高等工程热力学 制冷循环综述教材
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
制取斯特林制冷与传统的蒸气压缩节流制冷有极 大的不同，斯特林制冷技术一般采用整体式斯特林制冷机 作为冷源，其原理是氦气膨胀制冷，因而无节流系统和蒸 发器。相对于传统的蒸汽压缩节流制冷系统，采用斯特林 制冷系统具有高效率、“绿色”制冷剂、制冷温区广等特 点在环保及节能方面具有明显的优势。
1冷吨：1吨0°C饱和水在24小时内被冷冻 到0°C的冰所需冷量。 水的凝结（熔化）热 r =334 kJ/kg 1冷吨（RT)=3.86 kJ/s 1美国冷吨=3.517 kJ/s
制冷循环种类
空气压缩制冷
√ √
压缩制冷
蒸气压缩制冷
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
1.空气压缩制冷循环
目前斯特林制冷在商业制冷的研究 • 1. 国外斯特林制冷用于商业制冷的研究
斯特林制冷技术在商业制冷上的研究包括，大冷 量中高温区斯特林制冷机的研制和斯特林制冷机 在制冷系统上的应用研究。
以色列IST公司与法国电力公司EDF合作研制了采用旋转电机的曲柄连杆结构 的斯特林制冷机，其结构如图1所示
韩国LG公司的Kim等采用自由活塞斯特林制冷机（FPSC）对60L的冰箱制冷， 使冰箱内温度保持在-20℃，结果显示相对于蒸汽压缩制冷系统节能25%。牛 津大学的Green等研究了使用热虹吸系统对冷头和热端传热的FPSC系统，研 究结果显示比传统的制冷设备节能17%。2004年4月份日本夏普公司计划在 VM(Vending Machine)上使用FPSC代替传统的Rankine制冷系统
T
2
3
1 T2 T3 1 T1 T4
4
1
s
关于逆向布雷顿循环研究的进展
• 1977年，Andresen等首次把以寻求更实际、更有用的性
•
能界限，以寻找循环的最优性能及实现目标的最优途径的 研究称为“有限时间热力学”。之后的几十年，国内外的 很多学者都对该领域进行了深入的研究，进一步获得了许 多更合乎实际的性能界限，逐步把经典热力学理论延伸， 使之包含各种现实的不可逆效应。 国内学者张万里等考虑采用逆向布雷顿制冷循环冷却压气 机进气的开式燃气轮机循环中工质在流动过程中的压力损 失，建立了相应动力装置的热力学模型，分别给出了相关 表达式，分析了压气机入口相对压力损失、制冷循环对循 环最优功率和效率特性的影响。
COP (Coefficient Of Performance)
T0环境 T0 T2
T2 C w q1 q2 T0 T2
2 2
卡诺逆循 环 q q
q1
w
T0不变, T2 T2不变, T0
εC εC
s
q2
制冷能力和冷吨
生产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)。 商业上常用冷吨来表示。
冷却水
3 冷却器
2
膨胀机
冷藏室
压缩机
4
1
P-v图和T-s图
p
3 2
逆向布雷顿制冷循环
2
3
T T0
1
4
1
4
T2
s
1 2 3 4
v s 2 绝热压缩 3 等压冷却 p 4 绝热膨胀 s p 1 等压吸热
制冷系数
q2 q2 COP w q1 q2 cp (T1 T4 ) cp (T2 T3 ) cp (T1 T4 )
制冷循环综述
能源与动力工程学院 周帆 (513108001724)
动力循环与制冷（热泵)循环区别
• 动力循环 —正循环 输入热量,通过循环输出功 • 制冷循环 —逆循环 输入功量（或其他代价），从低温 热源取热
• 热泵循环 —逆循环 输入功量（或其他代价），向高温 热用户供热
制冷循环和制冷系数
1 q2 COP T w T0 1 T2
两个等压，热与功均与焓有关
s
lnp-h图
Lnp-h图 过冷措施
lnp
4’ 4 3 2
4 4’ 5’ 5 3
T
2
5’ 5
1
1
h
q2 h1 h5
w h2 h1
不变
q1 h2 h4'
q2 h1 h4' w h2 h1
工程上常用
s
拓展
斯特林制冷循环
• 斯特林制冷机是利用膨胀气缸内气体周期性膨胀和压缩来
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 定温吸热放热，偏离逆向卡诺 循环 ，降低经济性 2. 制冷量不大，q2=cp(T1-T4)，空气cp很 小， (T1-T4)不能太大， q2 很小。 若(T1-T4) 3. 活塞式流量m小，制冷量Q2=m q2小，
Ts ( p 1atm)
蒸气压缩制冷循环T-S图
蒸发器中吸热量
T
2 4 3
q2 h1 h5 h1 h4
冷凝器中放热量
q1 h2 h4
制冷系数
1 5
q2 h1 h4 h1 h4 q2 q1 q2 (h2 h4 ) (h1 h4 ) h2 h1 w
最近3年以来，国内研究大冷量中高温区斯特林制 冷机逐渐兴起。
西安交通大学孙乐安教授和华中科技大学等开发了一种V型整体式斯特林制冷 机。
中国科学院北京理化技术研究所的吴张华等提出了一种脉管型双活塞斯特林
制冷机结构。
2006年中国科学院上海技术物理研究所开发了一台整体式自由活塞斯特林制
冷机，如下图8.
