第十三章制冷循环.docx
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第十三章制冷循环
第十三章制冷循环
13．1制冷机与热泵
13．1．1制冷机与热泵
将物体冷却到低于周围环境温度，并维持此低温，是利用制冷装置来实现的。
制冷装置的任务是，通过制冷工质（称制冷剂）的循环过程将热从低温物体（即制冷空间，例如冷藏室）移向高温物体（例如大气环境）。
根据热力学第二定律可知，热从低温物体移向高温物体时其有用能将增加，这种过程是不能无补偿地进行的，必须消耗外部有用能，通常是消耗机械功或其它高温热源提供的能量。
如第一章中提出的，热机循环称为正循环，反之，制冷循环称为逆循环。
利用制冷循环将热从低温物体移至高温物体和装置称为制冷装置，如图13-1。
制冷装置可用于夏季房屋降温，物品冷藏等
图13-1 制冷装置
目的，也可用于冬季将低温环境（如大气）的热输送到室内供暖或加热物体。
前者常称之为制冷机而后者特称之为热泵。
制冷机与热泵在热力学原理上并无区别，其工作循环都是逆向循环，只是使用的目的有所不同而已。
下面着重分析各种工程上常见的制冷逆循环。
13．1．2制冷循环分析
假定制冷装置中每1kg制冷剂在低温下自制冷空间吸热q2，消耗机械功w，使其温度升高，向外界（热源）放出热量q1。
根据能量守恒原理，这时有
q1=q2+w
式中热量及功量均为绝对值。
制冷机循环中从冷源移出的热量与所耗功量之比称为制冷系数，即
（13-1）
假如是耗费热量来制冷，则从冷源移出的热量与所耗费热量之比称为热能利用系数ξ。
对于热泵而言，向热源输送的热量与耗功量之比称为供暖系数
，显然
（13-2）
制冷装置工作的好坏有时也用性能系数COP（CoefficientofPerformance）来度量，其定义为
显然，对制冷机和热泵，其COP分别为及。
在q2与q1相同时热泵的COPHP与制冷机的COPR有如下关系
（13-3）
这意味着COPHP>1。
因此使用热泵供热比用电能或燃用燃料直接供热经济性要高。
但实际热泵装置由于存在种种损失，在某些情况下其COPHP可下降为1，甚至小于1。
这时宁可采用燃料直接加热或用电阻加热方式供热。
制冷装置每小时从冷源（冷藏室）吸取的热量（kJ/h）叫做制冷装置的制冷量。
每kg制冷剂每小时从冷源吸取的热量[kJ/（kg·h）]叫做制冷剂的单位制冷率。
相应地，对于热泵也有供热率及单位供热率等术语。
13．2逆卡诺循环
13．2．1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。
循环由下列过程组成（图13-2）：
1-2：
制冷剂定熵膨胀作功，由T1至T2；
2-3：
制冷剂在T2下定温吸热；
3-4：
制冷剂耗功定熵压缩，由T2至T1；
4-1：
制冷剂在T1下定温放热。
由如上由两个定熵过程及两个定温过程组成的可逆制冷循环，其结果是消耗外功将热从低温冷源（T2）移向高温热源（T1）。
循环进行的顺序与卡诺热机循环相反，故称逆卡诺循环。
13．2．2逆卡诺循环分析
逆卡诺循环吸热量q2为
循环放热量q1（绝对值）为
循环消耗功量w（绝对值）为
逆卡诺循环制冷系数C为
（13-4）
利用第三章中的方法可以证明，逆卡诺循环是在相同温度范围内工作的最有效的循环，即逆卡诺循环的制冷系数最大。
由式（13-4）可见，因为T1>T2，制冷系数C恒为正值，且可以大于1。
T1—T2愈小，C愈大。
13．2．3制冷装置分类
