第11章制冷循环

1、第第11章制冷循环章制冷循环 11115 5 其他制冷循环其他制冷循环 11114 4 制冷剂的性质制冷剂的性质 11113 3 压缩蒸汽制冷循环压缩蒸汽制冷循环 11111 1 概述概述 11112 2 压缩气体制冷循环压缩气体制冷循环 11116 6 热泵循环热泵循环 第第11章章 制冷循环制冷循环 第第11章制冷循环章制冷循环 制冷空调制冷空调装置装置 第第11章制冷循环章制冷循环 制冷用压缩机制冷用压缩机 第第11章制冷循环章制冷循环 涡旋式涡旋式(Scroll)压缩机压缩机 第第11章制冷循环章制冷循环 螺杆螺杆(Screw)压缩机压缩机 第第11章制冷循环章制冷循环 离心式离心式(

2、Centrifugal)压缩机压缩机 第第11章制冷循环章制冷循环 换热器类型换热器类型 第第11章制冷循环章制冷循环 制冷循环制冷循环 热泵循环热泵循环 逆向循环逆向循环 一、制冷循环和热泵循环一、制冷循环和热泵循环 111 概概 述述 区别：区别： 制冷循环制冷循环:不断地从低温热源取走热不断地从低温热源取走热 量，以维持其低温。量，以维持其低温。 热泵循环热泵循环: 不断地向高温热源提供热不断地向高温热源提供热 量，以维持其高温。量，以维持其高温。 TH 热泵循环热泵循环热泵循环热泵循环 制冷循环制冷循环 第第11章制冷循环章制冷循环 iso0c 0SSS iso0c 0SSS 二、逆向

3、循环的补偿条件二、逆向循环的补偿条件 补偿条件可以是机械能补偿条件可以是机械能压缩式制冷循环；压缩式制冷循环； 补偿条件也可以是热能补偿条件也可以是热能吸收式制冷循环。吸收式制冷循环。 第第11章制冷循环章制冷循环 T0环境环境 T2冷库冷库 卡诺逆循环卡诺逆循环 C net00 ccc cc qqT wqqTT q1 q2 w T s Tc T0 0 1 1 c T T T0不变不变, Tc C Tc不变不变, T0 C net COP c q w 三、经济性指标三、经济性指标 工作性能系数工作性能系数 制冷系数制冷系数 c net q w 制冷系数可以小于制冷系数可以小于1，可以大于，可以

4、大于1，也可以等于，也可以等于1，主要由，主要由 低温热源的温度确定，制冷温度越低，制冷系数越小。低温热源的温度确定，制冷温度越低，制冷系数越小。 第第11章制冷循环章制冷循环 热泵循环和供热系数热泵循环和供热系数 net COP H q w 卡诺逆循环卡诺逆循环 net00 HHH C HH qqT wqqTT wnet T s TC T0 0 1 1 H T T TH不变不变, T0 C T0不变不变, TH C TH 冷源温度越低，效率越低；冷源温度越低，效率越低； 热源温度越高，效率越低，供热系数恒大于热源温度越高，效率越低，供热系数恒大于1 。 第第11章制冷循环章制冷循环 制冷能力

5、和冷吨制冷能力和冷吨 工业中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小工业中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小 制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取 走的热量走的热量(kJ/s)。工程上常用冷吨表示。工程上常用冷吨表示。 1冷吨：冷吨：1吨吨0饱和水在饱和水在24小时被冷冻小时被冷冻 成成0的的 冰所需冷量。冰所需冷量。 1美国冷吨美国冷吨=3024 kcal/h=3.517 kW 1日本冷吨日本冷吨=3320 kcal/h=3.861 kW 1英国冷吨英国冷吨=3373 kcal/h=3.923 kW 日本，日本，1公吨公吨1000 kg 美国，美国，1美吨美吨907

6、 kg 英国，英国，1英吨英吨1016 kg 第第11章制冷循环章制冷循环 制冷循环种类制冷循环种类 空气压缩制冷空气压缩制冷 压缩制冷压缩制冷 蒸气压缩制冷蒸气压缩制冷 吸收式制冷吸收式制冷 制冷循环制冷循环 吸附式制冷吸附式制冷 蒸汽喷射制冷蒸汽喷射制冷 半导体制冷半导体制冷 热声制冷热声制冷,磁制冷磁制冷 第第11章制冷循环章制冷循环 冷却水冷却水 膨胀机膨胀机 压缩机压缩机 冷库冷库 冷却冷却 器器 3 2 14 112 压缩空气制冷循环压缩空气制冷循环 一、一、 压缩气体制冷循环压缩气体制冷循环简介简介 四个主要部件；四个主要部件； 工质：空气工质：空气 1 2，绝热压缩，绝热压缩

