工程热力学--13 制冷循环

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1、113-4 制冷剂的热力性质13-4 制冷剂的热力性质1、制冷剂热力性质的要求1、制冷剂热力性质的要求1）对应于大气温度的饱和压力不要太高，以降低压气机成 本和对设备强度、密封方面的要求。2）对应于冷库温度的压力不要太低，最好稍高于大气压力, 以免为维持真空度而引起麻烦。3）在冷库温度下的汽化潜热要大，以使单位质量的制冷剂 具有较大的制冷能力。4）液体比热容要小。在温熵图中的饱和液体线要陡，这样 就可以见效因节流而损失的功和制冷量。1）对应于大气温度的饱和压力不要太高，以降低压气机成 本和对设备强度、密封方面的要求。2）对应于冷库温度的压力不要太低，最好稍高于大气压力, 以免为维持真空度而引起

2、麻烦。3）在冷库温度下的汽化潜热要大，以使单位质量的制冷剂 具有较大的制冷能力。4）液体比热容要小。在温熵图中的饱和液体线要陡，这样 就可以见效因节流而损失的功和制冷量。节流过程引起的功和制冷量的损失 h4- h4 = h3 - h4 = (h3 - h5) - (h4 - h5) = 面积 53765 面积 54765 = 面积 5345饱和液体线愈陡, 则面积5345 愈小, 节流过程引起的 功和制冷量的损 失也就愈小。5）临界温度要显著高于大气温度，以免循环在 近临界区进行，不能更多地利用定温放热而 引制冷能力和制冷系数的下降。6）凝固点应低于冷库温度，以免制冷剂在工作 过程中凝固。7）

3、每单位容积的制冷能力大些，以便减小装置 尺寸。8）传热性能良好，使换热器更紧凑；9）不溶于油，以免影响润滑；10）有一定的吸水性，以免因析出水分而在节流降 温后产生冰塞；11）不易分解变质、不腐蚀设备、不易燃、对人体 和环境无害、价格低廉、来源充足。2、两种常用的制冷剂及其比较氨优点：汽化潜热大、工作压力适中、几乎不溶 于油、吸水性强、价格低廉、来源充足, 应用较多。缺点：对人体有刺激性、对铜腐蚀性强、空气 中含氨量高时遇火会引起爆炸。氯氟氢优点：化学性质都很稳定，不腐蚀设备，不 燃烧，对人体无害。缺点：汽化潜热较小，价格较高。氯氟氢的蒸 气破坏大气臭氧层，国际上已逐步禁止 使用。23、氟里昂

4、对大气臭氧层的破坏及制冷剂替代工质 研究简介、氟里昂对大气臭氧层的破坏及制冷剂替代工质 研究简介?氟里昂名称及其含义。氟里昂是英文Freon一词 的译音，这个词出现之初仅指二氯二氟甲烷 Ccl2F2（制冷剂R12）， 现在它代表一个相当大 的化学物质类别 卤代烷（烃）。三类： 氯氟烃CFC、氢氯氟烃HCFC 、氢氟烃HFC当只讲它们作为制冷剂的共性时，仍可以用氟 里昂这一 简单而笼统的名称称呼它，但是当讨 论破坏臭氧层的问题时就不能一概而论了。?科学家告诉我们：氟里昂家族中出了破坏人类 赖以生存的臭氧层的败家子，但是不是全部， 因此我们必须区别对待。?氟里昂既是制冷行业的轿子，又是破坏大气臭

5、氧层的罪魁。从20世纪30年代起，氟里昂以其 无毒、稳定和良好 的热力性能而广泛应用于制 冷等行业，为人类生活繁荣起到了巨大的推动 作用。?70年代初，德国、美国科学家保罗. .克鲁岑、舍 伍德. .罗兰德和马里奥. .莫利纳三人发现并证明论 了氯氟氢是破坏大气臭氧层的罪魁祸首。这三 位科学家由此荣获1995年诺贝尔化学奖。?氯氟氢破坏大气臭氧层的机理。?氯氟氢类化学性质及其稳定，寿命很长，可达百年以 上，在低空气中很难分解，最终都会高空的平流层中 ，强烈的紫外线将促其分解，释放出氯原子。?这种新鲜的氯原子对臭氧具有亲和作用，生成 了氧化氯和氧分子，从而破坏了臭氧。更糟糕 的是，氧化氯又能和大

