第6章 热泵-制冷装置循环

1、第第6章章热泵热泵-制冷装置循环制冷装置循环2022-4-192 热泵热泵-制冷机循环制冷机循环 以消耗机械能为代价，从低温热源取热以消耗机械能为代价，从低温热源取热逆循环逆循环 制冷系数制冷系数 供暖系数供暖系数net2COPwq 热泵的工作目的是供暖热泵的工作目的是供暖net1COPwq6-1 绪言绪言 2022-4-193 逆卡诺循环是最理想的热泵逆卡诺循环是最理想的热泵- -制冷机循环制冷机循环逆卡诺循环逆卡诺循环sTbT1T2dac212CTTT211CTTT 卡诺制冷机卡诺制冷机卡诺热泵卡诺热泵制冷系数制冷系数T1环境温度环境温度T2冷库温度冷库温度T1室内温度室内温度T2环境温度

2、环境温度1121CTT12C11TTT2T1 、 2022-4-194 制冷能力制冷能力制冷装置单位时间从冷库中吸取的热量制冷装置单位时间从冷库中吸取的热量 kJ/h，或或W、kW 商业上常用商业上常用“冷吨冷吨” 来表达制冷装置的制冷能力来表达制冷装置的制冷能力冷吨冷吨能在能在24小时内将小时内将1吨吨0的水的水 冻结成冻结成0的冰的制冷能力的冰的制冷能力 1冷吨冷吨=3860W 常用常用制冷能力制冷能力来衡量设备制冷量大小来衡量设备制冷量大小水的凝结（冰熔化）热水的凝结（冰熔化）热 r =334 kJ/kg 美制美制1冷吨规定为冷吨规定为3516.85 W2022-4-195制冷循环种类制

3、冷循环种类压缩制冷压缩制冷吸收式制冷吸收式制冷吸附式制冷吸附式制冷半导体制冷半导体制冷喷射制冷喷射制冷空气压缩制冷空气压缩制冷蒸汽压缩制冷蒸汽压缩制冷当前世界上绝大多数制冷装置属采用低沸当前世界上绝大多数制冷装置属采用低沸点物质作制冷剂的压缩蒸汽制冷点物质作制冷剂的压缩蒸汽制冷低沸点物质汽化潜热较大，制冷能力强低沸点物质汽化潜热较大，制冷能力强2022-4-1966-2 空气压缩制冷循环空气压缩制冷循环 空气压缩制冷装置空气压缩制冷装置1压缩机压缩机冷库冷库冷却水冷却水冷却器冷却器膨胀机膨胀机234压缩机压缩机冷却器冷却器膨胀机膨胀机冷库冷库连接起来构成整个制冷装置连接起来构成整个制冷装置各设

4、备进、出口处的状态标为各设备进、出口处的状态标为压缩机进口压缩机进口 1；压缩机出口压缩机出口 2冷却器进口冷却器进口 2膨胀机进口膨胀机进口 3冷却器出口冷却器出口 3膨胀机出口膨胀机出口 4冷库进口冷库进口 4冷库出口冷库出口 1 装置中的基本设备有：装置中的基本设备有：2022-4-197 空气压缩制冷理论循环空气压缩制冷理论循环 空气压缩制冷装置以空空气压缩制冷装置以空气为制冷剂，气为制冷剂，定温定温吸、放吸、放热过程都难于实现，代之热过程都难于实现，代之以以定压定压过程过程1-2压缩机中绝热（定熵）压缩；压缩机中绝热（定熵）压缩； Pv4213sT12342-3冷却器中定压冷却（至环

