第十一章 制冷循环

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 用闭合曲线的面积来表示。
8’0’6’5’
7’ 1’ s
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
T
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
机及膨胀机可提供大流量的空气，这样循环既
6
0g
3` 4
1
3 Tmax
T0 2
Tc
km n s
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。
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。
进一步降温至T5（等于冷库温度TC），接
6
着进入叶轮式膨胀机实现定熵绝热膨胀，降
3` 4
1
3 Tmax
T0 2
Tc
压、降温至T6、p6，最后进入冷库实现定 0
g
km n s
压吸热过程，升温到T1，完成理想回热循
环1-2-3-4-5-6-1。
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
C. P. s
4
32
T2 1 T0 5
Tc
h 图11-7 lg p-h图
29
实际压缩蒸气制冷循环
实际上的不可逆因素： ①传热温差与摩阻； ②压缩过程为不可逆的绝热压缩。
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。
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p2，
T
T2的过热蒸汽，再进入冷凝器，进行定压
放热2-3-4至饱和液态4，再经节流阀作绝 4
热节流，降温、降压至饱和湿蒸汽状态5，
2
T0
3
最后进入冷库中的蒸发器，实现定压蒸发 0
吸热过程5-1，回到状态1完成循环。
8
5
6
Tc
71
③由于π减少，压缩过程和膨胀过程的不可 逆损失的影响也可减小。
T
5` 5 6
0g
3` 4
1
3 Tmax
T0 2
Tc
km n s
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↓。
放热q1
工 作
必须消耗能量。制冷循环中所用的在低温下
做功ωnet 制冷 装置/
过 程
吸热和高温下排热的工作物质(简称工质)称
热泵
为制冷剂。制冷循环和热泵都是消耗外功或 吸热q2
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
低温热源
获得高温。
• 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 是产生功而是消耗外界功。
T
2
2s
4 T0 3
T0
Tc 5
1
s
lg p C. P. s
4 p2
3 2s 2
T2
p1
T0
5
1 Tc
T1
0
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。
制冷循环类型
压缩式制冷循环 吸收式制冷循环
压缩气体制冷
√ 压缩蒸气制冷
吸附式制冷循环
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
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。
p
T
3 定压加热 2
2
3
T0
绝热膨胀
4 定压放热 1
4
绝热压缩
1 Tc
o
vo
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
1 T3 1 T4
T4 T3 T4
T1 T2 T1
1
k 1
k 1
o
2
3
7T
0
85
6
qnet 1
T c
4
9
4` 9` 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
缩空气制冷。
•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 增压比，但使压气机和膨胀机的
冷却水 冷却器
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
4
替一部分绝热压缩过程，从而降 膨胀机
2
3
低增压比。
回热器
回热器就是一个换热器, 空气在
5 冷库
其中的放热量(过程4-5)等于被预 6
一、压缩空气制冷循环
右图是简单的压缩空气制冷
3
循环装置流程图。
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 4
冷却器 q0 2
压气机 1
qc
冷库
图11-1 压缩空气制冷循 环装置流程图
*循环中几种未介绍过的设备
大 型 冷 凝 器
水
风
冷
冷
节流阀
冷库中用到的几种蒸发器
➢ 消耗的功用于将热量由低温 物体传向高温物体。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱq1 w
q2
w0
w0
3.制冷循环与热泵循环的比较
T T1
3
2
T0
耗净功w0
T2 4
1 制冷量q2
制冷循环
s
T
3'
2'
耗净功w0
4 ' 供热量q1 1'
吸热量q2
热泵循环
s
11-1 概况
• 一、制冷循环的经济性评价
在T0～TC之间的制冷循环中，逆向卡诺循环的制冷系数最大。
可靠性。因此，为了装置的简化及运行的 8
5
6
Tc
71
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 8’0’6’5’
7’ 1’ s
