第七章

制冷循環(huán)

RefrigerationCycles

概述制冷：將某一物體或空間的溫度降到環(huán)境溫度以下，并維持之。降到環(huán)境溫度以下：非自發(fā)過程，以消耗功為代價(jià)。維持：連續(xù)工作。制冷機(jī)：使熱量由低溫傳到高溫的機(jī)器設(shè)備的總稱。制冷裝置：制冷機(jī)+用冷空間當(dāng)以冷卻某空間為目的時(shí)，稱為制冷循環(huán)；當(dāng)以對(duì)某空間加熱為目的時(shí)，稱為熱泵循環(huán)；性能系數(shù)分別為制冷系數(shù)、供熱系數(shù)（制熱系數(shù)）。7.1制冷的熱力學(xué)原理

機(jī)械驅(qū)動(dòng)熱驅(qū)動(dòng)性能系數(shù)COP(CoefficientofPerformance)

熱力學(xué)關(guān)心能量轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟(jì)性，即投入一定能量，可以收到多少制冷效果（制冷量）。為此，對(duì)于機(jī)械或電驅(qū)動(dòng)方式的制冷機(jī)引入制冷系數(shù)來衡量；對(duì)于熱能驅(qū)動(dòng)方式的制冷機(jī)，引入熱力系數(shù)來衡量。式中：Q0

為制冷機(jī)的制冷量；

Qg

為驅(qū)動(dòng)熱源向熱驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)輸入的熱量；

W為機(jī)械驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)的輸入功。

熱力學(xué)完善度

相同冷、熱源條件下，可逆制冷循環(huán)COP取最大值。對(duì)機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式，由熱力學(xué)分析知：兩恒溫?zé)嵩撮g工作的可逆制冷機(jī)，其制冷系數(shù)只與熱源溫度有關(guān)，而與制冷機(jī)使用的制冷劑性質(zhì)無關(guān)。制冷系數(shù)的值與兩熱源溫度的接近程度有關(guān)，實(shí)際制冷機(jī)制冷系數(shù)隨熱源溫度的變化趨勢(shì)與可逆機(jī)是一致的。熱能驅(qū)動(dòng)的可逆制冷機(jī)的熱力系數(shù)

熱能驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)等價(jià)關(guān)系圖

說明熱能驅(qū)動(dòng)的可逆制冷機(jī)的性能系數(shù)也只與熱源的溫度有關(guān)，而與工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。Tg

越高（驅(qū)動(dòng)熱源的品位越高）、Ta

與T0

越接近，性能系數(shù)越大；反之，性能系數(shù)越小。將制冷機(jī)性實(shí)際能系數(shù)與可逆循環(huán)性能系數(shù)的接近程度

定義為熱力學(xué)完善度，則：討論COP反映制冷循環(huán)中投入與收益能在數(shù)量上的比值，不涉及二者的能量品位。COP的數(shù)值可能大于1、小于1或等于1。COP的大小，對(duì)于實(shí)際制冷機(jī)，與工作溫度、制冷劑性質(zhì)和制冷機(jī)各組成部件的效率有關(guān)；對(duì)于可逆制冷機(jī)，只與熱源溫度有關(guān)。所以用COP值的大小比較兩臺(tái)實(shí)際制冷機(jī)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)性時(shí)，必須是同類制冷機(jī)，并以相同熱源條件為前提。熱力學(xué)完善度反映制冷機(jī)循環(huán)接近可逆循環(huán)的程度。用作評(píng)價(jià)指標(biāo)，使任意兩臺(tái)制冷機(jī)在循環(huán)的熱力學(xué)經(jīng)濟(jì)性方面具有可比性，無論它們是否同類機(jī)，也無論它們的熱源條件相同或不同。

液體氣化蒸氣壓縮制冷

相變制冷吸收式制冷蒸氣噴射制冷

吸附式制冷固體融化

氣體膨脹氣體渦流熱電制冷制冷方法

7-2空氣壓縮制冷循環(huán)一、流程及圖示

忽略工質(zhì)流動(dòng)過程的耗散，將循環(huán)簡化為由以下過程組成的內(nèi)可逆循環(huán)：1-2：定熵壓縮；2-3：定壓放熱；3-4：定熵膨脹；4-1：定壓吸熱。12定熵壓縮23定壓放熱34定熵膨脹41定壓吸熱

二、制冷系數(shù)比冷量比放熱量比循環(huán)凈功制冷系數(shù)(COP-coefficientofperformance)三、制冷量及理論輸入功率制冷量：系統(tǒng)單位時(shí)間從低溫?zé)嵩慈〕龅臒崃俊?冷噸：1噸0°C飽和水在24小時(shí)內(nèi)被冷凍到0°C的冰所需冷量。1冷噸=3.86kW1美國冷噸=3.517kW理論功率：討論解決此矛盾的方法：回?zé)嵫h(huán)四、回?zé)嵫h(huán)相同制冷量下可以降低壓縮比7-3蒸氣壓縮制冷循環(huán)

