大学物理化学授课课件制冷循环(本科专业)

2020年4月19日 第十二章制冷循环 1 第十二章制冷循环 12 1逆向卡诺循环 12 2空气压缩制冷循环 12 3蒸气压缩制冷循环 12 4蒸汽喷射制冷循环及吸收式制冷装置 12 5热泵循环 12 6制冷剂及其热力学性质 2020年4月19日 第十二章制冷循环 2 12 1逆向卡诺循环 逆向卡诺循环 理想的最简单的制冷循环 由四个过程组成 1 2为绝热膨胀 2 3为定温吸热 3 4为绝热压缩 4 1为定温放热 循环中系统消耗净功 从冷库中的低温物体吸热q2 向温度较高的环境放热 过程2 3 工质从冷库中吸取热量 过程4 1 工质向环境放出热量 循环中消耗的净功 2020年4月19日 第十二章制冷循环 3 制冷系数 制冷性能系数 可见 当T1 const T2 反之 T2 上述结论对制冷循环具有重要指导意义 在保证必需的冷冻条件的情况下 为避免无谓地消耗过多的机械功 冷库温度应尽量接近环境温度 制冷循环中从低温物体吸收的热量与所消耗的净功之比 即 逆向卡诺循环制冷系数 逆向卡诺循环净功 为制冷循环的工作有效程度的评价指标 2020年4月19日 第十二章制冷循环 4 12 2空气压缩制冷循环 实际制冷装置根据所用工质的性质 按不同的制冷循环工作 空气可用作为制冷装置的工质 主要设备 压气机 冷却器 膨胀机和冷库换热器 空气压缩制冷理想循环由四个可逆过程组成 绝热压缩过程1 2 定压放热过程2 3 绝热膨胀过程3 4和定压吸热过程4 1 2020年4月19日 第十二章制冷循环 5 循环制冷量为4 1中工质吸取的热量 循环消耗的净功 因此 可得空气压缩制冷循环制冷系数的表达式为 如取空气的比热容为定值 则有 2020年4月19日 第十二章制冷循环 6 由绝热过程1 2及3 4 可得各状态参数间的关系 代入上式 可得空气压缩制冷循环的制冷系数的计算式为 即 可见 压气机增压比p2 p1 2020年4月19日 第十二章制冷循环 7 制冷温度 空气压缩制冷循环增压比 循环1 3 5 6 1 采用回热器 空气在回热器中的预热过程部分替代绝热压缩过程 降低增压比 1 2 回热器中空气定压预热 2 3 压气机中空气绝热压缩 3 4 冷却器中空气定压放热 4 5 回热器中空气定压回热 5 6 膨胀机中空气的绝热膨胀 6 1 冷库换热器中空气定压吸热 回热循环1 2 3 4 5 6 1与高增压比无回热循环1 3 5 6 1的对比 循环吸热过程6 1相同 即制冷量相同 冷却器定压放热过程3 4和3 5 的温度变化范围相同 故放热量相同 带有回热器的空气压缩制冷循环 因此两者制冷系数相同 但是 采用回热器的空气压缩制冷装置中 压气机增压比小 压气机负荷减小 因此 带回热器的空气压缩制冷装置在深度冷冻及气体液化中得到应用 2020年4月19日 第十二章制冷循环 8 12 3蒸气压缩制冷循环 优点 可用湿饱和蒸气作为工质 实现定温吸热 放热 即按逆向卡诺循环工作 在一定冷库温度及环境温度下获得最高的制冷系数 用湿饱和蒸气作为制冷工质可得到大的单位质量工质的制冷量 靠汽化潜热吸热 以湿饱和蒸气为工质的逆向卡诺循环的不足 压缩工质为湿饱和蒸气 当其被吸入压气机时 其中饱和液体会立刻从压气机缸壁吸热汽化 使气缸内压力突然增加 减少压气机的吸气量 造成制冷量降低 压缩过程中未汽化的液体可能引起液击 损坏压气机 绝热膨胀过程中 因工质中液体含量很大 膨胀机工作条件很差 2020年4月19日 第十二章制冷循环 9 实用的蒸气压缩制冷循环 以逆向卡诺循环为基础 对其压缩过程及膨胀过程进行适当改进而成 蒸气压缩制冷装置的主要组成 压气机 冷凝器 节流阀和蒸发器 气液分离器的作用 将未汽化的饱和液分离出来送回蒸发器 保证只有干饱和蒸气进入压气机 蒸气压缩制冷装置理想循环由四个可逆过程组成 绝热压缩过程1 2 定压放热过程2 3 绝热膨胀过程3 