7、p T 2 3，等压冷却，等压冷却，T 3 4，绝热膨胀，绝热膨胀，T T1 4 1 等压吸热，等压吸热，T T1 理想化处理：理气；理想化处理：理气； 定比热定比热; 可逆；可逆； 第第11章制冷循环章制冷循环 pv图和图和Ts图图 p v 32 1 4 T s Tc T0 1 2 3 4 1 2 绝热压缩绝热压缩 2 3 等压冷却等压冷却 3 4 绝热膨胀绝热膨胀 4 1 等压吸热等压吸热 逆布雷顿循环逆布雷顿循环 s s p p 2 1 p p 循环增压比循环增压比 第第11章制冷循环章制冷循环 制冷系数（制冷系数（the coefficient of performance COP）

8、023 qhh 定值比热定值比热 1 43 1 12 TT TT C14 qhh net0 21342314 ctc wwwqq hhhhhhhh C net q w 4132 41 TTTT TT 1 1 21 1 1 T TT 14 2314 hh hhhh 放热量：放热量： 吸热量：吸热量： 净功量：净功量： 制冷系数：制冷系数： 第第11章制冷循环章制冷循环 讨论：讨论： C1 c 0C21 TT TTTT 1）相同温度的）相同温度的T 0和和TC 2） , C q 第第11章制冷循环章制冷循环 空气压缩制冷循环特点空气压缩制冷循环特点 优点：工质无毒，无味，不怕泄漏。优点：工质无毒，

9、无味，不怕泄漏。 缺点：缺点： 1. 无法实现无法实现 T ， 弊弊 思考题：压缩空气制冷是否可以使用节流阀？思考题：压缩空气制冷是否可以使用节流阀？ 理想气体（等温节流）理想气体（等温节流） 第第11章制冷循环章制冷循环 二、制冷系数二、制冷系数 12 41 TT TT 三、影响因素分析三、影响因素分析 提高制冷系数的途径：提高制冷系数的途径： 1、降低冷凝温度、降低冷凝温度T0受限于环境温度受限于环境温度 2、提高蒸发温度、提高蒸发温度Tc受限于制冷温度受限于制冷温度 效果不明显效果不明显 T s 1 2 3 4 5 蒸发器中吸热量蒸发器中吸热量 1514c qhhhh 冷凝器中放热量冷凝

10、器中放热量 024 qhh 制冷系数制冷系数 net0 1414 241421 ()() cc c qq wqq hhhh hhhhhh 第第11章制冷循环章制冷循环 3、采用过冷、采用过冷 4-4：过冷段：过冷段 C151414 qhhhhhh 02424 qhhhh net021c wqqhh 可见，采用过冷以后，循环单位制冷量增可见，采用过冷以后，循环单位制冷量增 加，耗功不变，因此其制冷系数增大。加，耗功不变，因此其制冷系数增大。 s T O 1 2 3 4 T0 Tc 5 4 5 4、若采用叶轮式压气机，由于流速较高，、若采用叶轮式压气机，由于流速较高， 一般摩擦不能忽略，因此压缩过

11、程应为一般摩擦不能忽略，因此压缩过程应为 不可逆绝热过程，不可逆绝热过程，1-2。 T O s 1 2 3 4 T0 Tc 5 2 第第11章制冷循环章制冷循环 四、状态参数确定四、状态参数确定 T-s图和图和logp-h图图 循环的制冷量、放热量、净功均可以由循环的制冷量、放热量、净功均可以由 状态点的横标值（焓值）之差表示，工状态点的横标值（焓值）之差表示，工 程应用非常方便，因此在制冷行业中，程应用非常方便，因此在制冷行业中， 通常采用压焓图，来表示循环过程。通常采用压焓图，来表示循环过程。 net0 1414 241421 ()() cc c qq wqq hhhh hhhhhh 15

12、14c qhhhh 024 qhh 第第11章制冷循环章制冷循环 lgp-h图及计算图及计算 T s 1 2 3 4 5 lgp h 1 2 3 4 5 c q 0 q w 1514c qhhhh 024 qhh 14 21 c qhh whh 第第11章制冷循环章制冷循环 P-h diagram 50100150200250300350400450500550600650 0.01 0.1 1 10 x=1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 x=0.0 0.0007 0.00075 0.0008 0.00085 0.0009 0.00095 0.00

