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1、第十三章 制冷循环本章提要和要求: 本章主要讨论各种制冷装置的理想循环。讨论如何合理地将各种制冷装置的实际工作过程简化为理想的制冷循环，并进行热力学分析计算及探讨影响COP的因素。 1了解制冷机及热泵循环作为逆循环的特征；了解热泵供热的特点及优越性。 2对工程常见的空气制冷循环及各种蒸汽制冷循环的构成，影响COP的因素有基本的了解。 3了解制冷剂的特征及对制冷剂的要求。 4 掌握空气制冷循环和蒸汽压缩制冷循环的热力学分析计算方法，熟悉影响制冷循环COP的因素。131 概 述 制冷装置：通过制冷工质(称制冷剂)的循环过程将热从低温物体移向高温物体应用与研究1 制冷空调：冷水机组、热泵2 低温工程

2、：低温超导、超流体3 新型制冷机: 脉管制冷配合红外器件4 液化天然气和LNG汽车：常压下126液化5 低温生物：冷冻保存和冷冻医疗6 气体液化与分离 ：空气液化和石油气回收7 冷冻干燥和低温粉碎 ：营养品加工8 绿色环保制冷机：自然工质132 制冷装置和循环 一 常见的制冷装置1 蒸汽压缩制冷装置 132 制冷装置和循环 一 常见的制冷装置2 吸收式制冷装置 132 制冷装置和循环 一 常见的制冷装置3 风冷热泵装置 132 制冷装置和循环 一 常见的制冷装置4 主要部件 压缩机冷凝器膨胀阀蒸发器132 制冷装置和循环 二 常见的制冷循环1 空气制冷循环2 蒸汽压缩制冷循环动画演示3 蒸汽喷

3、射制冷循环动画演示4 吸收式制冷装置循环132 制冷装置和循环 三 逆卡诺循环制冷剂在热源(T1)及冷源(T2)之间以可逆的方式完成制冷循环132 制冷装置和循环 四 制冷循环的相互联系 133 空气制冷循环(逆布雷顿(Brayton)循环 ) 一 空气制冷装置二 循环的p-v图和T-s图133 空气制冷循环 三 循环分析1 2 3大得多133 空气制冷循环 4 133 空气制冷循环 四 工业用装置（有回热的空气制冷装置） 133 空气制冷循环 工业用装置：133 空气制冷循环 例131某简单空气制冷循环用空气为工质，制冷室中的温度为7，环境温度为27。压缩机的压缩比为4，压缩机进口压力为0.

4、1MPa,假定制冷机在稳定状态下工作，空气为变比热的理想气体，忽略工质的动能和势能变化，试求：a)该循环的最高温度和最低温度。b)制冷系数。c)制冷量为15kW时，每小时循环空气量。解：原理图参见图134。查附录 空气的理想气体性质，得：T3=273+7=280K，h3=280.35kJ/kg，s03=6.6323 kJ/(kgK) T1=273+27=300K，h1=300.43kJ/kg，s01=6.7016 kJ/(kgK)a)该循环的最高温度和最低温度: s4-s3= s04- s03-RLn(P4/P3)=0 s04=s03+ RLn(P4/P3) =6.6323+0.287*Ln(

5、4)=7.0302 kJ/(kgK) s02=s01-RLn(P4/P3)=6.7016-0.287*Ln(4)=6.3037kJ/(kgK) T4=(450-400)*(7.0302-6.9916)/(7.1113-6.9916)+400 =416.1K 133 空气制冷循环 h4=(452.07-401.25)*(7.0302-6.9916)/(7.1113-6.9916)+401.25 =417.6kJ/kgT2=(220-200)*(6.3037-6.2950)/(6.3905-6.2950)+200 =201.8Kh2=(220.18-200.13)*(6.3037-6.2950)/

