第十一章-制冷循環(huán).ppt

第十一章制冷循環(huán) 11 1概況11 2壓縮空氣制冷循環(huán)11 3壓縮蒸氣制冷循環(huán)11 4制冷劑的性質(zhì)11 6熱泵循環(huán) 教學目標 了解工程實際中制冷過程 掌握各種制冷循環(huán)的熱力計算 知識點 空氣壓縮制冷循環(huán) 蒸氣壓縮制冷循環(huán) 蒸氣噴射制冷循環(huán) 吸收式制冷循環(huán) 熱泵 重點 空氣和蒸汽壓縮制冷循環(huán)的組成 制冷系數(shù)的計算及提高制冷系數(shù)的方法和途徑 難點 結(jié)合工程對空氣和蒸汽壓縮制冷循環(huán)的描述 建立數(shù)學模型 進行熱力計算 制冷是獲得并保持低于環(huán)境溫度的操作 制冷和熱泵一樣 都是逆向循環(huán)的一種 熱力學第二定律指出 熱不能自發(fā)地由低溫物體傳向高溫物體 要使非自發(fā)過程成為可能 必須消耗能量 制冷循環(huán)中所用的在低溫下吸熱和高溫下排熱的工作物質(zhì) 簡稱工質(zhì) 稱為制冷劑 制冷循環(huán)和熱泵都是消耗外功或熱能而實現(xiàn)熱由低溫傳向高溫的逆向循環(huán) 制冷循環(huán)的目的是獲得低溫 熱泵的目的是獲得高溫 高溫熱源 制冷裝置 熱泵 低溫熱源 放熱q1 做功 net 吸熱q2 工作過程 消耗功 獲得熱 復習 逆向循環(huán) 逆向循環(huán)是指循環(huán)中壓縮過程所消耗的功大于膨脹過程所作的功 循環(huán)的總效果不是產(chǎn)生功而是消耗外界功 消耗的功用于將熱量由低溫物體傳向高溫物體 1 4 2 3 T1 T2 T s T0 制冷循環(huán) 熱泵循環(huán) 制冷量q2 耗凈功w0 耗凈功w0 吸熱量q2 供熱量q1 3 制冷循環(huán)與熱泵循環(huán)的比較 s T 11 1概況 在T0 TC之間的制冷循環(huán)中 逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)最大 工程上把制冷系數(shù)稱為制冷裝置的工作性能系數(shù) 用COP表示 一 制冷循環(huán)的經(jīng)濟性評價 1 環(huán)境溫度一定時 冷庫溫度越低 制冷系數(shù)就越小 沒有必要把冷庫溫度定得超乎需要的低 以節(jié)約能源 2 同時保持環(huán)境溫度不要太高 注意散熱和通風 制冷系數(shù) 制冷量 循環(huán)耗凈功 制冷循環(huán)類型 壓縮式制冷循環(huán) 壓縮氣體制冷 壓縮蒸氣制冷 吸收式制冷循環(huán) 吸附式制冷循環(huán) 蒸氣噴射制冷循環(huán) 半導體制冷 常見制冷劑 氨 NH3 氟里昂 氯氟烴 含氫氯氟烴 CFC12 R12 CFC11 R11 HCFC22 R22 含氫氟代烴物質(zhì) HCFC134a 熱聲制冷 11 2壓縮空氣制冷循環(huán) 一 壓縮空氣制冷循環(huán) 壓氣機 右圖是簡單的壓縮空氣制冷循環(huán)裝置流程圖 四個主要部件 膨脹機是類似燃氣輪機等的動力機 壓氣機已學過 冷卻器和冷庫類似于換熱器 圖11 1壓縮空氣制冷循環(huán)裝置流程圖 水冷 風冷 大型冷凝器 循環(huán)中幾種未介紹過的設備 節(jié)流閥 冷庫中用到的幾種蒸發(fā)器 壓氣機 膨脹機 冷卻器 冷藏室 COLDmediumatTL q1 q2 win wout 4 1 2 3 一 空氣壓縮制冷循環(huán)過程描述 由于空氣的定溫加熱和定溫排熱不易實現(xiàn) 故工程上用定壓加熱和定壓排熱代替 可視為布雷頓循環(huán)的逆循環(huán) 