13、1 0.0011 0.0012 0.0013 0.0014 0.0015 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 0.015 0.02m 3/kg 0.025 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.15 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.7m3/kg 0.8 0.9 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 2.4kJ/(kg K) 2.3 2.2 2.1 2.0kJ/(kg K) 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0kJ/(kg K)

14、0.9 0.8 0.7 250 oC 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 t=0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 p(MPa) h(kJ/kg) v s x T 第第11章制冷循环章制冷循环 某压缩蒸汽制冷装置用氨作制冷剂，制冷率某压缩蒸汽制冷装置用氨作制冷剂，制冷率105 kJ/h，若已知冷凝温度为，若已知冷凝温度为 27，蒸发温度为，蒸发温度为- -5 ，试求：制冷剂的质量流量；压缩机功率及增压比；，试求：制冷剂的质量流量；压缩机功率及增

15、压比； 冷凝器放热量及循环制冷系数。冷凝器放热量及循环制冷系数。 例题例题2 2 解：解： 由已知，由已知，t1=t5=-5=268K ，t3=t4=27=300K， 查查logp-h图，可确定状态点图，可确定状态点4和和1，可得：，可得： 44 11 1.1 MPa 450 kJ/kg, 0.35 MPa1 570 kJ/kg ph ph 2 1 770 kJ/kgh 由由h5=h4, p5 =p1 ，可确定状态点，可确定状态点5。 由由p2=p4, s2 =s1 ，可确定状态点，可确定状态点2，可得：，可得： 各状态点的焓值都确定了，然后可以直接通过焓值进行热力性能计算。各状态点的焓值都确

16、定了，然后可以直接通过焓值进行热力性能计算。 第第11章制冷循环章制冷循环 1 3 4 第第11章制冷循环章制冷循环 21 0.024 8 kg/s1 770 1 570kJ/kg4.96 kW m Pqhh 042 0.024 8 kg/s450 1 770kJ/kg32.7 kW m Qqhh 5 1 10 kJ/h 5.6 3 600 4.96 kW c Q P 15 1 570 kJ/kg450 kJ/kg1120 kJ/kg c qhh 5 C 1 10 kJ/h 0.024 8 kg/s 3 600 1120 kJ/s c m Q q q 可见，压缩蒸汽制冷循环的制冷系数（可见，压

17、缩蒸汽制冷循环的制冷系数（5.6），要明显高于压缩空气制冷循环），要明显高于压缩空气制冷循环 的制冷系数（的制冷系数（1.71），更接近逆卡诺循环的制冷系数（），更接近逆卡诺循环的制冷系数（6.33），因此，目前），因此，目前 使用的压缩制冷循环，绝大部分都采用压缩蒸汽制冷循环。使用的压缩制冷循环，绝大部分都采用压缩蒸汽制冷循环。 第第11章制冷循环章制冷循环 一、制冷剂热力性质一、制冷剂热力性质 1. 对应制冷装置工作温度（蒸发温度、冷凝温度）的饱和压力适中对应制冷装置工作温度（蒸发温度、冷凝温度）的饱和压力适中蒸发压蒸发压 力过低，造成密封问题；冷凝压力过高，提高材料耐压要求，成本增加；力

18、过低，造成密封问题；冷凝压力过高，提高材料耐压要求，成本增加； 2. 汽化潜热大汽化潜热大提高单位质量工质的制冷能力；提高单位质量工质的制冷能力； 3. 临界温度应高于环境温度临界温度应高于环境温度使冷却过程更可能接近等温过程；使冷却过程更可能接近等温过程； 4. 蒸汽比体积小，传热性能好蒸汽比体积小，传热性能好使装置更加紧凑；使装置更加紧凑； 5. 三相点低于制冷循环下限温度三相点低于制冷循环下限温度避免出现凝固现象，堵塞管路；避免出现凝固现象，堵塞管路； 6. 上、下界限线（在上、下界限线（在T-s图）陡峭，使冷凝更接近定温放热，并可减少节流引图）陡峭，使冷凝更接近定温放热，并可减少节流引

19、 起制冷能力损失。起制冷能力损失。 114 制冷剂性质制冷剂性质 第第11章制冷循环章制冷循环 二、制冷剂其他性质二、制冷剂其他性质 1.对环境友善；对环境友善； 2.安全无毒；安全无毒； 3.溶油性好，化学稳定性好，等等。溶油性好，化学稳定性好，等等。 第第11章制冷循环章制冷循环 一、吸收式制冷循环一、吸收式制冷循环 CC HPH COP QQ QWQ 115 其他制冷循环其他制冷循环 优点：功耗小，只有一个溶液泵优点：功耗小，只有一个溶液泵 耗功，可以利用品位较低的余热耗功，可以利用品位较低的余热 资源，实现废热利用；资源，实现废热利用； 缺点：性能系数较低，通常在缺点：性能系数较低，通

