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/kgk（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；cw 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。

四、有温差的逆卡诺循环根据传热公式：Q=K·A·⊿T，若传热过程无温差，即⊿T→0。

若Q、K为定值，则⊿T→0， A→∞，即传热所需的换热面积无限大。

这是不可能的。

那么，我们来分析一下温差对逆卡诺循环有什么影响？对于逆卡诺循环1-2-3-4，我们假设传热温差为⊿T。

则制冷剂蒸发温度T’=T0－⊿T；制冷剂冷凝温度T’=T K+⊿T；K为了便于比较，令逆卡诺循环1-2-3-4与有温差的逆卡诺循环1’-2’-3’-4’制冷量相等，即面积1-4-S-S1=面积1’-4’-S4-S1’，4从T-S图中可以看出，有温差的逆卡诺循环1’-2’-3’-4’增加了耗功量⊿w，其制冷系数εc’为：εc’= (T0﹣⊿T) / [(T K+ ⊿T) ﹣(T0﹣⊿T)] ＜T0 / (T K﹣T0) = εc 由于传热温差而使制冷系数降低的程度，称为温差损失。

由于实际的制冷循环存在各种损失，所以其制冷系数都小于逆卡诺循环。

因此，逆卡诺循环的制冷系数εc是相同T0、T K条件下的各种制冷循环中最大的。

为了衡量各种实际制冷循环的不可逆损失程度，我们定义热力完善度η来衡量其大小：η=ε / εc其中：ε--实际制冷循环的制冷系数；εc--逆卡诺循环的制冷系数，εc=T0 / (T K-T0)。

η→0，说明制冷循环的不可逆损失很大，应改善循环；η→1，说明制冷循环的不可逆损失很小，经济性好。

§1.3 蒸气压缩式制冷理论循环虽然逆卡诺循环的制冷系数最大，经济性好，但在技术上存在三个无法解决的问题，使得这种循环不能在工程上实现：（1）无温差的传热过程无法实现；（2）膨胀功很小，无法使用膨胀机；膨胀机是一种保持工质物态，依靠工质体积膨胀，压力降低，对外作功的机械。

从T-S图可看出，膨胀功由液体膨胀功和气体膨胀功两部分组成。

液体几乎不可压缩或膨胀，因而液体膨胀功为零；而气体膨胀功很小，不能推动膨胀机；另外，体积很小的膨胀机制造技术又十分困难，因此，无法使用膨胀机。

（3）压缩机不能吸入湿蒸气；压缩机吸入了湿蒸气后，会产生：①液滴从压缩机气缸壁吸热，迅速膨胀，使压缩机吸气量、制冷量下降；②液滴不能吸热气化时，会发生压缩液体的“液击”现象，损坏压缩机。

总之，理论上逆卡诺循环可行，但现有技术却无法实现它。

因此，必须根据技术现实对其进行必要的改进，这样就产生了蒸气压缩式制冷理论循环。

一、蒸气压缩式制冷理论循环的定义及特点由定压吸热、绝热干压缩、定压放热、绝热节流四过程依次组成的制冷循环，称为蒸气压缩式制冷理论循环。

蒸气压缩式制冷理论循环与逆卡诺循环相比，有三个特点：（1）用定压换热过程代替定温换热过程；（有温差的传热）（2）用节流阀代替膨胀机；（3）用绝热干压缩代替湿压缩。

上述“三代替”使蒸气压缩式制冷理论循环能在现有技术条件下得到工程应用，成为目前冷源工程的主流。

但是与逆卡诺循环相比，每一“代替”，都必然伴随相应的不可逆损失。

现在我们就来分析一下，这样的“代替”有些什么样的损失。

（一）定压换热过程代替定温换热过程定温换热过程是无温差的换热过程，定压换热过程是有温差的换热过程，由于存在传热温差，就会产生不可逆的温差损失，这在前节已作分析，就不再重述。

（二）采用节流阀代替膨胀机节流阀内进行的绝热节流过程是十分复杂的。

由于这一过程是绝热的，故节流阀进、出口的焓值相等；又因为存在摩擦损失、涡流损失等，绝热节流过程必然产生不可逆损失。

在这一过程中，膨胀功因克服摩阻转变为热量，被制冷剂吸收，引发部分液体制冷剂气化，过3点的等焓线与等T线相交于4’点，3-4’连线就是绝热节流过程线。

与逆卡诺循环的绝热膨胀过程3-4相比，采用节流阀后：（1）过程由绝热膨胀（等熵）变成绝热节流过程；（2）制冷量q0减少⊿q；（3）循环的耗功量w=w c，增加了w e；（∵w0= w c－w e，w e= 0；∴ w0=w c）（4）制冷系数ε = (q0－⊿q0) / w c＜ q0 /(w c－w e) = εc。

采用节流阀代替膨胀机，其制冷系数降低程度，称为节流损失。

（三）干压缩代替湿压缩干压缩—进入压缩机的制冷剂为饱和蒸气或过热蒸气的压缩过程。

在T-S图上，进入压缩机的制冷剂状态点应在 x =1线上或过热蒸气区。

现以吸气状态点在x =1线上为例，1点为吸气点；过1点的等熵线与等P K线相交于2点，2点就是压缩机的排气状态点，该点位于过热蒸气区，温度高于T k，压力为P k；然后制冷剂沿等P K线冷凝放热到饱和液体状态点3。

现对比一下湿压缩循环1’-2’-3-4和干压缩1-2-3-4，可以得出：（1）制冷量增加⊿q0=面积1-1’-S1’-S1；（2）循环的耗功量也增加⊿w c=面积1-2-2’-1’；（3）制冷系数ε =q0 /w c降低。

（∵⊿q0＜⊿w c）采用干压缩代替湿压缩，其制冷系数的降低程度，称为过热损失。

总之，虽然蒸气压缩式制冷理论循环与逆卡诺循环相比，存在温差、节流、过热等不可逆损失，但设备简化，因此可行。

二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算（一）lgP-h（压焓）图的构成热力计算是制冷工程计算的基础，工程中常用压焓图来进行制冷系统的热力计算。

通过与T-S图的对比，能更好地了解lgP-h图。

压焓图中有“一点、三区、八线”（见上图），它们分别是：x=0线—饱和液相线； x=1线—饱和气相线；两线相交于K点；把压焓图分为三个区：过冷液体区、湿蒸气区、过热蒸气区。

dP=0线—等压线，垂直于lgP轴的线；dh=0线—等焓线，垂直于h轴的线；dx=0线—等干线，在x=0线、x=1线之间，从K点发出的曲线；dT=0线—等温线，折线，在湿蒸气区与等压线重合；ds=0线—等熵线，斜率较大的上斜曲线；dv=0线—等容线，斜率较小的上斜曲线；我们来看一看R22的压焓图（P398 附录4）。