工程热力学第十一章制冷循环教案
工程热力学制冷循环课件
影响性能因素分析
蒸发温度与冷凝温度
蒸发温度越低、冷凝温度越高，制冷系数越 低，性能下降。
制冷剂性质
不同制冷剂的热力性质不同，对制冷循环性 能产生显著影响。
过冷度与过热度
适当的过冷度和过热度有利于提高制冷系数， 但过度增加会导致性能下降。
压缩机效率
压缩机效率越高，输入功越小，制冷循环性 能越好。
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优化设计策略探讨
优化蒸发器和冷凝器设计
提高传热效率，降低传热温差，有利 于提高制冷系数。
采用高效压缩机
选用高性能压缩机，降低输入功，提 高制冷循环经济性。
优化制冷剂选择
选用环保、高效制冷剂，提高制冷循 环性能。
系统集成与优化
通过系统集成和优化设计，降低系统 能耗和成本，提高整体性能。
06 工程应用案例分析
螺杆式压缩机
利用螺杆的旋转运动，使 制冷剂在压缩腔内受到挤 压和输送。具有高效、低 噪音等特点。
离心式压缩机
通过叶轮的高速旋转，使 制冷剂在离心力作用下获 得动能并压缩。适用于大 型制冷系统。
冷凝器、蒸发器及节流装置
冷凝器
节流装置
将高温高压的制冷剂蒸气冷却为饱和 液体，释放热量给冷却介质。通常采 用风冷或水冷方式。
04 热电偶合式制冷循环
热电偶合式制冷原理
塞贝克效应
利用两种不同材料之间的 温差产生电压。
帕尔贴效应
当有电流通过由两种不同 材料组成的回路时，在结 点处会吸收或放出热量。
汤姆逊效应
当电流通过有温度梯度的 导体时，导体将吸收或放 出热量。
热电偶材料选择与性能
材料选择
选择具有高热电势、低电阻率、高导 热率、良好机械性能和化学稳定性的 材料。
工程热力学课件11 制冷循环
理想气体
p 2‘
T
2‘
绝热膨胀，温度降低
1 6 1 2 4 3 v 2 s
5
T
转回温度曲线
实际气体
TH
冷效应区
N
热效应区
TL p pN
p
经济性指标最高的逆向循环是同温限 间的逆向卡诺循环。通常制冷循环以环境 为高温热源（T1=T0），因此在以T0为高 温热源、Tc为低温热源间的逆向卡诺循环 的制冷系数：
膨 胀 阀
压缩机
w
4
q2
1
蒸发器
1-2: 2-3: 3-4: 4-1:
制冷剂在压缩机中的绝热压缩过程 制冷剂在冷凝器中的定压放热过程 制冷剂在膨胀阀中的绝热节流过程 制冷剂在蒸发器中的定压定温气化过程
4 1 3 2
q2 wnet
单位质量制冷剂在冷凝器中放热量：
T
2
q1＝ h2-h3
单位质量制冷剂在蒸发器中吸热量：
1 h
过冷度愈大,制冷系数增加愈多。制冷剂液体离开冷凝 器的温度取决于冷却介质的温度,过冷度一般很小。多数制冷
装置专设一回热器,使从冷凝器出来的制冷剂液体通过回热器 进一步冷却,增大过冷度。回热器的冷却介质通常为离开蒸发 器的低温低压蒸气。
3 4 1
2
热泵供热原理
在所有制冷装置的工作过程中，热从冷藏室取 出并传给较高温度的环境。因此，实现制冷循环的 结果不仅使放出热量的物体被冷却，而且使吸收热 量的物体被加热。根据这个原理，可利用逆循环实 现将热从低温冷源向高源热源的输送。这种目的在 于输送热量给被加热对象(如室内供暖)的装置称为 热泵。向高温热源输送的热量qH，等于取自低温冷 源(如大气环境)的热量qL与实现逆循环从外界输入 功量wnet 之和，即qH=qL+wnet 。热泵就其实质来看， 和制冷装置完全一样，只是两者工作的温度范围不 同。制冷装置工作的上限温度为大气环境温度，其 目的系从冷藏室吸热，以保持冷藏室低温(下限温度) 恒冷；热泵工作的下限温度为大气环境温度，其目 的是向暖室放热，以保持暖室温度(上限温度)恒暖。
制冷循环PPT课件
11-2 压缩蒸气制冷循环
（The vapor-compression cycle）
一、压缩蒸气制冷循环设备流程
16
二、循环T-s 图和制冷系数 ε
qC h1 h5 h1 h4