5、境温度冷却器中定压冷却（至环境温度T0）；）； 3-4膨胀机中绝热（定熵）膨胀（回收功）；膨胀机中绝热（定熵）膨胀（回收功）； 4-1冷库中定压吸热（升温至冷库额定温度冷库中定压吸热（升温至冷库额定温度Tc） 制冷循环为逆向、耗功循环制冷循环为逆向、耗功循环T0Tc空气压缩制冷循环空气压缩制冷循环循环过程理想化为循环过程理想化为2022-4-198 空气压缩制冷循环的制冷系数空气压缩制冷循环的制冷系数 循环的放热量（排向环境大气）循环的放热量（排向环境大气） 32231hhqq 循环的吸热量（制冷量，取自冷库）循环的吸热量（制冷量，取自冷库） sT123441412hhqq 循环的净功循环的净

6、功 )()()()(4312413221nethhhhhhhhqqw压缩机耗功压缩机耗功膨胀机回收功膨胀机回收功 循环的制冷系数循环的制冷系数 )()(413241212hhhhhhqqqq1=q23q2=q412022-4-1991)1()1(1111412324132TTTTTTTTTT 视空气为定比热容理想气体，有视空气为定比热容理想气体，有 )()()()()()(41324141p32p41pTTTTTTTTcTTcTTc)()(413241hhhhhh2022-4-1910由绝热过程由绝热过程12、34 kkPPTTTT1121243)( 1423TTTTkkTT112 111kk

7、或或 1211211TTTTT1)1 ()1 (1141232TTTTTT1234sTT0TcT1、T2 压缩过程始、末态温度压缩过程始、末态温度 不要与逆卡诺循环中的高、低温热源温度相混淆不要与逆卡诺循环中的高、低温热源温度相混淆 ！2022-4-1911121111TTTkk 在环境温度及额定冷库温度下，在环境温度及额定冷库温度下，即制冷装置的有效工作温度范围为即制冷装置的有效工作温度范围为(Tc,T0)时，相应的时，相应的逆卡诺循环逆卡诺循环12c34c131c0ccTTTTTT由于由于T2 T3 sT1234TcT0 c 对比空气压缩制冷循环对比空气压缩制冷循环有效工作温度范围有效工作

8、温度范围(Tc,T0)内逆卡诺循环内逆卡诺循环的制冷系数大于空气压缩制冷循环的制冷系数大于空气压缩制冷循环2c4c制冷系数为制冷系数为 压缩空气制冷循环与卡诺循环的比较压缩空气制冷循环与卡诺循环的比较2022-4-1912 增压比增压比 对空气压缩制冷循环的影响对空气压缩制冷循环的影响 空气压缩制冷循环的制冷系数空气压缩制冷循环的制冷系数仅取决于增压比仅取决于增压比 111kk增压比增压比 愈大，循环的制冷系数愈大，循环的制冷系数 愈小愈小 与制冷系数的关系与制冷系数的关系1234sTT0Tc 当制冷对象要求温度较低（深度冷冻）当制冷对象要求温度较低（深度冷冻）时，时，T0与与Tc之差较大之差

9、较大 增压比将会很大，循环的制冷系数会很小增压比将会很大，循环的制冷系数会很小2022-4-1913对循环制冷能力的影响对循环制冷能力的影响理论空气压缩制冷循环为理论空气压缩制冷循环为12341制冷能力制冷能力q2如阴影面积所示如阴影面积所示 在环境温度在环境温度T0、 额定的冷库温度额定的冷库温度Tc下下 当增压比当增压比 减小，压气机出口压力由减小，压气机出口压力由P2下降为下降为P2 时时sT1234TcT02 3 4 5 56q2循环过程将变为循环过程将变为12 3 4 1 循环制冷能力循环制冷能力(q2)下降下降 制冷系数的大小与制冷能力的高低是一对矛盾体制冷系数的大小与制冷能力的高

