冷热源工程课件

1.1.2 有温差传热的逆卡诺循环
根据热力学第二定律，热量不会自发地从 低温环境传向高温环境。要实现这种逆向传热 过程，必须要伴随一个补偿过程使整个孤立系 统的熵增等于或大于零。蒸气压缩式制冷就是 以消耗机械能作为补偿条件，借助制冷工质的 状态变化将热量从温度较低的环境（通常是空 调房间、冷库等）不断地传给温度较高的环境 (通常是自然界的水或空气）中去。逆卡诺循 环由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组 成，循环沿逆时针方向进行，该循环过程的示 意图和T-s图如图1-4所示。
冷热源工程
第一章 制冷基本知识
1.1 理想制冷循环—逆卡诺循环
1.1.1 概 述
一、制冷发展简史 我国早在三千年前的周朝就有了用冰的 历史。据《艺文志》记载：“大秦国有五宫 殿，以水晶位柱拱，称水晶宫，内实以冰， 遇夏开放”。这是我国最早的空调房间。 希腊人和罗马人早已知道建造地下雪窖， 储藏压实的雪。印度人、埃及人把水放在浅 的多孔陶器内，夜间放于地下洞穴中，利用 水蒸发冷却空气。
到1874年林德（Linde）设计成功氨 制冷机，被公认为制冷机的始祖，这些都 对制冷技术的发展起了重大作用； 1913年美国工程师拉森（Lnvsen） 制造出世界上第一台手操纵家用电冰箱； 1918年美国开尔文纳特（Kelvinator ）公司首次在市场上推出自动电冰箱；
1926年美国通用（G.E.）公司经过 11年的试验，研制成功了世界上第一台全 封闭式制冷系统的自动电冰箱，1927年 家用吸收式冰箱问世。
c
（1-3）
值越接近于1，说明实际循环越接近
可逆循环，不可逆循环损失越小，经济 性越好。
只有采用 加以比较才是有意义的。
例1.1，1.2。
1.1.4 具有变温热源的理想制冷循环— 劳伦兹循环 在制冷循环实际工作时，有时会遇 到热源的温度是变化的。例如，利用 窗式空调器向房间供冷时，随着时间 的延续，房间温度会降低。考察如图16所示的劳伦兹循环。
溴化锂吸收式制冷机产量居世界第 二位。我国在产品质量、技术水平上均 有很大提高，与国外先进水平的差距日 益缩小，有的产品已达到世界同类产品 的先进水平。
二十多年来中国制冷空调行业取得 了长足的进步，但在全球经济一体化的 背景下，面对加入WTO的挑战和竞争， 前进的道路上还有很多困难。
制冷空调行业要同心协力，加强联 合，调整产品结构，注重科研技术开发， 创造中国的国际名牌产品，逐步形成规 模经济，增强国际竞争力，使中国真正 成为制冷空调强国。
T T2 T km T3
3 1
3'
2
2'
T1 T 0m T4
4 6 5 7
4'
s
图 1-6
变温热源逆向循环
为了达到变温条件下耗功最小的目的， 制冷剂的循环过程应为12341，让制冷剂在 吸、放热过程中其温度也发生相应的变化， 做到制冷剂与热源之间的热交换过程为无温 差传热，不存在不可逆换热损失。1-2和3-4 过程仍分别为可逆绝热压缩和可逆绝热膨胀 过程。这样，1-2-3-4循环为一个变温条件下 的可逆逆向循环—劳伦兹循环。实现这一循 环所消耗的功为最小，制冷系数达到给定条 件下的最大值。
目前全国生产制冷设备的厂家有近 100家，生产空调设备的厂家有近200家。 自1989年来工业产值平均年增长20%左 右。
目前我国制冷空调行业产值约占全球 总量的12%以上，成为继美国、日本之后 的第三大制冷空调生产国。
我国电冰箱、家用空调器产量已居世 界第一位，分别占到世界总产量的30%和 16%。
1.2 蒸气压缩式制冷的理论循环
1.2.1 蒸气压缩式制冷的理论循环
工程上采用最多的是蒸气压缩式制冷 循环。液态制冷剂由饱和液体气化成蒸 气时要吸收热量（潜热）。气化时的压 力不同，其液体的饱和温度（沸点）不 同，气化潜热的数值也不同。
蒸气压缩式制冷系统均由节流机构 （如节流阀、膨胀阀、毛细管等）代替 膨胀机。 若压缩机吸入的是湿蒸气，在压缩 过程中必然产生湿压缩。湿压缩会引起 种种不良后果，严重时甚至毁坏压缩机， 在实际运行中应严禁发生。
冷却介质
qk T
3
Tk
冷凝器
2 3
T we
膨胀机
2

k
wc T q0
被冷却介质 压缩机 1
we
0
wc
1
4
q0 T' 0
蒸发器 (a) 5 (b) 6
4
s
图1-4 逆卡诺循环
（a）工作流程；（b）理想循环
在制冷循环中，制冷剂从被冷却物 体中吸取的热量（即制冷量）与所消耗 的机械功之比称为制冷系数，用 c 表示。 它是评价制冷循环经济性的指标之一。 在逆卡诺循环中：