q1 h2 h4
wnet h2 h1
？ qC h1 h4 T1 T4 wnet h2 h1 T2 T1
制冷系数及1kg空气的制冷量；(2)若 保持不变而采用回热，
理想情况下压缩比是多少? 解 (1) 无回热
T1 TC 253.15K T3 T0 293.15K
p2 0.5MPa 5
p1 0.1MPa
1/
T2 T1
p2 p1
T3 T4
1
1.41
T2 T1 253.15K 5 1.4 401.13K
藏库的温度为-10℃，而周围环境温度为30 ℃。试计算： 1）吸收式制冷装置的COPmax
2）如果实际的热量利用系数为0.4 COPmax，而要达到制冷能 力为2.8105kJ/h，求需提供湿饱和蒸汽的质量流率qm是多少。
解 据压力p = 0.2MPa，从饱和水蒸气表中查得饱和温度 ts=120.23℃120 ℃，汽化潜热
总循环
1 kg蒸汽制冷量
q2 = q7-3 = h3-h7 1 kg蒸汽冷凝器放出热量
q冷= q5-6= h6-h5 1 kg工作蒸汽吸热量
q1= q8-1= h1-h8
29
2. 能量利用系数
Q2 Q
m1h3 h7 m2 h1 h8
工作蒸汽能量及输入功最终均以热量形式在冷凝器中向环 境散失，构成能质下降以弥补制冷蒸汽循环中蒸汽能质提高 的过程。
工程热力学与传热学11)蒸汽压缩制冷循环
(11-13)
qv
h1' h5 v1'
qv
？
(3)理论比功
w0 h2' h1' (4)单位冷凝热 qk qk h2' h4
(5)制冷系数
1'
w0
增加
(11-14)
增加
(h2' h2 ) (h2 h4 )
(11-14)
h h h h
（7）压缩机
在理论循环中，假设压缩过程为等熵过程。 而实际上，整个过程是一个压缩指数 在不断 变化的多方过程。另外，由于压缩机气缸中有 余隙容积的存在，气体经过吸、排气阀及通道 出有热量交换及流动阻力，这些因素都会使压 缩机的输气量减少，制冷量下降，消耗的功率 增大。
p
4
pk
3 0
2 2 s
5
p0
(11-11)
在蒸发温度和冷凝温度相同的条 件下：
制冷系数愈大 (6)压缩终温 经济性愈好
t2
影响到制冷剂的分解和润滑油结炭。
(7)热力完善度
单级压缩蒸气制冷机理论循环的热 力完善度按定义可表示为
0 h1 h4 1 h1 h4 Tk T0 c h2 h1 Tk 1 h2 h1 T0
q0
单位制冷量可按式（11-5）计算。单位制 冷量也可以表示成汽化潜热r0和节流后的干度 x5的关系：
q0 r0 (1 x5 )
(11-6)
由式（11-6）可知，制冷剂的汽化潜热越 大，或节流所形成的蒸气越少（x5越小）则单 位制冷量就越大。
(2)单位容积制冷量
qv
(11-7)
q0 h1 h4 qv v1 v1
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。
工程热力学制冷循环课件页PPT文档
1
p2 p1
k1
k
k1
1 k
1
2 1
s
空气压缩制冷循环特点
优点：工质无毒，无味，不怕泄漏。
缺点：
1. 无法实现 T ， < C
2. q2=cp(T1-T4)，空气cp很小， (T1-T4)不 能太大， q2 很小。
若(T1-T4)
3. 活塞式流量m小，制冷量Q2=m q2小，
• 制冷Refrigeration循环
输入功量（或其他代价），从低温 热源取热
• 热泵Heat Pump循环
输入功量（或其他代价），向高温 热用户供热
高温环境 QH WN
QL 低温冷冻室 （a）冰箱
高温房间 QL WN
QH 低温环境 （b）热泵
制冷循环和制冷系数
Coefficient of Performance
T
q2h1h5h1h4
4
冷凝器中放热量
2 3
q1 h2 h4
1
制冷系数
5
q 2 h 1 h 4
h 1 h 4 q 2 s
q 1 q 2 (h 2 h 4 ) (h 1 h 4 ) h 2 h 1 w
