第10章 制冷循环

第10章制冷循环制冷循环概述制冷循环热泵循环逆向循环制冷循环：从低温热源不断取走热量，以维持其低温状态热泵循环：向高温热源不断提供热量，以维持其高温状态制冷循环与热泵循环的原理相同，都是动力循环的逆循环，区别仅在于目的不同第10章制冷循环制冷循环概述Qciso00cSSSiso00cSSS确保第10章制冷循环制冷循环概述：经济性指标制冷系数：2212RnetqqCOPwqq212RTCOPTT卡诺循环一般循环供热系数：11121HRnetqqCOPCOPwqq112HTCOPTT卡诺循环一般循环4第10章制冷循环第一节空气压缩制冷循环原理将常温下较高压力的空气进行绝热膨胀，获得低温低压空气。工作过程低温低压空气(工质/制冷剂)在盘管中定压吸热→压缩机中绝热压缩→冷却器中被冷却→压缩空气在膨胀机中绝热膨胀→换热器盘管中定压吸热，降低冷室温度5空气压缩制冷式循环P-v、t-s图1→2：空气在压缩机内定熵压缩过程2→3：空气在冷却器中定压放热过程3→4：空气在膨胀机中定熵膨胀4→1：空气在冷室换热器中定压吸热第10章制冷循环第一节空气压缩制冷循环制冷系数工质从低温热源吸热：214qhh工质向高温热源放热：123qhh循环的耗功量：12netwqq第10章制冷循环第一节空气压缩制冷循环制冷系数循环的制冷系数：2212141423142314112121()()()()1()1RnetqqCOPwqqhhTThhhhTTTTTTTpp讨论:（p2/p1）↑则COP↑第10章制冷循环第一节空气压缩制冷循环制冷系数与逆卡诺循环（冷室温度和冷却水温度范围内）制冷系数的比较：121RTCOPTT一般循环：131RTCOPTT卡诺循环：讨论:从T-s图中可以看出，卡诺循环耗功量小，且制冷量大第10章制冷循环第一节空气压缩制冷循环特点：优点空气容易获取，且制冷剂对环境无污染缺点空气比热容较低，导致单位工质制冷量偏小为了满足制冷量，需要采用较大的设备10空气回热压缩制冷循环空气/制冷剂在冷藏室中定压吸热→进入回热器加热升温→压气机中绝热压缩，升温、升压→冷却器中定压放热→进入回热器进一步冷却→膨胀机定熵膨胀，降压、降温→冷藏室中定压吸热11空气回热压缩制冷循环理想情况下，空气在回热器中放热量（5-3’）等于被预热空气的吸热量（1-1’）,S53’675=S11’981。与没有回热的空气压缩制冷循环相比，最显著的优点是单位质量工质的制冷量和向环境放热量都相同时，循环压力比降低，从而提供了采用低压力比大流量叶轮式压气机和膨胀机的条件，使总制冷量得以提高。12第10章制冷循环第二节蒸汽压缩制冷循环空气压缩制冷循环的两个缺点：1、不能实现定温吸热、排热过程，使循环偏离了逆向卡诺循环而降低了经济性2、空气的定压比热容较小，单位质量工质的制冷量也较小因此：需要寻找一种制冷剂，在循环中可以实现定温吸、放热特性13第二节蒸汽压缩制冷循环采用沸点低的工质，利用其定温定压下液化和气化的相变性质，可以实现定温定压吸热或放热过程，克服空气压缩制冷循环的缺点，原则上实现逆卡诺循环1’-3-4-8-1’。14第二节蒸汽压缩制冷循环逆卡诺循环的缺点：1、循环中1’处状态为两相区，干度小，不利于压缩2、循环中采用膨胀机，其设备较复杂15实际上采用的蒸气压缩制冷循环为1-2-3-4-5-1。1-2：由蒸发器出来的制冷剂的干饱和空气被吸入压缩机，绝热压缩为过热蒸气；2-3-4：蒸气在冷凝器中定压冷却成饱和液体；实际压缩式制冷循环4-5：饱和液体经节流阀绝热节流降压降温为低干度湿蒸气；5-1：湿蒸气引入蒸发器，定压定温下吸热气化为干饱和蒸气。16制冷量：制冷循环能量分析及制冷系数021whh124qhh215qhh实际蒸气压缩制冷循环制冷系数为则消耗的循环净功15121hhhh210qw冷凝放热量：制冷剂质量流量：1124Qmqmhh22/mQq.0/3600Wmw压缩机所需功率：冷凝器热负荷：制冷装置冷负荷17制冷剂的压焓图（lgp-h）以制冷剂焓为横坐标，压力为纵坐标，压力采用对数分格。对于蒸气压缩式制冷循环：1-2：压缩机中的绝热压缩过程；2-3-4：冷凝器中的定压冷却过程4-5：膨胀阀中的绝热节流过程；5-1：蒸发器中定压蒸发过程如果饱和液体受到过冷，过冷器中进行的过程为定压冷却过程4-4’，节流过程为4’-5’，蒸发过程为5’-5-1。