工程热力学第11章-v3

1第十一章制冷循环Refrigerationcycle11-1概述11-2压缩气体制冷循环11-3压缩蒸气制冷循环11-4制冷剂性质*11-5其他制冷循环11-6热泵循环工程热力学的研究内容1、能量转换的基本定律2、工质的基本性质与热力过程3、热功转换设备、工作原理4、化学热力学基础11-1概况本章主要以制冷循环为研究对象，分析循环特点，各参数的变化关系，计算热量、功量和效率。动力循环与制冷（热泵)循环•制冷(热泵)循环输入功量（或其他代价），从低温热源取热，向高温热源供热•动力循环输入热,通过循环输出功—正循环—逆循环制冷循环和制冷系数CoefficientofPerformance2COPqwT0环境逆卡诺循环222C1202qqTwqqTTq1q2wTsT2T00211TTT0不变,T2εCT2不变,T0εC深冷1普冷1热泵循环和供热系数CoefficientofPerformance1COP'qw逆卡诺循环'1111210CqqTwqqTTwTsT2T00111TTT1不变,T0εCT0不变,T1εCT1制冷能力和冷吨生产中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取走的热量(kJ/s)。商业上常用冷吨来表示。1冷吨：1吨0°C饱和水在24小时内被冷冻到0°C的冰所需冷量。水的凝结（熔化）热r=334kJ/kg1冷吨=3.86kJ/s1美国冷吨=3.517kJ/s吨的含义：国际单位指1000kg，美国和英国是指2000磅制冷循环种类空气压缩制冷压缩制冷蒸气压缩制冷吸收式制冷制冷循环吸附式制冷蒸汽喷射制冷半导体制冷热声制冷√√√911-2压缩气体制冷循环一、压缩气体制冷循环（Gas-compressionrefrigerationcycle）12绝热压缩23等压冷却34绝热膨胀41等压吸热sspp10制冷系数（thecoefficientofperformanceCOP）321hhq定比热（invariablespecificheatcapacity）143112TTTTCCnet1CqqwqqC14qhhnet21342314whhhhhhhhCnetqw413241TTTTTT121111TTT142314hhhhhh循环制冷量11讨论：1）C1c0C21TTTTTT相同温度的T0和TC2）,CqT1不变T2增大12导出以空气为工质的斯特林制冷机的工作系数。解：net12341C34Cg2lncvqTsTRv11g0gC22lnlnvvRTRTvv1g0C2lnvRTTvCCcnet0CqTwTTA361255返回空气压缩制冷循环的特点优点：工质无毒，无味，不怕泄漏。缺点：气体（空气）cp很小，1.无法实现T吸、放热，C2.q2=cp(T1-T4)，(T1-T4)不能太大，q2很小。若(T1-T4)3.活塞式压缩流量m小，制冷量Q2=mq2小可使用叶轮式压缩，加上回热14二、回热式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。15回热后：阴影面积12nm1=面积45gk4从冷库吸热不变qc=面积1mg61向环境放热不变q1=面积34kn3=面积3’5’gm3’ε相等π下降例回热循环优点:（1）同样制冷系数下，增压比下降，这为采用大流量的叶轮式压气机和膨胀机提供可能；（2）增压比减小，使压缩过程和膨胀过程的不可逆损失的影响减小。16例11－1压缩空气制冷循环空气进入压气机时的状态为p1=0.1MPa，t1=-20℃，在压气机内定熵压缩到p2=0.5MPa，进入冷却器。离开冷却器时空气的温度为t3=20℃。若tC=-20℃，t0=20℃，空气视为定比热容的理想气体，κ=1.4。试求：(1)无回热时的制冷系数及1kg空气的制冷量；(2)若ε保持不变而采用回热，理想情况下压缩比是多少?解：(1)无回热1C30253.15K293.15KTTTT210.5MPa50.1MPapp1/322114TTpTpT1.4111.421253.15K5401.13KTT1.4111.443293.15K5185.01KTT17压缩机耗功C2121()1.005kJ/(kgK)(401.13253.15)K148.72kJ/kgpwhhcTT膨胀机作出的功T3434()1.005kJ/(kgK)(293.15185.01)K108.68kJ/kgpwhhcTT空气在冷却器中放热量02323()1.005kJ/(kgK)(401.13293.15)K108.52kJ/kgpqhhcTT1kg空气在冷库中的吸热量即为1kg空气的制冷量C1414()1.005kJ/(kgK)(253.15185.01)K68.48kJ/kgpqhhcTT循环的净功netcT148.72kJ/kg108.68kJ/kg40.04kJ/kg18循环的净热量net0C108.52kJ/kg68.48kJ/kg40.04kJ/kgqqq循环的制冷系数cnet68.48kJ/kg1.7140.04kJ/kgqw(2)有回热时的压力比3'2401.13K293.15KTT113322RTpTp/1/11.4/1.4133'20401.13K3.0293.15KRTTTT同样冷库温度和环境温度条件下逆向卡诺循环的制冷系数是6.33，远大于本例计算值，这是由于压缩空气制冷循环中定压吸、排热偏离定温吸、排热甚远之故，但这是工质性质决定了的。