VaporCompressionRefrigeration兩相區(qū)的逆卡諾循環(huán)（理想循環(huán)）實(shí)現(xiàn)的困難：2-3：濕壓縮對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行可靠性不利；4-1：兩相區(qū)的定熵膨脹不易實(shí)現(xiàn)。理論循環(huán)一、蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)主要構(gòu)成(四大件)：壓縮機(jī)冷凝器節(jié)流閥(或膨脹閥)

蒸發(fā)器

蒸氣壓縮制冷循環(huán)裝置示意圖

蒸氣壓縮制冷循環(huán)裝置示意圖1-2：絕熱壓縮過程

從蒸發(fā)器出來的狀態(tài)1的干飽和蒸氣被吸入壓縮機(jī)進(jìn)行升壓、升溫至過熱蒸氣狀態(tài)2；

循環(huán)基本過程

蒸氣壓縮制冷循環(huán)裝置示意圖循環(huán)基本過程2-3：定壓放熱過程

在冷凝器中狀態(tài)2的過熱蒸氣定壓下冷卻成為干飽和蒸氣，然后繼續(xù)在定壓、定溫下凝結(jié)為飽和液體3；

蒸氣壓縮制冷循環(huán)裝置示意圖循環(huán)基本過程3-4：絕熱節(jié)流過程

從冷凝器出來的飽和液體3經(jīng)過膨脹閥絕熱節(jié)流，使部分液體蒸發(fā)，降壓降溫至濕蒸氣狀態(tài)4；

蒸氣壓縮制冷循環(huán)裝置示意圖循環(huán)基本過程4-1：定壓吸熱過程

干度較小的濕蒸氣4進(jìn)入蒸發(fā)器(冷庫)定壓蒸發(fā)吸熱變成干飽和蒸氣1，從而完成了一個(gè)循環(huán)12341。

循環(huán)基本過程

蒸氣壓縮制冷循環(huán)裝置示意圖1-2：絕熱壓縮過程2-3：定壓放熱過程3-4：絕熱節(jié)流過程4-1：定壓吸熱過程

OrdinaryHouseholdRefrigerator(Fig.10-4)10-3空調(diào)工況與熱泵工況10-6(Fig.10-9)理論循環(huán)的圖示與熱力學(xué)分析

蒸氣壓縮制冷循環(huán)T-s圖蒸發(fā)器中吸熱量（比冷量）冷凝器中比放熱量循環(huán)的制冷系數(shù)理論循環(huán)的圖示與熱力學(xué)分析制冷量容積流量容積冷量吸氣狀態(tài)下的比體積！二、理論循環(huán)的特點(diǎn)1、節(jié)流閥代替膨脹機(jī)，造成節(jié)流損失

w1=h3-h4’為什么？液體膨脹機(jī)制作困難，回收的功很少，不合算；節(jié)流（膨脹）閥制作容易，系統(tǒng)控制方便。二、理論循環(huán)的特點(diǎn)2、干壓縮代替式壓縮，造成過熱損失。為什么不采用1’-2’的定熵壓縮過程？濕蒸氣壓縮的難題：

