2010年制冷系统热工基础

循环热经济性指标 = 收获/代价 制冷量 制冷系数=
机械能
耗功量
循环型式：单级压缩、两(多)级压缩、复叠式
吸收式制冷循环
热能 冷凝器 发生器 节 流 阀 蒸发器 吸收器
冷凝器 压 节 缩 流 机 阀 蒸发器 相当于压缩机 主要消耗热能
机械 能
节 流 阀
泵
机械能
常用工质对: 氨水溶液： 制冷剂：氨 溴化锂水溶液： 制冷剂：水
110℃
℃
100℃
240℃
250
90℃
80℃
o
C
70℃
60℃
50℃ 40℃ 30℃ 20℃ 10℃ t=0℃ -10℃ -20℃ -30℃ -40℃ -50℃ -60℃
1
3
0.1
x= 0
0.9 x=1.0
.0 0.1
p
qk
0.015 3 m /kg 0.02 0.025 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 08 0. 0.09 0.1
p 3 4 1 h 2
流出熵：s1
Tcold
熵产：g ,eva s1 s4 δqcold s
作功能力损失： T s leva 0 g ,eva
系统 效率、各部件 损率的计算与前同。
Tcold
例：某单级蒸汽压缩制冷循环，所用工质为氨。环境温度为
15℃，被冷却物体的温度为-15℃。蒸发温度比被冷却物体 温度低8℃，冷凝温度比环境温度高8℃，节流前液体过冷度 为5℃，压气机入口蒸汽过热度为5℃（有效过热），压缩机 指示效率为0.85。依据热力学第一定律和第二定律，对循环 进行分析。
相应于1kg工质， 1 2 进入能量: h1 c1 gz1 q 2
h u pv
1 2 离开能量: h2 c2 gz 2 wi 2
能量变化: 0
1 2 1 2 h1 c1 gz1 q h2 c2 gz 2 wi 2 2
1 2 q h c gz wi 2
可逆过程：
熵产=0
Siso S g 0
孤立系统熵增原理
2.2.1 熵产与作功能力损失的关系 Gouy-Stodla（即G—S公式） L T0 S g 对孤立系
L T0 Siso
环境温度
适用于任 何热力系 和过程
2.2.2 熵方程 （流入热力系的熵）+（热力系的熵产） （流出热力系的熵）=（热力系熵的增量） 对稳定流动：
450
500
550
600
2.4 kJ
2.2
2.0
2.3
/(k g·
4
K)
1
0.6 0.7m3/kg 0.8 0.9 1.0 1.5
650
K)
2、常用的制冷循环（普冷领域）
蒸气压缩式制冷 普冷领域 常用方法 液体气化制冷 热电制冷 吸收式制冷 喷射式制冷
蒸气压缩式制冷循环
冷凝器 压 节 缩 流 机 阀 蒸发器
冷凝器： 流入熵：s2 流出熵：s3，qcon/T0 熵产： sg ,con 作功能力损失：
qcon s3 s2 T0
lcon T0 sg ,con
节流机构：
流入熵：s3 流出熵：s4 熵产：sg ,thr s4 s3 作功能力损失：lthr T0 sg ,thr 蒸发器： 流入熵：s4, δqcold
双筒单效蒸汽型溴化锂冷水机结构简图
热媒 高压发 生器 高温换 热器 低温换 热器
水蒸气
低压发 生器
冷凝器
节 流 阀 蒸发器
中间浓度溶液
浓溶液
浓溶液
吸收器
稀溶液
双效串联型溴化锂吸收式制冷循环原理图
工作蒸气压力一般0.25-0.8MPa（表压）；热水温度150℃以上
设置高压和低压两级发生器、设置高温和低温两级溶液热交换器
又称能量分析法或能量平衡法，揭示能量在数 量上的传递、转换、利用和损失情况。 热力学第一定律是能量转换及守恒定律在热现象 中的应用。表述为：热能和机械能在转移和转换时， 能量的总量必定守恒。 进入系统 的能量 离开系统 系统储存能 － ＝ 的能量 量的增加量
机器设备在稳定运行时， 工质都为稳定流动。 稳定流动能量方程：
流体流经阀门、孔板等时，因局 部阻力而压力下降，称为节流。
例：压缩蒸气制冷循环
p
T2 T1 T2 T1 T2 T1
3 4
1
2
节流冷效应 节流热效应 节流零效应
h
压焓图
08 5 0.0
10
0 .0
0.0 0
09 095 .001 0 .00 0.00 0
0 .0 00
00 75
00 7
0.0
浓溶液 溢流管 浓溶液囊
冷凝器 发生器
1、机内高真空度，要 求密封性好 措施：把四个主要换热设 备置于一或两个密闭筒体 内。
2、设备内压力低，蒸汽流 动损失和静液高度影响大
蒸发器
U形 管
抽气装置
吸收器
冷剂水
