11 第11章 制冷循环

蒸气在两相区易实现 T 汽化潜热大，制冷能力大
水能用否？ 0℃以下凝固不能流动。 一般用低沸点工质，如氟利昂、氨 沸点： Ts ( p 1atm) 100°C 水 R22 R134a - 40.8°C - 26.1°C
11–3 压缩蒸气制冷循环
一、设备流程及T-s图
1-2：定熵压缩过程 2-3：定压放热过程 3-4：绝热节流过程 4-1：定压吸热过程
q0 h2 h4
qc qc wnet q0 qc h1 h4 h1 h4 (h2 h4 ) ( h1 h4 ) h2 h1
循环的制冷量、放热量、净功均可以由 状态点的横标值（焓值）之差表示，工 程应用非常方便，因此在制冷行业中， 通常采用压焓图，来表示循环过程。
制冷能力和冷吨
工业中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小 制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取 走的热量(kJ/s)。工程上常用冷吨表示。 1冷吨：1吨0℃饱和水在24小时被冷冻 成0℃的 冰所需冷量。
1美国冷吨=3024 kcal/h=3.517 kW 1日本冷吨=3320 kcal/h=3.861 kW 1英国冷吨=3373 kcal/h=3.923 kW 日本，1公吨＝1000 kg 美国，1美吨＝907 kg 英国，1英吨＝1016 kg
Tc 253.15 逆卡诺循环： c T T 293.15 253.15 6.33 0 c
同样冷库温度和环境温度条件下逆向卡诺循环的制冷系数是6.33，远大于 本例计算值1.71。
空气制冷循环的缺点： 1）不能实现定温吸热、放热，因此偏离逆卡诺循环较远，制 冷系数低； 2）空气的比定压热容较小，单位质量工质的制冷量低。 这是由气体的热力性质决定的（等压和等温过程不可能同时 实现），虽然采用回热可以使之得到一定的改善，但不能根本 消除，为了解决这两个缺点，需要对制冷工质进行选择。
二、回热式压缩空气制冷循环
由于空气的比热较小，压缩空气制冷，qC较小，虽然增加π 可以提高制冷量，但随π上升，ε下降，为兼顾Qc及ε，采用大流 量叶轮压缩机并回热。 基本循环：1-3’-5’-6-1 原则：压缩机出口温度相等。 回热循环：2-3-4-5-6-1-2
R
p3 p 3 p2 p1
2. qc=cp(T1-T4)，空气cp很小， (T1-T4)不能 太大， qc 很小。 若(T1-T4)

3. 活塞式流量m小，制冷量Qc=m qc小，
如何提高空气压缩制冷循环制冷量
使用叶轮式压气机，质量流量可以得到提高; Qc=m qc
但压比小，单位工质制冷量减小，如何弥补这一缺点呢？ 回热：在回热基础上的叶轮式压缩空气制冷循环。
401.13K
T4 T3

1
293.15K 5

1.4 1 1.4
185.01K
T 3
2 t0 1 4 O s tc
压缩机耗功
wC h2 h1 c p (T2 T1 ) 1.005 (401.13 253.15) 148.72 kJ/kg
lgp-h图及计算
lgp
4
q0
T
3 2 2 4 3
5
1
qc
w
h
1 5
s
qc h1 h5 h1 h4
q0 h2 h4
qc h1 h4 w h2 h1
压焓图 P-h diagram
0. 0
10
0.0
0 .0
9 9 5 .0 0 1 00 00 0 0 .0 0 .0
膨胀机作出的功
wT h3 h4 c p (T3 T4 ) 1.005 (293.15 185.01) 108.68kJ/kg
空气在冷却器中放热量
q0 h2 h3 c p (T2 T3 ) 1.005 (401.13 293.15) 108.52kJ/kg
5’ 5
1
wnet q0 qc h2 h1
可见，采用过冷以后，循环单位制冷量增 加，耗功不变，因此其制冷系数增大。
O s
4、若采用叶轮式压气机，由于流速较高，一般摩擦不能忽略， 因此压缩过程应为不可逆绝热过程，1-2’。
四、状态参数确定
T-s图和logp-h图
qc h1 h5 h1 h4
放热量： 吸热量： 净功量：
q0 h2 h3
qC h1 h4
wnet wc wt q0 qc h2 h1 h3 h4 h2 h3 h1 h4
定值比热 制冷系数： T h1 h4 qC 1 T 4 wnet h2 h3 h1 h4 T2 T3 T 1 T 4
第11章 制冷循环
11－1 概述 11－2 压缩气体制冷循环
基本内容
11－3 压缩蒸汽制冷循环
11－4 制冷剂的性质
11－5 其他制冷循环 11－6 热泵循环
制冷空调装置
制冷用压缩机
涡旋式(Scroll)压缩机
螺杆(Screw)压缩机
离心式(Centrifugal)压缩机
换热器类型
11–1 概 述
一、制冷循环和热泵循环
制冷循环 热泵循环 区别： 制冷循环:不断地从低温热源取走热 量，以维持其低温。 热泵循环: 不断地向高温热源提供热 量，以维持其高温。
制冷循环 TH 热泵循环
逆向循环
二、逆向循环的补偿条件
Siso S0 Sc 0
Siso S0 Sc 0
补偿条件可以是机械能——压缩式制冷循环； 补偿条件也可以是热能——吸收式制冷循环。
T1 TC 253.15K
p2 0.5MPa 5 p1 0.1MPa
T2 p2 T1 p1
1/
T
2 3 1 4 O s t0 tc
T3 T0 293.15K

