项目1-制冷循环原理

项目1：制冷循环原理

1.1逆向可逆循环

工质循环方式：

正向循环(亦称动力循环)逆向循环:分可逆循环及不可逆循环。

可逆循环:一种理想循环，它不考虑工质在流动和状态变化过程中的各种损失。

不可逆循环:工质循环过程中考虑了各种损失（制冷剂在流动内部摩擦及换热器存在传热温差）。项目1：制冷循环原理

1.1逆向可逆循环1.1.1逆卡诺循环——

逆卡诺循环是可逆的理想制冷循环

逆卡诺循环组成：绝热压缩过程1'—2'，制冷剂的温度由T0'升至Tk'，外界输入功w；等温冷凝过程2'—3'，制冷剂在等温Tk'向高温热源放出热量qk'；绝热膨胀过程3'—4'，制冷剂的温度由Tk‘降至T0’，膨胀机输出功we；

等温蒸发过程4'—1'，制冷剂在等温T0'吸收低温热源中的热量q0'项目1：制冷循环原理

1.1逆向可逆循环

1.1.1逆卡诺循环

从低温热源吸收的热量为：

q0'

=T0'(Sa—Sb)(kJ／kg)

向高温热源放出的热量为:

qk'

=Tk′(Sa—Sb)(kJ／kg)

外界输入压缩机的功为：

wc=w－we=qk'－q0'=(Tk'－T0')(Sa—Sb)(kJ／kg)

制冷系数ε：

εc=q0'/wc=T0'(Sa—Sb)/(Tk'－T0')(Sa—Sb)

=T0'/(Tk'－T0')

结论：

(1)εc仅与高、低温热源温度有关，而与制冷剂的热物理性能无关。(2)T0‘升高，Tk’降低时，εc增大。(3)在恒定的高、低温热源区间，逆卡诺循环的制冷系数εc最大。

项目1：制冷循环原理

1.1逆向可逆循环

1.1.1逆卡诺循环如逆卡诺循环在冷凝器和蒸发器中存在传热温差(外部不可逆)各为ΔTk和ΔT0。则该逆卡诺循环多消耗的功为面积2’233’2‘和11’4’41；减少的制冷量为面积11’4’41。

具有传热温差的逆卡诺循环制冷系数εc'为:

εc'

=T0/(Tk－T0)

=T0'

－ΔT0/(Tk'－T0')+（ΔTk+ΔT0）由于εc‘

<εc因此：具有传热温差的不可逆循环的制冷系数，总小于相同热源温度时的逆卡诺循环制冷系数。

项目1：制冷循环原理

1.1逆向可逆循环1.1.1逆卡诺循环结论：实际循环的制冷系数总小于相同热源温度时的逆卡诺循环制冷系数。

而一切实际制冷循环均为不可逆循环。

可用热力完善度大小反映实际制冷循环接近逆卡诺循环的程度。

热力完善度η=εc'/εc项目1：制冷循环原理

1.1逆向可逆循环1.1.2热泵循环热泵---

用来供热的逆向循环装置。

1kg制冷剂在每次循环中向高温热源放出的热量为；

qk'=q0'+wc

逆卡诺循环的热泵供热系数：

μc=qk'/wc=(wc+q0')/wc=1+εc'=TK'/(Tk'－T0')

结论：热泵系数恒大于1，这说明热泵装置在高温热源的放热量始终大于耗功量。

热泵供热比直接用电供热省能，它是一种省能的供热方法

项目1：制冷循环原理

1.2单级蒸气压缩式理论制冷循环

1.2.1循环工作原理

逆卡诺循环是理想制冷循环，它无法实现。理论制冷循环的主要设备以及循环过程在T—S图上的如图示

项目1：制冷循环原理

1.2单级蒸气压缩式理论制冷循环

1.2.1循环工作原理

组成理论制冷循环的主要设备：压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀。理论制冷循环的热力过程：

制冷剂气体在压缩机中的绝热压缩过程，1-2制冷剂气体在冷凝器中定压放热过程，2-3制冷剂液体在膨胀阀节绝热膨胀过程，3-4制冷剂液体在蒸发器中定压吸热过程，4-1。

