第十一章 制冷循环
工程热力学课件11 制冷循环
理想气体
p 2‘
T
2‘
绝热膨胀，温度降低
1 6 1 2 4 3 v 2 s
5
T
转回温度曲线
实际气体
TH
冷效应区
N
热效应区
TL p pN
p
经济性指标最高的逆向循环是同温限 间的逆向卡诺循环。通常制冷循环以环境 为高温热源（T1=T0），因此在以T0为高 温热源、Tc为低温热源间的逆向卡诺循环 的制冷系数：
膨 胀 阀
压缩机
w
4
q2
1
蒸发器
1-2: 2-3: 3-4: 4-1:
制冷剂在压缩机中的绝热压缩过程 制冷剂在冷凝器中的定压放热过程 制冷剂在膨胀阀中的绝热节流过程 制冷剂在蒸发器中的定压定温气化过程
4 1 3 2
q2 wnet
单位质量制冷剂在冷凝器中放热量：
T
2
q1＝ h2-h3
单位质量制冷剂在蒸发器中吸热量：
1 h
过冷度愈大,制冷系数增加愈多。制冷剂液体离开冷凝 器的温度取决于冷却介质的温度,过冷度一般很小。多数制冷
装置专设一回热器,使从冷凝器出来的制冷剂液体通过回热器 进一步冷却,增大过冷度。回热器的冷却介质通常为离开蒸发 器的低温低压蒸气。
3 4 1
2
热泵供热原理
在所有制冷装置的工作过程中，热从冷藏室取 出并传给较高温度的环境。因此，实现制冷循环的 结果不仅使放出热量的物体被冷却，而且使吸收热 量的物体被加热。根据这个原理，可利用逆循环实 现将热从低温冷源向高源热源的输送。这种目的在 于输送热量给被加热对象(如室内供暖)的装置称为 热泵。向高温热源输送的热量qH，等于取自低温冷 源(如大气环境)的热量qL与实现逆循环从外界输入 功量wnet 之和，即qH=qL+wnet 。热泵就其实质来看， 和制冷装置完全一样，只是两者工作的温度范围不 同。制冷装置工作的上限温度为大气环境温度，其 目的系从冷藏室吸热，以保持冷藏室低温(下限温度) 恒冷；热泵工作的下限温度为大气环境温度，其目 的是向暖室放热，以保持暖室温度(上限温度)恒暖。
工程热力学与传热学11)蒸汽压缩制冷循环
(11-13)
qv
h1' h5 v1'
qv
？
(3)理论比功
w0 h2' h1' (4)单位冷凝热 qk qk h2' h4
(5)制冷系数
1'
w0
增加
(11-14)
增加
(h2' h2 ) (h2 h4 )
(11-14)
h h h h
（7）压缩机
在理论循环中，假设压缩过程为等熵过程。 而实际上，整个过程是一个压缩指数 在不断 变化的多方过程。另外，由于压缩机气缸中有 余隙容积的存在，气体经过吸、排气阀及通道 出有热量交换及流动阻力，这些因素都会使压 缩机的输气量减少，制冷量下降，消耗的功率 增大。
p
4
pk
3 0
2 2 s
5
p0
(11-11)
在蒸发温度和冷凝温度相同的条 件下：
制冷系数愈大 (6)压缩终温 经济性愈好
t2
影响到制冷剂的分解和润滑油结炭。
(7)热力完善度
单级压缩蒸气制冷机理论循环的热 力完善度按定义可表示为
0 h1 h4 1 h1 h4 Tk T0 c h2 h1 Tk 1 h2 h1 T0
q0
单位制冷量可按式（11-5）计算。单位制 冷量也可以表示成汽化潜热r0和节流后的干度 x5的关系：
q0 r0 (1 x5 )
(11-6)
由式（11-6）可知，制冷剂的汽化潜热越 大，或节流所形成的蒸气越少（x5越小）则单 位制冷量就越大。
(2)单位容积制冷量
qv
(11-7)
q0 h1 h4 qv v1 v1
第十一章 制冷循环
制冷循环 吸附式制冷 Adsorption
蒸汽喷射制冷 半导体制冷 热声制冷,磁制冷
§11－1 空气压缩制冷循环
冷却水
3 冷却器
2
膨胀机
冷藏室
压缩机
4
1
p
3
pv图和Ts图
T
2
3
Reversed Brayton Cycle
逆勃雷登循环
2
T0
1
4
1
4
T2
1 2
2 3
v 绝热压缩 s 等压冷却 p
3 4
s 4 绝热膨胀 s 1 等压吸热 p
制冷系数
T
2
q2 q2 COP w q1 q2 cp (T1 T4 ) cp (T2 T3 ) cp (T1 T4 )
3
4
1
1 1 1 1 k 1 k 1 T2 T2 T3 1 p2 k 1 k -1 T1 T1 T4 -1 p1