q0 h1 h5 0 w0 h2 h1
(1-12)
7、热力完善度
图（1-9）表示的理论循环仍是一 个不可逆循环，它在制冷剂的冷却(23)过程及节流过程中仍存在不可逆损 失，其不可逆程度用热力完善度表示。
0 h1 h5 Tk T0 c h2 h1 T0
例1.3。
(1-13)
1.3 蒸气压缩式制冷的实际循环
在前面的循环分析中作了一些假定， 构成了蒸气压缩的“理论循环”。事实 上，它与实际循环之间存在着许多差别。 例如，理论循环没有考虑制冷剂液体过 冷和蒸气过热的影响；压缩机中的实际 压缩过程并非等熵过程；冷凝和蒸发过 程中存在着传热温差等。下面分别予以 分析和讨论。
1.3.1
液体过冷
制冷剂节流后湿蒸气干度的大小直接 影响到单位质量制冷量的大小。在冷凝 压力一定的情况下，若能进一步降低节 流前液体的温度，使其低于冷凝温度而 处于过冷液体状态，则可减少节流后产 生的闪发蒸气量，提高单位质量制冷量。
2
T
3 4 1 Δ tg 4 4' 5' 6 5 5
p
2
Tk 3 T0 q0
-15℃
图1-2 利用 液体气化 的制冷装 置
（3）升华制冷
利用固体升华的吸热效应来实现制 冷的方法。例如干冰（固体CO2 ）在1标 准大气压下升华要吸收573.6kJ/kg的升 华潜热，升华时的温度维持在-78.9℃。 目前干冰制冷常被用在人工降雨和医疗 中。
2、气体绝热膨胀制冷
一定状态的气体通过节流阀或膨胀 机绝热膨胀时，它的温度降低，从而达 到制冷的目的。气体绝热节流是通过节 流阀来实现的。气体经过阀门时，流速 大、时间短，来不及与外界进行热交换， 可以近似地看成绝热过程。根据稳定流 动能量方程，气体绝热节流后焓值不变。
1、单位质量制冷量 它表示每kg制冷剂在蒸发器内完成 一次循环所制取的制冷量，等于制冷 剂进出蒸发器时的焓差。
q0 h1 h5
(kJ/kg)
(1- 4 )
q0 r0 (1 x5 )
(kJ/kg)
(1- 5 )
2、单位容积制冷量
它表示压缩机每吸入1m3制冷剂蒸 气（按吸气状态计）所制取的冷量。
q0 h1 h5 qv v1 v1
(kJ/m3)
(1-6)
3、制冷装置中制冷剂的质量流量 和体积流量
Q0 MR q0
(kg/s)
(1-7)
Q0 VR M R v1 qv
(m3/s)
(1-8)
4、单位功
压缩机压缩并输送1kg制冷剂所消 耗的功，称为单位功，用 w0 表示。
对于实际气体，焓值是温度、压 力的函数，节流后的温度将发生变化。 这一现象称焦耳-汤姆逊效应。有些气 体，如空气、氧、氮、二氧化碳，在 常温下节流后温度下降，可以用来制 冷。气体绝热节流膨胀常用于气体液 化、气体分离。
3、温差电制冷
冷端吸热
P
N
铜导体
热端放热
图1-3 温差电制冷
利用物理现象的制冷方法很多，还 有绝热放气制冷、涡流管制冷、绝热退 磁制冷、氦稀释制冷等。
二、制冷的方法及分类 分为物理方法和化学方法。绝大多数 的方法是物理方法。目前广泛应用的制 冷方法有以下几种：
1、相变制冷
液体转变为气体、固体转变为液体、 固体转变为气体都要吸收潜热，可以利 用这个现象来实现制冷。
（1）融化制冷
冰0℃
10℃
水
图1-1 利用冰融化制冷
（2）气化制冷
NH 3
-33.4℃
T Tk
5 T0 3
p
2 4 6 4 1 6 5
pk p0
3
2
const v=
1
c a
(a)
b
s
(b)
h
图 1-9 单级蒸气压缩式制冷理论基本循环的温熵图和压焓图
1.2.3
蒸气压缩式制冷理论循环的 热力计算
热力计算的主要内容有：单位质量 制冷量、单位容积制冷量、单位功、 冷凝器单位热负荷、制冷系数、热力 完善度等。
w0 h2 h1
(kJ/kg)
(1-9)
5、冷凝器单位热负荷
它表示1kg制冷剂在冷凝器中放给冷 却介质的热量，它可用制冷剂进出冷凝 器时的焓差表示。
qk h2 h4
冷凝器的热负荷：
(kJ/kg)
(1-10)
Qk M R qk
(kW)
(1-11)
6、制冷系数
它表示制冷循环的单位制冷量与单 位功之比 。
q0 T0 m ( s1 s4 )
qk Tkm ( s2 s3 ) Tkm ( s1 s4 )
T0 m r Tkm T0 m
随着非共沸混合制冷剂的应用逐渐 增多，可以寻找到某些非共沸混合制冷 剂，使循环过程中制冷剂与热源之间的 换热温差比单一制冷剂循环更小，因而 可以提高循环的热力完善度。
3 Ⅰ 水 4 Ⅱ 5 Ⅲ Ⅳ 1 2
图 1-7
单级蒸汽压缩式制冷系统图