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1、*第十二章 制冷循环 1 第十二章第十二章 制冷循环制冷循环 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 *第十二章 制冷循环 2 1212- -1 1 逆向卡诺循环逆向卡诺循环 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
2、中消耗的净功： *第十二章 制冷循环 3 制冷系数制冷系数( (制冷性能系数制冷性能系数) ) 可见，当T1const，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。 *第十二章 制冷循环 4 1212- -2 2 空气压缩制冷循环空气压缩制冷循环 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
3、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。 *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 *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。 *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
4、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
5、 装置在深度冷冻及气体液化中得到 应用。 *第十二章 制冷循环 8 1212- -3 3 蒸气压缩制冷循环蒸气压缩制冷循环 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
6、很大，膨胀机工作条件 很差。 *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 *第十二章 制冷循环 10 蒸气压缩循环的制冷系数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
7、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。 *第十二章 制冷循环 11 lnlnp p- -h h线图线图 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)
8、 ； 4点：过3点的定焓线与蒸发温度线的交点 。 *第十二章 制冷循环 12 多级蒸气压缩制冷循环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。 *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：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
9、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)。 *第十二章 制冷循环 14 两级压气机的吸气质量的差异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。
10、 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 。 *第十二章 制冷循环 15 复叠式制冷循环复叠式制冷循环 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
11、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。 *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=58K。 *第十二章 制冷循环 17 1212- -4 4 蒸汽喷射制冷循环及吸收式制冷装置蒸汽喷射制冷
12、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
13、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。 *第十二章 制冷循环 18 热量利用系数热量利用系数 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
14、装置来获得220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。 *第十二章 制冷循环 19 吸收式制冷装置吸收式制冷装置 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
15、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。 *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。 *第十二章 制冷循环 21 1212- -5 5 热泵循环热泵循环 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