第十一章
制冷（致冷）循环
动力循环与制冷（热泵)循环
• 动力Power循环 —正循环 输入热,通过循环输出功 • 制冷Refrigeration循环—逆循环 输入功量（或其他代价），从低温 热源取热 • 热泵Heat Pump循环 —逆循环 输入功量（或其他代价），向高温 热用户供热
制冷循环和制冷系数
空气压缩制冷循环装置
冷却水
3 冷却器
2
膨胀机
冷藏室
压缩机
4
1
蒸气压缩制冷空调装置
4
1-2：绝热压缩过程 2-4：定压放热过程 4-5：绝热节流过程 5-1：定压吸热过程
5
蒸气压缩制冷循环
第11章 制冷循环要点
第十一章 制 冷 循 环
1．基本概念
制冷：对物体进行冷却，使其温度低于周围环境的温度，并维持这个低温称为。
空气压缩式制冷：将常温下较高压力的空气进行绝热膨胀，获得低温低压的空气。
蒸汽喷射制冷循环：用引射器代替压缩机来压缩制冷剂，以消耗蒸汽的热能作为补偿来实现制冷的目的。
蒸汽喷射制冷装置：由锅炉、引射器(或喷射器)、冷凝器、节流阀、蒸发器和水泵等组成。
吸收式制冷：利用制冷剂液体气化吸热实现制冷，它是直接利用热能驱动，以消耗热能为补偿将热量从低温物体转移到环境中去。
吸收式制冷采用的工质是两种沸点相差较大的物质组成的二元溶液，其中沸点低的物质为制冷剂，沸点高的物质为吸收剂。
热泵：是一种能源提升装置，以消耗一部分高位能(机械能、电能或高温热能等)为补偿，通过热力循环，把环境介质(水、空气、土壤)中贮存的不能直接利用的低位能量转换为可以利用的高位能。
影响制冷系数的主要因素：降低制冷剂的冷凝温度(即热源温度)和提高蒸发温度（冷源温度），都可使制冷系数增高。
2．常用公式
制冷系数： 2
10
q w ε=
=收获消耗 空气压缩式制冷系数
112
21
11111
T p T p κκ
ε-=
=
-⎛⎫- ⎪⎝⎭
或 1
121
T T T ε=-
卡诺循环的制冷系数：
1
1,31
c T T T ε=
-
3．重要图表
图11-7蒸发温度对制冷系数的影响
图11-11蒸汽喷射制冷循环。
工程热力学思考题答案,第十一章
第十一章制冷循环1.家用冰箱的使用说明书上指出，冰箱应放置在通风处，并距墙壁适当距离，以及不要把冰箱温度设置过低，为什么？答：为了维持冰箱的低温，需要将热量不断地传输到高温热源（环境大气），如果冰箱传输到环境大气中的热量不能及时散去，会使高温热源温度升高，从而使制冷系数降低，所以为了维持较低的稳定的高温热源温度，应将冰箱放置在通风处，并距墙壁适当距离。
在一定环境温度下，冷库温度愈低，制冷系数愈小，因此为取得良好的经济效益，没有必要把冷库的温度定的超乎需要的低。
2.为什么压缩空气制冷循环不采用逆向卡诺循环？答：由于空气定温加热和定温放热不易实现，故不能按逆向卡诺循环运行。
在压缩空气制冷循环中，用两个定压过程来代替逆向卡诺循环的两个定温过程。
3.压缩蒸气制冷循环采用节流阀来代替膨胀机，压缩空气制冷循环是否也可以采用这种方法？为什么？答：压缩空气制冷循环不能采用节流阀来代替膨胀机。
工质在节流阀中的过程是不可逆绝热过程，不可逆绝热节流熵增大，所以不但减少了制冷量也损失了可逆绝热膨胀可以带来的功量。
而压缩蒸气制冷循环在膨胀过程中，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，既增加了系统的投资，又降低了系统工作的可靠性。
因此，为了装置的简化及运行的可靠性等实际原因采用节流阀作绝热节流。
4.压缩空气制冷循环的制冷系数、循环压缩比、循环制冷量三者之间的关系如何？ 答：压缩空气制冷循环的制冷系数为：()()142314-----o o net k o q q h h w q q h h h h ε=== 空气视为理想气体，且比热容为定值，则：()()142314T T T T T T ε-=---循环压缩比为：21p p π=过程1-2和3-4都是定熵过程，因而有：1322114k kT T P T P T -⎛⎫==⎪⎝⎭代入制冷系数表达式可得：111k kεπ-=-由此式可知，制冷系数与增压比有关。
工程热力学思考题答案,第十一章