1-2-3-4-5-1。
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
制 冷 剂 的 质 量 流 量 qm 0.005 kg / s ， 环 境 温
度 t0 30 C,求：
lg p
（1）循环的制冷系数；
C. P. s
（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。
4 p2
3 2s 2
T2
p1
T0 5 1 Tc
0
h
解： （1）制冷系数
4
q2
1
蒸发器
图11-5 压缩蒸气制冷装置流程图
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，
T
2
以致损伤压缩机。同时，在4-6的膨胀过
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
4
T0 3
增加了系统的投资，又降低了系统工作的 0
状态 1 是 t1 20C 的饱和干蒸气，由从HFC134a 的饱和性质表（附表 11 ）中查得：
p1 133.2kPa h1 385.89kJ / kg s1 1.7387 kJ /(kg.K)
同理，由t4 40C及 x4 0 查得：
空 3→4：绝热膨胀 T 4↓<Tc ，膨胀机作功WT
气 4→1：等压吸热 T1↑=Tc，自冷库吸热qC
压
p
缩
3
2
制
T 3
2 T 0
冷
wnet
循
1
T c
环
4
1
4
过
程
o
v
o
4`
1` s
布雷顿循环的逆循环
制冷系数:
T
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：
工质，如氟利昂、氨
4
q2
1
冷库（蒸发器）
图11-5 压缩蒸气制冷装置流 程图
11-3 压缩蒸气制冷循环
1-2: 制冷剂在压缩机中的绝热压缩过程 3
2-3: 制冷剂在冷凝器中的定压放热过程 节 流
3-4: 制冷剂在膨胀阀中的绝热节流过程 阀
q1
冷凝器 压缩机
2 w
4-1: 制冷剂在蒸发器中的定压定温气化过程
例A461277
11-3 压缩蒸气制冷循环
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。
q1
3
2
冷凝器
w
节
流
压气机
阀
水能用否？ -- 0°C以下凝固不能流动。一般用低沸点
1 压气机
热空气在其中的吸热量(过程1-2)。
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（T1＝TC）先进入回热 T
器升温到高温热源温度T2（通常等于环境
温度T0），接着进入叶轮式压缩机进行压
5`
缩，升温、升压到T3、p3。再进入冷却器，
实现定压放热，温度降至T4（理论上可以
5
达到高温热源温度T2），随后进入回热器
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）。
T
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
5`
的热量；由于面积34kn3等于面积3`5`gm3`，
5
故循环放热量也没有变化，所以循环的制冷系
数也没有变化。但是循环的增压比却从p3`/p1 下降到p3/p1。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
T
2
2s
lg p C. P. s
4’4
T0
T0
Tc 5’ 5
3 1
s
4’4 p2
p1
5’ 5
0
3 2s 2
T2 T0 1 Tc T1
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 ，
• 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， 实际上很少应
制冷量q2 很小。 若(T1-T4)
π
用，除了飞机 机舱的开式压
3. 活塞式流量m小，制冷量Q2=mq2小。
C
qc q0 qc
Tc T0 Tc
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。
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。
COP qc q0 qc
制冷系数 = 制冷量 循环耗净功
4
T0
3
压缩机绝热压缩的比轴功就是循环比净功：
0
wnet wC h2 h1
8
5
6
Tc
71
其制冷系数：
qc h1 h4
wnet h2 h1
8’0’6’5’
7’ 1’ s
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 lg p 计算与过程前后的比焓差有关，因 此常用压焓（lgp-h)图来分析计算 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 0 压），可以将压缩蒸气制冷循环在 图上表示出来。
• 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。
复习！逆向循环
消耗功，获得热。
制冷是获得并保持低于环境温度的操作。制 冷和热泵一样，都是逆向循环的一种。热力
高温热源
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，
目录
第十一章 制冷循环
环境
11-1 概况 11-2 压缩空气制冷循环 11-3 压缩蒸气制冷循环 11-4 制冷剂的性质 11-6 热泵循环
W0=Q1-Q2
• 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。