理论制冷循环与逆卡诺循环不同之处：

1．制冷剂在冷凝器和蒸发器中按等压过程循环，而且具有传热温差；2．采用膨胀阀代替膨胀机；3．压缩机吸人饱和蒸气而不是湿蒸气。项目1：制冷循环原理

1.2单级蒸气压缩式理论制冷循环1.2.1循环工作原理

逆卡诺循环：1'2'3'4'1

具有温差的逆卡诺循：

1"2"3"4"1"，理论制冷循环：

12341。

项目1：制冷循环原理

1.2单级蒸气压缩式理论制冷循环1.2.1循环工作原理1、用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失

损失了膨胀功：wc

=h3－h4"

(相当于面积34“03)减少了制冷量：Δq01=h4－h4"

(相当于面4"4bc4")节流过程h3=h4

节流损失------制冷剂在绝热膨胀中的作功能力全部用来克服绝热节流过程中的各种阻力损失，而这些损失最终转化为热量，被流过膨胀阀的制冷剂吸收，减少了制冷能力。

结论：a、增加了制冷循环的耗功量wc；b、损失了制冷量Δq01；c、使制冷系数和热力完善度有所下降。

项目1：制冷循环原理

1.2单级蒸气压缩式理论制冷循环1.2.1循环工作原理

2、用干压缩代替湿压缩后的饱和损失

饱和损失：压缩机吸人湿蒸气

，多消耗功量，使制冷系数和热力完善度的降低的损失。

压缩机吸人湿蒸气，湿蒸气中的液体制冷剂将在蒸发器中继续吸热汽化，增加了制冷量Δq02(面1“1ad1”)，同时也增加了耗功量wb(面积122“1”1)。比逆卡诺循环多消耗多消耗相当于面积522“5的功量，结果制冷系数和热力完善度的降低。项目1：制冷循环原理

1.2单级蒸气压缩式理论制冷循环1.2.2液体过冷和吸气过热对制冷循环的影响

1、液体过冷对制冷循环的影晌

过冷温度：温度T3(或用t3表示)

过冷度：

(Tk－T3)

分析：

a、过冷液体节流比饱和液体节流增加了制冷量Δq03b、没有增加压缩机的耗功量c、液体过冷能增加循环的制冷系数。εc=q0+Δq03/w

>q0/w

过冷温度：

一般比冷凝温度低5℃左右项目1：制冷循环原理

1.2单级蒸气压缩式理论制冷循环1.2.2液体过冷和吸气过热对制冷循环的影响

2、吸气过热对制冷循环的影响吸气过热温度温度：T1(Tl>T0)吸气过热度：(Tl－T0)

提高压缩机的吸气过热度：

a、能增加制冷量Δq04；b、增加了压缩机的耗功量Δw；c、制冷系数的变化，取决于Δq04/

Δw值是否能大于理论循环的制冷系数q0/w值。项目1：制冷循环原理

1.2单级蒸气压缩式理论制冷循环1.2.2液体过冷和吸气过热对制冷循环的影响结论：

1、吸气过热度增加，能提高制冷系数的制冷剂为：氟利昂12等；

2、吸气过热度增加，降低制冷系数的制冷剂为：而对氨氟利昂11、氟利昂22等。，

蒸气具有一定的过热度，能进一步防止在气缸中产生液击现象

吸气过热度：氮：一般在3～5℃之内氟利昂：在10—40℃范围之内项目1：制冷循环原理

1.2单级蒸气压缩式理论制冷循环

1.2.3回热制冷循环

制冷剂液体过冷和吸气过热是利用流出蒸发器的低温饱和蒸气与流出冷凝器的饱和液体通过热交换器（回热器）的传热过程而产生。

回热循环特别适用于增加吸气过热度能提高其循环制冷系数制冷剂，例如氟利昂12等，对于氨制冷剂不采用回热循环。项目1：制冷循环原理

1.2单级蒸气压缩式理论制冷循环1.2.3、回热制冷循环

在回热循环的热交换器中，制冷剂过冷时的放热量等于其过热时的吸热量(即图中面积1'1cdl'等于面积44'034)。项目1：制冷循环原理

1.3单级蒸气压缩式理论制冷循环热力计算1.3.1制冷剂的压-焓图(lgP-h图)c点：临界点；c点左侧的粗实线：饱和液体线，干度x=0；c点右侧的粗实线：饱和蒸气线(或称干饱和蒸气线)，干度x=1；饱和液体线的左侧区：过冷液体区饱和蒸气线的右侧区：过热蒸气区两条饱和线之间区：湿蒸气lgP-h图中绘出了六种等状态线簇，即：等压、等焓、等温、等比容、等熵和等干度线。项目1：制冷循环原理

