工程熱力學(xué)15---制冷循環(huán)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)15 制冷循環(huán)15.1制冷與逆卡諾循環(huán)圖15-1 逆卡諾循環(huán)TsTHTL1234將物體冷卻到低于周圍環(huán)境的溫度，并且維持這一低溫，稱為制冷。為實現(xiàn)這一目的，需要將熱量從低溫物體（如冷藏室）移向高溫物體（如環(huán)境）。由熱力學(xué)第二定律可知，這一過程不能自發(fā)實現(xiàn)，必須消耗外部可用能，通常是消耗機械能或高溫?zé)嵩此峁┑臒崮堋Ｒ虼酥评溲h(huán)是一種逆向循環(huán)。如果循環(huán)的目的是從低溫物體取走熱量，以維持物體的低溫狀態(tài)，稱之為制冷循環(huán)。前已述及，在兩個恒溫?zé)嵩撮g的動力循環(huán)中，卡諾循環(huán)的熱效率

2、最高。按照圖15-1，由兩個定溫過程和兩個定熵過程按照與卡諾循環(huán)相反方向（逆時針）運行的循環(huán)稱為逆卡諾循環(huán)?？梢宰C明在兩個恒溫?zé)嵩撮g，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)最大，為 （15-1）式中，和分別是高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩吹臏囟取?從式中可以看出，和卡諾循環(huán)一樣，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)也只與高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩吹臏囟扔嘘P(guān)。15.2 空氣壓縮式制冷循環(huán)利用空氣作為制冷工質(zhì)構(gòu)成空氣壓縮制冷循環(huán)逆布雷頓循環(huán)。和下節(jié)將要講到的蒸汽制冷循環(huán)不同的是：在空氣制冷循環(huán)中，工質(zhì)不會發(fā)生相變，而是依靠顯熱在定壓情況下吸收和放出熱量，因此制冷量較小，偏離逆卡諾循環(huán)較遠，經(jīng)濟性較低。鑒于空氣定溫吸熱、放熱不易實現(xiàn)，改用兩個定壓過程代

3、替，因而壓縮空氣制冷循環(huán)實為逆向的布雷頓循環(huán)。232psT2環(huán)境溫度33冷庫溫度溫度14441v圖15-1 空氣制冷循環(huán)分析：低溫?zé)嵩矗ɡ鋷欤┪鼰?高溫?zé)嵩矗ōh(huán)境）放熱 耗功 制冷系數(shù) 過程1-2、 3-4 定熵， 故 （15-2）可見 減小增壓比，可使 制冷系數(shù)提高，但這會使 膨脹溫降減小，制冷量下降。壓縮空氣制冷循環(huán)的 優(yōu)點：工質(zhì)易得，安全。缺點：制冷量不大。（空氣熱容小，增加 ）故一般在普冷（）很少用(除了用于飛機空調(diào)，直排)，在深冷（）可用于導(dǎo)彈內(nèi)紅外探測器的冷卻，不計成本效率）。為增大制冷量須增大流量，活塞式的壓氣機、膨脹機讓位于 葉輪式的壓氣機、膨脹機但葉輪式的壓比不高，為能在 溫

4、差、制冷量不減小的情況下，減小， 須采用回?zé)帷?2T3環(huán)境溫度31冷庫溫度314 s圖15-2 回?zé)崾娇諝庵评溲h(huán)結(jié)論： 增加回?zé)幔墒寡h(huán)的吸熱量、放熱量，制冷系數(shù)在與不加回?zé)岬南嗤闆r下，降低了壓比； 壓比的降低，可使葉輪式壓氣機、膨脹機能適用于深度冷凍的大溫差； 壓比的降低，也減少了膨脹壓縮過程的不可逆損失。15.3 蒸汽壓縮式制冷循環(huán)圖15-3 蒸汽壓縮式制冷循環(huán)節(jié)流閥壓縮機蒸發(fā)器冷凝器12341243sT工程中比較常用的制冷循環(huán)為蒸汽壓縮式制冷循環(huán)，它利用低沸點蒸汽（大氣壓力下的沸點小于0）作為制冷劑，利用濕蒸汽在低溫下的汽化潛熱來吸收熱能，達到制冷目的。蒸汽壓縮式制冷循環(huán)是蒸汽動力

