工程热力学第十一章制冷循环教案

第十一章制冷循环
学习重点:
1.掌握各种制冷装置循环设备及其工作流程。

2.掌握将实际质量循环抽象和抽象为理想循环的一般方法。

3.掌握各种制冷循环的制冷量、放热量、耗功量及制冷系数等的分析和计算方法。

4.了解分析影响各种制冷循环的制冷系数的主要因素及提高制冷系数的途径。

制冷（热泵)循环输入功量（或其他代价），从低温热源取热
11-1 空气压缩制冷循环
实际制冷装置并不是按逆向卡诺循环工作的，而是根据制冷装置所采用的工质性质，按不同的制冷循环工作。

空气可用作为制冷装置的工质。

空气压缩制冷装置主要由四个热力设备组成：压气机、冷却器、膨胀机和冷库换热器。

空气压缩制冷装置的理想循环由四个可逆过程组成，即绝热压缩过程1-2、定压放热过程2-3、绝热膨胀过程3-4和定压吸热过程4-1。

循环制冷量为4-1中工质吸取的热量：
循环消耗的净功为
因此，可得空气压缩制冷循环制冷系数的表达式为
如取空气的比热容为定值，则有
按绝热过程1-2及3-4，可以得到各状态参数之间的关系式为
代入上式，可得空气压缩制冷循环的制冷系数的计算式
即
提高增压比可获得较低温度，如图中循环1-3‘-5'-6-1所示，但使压气机和膨胀机的负荷加重。

为此可采用回热器，用空气在回热器中的预热过程代替一部分绝热压缩过程，从而降低增压比。

回热式空气压缩制冷装置的循环：1-2为空气在回热器中的定压预热；2-3为压气机中空气的绝热压缩；3-4为冷却器中空气的定压放热；4-5为回热器中
空气的定压回热；5-6为膨胀机中空气的绝热膨胀；6-1为冷藏库的换热器中空气定压吸热。

由图线对比可见，与提高增压比的办法相比，采用回热措施后，制冷量、放热量、制冷系数均可不变。

但是，采用回热器的空气压缩制冷装置中，压气机的增压比小得多，因而大大减轻了压气机的负荷。

正是由于这个优点，使得采用回热器的空气压缩制冷装置在深度冷冻及气体液化中获得实际应用。

11-2 蒸气压缩制冷循环
如采用湿饱和蒸气为工质，就可容易地实现定温吸热和定温放热，从而可以按逆向卡诺循环工作，以便在一定的冷库温度及环境温度下获得最高的制冷系数。

用湿饱和蒸气作为制冷工质可以得到相当大的单位质量工质的制冷量（依靠汽化潜热吸热）。

如以湿饱和蒸气为工质按逆向卡诺循环工作时，需要进行湿饱和蒸气的绝热压缩过程。

当湿饱和蒸气吸入压气机时，工质中的饱和液体会立刻从压气机气缸壁迅速吸热而汽化，使气缸内工质的压力突然增加，影响压气机吸气，致使压气机的吸气量减少而引起制冷装置的制冷量降低。

同时，在压缩过程中未汽化的液体还可能引起液击现象，以致损坏压气机。

此外，湿饱和蒸气在逆向卡诺循环的绝热膨胀过程中，因工质中液体的含量很大，故膨胀机的工作条件很差。

实用的蒸气压缩制冷循环是以逆向卡诺循环为基础，而对压缩过
程及膨胀过程进行适当改进而形成的。

11-3蒸汽喷射制冷循环及吸收式制冷装置
蒸汽喷射制冷装置及吸收式制冷装置是以高温物体向环境放热为代价来实现制冷。

蒸汽喷射制冷装置。

其工作循环可分作两个循环：一是制冷循环7-3-4-5-6-7。

它包括了五个过程：①蒸汽在蒸发器内的吸热汽化过程7-3，②
混合室中混合放热过程3-4，③扩压管中增压过程4-5，④冷凝器中放热过程5-6，⑤调节阀内绝热节流降温过程6-7。