20、常在1 1 左右，设备体积大，只适用于冷左右，设备体积大，只适用于冷 负荷稳定的场合。负荷稳定的场合。 第第11章制冷循环章制冷循环 qcq0 q0 qH ww Tc T0 T0 TH c q w 制冷制冷 系数系数 制热制热 系数系数 0 1 H qwq ww 制冷制冷 热泵热泵 116 热泵循环热泵循环 第第11章制冷循环章制冷循环 蒸气压缩式热泵蒸气压缩式热泵装置装置 T0 房间房间 第第11章制冷循环章制冷循环 热泵热泵lnp-h图及计算图及计算 T s 1 2 3 4 5 lnp h 1 2 3 4 5 0 q H q w 01514 qhhhh 24H qhh 24 21 H qh

21、h whh 21 whh 第第11章制冷循环章制冷循环 主要供暖方式主要供暖方式 热用户热用户 燃煤、燃气燃煤、燃气 锅炉锅炉 集中供热集中供热 直接电采暖直接电采暖 （蓄热锅炉、（蓄热锅炉、 地板辐射、地板辐射、 电热膜）电热膜） 热泵（空气热泵（空气 源、水源）源、水源） 第第11章制冷循环章制冷循环 能量利用系数能量利用系数 直接电直接电 100%100% 电厂电厂 发电发电33%33% 损失损失67%67% 房间房间33%33% 锅炉锅炉100%100% 锅炉锅炉 效率效率70%70% 房间房间70%70% 损失损失30%30% 热热 泵泵 热泵热泵100%100% 电厂电厂 发电发电

22、33%33% 损失损失67%67% 房间房间130%130% COP=4COP=4 第第11章制冷循环章制冷循环 热泵热泵 水源热泵系统水源热泵系统 地下井水热源地下井水热源 热泵热泵 地表水热源地表水热源 第第11章制冷循环章制冷循环 土壤源热泵系统土壤源热泵系统 第第11章制冷循环章制冷循环 水平管和水平管和螺旋管螺旋管闭式系统闭式系统 第第11章制冷循环章制冷循环 垂直环路闭式系统垂直环路闭式系统 第第11章制冷循环章制冷循环 循环总结循环总结 循环循环 动力循环动力循环 （正循环）（正循环） 制冷或热泵循环制冷或热泵循环 （逆循环）（逆循环） 气体动力循环气体动力循环 蒸汽动力循环蒸汽

23、动力循环 内燃机循环内燃机循环 燃气轮机循环燃气轮机循环 定压加热定压加热 定容加热定容加热 混合加热混合加热 布雷顿循环布雷顿循环 朗肯循环朗肯循环 目标：把热能转换成目标：把热能转换成 机械能（电能）机械能（电能） 目标：实现热能由低温物目标：实现热能由低温物 体向高温物体的转移。体向高温物体的转移。 压缩式制冷循环压缩式制冷循环 吸收式制冷循环吸收式制冷循环 吸附式制冷循环吸附式制冷循环 蒸汽喷射式制冷循环蒸汽喷射式制冷循环 压缩气体制冷循环压缩气体制冷循环 压缩蒸汽制冷循环压缩蒸汽制冷循环 第第11章制冷循环章制冷循环 第第11章章 小结小结 1. 压缩空气制冷，分析、计算、回热；压缩

24、空气制冷，分析、计算、回热； 2. 压缩蒸汽制冷，分析、计算；压缩蒸汽制冷，分析、计算； 3. 热泵循环热泵循环 第第11章制冷循环章制冷循环 一、简单压缩空气制冷循环一、简单压缩空气制冷循环 1 2 绝热压缩绝热压缩 2 3 等压冷却等压冷却 3 4 绝热膨胀绝热膨胀 4 1 等压吸热等压吸热 p v 32 1 4 T s Tc T0 1 2 3 4 逆布雷顿循环逆布雷顿循环 s s p p 2 1 p p 循环增压比循环增压比 第第11章制冷循环章制冷循环 制冷系数（制冷系数（the coefficient of performance COP） 023 qhh C14 qhh net0 21342314 ctc wwwqq hhhhhhhh C net q w 41