与热动力装置一样，逆卡诺循环虽提供了一个在一定温度范围内最有效的制冷循环，但实际的制冷装置常不是按逆卡诺循环工作，而依所用制冷剂的性质采用不同的循环。
本章将分析讨论一些在工程上实施的制冷循环。
按照制冷剂的不同，制冷装置分为下列几种类型：
（1）空气制冷装置；
（2）蒸气制冷装置。
蒸气制冷装置采用不同物质的蒸气作制冷剂，可分为蒸气压缩制冷装置，蒸气喷射制冷装置及吸收式制冷装置等。
例题13-1 某制冷循环工作在–30℃到32℃之间，问最大可能的COP是多大？
若实际制冷装置COP为最大COP的75%，计算制冷量为5kw的功率输入。
解：
T2=–30k+273k=243K；T1=32k+273k=305K
按逆卡诺循环工作时具有最高的COPR，此时有
按题意,实际
当
为5kW时
则
kW
13．3空气制冷循环
13．3．1空气制冷工作原理
图13-3 空气制冷循环
空气制冷装置的示意图如图13-3所示。
制冷剂（空气）在膨胀机中绝热膨胀作功，压力由p1降到p2，温度由T1降到T2。
低温空气经过置于冷藏室内的盘管，从冷藏室中定压吸热（p3=p2），吸热后空气温度由T2上升至T3。
冷藏室中的温度即是所要求的低温。
理论上，空气在冷藏室内盘管出口的温度T3应等于冷藏室温度T11，而实际上总是比冷藏室温度更低一些。
吸热后的空气进入压缩机，经绝热压缩，压力从p3提高到p4，温度从T3升至T4。
被压缩后的空气送到冷却器（表面式换热器）中，空气对冷却水定压放热（p4=p1），温度降低至T1，从而完成一封闭的制冷循环。
理论上，空气在冷却器出口的温度应等于冷却水的温度（即环境温度T1），但实际上空气温度总是略高于冷却水温度。
13．3．2空气制冷理想循环
上述空气制冷装置理想循环的p-v图及T-s图如图13-4所示。
其中：
1-2：
空气在膨胀机中定熵膨胀作功；
2-3：
空气在冷藏室中定压吸热；
3-4：
空气在压缩机中耗功定熵压缩；
4-1：
空气在冷却器中定压放热。
图13-4 空气制冷循环p-v及T-s图
13．3．3空气制冷循环分析
在p-v图上，循环消耗的净功量w用面积12341表示。
在T-s图上，从低温冷源（温度为TII的冷藏室）取出的热量q2为面积23dc2，空气排向高温热源（温度为TI的环境）的热量q1为面积41cd4。
如果把空气视为定比热容的理想气体，则
循环消耗的净功量为
空气制冷理想循环的制冷系数为
或写成
（A）
上式进一步演化如下：
对于定熵过程3-4、1-2，有
（B）
注意到p1=p4，p2=p3，故
或
（C）
将式（C）代入式（A），可得
（13-5）
乍看起来，空气制冷循环制冷系数的表达式（13-5）与逆卡诺循环的制冷系数的表达式相同。
实际上，空气制冷循环中冷藏室所能达到的低温T11=T3，而环境温度TI=T1，故在此温度范围内逆卡诺循环（如图13-4中的1-6-3-5-1）的制冷系数为：
显然，C比式（13-5）所表示的空气制冷循环的制冷系数大得多。
利用式（B）代换式（13-5）中的
，则可得到以增压比
表示的循环制冷系数的表达式，即
（13-6）
图13-5
考察式（13-6）可见，空气制冷循环的制冷系数与增压比
有关。
愈小，愈大。
这说明，降低循环中的增压比，制冷循环的温度和压力范围将减小，而就增加，循环也就更接近逆卡诺循环，见图13-5。
但增压比较小的制冷循环
的制冷能力较小。
过程的吸热量
显然小于2-3过程的吸热量q2。
13．3．4具有回热的制冷装置
目前，工业中采用具有回热器及轴流式压缩机的空气制冷装置，其系统示意图如图13-6（a）所示。
