第十一章 制冷循环

第十一章制冷循环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环境教学目标：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。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。

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，必须消耗能量。制冷循环中所用的在低温下吸热和高温下排热的工作物质(简称工质)称为制冷剂。制冷循环和热泵都是消耗外功或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，热泵的目的是获得高温。高温热源制冷

装置/

热泵低温热源放热q1做功ωnet吸热q2工作过程消耗功，获得热。

复习！逆向循环w0w0q1q2w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。消耗的功用于将热量由低温物体传向高温物体。1423T1T2TsT0制冷循环热泵循环制冷量q2耗净功w0耗净功w0吸热量q2供热量q13.制冷循环与热泵循环的比较sT11-1概况在T0～TC之间的制冷循环中，逆向卡诺循环的制冷系数最大。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。一、制冷循环的经济性评价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。制冷系数=制冷量循环耗净功制冷循环类型压缩式制冷循环压缩气体制冷压缩蒸气制冷吸收式制冷循环吸附式制冷循环蒸气喷射制冷循环半导体制冷

常见制冷剂：氨（NH3）氟里昂（氯氟烃，含氢氯氟烃）：CFC12(R12)、CFC11(R11)HCFC22(R22)含氢氟代烃物质：（HCFC134a）√热声制冷11-2压缩空气制冷循环一、压缩空气制冷循环压气机qcq01234冷库冷却器膨胀机

右图是简单的压缩空气制冷循环装置流程图。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。图11-1压缩空气制冷循环装置流程图水冷风冷大型冷凝器*循环中几种未介绍过的设备节流阀冷库中用到的几种蒸发器压气机膨胀机冷却器冷藏室COLDmediumatTLq1q2winwout4123一、空气压缩制冷循环过程描述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。图11-2压缩空气制冷循环状态参数图3vo142p44`s1`o3T21定压放热定压加热绝热膨胀绝热压缩T0Tc空气压缩制冷循环过程1→2：绝热压缩p↑,T2↑>T0，压气机耗功WC2→3：等压冷却T3↓=T0，向环境放热q03→4：绝热膨胀T4↓<Tc，膨胀机作功WT4→1：等压吸热T1↑=Tc，自冷库吸热qC3vo142p44`s1`o3T20T1cT布雷顿循环的逆循环制冷系数: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。把空气理想化成定比热容的理想气体,则有：9`44`s1`o3T20T71cT9658空气压缩制冷循环特点优点：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<C2.q2=cp(T1-T4)，空气cp很小，(T1-T4)不能太大，制冷量q2

很小。若(T1-T4)3.活塞式流量m小，制冷量Q2=mq2小。大流量叶轮式压气机和膨胀机+回热！实际上很少应用，除了飞机机舱的开式压缩空气制冷。π二、回热式空气制冷循环

膨胀机冷却水冷却器回热器压气机冷库456231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替一部分绝热压缩过程，从而降低增压比。回热器就是一个换热器,空气在其中的放热量(过程4-5)等于被预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（理论上可以达到高温热源温度T2），随后进入回热器进一步降温至T5（等于冷库温度TC），接着进入叶轮式膨胀机实现定熵绝热膨胀，降压、降温至T6、p6，最后进入冷库实现定压吸热过程，升温到T1，完成理想回热循环1-2-3-4-5-6-1。gkm065`53`4312nsTT0TcTmax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）。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吸收的热量；由于面积34kn3等于面积3`5`gm3`，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。而叶轮式压气机及膨胀机可提供大流量的空气，这样循环既有较高的制冷系数，又有较大的制冷量。gkm065`53`4312nsTT0TcTmax图11-4回热式压缩空气制冷循环T-s图注意，同温限的吸热量和放热量相等。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。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。gkm065`53`4312nsTT0TcTmax图11-4回热式压缩空气制冷循环T-s图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↓。回热式空气制冷循环的优点在于：例A46127711-3压缩蒸气制冷循环图11-5压缩蒸气制冷装置流程图冷库（蒸发器）q2压气机q1w冷凝器节流阀1234压缩空气制冷循环2个缺点：偏离逆向卡诺循环的等温过程；空气的定压比热容小→q2也小。压缩蒸汽制冷循环，2个特点：湿蒸汽区的定压即等温；蒸汽定压比热容比空气大。水能用否？--0°C以下凝固不能流动。一般用低沸点工质，如氟利昂、氨一、压缩蒸汽制冷循环原理压缩机膨胀阀1234冷凝器