措施： 1）将压力相近的设备放 在一起，使冷剂蒸汽在管 束外较大空间内流动。 2）蒸发器和吸收器用喷 淋式，发生器虽多用沉浸 式，但液层高度需小于规 定值。
0.15
0.2 0.3
0.7
0.3
0.4
0.6
2
0.8
0.2
0.5
0.4 0.5
1.0kJ/(kg· K)
kJ/( kg·
0.01 50
q0
w
0.7
0.8
0.9
1.1
1.2
1.4
1.5
1.3
1.6
2.0 2.5 3.0
1.7
1.8
1.9
2.1
100
150
200
250
300
h h(kJ/kg)
350
400
典型的如： 温差传热 摩擦生热 作功能力损失 损失 可用能损失
2.1.2 热量
δE x ,Q T0 (1 )δQ T
卡诺热机
T
dQ dWmax= dEx,Q dQ0
环境 T0
变温热源时：
E x ,Q
2
1
T0 (1 )δQ T
恒温热源时：
E x ,Q
T0 (1 )Q T
2.1.3 冷量
输入
：ex,h2
输出
：ex,h3
损： con ex,h 2 ex,h3 l
节流机构：
p
输入
：ex,h3
3 4 1
2
输出
：ex,h4
h
损： thr ex,h3 ex,h 4 l 蒸发器： 输入 ：ex,h4
输出
：ex,h1，ex,cold
损： e e e leva x,h4 x,h1 x,cold
B
dQ
卡诺热机
恒温冷源时
Ex,cold ( T0 1)Qcold Tcold
dWmax=dEx,cold
dQcold
Tcold
2.1.4 焓
稳定流动工质的可用能
ex,h (h h0 ) T0 (s s0 )
Ex,h ( H H0 ) T0 (S S0 )
2.1.5
h3 h4
4-1 定压吸热过程
qcold h1 h4
第一定律 直观、易理解 分析法 依据能量在数量上的平衡来分析，不能揭示能量
利用过程中由于不可逆因素而造成的质的降低，不 能揭示能量利用的本质
可为节能提供重要依据，但许多情况下会误导
2、热力学第二定律分析方法
又称 分析法，揭示能量在质 上的传递、转换、利用和损失情 况。
整个系统的输入
整个系统的输出
e ： x ,in wcom h2 h1
：
T0 ( 1)δqcold Tcold
p 3 4 2
ex ,out ex ,cold
1 h
系统
收获 ex,out ex,cold ex 效率： 代价 ex,in wcom
各部件
损率： i
热媒
高压发 生器 水蒸气 低压发 生器 冷凝器 节 流 阀
浓溶液
浓溶液 低温换 热器
高温换 热器
吸收器 稀溶液
蒸发器
双效并联型溴化锂吸收式制冷循环原理图
溴化锂吸收式制冷的主要特点: 主要消耗热能，耗电量小
对热源的要求不高，特别适合于有余热、废热可利用的场 合，利于能源的综合利用 能在10-100%范围内进行制冷量的无级调节，且部分负荷 下热力系数无明显下降 系统密封性要求高 蒸发温度高，只能制取5℃以上的冷水
设想有一卡诺热机，工作在环境 （温度T0）和冷源（温度T）间
δEx,cold
Tcold (1 )δQ T0
δEx ,cold
T0 ( 1)δQcold Tcold
δQ δEx,cold δQcold
变温冷源时：
环境
T0
Ex ,cold
T0 ( 1)δQcold A T cold
1 2 q h c f gz wi 2
p
3
2
例如，对压缩蒸气理论制冷循环：
4 1 h
1-2 绝热压缩过程： wcom wi h2 h1
2-3 定压放热过程 qcon h2 h3 3-4 绝热节流过程
蒸气压缩式理论循环压焓图
qcold wcom
能量守恒： qcon qcold wcom
li ex ,in
liBiblioteka Baidu wcom
整个系统的
平衡：
i
ex,cold li wcom ex i 100%
2.2 熵及熵方程
热力学第一定律确定了能量既不能创造，也不 会消灭，那么热力学第二定律则确定了：由于 不可逆因素的存在，熵不但不会消灭，而且会 在能量的转换和转移过程中自发地产生出来。 不可逆过程：熵产>0
2011年中师培训
制冷系统热工基础
一、制冷循环概述
二、制冷循环的热力学分析方法
一、制冷循环概述
1、制冷剂的降温过程
作功的绝热膨胀过程 不作功的绝热节流过程
作功的绝热膨胀过程
例：压缩空气制冷循环
3 冷却器 膨胀机 冷库 4 1 压缩机
p
T v s
2 T0 1 Tc s
2
T
3
4
理想循环温熵图
不作功的绝热节流过程
01
8
1 0.0
170
2 3 01 .001 0014 0 0.
