冷热源工程(第1章冷源及冷源设备)

第一篇冷源及冷源设备

§1 制冷的基本知识

§1.1 概述

一、制冷的概念：

制冷—使某物体或空间达到并维持低于周围环境温度的过程。

根据热力学第二定律（克劳修

斯说法）：“不可能把热量从低温

物体传到高温物体而不引起其他

变化。”

制冷过程必然要消耗能量。

二、制冷的方法及分类：

另外，还有很多利用物理现象的制冷方法，这里就不讲了。

工程中，按制冷达到的温度把制冷的技术分为四类：

（1）普通制冷：环境温度～-100℃；

（2）深冷：-100℃～-200℃；

（3）低温：-200℃～-268.95℃；

（4）极低温：＜-268.95℃（4.2K）。

制冷技术的应用十分广泛。本专业主要用于空调工程、冷库的冷源，最常用的是蒸气压缩式制冷循环。

三、蒸气压缩式制冷装置的基本形式

液体气化制冷产生的蒸

气，经压缩、冷凝后，再次

成为液体，经节流降压，回

到蒸发器中再次气化制冷，

形成一种制冷的循环，这就

是工程中最常用的蒸气压缩

式制冷循环。

右图是完成上述循环所

用的蒸气压缩式制冷装置的

基本形式。

从图中可以看出，蒸气压缩式装置能够制冷的基本条件：1、必须由四个基本部件组成，依次完成四个热力过程；

即：蒸发器—蒸发过程—作用：让低压液体气化吸热制冷；

压缩机—压缩过程—作用：给蒸气加压升温，并使其流动；

冷凝器—冷凝过程—作用：让高温高压的蒸气放热冷凝液化；

膨胀阀—节流过程—作用：使高压液体节流降压。

2、在装置中必须有能发生相变的制冷剂；

3、必须给制冷装置的压缩机输入能量。

所以，满足上述条件，不断向制冷装置输入能量，推动其中的制冷剂依次进行蒸发、压缩、冷凝、节流制冷循环过程，就能够把某物体或空间的热量源源不断地送到高温环境中去，使某物体或空间的温度低于周围环境。

为了进一步研究蒸气压缩式制冷循环的规律和性能，我们首先应该了解一下理想制冷循环—逆卡诺循环。

§1.2 理想制冷循环—逆卡诺循环

一、逆卡诺循环的前提条件及定义

卡诺循环分为正卡诺循环和逆卡诺循环，均由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成。它们都是理想的循环，组成循环的各热力过程，与外界既无传热温差，其内部又无摩擦阻力。

我们定义：由绝热压缩、等温放热、绝热膨胀、等温吸热四过程依次进行而组成的循环，称为逆卡诺循环。

由上述可以得出，逆卡诺循环运行所需的条件：

（1）传热过程无温差，制冷剂与热源温度相等；

（2）绝热过程无漏热；

（3）循环系统无任何摩擦阻力和能量损失；

（4）制冷剂能在等温条件下发生相变。

现在，我们来看一看制冷剂的T-S图（温熵图），是否有适合逆卡诺循环运行条件的地方？首先，我们来复习一下在《工程热力学》中学习过的T-S图。

二、制冷剂T-S图的构成

制冷剂T-S图中有 “一个点、三个区、七条线” （见下图），它们分别是：

x=0线—饱和液相线；

x=1线—饱和气相线；

上述两线相交于K点，把T-S图

分为三个区域：过冷液区、湿蒸

气区（两相区）、过热蒸气区；

dx=0线—等干线，在饱和液、气

相线之间；

dT=0线—等温线，垂直于T轴的

线；

ds=0线—等熵线，垂直于S轴的线；

dp=0线—等压线，折线，在湿蒸气区与等温线重合；

dh=0线—等焓线，下斜曲线；

由于在湿蒸气区，制冷剂气体与液体能在等温条件下相互转

变，其它两区不具备此条件，逆卡诺循环只能在该湿蒸气区进行。

三、逆卡诺循环

现在，我们把逆卡诺循环表示在T-S 图上，如下图所示。我们来分析一下逆卡诺循环1-2-3-4。

设：高温热源温度为T K ，低温热源温度为T 0，

冷凝器中制冷剂温度为T K ’，蒸发器中制冷剂温度为T 0’，∵传热过程为等温传热过程，⊿T=0；

∴T K =T K ’；T 0=T 0’；

从《工程热力学》可知：在T-S 图上，过程线下的面积表示了过程的能量大小。对于在湿蒸气区进行的逆卡诺循环1-2-3-4，

每循环1kg制冷剂，有：

（1）制冷量q

=面积1-4-S4-S1=T0（S1-S4） kJ/kg

（2）放热量q

=面积2-3-S4-S1=T K（S1-S4） kJ/kg

k

（3）循环的耗功量w

=面积1-2-3-4=q k-q0=(T K-T0)(S1-S4)

=S1 (T K-T0)-S4 (T K-T0)= w c-w e kJ/kg

其中：w

= S1 (T K-T0)--压缩机压缩制冷剂所消耗的压缩功，kJ/kg；

c

w e= S4 (T K-T0)--制冷剂绝热膨胀得到的膨胀功， kJ/kg；（4）制冷系数εc=q0 / w0=T0 / (T K-T0)；

（5）供热系数μ=q k / w0=T k / (T K-T0)=1+ εc；

从上述分析，我们可以看出：

a) 由q0 / w0=T0 / (T K-T0)，得 w0= q0(T K-T0)/ T0

∴循环的耗功量w0与q0(T K-T0) 成正比；与T0成反比。

b) ∵等温传热 T K=T’K，T0=T’0，∴εc= T0 / (T K-T0)= T0’ / (T K’-T0’)∴逆卡诺循环的制冷系数εc与制冷剂无关，只与T K、T0有关；

一般，T0对εc的影响比T K对εc的影响大。