4和定压吸热过程4 1 压缩 工质为过热蒸气 膨胀 节流阀代替膨胀机 气 2020年4月19日 第十二章制冷循环 10 蒸气压缩循环的制冷系数 蒸气压缩制冷循环的制冷量为 循环净功即压气机消耗的轴功为 于是 蒸气压缩制冷循环的制冷系数可按下式计算 式中 各状态点的焓值可用相关的线图确定 2020年4月19日 第十二章制冷循环 11 lnp h线图 制冷循环计算时常用lnp h线图 用lnp h线图可方便地表示定压过程 定焓过程 且极易确定各点的焓值 lnp h图上的蒸气压缩制冷循环的循环曲线 1 2为定熵过程 2 3为定压过程 3 4为节流过程 其初终两态的焓相等 4 1为定压过程 lnp h图上状态点的近似确定 1点 蒸发温度线与干饱和蒸气线的交点 2点 过1点的等熵线与冷凝温度线的交点 3点 冷凝温度线与饱和液体线的交点 不考虑过冷度 图中3点有过冷度 4点 过3点的定焓线与蒸发温度线的交点 2020年4月19日 第十二章制冷循环 12 多级蒸气压缩制冷循环 单级蒸气压缩制冷的不足 制冷温度低时 制冷剂蒸发温度也低 此时 在相同冷凝条件下 要求压气机有较大的增压比 使得压缩耗功增大 压气机排气温度升高 采用多级压缩制冷循环 可获得不同温度的冷量 同时可减少耗功 降低排汽温度 2020年4月19日 第十二章制冷循环 13 蒸气二级压缩二次节流制冷装置的工作过程 来自低压蒸发器低压干饱和蒸气 p1 低压压气机 过热蒸气p2 中冷器 定压冷却 如温度仍高于压力p2对应的饱和温度 工质就与经高压节流阀节流至中间压力p2的冷凝液体混合 接触换热 蒸气温度降低到压力p2对应的饱和温度 汽液分离器 汽液分离器上部干饱和蒸气 p2 高压压气机 过热蒸气p4 冷凝器 高压节流阀 降温 汽液分离器 汽液分离器液体制冷剂 低压节流阀 低压蒸发器 蒸发获得低温制冷量 低压干饱和蒸气 低压压气机 继续循环 中压蒸发器 蒸发获得温度较高的制冷量 2020年4月19日 第十二章制冷循环 14 两级压气机的吸气质量的差异 高压压气机吸气的组成 低压压气机的排汽 中压蒸发器蒸发产生的蒸气 高压节流器节流闪蒸产生的蒸气 来自高压节流器的液体与中间冷却器的排气接触换热而汽化产生的蒸气 需注意的是 确定多级蒸气压缩制冷循环制冷量的前提是确定流经各级蒸发器的工质质量流量 所以 高压压气机的吸气质量大于低压压气机的吸气质量 多级蒸气压缩制冷循环的热力计算方法与单级蒸气压缩制冷循环类似 2020年4月19日 第十二章制冷循环 15 复叠式制冷循环 两种或两种以上制冷剂及相应的单级 多级 蒸气压缩制冷循环叠加而成的制冷循环 可解决上述问题 复叠式制冷循环的各单级制冷循环各自独立 制冷剂不同 使得工作时都有合适的蒸发压力 以及在环境温度下有适中的冷凝压力 单一制冷剂蒸气压缩制冷的不足 制冷温度 蒸发压力 冷凝压力 蒸发压力 低压部分真空度大 空气易漏入 吸气状态下蒸气比体积 压气机尺寸 冷凝压力 高压部件壁厚 冷凝压力 蒸发温度 压气机增压比 耗功增大 制冷剂在高压回路 5 6 7 8 中的蒸发吸热使得低压回路 1 2 3 4 中的制冷剂冷凝 低压回路中的制冷剂在较低压力下蒸发 产生较低的制冷温度 2020年4月19日 第十二章制冷循环 16 冷凝蒸发器 联系高压和低压回路的中间热交换器 如冷凝蒸发器与环境隔热良好时 高压循环的蒸发吸热量等于低压循环的冷凝放热量 高压循环的蒸发温度低于低压循环的冷凝温度 其温差为冷凝蒸发器的传热温差 T 通常 T 5 8K 2020年4月19日 第十二章制冷循环 17 12 4蒸汽喷射制冷循环及吸收式制冷装置 蒸汽喷射制冷装置及吸收式制冷装置是以高温物体向环境放热为代价来实现制冷 蒸汽喷射制冷装置工作循环可分为两个循环 制冷循环7 3 4 5 6 7 由五个过程组成 a 蒸汽在蒸发器内的吸热汽化过程7 3 b 混合室中混合放热过程3 4 c 扩 压管中的增压过程4 