其p v和T s圖如下圖 圖11 2壓縮空氣制冷循環(huán)狀態(tài)參數(shù)圖 3 4 定壓放熱 定壓加熱 絕熱膨脹 絕熱壓縮 T0 Tc 空氣壓縮制冷循環(huán)過程 1 2 絕熱壓縮p T2 T0 壓氣機耗功WC 2 3 等壓冷卻T3 T0 向環(huán)境放熱q0 3 4 絕熱膨脹T4 Tc 膨脹機作功WT 4 1 等壓吸熱T1 Tc 自冷庫吸熱qC 3 4 布雷頓循環(huán)的逆循環(huán) 制冷系數(shù) 其中 稱為循環(huán)增壓比 顯然 但比較循環(huán)1 7 8 9 1和1 2 3 4 1可知 也會導致循環(huán)制冷量減少 制冷系數(shù)和制冷量是一對矛盾 把空氣理想化成定比熱容的理想氣體 則有 4 5 8 空氣壓縮制冷循環(huán)特點 優(yōu)點 工質(zhì)為空氣 無毒 無味 不怕泄漏 缺點 1 無法實現(xiàn)定溫加熱和放熱 制冷系數(shù)小于逆向卡諾循環(huán)制冷系數(shù) C 2 q2 cp T1 T4 空氣cp很小 T1 T4 不能太大 制冷量q2很小 3 活塞式流量m小 制冷量Q2 mq2小 大流量葉輪式壓氣機和膨脹機 回熱 實際上很少應用 除了飛機機艙的開式壓縮空氣制冷 二 回熱式空氣制冷循環(huán) 低溫工程大溫差制冷 需提高增壓比 但使壓氣機和膨脹機的負荷加重 為此可采用回熱器 用空氣在回熱器中的預熱過程代替一部分絕熱壓縮過程 從而降低增壓比 回熱器就是一個換熱器 空氣在其中的放熱量 過程4 5 等于被預熱空氣在其中的吸熱量 過程1 2 圖11 3回熱式壓縮空氣制冷裝置流程圖 從冷庫出來的空氣 T1 TC 先進入回熱器升溫到高溫熱源溫度T2 通常等于環(huán)境溫度T0 接著進入葉輪式壓縮機進行壓縮 升溫 升壓到T3 p3 再進入冷卻器 實現(xiàn)定壓放熱 溫度降至T4 理論上可以達到高溫熱源溫度T2 隨后進入回熱器進一步降溫至T5 等于冷庫溫度TC 接著進入葉輪式膨脹機實現(xiàn)定熵絕熱膨脹 降壓 降溫至T6 p6 最后進入冷庫實現(xiàn)定壓吸熱過程 升溫到T1 完成理想回熱循環(huán)1 2 3 4 5 6 1 T0 Tc Tmax 圖11 4回熱式壓縮空氣制冷循環(huán)T s圖 在理想情況下 4 5過程中空氣在回熱器中的放熱量 圖中面積45gk4表示 恰等于被預熱空氣在過程1 2中的吸熱量 可用圖中面積12nm1表示 與不采用回熱的循環(huán)1 3 5 6 1相比 循環(huán)中工質(zhì)的吸熱量沒有變化 都是過程6 1吸收的熱量 由于面積34kn3等于面積3 5 gm3 故循環(huán)放熱量也沒有變化 所以循環(huán)的制冷系數(shù)也沒有變化 但是循環(huán)的增壓比卻從p3 p1下降到p3 p1 這為采用壓比不能很高的葉輪式壓氣機和膨脹機提供了可能 而葉輪式壓氣機及膨脹機可提供大流量的空氣 這樣循環(huán)既有較高的制冷系數(shù) 又有較大的制冷量 T0 Tc Tmax 圖11 4回熱式壓縮空氣制冷循環(huán)T s圖 注意 同溫限的吸熱量和放熱量相等 此外 由于不應用回熱時 在壓氣機中至少要把工質(zhì)從TC壓縮到T0以上才有可能制冷 因工質(zhì)要放熱給大氣環(huán)境 而在氣體液化等低溫工程中 TC和T0之間的溫差很大 這就要求壓氣機有很高的 葉輪式壓氣機很難滿足這種要求 應用回熱則解決這一困難 由于 減少 壓縮過程和膨脹過程的不可逆損失的影響也可減小 T0 Tc Tmax 圖11 4回熱式壓縮空氣制冷循環(huán)T s圖 1 回熱式空氣制冷循環(huán)使 