10、低是一对矛盾体 2022-4-1914 空气压缩回热制冷循环空气压缩回热制冷循环空气作为制冷剂的特点空气作为制冷剂的特点 来源丰富、无腐蚀性、无毒来源丰富、无腐蚀性、无毒不怕泄漏这是优点不怕泄漏这是优点 缺点是：压缩空气制冷循环偏离逆卡诺循环较大；缺点是：压缩空气制冷循环偏离逆卡诺循环较大；比热容小，制冷能力不强比热容小，制冷能力不强装置要有一定制冷能力需有较大空气流量装置要有一定制冷能力需有较大空气流量此外，从循环的的制冷系数与制冷能力这对矛盾体看来此外，从循环的的制冷系数与制冷能力这对矛盾体看来,想有理想的制冷系数，要求有更大的流量想有理想的制冷系数，要求有更大的流量 空气压缩制冷循环实行

11、空气压缩制冷循环实行回热回热时可以采用时可以采用透平式压气机透平式压气机装置笨重、庞大，装置笨重、庞大，tc - -50的普冷系统极少采用的普冷系统极少采用装置在气体液化等深冷工程中得到应用装置在气体液化等深冷工程中得到应用2022-4-1915回热式空气压缩制冷循环回热式空气压缩制冷循环1压缩机压缩机冷库冷库冷却水冷却水冷却器冷却器膨胀机膨胀机2 3 4 回热式压缩空气制冷装置回热式压缩空气制冷装置回热器回热器1 5 系统增加一个回热器系统增加一个回热器 从冷库出来的空气从冷库出来的空气1 先进入回热器先进入回热器 被回热至被回热至1 后送入压缩机中后送入压缩机中 压缩至压缩至2 后送入冷却

12、器冷却到状态后送入冷却器冷却到状态5 冷却器出来的空气在回热器中继续冷却至状态冷却器出来的空气在回热器中继续冷却至状态3 然后进入膨胀机中膨胀作功至然后进入膨胀机中膨胀作功至4 低温空气重新进入冷库吸热完成循环低温空气重新进入冷库吸热完成循环 装置工作过程装置工作过程2022-4-19161压缩机压缩机冷库冷库冷却水冷却水冷却器冷却器膨胀机膨胀机2 3 4 回热式压缩空气制冷装置回热式压缩空气制冷装置回热器回热器1 5 在在T0环境中环境中冷库额定温度为冷库额定温度为Tc不带回热时循环为不带回热时循环为12341sT1234TcT01 2 3 5理想回热时理想回热时T1 =T3=T0对两个循环

13、分别有对两个循环分别有空气回热循环应为空气回热循环应为1 2 53 411 T3 =T1=Tc1243TTTT 1 24 3TTTT 221 1 33TTTTTTT2 =T2冷库中过程冷库中过程41并不改变并不改变T3=T0T1=Tc;（亦见图）（亦见图）两式相除两式相除2022-4-1917sT1234TcT01 2 3 5两种循环放热量相同两种循环放热量相同T2 =T2制冷系数制冷系数 相同相同 增压比变小增压比变小 循环制冷量也并未因回热而改变循环制冷量也并未因回热而改变回热的作用在于不降低制冷能力却令增压比有所降低，回热的作用在于不降低制冷能力却令增压比有所降低，这为采用增压比较小的透

14、平式压气机创造了条件这为采用增压比较小的透平式压气机创造了条件2022-4-19186-3 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环 蒸汽压缩制冷装置及其工作过程蒸汽压缩制冷装置及其工作过程5124节流阀节流阀冷库（蒸发器）冷库（蒸发器）压缩机压缩机冷却水冷却水冷凝器冷凝器3 装置由以下列主要设备组成装置由以下列主要设备组成压缩机压缩机 冷凝器冷凝器节流阀节流阀蒸发器蒸发器 装置的工作过程如下：装置的工作过程如下：工质在压缩机中从工质在压缩机中从1压缩至压缩至2 处于处于过热蒸汽过热蒸汽状态的工质进状态的工质进入冷凝器中冷却成入冷凝器中冷却成饱和蒸汽饱和蒸汽3，进而冷凝成为进而冷凝成为饱和液体饱和液体

