工程热力学15制冷循环.doc

15． 制冷循环
15.1制冷与逆卡诺循环
将物体冷却到低于周围环境的温度，并且维持这一低温，称为制冷。

为实现这一目的，需要将热量从低温物体（如冷藏室）移向高温物体（如环境）。

由热力学第二定律可知，这一过程不能自发实现，必须消耗外部可用能，通常是消耗机械能或高温热源所提供的热能。

因此制冷循环是一种逆向循环。

如果循环的目的是从低
温物体取走热量，以维持物体的低温状态，称之为制冷循环。

前已述及，在两个恒温热源间的动力循环中，卡诺循环的热效率最高。

按照
图15-1，由两个定温过程和两个定熵过程按照与卡诺循环相反方向（逆时针）运行的循环称为逆卡诺循环。

可以证明在两个恒温热源间，逆卡诺循环的制
冷系数最大，为
L
H L
T T T -=
max ε
（15-1）
式中，H T 和L T 分别是高温热源与低温热源的温度。

L H L L Q Q Q W Q -==
ε ← L
L H H T Q T Q ≤ 从式中可以看出，和卡诺循环一样，逆卡诺循环的制冷系数也只与高温热源与低
温热源的温度有关。

15.2 空气压缩式制冷循环
利用空气作为制冷工质构成空气压缩制冷循环——逆布雷顿循环。

和下节将要讲到的蒸汽制冷循环不同的是：在空气制冷循环中，工质不会发生相变，而是依靠显热在定压情况下吸收和放出热量，因此制冷量较小，偏离逆卡诺循环较远，经济性较低。

鉴于空气定温吸热、放热不易实现，改用两个定压过程代替，因而压缩空气制冷循环实为逆向的布雷顿循环。

分析：低温热源（冷库）吸热 412h h q -=
高温热源（环境）放热 321
h h q -=
耗功 ()()413221h
h h h q q w ---=-=
制冷系数 ()()()()1
14
1324132414132412---=----=----==
T T T T T T T T T T h h h h h h w q ε 过程1-2、 3-4 定熵， 43112
12T T p p T T =⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=-κ
κ → κκπ1
1
24132-==--T T T T T T 故 1
1
1-=
-κ
κπ
ε （15-2）
可见 ↑→
↓
επ 减小增压比，可使 制冷系数提高，
但这会使 膨胀温降减小，制冷量下降。

压缩空气制冷循环的 优点：工质易得，安全。

缺点：制冷量不大。

（空气热容小，增加↑π → ↓ε）
故一般在普冷（50->℃）很少用(除了用于飞机空调，直排)，在深冷（100-<℃）可用于导弹内红外探测器的冷却，不计成本效率）。

为增大制冷量须增大流量，活塞式的压气机、膨胀机让位于 叶轮式的压气
机、膨胀机
但叶轮式的压比不高，为能在 温差、制冷量不减小的情况下，减小π， 须采用回热。

结论：
① 增加回热，可使循环的吸热量2q 、放热量1q ，制冷系数ε在与不加回热的相同情况下，降低了压比π
；
② 压比的降低，可使叶轮式压气机、膨胀机能适用于深度冷冻的大温差； ③
压比的降低，也减少了膨胀压缩过程的不可逆损失。

15.3 蒸汽压缩式制冷循环
工程中比较常用的制冷循环为蒸汽压缩式制冷循环，它利用低沸点蒸
汽（大气压力下的沸点小于0℃）作为制冷剂，利用湿蒸汽在低温下
的汽化潜热来吸收热能，达到制冷目的。

蒸汽压缩式制冷循环是蒸汽动力循环的逆循环，其结构简图与T －s 图如图13-3所示。

蒸汽压缩式制冷循环主要由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀（毛
细管）组成。

从蒸发器中出来的饱和蒸汽1在压缩机中被绝热压缩（可逆时是
定熵压缩）成温度和压力都较高的过热蒸汽2；过热蒸汽进入冷凝器被冷却水或空气所冷凝，定压放热，生成饱和液体3；饱和液体流经节流阀，温度和压力都下降，成为湿蒸汽4；湿蒸汽在蒸发器中从冷藏室吸收热量，定压蒸发成饱和蒸汽1，进入压缩机，完成一个封闭的制冷循环。

