在熱能工程領域內，除了各種熱能動力裝置外，還有一類重要的能量轉換設備，就是制冷裝置。它用于實現從溫度較低的物體吸出熱量而釋放給溫度較高的環境，從而使物體的溫度降低到環境溫度以下并維持其較低溫度。由熱力學第二定律可知，熱量從低溫傳至高溫是一非自發過程，該過程必然要有功量轉變為熱量或熱量從高溫傳向低溫的自發過程伴隨發生才能常見的制冷裝置有空氣壓縮制冷裝置、蒸氣壓縮制冷裝置、蒸氣噴射制冷裝置和吸收式制冷裝置。各類制冷裝置所用熱泵是一種由低溫環境吸取熱量而向溫度較高的物體供給熱量的設備。熱泵的工作循環實際上和制冷裝置的工作循環基本一樣，只是其工作目的和溫度范圍不同，工作性能指標也有本章主要討論空氣壓縮制冷裝置及蒸汽壓縮制冷裝置的理想循環，也適當介紹其它制冷裝置的工作循環及有關熱泵和制在一定的冷庫溫度及環境溫度下工作的最簡單的制冷循環是逆向卡諾循環。如圖11-1所示，工質先經絕熱膨脹過程1-2而降溫至冷庫溫度T2，接著在定溫吸熱過程2-3中從低溫物體吸熱，然后經絕熱壓縮過程3-4，工質的溫度升高至環境溫度T1，接著在定溫放熱過程4-1中向環境放熱。從而完成逆向卡諾循環。該循環中系統消耗凈功 w0，從冷庫中的低溫物體吸熱q2，而向溫度較高的環境放熱q1。這里按照習慣，仍用q2表示工質與低溫熱源交換的熱量，用q1表對消耗機械功而實現制冷的制冷循環的工作有效程度的評價式(11-1)及(11-2)說明：在一定的環境溫度T1的條件下，冷庫的溫度T2越低，逆向卡諾循環的制冷系數就越小，循環消耗的凈功就越大。反之，冷庫的溫度T2稍高一些，制冷系數就可以大一些，而循環消耗的凈功就可小一些。由逆向卡諾循環所得的上述結論，對于各種制冷循環都具有重要的指導意義。因此，在保證必須的冷凍條件的情況下，為了避免無謂地消耗過多的機械功，制冷裝置單位時間內從冷庫吸取的熱量稱為制冷量，也稱制冷能力，可用Q.2表示。由于制冷循環中工質從冷庫吸取的熱量.Q2＝qmq2制冷量的單位常用kW或W。此外，有些國家還常用“冷凍噸”作為制冷量的單位，它表示在24h內將1t的0℃的水完全凍結成0℃的冰所具有的制冷量。1冷凍噸等于3681.16W，1英制冷凍噸等于12000Btu/h，即相當于3516.85W。例11-1設有一臺制冷裝置，其冷庫溫度為－10℃。而環境溫度為25℃,裝置所消耗的功率N為2kW。假設按逆向卡諾循環計算，試求循環的2=例11-2若用與上題相同的制冷裝置作熱泵，從室外－10℃的環境吸取熱量，而向室內溫度為25℃的空間供熱，并仍按逆向卡諾循環計算，試 這就是說，按本題所給的條件(相當于我國北方地區的冬季條件)，利用熱泵供熱，所得熱量為耗電量的8.51倍。若把室內溫度改為17℃時，通過計算求得的供熱系數可提高到10.74，即耗電量為2kW時可得熱量21.48kW。實際制冷裝置并不是而是根據制冷裝置所采用的工質性質，按不同的制空氣可用作為制冷裝置的工質。當采用空氣作吸熱及放熱，故其吸熱及放熱過程為定壓過程?？諝鈮嚎s制置的示意圖如圖11-2所示。當外界消耗機械功驅動壓氣機工作提高了壓力和溫度的空氣從壓氣機出來后進入冷卻器，在其中進行定壓冷卻，其溫度降低到冷卻水的溫度。