180
0.0
015
0.0
02
0.00 3
0.006 07 .008 0.0 0 0.009 0.01
15
p(MPa)
1 0℃ 60℃
℃ 21 2 ℃ ℃ 190℃ 0℃ 20℃ 2
200
30
℃
0.004 0.005
130℃
0 14
120℃
3、其它制冷循环
固体吸附制冷
工质对：活性炭-甲醇、活性 炭-氨、沸石-水、硅胶-水 吸附过程--放热 解吸过程--吸热
沸石筒 冷凝器 水罐 p
CO2跨临界制冷循环
气体冷却器
节 流 阀
压 缩 机 蒸发器
闭式沸石吸附制冷系统
h
二、制冷循环的热力学分析方法
热力学第一、第二定律在制冷系统中的应用
1、热力学第一定律分析方法
热力系数=
制冷量 耗热量+耗功量
空调用吸收式 制冷机采用
溴化锂吸收式制冷循环型式
高压冷剂 水蒸气
单效 双效
串联 并联
稀溶液
8
冷凝器
7
低压冷剂 水蒸气
发生器 4 6 吸收器
浓溶液
3 5 2 泵 溶液 热交 换器
节流阀 蒸发器 9
稀溶液
10
冷却水 单效溴化锂吸收式制冷循环原理图
1
工作蒸气压力一般0.03-0.15MPa（表压）； 热水温度一般 85-150℃
环境 T0
Wmax
T0 (1 )Q T
在环境条件下，能量中可转化为有 用功的最高份额
物理
化学
或 当系统可逆地变化到与给定环境相
平衡的状态时，作出的最大有用功
热力学第一定律确定了能量既不 能创造，也不会消灭，热力学第 二定律则确定了:由于不可逆因素 的存在，实际的能量利用过程是 能量的作功能力减小的过程，亦 即能量的贬值过程。

价格高于同样制冷量的蒸气压缩式系统
热电制冷
亦名温差电制冷、半导体制冷 或电子制冷，是以温差电现 象为基础的制冷方法，利用珀尔帖效应原理达到制冷目的。 珀尔贴效应（亦称温差电现 象）： 对两种不同金属组成的闭 合线路通以直流电，一个接点 变冷，一个变热。
特点： 基本热电偶制冷回路 不需制冷剂，无泄漏，无污染 无机械传动部件，无噪音、磨损，可靠性高，寿命长 调节控制灵活方便 适用于小冷量、小体积场合 操作具有可逆性
流入热力系的熵 + 热力系的熵产 = 流出热力系的熵
热力系的熵产 =流出热力系的熵 - 流入热力系的熵
2.2.3 基于熵方程分析单级蒸汽压缩制冷循环
压缩机： 流入熵：s1 流出熵：s2 熵产： g ,com s2 s1 s
4 1 h p 3
2
作功能力损失：lcom T0 sg ,com
方程
熵方程
2.1 2.1.1
及 方程 参数的基本概念
能量的品位 能量的作功能力
可用能
机械能、电能：全部是可用能。 热能：
T Q
卡诺热机
可用能所占比例与热能所处温
度水平、环境温度有关
Wmax Q0
在恒温热源T 和环境T0之间，最
大转换率是卡诺循环效率
温度越高，热能作功能力越大。 环境温度下的热能，作功能力为0。
方程
损
流入热力系的 - 流出热力系的 = 热力系 的增量
对稳定流动：
流入热力系的 - 流出热力系的 = 损
2.1.6 基于
压缩机： 输入 输出
方程分析单级蒸汽压缩制冷循环
p 3 4 1 h
：wcom,ex,h1 ：ex,h2
2
损：lcom wcom ex,h1 ex,h 2
冷凝器：
无论采用水冷还是风冷，热能都 全部释放于环境。