第十一章 制冷循环
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。
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
第十一章 制冷循环
制冷循环 吸附式制冷 Adsorption
蒸汽喷射制冷 半导体制冷 热声制冷,磁制冷
§11－1 空气压缩制冷循环
冷却水
3 冷却器
2
膨胀机
冷藏室
压缩机
4
1
p
3
pv图和Ts图
T
2
3
Reversed Brayton Cycle
逆勃雷登循环
2
T0
1
4
1
4
T2
1 2
2 3
v 绝热压缩 s 等压冷却 p
3 4
s 4 绝热膨胀 s 1 等压吸热 p
制冷系数
T
2
q2 q2 COP w q1 q2 cp (T1 T4 ) cp (T2 T3 ) cp (T1 T4 )
3
4
1
1 1 1 1 k 1 k 1 T2 T2 T3 1 p2 k 1 k -1 T1 T1 T4 -1 p1
第十一章
制冷（致冷）循环
动力循环与制冷（热泵)循环
• 动力Power循环 —正循环 输入热,通过循环输出功 • 制冷Refrigeration循环—逆循环 输入功量（或其他代价），从低温 热源取热 • 热泵Heat Pump循环 —逆循环 输入功量（或其他代价），向高温 热用户供热
制冷循环和制冷系数
空气压缩制冷循环装置
冷却水
3 冷却器
2
膨胀机
冷藏室
压缩机
4
1
蒸气压缩制冷空调装置
4
1-2：绝热压缩过程 2-4：定压放热过程 4-5：绝热节流过程 5-1：定压吸热过程
5
蒸气压缩制冷循环
第11章 制冷循环要点
第十一章 制 冷 循 环
1．基本概念
制冷：对物体进行冷却，使其温度低于周围环境的温度，并维持这个低温称为。
空气压缩式制冷：将常温下较高压力的空气进行绝热膨胀，获得低温低压的空气。
蒸汽喷射制冷循环：用引射器代替压缩机来压缩制冷剂，以消耗蒸汽的热能作为补偿来实现制冷的目的。
蒸汽喷射制冷装置：由锅炉、引射器(或喷射器)、冷凝器、节流阀、蒸发器和水泵等组成。
吸收式制冷：利用制冷剂液体气化吸热实现制冷，它是直接利用热能驱动，以消耗热能为补偿将热量从低温物体转移到环境中去。
吸收式制冷采用的工质是两种沸点相差较大的物质组成的二元溶液，其中沸点低的物质为制冷剂，沸点高的物质为吸收剂。
热泵：是一种能源提升装置，以消耗一部分高位能(机械能、电能或高温热能等)为补偿，通过热力循环，把环境介质(水、空气、土壤)中贮存的不能直接利用的低位能量转换为可以利用的高位能。
影响制冷系数的主要因素：降低制冷剂的冷凝温度(即热源温度)和提高蒸发温度（冷源温度），都可使制冷系数增高。
2．常用公式
制冷系数： 2
10
q w ε=
=收获消耗 空气压缩式制冷系数
112
21
11111
T p T p κκ
ε-=
=
-⎛⎫- ⎪⎝⎭
或 1
121
T T T ε=-
卡诺循环的制冷系数：
1
1,31
c T T T ε=
-
3．重要图表
图11-7蒸发温度对制冷系数的影响
图11-11蒸汽喷射制冷循环。
工程热力学思考题答案,第十一章
第十一章制冷循环1.家用冰箱的使用说明书上指出，冰箱应放置在通风处，并距墙壁适当距离，以及不要把冰箱温度设置过低，为什么？答：为了维持冰箱的低温，需要将热量不断地传输到高温热源（环境大气），如果冰箱传输到环境大气中的热量不能及时散去，会使高温热源温度升高，从而使制冷系数降低，所以为了维持较低的稳定的高温热源温度，应将冰箱放置在通风处，并距墙壁适当距离。
在一定环境温度下，冷库温度愈低，制冷系数愈小，因此为取得良好的经济效益，没有必要把冷库的温度定的超乎需要的低。