2 可用葉輪式壓氣機使生產(chǎn)量 3 可使壓縮和膨脹過程中的不可逆損失 回熱式空氣制冷循環(huán)的優(yōu)點在于 例A461277 11 3壓縮蒸氣制冷循環(huán) 圖11 5壓縮蒸氣制冷裝置流程圖 壓縮空氣制冷循環(huán)2個缺點 偏離逆向卡諾循環(huán)的等溫過程 空氣的定壓比熱容小 q2也小 壓縮蒸汽制冷循環(huán) 2個特點 濕蒸汽區(qū)的定壓即等溫 蒸汽定壓比熱容比空氣大 水能用否 0 C以下凝固不能流動 一般用低沸點工質(zhì) 如氟利昂 氨 一 壓縮蒸汽制冷循環(huán)原理 11 3壓縮蒸氣制冷循環(huán) 圖11 5壓縮蒸氣制冷裝置流程圖 1 2 制冷劑在壓縮機中的絕熱壓縮過程 2 3 制冷劑在冷凝器中的定壓放熱過程 3 4 制冷劑在膨脹閥中的絕熱節(jié)流過程 4 1 制冷劑在蒸發(fā)器中的定壓定溫氣化過程 理論上可以實現(xiàn)最為經(jīng)濟的逆向卡諾制冷循環(huán)7 3 4 6 7 但是由于7是濕蒸汽狀態(tài) 濕蒸汽的壓縮容易造成液滴的猛烈沖擊 以致?lián)p傷壓縮機 同時 在4 6的膨脹過程中 因為工質(zhì)的干度很小 所以能得到的膨脹功也極小 而增加一臺膨脹機 既增加了系統(tǒng)的投資 又降低了系統(tǒng)工作的可靠性 因此 為了裝置的簡化及運行的可靠性等實際原因 壓縮蒸氣制冷循環(huán)均不采用卡諾逆循環(huán) 而采用右圖所示循環(huán)1 2 3 4 5 1 0 8 8 0 6 5 7 1 s 1 Tc T0 5 2 T 4 3 6 7 圖11 6壓縮蒸氣制冷循環(huán)T s圖 其工作過程為 從冷庫 蒸發(fā)器 出來的工質(zhì)狀態(tài)為1 壓力p1 干度接近1 進入壓縮機進行絕熱壓縮過程1 2 變成p2 T2的過熱蒸汽 再進入冷凝器 進行定壓放熱2 3 4至飽和液態(tài)4 再經(jīng)節(jié)流閥作絕熱節(jié)流 降溫 降壓至飽和濕蒸汽狀態(tài)5 最后進入冷庫中的蒸發(fā)器 實現(xiàn)定壓蒸發(fā)吸熱過程5 1 回到狀態(tài)1完成循環(huán) 注意 4 5的節(jié)流過程不可逆 只能用虛線表示 并且循環(huán)的凈功和凈熱量都不能用閉合曲線的面積來表示 圖11 6壓縮蒸氣制冷循環(huán)T s圖 即使存在不可逆損失 但是節(jié)流閥簡單 可靠 且可以控制蒸發(fā)器中的壓力 單位質(zhì)量制冷劑在冷凝器中定壓放熱量 q0 h2 h4 面積2346 1 2 單位質(zhì)量制冷劑在蒸發(fā)器中定壓吸熱量 qc h1 h5 h1 h4 面積155 1 1 壓縮機絕熱壓縮的比軸功就是循環(huán)比凈功 其制冷系數(shù) 圖11 6壓縮蒸氣制冷循環(huán)T s圖 制冷循環(huán)過程量 功和熱 的計算與過程前后的比焓差有關(guān) 因此常用壓焓 lgp h 圖來分析計算壓縮蒸汽制冷循環(huán) 在此圖上也有 等壓線 等焓線 等溫線 等容線 等熵線和等干度線 根據(jù)過程的關(guān)系 1 2過程定熵 2 3 4過程定壓 4 5過程定焓 5 1過程定壓 可以將壓縮蒸氣制冷循環(huán)在圖上表示出來 壓縮蒸氣制冷循環(huán)的lgp h圖 圖11 7lgp h圖 29 Tc T0 s 1 T0 5 2 T 4 3 2s lgp 1 2s 3 4 5 p2 p1 h s C P 0 Tc T0 T2 2 實際上的不可逆因素 傳熱溫差與摩阻 壓縮過程為不可逆的絕熱壓縮 實際壓縮蒸氣制冷循環(huán) 實際壓縮蒸汽制冷循環(huán)下圖中的1 