然后，空氣進入膨脹機，在其中進行絕熱膨脹而降壓、降溫。當溫度低于冷藏庫溫度的空氣引入冷藏庫內的換熱器中時，空氣就從其周圍物體吸熱，在定壓下其溫度升高到等于冷庫溫度，最后又被壓氣機吸出重復空氣壓縮制冷裝置的理想循環如圖11-3所示。該可逆過程組成，即絕熱壓縮過程1-2、定壓放熱過程2-3脹過程3-4和定壓吸熱過程4-1。這是一個逆向循環，其中定壓吸該循環的制冷量為定壓吸熱過程4-1中工質吸取的熱量，可w0＝(ws)1-2－(ws)3-4=(h2－h1)－(h3－h4) 該式說明：當壓氣機的增壓比(p2/p1)降低時，空氣壓縮制冷循環的制冷系數增高。實際上，由圖11-3可知，當壓氣機的增壓比降低時，該循環吸熱過程4-1的平均吸熱溫度將會提高，并且放熱過程2-3的平均放熱溫度將會降低，即兩溫度互相靠近。于是，按照上節所討論的關于逆向卡諾循環制冷系數的分析，當吸熱溫度和放熱溫度互相靠近時，制冷系數即可增高。從圖11-3還可看到，在空氣壓縮制冷循環中，吸熱過程4-1的平均吸熱溫度總是低于冷藏庫溫度T1，放熱過程2-3的平均吸熱溫度總是高于環境溫度T3，因而其制冷系數總是小于在T1、T3相同溫度下工作的逆向卡諾循環的制冷系數。這一點通過對比兩者制冷系數的公式也根據空氣壓縮制冷循環制冷量的表達式(a)，由于空氣的比熱容數值較小，故制冷量q2較小。若需加大吸熱過程4-1中空氣吸取的熱量，當冷庫溫度T1及環境溫度T2一定時，就必須降低絕此時循環的制冷系數就要有所降低。因而，空氣壓縮制冷循環的單位工質制冷量很難增大，總是比較小。為使裝置的制冷量提高，只能加大空氣的流量，例如可采用葉輪式的壓氣機和膨脹機如果需要獲得較低的溫度，則空氣壓縮制冷循環需有較大增壓比，如圖11-4中循環1-3'-5'-6-1所示。這就會使壓氣機和膨脹機的負荷加重。為此可采用回熱器，用空氣在回熱器中的預熱過程代替一部分絕熱壓縮過程，從而降低增壓比?；責崾娇諝鈮嚎s制冷裝置的示意圖及循環如圖11-4所示。圖中：1-2為空氣在回熱器中的定壓預熱過程；2-3為壓氣機中空氣的絕熱壓縮過程；3-4為冷卻器中空氣的定壓放熱過程；4-5為回熱器中空氣的定壓回熱過程；5-6為膨脹機中空氣的絕熱膨脹過程；6-1為冷藏庫的對比回熱循環1-2-3-4-5-6-1和高增壓比無回熱的制冷循環1-3'-5'-6-1，如圖11-4所示，冷藏庫中的吸熱過程6-1對于兩個循環是相同的，即兩種裝置的制冷量相同。冷卻器中空氣的定壓 放熱過程3-4和3'-5'的溫度變化范圍相同，故兩者的放熱量相同，因而按制冷系數的定義式，兩種裝置的制冷系數相同。但是，采用回熱器的空氣壓縮制冷裝置中，壓氣機的增壓比小得多，因而大大減輕了壓氣機的負荷。正是由于這個優點，使得采用回熱器的空氣壓縮制冷裝置在深度冷凍及氣體液化中獲得實際例11-3設空氣壓縮制冷裝置中壓氣機的增壓比為5，冷庫的溫度為-10℃,環境溫度為25℃,試求該裝置的制冷系數及制冷量。若增壓比降為查表得空氣的κ=1.4。