６7999

0．9８961

１２8.38０

3６0.862

232.482

0.７0652

1.79212

－5８

1８．５13

0.68１26

0.９3311

129．481

361.４94

２３２.01３

0．71165

１.79０02

-57

１９.７00

0.6８253

０.8803８

1３0.58６

36２.1２7

231.54０

0．71677

1.７８797

-56

20.949

0.6８３82

０.８3１14

１３1.６95

362.759

231.06４

0.7２188

1.7859６

制冷剂过热蒸气热力性质表

R１34a过热蒸气热力性质表

温度t

（℃）

比容υ

（m３/ｋｇ）

比焓ｈ

（kJ/kg）

比熵ｓ

（kJ／（ｋg·K））

温度t

（℃）

比容υ

（m3/kg）

比焓h

（kJ/kg）

比熵s

（kJ/（kg·K））

p=2９２.8２kＰa

p＝10１６．4kPa

0

０.06８891

397.216

１.72200

４０

０.01９85７

４18．２２6

1.７0７１3

5

0.０７0716

401.803

１.73865

４5

0.020583

４24.077

１．7２５6７

１0

0.072５０0

4０6.３91

1.75499

５０

0．021２72

4２9.８12

1.74３55

15

0.0７425０

410.983

１.77１07

55

０．0２１931

435．458

1．７6089

20

0.０７５９６９

415.5８6

１．7８６9１

60

0.022565

44１．０3６

1.７77７６

●制冷剂的lｇｐ－h图和Ｔ-s图

lgp－h图

R134a的ｌgｐ-ｈ图（简图）

T－s图

Ｔ-s示意图

2．3　　蒸气压缩式制冷（热泵）理想循环和饱和循环

●理想循环（逆卡诺循环）

逆卡诺循环在T-s图上的表示

1-2——等熵压缩过程

2-3——等温压缩过程

3-4——等熵膨胀过程

4-1——等温膨胀过程

设M（kｇ）工质在系统内循环一周,则

从低温热源处吸取热量

Q2=T２（sb-sa）M

向高温热源排出热量

W=Q2-Q１=（T2-T1）（sｂ－ｓa）M

循环消耗的净功

制冷性能系数

制热性能系数

●　在湿蒸气区中的逆卡诺循环

在湿蒸气区中的逆卡诺循环在T-s图上的表示

实际上这个循环无法实现,其原因是:

（1）无温差传热实际上是行不通的。

（2）压缩过程在湿蒸气区进行危害性大。

（3）膨胀机的尺寸很小，制造不易。

（4）状态点1很难检测和控制。

●　饱和循环

蒸气压缩式制冷饱和循环在Ｔ-s图上的表示

饱和循环是对湿蒸气区中逆卡诺循环进行如下改造后的可实现的循环：

（1）取消膨胀机,改用节流阀。

（2）状态点1改为饱和蒸气状态。

（3）使ＴｅT2。

饱和循环在lgp-ｈ图上的表示

lgp-h图上的饱和循环

设系统内制冷剂质量流量为

（kg/s），制冷剂在各设备中与外界的热量、功量交换如下:

制冷量

冷凝热量或热泵制热量

压缩机消耗功率

上式各式除以

则有

单位质量制冷量

单位质量冷凝热量（单位质量制热量）

单位质量压缩功

根据热力学第一定律

qｃ=qｅ+w

制冷性能系数

制热性能系数

ＣOPh=1+COＰ

压缩机吸入口容积流量

单位容积制冷量

注意：

制冷机的容积流量各处不一定相等。

如无特殊说明

、qv均指压缩机吸汽口处的物理量。

●Te和Tc对饱和循环的影响

蒸发温度变化的影响

当Te↑，则qe↑，qｖ↑，ｗ↓，qc↓，CＯP↑,COＰh↑

冷凝温度变化的影响

当Tｃ↓,则ｑe↑,ｑｖ↑，w↓,COP↑,ＣOPh↑,qc与制冷剂性质有关，一般是增加的。

2.4饱和循环和理想循环比较

●不考虑传热温差两个循环的比较

饱和循环和逆卡诺循环在Ｔ-s上的比较

饱和循环与理想循环的差别有：

（1）采用干压缩后，压缩多耗了功A１（称过热损失）；且排汽温度升高了。

（2）用节流阀取代膨胀机，损失了膨胀功A2和单位制冷量减少了A2（称节流损失）。

饱和循环与卡诺循环的比较

逆卡诺循环

饱和循环

差值

单位质量制冷量qe

面积6－１-c-a-6

面积4-1-c-b-4

-A2

单位冷凝热量qｃ

面积5-3-ａ－ｃ-５

面积2-2′-3-a－ｃ－2

+Ａ1

单位压缩功ｗ

面积1-５－3-6－１

面积１-2-2′－3-a-b-４－１

A1+Ａ2

注：

w的面积按ｗ=ｑc-ｑe确定。

由于有过热损失和节流损失，导致性能系数下降。

用制冷循环效率来衡量饱和循环接近逆卡诺循环的程度。

4种制冷剂的节流损失、过热损失（ｔe/tc＝0℃/４0℃）

制冷剂

节流损失

过热损失

t2（℃）

COP

ηR（%）

A2

（kJ/kg）

（%）

（％）

A１

（kJ／kg）

（%）

R１3４a

４.292

2０.16

2．95

0．１１6

0.55

44

5.４８7

８0.4

R22

4.0８４

17.45

2．56

０．576

2.5

5８．４

5.5４6

８１.2

Ｒ７17

13.803

8．７2

1.2８

13.58

8.5７

９5.7

5.7４5

8４.２

R１23

1.723

8.2

１.2

0

0

40

6．2３2

９1.３

4种制冷剂热泵循环效率

制冷剂

R1３4ａ

Ｒ22

R71７

R1２3

ηH，％

８２.8

83.７

8６．2

９２.4

2.5　　饱和循环的改进措施

●节流前过冷

高压制冷剂液体在节流以前进一步冷却成过冷液体,以减少节流损失。

节流前过冷在ｌgp-h图上的表示

qe、ｑv、ＣOP每过冷１℃的增加百分数（te/tｃ=0℃／４０℃）

制冷剂

R１34ａ

R22

R717

R123

qｅ、qv、ＣOＰ增加百分率（%）

１.０5

0．84

0．44

0.72

●回热循环

回热循环

利用压缩机吸入前的低温蒸气对节流前的液体过冷却，以获较大的过冷度。

单位质量制冷量

单位容积制冷量

单位压缩功

单位冷凝热量（单位制热量）

COP=ｑe/w

制冷性能系数

COPｈ=ｑc／w

制热性能系数

qｅ=h１－ｈ６

4种制冷剂采用回热循环后COP、COPh、ｑv增减百分比及t2①

制冷剂

R１34a

R22

Ｒ717

R1２3

CＯＰ增减百分比（％）

13.９

-1.１4

-4．21

-3.２

CＯPｈ增减百分比（%）

11.８

-0.９7

-3．6

-2．８

qv增减百分比（％）

2.49

-1.03

-4.53

１．5

排汽温度t2（℃）

６2.8

77．9

12０

5９．8

①工况为te=0℃，tｃ＝40℃，吸气温度ｔ1=2０℃。

２.6双级压缩制冷（热泵）循环

●压力比增加对循环的影响

Ｒ134a在以下两种工况循环的比较

te，℃

tc，℃

ｐｅ,ｋPａ

ｐc，kPa

ｐc/pe

０

7０

29２.８2

２11６.２

7.2３

0

４0

2９２．82

1０16.4

３.4７

不同压力比的饱和循环在ｌgp-ｈ图上的比较