2 3 4 5 1所示 其中 制冷劑的壓縮過程1 2是不可逆絕熱過程 且其經(jīng)過冷庫的蒸發(fā)溫度低于冷庫溫度TC 其經(jīng)過冷凝器的冷凝溫度高于環(huán)境溫度T0 T1 實際循環(huán)還采用過冷方法 即在冷凝器中將處于狀態(tài)4的飽和液體繼續(xù)冷卻到未飽和狀態(tài)4 然后讓其經(jīng)絕熱節(jié)流膨脹到狀態(tài)5 這樣 蒸發(fā)器中單位工質(zhì)的吸熱量增加了 h5 h5 而壓縮機耗功未變 所以制冷系數(shù)有所提高 過冷方法只利用環(huán)境介質(zhì)將工質(zhì)冷卻到T4 T4 T0 否則需要介質(zhì)向人為的低溫放熱 得不償失 T1 用R134a作工質(zhì)的理想制冷循環(huán)如圖11 7中循環(huán)1 2 3 4 5 1所示 若蒸發(fā)器制冷溫度 冷凝器中的冷凝溫度 制冷劑的質(zhì)量流量 環(huán)境溫度 求 1 循環(huán)的制冷系數(shù) 2 制冷量 3 電動機功率 4 節(jié)流過程的作功能力損失 5 裝置火用效率 例11 2 P355 lgp 1 2s 3 4 5 p2 p1 h s C P 0 Tc T0 T2 2 1 制冷系數(shù)狀態(tài)1是的飽和干蒸氣 由從HFC134a的飽和性質(zhì)表 附表11 中查得 同理 由及查得 由p2值和 從HFC134a的過熱蒸氣表 附表14 經(jīng)插值求得 故壓氣機耗功 解 每千克工質(zhì)的制冷量 冷噸 是工程上常用的制冷量單位 它表示1噸0 的飽和水在24小時內(nèi)冷凍為0 的冰所需要的制冷量 相當于3 86kJ s 美 3 51kJ s 2 總制冷量 制冷系數(shù)為 3 電動機功率 4 節(jié)流過程的作功能力損失由及 在lgp h圖上查得 因節(jié)流過程4 5為絕熱穩(wěn)定流動過程 所以熵產(chǎn)及作功能力損失分別為 5 火用效率由題意 循環(huán)制冷量qc中的冷量火用為 所以循環(huán)火用效率為 11 4制冷劑的性質(zhì) 1 對于裝置的工作溫度 要有適中的壓力 2 在工作溫度下汽化潛熱要大 3 臨界溫度應高于環(huán)境溫度 4 制冷劑在T s圖的上下界限要陡峭 5 工質(zhì)三相點溫度要低于制冷循環(huán)的下限溫度 6 蒸氣的比體積要小 工質(zhì)的傳熱性要好 常用的制冷劑有氨和氟里昂 對制冷劑熱力性質(zhì)的要求 其它性能要求 氟里昂是飽和碳氫化合物的氟 氯 溴衍生物之總稱 最早使用的是R12 以后使用范圍迅速擴大 許多氟里昂物質(zhì) 尤其是氯氟烴 碳氫化合物的氟 氯完全衍生物 在物理 化學性質(zhì)上又有許多共同的優(yōu)點 如無毒 無燃爆危險 不腐蝕金屬 熱穩(wěn)定性與化學穩(wěn)定性好等 便于實用 已經(jīng)成熟使用的氟里昂制冷劑以氯氟烴類物質(zhì)為主 如R11 R12 R114 R115等 還有某些不完全鹵代烴 如R22 以及氟里昂制冷劑的混合物 如R500 R502 R503等 1974年發(fā)現(xiàn)大氣臭氧層破壞的化學機制 到80年代 科學確認了氯氟烴是引起臭氧層破壞和溫室效應的危害物質(zhì) 1987年在加拿大蒙特利爾 Montreal 聯(lián)合國環(huán)境保護計劃會議簽署了 關(guān)于臭氧層衰減物質(zhì)的蒙特利爾協(xié)定 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) R11 R12 R113 R114 R115 R12B1 