6、(6.3905-6.2950)+200.13 =202.0 kJ/kgb)制冷系数: COPR=(h3-h2)/(h4-h3+h2-h1)=(280.35-202.0)/( 417.6-280.35202.0-300.43)=2.018c)制冷量为15kW时，每小时循环空气量: qm=Q0/qL3600=15/(280.35-202.0)3600=689.2kg/h应用式135计算：COPR = T3/(T4T3)280/(416.1-280)=2.057，与2.018比较，从工程观点计算误差可以接受。若采用卡诺循环，COPR = T3/(T1T3)280/(300-280)=14，若采用蒸汽

7、压缩制冷循环，COPR 也可达3以上，由此可见，COPR不高是空气制冷循环的一个缺点。 134 蒸汽压缩制冷循环(帕金斯(Perkins )循环 ) 一 蒸汽压缩循环的p-v图和T-s图134 蒸汽压缩制冷循环(帕金斯(Perkins )循环 ) 二 循环的p-h图13 4 蒸汽压缩制冷循环(帕金斯(Perkins )循环 ) 三 蒸汽压缩制冷循环热力学分析 qinqout+win-wout=he-hiCOPR=qL/wnet(h3-h2)/(h4-h3) COPHP=qH/wnet(h4-h1)/(h4-h3) 13 4 理想蒸汽压缩制冷循环(帕金斯(Perkins )循环 ) 例102一台

8、用134a作为工质的蒸汽压缩式制冷机，蒸发压力为0.13282MPa，凝结压力为0.81589MPa，工质的质量流量为0.05kg/s,制冷循环为理想蒸汽压缩制冷循环，试求：（a）从冷源吸收的热量（制冷量）；（b）散发到环境中的热量；（c）压缩机消耗的功；（d）制冷机的COP；（e）在制冷机按上述饱和温度工作的情况下，采用逆卡诺循环时的COP。解：作理想蒸汽压缩制冷循环的T-s图或P-h图。查134a制冷剂的饱和性质表和P-h图（附表13，14和15）：13 4 理想蒸汽压缩制冷循环(帕金斯(Perkins )循环 ) 例102P3=0.1328MPa，饱和蒸汽，h3=386.560kJ/kg

9、，s3=1.7415kJ/kg.K，T3=253.09KP4=0.81589MPa，过热蒸汽 s4=s3 h4=424.35kJ/kg， T4=313.26KP1=0.81589MPa，饱和液体 h1=244.65kJ/kg，s1=1.15302kJ/kg.K，T1=305.17KP2=0.1328MPa， h2= h1 T2=T1。 13 4 理想蒸汽压缩制冷循环(帕金斯(Perkins )循环 ) 例102（a） 从冷源吸收的热量（制冷量）：qLh3-h2386.56244.65141.91 kJ/kgQL=m qL=0.05141.957.0955kW（b） 散发到环境中的热量：qHh4

10、-h1424.35244.65179.7kJ/kgQHm qH=0.05179.7=8.985 kW（a） 压缩机消耗的功：wnet,in h4-h1424.35386.56=37.79 kJ/kgW net,inm wnet,in=0.0537.79=1.8895kW（b） 制冷机的COP： COPRqL/wnet,in141.91/37.79=3.7552（e）在制冷机按上述饱和温度工作的情况下，采用逆卡诺循环时的COP。 COPR，Carnot=TL/（TH-TL）= T2/（T1-T2）=253.09/（305.17-253.09）=4.859613 4 理想蒸汽压缩制冷循环(帕金斯(

11、Perkins )循环 ) 例102讨论：由上述计算，我们看到，由于存在内部不可逆，理想蒸汽压缩制冷循环的性能系数只达到逆卡诺循环的77左右。如果我们用等熵膨胀机来克服由于节流产生的不可逆损失，1的工质状态为P2=0.1328MPa， s2= s1 ， T2=T3，h2=237.63kJ/kg。等熵膨胀机做功：wnet,out h1-h2244.65237.63=7.02 kJ/kgW net,outm wnet,out=0.057.02=0.351kW从冷源吸收的热量（制冷量）：qLh3-h2386.56237.63148.93 kJ/kgQL=m qL=0.05148.937.4465kW