斯特林制冷机应用于当前商业制冷 的关键技术及分类
• 首先，设计和制造高效率、长寿命、大冷量的斯特林制冷 • •
机是斯特林制冷机商业化应用的关键之一。 其次，斯特林制冷机冷头到制冷空间的冷量传递是影响系 统整体效率的重要因素，也很有必要进行详细研究。 大冷量中高温区斯特林制冷机主要有两种结构。一种是采 用普通的旋转电机和曲柄连杆结构；另一种是自由活塞斯 特林制冷机(FPSC)结构。 对于小型制冷系统(Q<200W)来说，倾向于采用自由活塞 结构(FPSC)；对于中型制冷系统(200W<Q<2000W)来说， 采用曲柄连杆结构较为方便；对于大型制冷系统，如冷库 及空调系统来说，目前的斯特林制冷技术还不具有优势。
使用低压比大流量叶轮式压气机，回热则可用。
2.蒸气压缩制冷循环
水能用否？ 0°C以下水是凝固态不能流动。
一般用低沸点工质（氟利昂、氨、R22等） 作制冷剂，在低温下定压汽化吸热制冷， 因为湿蒸气区定压即是定温过程。
水 R22 R134a THR01 100°C - 40.8°C - 26.1°C - 30.18°C 沸点：
2004年，室外用品商日本Coleman公司(东京)已经投产配备F P S C的小型冰 柜“Portable Freezer Cooler 25L”，而日本Twinbird公司的FPSC汽车冰箱 也于2004年底上市。图5即为Twinbird公司生产的FPSC汽车冰箱实物图。
2. 国内斯特林制冷用于商业制冷的研究
•
冷量传递技术分析与小结
• 1) 直接式
• 2) 热虹吸式
3) 液体泵循环
三种传递技术适用情况
• 1)在小冷量、小空间制冷系统中宜用直接式 • 2)在大冷量、大空间制冷系统中宜采用低温
液体泵循环系统； • 3)在高效率制冷系统中宜采用热虹吸冷量传 递系统。 其中热虹吸冷量传递与自由活塞斯特林制 冷机(FPSC)结合是未来小型斯特林制冷系 统的发展方向。
1冷吨：1吨0°C饱和水在24小时内被冷冻 到0°C的冰所需冷量。 水的凝结（熔化）热 r =334 kJ/kg 1冷吨（RT)=3.86 kJ/s 1美国冷吨=3.517 kJ/s
制冷循环种类
空气压缩制冷
√ √
压缩制冷
蒸气压缩制冷
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
1.空气压缩制冷循环
目前斯特林制冷在商业制冷的研究 • 1. 国外斯特林制冷用于商业制冷的研究
斯特林制冷技术在商业制冷上的研究包括，大冷 量中高温区斯特林制冷机的研制和斯特林制冷机 在制冷系统上的应用研究。
以色列IST公司与法国电力公司EDF合作研制了采用旋转电机的曲柄连杆结构 的斯特林制冷机，其结构如图1所示
韩国LG公司的Kim等采用自由活塞斯特林制冷机（FPSC）对60L的冰箱制冷， 使冰箱内温度保持在-20℃，结果显示相对于蒸汽压缩制冷系统节能25%。牛 津大学的Green等研究了使用热虹吸系统对冷头和热端传热的FPSC系统，研 究结果显示比传统的制冷设备节能17%。2004年4月份日本夏普公司计划在 VM(Vending Machine)上使用FPSC代替传统的Rankine制冷系统
T
2
3
1 T2 T3 1 T1 T4
4
1
s
关于逆向布雷顿循环研究的进展
• 1977年，Andresen等首次把以寻求更实际、更有用的性
•
能界限，以寻找循环的最优性能及实现目标的最优途径的 研究称为“有限时间热力学”。之后的几十年，国内外的 很多学者都对该领域进行了深入的研究，进一步获得了许 多更合乎实际的性能界限，逐步把经典热力学理论延伸， 使之包含各种现实的不可逆效应。 国内学者张万里等考虑采用逆向布雷顿制冷循环冷却压气 机进气的开式燃气轮机循环中工质在流动过程中的压力损 失，建立了相应动力装置的热力学模型，分别给出了相关 表达式，分析了压气机入口相对压力损失、制冷循环对循 环最优功率和效率特性的影响。
COP (Coefficient Of Performance)
T0环境 T0 T2
T2 C w q1 q2 T0 T2
2 2
卡诺逆循 环 q q
q1
w
T0不变, T2 T2不变, T0
εC εC
s
q2
制冷能力和冷吨
生产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)。 商业上常用冷吨来表示。