R13B1和R114B2是首批受禁物質(zhì) 到21世紀完全停止生產(chǎn) R22的環(huán)境破壞相對小一些 但最終也將被禁止 目前新制冷劑的開發(fā) 研究和應用正在進行中 較明朗化的趨勢是 高溫制冷劑用R123 中溫制冷劑用R134a和R152a 低溫制冷劑用R23 環(huán)境友善 安全無毒 溶油性好 化學 熱力性質(zhì)穩(wěn)定 價格便宜 與密封材料有較好的相容性 蒙特利爾議定書 1974年兩位美國科學家發(fā)現(xiàn)CFC和HCFC物質(zhì)進入大氣后對大氣同溫層中的臭氧層產(chǎn)生嚴重的破壞作用 使臭氧的濃度減小 大大削弱了對紫外線B的吸收能力 使大量紫外線B直接照射到地球表面 導致人體免疫功能下降 農(nóng) 畜 水產(chǎn)品減產(chǎn) 破壞生態(tài)平衡 并且還會加劇溫室效應 全球幾十個國家共同制訂了保護臭氧層的 蒙特利爾議定書 我國政府于1991年6月提出參加并于1992年8月起正式成為該協(xié)議書的締約國 按協(xié)議書的規(guī)定 我國將在2010年前禁止使用與生產(chǎn)CFC物質(zhì) 研究表明HCFC134a很有希望成為CFC12替代物 由于不含氯原子 因而不會破壞臭氧層 對溫室效應的影響也僅為CFC12的30 左右 它的正常沸點和蒸汽壓曲線與CFC12的十分接近 熱工性能也接近CFE12 膨脹閥 閥門 泵 加熱 蒸發(fā)器 冷凝器 氨吸收式制冷原理圖 蒸發(fā)器 Q2 吸收器 Q1 Q Q1 壓縮機 制冷劑 氨 吸收劑 水 11 5其它制冷循環(huán) 一 吸收式制冷循環(huán) 膨脹閥 閥門 泵 加熱 蒸發(fā)器 冷凝器 蒸發(fā)器 Q2 吸收器 Q1 Q Q1 壓縮機 利用溶液性質(zhì) 壓縮制冷循環(huán)以消耗機械功為代價 吸收式制冷以消耗熱量為代價 溶液 溶劑 溶質(zhì) 氨 溶質(zhì) 水 溶劑 溶液 溴化鋰 溶劑 水 溶質(zhì) 溶液 二 噴射式制冷循環(huán) 蒸汽噴射制冷T s圖 裝置工作循環(huán)可分成兩個循環(huán)制冷蒸汽循環(huán)673456工作蒸汽循環(huán)6812456總循環(huán)每kg制冷量q2 q7 3 h3 h7每kg冷凝器放出熱量q冷 q5 6 h6 h5每kg工作蒸汽吸熱量q1 q8 1 h1 h8能量利用系數(shù) 11 6熱泵循環(huán) 評價其循環(huán)經(jīng)濟性能的指標為供暖系數(shù) 熱泵循環(huán)和制冷循環(huán)的熱力學原理相同 但它主要目的在于向高溫物系提供熱量 熱泵經(jīng)合理設計 可輪流用來制冷和供暖 夏季作制冷機用于空調(diào) 冬季作熱泵用來供暖 目前的冷 熱風機按加熱方式可分為電熱型和熱泵型兩種 12 4 供暖系統(tǒng)示意圖 房屋 蒸發(fā)器 冷凝器 膨脹閥 壓縮機 Q2 Win Q1 制冷系統(tǒng)示意圖 房屋 蒸發(fā)器 冷凝器 膨脹閥 壓縮機 Q Win Q 氣 氣轉(zhuǎn)換式熱泵系統(tǒng)圖 轉(zhuǎn)換閥 膨脹閥 制冷系統(tǒng) 熱泵系統(tǒng) 壓縮機 換熱器 室外 室內(nèi) 換熱器 主要供暖方式 熱用戶 能量利用系數(shù) 直接電 100 電廠 發(fā)電33 損失67 房間33 鍋爐 100 鍋爐 效率70 房間70 損失30 熱泵 熱泵 100 電廠 發(fā)電33 損失67 66 房間99 COP 3 例2某制冷機以氨為制冷劑 冷凝溫度為38 蒸發(fā)溫度為 10 冷負荷為100 104KJ h 試計算制冷劑流量 