图13-6 回热式空气制冷循环
处于初态1的空气在膨胀机中定熵膨胀到状态2后，在冷藏室中定压吸热而至状态3。
然后进入回热器，在其中定压吸热至状态4。
进入压缩机定熵压缩至状态5，再进入冷却器，利用冷却水使之冷却到环境温度的状态6。
最后进入回热器继续冷却至状态1而完成闭合循环。
该循环的T-s图如图13-6（b）所示。
不难看出，当T5=
时采用回热的制冷循环1-2-3-4-5-6-1的吸热量q2、放热量q1，分别与另一未采用回热的制冷循环
相同，因而两者的制冷系数也相同。
但采用回热的循环与未采用回热的循环相比，具有以下优点：
（1）在制冷量及制冷系数相同的情况下，可采用小得多的增压比。
这样带来了采用叶轮式压缩机（低压、大排量）以代替活塞式压缩机的可能性，由于空气流量增大，从而可提高空气制冷装置的制冷量。
又在深度冷冻中，由于TI、TII相差甚大，若不采用回热，势必增大压缩机的增压比。
这对叶轮式压缩机而言是难以满足的，采用回热则由于压缩起点的温度较高，此一困难可得到解决。
（2）采用低增压比的另一好处是减小压缩及膨胀过程中不可逆性的影响，提高制冷装置实际工作时的有效性。
例题13-2 一空气制冷装置，空气进入膨胀机的温度t1=20℃，压力p1=0.4MPa，绝热膨胀到p2=0.1MPa。
经从冷藏室吸热后，温度t3=–5℃。
已知制冷量Q0为150000kJ/h，试计算该制冷循环。
解 膨胀机出口温度
压缩机出口温度
压缩机耗功量
膨胀机作功量
循环消耗净功量
kJ/kg
每千克空气的吸热量
循环制冷系数
或
制冷机每小时循环的空气量
kg/h
同温度范围（T3和T1）内逆卡诺循环的制冷系数
可见，空气制冷循环的制冷系数远小于逆卡诺循环的制冷系数。
13．4蒸气压缩制冷循环
13．4．1蒸汽压缩制冷原理
空气制冷循环制冷系数不大的原因，是由于其吸热与放热过程在定压下进行。
这导致了空气制冷循环偏离逆卡诺循环，因而降低了经济性。
又由于空气的比定压热容较小，循环的制冷量也较小。
为在制冷装置中实现定温吸热和定温放热过程，采用低沸点物质（即在大气压力下，其沸腾温度ts≤0℃）作为制冷剂。
利用湿蒸气在低温下吸收汽化潜热来制冷。
用湿蒸气完成压缩制冷循环的系统简图和循环的T-s图如图13-7（a）、（b）所示，我们也可利用p-h图进行分析更为方便，这时循环如图13-7（c）所示。
蒸气压缩制冷装置由蒸发器、压缩机（活塞式或叶轮式）、冷凝器和节流阀（代替膨胀机）组成。
由冷凝器出来的制冷剂的饱和液体（状态1），被引向节流阀节流减压。
由于在两相共存区域内，节流系数J总是大于零（J>0），故节流后制冷剂温度降低，熵增而焓不变。
节流过程在T-s图上示意地用虚线1-2表示。
由于节流阀出来的低干度湿蒸气被引入到冷藏室内的蒸发器，定压吸热（也就是定温吸热）而汽化，其干度增加，如图中2-3过程。
节流后的压力p2应这样来选择，即使它对应的饱和温度略低于冷藏室温度。
利用节流阀开度的变化，能方便地改变节流后制冷剂的压力和温度，以实现冷藏室温度的连续调节。
高干度的湿蒸气从蒸发器出来，引入到压缩机进行绝热压缩升压，制冷剂蒸气的干度增大，温度升高，如图中的3-4过程。
经压缩后的制冷剂蒸气引入到冷凝器中，冷却放热而凝结成饱和液体，如图中4-1过程，从而完成闭合循环。
（a） （b）
（c）
图13-7 蒸汽压缩制冷装置及循环
从压缩机引出的可能是湿蒸气、干饱和蒸气或是过热蒸气。
压缩机吸入湿蒸气进行压缩，称为湿压缩，如过程