5 d 冷凝器中放热过程5 6 e 调节阀内绝热节流降温过程6 7 由制冷循环实现了从冷藏库内低温物体吸热而放给温度较高的冷却水 工作蒸汽的正向循环1 2 4 5 6 8 1 由六个过程组成 a 锅炉中的定压汽化过程8 1 b 喷管中的绝热膨胀过程1 2 c 混合室中混合过程2 4 d 扩压管中的增压过程4 5 e 冷凝器中定压放热过程5 6 f 泵中加压过程6 8 2020年4月19日 第十二章制冷循环 18 热量利用系数 蒸汽喷射制冷装置 装置的制冷量和耗热量之比 即 式中 为工作蒸汽从锅炉所得到的热量 为制冷量 蒸汽喷射制冷装置的优点 采用喷射器代替压缩制冷的压气机 设备简单 不需要外界提供机械功 蒸汽在喷射器中流动速度很高 因此可以有很大的容积流量 这些优点对在低温下饱和压力低而饱和蒸汽比体积大的工质是有利的 如水蒸气在10 时饱和蒸汽比体积为106 4m3 kg 不能用做压缩式制冷工质 但却适于作为喷射制冷的工质 因而 有大量多余蒸汽的工业 常利用喷射制冷装置来获得2 20 的低温 缺点 不可逆损失大 热量利用系数低 热量利用系数表示制冷循环工作的有效程度 2020年4月19日 第十二章制冷循环 19 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制冷装置的压气机 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 常用工质 氨 制冷剂 水 吸收剂 水 制冷剂 溴化锂 吸收剂 吸收式制冷 由泵完成制冷剂的加压 耗功比用压气机压缩制冷剂蒸气的耗功小得多 蒸气发生器中氨气蒸发后低浓度的氨水溶液 经节流降压后流回吸收器重新利用 2020年4月19日 第十二章制冷循环 20 优点 构造简单 造价低廉 耗功少 可利用生产过程的余热来加热蒸气发生器 缺点 不可逆损失大 热量利用系数较小 近年来 以溴化锂作为吸收剂 水蒸气作为制冷剂的吸收式制冷装置发展较快 常用做大型空气调节装置的制冷设备 吸收式制冷装置热量利用系数 装置制冷量和耗热量之比 即 式中 为加热蒸气发生器所需的热量 用来使制冷剂氨气在较高压力下从制冷溶液中蒸发出来 为制冷量 热量利用系数表示吸收式制冷循环工作的有效程度 2020年4月19日 第十二章制冷循环 21 12 5热泵循环 由热力学第一定律知 热泵向高温环境的供热量等于其所消耗的功量与其从低温环境所吸收的热量之和 所以 热泵循环 用于向高温环境提供热量 使其得到和维持相对较高温度的逆向循环 热泵供热系数 热泵性能系数 热泵的供热量 即制冷剂在冷凝器中向高温环境放出的热量与循环中的耗功之比 即 2020年4月19日 第十二章制冷循环 22 a 夏季制冷循环 b 冬季供热循环 用一只四通换向阀控制制冷装置中制冷剂的流向 夏天室内换热器作为蒸发器 对室内制冷 冬时室内换热器作为冷凝器 对室内供热 制冷供热两用空调装置 2020年4月19日 第十二章制冷循环 23 12 6制冷剂及其热力学性质 理想的制冷剂 汽化潜热大以获得较大的制冷量 制冷温度范围内饱和压力接近或略大于大气压力 以免在蒸发器内造成高真空 环境温度下饱和压力不太大 以降低压气机成本及装置的耐压要求 临界点温度较高而三相点温度较低 使制冷循环能在远低于临界点的状态下进行 更多地利用定温过程 提高制冷系数 物理化学性质方面 制冷剂应满足如下条件 表面传热系数高 以减小换热器的面积 有一定的吸水性 以免发生冰塞 没有腐蚀性 化学稳定性好 不燃 不爆 不分解 无毒 无刺激性 价格低廉 易于大量生产 常用制冷剂有氨 氟里昂 水等 此外氯甲烷 二氧化硫 二氧化碳等 2020年4月19日 第十二章制冷循环 24 制冷剂的替代 氟里昂类制冷剂性能稳定 品种多样 可满足制冷循环不同的工作参数范围及要求 曾广泛用做制冷工质 但由于进入大气层的氟里昂被同温层的紫外光损坏释放出的氯