高等工程热力学 制冷循环

制冷循环综述能源与动力工程学院周帆(513108001724)动力循环与制冷（热泵)循环区别•

制冷循环输入功量（或其他代价），从低温热源取热•动力循环

输入热量,通过循环输出功

•热泵循环输入功量（或其他代价），向高温热用户供热—正循环—逆循环—逆循环制冷循环和制冷系数COP(CoefficientOfPerformance)T0环境T2冷库卡诺逆循环q1q2wTsT2T0T0不变,T2

εCT2不变,T0

εC制冷能力和冷吨生产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走的热量(kJ/s)。商业上常用冷吨来表示。1冷吨：1吨0°C饱和水在24小时内被冷冻到0°C的冰所需冷量。水的凝结（熔化）热

r=334kJ/kg1冷吨（RT)=3.86

kJ/s1美国冷吨=3.517

kJ/s制冷循环种类

空气压缩制冷压缩制冷蒸气压缩制冷吸收式制冷制冷循环

吸附式制冷蒸汽喷射制冷半导体制冷热声制冷√√

1.空气压缩制冷循环冷却水膨胀机压缩机冷藏室冷却器3214P-v图和T-s图1

2绝热压缩2

3等压冷却3

4绝热膨胀4

1等压吸热

pv3214TsT2T01234逆向布雷顿制冷循环sspp空气压缩制冷循环过程工质（制冷剂）：空气1

2绝热压缩p

T2

3等压冷却向环境放热，T3

4绝热膨胀T<T1（冷库）4

1等压吸热T

T1理想化处理：①理想气体；

②定比热;

③可逆；制冷系数Ts1234关于逆向布雷顿循环研究的进展1977年，Andresen等首次把以寻求更实际、更有用的性能界限，以寻找循环的最优性能及实现目标的最优途径的研究称为“有限时间热力学”。之后的几十年，国内外的很多学者都对该领域进行了深入的研究，进一步获得了许多更合乎实际的性能界限，逐步把经典热力学理论延伸，使之包含各种现实的不可逆效应。国内学者张万里等考虑采用逆向布雷顿制冷循环冷却压气机进气的开式燃气轮机循环中工质在流动过程中的压力损失，建立了相应动力装置的热力学模型，分别给出了相关表达式，分析了压气机入口相对压力损失、制冷循环对循环最优功率和效率特性的影响。空气压缩制冷循环特点

优点：工质无毒，无味，不怕泄漏。

缺点：1.无法实现定温吸热放热，偏离逆向卡诺循环

，降低经济性2.制冷量不大，q2=cp(T1-T4)，空气cp很小，(T1-T4)不能太大，q2很小。若(T1-T4)3.活塞式流量m小，制冷量Q2=m

q2小，

使用低压比大流量叶轮式压气机，回热则可用。

2.蒸气压缩制冷循环

水能用否？0°C以下水是凝固态不能流动。一般用低沸点工质（氟利昂、氨、R22等）作制冷剂，在低温下定压汽化吸热制冷，因为湿蒸气区定压即是定温过程。沸点：水100°CR22-40.8°CR134aTHR01-26.1°C-30.18°C蒸气压缩制冷循环T-S图Ts12345蒸发器中吸热量

冷凝器中放热量

制冷系数

两个等压，热与功均与焓有关

lnp-h图Lnp-h图

过冷措施Ts12345lnph123455’4’不变4’5’工程上常用拓展斯特林制冷循环斯特林制冷机是利用膨胀气缸内气体周期性膨胀和压缩来制取冷量的一种气体机械制冷机，其理论制冷效率为同温限卡诺效率。斯特林制冷与传统的蒸气压缩节流制冷有极大的不同，斯特林制冷技术一般采用整体式斯特林制冷机作为冷源，其原理是氦气膨胀制冷，因而无节流系统和蒸发器。相对于传统的蒸汽压缩节流制冷系统，采用斯特林制冷系统具有高效率、“绿色”制冷剂、制冷温区广等特点在环保及节能方面具有明显的优势。斯特林制冷机应用于当前商业制冷的关键技术及分类首先，设计和制造高效率、长寿命、大冷量的斯特林制冷机是斯特林制冷机商业化应用的关键之一。其次，斯特林制冷机冷头到制冷空间的冷量传递是影响系统整体效率的重要因素，也很有必要进行详细研究。大冷量中高温区斯特林制冷机主要有两种结构。一种是采用普通的旋转电机和曲柄连杆结构；另一种是自由活塞斯特林制冷机(FPSC)结构。对于小型制冷系统(Q<200W)来说，倾向于采用自由活塞结构(FPSC)；对于中型制冷系统(200W<Q<2000W)来说，采用曲柄连杆结构较为方便；对于大型制冷系统，如冷库及空调系统来说，目前的斯特林制冷技术还不具有优势。冷量传递技术分析与小结1)直接式

2)热虹吸式

3)液体泵循环三种传递技术适用情况1)在小冷量、小空间制冷系统中宜用直接式2)在大冷量、大空间制冷系统中宜采用低温液体泵循环系统；3)在高效率制冷系统中宜采用热虹吸冷量传递系统。其中热虹吸冷量传递与自由活塞斯特林制冷机(FPSC)结合是未来小型斯特林制冷系统的发展方向。目前斯特林制冷在商业制冷的研究1.国外斯特林制冷用于商业制冷的研究斯特林制冷技术在商业制冷上的研究包括，大冷量中高温区斯特林制冷机的研制和斯特林制冷机在制冷系统上的应用研究。以色列IST公司与法国电力公司EDF合作研制了采用旋转电机的曲柄连杆结构的斯特林制冷机，其结构如图1所示韩国LG公司的Kim等采用自由活塞斯特林制冷机（FPSC）对60L的冰箱制冷，使冰箱内温度保持在-20℃，结果显示相对于蒸汽压缩制冷系统节能25%。牛津大学的Green等研究了使用热虹吸系统对冷头和热端传热的FPSC系统，研究结果显示比传统的制冷设备节能17%。2004年4月份日本夏普公司计划在VM(VendingMachine)上使用FPSC代替传统的Rankine制冷系统2004年，室外用品商日本Coleman公司(东京)已经投产配备FPSC的小型冰柜“PortableFreezerCooler25L”，而日本Twinbird公司的FPSC汽车冰箱也于2004年底上市。图5即为Twinbird公司生产的FPSC汽车冰箱实物图。

国内斯特林制冷用