、3-4（图13-8），系两相介质的压缩。
由于液体的不可压缩性造成液滴对压缩机缸头或压缩机叶片的撞击，严重时甚至发生事故，所以通常都采用对干饱和蒸气（制冷剂在蒸发器中完全汽化）压缩，称为干压缩，如过程
。
由于3-4过程中各状态点的温度都低于大气温度，湿蒸气从压缩机缸壁、压缩机叶片处吸热，为受热压缩，使湿蒸气的实际压缩与理想的绝热压缩有较大的偏差，导致湿蒸气的实际压缩耗功增加，而
过程的平均温度较3-4过程的平均温度高些，压缩时制冷剂接受的外热少些，更接近于绝热压缩，故干蒸气的实际压缩耗功增加较少。
干压缩制冷循环与湿压缩制冷循环相比较，还增加了循环制冷量q2。
图13-8 干、湿压缩及过冷
13．4．2蒸汽压缩制冷循环分析
蒸气压缩制冷装置中，制冷剂的膨胀过程在节流阀内完成，膨胀功量并未回收，故蒸气压缩制冷循环的耗功量即压缩机的耗功量，即
在冷藏室内制冷剂吸收的热量为
因此，循环的制冷系数
（13-7）
通过计算可知，蒸气压缩制冷循环的值与对应的逆卡诺循环的差距比空气制冷循环小得多。
蒸气压缩制冷循环比空气制冷循环具有高得多的制冷系数，同时可以保证较大的单位制冷率。
为提高蒸气压缩制冷循环的制冷系数，可将冷凝器中的制冷剂饱和液进一步冷却（液体的过冷），即将状态1的饱和液定压冷却为状态
的未饱和液，再引入到节流阀中降压膨胀，如图13-8中
所示。
这时循环的耗功量未变，而吸热量q2增加，从而提高了循环的制冷系数。
在实际的制冷装置中，可设置专门的过冷器，而在通常所使用的水冷式冷凝器中，一般使冷却水温度比冷凝温度低5℃左右。
这样，液体的过冷在冷凝器中即可实现。
一般在0℃～-120℃的范围内均可采用蒸气压缩制冷循环。
循环的上限温度T1取决于环境温度（如大气温度），循环的下限温度T2是根据制冷装置服务对象确定的。
13．4．3制冷剂
为实现蒸气压缩的制冷循环，对理想的制冷剂要求具有下列特性：
（1）临界点温度必须高于制冷循环的上限温度T1，这样可使制冷剂被压缩后的状态离开两相共存区不远，而放热过程大部分可在两相区以定温过程进行。
（2）三相点温度要低于制冷循的下限温度T2。
（3）对应于T2的饱和压力不宜太低，最好略高于大气压力，以免采用高真空的设备系统，防止空气渗入蒸发器，从而降低制冷能力。
（4）对应于T1的饱和压力也不宜过高，否则会引起制冷剂外漏和压缩耗功增大。
（5）汽化潜热要大，液体的比热容要小。
汽化潜热大才能使单位制冷率大，使单位时间内制冷装置中循环的制冷剂数量少些。
液体比热容小，即下界线较陡，可使节流过程中液体汽化量较少，而使单位制冷率较大。
（6）蒸气的比体积要小（密度要大），以减小压缩机尺寸
（7）制冷剂价廉、稳定、不腐蚀金属、无毒、无臭、不易爆易燃。
目前，已采用的制冷剂有多种。
下面介绍一些应用广泛的制冷剂及其特性。
图13-9绘出了温度在-100℃～50℃范围内各种制冷剂的饱和压力和饱和温度的关系。
图13-10绘出了同样温度范围内制冷剂温度与汽化潜热之间的关系。
由图13-9可看到，氨（NH3）是一种良好的制冷剂，例如，冷凝温度t1=20℃时，氨的饱和压力不很高，约为0.8571MPa。
氨对应于0.1MPa的饱和温度为–33.7°，因此在蒸发温度t2≥–33.7℃时，氨蒸气制冷装置无需采用真空系统，而使设备大为简化。
由图13-10所示r=f（t）的曲线可见，氨与其它任何一种制冷剂相比，具有大得多的r值，因此可保证每千克制冷剂有较大的制冷量。
这些特性使氨成为工业制冷中广泛采用的制冷剂之一。
但氨的缺点是有毒，且对铜有腐蚀性。