2.为什么压缩空气制冷循环不采用逆向卡诺循环？答：由于空气定温加热和定温放热不易实现，故不能按逆向卡诺循环运行。
在压缩空气制冷循环中，用两个定压过程来代替逆向卡诺循环的两个定温过程。
3.压缩蒸气制冷循环采用节流阀来代替膨胀机，压缩空气制冷循环是否也可以采用这种方法？为什么？答：压缩空气制冷循环不能采用节流阀来代替膨胀机。
工质在节流阀中的过程是不可逆绝热过程，不可逆绝热节流熵增大，所以不但减少了制冷量也损失了可逆绝热膨胀可以带来的功量。
而压缩蒸气制冷循环在膨胀过程中，因为工质的干度很小，所以能得到的膨胀功也极小。
而增加一台膨胀机，既增加了系统的投资，又降低了系统工作的可靠性。
因此，为了装置的简化及运行的可靠性等实际原因采用节流阀作绝热节流。
4.压缩空气制冷循环的制冷系数、循环压缩比、循环制冷量三者之间的关系如何？ 答：压缩空气制冷循环的制冷系数为：()()142314-----o o net k o q q h h w q q h h h h ε=== 空气视为理想气体，且比热容为定值，则：()()142314T T T T T T ε-=---循环压缩比为：21p p π=过程1-2和3-4都是定熵过程，因而有：1322114k kT T P T P T -⎛⎫==⎪⎝⎭代入制冷系数表达式可得：111k kεπ-=-由此式可知，制冷系数与增压比有关。
工程热力学思考题答案,第十一章
第十一章 制冷循环1、家用冰箱的使用说明书上指出,冰箱应放置在通风处,并距墙壁适当距离,以及不要把冰箱温度设置过低,为什么？答:为了维持冰箱的低温,需要将热量不断地传输到高温热源(环境大气),如果冰箱传输到环境大气中的热量不能及时散去,会使高温热源温度升高,从而使制冷系数降低,所以为了维持较低的稳定的高温热源温度,应将冰箱放置在通风处,并距墙壁适当距离。
在一定环境温度下,冷库温度愈低,制冷系数愈小,因此为取得良好的经济效益,没有必要把冷库的温度定的超乎需要的低。
2、为什么压缩空气制冷循环不采用逆向卡诺循环？答:由于空气定温加热与定温放热不易实现,故不能按逆向卡诺循环运行。
在压缩空气制冷循环中,用两个定压过程来代替逆向卡诺循环的两个定温过程。
3、压缩蒸气制冷循环采用节流阀来代替膨胀机,压缩空气制冷循环就是否也可以采用这种方法？为什么？答:压缩空气制冷循环不能采用节流阀来代替膨胀机。
工质在节流阀中的过程就是不可逆绝热过程,不可逆绝热节流熵增大,所以不但减少了制冷量也损失了可逆绝热膨胀可以带来的功量。
而压缩蒸气制冷循环在膨胀过程中,因为工质的干度很小,所以能得到的膨胀功也极小。
而增加一台膨胀机,既增加了系统的投资,又降低了系统工作的可靠性。
因此,为了装置的简化及运行的可靠性等实际原因采用节流阀作绝热节流。
4、压缩空气制冷循环的制冷系数、循环压缩比、循环制冷量三者之间的关系如何？答:压缩空气制冷循环的制冷系数为:()()142314-----o o net k o q q h h w q q h h h h ε===(a) (b) 压缩空气制冷循环状态参数图空气视为理想气体,且比热容为定值,则:()()142314T T T T T T ε-=--- 循环压缩比为:21p p π=过程1-2与3-4都就是定熵过程,因而有:1322114k k T T P T P T -⎛⎫== ⎪⎝⎭ 代入制冷系数表达式可得:111k k επ-=- 由此式可知,制冷系数与增压比有关。
第十一章 制冷循环3ppt课件
吸收式制冷装置—依靠高温热源向环 境传递热量作为代价而实现制冷的装置。
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。
析说明之。