1.3单级蒸气压缩式理论制冷循环热力计算1.3.2热力计算理论制冷循环组成：1—2为绝热压缩过程，2－3为压冷凝过程，3－4为绝热节流过程，4－1为等压蒸发过程。制冷剂在蒸发器中的单位质量制冷量为：q0=h1－h4(kJ／kg)压缩机的单位质量绝热压缩耗功量为：w=h2－h1(kJ／kg)制冷剂在冷凝器中的单

位质量放热量为：qk=h2－h3(kJ／kg)项目1：制冷循环原理

1.3单级蒸气压缩式理论制冷循环热力计算1.3.2热力计算制冷剂节流前、后的焓值不变：h3=h4(kJ／kg)单位容积制冷量qv-----压缩机每吸人1m3制冷剂蒸气所产生的制冷量。

qv=q0/v1(kJ／m3)

式中，v1为压缩机吸人蒸气的比容m3/kg。制冷剂的质量循环量：

Mr=Q0/q0(kg/s)

式中，制冷循环的总制冷量为Q0(Kw）压缩机的吸气体积流量为

：Vr=Mrv1=Q0/qv(m3/s)冷凝器的热负荷Qk为：Qk=Mrqk=Mr（h2－h3）(kW)压缩机的理论耗功率N为：N=Mrw=Mr（h2－h1）(kW)理论制冷系数ε为：ε=Q0/N=

（h1－h4）/（h2－h1）项目1：制冷循环原理

1.4双级蒸气压缩式理论制冷循环

1.4.1采用双级循环的必要性

单级蒸气压缩式制冷循环蒸发温度降低时，出现以下现象：

(1)节流损失增加，制冷系数下降。(2)压缩机的排气温度上升(t2'>t2)。(3)压缩机运行时的压力比增大(Pk/P0‘>Pk/P0)，容积效率下降。

中、小型活塞式制冷压缩机标准规定：R717单级制冷循环的压力比Pk/P0不得超过8，R22和R12制冷剂的压力比不得超过10，项目1：制冷循环原理

1.4双级蒸气压缩式理论制冷循环

1.4.1采用双级循环的必要性

单级压缩制冷循环的最低蒸发温度见下表项目1：制冷循环原理

1.4双级蒸气压缩式理论制冷循环1.4.2循环原理

一、一次节流、完全中间冷却的双级压缩制冷循环

一次节流、完全中间冷却的双级压缩与单级压缩制冷循环的主要区别是：

1、大部分制冷剂在高、低压级两只气缸中进行压缩；2、高、低压级压缩机中的制冷剂质量循环量不相同；3、两级制冷循环系统中，必须增设中间冷却器和膨胀阀。

项目1：制冷循环原理

1.4双级蒸气压缩式理论制冷循环1.4.2循环原理

一、一次节流、完全中间冷却的双级压缩制冷循环

循环过程如图所示，当蒸发温t0较低时，采用双级循环可达到以下目的：（1）降低压缩机的排气温度(t4<t4')；（2）降低压力比(高压级压缩机为Pk/Pm，低压级压缩机为Pm/P0，均小于单级压力Pk/P0)；（3）减少节流损失(因为膨胀阀2前的制冷剂已充分过冷，节流后的干度X8较小)。项目1：制冷循环原理