6、气中的游离的氧原子起 作用，重新生成氯原子，氯原子又去消耗臭氧 ，如此循环下去，一个氯氟氢（cFc）分子分 解生成的氯原子可以连续消耗掉十万个臭氧分 子。CclCcl3 3F CFclF CFcl2 2.+cl. cl.+O.+cl. cl.+O3 3 clO.+O clO.+O2 2 clO.+O cl.+OclO.+O cl.+O2 2 cl.+Ocl.+O3 3 这种新鲜的氯原子对臭氧具有亲和作用，生成 了氧化氯和氧分子，从而破坏了臭氧。更糟糕 的是，氧化氯又能和大气中的游离的氧原子起 作用，重新生成氯原子，氯原子又去消耗臭氧 ，如此循环下去，一个氯氟氢（cFc）分子分 解生成的氯原子可

7、以连续消耗掉十万十万个臭氧分 子。?臭氧层（O3）的作用及其破坏后的危害。?臭氧是氧的同素异形体，无色，气味特臭故 称臭氧。氧气或空气进行无声放电时即可产 生臭氧。在离地面15 - 50km的大气平流层中 集中了地球上 90% 的臭氧气体，虽然其 浓度从未超过十万分之一，全部集中起来也 只有比鞋底还要薄的一层，但是它却吸收了 绝大部分对生物有害的太阳紫外线，正是由 于有了臭氧层这道天然屏障，才使地球上的 人类和生物得以正常生长和世代繁衍。3?如果臭氧层遭到破坏后，太阳紫外线便可长驱直入， 危及地球上的人类和生物。强烈的紫外线使人体抗病 能力降低，从而诱发多种（皮肤癌、白内障）疾病， 会使许多农

8、作物与微生物受到损害，绝大多数农作物 和其它植物会减产或降低质量。有害的紫外线对 20m 海水内的游浮生物、鱼虾和藻类等也会造成危害。紫 外线也将引起建筑物、绘画及包装物质的老化，缩短 使用寿命，每年造成巨大的经济损失。?世界对策及研究现状。在发现氟里昂破坏大气臭氧层 后，国际社会在上个世纪80年代末 - 90年代初召开了 一系列国际会议，限制使用CFCs物质，这就是“蒙特 利尔议定书”的由来。其中冰箱制冷剂CFC12（R12） 和发炮剂CFC11（R11） 是主要禁止使用的物质。美，日等发达国家承诺1996年，我国承诺2005年禁止 使用 这两种物质。我国“无氟冰箱”便应运而生。其实，制冷剂

9、中的氟原 子并不危害臭氧层，只有其中的氯原子才破坏臭氧层。目前三种制冷剂替代工质：目前三种制冷剂替代工质：?HFC 134a（美国杜邦公司）?丙烷和异丁烷等碳氢化合物（欧洲绿色和平组织、德国）?HFC 152a（中国）?迄今为止，各国提出的新型冰箱制冷剂替代物除了环保 性能外，其它性能(经济性、安全性、传热性能等)还都 没有全面代替 CFC12，可以说全世界范围内还没有找到 一种永久CFC12（R12）的替代物。?人们在继续寻找更好的制冷剂的同时，正在积 极研究磁制冷等其它新型制冷方式。?预计人类要想彻底解决这一世界难题还得走相 当长的一段路。?日本科学家预测：氟里昂排放所造成的南极上空臭氧层

10、空洞2020 年左右将开始缩小，到2050年左右将基本消失13-5 蒸汽喷射制冷循环和 吸收式制冷循环蒸汽喷射制冷循环和 吸收式制冷循环?制冷循环可以不消耗外功，而以消耗 温度较高的热能为代价来达到同样的 制冷目的。?蒸汽喷射制冷循环和吸收制冷循环正 是这样的循环。蒸汽喷射制冷循蒸汽喷射制冷循?从蒸汽锅引来的较高温度和 较高压力的蒸汽（状态1） 在喷管中膨胀至较低的混合 室压力并获得高速（状态 2）。高速汽流在混合室中 从蒸发器过来的低压蒸汽 （状态3）混合后形成一股 速度略低的汽流（状态4） 进入扩张管减速升压（过程 4-5）。从蒸汽锅引来的较高温度和 较高压力的蒸汽（状态1） 在喷管中膨胀