a.液滴汽化，影響壓縮機(jī)吸氣；

b.“液擊”現(xiàn)象。7-4蒸氣壓縮式制冷的制冷劑一、制冷劑性質(zhì)圖表（1）表，類似水蒸氣（見附錄）；（2）圖，習(xí)慣用lgp-h圖制冷循環(huán)在lgp-h圖上的表示節(jié)流閥前過冷：保證其入口不氣化，利于維持運(yùn)行穩(wěn)定；壓縮機(jī)入口過熱：保證吸氣不帶液滴。利于壓縮機(jī)可靠運(yùn)行。在lgp-h圖上，每一過程的功/熱可以由線段長度直觀表示。二、制冷劑發(fā)展的歷史1830—1930，NH3,Air,CO2,HC,SO21930—1990，CFCs&HCFCs(如：冰箱CFC-12,空調(diào)HCFC-22)1990—，不破壞臭氧層的環(huán)保制冷劑HFCs?HCs?天然（自然）工質(zhì)大氣臭氧層臭氧空洞1985年第一次在南極上空發(fā)現(xiàn)臭氧空洞，面積近1000萬平方公里。近年觀測(cè)發(fā)現(xiàn)面積已達(dá)到原來的3倍，南半球的很多城市已籠罩其中。臭氧層破壞的危害皮膚癌發(fā)病率提高；白內(nèi)障發(fā)病率提高；人體免疫力降低；糧食作物減產(chǎn)；海洋浮游生物、幼蝦、幼蟹、貝類等大量死亡，破壞生態(tài)平衡；……臭氧層破壞的元兇-氯氟烴(紫外線照射下，氯氟烴分子的分解)臭氧層保護(hù)1987年，蒙特利爾協(xié)議書；1990年，倫敦修正案；1992年，哥本哈根修正案；……1999年12月，北京修正案。我國于1992年成為蒙特利爾協(xié)議書的正式締約國CFC和HCFC的禁用與替代CFC：發(fā)達(dá)國家1996年已禁用，發(fā)展中國家1999年開始削減，2010年禁用；HCFC：發(fā)達(dá)國家2004年開始削減，2030年禁用，發(fā)展中國家2016年開始削減，2040年禁用。是否隨著CFC和HCFC的禁用也淘汰蒸氣壓縮制冷方式？蒸氣壓縮制冷方式經(jīng)過多年發(fā)展，技術(shù)和工藝均達(dá)到很高水平；據(jù)估計(jì)，淘汰蒸氣壓縮制冷方式造成的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失至少是替換制冷劑的10倍以上!CFC-12的替代HFC-134a(CH2F-CF3)：美國、日本等采用，新飛、中意等采用；碳?xì)浠衔?異丁烷或異丁烷/丙烷混合物)：德國及北歐采用，容聲、海爾等采用；混合制冷劑：有多種方案，海爾、雪花、伯樂等采用。尚未根本解決，進(jìn)一步的研究工作仍在進(jìn)行中。

HCFC22的替代研究目標(biāo)：具有良好的環(huán)境性能、安全性能和熱工性能的新工質(zhì)。新的候選工質(zhì)：自然工質(zhì)（1）CO2（蒸氣壓縮式，冷卻過程在超臨界區(qū)）（2）空氣（氣體壓縮式）其他7-5其他制冷方式簡介熱驅(qū)動(dòng)的制冷系統(tǒng)吸收式制冷吸附制冷熱電制冷

一、蒸氣吸收式制冷

VaporAbsorptionRefrigeration替代壓縮機(jī)的部分（熱壓縮機(jī)）thermo-compressor與蒸氣壓縮式制冷比較共同點(diǎn)：

高壓制冷劑蒸氣冷凝后，經(jīng)流溫度和壓力降低，低溫、低壓液體在蒸發(fā)器內(nèi)汽化，實(shí)現(xiàn)制冷。不同點(diǎn)：

（1）提供的能量不同

蒸發(fā)壓縮式制冷機(jī)消耗機(jī)械功，吸收式制冷機(jī)消耗的是熱能。

（2）吸取制冷劑蒸氣的方式不同

蒸氣壓縮式用壓縮機(jī)吸取蒸氣，吸收式制冷機(jī)用吸收劑在吸收器內(nèi)吸取制冷劑蒸氣。

（3）將低壓制冷劑蒸氣變?yōu)楦邏褐评鋭┱魵鈺r(shí)采取的方式不同

蒸氣壓縮式制冷機(jī)通過原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)完成，吸收式制冷機(jī)則是通過吸收器、溶液泵、發(fā)生器完成。

吸收式制冷的工質(zhì)對(duì)1)NH3–H2Oabsorption2)Water–LithiumBromideabsorptionrefrigerantabsorbentNH3H2OrefrigerantabsorbentH2OLiBrsolution二、蒸氣吸附式制冷

VaporAdsorptionRefrigeration原理：固體吸附劑對(duì)某種制冷劑氣體具有吸附作用，而且，吸附能力隨吸附劑溫度的改變而不同。利用這種性質(zhì)，通過周期性地冷卻和加熱吸附劑，使之交替吸附和解吸。解吸時(shí)，釋放出制冷劑氣體，并使之凝為液體；吸附時(shí)，制冷劑液體蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷作用。吸附制冷的工作介質(zhì)是吸附劑－制冷劑工質(zhì)對(duì)，工質(zhì)對(duì)有多種，按吸附機(jī)理，有物理吸附（分子篩-水；活性炭-甲醇；活性炭-氨；硅膠-水）與化學(xué)吸附（金屬氫化物-氫；金屬氯化物-氨）之分。物理吸附脫附（解吸）；吸附

三、熱電制冷熱電制冷又稱溫差電制冷，是利用熱電效應(yīng)（PeltierEffect）的一種制冷方法。機(jī)理：電荷載體在不同的材料中處于不同能級(jí)，當(dāng)它從高能及向低能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，釋放多余的能量（熱端）；由低能級(jí)向高能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要從