12、有等熵膨胀机的制冷机的COP：COPRqL/wnet,148.93 /(37.79-7.02)=4.8401与逆卡诺循环比较，达到99.6。不能100的原因是冷凝过程中没有保持恒温。在上述计算中显热没有考虑制冷机的内部不可逆影响。实际蒸汽压缩制冷循环 四、实际蒸汽压缩制冷循环 （考虑了流动阻力和传热和过程的不可逆。 ）：实际蒸汽压缩制冷循环 例103一台用134a作为工质的蒸汽压缩式制冷机，压缩机入口处的压力为0.13282MPa，温度为18。压缩机出口处的压力为0.81589MPa，温度为50。工质的质量流量为0.05kg/s,制冷剂进毛细管前的温度为26，压力为0.72 MPa，进毛细管后

13、的压力为0.15 MPa，不计连接管的传热和压力损失，试求：（a）从冷源吸收的热量（制冷量）；（b）散发到环境中的热量；（c）压缩机消耗的功和等熵效率；（d）制冷机的COP；解：作实际蒸汽压缩制冷循环的T-s图或P-h图。查134a制冷剂的饱和性质表和P-h图（附表13，14和15）：P2=0.1328MPa，T2=18255.15K g h2=388.18kJ/kg，s2=1.7477kJ/kg.K P3=0.81589Mpa，T3=323.15K g h3=434.54kJ/kg，h3s=426.30kJ/kg， s31.7735 kJ/kg.KP4=0.72MPa，T4=299.15K

14、gh4=235.97kJ/kg，s4=1.1045kJ/kg.K，P1=0.15MPa， h1= h4 g T1=-17.133。s1=1.1438 kJ/kg.K实际蒸汽压缩制冷循环 四、实际蒸汽压缩制冷循环 （考虑了流动阻力和传热和过程的不可逆。 ）：（a）从冷源吸收的热量（制冷量）：qLh2-h1388.18235.97152.21 kJ/kgQL=m qL=0.05152.217.6105kW（b）散发到环境中的热量：qHh3-h4434.54388.18198.57kJ/kgQHm qH=0.05179.7=9.9285 kW（c）压缩机消耗的功：wnet,in h3-h2434.5

15、4386.56=46.36 kJ/kgW net,inm wnet,in=0.0537.79=2.318kWC（h3s-h2）/（h3-h2）=（426.30386.56）/46.360.8572（d）制冷机的COP： COPRqL/wnet,in152.21/46.36=3.2832讨论：本题在例102的基础上考虑了蒸汽过热，液体过冷和压缩不是等熵压缩。与例102结果比较，液体过冷使得制冷量提高7.258%，非等熵压缩，压缩机功耗提高22.68%，性能系数从3.7552降低到3.2832。 135 制冷剂的选择 选用制冷剂应遵循以下原则：1 制冷剂的热力性质1) 在制冷工作温度范围内有合适的

16、压力和压力比。最低工作压力最好高于大气压，以防空气渗入系统，影响工质性质和传热，或加快材料腐蚀，或引起其它不良效果（如燃烧、爆炸等）。最高工作压力和最低工作压力比不宜过高，以免增加压缩过程的不可逆性（压缩终了温度过高，输气系数过低），压缩机过于笨重。2）单位制冷量和单位容积制冷量大，从而减少工质循环量和压缩机输气量，减小制冷机体积和重量，减小流动损失。这对大型制冷机尤其重要，小型制冷机尺寸过小有时会增加制造难度。3）比功和单位容积压缩功。沸矢。4）压缩终了温度不要太高，以免润滑条件恶化和制冷剂在高温下分解。135 制冷剂的选择2 制冷剂的传输性质1）粘度、密度。跣×鞫枇椭评浼潦