T3 T4
T2 T1
1
253.15K 5
1.4 1 1.4
制冷循环种类
压缩空气制冷 压缩制冷 压缩蒸气制冷 吸收式制冷
√ √
制冷循环 吸附式制冷
蒸汽喷射制冷 半导体制冷 热声制冷,磁制冷
11–2 压缩空气制冷循环
一、 压缩气体制冷循环简介
冷却水 3
冷却 器
四个主要部件； 工质：空气 1 2 3 2，绝热压缩 p 3，等压冷却，T 4，绝热膨胀，T <T1 1 等压吸热，T T1 T
1kg空气在冷库中的吸热量即为1kg空气的制冷量
qC h1 h4 c p (T1 T4 )
T 3 1 4 O s 2 t0 tc
1.005kJ/(kg K) (253.15 185.01)K 68.48kJ/kg
循环的净功
wnet wc wT 148.72kJ/kg 108.68kJ/kg 40.04kJ/kg
2
膨胀机 4
冷库
压缩机 4 1
理想化处理：①理气； ②定比热; ③ 可逆；
pv图和Ts图
p
3 2 3 4 1
T
2
T0
1
Tc
v 1 2 2 3 绝热压缩 s 等压冷却 p 3 4
4
s 4 绝热膨胀 s 1 等压吸热 p
逆布雷顿循环
p2 循环增压比 p1
制冷系数（the coefficient of performance COP）
三、影响因素分析
提高制冷系数的途径： 1、降低冷凝温度T0——受限于环境温度 2、提高蒸发温度Tc——受限于制冷温度 效果不明显
s
3、采用过冷 4-4’：过冷段
T 4 T0 Tc 4’ 2 3 2’
qC h1 h5 h1 h4 h1 h4
q0 h2 h4 h2 h4
循环的净热量
qnet q0 qC 108.52kJ/kg 68.48kJ/kg 40.04kJ/kg
循环的制冷系数
qc 68.48kJ/kg 1.71 wnet 40.04kJ/kg
(2) 有回热时的压力比
T2 T2 401.13K
T2 p2 T1 p1
4 3
2
2. 少从冷库取走热量
h5 h6 h4 h6 面积8468
8 6 5 a b
1
h4 h8 (h6 h8 )
面积a84ba 面积a86ba 利>弊 1. 省掉膨胀机，设备简化； 优点： 思考题：压缩空气制冷是否可以使用节流阀？ 2. 节流阀开度，易调节蒸发温度； 理想气体（等温节流）
热泵循环和供热系数
qH COP ' wnet
逆卡诺循环
T qH qH TH wnet qH q0 TH T0
' C
TH wnet T0 TC
1 TH不变, T0 T0 1 TH T0不变, TH
εC εC
冷源温度越低，效率越低； s 热源温度越高，效率越低，供热系数恒大于1 。
回热
p3 p3 R p2 p1
1）可以采用叶轮机械，提高空 气质量流量，提高制冷量； 2）压缩机的功耗减小，压缩过 程及膨胀过程中的不可逆损失 减小。
p3 p 3 p2 p1
R
例题1： 压缩空气制冷循环，空气进入压气机时的状态为p1=0.1MPa， t1= -20 ℃，在压气机内定熵压缩到p2 = 0.5MPa，进入冷却器。 离开冷却器时空气的温度为t3=20℃。若tC = -20℃，t0 = 20℃， 空气视为定比热容的理想气体，κ =1.4。 试求：(1)无回热时的制冷系数及1kg空气的制冷量； (2)若 保持不变而采用回热，理想情况下压缩比是多少? 解：(1)无回热
T T0 Tc 4 O s 3 2
1
压缩蒸气制冷循环
比较逆卡诺循环3467 T
2 4 3

c
逆卡诺 73 湿蒸气压缩 “液击”现 象 实际 12 既安全，又 增加了单位质量 工质的制冷量71
6 5
7
1
s
节流阀代替了膨胀机
节流阀代替膨胀机分析
缺点： 1. 损失功量 T
h4 h6 84越陡越好
s
二、制冷系数ε
蒸发器中吸热量 冷凝器中放热量 制冷系数

qc qc wnet q0 qc
qc h1 h5 T h1 h4
2 4 3
q0 h2 h4
1 5
T1 T4 h1 h4 h1 h4 (h2 h4 ) ( h1 h4 ) h2 h1 T2 T1
T R 2 T1
1
T 3 5 4 O
2 3’ 1
2’ 1’ t0 tc
T1 T3 293.15K
R
1
s
1.4 /1.4 1
/ 1
401.13K 293.15K
3.0
R
压力比减小，对使用叶轮式机械有利。
08
00 8
00 7
0.0 0
00
0 .0
75
01
1 0 .0
01
2 0 .0
01
3
0 .0
01
4
0.0
01
回热循环的制冷系数
放热量： 制冷量：
q0 h3 h4
qC h1 h6
制冷系数：
qC h1 h6 q0 qC (h3 h4 ) (h1 h6 )
回热后：
qc=cp(T1-T6）
不变
回热＝ 非回热
相等
q0=cp(T3’-T5’) 非回热 q0=cp(T3-T4)
三、经济性指标
制冷系数
qc wnet
工作性能系数
qc COP wnet
逆卡诺循环
qc qc Tc C wnet q0 qc T0 Tc
1 T0 1 Tc不变, T0 Tc
T0不变, Tc εC εC
T
T0环境 q1 T0 w
Tc q2 s
制冷系数可以小于1，可以大于1，也可以等于1，主要由 低温热源的温度确定，制冷温度越低，制冷系数越小。
1 1
T2 T1 T3 T4

1

1
1
T1 T2 T1
讨论：
1）相同温度的T 0和TC 2）
TC T1 c T0 TC T2 T1
qC
,
空气压缩制冷循环特点
优点：工质无毒，无味，不怕泄漏。 缺点： 1. 无法实现 T ， < C