由制冷循环实现了从冷藏库内低温物体吸热而放给温度较高的冷却水。

另一个是工作蒸汽的正向循环1-2-4-5-6-8-1。

由六个过程组成：①蒸汽在锅炉中的定压加热汽化的过程8-1，②蒸汽在喷管中绝热膨胀产生高速的过程
1-2，③蒸汽在混合室中混合吸热过程2-4，④扩压管中增压过程4-5，⑤冷凝器中定压放热过程5-6，⑥泵中加压过程6-8。

蒸汽喷射制冷装置是以高温热源向环境传递一定的热量作为代价而实现制冷的，因此采用所得到的制冷量和高温热源所给出的热量的比值来表示制冷循环工作的有效程度，称为热量利用系数，用ξ
表示，即.
式中，Q 为工作蒸汽从锅炉所得到的热量，Q2 为制冷量。

蒸汽喷射制冷装置采用喷射器代替压缩制冷的压气机，设备简单，不需要外界提供机械功。

蒸汽在喷射器中流动速度很高，因此可以有很大的容积流量。

这对于那些在低温下饱和压力很低而饱和蒸汽比体积很大的工质是很有利的。

例如，水蒸气在10℃时饱和蒸汽的比体积为106.4m3/kg，因此不能用作压缩式制
冷的工质，但作为喷射制冷的工质却没有任何困难。

因而，生产过程中有大量多余蒸汽的工业，常利用喷射制冷装置来获得2～20℃低温。

吸收式制冷装置—采用吸收器、蒸气发生器和泵来取代蒸气压缩式制冷装置的压气机。

常用工质：
氨（制冷剂）＋水（吸收剂）
水（制冷剂）＋溴化锂（吸收剂）
工作过程（氨＋水）：吸收器中，氨水溶液吸收来自蒸发器的氨蒸气。

由于氨溶解时产生溶解热，为了保持溶液的吸收能力，要用冷却水冷却吸收器。

泵浓溶液加压后送入蒸气发生器。

蒸气发生器加热浓溶液，使其中所溶解的氨蒸发产生氨气。

蒸气发生器中氨气蒸发后低浓度的氨水溶液，经节流降压后流回吸收器重新利用。

吸收式制冷装置中，氨的加压是靠泵完成的，其所消耗的功要比用压气机压缩氨蒸气所消耗的功要小得多。

制冷装置需要消耗一定的热量来加热蒸气发生器，使得氨气在较高压力下从氨溶液中蒸发出来。

它工作的有效程度也用热量利用系数来表示，即
式中， Q 为加热蒸气发生器所需的热量， Q2 为制冷量。

吸收式制冷装置的不可逆损失较大，其热量利用系数较小。

但吸收式制冷装置的构造简单，造价低廉，特别是它消耗的功率很小，还可利用温度不太高的生产过程的余热来加热蒸气发生器，故在工厂企业中应用这种制冷装置可节约电力的消耗，并充分利用余热。

近年来，以溴化锂作吸收剂，以水蒸气作制冷剂的吸收式制冷装置的发展较快，常用来作为大型空气调节装置的制冷设备。

例 一理想蒸汽压缩制冷系统，制冷量为20冷吨，以氟利昂22为制冷剂，冷凝温度为30℃，蒸发温度为-30℃。

求：（1）1公斤工质的制冷量q 0;(2)循环制冷量；（3）消耗的功率；（4）循环制冷系数；（5）冷凝器的热负荷。

解 （1）1公斤工质的制冷量q 0
从1gp-h 图查得：h 1=147kcal/kg,h 5=109kcal/kg,
q 0=h 1-h 5=147-109=38 kcal/kg
该装置产生的制冷量为20冷吨（我国1冷吨等于3300kcal/h ）
(2)循环制冷的剂量 38
330020)
(05100⨯==⨯-==m mq h h m mq Q
∴8.173638
3300
20=⨯=
m kg/h (3)压缩机所消耗的功及功率 5.111475.15812=-=-=h h w kcal/kg
2.199735.118.1736=⨯==mw W kcal/h
22.238602.19973==th N kW
(4)循环制冷系数 3.35
.113800====
εσw q W Q （5）冷凝器热负荷Q k =m(h 2-h 4)=1736.8×(158.5-109)=85971.6 kcal/h。