图13-9 各种制冷剂饱和压力与饱和温度的关系图13-10各种制冷剂汽化潜热与温度的关系
由图可见，一氯甲烷（CH3Cl）、乙烷（C2H6）也是较好的制冷剂。
应用广泛的另一种制冷剂是氟里昂（或称氟氯烷）。
氟里昂的特点是它的化学稳定性、无毒，且在低于200℃时不与结构材料起化学作用。
在大气压力下，不同类型的氟里昂的沸点温度在很大范围内变化。
例如，在大气压力下，R14（CF4）的沸点温度为–128℃，R13（CClF3）为–82℃，R22（CHClF2）为–40.8℃，R12（CCl2F2）为–29.8℃。
在氟里昂中用得最广泛的是R12。
R12的热力性质与NH3相似，但其汽化潜热比NH3小。
制冷剂NH3的饱和蒸气性质见附表12。
为了计算中避免出现负数的焓值，将制冷剂NH3在0℃时饱和液体的焓值定为200kJ/kg，熵为1.00kJ/（kgK）。
计算制冷循环时除了应用制冷剂饱和蒸气性质表和过热蒸气表外，也可应用制冷剂的T-s图及p-h图。
通常，用制冷剂的p-h图比用T-s图方便。
下面简单介绍p-h图的应用。
p-h图（压–焓图）与水蒸气的热力状态参数坐标图类似，如图13-11所示。
图上画有饱和液体线（下界线，x=0）、饱和蒸气线（上界线，x=1）和临界点c。
另外画有四组等参数线，即定温线、定比体积线、定熵线和定干度线。
蒸气压缩制冷循环在p-h图上的表示如图13-12所示。
各状态点的焓值可由图查得。
因而，循环的吸热量q2=h3-h2、耗功量w=h4–h3、放热量q1=h4–h1，可方便地由p-h图上的直线段查出。
图13-11 p-h图 图13-12蒸汽压缩制冷循环
值得提起注意的是，在制冷及空调工业中臭氧危机所引起的巨大震动，它使人们对制冷剂的使用更为关注和谨慎。
在20世纪70年代中期，人们认识到在制冷装置中被广泛采用的氟氯碳族（CFCs）制冷剂会引起大气上空保护性臭氧层的破坏，使得更多的紫外线辐射到大气环境中，导致皮肤癌、眼疾等疾病的增加，同时也阻碍了地球向外的红外辐射，形成温室效应使地球变暖。
为此，联合国环境保护机构说服了许多国家于1987年签署了蒙特里尔协议（MontrealProtocal），特别注重于控制破坏臭氧层物质的生产，一些化合物的生产受到限制，减少甚至禁止。
化合物中由于释放氯而破坏臭氧层造成的后果常用臭氧破坏势ODP（OzoneDepletionPotential）来度量，在制冷剂的选择中ODP是一个重要的指标。
目前，制冷剂替代工质的研究已成为人们关注的热点，其中R134a（CF3CH2F）由于其中不含氯原子，其ODP为零，被认为是CFCs的最好替代物。
关于性能优越、价格低廉的制冷剂的研究，目前仍是一个引起广泛关注的课题。
例题13-3 某蒸汽压缩制冷装置用NH3作制冷剂。
制冷量Q0=100000kJ/h，冷藏室温度t2=–20℃，冷却水温度t1=20℃。
试求：
（1）每千克NH3吸收的热量q2；
（2）每千克NH3传给冷却水的热量q1；（3）循环耗功量w；（4）制冷系数；（5）循环中每小时NH3的质量流量；（6）同温度范围内逆卡诺循环的制冷系数c。
解 先确定各状态点的参数（见图13-7）。
由饱和氨蒸气性质表（附表12）查得：
t1=20℃时冷凝器中的饱和压力为0.8571MPa，以及
kJ/（kg.K）
kJ/kg
kJ/kg
t2=–20℃时蒸发器中的饱和压力为0.1902MPa，以及
kJ/（kg.K）
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