在蒸汽压缩式制冷循环中，系统的制冷量为工质在蒸发器中所吸收的热量：
41h h q L -=
制冷剂在冷凝器中释放的热量为：
32h h q H -=
在节流前后，43h h =，所以整个循环所消耗的功量即为压缩机的耗功量，得
()()L H q q h h h h h h w -=---=-=413212
所以蒸汽压缩式制冷循环的制冷系数表示为：
1
241h h h h w
q L --=
=
ε （15-3）
在制冷循环中，也可以不消耗机械功，而是利用热量作为补偿能量，
常用的喷射式制冷循环、吸收式制冷循环、吸附式制冷循环等都属于
这一类型。

15.4 吸收式制冷循环
吸收式制冷多用于中央空调（远大、双良等品牌）
前面的两种制冷循环——压缩空气、压缩蒸汽制冷循环都是耗功，而吸收式制冷循环是耗热。

其原理为：利用制冷剂在溶液中不同温度下具有不同溶解度的特性，使制冷剂在较低的温度和压力下被吸收剂（即溶剂）吸收，同时又使它在较高的温度和压力下从溶液中蒸发，完成循环，实现制冷。

工质对： 吸收剂 （高沸点） 制冷剂（低沸点）
如 溴化锂 水
水 氨
从冷凝器流出的饱和水经节流阀降压降温形成干度很低的湿饱和蒸汽，进入蒸发器，从冷库吸热，定压汽化，成为干度很大的湿饱和蒸汽或干饱和蒸汽，送入吸收器。

吸收器中的高浓度溴化锂溶液吸收，生成稀溴化锂溶液（吸收热由冷却水带走），稀溴化锂溶液由溶液泵送入蒸汽发生器加热，温度上升，溶解度下降，蒸汽逸出，形成较高压力温度的水蒸气，送入冷凝器。

而水蒸气逸出后的浓溴化锂溶液经减压阀又流回到吸收器重新使用。

循环 H
c p H c Q Q
w Q Q ≈+=
COP （15-4）
缺点： 同等制冷量，其装置体积较蒸汽压缩式大，维护量大；
只适用于冷负荷稳定的情况。

优点： 对热源要求低，可利用温度较低的余热资源，如低压水蒸气、地热、
烟气、内燃机排气，等
15.5 热泵循环
在逆循环中，还可以实现另一种目的，即不断地向高温物体提供热量，
以保证高温物体维持较高的温度，实现这种目的的循环称为热泵循环。

热泵循环和制冷循环在本质上是相同的，只是工作的温度范围不同，着眼点不同而已。

制冷循环的热源温度是大气环境温度，
而热泵循环
的冷源温度是大气环境温度。

以15-3所
示的压缩式制冷循环为例，当循环的目的是通过蒸发器从环境吸收热量，然后通过冷凝器向房间提供热量时，循环就变为热泵循环了。

空调的通过阀门使蒸发器与冷凝器功能互换，制冷变为制热。

根据能量平衡，热泵循环向高温物体输出
的热量H q 是取自低温热源（大气环境）的热
量L q 与外界输入功量w 之和，即w q q L H +=。

热泵循环的效果用供暖系数ε'表示，为
εε+=+=+==
'11W
Q
W W Q W Q L L H （13-5）
上式给出了供暖系数ε'与制冷系数ε之间的关系，说明制冷系数越高则供暖
系数也越高。

供暖系数总是大于1，这表明在消耗同样多能量的情况下，利用热泵供暖
可以比其他供暖装置（如电加热器等）提供更多的热量。

如电加热器最
多只能把电能全部转化为热能，而热泵循环不仅把电能转化为热能，还可以把取自环境的热能L q 一起输送到高温热源（地源热泵、空气能热水系统等）。

值得注意的是，同一装置可以轮流用来制冷和供热：夏天用作空调来制冷，
冬天用作热泵来供暖。

热泵在我国还处于开发阶段，作为供热装置使用的还比较少，主要原因是设备较复杂，投资较高。

在相同的温限
L
H H
T T T -='m
ax ε
（13-6）
式中，H T 和L T 分别是高温热源与低温热源的温度。

L H H H Q Q Q W Q -==
'ε ← L
L H H T Q
T Q ≤
图15-5 制冷与热泵循环。