1.4双级蒸气压缩式理论制冷循环1.4.2循环原理

二、一次节流、不完全中间冷却的双级压缩制冷循环该循环与与完全中间冷却的主要区别在于：低压级压缩机排出的过热蒸气(状态2)不进人中间冷却器冷却，而直接与来自中间冷却器的饱和蒸气(状态3‘)相混合，然后再被高压级压缩机吸人并压缩。制冷循环增设了过冷器(即回热热交换器)，使流出蒸发器的低温蒸气由t0升至t1，而流出中间冷却器的过冷液体(状态7)再进一步过冷至状态8。项目1：制冷循环原理

1.4双级蒸气压缩式理论制冷循环1.4.2循环原理

二、一次节流、不完全中间冷却的双级压缩制冷循环循环过程如图所示。

结论：一次节流、不完全中间冷却的双级压缩制冷循环适用R12，R22等氟利昂制冷系统，一次节流、完全中间冷却的双级压缩制冷循环主要用于氨制冷系统。

项目1：制冷循环原理

1.5复叠式蒸气压缩制冷循环采用一种制冷剂循环制取低温度时将出现一些难以克服的困难：

(1)任何制冷剂，当蒸发温度降低时，其蒸发压力也必然降低。

实验证明，当蒸发压力低0．015MPa左右时，制冷剂蒸气将无法克服吸气阀片的阻力而进入气缸。在此压下制冷剂R12的最低蒸发温度约为－67℃，R22为－75℃，R717为－65℃。

(2)任何制冷剂，当蒸发温度很低时，其比容就很大，过大的比容必然增大了压缩机吸气体积量，使制冷压缩机的体积增加。项目1：制冷循环原理

1.5复叠式蒸气压缩制冷循环

1.5.1循环组成及原理：循环组成：两个或两个以上的单级制冷循环所组成。

而且在两个制冷系统中充加不同性质的制冷剂，它既能满足在较低蒸发温度时有合适的蒸发压力，又能满足在环境温度条件下冷凝时具有适中的冷凝压力。如图示由两个单级循环组成的复叠式制冷循环：

左侧制冷系统运行时的区间温度较高，称高温级，常用的制冷剂为R22或R12。右侧制冷系统运行时的温度区间较低，称低温级，常用的制冷剂为R13和R503(共沸混合制冷剂，R23／R13，40．1／59．9)。项目1：制冷循环原理

1.5复叠式蒸气压缩制冷循环

1.5.1循环组成及原理高温级若采用R22制冷剂

冷凝温度tk=35℃冷凝压力Pk=1．35Mpa蒸发温度t0=30℃蒸发压力P0=0．16Mpa高温级的压力比为：Pk/P0=1．35/0.16=8.43低温级若采用R13制冷剂考虑R22和R13两种制冷剂在蒸发冷凝器中的传热温差为5℃，则低温级：冷凝温度tk＇=－25℃冷凝压力Pk＇=0．99Mpa蒸发温度t0＇=－80℃蒸发压力P0＇=0．11Mpa低温级的压力比为：Pk＇/P0＇=0．99/0．11=9．0

可见，只要选用两种合适的制冷剂，由两个独立的单级循环所组成的复叠式制冷循环，均能在合适的冷凝温度、蒸发温度和压力比条件下正常运行。项目1：制冷循环原理

1.5复叠式蒸气压缩制冷循环1.5.1循环组成及原理使用三种制冷剂，即R22(高温级)、R13(中温级)、R14(低温级)复叠循环时，可获得－120℃低温。各级运行的工况参数见下表：项目1：制冷循环原理

1.5复叠式蒸气压缩制冷循环

1.5.1循环组成及原理采用复叠式制冷循环应该注意的问题：

1、低温级必须装设油分离器，尽量减少进入蒸发器中的油量，以免油凝固。提高压缩机的吸气过热度，不使润滑油因温度过低而影响它的流动性。

2、以R22和R13为制冷剂复叠循环制冷系统，除装有常规的设备外，它还装有单向阀、毛细管和膨胀容器等设备。

因为R13的临界温度极低(28．8℃)，停机后，若环境温度超过28．8℃时，R13会全部气化为过热蒸气，压力达到临界值(3．88MPa)。膨胀容器能收容系统中的R13制冷剂。