11-4 压缩式制冷依靠消耗机械功而实现制冷，吸收式及喷射 式制冷则是依靠消耗高温的热能而实现制冷，试根据热力学第二 定律说明两者的一致性。
11-5 高增压比的空气压缩制冷装置采用回热措施而降低增压 比时，若考虑到压气机及膨胀机中的不可逆损失，是否不论采用 回热与否循环的制冷系数仍相同？
完整版PPT课件
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。
完整版PPT课件
2
11-5 制冷剂及其热力学性质
例 11-5 一台氨蒸气压缩制冷装置，其冷库 温度为－10℃，冷凝器中冷却水温度为20℃， 试求单位质量工质的制冷量、装置消耗的功、 冷却水带走的热量以及制冷系数。
解: 按题意 T1=T4=263 K T3=293 K32 34
1
完整版PPT课件
4
思考题
11-1 当冷库温度及环境温度一定时，试证明逆向卡诺循环具 有最大的制冷系数。
11-2 空气压缩制冷为何不能像蒸气压缩制冷那样采用节流阀 降压，而要采用膨胀机降压膨胀。
11-3 当冷库温度及环境温度一定时，为增加单位质量的制冷
量，空气压缩制冷循环的制冷系数总要有所降低，试用T-s图分
第十一章制冷系统辅助设备
工作原理：混合气体进入空气 分离器后，氨气在套管内的空间中 冷却凝结，空气等不凝性气体则被 分离出来，凝结的氨液通过器外支 管路节流后回收部分冷量，冷凝混 合气体，分离出来的空气与其他不 凝性气体由空气分离器筒体上的放 空气管通过盛水容器放入大气 ，蒸 发出的氨气进入制冷系统的回气管 路。
2014-9-23 18
位置：一般位于冷凝器之后， 安装必须保证冷凝器内液体能借其 液位差流入高压储液器中。 结构： 氨系统使用； 氟系统使用。
容器装有安全阀。
2014-9-23
19
氨用
2014-9-23
Байду номын сангаас
20
对于只有一个蒸发器的小型制冷 装置，特别是氟利昂制冷装置，因气密 性较好，高压储液器容量可选择得较小， 或者不采用高压储液器，仅在冷凝器下 部储存少量液体。
2014-9-23
6
2014-9-23
7
三、填料式油分离器 填料式氨油分离器中，由特殊 导流片作用，高压氨气中的油在离 心力作用下初步分离后，通过不锈 钢填料层，使油得到进一步分离。 气体在分离器内经过填料层不 断改变流动方向，且流速减慢，使 油滴分离出来，存于容器底部。
2014-9-23
8
2014-9-23
9
四、过滤式油分离器
是干式 油分离器的 一种，用于 小型氟利昂 系统，分油 效果较好。
2014-9-23
10
五、集油器 作用：是氨制冷系统中收集从油分 离器、冷凝器、储液器、中间冷却器、 蒸发器和排液桶等设备放出的润滑油的 设备；并使润滑油在低压状态下排放至 油处理系统，同时减少氨的损耗。 结构：由容器钢板筒体及封头组 焊接而成的一种储存设备，其上设有 进油口、放油口、抽汽口及压力表。
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• 优点：工质为空气，无毒，无味，不怕泄漏。
• 缺点：
1. 无法实现定温加热和放热，制冷系数小于逆向卡诺循
环制冷系数 < C
2. q2=cp(T1-T4)，空气cp很小， (T1-T4)不能太大， 实际上很少应
制冷量q2 很小。 若(T1-T4)
π
用，除了飞机 机舱的开式压
3. 活塞式流量m小，制冷量Q2=mq2小。
制冷循环类型
压缩式制冷循环 吸收式制冷循环
压缩气体制冷
√ 压缩蒸气制冷
吸附式制冷循环
蒸气喷射制冷循环
半导体制冷 热声制冷
常见制冷剂：
1. 氨（NH3） 2. 氟里昂（氯氟烃，含氢氯氟烃）：CFC12(R12)、CFC11(R11) HCFC22