第十一章 制冷循环1、家用冰箱的使用说明书上指出,冰箱应放置在通风处,并距墙壁适当距离,以及不要把冰箱温度设置过低,为什么？答:为了维持冰箱的低温,需要将热量不断地传输到高温热源(环境大气),如果冰箱传输到环境大气中的热量不能及时散去,会使高温热源温度升高,从而使制冷系数降低,所以为了维持较低的稳定的高温热源温度,应将冰箱放置在通风处,并距墙壁适当距离。
在一定环境温度下,冷库温度愈低,制冷系数愈小,因此为取得良好的经济效益,没有必要把冷库的温度定的超乎需要的低。
2、为什么压缩空气制冷循环不采用逆向卡诺循环？答:由于空气定温加热与定温放热不易实现,故不能按逆向卡诺循环运行。
在压缩空气制冷循环中,用两个定压过程来代替逆向卡诺循环的两个定温过程。
3、压缩蒸气制冷循环采用节流阀来代替膨胀机,压缩空气制冷循环就是否也可以采用这种方法？为什么？答:压缩空气制冷循环不能采用节流阀来代替膨胀机。
工质在节流阀中的过程就是不可逆绝热过程,不可逆绝热节流熵增大,所以不但减少了制冷量也损失了可逆绝热膨胀可以带来的功量。
而压缩蒸气制冷循环在膨胀过程中,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,既增加了系统的投资,又降低了系统工作的可靠性。
因此,为了装置的简化及运行的可靠性等实际原因采用节流阀作绝热节流。
4、压缩空气制冷循环的制冷系数、循环压缩比、循环制冷量三者之间的关系如何？答:压缩空气制冷循环的制冷系数为:()()142314-----o o net k o q q h h w q q h h h h ε===(a) (b) 压缩空气制冷循环状态参数图空气视为理想气体,且比热容为定值,则:()()142314T T T T T T ε-=--- 循环压缩比为:21p p π=过程1-2与3-4都就是定熵过程,因而有:1322114k k T T P T P T -⎛⎫== ⎪⎝⎭ 代入制冷系数表达式可得:111k k επ-=- 由此式可知,制冷系数与增压比有关。
第十一章 制冷循环3ppt课件
吸收式制冷装置—依靠高温热源向环 境传递热量作为代价而实现制冷的装置。
吸收式制冷装置—采用吸收器、蒸气 发生器和泵来取代蒸气压缩式制冷装置 的压气机。
常用工质：氨（制冷剂）＋水（吸收剂） 水（制冷剂）＋溴化锂 （吸收剂）
工作过程（氨＋水）：吸收器中，氨水溶液吸收来自蒸发器的 氨蒸气。由于氨溶解时产生溶解热，为了保持溶液的吸收能力，要 用冷却水冷却吸收器。泵浓溶液加压后送入蒸气发生器。蒸气发生 器加热浓溶液，使其中所溶解的氨蒸发产生氨气。
析说明之。
11-4 压缩式制冷依靠消耗机械功而实现制冷，吸收式及喷射 式制冷则是依靠消耗高温的热能而实现制冷，试根据热力学第二 定律说明两者的一致性。
11-5 高增压比的空气压缩制冷装置采用回热措施而降低增压 比时，若考虑到压气机及膨胀机中的不可逆损失，是否不论采用 回热与否循环的制冷系数仍相同？
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装置的发展较快，常用来作为大型空气调节装置的制冷设备。
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11-5 制冷剂及其热力学性质
例 11-5 一台氨蒸气压缩制冷装置，其冷库 温度为－10℃，冷凝器中冷却水温度为20℃， 试求单位质量工质的制冷量、装置消耗的功、 冷却水带走的热量以及制冷系数。
解: 按题意 T1=T4=263 K T3=293 K32 34
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思考题
11-1 当冷库温度及环境温度一定时，试证明逆向卡诺循环具 有最大的制冷系数。
11-2 空气压缩制冷为何不能像蒸气压缩制冷那样采用节流阀 降压，而要采用膨胀机降压膨胀。
11-3 当冷库温度及环境温度一定时，为增加单位质量的制冷
量，空气压缩制冷循环的制冷系数总要有所降低，试用T-s图分
第十一章制冷系统辅助设备