壓縮機所消耗功量和制冷系數(shù) 解 查lgP h圖p1 0 29MPa p2 1 5MPa h1 1450kJ kg h2 1690kJ kg h4 h5 370kJ kg 制冷劑流量q2 h1 h5 1450 370 1080kJ kgm Q2 q2 1000000 1080 925 93kg h壓縮機功率w0 h2 h1 1690 1450 240kJ kgP mw0 3600 61 73kW制冷系數(shù) 1 q2 w0 1080 240 4 5 本章作業(yè) 11 1 12 1一制冷機在 20 和30 的熱源間工作 若其吸熱為10kW 循環(huán)制冷系數(shù)是同溫度限間逆向卡諾循環(huán)的75 試計算 1 散熱量 2 循環(huán)凈耗功量 3 循環(huán)制冷量折合多少 冷噸 解 在 20 和30 間逆向卡諾循環(huán)制冷系數(shù) 實際循環(huán)制冷系數(shù) 1 散熱量 2 凈功 3 折合冷噸 3 改作熱泵循環(huán) 2 11 2 一逆向卡諾制冷循環(huán) 其性能系數(shù)為4 問高溫熱源與低溫熱源溫度之比多少 若輸入功率為1 5kW 試問制冷量為多少 冷噸 如果將此系統(tǒng)改作熱泵循環(huán) 高 低溫熱源溫度及輸入功率維持不變 試求循環(huán)的性能系數(shù)及能提供的熱量 解 1 考點是對 逆向 循環(huán)性能系數(shù)的掌握 這是一個基本點 制冷和熱泵系數(shù)定義有一定區(qū)別 關(guān)鍵記住是收益 成本 11 3 壓縮空氣制冷循環(huán)運行溫度TC 290K T0 300K 如果循環(huán)增壓比分別為3和6 分別計算它們的循環(huán)性能系數(shù)和每kg工質(zhì)的制冷量 假定空氣為理想氣體 此熱容取定值cp 1 005kJ kg K 1 4 解 制冷量 制冷量 循環(huán)增壓比 制冷系數(shù) 制冷量 11 6 某采用理想回熱的壓縮氣體制冷裝置 工質(zhì)為某種理想氣體 循環(huán)增壓比為 5 冷庫溫度Tc 40 環(huán)境溫度為300K 若輸入功率為3kW 試計算 1 循環(huán)制冷量 2 循環(huán)制冷量系數(shù) 3 若循環(huán)制冷系數(shù)及制冷量不變 但不用回熱措施 此時 循環(huán)的增壓此應該是多少 該氣體熱可取定值 cp 0 85kJ kg K 1 3 解 T5 T1 TC 40 233 15K 11 13 某熱泵裝置用氨為工質(zhì) 設蒸發(fā)器中氨的溫度為 10 進入壓縮機時蒸汽的干度為x1 0 95 冷凝器中飽和氨的溫度為35 求 1 工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收的熱量q2 在冷凝器中的散向室內(nèi)大氣的熱量q1和循環(huán)供暖系數(shù) 2 設該裝置每小時向室內(nèi)大氣供熱量Q1 8 104kJ 求用以帶動該該熱泵的最小功率是多少 若改用電爐供熱 則電爐功率應是多少 兩者比較 可得出什么樣的結(jié)論 解 查NH3熱力性質(zhì)表 t 10 時 h 134 41kJ kg h 1430 8kJ kg s 0 5408kJ kg K s 5 4673kJ kg K h1 xh 1 x h 0 95 1430 8kJ kg 1 0 95 134 41kJ kg 1366 0kJ kgs1 xs 1 x s 0 95 5 4673kJ kg K 1 0 95 0 5408kJ kg K 5 2219kJ kg K 0 s 1 5 2 T 4