tｅ／tc=０℃/7０℃工况下两种制冷剂的比较

制冷剂

节流损失

过热损失

t２′（℃）

COPh

ηＨ（%）

A2/wｃ（%）

A1／qec（％）

A１/wc（％）

R１34a

48.7

１2.5

0.55

７１.１

3.７９

7７.3

R717

16.1

４.１

11.５

159.1

3．93

80．2

●　两级节流完全中间冷却的双级制冷（热泵）循环

两级节流完全中间冷却的双级压缩制冷（热泵）循环

●两级节流不完全中间冷却的双级制冷（热泵）循环

两级节流不完全中间冷却的双级压缩制冷（热泵）循环

●　一级节流不完全中间冷却的双级制冷（热泵）循环

一级节流不完全中间冷却的双级压缩制冷（热泵）循环

●　准双级制冷（热泵）循环

　有两级叶轮的离心式压缩机可实现此循环。

第一级叶轮相当于低压级压缩机，第二级叶轮相当于高压级压缩机。

●　双级压缩制冷（热泵）循环的热力计算

单位质量制冷量

wＬ＝h2-ｈ1

低压级压缩机单位压缩功

ｗＨ=h4－h3

高压级压缩机单位压缩功

低压级压缩机质量流量和容积流量

高压级压缩机质量流量和容积流量

完全中间冷却

不完全中间冷却

低压级压缩机消耗功率

高压级压缩机消耗功率

冷凝热量或热泵制热量

盘管式中间冷却器负荷

制冷性能系数

2．７实际循环与理论循环的差异

●　在ｌgｐ-h图上表示的差异

在lgp－ｈ图上实际循环与理论循环的差异

（1）蒸发器中并非等压过程。

（２）压缩机吸汽状态偏离饱和状态。

（3）压缩过程并非可逆的绝热过程。

（4）冷凝器入口状态并非压缩终点状态。

（５）冷凝器中并非等压过程。

（6）高压液体管有阻力和传热。

（7）节流阀及低压液体管中并非绝热节流

●　利用吸汽管压降调节制冷机的制冷量

用算例来说明，设饱和循环te=４0℃,ｔc＝0℃；制冷剂为R134a;吸汽管上装有调节阀,使吸汽压力节流到相当于-5℃的饱和压力。

循环在lgp-h图上的表示

循环各状态的热力参数:

h１=397.216kJ/kｇ　　v1=0.06８891m3／kg

h２＝4２4.919kJ/ｋｇ　　v１=0.08４367m3/kｇ

h2′=428.97５kＪ/ｋg　　　　

吸汽有节流的制冷量

与无节流的制冷量

之比

吸汽有节流的消耗功率

与无节流的消耗功率

之比

ﻩ

∴吸汽节流后制冷量减少了18.3％，而消耗功率仅减少了6.4％。

这种调节制冷量的方法,其性能系数是下降的。

第3章蒸气压缩式制冷机和热泵中的主要设备

３.１制冷压缩机的种类

制冷和热泵中压缩机分类及主要机种结构示意图

3．２往复式压缩机的结构与种类

●开启式往复式压缩机

8SF１０开启式压缩机的剖面图

（１）机体组　含机体、汽缸盖、前后轴承盖。

（2）汽缸套与汽阀组合件

汽缸套及汽阀组合件

（3）活塞和曲轴连杆机构

活塞

（4）轴封

摩擦环式轴封

（5）能量调节装置

排汽量调节方法有:

汽缸卸载法;改变压缩机转速;旁通法;吸汽节流；汽缸附加余隙。

顶杆机构和油压推杆机构

（6）润滑系统

润滑油系统

转子式内齿轮油泵

●封闭式往复式压缩机

（１）半封闭式往复式压缩机

半封闭往复式压缩机

封闭式压缩机中的阀片

簧片式吸、排汽阀片

半封闭式压缩主要优点密封性好且具有维修的便利。

（２）全封闭往复式压缩机

全封闭往复式压缩机

主要优点密封性最好，结构紧凑，重量轻。

●往复式压缩机的种类

按使用制冷剂分：

氨压缩机,氟利昂压缩机（使用卤代烃制冷剂）,多工质压缩机，二氧化碳压缩机。

按汽缸排列分：

开启式和半封闭压缩机

全封闭式压缩机

3.3往复式压缩机的制冷量与功率

●往复式压缩机的工作过程

往复式压缩机的工作过程

●往复式压缩机的容积效率的定义

1个直径为D（m）,活塞行程为S（m）的汽缸,其工作容积Ｖｃｙ（m3）为

Z个汽缸，转速n（r/miｎ）的压缩机，理论排汽量（活塞排量）

（ｍ3／s）为

压缩机理论质量流量

（kg/s）为

容积效率（输汽系数）定义

式中

、

分别为压缩机实际质量流量和排汽量，kg/s，ｍ3/s。