按式當時，εq2＝h1－h4=∫cp0dT設比熱容為定值，由表查得cp0＝1.004kJ/(kg·K)，于是由上述計算可知，當冷庫溫度及環境溫度一定時，空氣壓縮制冷循環的制冷系數比逆向卡諾循環(按例11-1的計算結果)的制冷系數小得多。當減小空氣壓縮制冷循環的增壓比時，循環的制冷系數可以提高些，但裝置的制在飽和狀態下，濕飽和蒸氣的定壓加熱過程和定壓放熱過程就是定溫過程。因而，如果采用濕飽和蒸氣為工質，就可容易地實現定溫吸熱和定溫放熱，從而可以按逆向卡諾循環工作，以便在一定的冷庫溫度及環境溫度下獲得最高的制冷系數。此外，采用濕飽和蒸氣為工質還有一個重要的優點，由于工質在冷藏庫中吸熱時乃是靠工質汽化吸熱，而一般工質的汽化潛熱都比較大，因此以濕飽和蒸氣為工質可以得到相當大的單位質量工質的制冷但是，以濕飽和蒸氣為工質按逆向卡諾循環工作時(如圖11-6所示)，需要進行濕飽和蒸氣的絕熱壓縮過程。當濕飽和蒸氣吸入壓氣機時，工質中的飽和液體會立刻從壓氣機氣缸而汽化，使氣缸內工質的壓力突然增加，影響壓氣機吸氣，致使壓氣機的吸氣量減少而引起制冷裝置的制冷量降低。同時，在壓縮過程中未汽化的液體還可能引起液擊現象，以致損壞壓氣機。此外，濕飽和蒸氣在逆向卡諾循環的絕熱膨脹過程中，因工質中液體的含量很大，故膨脹機的工作條 而對壓縮過程及膨脹過程進行適當改進而形成的。圖11-7給出了進入壓氣機的工質是干飽和蒸氣。為了保證沒有液體進入壓氣機，工質從冷藏庫的蒸發器出來后先經過汽液分離器，把剩余未汽化的飽和液分離出來送回蒸發器，而只有干飽和蒸氣才可通過分離器進入壓氣機。這時，工質的絕熱壓縮過程如圖11-7中1-2所示，過程中工質所處的狀態除初始狀態外都是過熱蒸氣狀工質在冷凝器中的定壓放熱過程如圖中過程2-3所示。先是液體，最后是飽和液體進一步冷卻而溫度低于飽和溫度。整個放熱過程大部分仍是定溫過程，但由于還有部分是過熱蒸氣的放熱過程，所以整個放熱過程的平均放熱溫度略高于定溫放熱的溫如圖11-7中過程3-4所示，工質的降溫降壓不是通過膨脹機絕熱膨脹來實現，而是通過節流閥，利用工質絕熱節流的溫度效應來實現工質降溫。這不僅大大簡化了制冷裝置，而且便于調節冷藏庫溫度。但是由于取消了膨脹機，損失掉了原來由膨脹機產工質在冷藏庫蒸發器中的定壓吸熱過程如圖中過程4-1所示。由于工質在蒸發器中全部汽化成為干飽和蒸氣，因而增大了單位絕熱節流所引起的熵增使吸熱過程起點比熵s4增大，從而使吸熱過程的吸熱量減少，制冷量q2降低。此外，定壓放熱過程2-3中液體的放熱過程3'少，則有利于節流后工質的比熵s4相應地有所減少，從而使吸熱總的說來，由于上述蒸氣壓縮制冷循環中壓氣大，放熱過程的平均放熱溫度較高，以及絕熱節流所造成的不可逆損失等因素的影響，裝置的制冷系數比逆向卡諾循環的制冷系根據制冷裝置所用工質的熱力性質表或圖線可進行上述各項計算。計算制冷循環時經常利用lnp-h線圖。在該圖上能方便地表示定壓過程、定焓過程，且極易確定各點的焓值。圖11-8所示為lnp-h圖上的蒸氣壓縮制冷循環的循環3為定壓過程；3-4為節流過程，其初終兩態的 蒸氣壓縮制冷循環的吸熱過程為定溫過程，放熱過程也有相當一部分是定溫過程，因此其制冷系數比較接近于逆向卡諾循環的制冷系數。