R压力比减小，对使用叶轮式机械有利。空气压缩制冷的根本缺陷1.无法实现T吸放热，低，经济性差2.q2=cp(T1-T4)小，制冷能力q2很小。汽化潜热大，制冷能力可能大蒸气在两相区易实现T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、氨沸点：(1)sTpatm水100°CR22-40.8°CR134aTHR01-26.1°C-30.18°C11-3压缩蒸气制冷循环（Thevapor-compressioncycle）21一、设备流程及T-s图压缩蒸气制冷循环Ts1234567比较逆卡诺循环3467c73湿蒸气压缩“液击”现象12既安全，又增加单位质量工质的制冷量71逆卡诺实际节流阀代替了膨胀机??节流阀代替膨胀机分析Ts12345682.少从冷库取走热量5646hhhh优点：46hh1.损失功量4868()hhhhab面积a84ba面积a86ba面积8468缺点：1.省掉膨胀机，简化设备2.控制膨胀阀开度，易调节蒸发温度84越陡越好利弊24二、制冷系数εC1514qhhhh421hhqnet21whh1241hhhh1241TTTT三、状态参数确定1.T-s图和logp-h图Cnetqw两个等压过程，热与功均与焓有关lnp-h图lnp-h图及计算Ts12345lnph123452q1qw21514qhhhh124qhh21421qhhwhh26lnp-h图27氨的lnp-h图28某压缩蒸汽制冷装置用氨作制冷剂，制冷率105kJ/h若已知冷凝温度为27℃，蒸发温度为-5℃，试求：制冷剂的质量流量；压缩机功率及增压比；冷凝器放热量及循环制冷系数。A46616629解：查logp-h图，确定4511422450kJ/kg0.35MPa1570kJ/kg1.1MPa1770kJ/kghhphpph151570kJ/kg450kJ/kg1120kJ/kgcqhh210.0248kg/s17701570kJ/kg4.96kWmPqhhC5C110kJ/h0.0248kg/s36001120kJ/sQmqqq1420.0248kg/s4501770kJ/kg32.7kWQmqqhhC5110kJ/h5.636004.96kWQqP返回四、实际压缩蒸气制冷循环过程、过冷措施215'qhh214'21qhhwhh21whh不变124'qhh工程上常用3111-4制冷剂(Refrigerants)的性质一、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，蒸发器中稍大于大气压，冷凝器中不太高；2.汽化潜热大；3.沸点低（tb10ºC），临界温度应高于环境温度，三相点低于制冷循环下限温度；4.蒸汽比体积小，导热系数大；5.上、下界限线（在T-s图）陡峭，使冷凝更接近定温放热及减少节流引起制冷能力损失。32二、制冷剂其他性质1.对环境友善；2.安全无毒；3.溶油性好，化学稳定性好，等等。三、常见制冷剂--蒙特利尔协定书氨（NH3）氟里昂CFC12(R12)、CFC11(R11)、HCFC22(R22)含氢氟代烃物质（HCFC134a）制冷剂的命名CmHxFyClzR(m-1)(x+1)y例：R12—CF2Cl2氯氟烃CFFClClR22—CHF2ClH90+nR12=102CHF制冷剂的命名R134a—C2H2F4Cl2CFFHCHFFR134R134aFFHCHFFC同素异构体混合物制冷剂的命名R400R600R500非共沸混合物共沸混合物HCR700其它氨R717R744CO2R718水甲烷丁烷ASHRAEAmericanSocietyofHeating,RefrigeratingAir-ConditioningEngineers3611-6热泵循环(heatpump)一、简介与制冷循环差别在于，热泵工作时环境为低温热源T0T0房间供暖化工温度提升节能37二、供热系数net22netnet'11wqqww工业锅炉：B0.7电厂热效率：t0.35热泵供暖系数：3'B0.7aaQQQt'1.05aaQQQ热泵lnp-h图及计算Ts12345lnph123452q1qw21514qhhhh124qhh12421'qhhwhh39华北某市热电厂排出水温30℃以上，余热量,如以热泵回收，能满足1千万m2建筑物采暖，一年节煤100万吨。93.410kJ/h使用限制：1.ε’与TR-T0反比，所以北方T0低ε’比较小2.制冷、供暖联合运行对工质性质要求较高3.环境热源空气、水、土壤分别存在λ小、凝固、腐蚀等三、热泵供暖下一章