第十一章制冷循环解析

3
冷却器
q0 2
四个主要部件：膨胀机是类似燃
气轮机等的动力机；压气机已学 过；冷却器和冷库类似于换热器。
膨胀机 压气机 4 qc 冷库 图11-1 压缩空气制冷循 环装置流程图 1
*循环中几种未介绍过的设备
大 型 冷 凝 器
水 冷
风 冷
节流阀
冷库中用到的几种蒸发器
由于空气的定温加热和定温排热不易实现，故工程上用定压加热和定 压排热代替，可视为布雷顿循环的逆循环，其p - v和T-s图如下图。
T
5` 5 6 4
3`
3 Tmax
T0 2
Tc
1
数也没有变化。但是循环的增压比却从 p3`/p1
下降到 p 3 /p 1 。这为采用压比不能很高的叶轮 式压气机和膨胀机提供了可能。而叶轮式压气
0
g
km
n
s
机及膨胀机可提供大流量的空气，这样循环既
有较高的制冷系数，又有较大的制冷量。
注意，同温限的吸热量和放热量相等。
4 0 8
3
可靠性。因此，为了装置的简化及运行的
可靠性等实际原因，压缩蒸气制冷循环均 不采用卡诺逆循环，而采用右图所示循环 1-2-3-4-5-1。
1 s
8’ 0’ 6’5’
7’ 1’
图11-6 压缩蒸气制冷循环T-s图
即使存在不可逆损失，但是节流阀简单、可靠， 且可以控制蒸发器中的压力 其工作过程为：从冷库（蒸发器）出来的
T
3
2 7
T
6 4 o 4`
qnet
9 9`
8
0
5
1 T c
1`
s
其中π称为循环增压比。显然， ，但比较循环1-7-8-9-1和 1-2-3-4-1可知，π↓也会导致循环制冷量减少。制冷系数和制冷量 是一对矛盾。
空气压缩制冷循环特点
优点：工质为空气，无毒，无味，不怕泄漏。 缺点： 1. 无法实现定温加热和放热，制冷系数小于逆向卡诺循 环制冷系数 < C 2. q2=cp(T1-T4)，空气cp很小， (T1-T4)不能太大， 制冷量q2 很小。 若(T1-T4) π
q2
物体传向高温物体。
w0 w0
3.制冷循环与热泵循环的比较
T T
T1
3 耗净功w0 2
3'
耗净功w0
2'
T0
4'
供热量q1 吸热量q2
1'
T2
4
制冷量q2
1
制冷循环
s
热泵循环
s
11-1
•
概况
一、制冷循环的经济性评价
1.环境温度一定时，冷库温度越低， 制冷系数就越小—没有必要把冷库温 度定得超乎需要的低，以节约能源。 2.同时保持环境温度不要太高，注意 散热和通风。
2
1
s
8’ 0’ 6’5’
7’ 1’
qc h1 h4 wnet h2 h1
图11-6 压缩蒸气制冷循环T-s图
压缩蒸气制冷循环的lg p-h图
制冷循环过程量（功和热）的
计算与过程前后的比焓差有关，因 此常用压焓（ lg p - h ) 图来分析计算
lg p C. P. 4 3 s 2 T2 5 1 T0 Tc h 图11-7 lg p-h图
实现定压放热，温度降至 T 4 （理论上可以 达到高温热源温度 T 2 ），随后进入回热器 进一步降温至 T 5 （等于冷库温度 T C ），接 着进入叶轮式膨胀机实现定熵绝热膨胀，降 压、降温至T6、p6，最后进入冷库实现定 压吸热过程，升温到 T 1 ， 完成理想回热循 环1-2-3-4-5-6-1。
4
q2
冷库（蒸发器）
1
图11-5 压缩蒸气制冷装置流 程图
11-3
压缩蒸气制冷循环
q1 3 2
1-2: 制冷剂在压缩机中的绝热压缩过程 2-3: 制冷剂在冷凝器中的定压放热过程
节 流 阀
冷凝器
压缩机
w
3-4: 制冷剂在膨胀阀中的绝热节流过程
4-1: 制冷剂在蒸发器中的定压定温气化过程 4 q2 蒸发器
T
5` 5 6 4
3`
3 Tmax
T0 2
Tc
1
0
g
km
n
s
逆损失的影响也可减小。
图11-4 回热式压缩空气制冷循 环T-s图
回热式空气制冷循环的优点在于：
1)回热式空气制冷循环使π↓； 2)可用叶轮式压气机使生产量↑；
3)可使压缩和膨胀过程中的不可逆损失↓。
例A461277
11-3
压缩蒸气制冷循环
做功ωnet
制冷 装置/ 热泵
为制冷剂。制冷循环和热泵都是消耗外功或
热能而实现热由低温传向高温的逆向循环。 制冷循环的目的是获得低温，热泵的目的是 获得高温。
吸热q2
低温热源
• 逆向循环是指循环中压缩过 程所消耗的功大于膨胀过程 所作的功，循环的总效果不
q1
w
是产生功而是消耗外界功。
消耗的功用于将热量由低温
图11-4 回热式压缩空气制冷循 环T-s图
②此外，由于不应用回热时，在压气机中
至少要把工质从 TC压缩到 T0以上才有可能 制冷（因工质要放热给大气环境）。而在 气体液化等低温工程中， TC和T0之间的温 差很大，这就要求压气机有很高的π，叶轮 式压气机很难满足这种要求。应用回热则 解决这一困难。 ③由于π减少，压缩过程和膨胀过程的不可