工作原理：混合气体进入空气 分离器后，氨气在套管内的空间中 冷却凝结，空气等不凝性气体则被 分离出来，凝结的氨液通过器外支 管路节流后回收部分冷量，冷凝混 合气体，分离出来的空气与其他不 凝性气体由空气分离器筒体上的放 空气管通过盛水容器放入大气 ，蒸 发出的氨气进入制冷系统的回气管 路。
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位置：一般位于冷凝器之后， 安装必须保证冷凝器内液体能借其 液位差流入高压储液器中。 结构： 氨系统使用； 氟系统使用。
容器装有安全阀。
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氨用
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Байду номын сангаас
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对于只有一个蒸发器的小型制冷 装置，特别是氟利昂制冷装置，因气密 性较好，高压储液器容量可选择得较小， 或者不采用高压储液器，仅在冷凝器下 部储存少量液体。
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三、填料式油分离器 填料式氨油分离器中，由特殊 导流片作用，高压氨气中的油在离 心力作用下初步分离后，通过不锈 钢填料层，使油得到进一步分离。 气体在分离器内经过填料层不 断改变流动方向，且流速减慢，使 油滴分离出来，存于容器底部。
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四、过滤式油分离器
是干式 油分离器的 一种，用于 小型氟利昂 系统，分油 效果较好。
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五、集油器 作用：是氨制冷系统中收集从油分 离器、冷凝器、储液器、中间冷却器、 蒸发器和排液桶等设备放出的润滑油的 设备；并使润滑油在低压状态下排放至 油处理系统，同时减少氨的损耗。 结构：由容器钢板筒体及封头组 焊接而成的一种储存设备，其上设有 进油口、放油口、抽汽口及压力表。
制冷循环工作原理
制冷循环工作原理
制冷循环是一种常用于制冷和空调设备中的运行原理，它通过循环流动的制冷剂来吸收空气中的热量，并将其排放到室外。
制冷循环的工作原理如下：
1. 蒸发器：制冷循环的第一步是将制冷剂注入蒸发器中。
蒸发器通常位于需要冷却的区域内部。
当制冷剂进入蒸发器时，它处于液态，并且通过与周围空气接触，吸收室内的热量。
这个过程将导致制冷剂从液态变为气态。
2. 压缩机：当制冷剂从蒸发器中蒸发后，它以气态进入压缩机。
压缩机起到将制冷剂压缩的作用，使其成为高压高温的气体。
这个过程需要消耗一定的能量。
3. 冷凝器：高压高温的制冷剂接下来进入冷凝器。
冷凝器位于室外，其内部有一些细小的管道或片状散热器。
当制冷剂通过冷凝器时，它与环境的空气进行热交换，并排放掉吸收的热量。
这个过程将导致制冷剂从气态变为液态。
4. 膨胀阀：从冷凝器出来的制冷剂经过膨胀阀的节流作用，降低其压力和温度。
这使得制冷剂能够再次进入蒸发器，并重新开始循环。
通过不断重复上述循环，制冷循环能够从室内吸收热量并排放到室外，从而实现了制冷或空调的效果。
此外，制冷剂在循环过程中经历相态变化，从液态到气态再到液态，这使得系统能
够高效地吸收和释放热量。
制冷循环工作原理的基本原理和组成部分类似于常见的冷冻冷藏设备或汽车空调系统。
《工程热力学》第十一章制冷循环
粘度
粘度小的制冷剂流动性好，有 利于传热。
密度
密度决定了制冷剂在相同体积 下的质量，密度越大，质量越
大，制冷效果越好。
制冷剂的热力学特性
压缩系数
压缩系数决定了制冷剂在压缩过 程中的体积变化，压缩系数越小，
体积变化越小，有利于提高制冷 效率。
热导率
热导率决定了制冷剂的传热效率， 热导率越大，传热效率越高。
制冷剂在蒸发器中蒸发成气体后被压缩机吸入，再次压缩，完成一个循环。
压缩式制冷循环的主要设备
压缩机
用于压缩制冷剂，提高 其压力和温度。