冷却水
3 冷却器
2
膨胀机
冷藏室
压缩机
4
1
P-v图和T-s图
p
3 2
逆向布雷顿制冷循环
2
3
T T0
1
4
1
4
T2
s
1 2 3 4
v s 2 绝热压缩 3 等压冷却 p 4 绝热膨胀 s p 1 等压吸热
制冷系数
q2 q2 COP w q1 q2 cp (T1 T4 ) cp (T2 T3 ) cp (T1 T4 )
制冷循环综述
能源与动力工程学院 周帆 (513108001724)
动力循环与制冷（热泵)循环区别
• 动力循环 —正循环 输入热量,通过循环输出功 • 制冷循环 —逆循环 输入功量（或其他代价），从低温 热源取热
• 热泵循环 —逆循环 输入功量（或其他代价），向高温 热用户供热
制冷循环和制冷系数
1 q2 COP T w T0 1 T2
两个等压，热与功均与焓有关
s
lnp-h图
Lnp-h图 过冷措施
lnp
4’ 4 3 2
4 4’ 5’ 5 3
T
2
5’ 5
1
1
h
q2 h1 h5
w h2 h1
不变
q1 h2 h4'
q2 h1 h4' w h2 h1
工程上常用
s
拓展
斯特林制冷循环
• 斯特林制冷机是利用膨胀气缸内气体周期性膨胀和压缩来
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 定温吸热放热，偏离逆向卡诺 循环 ，降低经济性 2. 制冷量不大，q2=cp(T1-T4)，空气cp很 小， (T1-T4)不能太大， q2 很小。 若(T1-T4) 3. 活塞式流量m小，制冷量Q2=m q2小，
Ts ( p 1atm)
蒸气压缩制冷循环T-S图
蒸发器中吸热量
T
2 4 3
q2 h1 h5 h1 h4
冷凝器中放热量
q1 h2 h4
制冷系数
1 5
q2 h1 h4 h1 h4 q2 q1 q2 (h2 h4 ) (h1 h4 ) h2 h1 w
最近3年以来，国内研究大冷量中高温区斯特林制 冷机逐渐兴起。
西安交通大学孙乐安教授和华中科技大学等开发了一种V型整体式斯特林制冷 机。
中国科学院北京理化技术研究所的吴张华等提出了一种脉管型双活塞斯特林
制冷机结构。
2006年中国科学院上海技术物理研究所开发了一台整体式自由活塞斯特林制
冷机，如下图8.
斯特林制冷机应用于当前商业制冷 的关键技术及分类
• 首先，设计和制造高效率、长寿命、大冷量的斯特林制冷 • •
机是斯特林制冷机商业化应用的关键之一。 其次，斯特林制冷机冷头到制冷空间的冷量传递是影响系 统整体效率的重要因素，也很有必要进行详细研究。 大冷量中高温区斯特林制冷机主要有两种结构。一种是采 用普通的旋转电机和曲柄连杆结构；另一种是自由活塞斯 特林制冷机(FPSC)结构。 对于小型制冷系统(Q<200W)来说，倾向于采用自由活塞 结构(FPSC)；对于中型制冷系统(200W<Q<2000W)来说， 采用曲柄连杆结构较为方便；对于大型制冷系统，如冷库 及空调系统来说，目前的斯特林制冷技术还不具有优势。
使用低压比大流量叶轮式压气机，回热则可用。
2.蒸气压缩制冷循环
水能用否？ 0°C以下水是凝固态不能流动。
一般用低沸点工质（氟利昂、氨、R22等） 作制冷剂，在低温下定压汽化吸热制冷， 因为湿蒸气区定压即是定温过程。
水 R22 R134a THR01 100°C - 40.8°C - 26.1°C - 30.18°C 沸点：
2004年，室外用品商日本Coleman公司(东京)已经投产配备F P S C的小型冰 柜“Portable Freezer Cooler 25L”，而日本Twinbird公司的FPSC汽车冰箱 也于2004年底上市。图5即为Twinbird公司生产的FPSC汽车冰箱实物图。
2. 国内斯特林制冷用于商业制冷的研究
•
冷量传递技术分析与小结
• 1) 直接式
• 2) 热虹吸式
3) 液体泵循环
三种传递技术适用情况
• 1)在小冷量、小空间制冷系统中宜用直接式 • 2)在大冷量、大空间制冷系统中宜采用低温
液体泵循环系统； • 3)在高效率制冷系统中宜采用热虹吸冷量传 递系统。 其中热虹吸冷量传递与自由活塞斯特林制 冷机(FPSC)结合是未来小型斯特林制冷系 统的发展方向。