实际压缩蒸汽制冷循环下图中的1-2-3-4-5-1所示。其中，制冷剂的压缩过
程1-2是不可逆绝热过程，且其经过冷库的蒸发温度低于冷库温度TC，其 经过冷凝器的冷凝温度高于环境温度T0。 T 2s 2 lg p
C. P.
4
s
4
T0 Tc
T0
3 p2 1 p1 0
3 2s 2 T0 T2
5
5
1
T1
s
Tc
目录
第十一章
11-1 11-2 11-3 11-4 概况
制冷循环
环境
压缩空气制冷循环 压缩蒸气制冷循环 制冷剂的性质
W0=Q1-Q2
11-6
热泵循环
•
教学目标：了解工程实际中制冷过程，掌握各种制冷循 环的热力计算。 知识点：空气压缩制冷循环；蒸气压缩制冷循环；蒸气 喷射制冷循环；吸收式制冷循环；热泵。 重 点：空气和蒸汽压缩制冷循环的组成、制冷系数 的计算及提高制冷系数的方法和途径。 难 点：结合工程对空气和蒸汽压缩制冷循环的描述， 建立数学模型，进行热力计算。
图11-5 压缩蒸气制冷装置流程图
1
理论上可以实现最为经济的逆向卡诺制冷
循环 7-3-4-6-7 。但是由于 7 是湿蒸汽状态，
湿蒸汽的压缩容易造成液滴的猛烈冲击， 以致损伤压缩机。同时，在 4-6 的膨胀过 T
2
T0 5 6 Tc 7
程中，因为工质的干度很小，所以能得到
的膨胀功也极小。而增加一台膨胀机，既 增加了系统的投资，又降低了系统工作的
6 膨胀机
4
2 回热器 5 冷库 1
3
压气机
图11-3 回热式压缩空气制冷装置流 程图
从冷库出来的空气（ T 1 ＝ T C ）先进入回热 T 器升温到高温热源温度 T 2 （通常等于环境
温度 T 0 ），接着进入叶轮式压缩机进行压
3`
5` 5 6 1 4
3 Tmax
T0 2
缩，升温、升压到 T 3 、 p 3 。再进入冷却器，
√
蒸气喷射制冷循环
半导体制冷 热声制冷 常见制冷剂：
1. 氨（NH3） 2. 氟里昂（氯氟烃，含氢氯氟烃）：CFC12(R12)、CFC11(R11) HCFC22
(R22) 3. 含氢氟代烃物质：（HCFC134a）
11-2 压缩空气制冷循环
一、压缩空气制冷循环
右图是简单的压缩空气制冷 循环装置流程图。
h
过冷方法只利用环境介质将工质冷却到T4（T4 <T0）,否则需要介质向 人为的低温放热，得不偿失。
实际循环还采用过冷方法:即在冷凝器中将处于状态4的饱和液体 继续冷却到未饱和状态 4’，然后让其经绝热节流膨胀到状态 5’。这 样，蒸发器中单位工质的吸热量增加了(h5-h5')，而压缩机耗功未变， 所以制冷系数有所提高。
q1 3 冷凝器 节 流 阀 压气机 2 w
压缩空气制冷循环2个缺点：
1. 偏离逆向卡诺循环的等温过程；
2. 空气的定压比热容小→q2也小。 压缩蒸汽制冷循环， 2个特点： 1. 湿蒸汽区的定压即等温； 2. 蒸汽定压比热容比空气大。 水能用否？ -- 0°C以下凝固不能流动。一般用低沸点 工质，如氟利昂、氨
注意， 4-5 的节流过程不可逆，只能用虚 线表示。并且循环的净功和净热量都不能
1
s
8’ 0’ 6’5’
7’ 1’
用闭合曲线的面积来表示。
图11-6 压缩蒸气制冷循环T-s图
单位质量制冷剂在冷凝器中定压放热量： q0＝h2-h4 =面积2346’1’2 单位质量制冷剂在蒸发器中定压吸热量： qc＝h1-h5 ＝h1-h4 =面积155’1’1 压缩机绝热压缩的比轴功就是循环比净功： 0 8 wnet wC h2 h1 其制冷系数： 4 5 6 Tc 7 T0 3 T
工质状态为1，压力p1，干度接近1，进入
压缩机进行绝热压缩过程 1-2 ，变成 p 2 ， T2的过热蒸汽，再进入冷凝器，进行定压 T
2
放热2-3-4至饱和液态4，再经节流阀作绝
热节流，降温、降压至饱和湿蒸汽状态 5 ， 最后进入冷库中的蒸发器，实现定压蒸发 0 8