蒸发器q2q1汽-水分离器11-3压缩蒸气制冷循环图11-5压缩蒸气制冷装置流程图蒸发器q2压缩机q1w冷凝器节流阀12341-2:制冷剂在压缩机中的绝热压缩过程2-3:制冷剂在冷凝器中的定压放热过程3-4:制冷剂在膨胀阀中的绝热节流过程4-1:制冷剂在蒸发器中的定压定温气化过程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，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，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1-2-3-4-5-1。088’0’6’5’7’1’s1TcT052T4367图11-6压缩蒸气制冷循环T-s图其工作过程为：从冷库（蒸发器）出来的工质状态为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，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，再经节流阀作绝热节流，降温、降压至饱和湿蒸汽状态5，最后进入冷库中的蒸发器，实现定压蒸发吸热过程5-1，回到状态1完成循环。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。088’0’6’5’7’1’s1TcT052T4367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压缩机绝热压缩的比轴功就是循环比净功：其制冷系数：088’0’6’5’7’1’s1TcT052T4367图11-6压缩蒸气制冷循环T-s图

制冷循环过程量（功和热）的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：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过程定压），可以将压缩蒸气制冷循环在图上表示出来。lgp12345p2p1hsC.P.0TcT0T2压缩蒸气制冷循环的lgp-h图图11-7lgp-h图29TcT0s1T052T432slgp12s345p2p1hsC.P.0TcT0T22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。实际压缩蒸气制冷循环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。T1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。4’lgp12s345p2p1hsC.P.0TcT0T225’TcT0s1T052T432s4’5’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。T1

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

,冷凝器中的冷凝温度，制冷剂的质量流量，环境温度,求：（1）循环的制冷系数；（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。例11-2P355lgp12s345p2p1hsC.P.0TcT0T22

（1）制冷系数状态

1是的饱和干蒸气，由从HFC134a的饱和性质表（附表11

）中查得：

同理，由及查得：

由p2

值和，从HFC134a的过热蒸气表（附表14）经插值求得，

故压气机耗功解：每千克工质的制冷量

“冷吨”是工程上常用的制冷量单位，它表示1吨0℃的饱和水在24小时内冷冻为0℃的冰所需要的

制冷量，相当于3.86kJ/s（[美]3.51kJ/s）。（2）总制冷量制冷系数为（3）电动机功率

（4）节流过程的作功能力损失由及，在lg

p–h图上查得:。

因节流过程4–5为绝热稳定流动过程，所以熵产及作功能力损失分别为:

（5）火用效率由题意，，循环制冷量qc中的冷量火用为所以循环火用效率为11-4制冷剂的性质（1）对于装置的工作温度，要有适中的压力；（2）在工作温度下汽化潜热要大；（3）临界温度应高于环境温度；（4）制冷剂在T-s图的上下界限要陡峭；（5）工质三相点温度要低于制冷循环的下限温度；（6）蒸气的比体积要小，工质的传热性要好。常用的制冷剂有氨和氟里昂。对制冷剂热力性质的要求：088’0’6’5’7’1’s1TcT052T4367其它性能要求氟里昂是饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物之总称。最早使用的是R12，以后使用范围迅速扩大。许多氟里昂物质，尤其是氯氟烃（碳氢化合物的氟、氯完全衍生物）在物理、化学性质上又有许多共同的优点（如无毒、无燃爆危险、不腐蚀金属、热稳定性与化学稳定性好等），便于实用。已经成熟使用的氟里昂制冷剂以氯氟烃类物质为主（如R11，R12，R114，R115等），还有某些不完全卤代烃（如R22）以及氟里昂制冷剂的混合物（如R500，R502，R503等）。1974年发现大气臭氧层破坏的化学机制。到80年代，科学确认了氯氟烃是引起臭氧层破坏和温室效应的危害物质。1987年在加拿大蒙特利尔（Montreal）联合国环境保护计划会议签署了"关于臭氧层衰减物质的蒙特利尔协定"。该协定规定了限制和禁止生产对臭氧层破坏作用大的物质，R11，R12，R113，R114，R115，R12B1，R13B1和R114B2是首批受禁物质，到21世纪完全停止生产。R22的环境破坏相对小一些，但最终也将被禁止。目前新制冷剂的开发、研究和应用正在进行中，较明朗化的趋势是：高温制冷剂用R123，中温制冷剂用R134a和R152a，低温制冷剂用R23。环境友善、安全无毒、溶油性好、化学/热力性质稳定、价格便宜、与密封材料有较好的相容性。*《蒙特利尔议定书》1974年两位美国科学家发现CFC和HCFC物质进入大气后对大气同温层中的臭氧层产生严重的破坏作用,使臭氧的浓度减小，大大削弱了对紫外线B的吸收能力，使大量紫外线B直接照射到地球表面，导致人体免疫功能下降，农、畜、水产品减产，破坏生态平衡，并且还会加剧温室效应。全球几十个国家共同制订了保护臭氧层的《蒙特利尔议定书》。我国政府于1991年6月提出参加并于1992年8月起正式成为该协议书的缔约国。按协议书的规定，我国将在2010年前禁止使用与生产CFC物质。研究表明HCFC134a很有希望成为CFC12替代物。由于不含氯原子，因而不会破坏臭氧层，对温室效应的影响也仅为CFC12的30%左右。它的正常沸点和蒸汽压曲线与CFC12的十分接近，热工性能也接近CFE12。膨胀阀阀门泵加热

蒸发器冷凝器氨吸收式制冷原理图

蒸发器Q2吸收器Q1QQ1’“压缩机”—制冷剂(氨)—吸收剂（水）*11-5其它制冷循环一、吸收式制冷循环膨胀阀阀门泵加热

蒸发器冷凝器

蒸发器Q2吸收器Q1QQ1’“压缩机”利用溶液性质压缩制冷循环以消耗机械功为代价吸收式制冷以消耗热量为代价溶液

=溶剂

+溶质溶液T溶液T溶剂吸收溶质的能力溶剂吸收溶质的能力溶液浓度溶液浓度氨（溶质）

+水（溶剂）溶液溴化锂（溶剂）

+水（溶质）溶液

泵冷凝器蒸汽锅炉1014267喷管混合室膨胀阀98蒸发器扩压管Q2QQ1“压缩机”二、喷射式制冷循环蒸汽喷射制冷循环示意图冷库15342768Ts蒸汽喷射制冷T－s图装置工作循环可分成两个循环

制冷蒸汽循环673456

工作蒸汽循环6812456总循环每kg制冷量q2=q7-3=h3-h7每kg冷凝器放出热量

q冷=q5-6=h6-h5

每kg工作蒸汽吸热量

q1=q8-1=h1-h8能量利用系数11-6热泵循环评价其循环经济性能的指标为供暖系数。

热泵循环和制冷循环的热力学原理相同，但它主要目的在于向高温物系提供热量。

热泵经合理设计，可轮流用来制冷和供暖。夏季作制冷机用于空调。冬季作热泵用来供暖。（目前的冷-热风机按加热方式可分为电热型和热泵型两种。）（12-4）供暖系统示意图房屋蒸发器冷凝器膨胀阀压缩机Q2WinQ1制冷系统示意图房屋蒸发器冷凝器膨胀阀压缩机Q１WinQ２气┃气转换式热泵系统图转换阀膨胀阀制冷系统热泵系统压缩机