5、循環(huán)的逆循環(huán)，其結(jié)構(gòu)簡圖與Ts圖如圖13-3所示。蒸汽壓縮式制冷循環(huán)主要由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流閥（毛細管）組成。從蒸發(fā)器中出來的飽和蒸汽1在壓縮機中被絕熱壓縮（可逆時是定熵壓縮）成溫度和壓力都較高的過熱蒸汽2；過熱蒸汽進入冷凝器被冷卻水或空氣所冷凝，定壓放熱，生成飽和液體3；飽和液體流經(jīng)節(jié)流閥，溫度和壓力都下降，成為濕蒸汽4；濕蒸汽在蒸發(fā)器中從冷藏室吸收熱量，定壓蒸發(fā)成飽和蒸汽1，進入壓縮機，完成一個封閉的制冷循環(huán)。在蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中，系統(tǒng)的制冷量為工質(zhì)在蒸發(fā)器中所吸收的熱量：制冷劑在冷凝器中釋放的熱量為：在節(jié)流前后，所以整個循環(huán)所消耗的功量即為壓縮機的耗功量，得所以蒸汽壓縮式制冷

6、循環(huán)的制冷系數(shù)表示為：（15-3）在制冷循環(huán)中，也可以不消耗機械功，而是利用熱量作為補償能量，常用的噴射式制冷循環(huán)、吸收式制冷循環(huán)、吸附式制冷循環(huán)等都屬于這一類型。15.4 吸收式制冷循環(huán)吸收式制冷多用于中央空調(diào)（遠大、雙良等品牌）前面的兩種制冷循環(huán)壓縮空氣、壓縮蒸汽制冷循環(huán)都是耗功，而吸收式制冷循環(huán)是耗熱。其原理為：利用制冷劑在溶液中不同溫度下具有不同溶解度的特性，使制冷劑在較低的溫度和壓力下被吸收劑（即溶劑）吸收，同時又使它在較高的溫度和壓力下從溶液中蒸發(fā)，完成循環(huán)，實現(xiàn)制冷。工質(zhì)對： 吸收劑 （高沸點） 制冷劑（低沸點） 如 溴化鋰 水水 氨冷卻器加熱器減壓閥溶液泵吸收器蒸汽發(fā)生器圖15

7、-4 吸收式制冷循環(huán)節(jié)流閥蒸發(fā)器冷凝器12341243sT 從冷凝器流出的飽和水經(jīng)節(jié)流閥降壓降溫形成干度很低的濕飽和蒸汽，進入蒸發(fā)器，從冷庫吸熱，定壓汽化，成為干度很大的濕飽和蒸汽或干飽和蒸汽，送入吸收器。吸收器中的高濃度溴化鋰溶液吸收，生成稀溴化鋰溶液（吸收熱由冷卻水帶走），稀溴化鋰溶液由溶液泵送入蒸汽發(fā)生器加熱，溫度上升，溶解度下降，蒸汽逸出，形成較高壓力溫度的水蒸氣，送入冷凝器。而水蒸氣逸出后的濃溴化鋰溶液經(jīng)減壓閥又流回到吸收器重新使用。循環(huán) （15-4）缺點： 同等制冷量，其裝置體積較蒸汽壓縮式大，維護量大；只適用于冷負荷穩(wěn)定的情況。優(yōu)點： 對熱源要求低，可利用溫度較低的余熱資源，如低