181920影响制冷系数的主要因素降低制冷剂冷凝温度（热源温度）和提高蒸发温度（冷源温度）均可使制冷系数增加。1.冷凝温度比较原有循环1-2-3-4-5-1与降低冷凝温度后的新循环1-2’-3’-4’-5’-1。新循环减少了压缩机消耗的功（h2-h2’），同时增加了制冷量（h5-h5’）。冷凝温度的高低取决于冷却介质的温度，但冷却介质的温度不能任意降低，受环境温度的限制。21影响制冷系数的主要因素2.蒸发温度比较原有循环1-2-3-4-5-1与提高蒸发温度后的新循环1’-2-3-4-5’-1’。新循环减少了压缩机消耗的功（h1’-h1），同时增加了制冷量（h1-h5’）-（h1-h5）。若通过冷凝器后制冷剂继续冷却成为过冷液体，压缩机耗功未变，制冷量增大了（h5-h5’）3.制冷剂过冷温度22制冷剂的热力学性质（1）制冷剂饱和温度要低，一般低于-10℃。（2）蒸发温度对应得饱和压力不应过低，冷凝温度所对应的饱和压力不宜过高；（3）工作温度范围内，气化潜热值要大；（4）液体比热要小，以减少应节流而损失的功和制冷量；损失为：h5-h4’=h4-h4’=(h4-h5’)-(h4’-h5’)=S5’4765’-S5’4’765’=S5’44’5’（5）临界温度应远高于环境温度；（6）凝固点要低，以免低温下凝固而阻塞管路23第10章制冷循环第三节吸收式制冷循环压缩式制冷循环的特点：消耗功量为补偿，将热量从低温物体转移到高温物体吸收式制冷循环的特点：消耗热能为补偿，将热量从低温物体转移到高温物体压缩式制冷循环吸收式制冷循环24第三节吸收式制冷循环工质：二元溶液，由沸点相差较大的物质组成，其中沸点低的物质作为制冷剂，沸点高的物质作为吸收剂制冷原理：制冷剂液体气化吸热驱动原理：热能驱动，吸收器、发生器、溶液泵及减压阀替代压缩机吸收式制冷循环概述工作原理：热能转化为热能系统循环：制冷剂循环+溶液循环，溶液循环相当于压缩机的功能二元溶液种类：氨水溶液，氨为制冷剂（-45~1℃）溴化锂溶液，水为制冷剂（0℃以上）25第三节吸收式制冷循环工作过程：低温低压制冷剂蒸汽加热加压定压放热液化低干度低温低压制冷剂湿蒸汽绝热节流膨胀阀溶液循环冷凝器高温高压制冷剂蒸汽制冷剂液体定压加热气化蒸发器低温低压制冷剂蒸汽26工作过程：低温低压制冷剂蒸汽加热加压定压放热液化低干度低温低压制冷剂湿蒸汽绝热节流膨胀阀溶液循环冷凝器高温高压制冷剂蒸汽制冷剂液体定压加热气化蒸发器低温低压制冷剂蒸汽溶液循环（实现制冷剂的加压）制冷剂稀溶液制冷剂溶解放热吸热析出制冷剂吸收器发生器制冷剂浓溶液低温低压制冷剂蒸汽高温高压制冷剂蒸汽制冷剂稀溶液水泵27第三节吸收式制冷循环热能利用系数（制冷循环的效率）：制冷剂循环的制冷效率（将溶液循环假想为一个压缩机）：212sQQQ溶液循环的热效率（将制冷剂吸收、发生过程假想为热能转化为功的过程）：11sQQQ21QQ2sQQ可视为耗功量21ssQQQQ可视为做功量因此：28第三节吸收式制冷循环热能利用系数（制冷循环的效率）：若制冷循环与溶液循环均为卡诺循环，则热能利用系数为：1221211ssQQQQQQQQ121,211212()()scccsssTTTTTTTTTTTT讨论:各温度参数的影响:T1↑、T2↑、T1s↓则εc↑29第三节吸收式制冷循环吸收式制冷的优缺点：优点：可以利用较低温度的热能，如工业余热或太阳能，对综合利用热能有实际意义缺点：笨重30第五节热泵热泵：消耗一部分高位能为补偿，将环境中贮存的不能直接利用的地位能转化为可以利用的高位能。热泵从自然环境中吸取热量/冷量，并输送到需要温度较高/较低的物体中去。31热泵循环的经济性热泵循环的经济性以消耗单位功量所得到的供热量来衡量，为供热系数10qwq1—热泵的供热量（kJ/kg）w0—热泵消耗的功量（kJ/kg）热泵循环向供暖房间供热量q1为：12024234682qqwhhS20121001qwqww210qw供热系数与制冷系数关系制冷系数故供热系数32讨论热泵节约了高位能而有效利用了低水平的热能，优于点采暖。可以使用同一套装置在夏季作为制冷机用于空调，冬季作为热泵用来供热。热泵初投资较高，运行节能省钱，COP值较高。热泵按低位热源种类分为：空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵、太阳能热泵。