同時，蒸氣壓縮制冷循環是依靠工質汽化吸熱。由于汽化潛熱較大，因此蒸氣壓縮制冷裝置有較大的制冷量。正因例11-4有一臺氨蒸氣壓縮制冷裝置。若冷藏庫溫度為－10℃,冷卻水溫度為25℃,冷凝器出口氨飽和液體的溫度也為25℃,試求該裝置的制445kJ/kg。根據絕熱節流過程的性質可對比例11-1及例11-3可見，蒸氣壓縮制冷循環的制冷系數雖比逆向卡諾循環小一些，但與空氣壓縮制冷相比，蒸氣壓縮制冷循環的制冷系數及制冷為了實現制冷的目的，即從低溫物體吸收熱量高的環境，上述壓縮式制冷裝置都是以消耗機械功為代價而實現的，而蒸汽噴射制冷裝置及吸收式制冷裝置則是以高溫物體向環蒸汽噴射制冷裝置的示意圖及其理想循環的T-s圖如圖11-9所示。從鍋爐產生的高壓蒸汽1，在噴射器的噴管中經絕熱膨脹過程至狀態2而產生高速，并在噴管后的混合室中形成低壓。從冷藏庫的蒸發器來的低溫蒸汽3，被吸入混合室中并和工作蒸汽匯合成一股汽流4，然后經擴壓管，使汽流速度降低而壓力增高至狀態5，又經冷凝器定壓放熱凝結成液體狀態6。這時，一部分液體經調節閥絕熱節流降壓降溫成低溫濕蒸汽7，直接送至冷藏庫的蒸發器中吸熱制冷；另一部分液體經泵加壓后送回鍋爐加熱上述裝置的工作循環可以分作兩個循環來分析。一個是制冷循環7-3-4-5-6-7。它包括了五個過程：蒸汽在冷藏庫蒸發器內程4-5，冷凝器中放熱過程5-6及蒸汽經調節閥絕熱節流降溫的過程6-7。由制冷循環實現了從冷藏庫內低溫物體吸熱而放給溫度較高的冷卻水。另一個是工作蒸汽的正向循環1-2-4-5-6-8-1。它由六個過程組成：蒸汽在鍋爐中的定壓加熱汽化的過程8-1，蒸汽在噴管中絕熱膨脹產生高速的過程1-2；蒸汽在混合室中混合吸熱過程2-4，擴壓管中增壓過程4-5，冷凝器中定壓放熱過程溫煙氣所得的熱量，除在冷凝器中放掉的部分外，另一部分熱量 就以高速汽流的流動動能形式轉變成機械能。這部分流動動能，又在工作蒸汽驅動制冷工質時傳遞給制冷工質，而當制冷工質在擴壓管中降速而增加壓力時，這部分流動動能就成為制冷工質的焓。從此過程可以看到，制冷循環中制冷工質的壓縮升壓仍然是依靠外界消耗機械能來實現的，只是這部分機械能來自和制在蒸汽噴射制冷裝置中，是以高溫熱源向環境傳遞一定的熱量作為代價而實現制冷的，因此采用所得到的制冷量和高溫熱源所給出的熱量的比值來表示制冷循環工作的有效程度，稱為熱量.蒸汽噴射制冷裝置采用噴射器代替壓縮制冷的壓氣機，所以這種制冷裝置的設備簡單且不需要外界提供機械功。蒸汽在噴射器中流動速度很高，因此可以有很大的容積流量。這對于那些在例如，水蒸氣在10℃時飽和蒸汽的比體積為106.4m3/kg，因此不能用作壓縮式制冷的工質，但作為噴射制冷的工質卻沒有任何困難。因而，生產過程中有大量多余蒸汽的工業，常利用噴射制冷裝置來獲得2～20℃的低于環境的溫度。但噴射制冷裝置的不吸收式制冷裝置是另一種依靠高溫熱源向環境傳遞一定量作為代價而實現制冷的裝置。圖11-10所示是氨-水吸收式制冷裝置的示意圖。它采用吸收器、蒸氣發生器和泵來取代式制冷裝置的壓氣機。由于水對氨有很強的吸收作用，故該裝置常采用氨作為制冷工質而用水作吸收劑。