冷凝器
用于将高温高压的制冷 剂冷却成液体，释放出
潜热。
膨胀阀
用于将高压的液态制冷 剂减压至适合蒸发吸热
的低压状态。
蒸发器
用于使液态制冷化
未来的制冷系统将更加注重多功能化，除了温度调节外， 还将具备湿度控制、空气净化等功能，提高室内环境的舒 适度和健康性。
高效化
随着能源价格的上涨和节能减排的需求，制冷循环将更加 注重能效提升，采用先进的节能技术和优化算法，降低运 行成本和提高能源利用效率。
THANKS
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吸收式制冷循环利用制冷剂在溶液中的溶解特性，通过制冷剂在溶液中 的蒸发和冷凝，实现制冷效果。
吸收式制冷循环中，常用的制冷剂有氨和水、溴化锂和水的混合溶液等， 这些制冷剂在吸收剂的作用下被吸收，再通过加热解吸，释放出冷量。
吸收式制冷循环的工作原理基于热力学第二定律，通过消耗热能实现制 冷效果，相比压缩式制冷循环，具有更高的能效比。
强化换热器设计
优化换热器的结构和设计，提高换热 效率。
引入智能控制技术
利用先进的控制算法和传感器技术， 实现制冷系统的智能控制，提高运行 效率。
工程热力学思考题答案,第十一章
第十一章制冷循环1.家用冰箱的使用说明书上指出,冰箱应放置在通风处,并距墙壁适当距离,以及不要把冰箱温度设置过低,为什么答：为了维持冰箱的低温,需要将热量不断地传输到高温热源环境大气,如果冰箱传输到环境大气中的热量不能及时散去,会使高温热源温度升高,从而使制冷系数降低,所以为了维持较低的稳定的高温热源温度,应将冰箱放置在通风处,并距墙壁适当距离.在一定环境温度下,冷库温度愈低,制冷系数愈小,因此为取得良好的经济效益,没有必要把冷库的温度定的超乎需要的低.2.为什么压缩空气制冷循环不采用逆向卡诺循环答：由于空气定温加热和定温放热不易实现,故不能按逆向卡诺循环运行.在压缩空气制冷循环中,用两个定压过程来代替逆向卡诺循环的两个定温过程.3.压缩蒸气制冷循环采用节流阀来代替膨胀机,压缩空气制冷循环是否也可以采用这种方法为什么答：压缩空气制冷循环不能采用节流阀来代替膨胀机.工质在节流阀中的过程是不可逆绝热过程,不可逆绝热节流熵增大,所以不但减少了制冷量也损失了可逆绝热膨胀可以带来的功量.而压缩蒸气制冷循环在膨胀过程中,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,既增加了系统的投资,又降低了系统工作的可靠性.因此,为了装置的简化及运行的可靠性等实际原因采用节流阀作绝热节流.4.压缩空气制冷循环的制冷系数、循环压缩比、循环制冷量三者之间的关系如何 答：压缩空气制冷循环的制冷系数为：()()142314-----o o net k o q q h h w q q h h h h ε=== 空气视为理想气体,且比热容为定值,则：()()142314T T T T T T ε-=---循环压缩比为：21p p π=过程1-2和3-4都是定熵过程,因而有：1322114k kT T P T P T -⎛⎫==⎪⎝⎭ 代入制冷系数表达式可得：111k kεπ-=-由此式可知,制冷系数与增压比有关.循环压缩比愈小,制冷系数愈大,但是循环压缩比减小会导致膨胀温差变小从而使循环制冷量减小,如图b 中循环1-7-8-9-1的循环压缩比较循环1-2-3-4-1的小,其制冷量面积199′1′1小于循环1-2-3-4-1的制冷量面积144′1′1.T sO 4′ 9′1′Ov ab压缩空气制冷循环状态参数5.压缩空气制冷循环采用回热措施后是否提高其理论制冷系数能否提高其实际制冷系数为什么答：采用回热后没有提高其理论制冷系数但能够提高其实际制冷系数.因为采用回热后工质的压缩比减小,使压缩过程和膨胀过程的不可逆损失的影响减小,因此提高实际制冷系数.6.按热力学第二定律,不可逆节流必然带来做功能力损失,为什么几乎所有的压缩蒸气制冷装置都采用节流阀答：压缩蒸气制冷循环中,湿饱和蒸气在绝热膨胀过程中,因工质中液体的含量很大,故膨胀机的工作条件很差.为了简化设备,提高装置运行的可靠性,所以采用节流阀.7.