3、复叠式制冷循环制取的温度越低，设备也越复杂和庞大，投资和运行费用也大量增加。若要制取-120℃以上的低温，需用其他方法制取。

项目1：制冷循环原理

1.6吸收式制冷循环循环的组成：

由发生器、冷凝器、节流机构、蒸发器和吸收器等。工作物质：

“工质对”——是两种沸点不同的物质组成的二元混合物，其中沸点低的物质为制剂，沸点高的物质为吸收剂。

在氨水溶液为工质对的吸收式制冷机中，氨为制冷剂，水为吸收剂。在溴化锂吸收式制冷机中，水为制冷剂，溴化锂为吸收剂。

吸收式制冷与蒸气压缩式制冷的不同点：

吸收式制冷将低压蒸气变为高压蒸气所采用的方式，压缩式制冷机是通过压缩机完成，而吸收式制冷机则是通过发生器、节流阀、吸收器和溶液泵来完成。

项目1：制冷循环原理

1.6吸收式制冷循环循环原理：以氨吸收式制冷机为例：

在发生器中利用工作蒸汽加热浓度较大的氨水溶液时，由于氨的沸点比水低，被加热时首先沸腾，形成一定压力和温度的氨蒸气进入冷凝器，被冷却水冷却，凝结成氨液。氨液经膨胀阀节流后进入蒸发器，吸收被冷却剂的热量而气化。气化后的氨气进入吸收器，在其中被稀的氨水溶液所吸收，吸收过程产生的热量由冷却水带走，吸收的结果使溶液的浓度增加了。然后由溶液泵将吸收器里的浓溶液送人发生器，在发生器中氨不断气化，溶液含氨量不断减少而浓度降低，成为稀溶液。稀溶液降压后进人吸收器，吸收来自蒸发器的氨蒸气而浓度增加。如此循环，不断制冷。

项目1：制冷循环原理

1.6其它制冷方法其它制冷技术：

蒸汽喷射式制冷声能制冷、热管式制冷、磁制冷、吸附式制冷，

空气压缩制冷地温制冷等。项目1：制冷循环原理

1.6其它制冷技方法

1.6.1蒸汽喷射式制冷——是利用高压蒸汽的喷射、引射及扩压作用实现对蒸汽的压缩。（1）基本组成

主要由喷射器、冷凝器、蒸发器、，节流阀、泵等组成，（喷射器又由喷嘴、吸入室、扩压器三部分组成，）

蒸汽喷射器具有相当于真空泵和压缩机的两种功能。它既可以抽吸蒸发器内产生的制冷剂蒸汽，来维持蒸发器所需的真空度，又可借助扩压管对气流的降速增压的作用，将制冷剂蒸汽的压力由蒸发压力提高到所需的冷凝压力，使之能在常温中被冷凝。项目1：制冷循环原理

1.6其它制冷技方法1.6.1蒸汽喷射式制冷

（2）工作原理

锅炉来的高温、高压蒸汽(工作蒸汽)进入喷射器，在喷嘴中膨胀，在喷嘴出口处得到1000m/s以上的流速，并得到很低的压力(例如，蒸发温度为5℃，相应的压力为0．87kPa)。

蒸发室水汽化时需从未汽化的水中吸收汽化潜热，因而使未汽化水的温度降低，这部分低温水便可用于空气调节或其他生产工艺过程。

蒸发器中产生的制冷剂蒸汽和工作蒸汽在喷嘴出口处混合，一起进入扩压器，在扩压器中蒸汽压力升高然后进入冷凝器，与外部的冷却水交换热量，冷凝成液体，从冷凝器下部排入冷却水池，作为循环冷却水的补充水使用。项目1：制冷循环原理