(R22)
3. 含氢氟代烃物质：（HCFC134a）
11-2 压缩空气制冷循环
可靠性。因此，为了装置的简化及运行的 8
5
6
Tc
71
可靠性等实际原因，压缩蒸气制冷循环均
不采用卡诺逆循环，而采用右图所示循环 8’0’6’5’
7’ 1’ s
1-2-3-4-5-1。
图11-6 压缩蒸气制冷循环T-s图
即使存在不可逆损失，但是节流阀简单、可靠， 且可以控制蒸发器中的压力
其工作过程为：从冷库（蒸发器）出来的
4
q2
1
蒸发器
图11-5 压缩蒸气制冷装置流程图
理论上可以实现最为经济的逆向卡诺制冷
循环7-3-4-6-7。但是由于7是湿蒸汽状态，
湿蒸汽的压缩容易造成液滴的猛烈冲击，
T
2
以致损伤压缩机。同时，在4-6的膨胀过
程中，因为工质的干度很小，所以能得到 的膨胀功也极小。而增加一台膨胀机，既
4
T0 3
增加了系统的投资，又降低了系统工作的 0
进一步降温至T5（等于冷库温度TC），接
6
着进入叶轮式膨胀机实现定熵绝热膨胀，降
3` 4
1
3 Tmax
T0 2
Tc
压、降温至T6、p6，n s
压吸热过程，升温到T1，完成理想回热循
环1-2-3-4-5-6-1。
图11-4 回热式压缩空气制冷循 环T-s图
①在理想情况下，4-5过程中空气在回热器中
C. P. s
4
32
T2 1 T0 5
Tc
h 图11-7 lg p-h图
29
实际压缩蒸气制冷循环
实际上的不可逆因素： ①传热温差与摩阻； ②压缩过程为不可逆的绝热压缩。
实际压缩蒸汽制冷循环下图中的1-2-3-4-5-1所示。其中，制冷剂的压缩过 程1-2是不可逆绝热过程，且其经过冷库的蒸发温度低于冷库温度TC，其 经过冷凝器的冷凝温度高于环境温度T0。
目录
第十一章 制冷循环
环境
11-1 概况 11-2 压缩空气制冷循环 11-3 压缩蒸气制冷循环 11-4 制冷剂的性质 11-6 热泵循环
W0=Q1-Q2
• 教学目标：了解工程实际中制冷过程，掌握各种制冷循 环的热力计算。
• 知识点：空气压缩制冷循环；蒸气压缩制冷循环；蒸气 喷射制冷循环；吸收式制冷循环；热泵。
4
T0
3
压缩机绝热压缩的比轴功就是循环比净功：
0
wnet wC h2 h1
8
5
6
Tc
71
其制冷系数：
qc h1 h4
wnet h2 h1
8’0’6’5’
7’ 1’ s
图11-6 压缩蒸气制冷循环T-s图
压缩蒸气制冷循环的lg p-h图
制冷循环过程量（功和热）的 lg p 计算与过程前后的比焓差有关，因 此常用压焓（lgp-h)图来分析计算 压缩蒸汽制冷循环。在此图上也有：p2 等压线、等焓线、等温线、等容线、 等熵线和等干度线。根据过程的关 p1 系（1-2过程定熵，2-3-4过程定 压，4-5过程定焓，5-1过程定 0 压），可以将压缩蒸气制冷循环在 图上表示出来。
由于空气的定温加热和定温排热不易实现，故工程上用定压加热和定
压排热代替，可视为布雷顿循环的逆循环，其p - v和T-s图如下图。
p
T
3 定压加热 2
2
3
T0
绝热膨胀
4 定压放热 1
4
绝热压缩
1 Tc
o
vo
4`
1`
s
图11-2 压缩空气制冷循环状态参数图
1→2：绝热压缩 p↑,T2↑>T0，压气机耗功WC 2→3：等压冷却 T3↓=T0，向环境放热q0
制 冷 剂 的 质 量 流 量 qm 0.005 kg / s ， 环 境 温
度 t0 30 C,求：
lg p
（1）循环的制冷系数；
C. P. s
（2）制冷量； （3）电动机功率； （4）节流过程的作功能力损失； （5）装置火用效率。
4 p2
3 2s 2
T2
p1
T0 5 1 Tc
0
h
解： （1）制冷系数
T