8、壓水蒸氣、地?zé)?、煙氣、?nèi)燃機排氣，等 15.5 熱泵循環(huán)在逆循環(huán)中，還可以實現(xiàn)另一種目的，即不斷地向高溫物體提供熱量，以保證高溫物體維持較高的溫度，實現(xiàn)這種目的的循環(huán)稱為熱泵循環(huán)。熱泵循環(huán)和制冷循環(huán)在本質(zhì)上是相同的，只是工作的溫度范圍不同，著眼點不同而已。制冷循環(huán)的熱源溫度是大氣環(huán)境溫度，而熱泵循環(huán)的冷源溫度是大氣環(huán)境溫度。以15-3所示的壓縮式制冷循環(huán)為例，當(dāng)循環(huán)的目的是通過蒸發(fā)器從環(huán)境吸收熱量，然后通圖15-5 制冷與熱泵循環(huán) 過冷凝器向房間提供熱量時，循環(huán)就變?yōu)闊岜醚h(huán)了?？照{(diào)的通過閥門使蒸發(fā)器與冷凝器功能互換，制冷變?yōu)橹茻?。根?jù)能量平衡，熱泵循環(huán)向高溫物體輸出的熱量是取自低溫?zé)嵩矗ù髿?/p>

9、環(huán)境）的熱量與外界輸入功量w之和，即。熱泵循環(huán)的效果用供暖系數(shù)表示，為（13-5）上式給出了供暖系數(shù)與制冷系數(shù)之間的關(guān)系，說明制冷系數(shù)越高則供暖系數(shù)也越高。供暖系數(shù)總是大于1，這表明在消耗同樣多能量的情況下，利用熱泵供暖可以比其他供暖裝置（如電加熱器等）提供更多的熱量。如電加熱器最多只能把電能全部轉(zhuǎn)化為熱能，而熱泵循環(huán)不僅把電能轉(zhuǎn)化為熱能，還可以把取自環(huán)境的熱能一起輸送到高溫?zé)嵩矗ǖ卦礋岜?、空氣能熱水系統(tǒng)等）。值得注意的是，同一裝置可以輪流用來制冷和供熱：夏天用作空調(diào)來制冷，冬天用作熱泵來供暖。熱泵在我國還處于開發(fā)階段，作為供熱裝置使用的還比較少，主要原因是設(shè)備較復(fù)雜，投資較高。在相同的溫限

10、（13-6）式中，和分別是高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩吹臏囟取?15.6 制冷劑蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中的制冷工質(zhì)大多是氟里昂類物質(zhì)。所謂氟里昂是飽和碳氫化合物的氟、氯、溴衍生物的總稱。氟氯烴（CFCs）與含氫氟氯烴（HCFCs）物質(zhì)，由于其優(yōu)良的物理、化學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)，被廣泛用作制冷劑和發(fā)泡劑。如CFC12（R12）、CFC11（R11）和HCFC22（R22）等分別作為冰箱、汽車空調(diào)和空調(diào)熱泵的主要制冷劑。1974年，人們發(fā)現(xiàn)，CFCs和HCFCs擴散到同溫層后，受到紫外線的照射會發(fā)生分解，釋放出氯原子；當(dāng)氯原子和同溫層中的臭氧發(fā)生連鎖反應(yīng)時，一個氯原子就可以破壞10萬個臭氧分子，從而使臭氧層出現(xiàn)空洞。

11、這種破壞性已被南極科考隊和衛(wèi)星觀測所證實。1987年9月16日，46個國家在加拿大蒙特利爾（Montreal）簽署了關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書，開始采取保護臭氧層的具體行動。該協(xié)定規(guī)定了限制和禁止生產(chǎn)對臭氧層破壞作用大的物質(zhì)，分子中含氯、氟、碳的完全鹵代烴（即CFCs）R11、R12、R113、R114、R115、R12B1、R13B1和R114B2是首批受禁物質(zhì)，到二十一世紀(jì)完全停止生產(chǎn)；分子中含氫、氯、氟、碳的不完全鹵代烴（寫作HCFCs）如R22的環(huán)境破壞相對小一些，但最終也將禁止。如今議定書經(jīng)過幾次修正，締約國已發(fā)展到162個；受控物質(zhì)的種類增加到今天的6類94種；淘汰時間表由