15、4 制冷剂饱和液用节流阀节流降温降压成为干度很小的制冷剂饱和液用节流阀节流降温降压成为干度很小的湿蒸汽湿蒸汽5 制冷剂在冷库中依靠蒸发吸热制冷，成为制冷剂在冷库中依靠蒸发吸热制冷，成为饱和蒸汽饱和蒸汽1蒸汽压缩制冷装置蒸汽压缩制冷装置2022-4-1919 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环sTT012345Tc蒸汽压缩制冷的工作过程理想化为蒸汽压缩制冷的工作过程理想化为12饱和蒸汽饱和蒸汽绝热绝热压缩成过热蒸汽压缩成过热蒸汽234过热蒸汽过热蒸汽定压定压冷凝成饱和液体冷凝成饱和液体45饱和液体饱和液体节流节流降压降温成湿蒸汽降压降温成湿蒸汽51液相工质液相工质定压定压汽化制冷后成饱和蒸汽完成循

16、环汽化制冷后成饱和蒸汽完成循环 冷凝器中制冷工质用冷却水冷却冷凝器中制冷工质用冷却水冷却T4=T0P2为对应于为对应于T0的饱和蒸汽压的饱和蒸汽压 冷库中制冷工质的温度冷库中制冷工质的温度T5=T1=Tc蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环02022-4-1920sTT012345Tc 制冷工质的定压汽化和凝结过程即制冷工质的定压汽化和凝结过程即定温过程，从热力学意义上说定温过程，从热力学意义上说逆卡诺循环逆卡诺循环73467应可实现应可实现76不过从技术上讲不过从技术上讲7 73两相压缩难于实现两相压缩难于实现4646工质膨胀能力不强，能够回收的功不大；工质膨胀能

17、力不强，能够回收的功不大；湿蒸汽的干度不高，对膨胀机的工作也不利湿蒸汽的干度不高，对膨胀机的工作也不利 工质完成制冷任务后成为干饱和蒸汽，工质完成制冷任务后成为干饱和蒸汽，7 1 1压缩机将饱和蒸汽压缩成过热蒸汽压缩机将饱和蒸汽压缩成过热蒸汽单相压缩单相压缩制冷量增大制冷量增大用用节流阀节流阀取代膨胀机取代膨胀机46 45损失的功不多，损失的功不多，调节温度方便了，系统简化了调节温度方便了，系统简化了蒸汽压缩制冷循环的演变蒸汽压缩制冷循环的演变 蒸汽压缩制冷循环的演变由来蒸汽压缩制冷循环的演变由来2022-4-1921 蒸汽压缩制冷循环的制冷系数蒸汽压缩制冷循环的制冷系数sTT012345Tc

18、蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环循环的吸热量循环的吸热量q2 =q51=h1 h5=h1 h4 循环的放热量循环的放热量q1= q234 =h2 h4循环的制冷系数循环的制冷系数 1241414241212)()(hhhhhhhhhhqqq循环的耗功量循环的耗功量 wnet =(q1 q2) = (h2 h4) (h1 h4) = h2 h1 2022-4-19221241hhhhwnet h2 h1 h1取决于冷库的温度取决于冷库的温度Tc h2和和h4取决于环境温度取决于环境温度T0 一定环境下一定环境下冷库温度要求愈低冷库温度要求愈低制冷系数愈小制冷系数愈小耗功愈大耗功愈大为合理、节约用能，冷库温度应按需要定在适度水平上为合理、节约用能，冷库温度应按需要定在适度水平上sTT012345Tc2022-4-1923例：例：如图所示空气压缩制冷循环，已知如图所示空气压缩制冷循环，已知t3=15，t1= 15，P1 = 0.1MPa，P2=0.4MPa。计算该循环的制冷量。计算该循环的制冷量q2、循环、循环的净功的净功w0，以及制冷系数，以及制冷系数 。设。设cp=1.004 kJ/(kgK)，k=1.4 1234sTT0Tc解：解： 过程过程12、34为绝热过程，有为绝热过程，有 K 39.383)14)(15273()(4 . 114 . 111212k