2
2s
4 T0 3
T0
Tc 5
1
s
lg p C. P. s
4 p2
3 2s 2
T2
p1
T0
5
1 Tc
T1
0
h
过冷方法只利用环境介质将工质冷却到T4（T4 <T0）,否则需要介质向 人为的低温放热，得不偿失。
实际循环还采用过冷方法:即在冷凝器中将处于状态4的饱和液体 继续冷却到未饱和状态4’，然后让其经绝热节流膨胀到状态5’。这 样，蒸发器中单位工质的吸热量增加了(h5-h5')，而压缩机耗功未变， 所以制冷系数有所提高。
空 3→4：绝热膨胀 T 4↓<Tc ，膨胀机作功WT
气 4→1：等压吸热 T1↑=Tc，自冷库吸热qC
压
p
缩
3
2
制
T 3
2 T 0
冷
wnet
循
1
T c
环
4
1
4
过
程
o
v
o
4`
1` s
布雷顿循环的逆循环
制冷系数:
T
qc
h1 h4
wnet (h2 h3 ) (h1 h4 )
把空气理想化成定比热容的理想气体, 则有：
1 T3 1 T4
T4 T3 T4
T1 T2 T1
1
k 1
k 1
o
2
3
7T
0
85
6
qnet 1
T c
4
9
4` 9` 1` s
其中π称为循环增压比。显然， ，但比较循环1-7-8-9-1和 1-2-3-4-1可知，π↓也会导致循环制冷量减少。制冷系数和制冷量 是一对矛盾。
空气压缩制冷循环特点
③由于π减少，压缩过程和膨胀过程的不可 逆损失的影响也可减小。
T
5` 5 6
0g
3` 4
1
3 Tmax
T0 2
Tc
km n s
图11-4 回热式压缩空气制冷循 环T-s图
回热式空气制冷循环的优点在于：
1)回热式空气制冷循环使π↓； 2)可用叶轮式压气机使生产量↑； 3)可使压缩和膨胀过程中的不可逆损失↓。
例A461277
11-3 压缩蒸气制冷循环
压缩空气制冷循环2个缺点： 1. 偏离逆向卡诺循环的等温过程； 2. 空气的定压比热容小→q2也小。
压缩蒸汽制冷循环， 2个特点： 1. 湿蒸汽区的定压即等温； 2. 蒸汽定压比热容比空气大。
q1
3
2
冷凝器
w
节
流
压气机
阀
水能用否？ -- 0°C以下凝固不能流动。一般用低沸点
➢ 消耗的功用于将热量由低温 物体传向高温物体。
q1 w
q2
w0
w0
3.制冷循环与热泵循环的比较
T T1
3
2
T0
耗净功w0
T2 4
1 制冷量q2
制冷循环
s
T
3'
2'
耗净功w0
4 ' 供热量q1 1'
吸热量q2
热泵循环
s
11-1 概况
• 一、制冷循环的经济性评价
在T0～TC之间的制冷循环中，逆向卡诺循环的制冷系数最大。
• 重 点：空气和蒸汽压缩制冷循环的组成、制冷系数 的计算及提高制冷系数的方法和途径。
• 难 点：结合工程对空气和蒸汽压缩制冷循环的描述， 建立数学模型，进行热力计算。
复习！逆向循环
消耗功，获得热。
制冷是获得并保持低于环境温度的操作。制 冷和热泵一样，都是逆向循环的一种。热力
高温热源
学第二定律指出，热不能自发地由低温物体 传向高温物体。要使非自发过程成为可能，
T
2
2s
lg p C. P. s
4’4
T0
T0
Tc 5’ 5
3 1
s
4’4 p2
p1
5’ 5
0
3 2s 2
T2 T0 1 Tc T1
h
例 11-2
P355
用R134a作工质的理想制冷循环如图11 – 7中循
环1–2–3–4–5–1所示。若蒸发器制冷温
度 tc t1 20C,冷凝器中的冷凝温度 t4 t3 40C ，
工质状态为1，压力p1，干度接近1，进入
压缩机进行绝热压缩过程1-2，变成p2，
T
T2的过热蒸汽，再进入冷凝器，进行定压
放热2-3-4至饱和液态4，再经节流阀作绝 4
热节流，降温、降压至饱和湿蒸汽状态5，