两个等压，热与功均与焓有关 lnp-h图
lnp-h图及计算
lnp
制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取 走的热量(kJ/s)。
1冷吨：1吨0°C饱和水在24小时内被冷冻 到0°C的冰所需冷量。
水的凝结（熔化）热 r =334 kJ/kg
1冷吨=3.86 kJ/s
制冷循环种类
Refrigeration空C气y压cl缩e 制冷 压缩制冷 Gas compression
• 压缩空气制冷想提高制冷能力，空气的 流量就要很大，如应用活塞式压气机和 膨胀机，不经济。
工程热力学 第十一章 制冷循环
空调
冰箱
冷藏柜
压缩器
冷凝器
毛细管
蒸发器
12－1 概况
本章主要以制冷循环为研究对象，分析循环的
特点，各参数的变化关系及计算热量、功量和
效率。
制冷装置
能够维持物体温度低于 周围环境温度的设备。
高温热源
放热Q0
制冷 装置
Wnet
制冷循环是一种逆向循环。
吸热Qc
低温热源
经济性指标最高的逆向循环是逆向卡 诺循环。通常制冷循环以环境为高温热源
常见制冷剂： 氨（NH3） 氟里昂（氯氟烃，含氢氯氟烃） CFC12(R12)、CFC11(R11) HCFC22(R22) 含氢氟代烃物质（HCFC134a）
氟利昂制冷剂对环境的破坏作用：
1. 破坏臭氧层；
2. 温室效应。
氟利昂替代物的研究成为世界热门研究课题。
12－6 热泵循环
热泵循环与制冷循环类似，差别在 于热泵是为了供暖。
w h2 h1
工程上常用
• 实际压缩蒸气制冷循环过程
12-4 制冷剂的性质
对制冷剂热力性质的要求： 1、对应装置的工作温度，要有适中的压
力； 2、在工作温度下，汽化潜热大； 3、临界温度要高于环境温度（冷凝过程可
更多利用定温排热）； 4、工质的三相点要高于循环的下限温度； 5、蒸气的比体积小，工质的传热性好。
4
2 3
1 5
q2 w h
q2 h1 h5 h1 h4 q1 h2 h4
1 5
s
q2 h1 h4
w h2 h1
过冷措施
lnp
4’ 4
5’ 5
q2 h1 h5' q1 h2 h4'
11第十一讲制冷循环
四. 3．蒸汽压缩式制冷理论循环的热力计算
目的：
单位质量或容积制冷能力的制冷能力， 制冷剂流量 制冷功率 排热功率 压缩机功率 COP
lg p
pk
p0 3 4 q0 qk 2' 1 wc 2 h
ô ¢ Â È Õ · Î ¶ T0 ý ä Â È ¸ À Î ¶ ä ý Â È À Ä Î ¶ Tk ø Â È Å Æ Î ¶ T2
T0
1 1" 1' b
进气阀节流
管道摩擦、吸热
S
五．蒸汽压缩式制冷的实际循环
3．实际过程的COP
风冷式机组：2.5~3.3 (理论一般5以上)
单级水冷式机组：3.8~5.5 (理论一般6以上)
窗 式 空 调 器 原 理
六．其它制冷循环
劳伦斯（Lorenz) 循环 Tk
由两个等熵过程
T
T
3 w=wc-we
两级压缩制冷循环
两级压缩一级节流中间完全冷却
两级压缩两级节流中间完全冷却 两级压缩一级节流中间不完全冷却 两级压缩两级节流中间不完全冷却
七．多级压缩制冷循环和复叠式循环
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第十一讲
制冷技术概述和 基本原理
一．概述
制冷机房
一．概述
1．制冷技术按制制冷温度分类
普通制冷：–120℃以上，用于空气调节和食品储藏。本
课程仅涉及普通制冷
深度制冷：
20K~-120℃，工业过程，化工过程
低温和超低温： 20K以下，低温超导，宇宙空间模拟，半导体激光等
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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。