换热器室外室内

换热器主要供暖方式热用户燃煤、燃气锅炉集中供热直接电采暖（蓄热锅炉、地板辐射、电热膜）热泵（空气源、水源）能量利用系数直接电100%电厂发电33%损失67%房间33%锅炉100%锅炉效率70%房间70%损失30%热泵热泵100%电厂发电33%损失67%66%房间99%COP=3例2某制冷机以氨为制冷剂,冷凝温度为38℃,蒸发温度为-10℃,冷负荷为100×104KJ/h。试计算制冷剂流量、压缩机所消耗功量和制冷系数。解：查lgP-h图p1=0.29MPa,p2=1.5MPa;h1=1450kJ/kg,h2=1690kJ/kg,h4=h5=370kJ/kg.制冷剂流量q2=h1-h5=1450-370=1080kJ/kgm=Q2/q2=1000000/1080=925.93kg/h压缩机功率w0=h2-h1=1690-1450=240kJ/kgP=mw0/3600=61.73kW制冷系数ε1=q2/w0=1080/240=4.5本章作业第十一章11-1、2、3、6、13、15pp.36411-112-1一制冷机在-20℃和30℃的热源间工作，若其吸热为10kW，循环制冷系数是同温度限间逆向卡诺循环的75%，试计算：（1）散热量；（2）循环净耗功量；（3）循环制冷量折合多少“冷吨”？解：在-20℃和30℃间逆向卡诺循环制冷系数实际循环制冷系数（1）散热量（2）净功（3）折合冷吨（3）改作热泵循环（2）*11-2一逆向卡诺制冷循环，其性能系数为4，问高温热源与低温热源温度之比多少？若输入功率为1.5kW。试问制冷量为多少“冷吨”？如果将此系统改作热泵循环，高、低温热源温度及输入功率维持不变。试求循环的性能系数及能提供的热量。解：（1）

考点是对（逆向）循环性能系数的掌握，这是一个基本点。制冷和热泵系数定义有一定区别，关键记住是收益/成本。11-3压缩空气制冷循环运行温度TC=290K，T0=300K，如果循环增压比分别为3和6，分别计算它们的循环性能系数和每kg工质的制冷量。假定空气为理想气体，此热容取定值cp=1.005kJ/(kg⋅K)、κ=1.4。解：制冷量制冷量4so3T2T01TC96578p2p1循环增压比↓，制冷系数↑，制冷量↓11-6某采用理想回热的压缩气体制冷装置，工质为某种理想气体，循环增压比为π=5，冷库温度Tc=−40℃，环境温度为300K，若输入功率为3kW，试计算：（1）循环制冷量；（2）循环制冷量系数；（3）若循环制冷系数及制冷量不变，但不用回热措施。此时，循环的增压此应该是多少？该气体热可取定值，cp=0.85kJ/(kg⋅K)、κ=1.3。解：T5=T1=TC=−40℃=233.15K11-13某热泵装置用氨为工质，设蒸发器中氨的温度为-10℃，进入压缩机时蒸汽的干度为x1=0.95，冷凝器中饱和氨的温度为35℃。求：（1）工质在蒸发器中吸收的热量q2，在冷凝器中的散向室内大气的热量q1和循环供暖系数ε；(2)设该装置每小时向室内大气供热量Q1=8×104kJ，求用以带动该该热泵的最小功率是多少？若改用电炉供热，则电炉功率应是多少？两者比较，可得出什么样的结论？解：查NH3热力性质表，t=−10℃时,h′=134.41kJ/kg、h‘’=1430.8kJ/kg；s′=0.5408kJ/(kg⋅K)、s‘’=5.4673kJ/(kg⋅K)h1=xh‘’+(1−x)h′=0.95×1430.8kJ/kg+(1−0.95)×134.4