参看图 5,若压缩蒸汽制冷循环按1-2-3-4-8-1 运行,循环耗功量没有变化,仍为h2-h1,而制冷量却从h1-h5.增大到h1-h8,显见是“有利”的.这种考虑可行么为什么答：过程4-8熵减小,必须放热才能实现.而4 点工质温度为环境温度T,要想放热达到温度Tc 8点,必须有温度低于Tc的冷源,这是不存在的.如果有,就不必压缩制冷了.8.作制冷剂的物质应具备哪些性质你如何理解限产直至禁用氟利昂类工质,如R11、R12答：制冷剂应具备的性质：对应于装置的工作温度,要有适中的压力；在工作温度下气化潜热要大；临界温度应高于环境温度；制冷剂在T-s 图上的上下界限线要陡峭；工质的三相点温度要低于制冷循环的下限温度；比体积要小；传热特性要好；溶油性好；无毒等.限产直至禁用R11 和R12 时十分必要的,因为这类物质进入大气后在紫外线作用下破坏臭氧层使得紫外线直接照射到地面,破坏原有的生态平衡.9.本章提到的各种制冷循环有否共同点若有是什么答：各种制冷循环都有共同点.从热力学第二定律的角度来看,无论是消耗机械能还是热能都是使熵增大,以弥补热量从低温物体传到高温物体造成的熵的减小,从而使孤立系统保持熵增大.10.为什么同一装置即可作制冷剂又可作热泵答：因为热泵循环与制冷循环的本质都是消耗高质能以实现热量从低温热源向高温热元的传输.热泵循环和制冷循环的热力学原理相同.。
第11章 习题提示和答案
h1 xh1 (1 x)h1 1 358.95 kJ/kg ，qc h1 h5 1 060.7 kJ/kg ，可用T s 图上面积 155'1'1
表示， wnet
h2 h1 184.0
kJ/kg ，
qc wnet
5.77 ， qm
qQc qc
wnet
wC wT
65.25
kJ/kg ，
qc wnet
0.916 ， I
T0sg
T0 c p
ln
T2 ' T2
11.83
kJ/kg 。
11-6 某采用理想回热的压缩气体制冷装置（循环示意见图 11-3），工质为某种理想气体，
循环增压比为 5 ，冷库温度 Tc 40 C ，环境温度为 300K，若输入功率为 3kW，试计算：
qc,a cp (T1 T4,a ) 71.2 kJ/kg ， qc,b cp (T1 T4,b ) 110.7 kJ/kg 。
11-4 若题 11-3 中压气机绝热效率C,s 0.82 ，膨胀机相对内效率T 0.85 ，（1）分别
计算1 kg 工质的制冷量，循环净功及循环性能系数；（2）若取空气比热容是温度的函数，再
氟利昂 12。今有以氟利昂 134a 为工质的制冷循环，其冷凝温度
为 40℃，蒸发器温度为-20℃（图 11-4），求：（1）蒸发器和冷
凝器的压力；（2）循环的制冷系数。
提示和答案：若非特别说明制冷剂离开蒸发器进入压缩机时
的状态可近似为温度为蒸发器内温度的干饱和蒸气，离开冷凝器
图 11-4
时的状态为冷凝器内温度的饱和液；节流过程焓值不变。据 t1 20 C 、 t3 40 C ，查氟
制冷课件第十一章.小型制冷装置
蒸发器产生的冷量在箱体内有两种传递方法： ①自然对流：由于与蒸发器表面接触的空气较冷，比重较大，所以
向下降落，而冰箱下部温度较高的空气向上浮升，形成自然对流. ②强制对流：依靠设在箱内的风扇强制空气循。在只有一台肋片管
11.1.3 双温冰箱
（1）具有一个蒸发器的 双门、双温冰箱
双门、双温冰箱内分上，下两层， 上层为冷冻室、容积较小，一般占箱内 总容积的1/3～1/4，下层较大的容积 为冷藏室。冷藏室和冷冻室分别配以大 小两扇箱门。在上、下两层之间水平地 安装着肋片管式蒸发器，蒸发器后面装 有一台小风机，用强制通风冷却整个箱 体。
式蒸发器的双温冰箱中，除风扇以外还要借助风道和风门分配风 量，才能获得冷冻室和冷藏室的不同温度。
冷凝器安装在冰箱的背面或侧面， 有丝管式和箱体表面式两种。
家用冰箱的冷凝器均为空气冷却式 冷凝器。它可分为自然对流式和强制对 流式两类。前者依靠空气的自然对流将 热量带走，后者利用风扇强制空气流动 而实现散热。
①人工除霜：人工除霜是最简单的除霜方法。具体做法是将温 度调节器调节到压缩机停止运转点，使压缩机停止工作，箱内温度 自然升高，霜层自然融化。