17、用量。2）导热系数大，提高传热系数，减小换热器传热面积。3）蒸发制冷时，制冷剂潜热大，单位制冷量大。3 物理化学性质1）无毒，不燃烧，不爆炸，使用安全。2）化学稳定性和热温度性好。经得起温度、压力循环的变化，不变质，不分解。不与润滑油起反应，对设备无腐蚀。3）与环境友好，不破坏大气臭氧层，无温室效应。4 其它要求：来源充足，制造简单，价格便宜。完全符合以上条件的制冷剂是不存在的。应根据使用条件和机器容量选用相对合适的制冷剂。制冷剂一旦确定，则应在制冷系统流程，结构设计，运行操作方面与之匹配，这也就是我们研究制冷循环的目的之一。135 制冷剂的选择 由于人们全面认识问题需要时间，随着对问题本质的

18、把握日益深化，对同一事物会产生完全相反的结论。Freon本来被认为是最安全的制冷剂，但莫里纳（M.J.Molina）和罗兰（F.S.Rowland）发现它是造成臭氧层空洞的元凶，以及人们对温室效应的担心，彻底颠覆了人们对Freon的信心，Freon被判断为对人类最危险的物质之一。这使得人们开始用怀疑的眼光看待人工物质，这些物质因人类而出现，但其安全性并没有象天然物质那样得到时间的长期检验。显然人们在千方百计创造各种新物质的同时，必须对这些物质某些需要长时间才能显现出来的：π员３志。所以莫里纳和罗兰被认为是二十世纪改变人们对世界看法的代表人物。 135 制冷剂的选择有多种工质可供我们选择。如

19、在普冷范围，有氯氟烃（CFCs），氨气，炭氢化合物（丙烷、乙烷、乙烯等），二氧化碳，空气，水等等。目前被大量应用的有R-11、R-12、R-22、R-134a、R-502等。前已指出，乙醚是第一种被商用的制冷剂。随后有氨，二氧化碳，二氧化硫，丁烷，乙烷，丙烷，异丁烷，汽油和氯氟烃等等。1987年联合国环保组织通过的关于消耗大气臭氧层物质的蒙特利尔议定书，规定了逐步减少并最终禁止对臭氧层：ψ畲蟮穆确﨏FCs生产和消费。 136 热驱动制冷循环 空气压缩制冷循环和蒸汽压缩制冷循环都是以消耗机械功来获得制冷量。还有一种办法是消耗热量中的可用能来获得制冷量，它们有吸收式制冷循环、吸附式制冷循环和气

20、流引射压气式制冷循环等。 136 热驱动制冷循环 溴化锂吸收式制冷循环。 136 热驱动制冷循环 溴化锂吸收式制冷循环。 136 热驱动制冷循环 溴化锂吸收式制冷循环。该制冷装置为动力循环和制冷循环的组合 吸收式制冷机的性能系数计算式： COPabsorb=QL/(Qgen+Wpump) QL/(Qgen)136 热驱动制冷循环 蒸汽喷射制冷循环。136 热驱动制冷循环 蒸汽喷射制冷循环包括两个循环，一个是蒸汽喷射循环1245671，一个是制冷循环456834。 其制冷性能系数为： COPjet=QL/(Qb+Wpump) QL/(Qb) 138 热泵 热泵是用来对高温热源加热的设备 它在消耗功或可用能加热的同时，还可以将环境温度下的废热变成可资应用的高温热量，从而节约了能源。热泵的冷源一般来自与空气，叫空气源热泵，常见的有家用热泵热水器。土壤中的热量被用作热泵冷源。叫地源热泵。水中的热量被用作热泵冷源，叫水源热泵。水的传热性能好，流动性好，是非常理想的热源。但只有有大量水源或地下水的地方才能使用。土壤的缺点是传热性能差，比热。荒芰鞫。138 热泵：热泵是用来对高温热源加热的设备 性能系数（供暖系数）：对用功作为驱动力的热泵COPHP=QH/Wnet,inCOPHPCOPR1 作业2，5，6完谢谢大家！