在吸收器中，氨的水溶液吸收來自冷藏庫蒸發器的氨蒸氣。由于氨溶解時產生溶解熱，為了保持溶液的吸收能力，要用冷卻水冷卻吸收器。吸收氨后的濃溶液用泵加壓后送入蒸氣發生器。在蒸氣發生器中，溶液被加熱，使其中所溶解的氨蒸發產生氨氣，但這時所得氨氣的壓力較高。實際上，通過該過程就實現了氨氣的加壓，然后氨氣先經冷凝器冷卻凝結成氨液，再經節流閥絕熱節流降壓而溫度降至低溫，低溫的氨溶液便可重新送入冷藏庫蒸發器吸熱制冷。氨氣蒸發后蒸氣發生器中所剩的濃度較低的氨的水溶液，經調節閥節流在這種吸收式制冷裝置中，氨的加壓是靠泵完成的，顯然泵所消耗的功要比用壓氣機壓縮氨蒸氣所消耗的功要小得多。這種制冷裝置需要消耗一定的熱量來加熱蒸氣發生器，使得氨氣在較.這種吸收式制冷裝置的不可逆損失較大，其熱量利用系數較小。但吸收式制冷裝置的構造簡單，造價低廉，特別是它消耗的 功率很小，還可利用溫度不太高的生產過程的余熱來加熱蒸氣發生器，故在工廠企業中應用這種制冷裝置可節約電力的消耗，并近年來，以溴化鋰作吸收劑，以水蒸氣作制冷劑的吸收式制此外，已經有采用太陽能作為吸收式制冷裝置加熱蒸氣發生器的熱源，從而構成一種太陽能制冷裝置。它也為太陽能的利用開辟制冷裝置所用的工質稱為制冷劑。雖然制冷系數的大小和制冷劑的性質無關，但制冷量及制冷裝置的構造、尺寸、工作壓按熱力學觀點，理想的制冷劑應滿足下述條件：其汽化潛熱大以獲得較大的制冷量；在制冷所需的溫度范圍內其飽和壓力應接近或略大于大氣壓力，以免在冷藏庫蒸發器內造成高真空度而空氣漏進蒸發器；在環境溫度下其飽和壓力不太高，以降低壓氣機成本及整個裝置的耐壓要求；其臨界點溫度應溫度應較低，以使制冷循環能在遠低于臨界點的狀態下工作，可數高，以減小換熱器的面積；有一定的吸水性，以免發生冰塞；沒有腐蝕性；化學穩定性好，不燃、不爆、不分解；無毒、無刺氧化硫、二氧化碳等也有應用。表11-1中列出了一些常用制冷劑℃2581---水和空氣的來源最廣，且無毒、無害。但是，空氣的熱容太小，實用價值不高；水蒸氣在溫度較低時飽和壓力太低，致使蒸氨作為制冷劑有許多優點，其汽化潛熱較大的制冷量較大；在制冷所需低溫及環境溫度范圍內，其飽和壓力適中，當冷卻水溫度低于40℃時，冷凝器中壓力不超過1.6MPa，而蒸發器內溫度不低于-33℃時不產生真空度；對鋼鐵無腐蝕性；不溶于油故不影響潤滑；吸水性強不產生冰塞。其缺點是對人體有刺激性，在常溫下雖不燃燒，但空氣中含有13.1%~足制冷循環不同的工作參數范圍及要求。由于氟里昂的性質適合 制冷循環的需要，且無毒、無味、無腐蝕、不燃、不爆，因而廣泛地用作制冷工質，成為中、小制冷裝置使用最普遍的制冷劑。但由于含氯的氟里昂類制冷劑，如氟里昂12、氟里昂11等，對大氣臭氧層有破壞作用，因此這一類氟里昂產品的生產和使用已受到嚴格限制。目前，氟里昂134a被認為是氟里昂12的最有希望的4.0164600446234604849025表11-2、表11-3摘錄了氨及氟里昂134a在飽和狀態下的熱力性質。由于制冷劑工作溫度總要低于0℃,因此為避免在工作溫熵為4.1868kJ/(kg.K)，并以此作