②半自动除霜：冰箱温度调节器上附有除霜控制钮，除霜时按 下此按钮，压缩机即停转，待箱内温度自然上使蒸发器表面温度上 升到6℃时便自动停止除霜，恢复正常运转。
③自动除霜：最初的自动除霜是在箱内安装一时间继电器，每 隔8h或12h除霜一次。除霜期间压缩机停转，蒸发器表面以电热丝 加热融箱，此后立即恢复运转。用这种方法除霜不会过大地影响箱 内温度，但不分季节、不管有无结箱，都定时地用电加热融箱显然 会浪费一部分电能。
工程热力学-思考题答案-沈维道-第十一章
第十一章制冷循环答：压缩空气制冷循环不能采用节流阀来代替膨胀机。
工质在节流阀中的过程是不可逆绝热过程，不可逆绝热节流熵增大，所以不但减少了制冷量也损失了可逆绝热膨胀可以带来的功量。
而压缩蒸汽制冷循环在膨胀过程中，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，既增加了系统的投资，又降低了系统工作的可靠性。
因此，为了装置的简化及运行的可靠性等实际原因采用节流阀作绝热节流。
2. 答：采用回热后没有提高其理论制冷系数但能够提高其实际制冷系数。
因为采用回热后工质的压缩比减小，使压缩过程和膨胀过程的不可逆损失的影响减小，因此提高实际制冷系数。
3. 答：过程4-8熵减，必须放热才能实现。
而4点工质温度为环境温度T0，要想放热达到温度Tc（8点），必须有温度低于Tc的冷源，这是不存在的。
(如果有，就不必压缩制冷了)。
4. 答：制冷剂应具备的性质：对应于装置的工作温度，要有适中的压力；在工作温度下气化潜热要大；临界温度应高于环境温度；制冷剂在T-s图上的上下界限线要陡峭；工质的三相点温度要低于制冷循环的下限温度；比体积要小；传热特性要好；溶油性好；无毒等。
限产直至禁用R11和R12时十分必要的，因为这类物质进入大气后在紫外线作用下破坏臭氧层使得紫外线直接照射到地面，破坏原有的生态平衡。
5. 答：各种制冷循环都有共同点。
从热力学第二定律的角度来看，无论是消耗机械能还是热能都是使熵增大，以弥补热量从低温物体传到高温物体造成的熵的减小，从而使孤立系统保持熵增大。
6. 答：因为热泵循环与制冷循环的本质都是消耗高质能以实现热量从低温热源向高温热元的传输。
热泵循环和制冷循环的热力学原理相同。
工程热力学制冷循环
例A461277
8
11-3 压缩蒸气制冷循环
（The vapor-compression cycle）
一、设备流程及T-s图
9
二、制冷系数ε
qC h1 h5 h1 h4
q1 h2 h4
wnet h2 h1
三、状态参数确定
1. T-s图和logp-h图
qC h1 h4 T1 T4 wnet h2 h1 T2 T1
c
TC T0 TC
T1 T2 T1
例A361255
6
三、回热式压缩空气制冷循环
压缩空气制冷，qC较小，且随π上升，ε下降，为兼 顾Qc及ε，采用大流量叶轮压缩机并回热。
7
回热后： 面积12nm1=面积45gk4 qc=面积1mg61 q1=面积34kn3=面积3’5’gm3’
ε相等，π下降
一、 压缩气体制冷循环（Gas-compression refrigeration cycle）简介
4
二、制冷系数（the coefficient of performance COP） qC qC wnet q1 qC
q1 h2 h3
qC h1 h4
wnet h2 h1 h3 h4 h2 h3 h1 h4
10
11
例A466166
12
11-4 制冷剂(Refrigerants)性质
一、制冷剂热力性质
1. 对应制冷装置工作温度的饱和压力适中； 2. 汽化潜热大； 3. 临界温度应高于环境温度； 4. 蒸汽比体积小，导热系数大； 5. 蒸发压力不低于环境压力，三相点低于制冷循环下
限温度。 6. 上、下界限线（在T-s图）陡峭，使冷凝更接近定温
理想条件下
蒸汽压缩式制冷装置的工作原理
解：该循环的压焓图如下所示：
根据R22的热力性质表，查出处于饱和线上 pk 的有关状态参数值：
h1=401.555 kJ/kgቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
v1=0.0653 m3/kg