1.6其它制冷技方法

1.6.1蒸汽喷射式制冷

蒸汽喷射式制冷优、缺点：

优点：设备结构简单；一次投资低，设有运动部件，使用寿命长；操作、维修比较容易；以水为制冷剂，运行安全可靠。

缺点：蒸汽和冷却水消耗量比较大，制冷效率低；运行时噪声大等。

蒸汽喷射式制冷装置对有大量废热的轻纺、化工、冶金等工厂企业，可作空调冷源，制取冷冻水的温度范围为2～20℃。

项目1：制冷循环原理

1.6其它制冷技方法1.6.2声能(热声效应)制冷技术

声能制冷技术它的理论是热声效应。热声效应——是指热和声之间的相互作用。

声介质在机械振荡的同时，经历了一个热力学循环过程，在适当的条件下，其循环的结果将能实现热能与机械能间的相互转换，从而产生制冷效果。项目1：制冷循环原理

1.6其它制冷技方法1.6.3热管式制冷技术

热管——是一种在密闭管道中，使液体经二相变化的循环流动，将热量从热管一端高效地传送到另一端。图(a)为重力回流式热管，由金属密封外壳构成，抽真空，内装工作液体(如水、氨、氟利昂等)，垂直放置。当管子下部吸热时，管内液体在真空中迅速蒸发，蒸气上升到上部冷却成液体，放出蒸发潜热。液体在重力作用下沿管壁回流下部。如此不断地循环传热。

项目1：制冷循环原理

1.6其它制冷技方法1.6.3热管式制冷技术图(b)为带有吸液芯的回流式热管，它在热管内壁上敷设毛细管道，靠毛细管作用迁移液体，以代替液体的重力回流方式。

热管的放置和传热方式就可以不拘泥于垂直放置和由下向上传热的途径。图中吸热段为液体蒸发，绝热段为保温，放热段为气体冷凝。项目1：制冷循环原理

1.6其它制冷技方法1.6.4、磁制冷技术主要是利用随着磁熵变化伴随的吸热或放热现象实现制冷。

磁熵是温度T和磁场B的函数变化。

法一：在顺磁场状态下对磁性物质施加外磁场，有意识地控制磁熵，实现吸热和放热，称为能动用法。磁制冷便是属于这一方法。法一：是在磁相变温度Tc附近改变磁性物质的温度。后者是改变在Tc附近磁性物质的温度，利用相变时出现的较大的磁热容，称之为被动用法。为了实现制冷循环，只要首先在高温环境中对工质施加外场，并等温地实现随着熵的减少而进行放热；然后在低温下撤除外场，让工质进行等温吸热；最后在这两个过程之间用适当的过程加以连接，就可以完成制冷操作。项目1：制冷循环原理

1.6其它制冷技方法

1.6.5吸附式制冷

——这种制冷装置使用时具有不消耗电能、无噪声、结构简单，运行管理方便等优点。

（1）基本组成

装置的壳体全部用金属材料制成。在沸石盒内盛有沸石分子筛并充有一定数量的水。

沸石分子筛是一种铝硅盐矿物，具有强烈的吸水性，沸石的吸附水量对温度特别敏感，微小的温度变化将导致吸附量的较大改变，从而导致封闭系统中压力的较大变化，利用沸石温度变化，便可起到压缩机的作用。项目1：制冷循环原理

1.6其它制冷技方法1.6.5吸附式制冷（2）工作原理

白天，沸石在密封的容器内被太阳加热，含水沸石在吸取热量(太阳供给)后，即开始脱附水蒸气，随之系统中的分压力开始升高。当分压力达到与环境温度所对应的饱和压力时，水蒸气在冷凝器中凝结成水。流入储水箱(蒸发器内)。夜间，环境温度降低，沸石也随着冷却，其吸附水蒸气的能力也逐步提高。于是吸附储水箱中的水蒸气，并造成系统中真空状态(可达0．266kPa或更低)。此时的储水箱便成为蒸发器，使水在低温下蒸发(只要系统压力低于0．6kPa，水将在0℃以下蒸发)，吸收被冷却物体或空间的热量，从而达到了制取冷量的目的。

项目1：制冷循环原理

1.6其它制冷技方法1.6.6热电制冷（半导体制冷）——它是一种利用热电制冷效应的制冷方法。其主要的基本理论是西伯克(Seebeck)效应和帕尔帖(Peltier)效应。

（1）西伯克效应

在由两种不同的导体组成的开路中，如果导体的两个结点存在温度差开路中将产生电动势E。

温度越高，转移的电子越多，电位差越大。若已知一个结点的温度，测量该电势，就能求出另一结点的温度。这就是热电偶测温的基本原理。

项目1：制冷循环原理

1.6其它制冷技方法1.6.6