4
T0
3
5
6 Tc 7
吸热过程5-1，回到状态1完成循环。
•
•
•
复习！逆向循环
制冷是获得并保持低于环境温度的操作。制
消耗功，获得热。
高温热源 工 作 过 程
冷和热泵一样，都是逆向循环的一种。热力
学第二定律指出，热不能自发地由低温物体 传向高温物体。要使非自发过程成为可能， 必须消耗能量。制冷循环中所用的在低温下 吸热和高温下排热的工作物质(简称工质)称
放热q1
p T
3 定压加热 2
2 3 绝热膨胀
T0
绝热压缩 1
Tc
4 定压放热 1
4 v o
o
4`
1`
s
图11-2 压缩空气制冷循环状态参数图
1→2：绝热压缩 p↑,T2↑>T0，压气机耗功WC 2→3：等压冷却 T3↓=T0，向环境放热q0
空 气 压 缩 制 冷 循 环 过 程 3→4：绝热膨胀 T 4↓<Tc ，膨胀机作功WT 4→1：等压吸热 T1↑=Tc，自冷库吸热qC
在T0～TC之间的制冷循环中，逆向卡诺循环的制冷系数最大。
qc Tc C q0 qc T0 Tc
工程上把制冷系数称为制冷装置的工作性能系数，用COP表示。
qc COP q0 qc
制冷系数 =
制冷量
循环耗净功
Leabharlann Baidu
压缩式制冷循环 吸收式制冷循环 制冷循环类型 吸附式制冷循环
压缩气体制冷 压缩蒸气制冷
实际上很少应 用，除了飞机 机舱的开式压 缩空气制冷。

3. 活塞式流量m小，制冷量Q2=mq2小。
大流量叶轮式压气机和膨胀机+回热！
二、回热式空气制冷循环
低温工程大温差制冷，需提高
冷却水 冷却器
增压比 ，但使压气机和膨胀机的
负荷加重。为此可采用回热器， 用空气在回热器中的预热过程代 替一部分绝热压缩过程，从而降 低增压比。 回热器就是一个换热器 , 空气在 其中的放热量(过程4-5)等于被预 热空气在其中的吸热量 (过程1-2)。
Tc
0
g
km
n
s
图11-4 回热式压缩空气制冷循 环T-s图
①在理想情况下， 4-5 过程中空气在回热器中 的放热量（图中面积45gk4表示）恰等于被预 热空气在过程 1-2 中的吸热量（可用图中面积 12nm1表示）。 与不采用回热的循环1-3`-5`-6`-1相比，循环 中工质的吸热量没有变化，都是过程 6-1 吸收 的热量；由于面积34kn3等于面积3`5`gm3`， 故循环放热量也没有变化，所以循环的制冷系
压缩蒸汽制冷循环。在此图上也有：p2
等压线、等焓线、等温线、等容线、 等熵线和等干度线。根据过程的关 p1
系（ 1-2 过程定熵， 2-3-4 过程定
压，4-5过程定焓，5-1过程定 压），可以将压缩蒸气制冷循环在 图上表示出来。
0
29
实际上的不可逆因素：
实际压缩蒸气制冷循环
①传热温差与摩阻；
②压缩过程为不可逆的绝热压缩。
p
3
2
T
3
2 T 0
wnet
4 o 1 v 4
1
T
c
o
4`
1`
s
布雷顿循环的逆循环
制冷系数:
qc h1 h4 wnet (h2 h3 ) (h1 h4 )
把空气理想化成定比热容的理想气体, 则有：
T4 T1 1 k 1 T3 1 T3 T4 T2 T1 k 1 T4 1
T 2s 4’ T0 Tc 5’ 2 lg p
C. P.
4’4
s
4
T0
3 p2 1 p1
3 2s 2 T0 T2
5
5’ s 0
5
1
T1
Tc
h
例 11-2
P355
用R134a作工质的理想制冷循环如图11 – 7中循 环1–2–3–4–5–1所示。若蒸发器制冷温 度 tc t1 20C,冷凝器中的冷凝温度 t4 t3 40C ， 制 冷 剂 的 质 量 流 量 qm 0.005kg / s ，环境温 lg p 度 t 0 30 C,求： （1）循环的制冷系数； （2）制冷量； （3）电动机功率； （4）节流过程的作功能力损失； （5）装置火用效率。