po
h3=h4=243.114 kJ/kg
p0=0.3543 MPa pk=1.3548 MPa
由图可知：h2=435.2 kJ/kg
压焓图：
压焓图的结构如下图2所示。以绝对压力为纵坐标（为了缩小图的尺寸 ，提高低压区域的精度， 通常纵坐标取对数坐标），以焓值为横坐标。
武汉理工大学 轮机工程系
临界点K左边的粗实线为饱和液体线，线上的任 何一点代表一个饱和液体状态，干度 x=0。
临界点K右边的粗实线为饱和蒸气线，线上任何 一点代表一个饱和蒸气状态，干度 x=1。
点4表示制冷剂出节流阀时的状态，也就是进入蒸发器时的状态。
过程线3-4表示制冷剂在通过节流阀时的节流过程。在这一过程中，制冷剂的压 力由冷凝压力降到 蒸发压力 ，温度由冷凝温度降到蒸发温度 ，并进入两相区 。由于节流前后制冷剂的焓值不变，因此由点3作等焓线与蒸发压力的等压线 的交点即为点4的状态。由于节流过程是一个不可逆过程，所以用一虚线表示34过程。
(5) 制冷系数
按定义，在理论循环中，制冷系 数可用下式表示
（11） 在下一页我们通过一个例题来讲 解热力计算过程
武汉理工大学 轮机工程系
Ｐ Ｑ
例题：假定循环为单级压缩蒸气制冷的理论循环，蒸发温度t0=－10℃, 冷凝温度tk为35℃，工质为R22，循环的制冷量Q0=55kw,试对该循环 进行热力计算。
武汉理工大学 轮机工程系
Ｐ Ｑ
单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
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• 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。
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
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
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
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，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。
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。
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。
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
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
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。
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：
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
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↓。
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
➢ 消耗的功用于将热量由低温 物体传向高温物体。
q1 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。
• 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，
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 ，
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，