12、不明確變?yōu)槊鞔_，并不斷提前。據(jù)修改后的蒙特利爾議定書規(guī)定，發(fā)達國家于1996年停止生產(chǎn)消耗臭氧層物質(zhì)，發(fā)展中國家也將于2010年停止生產(chǎn)。我國政府已宣布，將比發(fā)展中國家提前5年，即2005年停止生產(chǎn)消耗臭氧層物質(zhì)。但是，人類對制冷劑的需求卻逐漸增大。于是，替代制冷劑的研究在全球范圍內(nèi)迅速展開。研究中，人們發(fā)現(xiàn)，HFCs雖然也屬于氟里昂類物質(zhì)，但是，由于在他們的分子中不存在氯原子和溴原子，對臭氧層的破壞指數(shù)ODP為零，即它們不會對大氣平流層中的臭氧層產(chǎn)生破壞作用。于是，人們把注意力集中在HFCs上。人們希望在HFCs類物質(zhì)及其混合物中，找到能滿足不同溫度的制冷劑的替代物。通過大量研究，目前較明朗

13、的趨勢是：高溫制冷劑用HCFC123作為過度性制冷劑，中溫制冷劑用HFC134a和HFC152a，低溫制冷劑用HFC23。在HFCs類制冷劑中，使用最成功，應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬HFC134a。目前，HFC134a已替代傳統(tǒng)的CFC12大量使用在冰箱中，如美菱、華意、新飛、海爾等。以美菱BCD-201型冰箱為例，使用HFC134a作為制冷劑，其制冷系數(shù)為1.755，略低于使用CFC12的1.984。在汽車空調(diào)中，隨著CFC的加速淘汰，在新車中改用HFC134a的進程也在加快。1994年，發(fā)達國家已完成了全部轉(zhuǎn)換。汽車生產(chǎn)廠家一致選擇了HFC134a。由于各種合成制冷劑已被發(fā)現(xiàn)或可能具有潛在的危害，有

14、些學(xué)者認(rèn)為天然制冷劑才是真正安全的制冷劑。所謂天然制冷劑，是指自然中已經(jīng)存在或可在自然條件下生成的物質(zhì)，如水、二氧化碳、氨和烷烴類物質(zhì)。它們原料來源廣、制備容易，當(dāng)然價格也十分便宜，尤其重要的是它們和環(huán)境良好的相容性。水幾乎是自然界中取之不盡的資源，對環(huán)境絕無不良影響。它不燃、不爆、無毒、無味，是一種安全而便宜的工質(zhì)。但是，目前它只適用于制取0以上的溫度；同時，由于水蒸汽的比容大，蒸發(fā)壓力低，會使系統(tǒng)處于高真空狀態(tài)下工作，這兩個缺點限制了水作為制冷劑的廣泛使用。二氧化碳作為制冷劑曾在制冷工業(yè)上起過重要作用，在船用冷藏裝置中延續(xù)使用了50年之久，直到1955年，才被氟里昂所取代。二氧化碳之所以被

15、取代的原因，不在于其熱力學(xué)性質(zhì)，而是由于其在使用溫度下的壓力太高（常溫條件下，冷凝壓力高達8MPa），致使設(shè)備極為笨重。但是，如今，高壓已經(jīng)不再成為制約二氧化碳作為制冷劑的障礙了，尤其是在小型裝置中，高壓并不會帶來特別的危險?，F(xiàn)在，二氧化碳又被重新提出。目前這種研究已在歐洲及日本迅速展開。預(yù)計二氧化碳將重新在制冷工業(yè)中扮演重要角色。1870年，卡爾.林德（Carl. Linde）提出使用氨制冷劑。由于氨在常溫及普通低溫下具有極其優(yōu)良的熱力學(xué)特性和熱物理性質(zhì)，直至今日，仍在大型制冷設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。然而，它易燃、易爆、有毒性又限制了它的更進一步的使用。但是，在現(xiàn)條件下，人們完全可以讓它在安全的條件下工作。而實際上，真正限制其使用的一個主要原因卻是其令人討厭的刺激性氣味。但是，這種刺激性氣味