11、至较低的混合 室压力并获得高速（状态 2）。高速汽流在混合室中 从蒸发器过来的低压蒸汽 （状态3）混合后形成一股 速度略低的汽流（状态4） 进入扩张管减速升压（过程 4-5）。4?包括两个循环：包括两个循环：?一个是逆向的制冷 循环 456834；?一个是正向循环1245671?二者合用喷射器和冷凝器喷射器起到了压缩蒸汽的作用，而这部分蒸汽 的压缩是靠正循环中那部分蒸汽的膨胀作为补 偿才得以实现的。从整个装置来看，低温热之 所以能转移到温度较高的大气中去，是以锅炉 获得的更高温度的热能最终也转移到大气中作 为代价的。高压蒸汽流量与低压蒸汽流量比 （qm1/qm2）， 与高压蒸汽的温度、冷库温度

12、、大气温度（冷却 水温度）以及喷射器的效能都有关系，显然， 高压蒸汽的温度比大气温度高得愈多、冷库温 度比大气温度低得愈少，喷射器效能愈高，则 上述比值愈小（即消耗的高压蒸汽相对愈少）。?热量平衡方程热量平衡方程Q + Q2 = Q0?式中 蒸汽在锅炉中吸收的热量?2蒸汽在冷库中吸收的热量 0 蒸汽在冷凝器中放出的热量?蒸汽喷射制冷装置的热经济性?热利用系数? = 收获收获/消耗消耗 =Q2 / QQQ2=消耗收获?蒸汽混合过程的不可逆损失很大，因而热利用 系数一般地都较低。但是由于这种装置用简单 紧凑的喷射器取代了复杂昂贵的压气机，而喷 射器又容许通过很大的容积流量，可以利用低 压水蒸气作为

13、制冷剂，因此在有现成蒸汽可用 的场合，常被用于调节气温。2、吸收式制冷循环?吸收式制冷装置中采用工质对?吸收剂(沸点较高的物质)?制冷剂(沸点较低、较易挥发的物质)?氨-水溶液（氨是制冷剂，水是吸收剂）?水- 溴化锂溶液（水是制冷剂，溴化锂是 吸收剂）,在空气调节设备中也常用5利用制冷剂在较低温度和较低压力下被吸收， 在较高温度和较高压力下挥发 起到的压缩气体的作用利用制冷剂在较低温度和较低压力下被吸收， 在较高温度和较高压力下挥发 起到的压缩气体的作用 制冷剂被吸收剂吸 收时会放出热量， 蒸气发生器中的溶 液制冷剂挥发制冷剂被吸收剂吸 收时会放出热量， 蒸气发生器中的溶 液制冷剂挥发吸收器必

14、须加以冷却 制冷剂被吸收剂吸收时会放出热量 经节流阀进入吸收器的溶液又具有较高的温度吸收器必须加以冷却 制冷剂被吸收剂吸收时会放出热量 经节流阀进入吸收器的溶液又具有较高的温度吸收器中的溶液 由于吸收了制冷剂， 浓度（制冷剂相对含 量）较高，并有增加 趋势； 蒸气发生器中的 溶液则由于制冷剂的 挥发，浓度较低，并 有减少的趋势。 用泵和减压阀使 蒸气发生器和吸收器 中的溶液发生交换， 质量平衡，维持各自 不变的浓度。吸收器中的溶液 由于吸收了制冷剂， 浓度（制冷剂相对含 量）较高，并有增加 趋势； 蒸气发生器中的 溶液则由于制冷剂的 挥发，浓度较低，并 有减少的趋势。 用泵和减压阀使 蒸气发生器和吸收器 中的溶液发生交换， 质量平衡，维持各自 不变的浓度。QQ Q2 2?热量平衡方程热量平衡方程?Q + Q2 = Q1+ Q1 ?热利用系数热利用系数 = 收获收获/消耗消耗 =Q2 / Q?吸收式制冷装置的热利用系数比较低，但由 于设备简单，造价低廉（不需要昂贵的压 气机）、不消耗功、可以利用温度不很高的 热能，因此常用在有余热可以利用的场合。Q Q2 2