第6章 熱泵-制冷裝置循環(huán)

1、2022-1-101第第6章章熱泵熱泵-制冷裝置循環(huán)制冷裝置循環(huán)2022-1-102 熱泵熱泵-制冷機(jī)循環(huán)制冷機(jī)循環(huán) 以消耗機(jī)械能為代價(jià)，從低溫?zé)嵩慈嵋韵臋C(jī)械能為代價(jià)，從低溫?zé)嵩慈崮嫜h(huán)逆循環(huán) 制冷系數(shù)制冷系數(shù) 供暖系數(shù)供暖系數(shù)net2COPwq 熱泵的工作目的是供暖熱泵的工作目的是供暖net1COPwq6-1 緒言緒言 2022-1-103 逆卡諾循環(huán)是最理想的熱泵逆卡諾循環(huán)是最理想的熱泵- -制冷機(jī)循環(huán)制冷機(jī)循環(huán)逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)sTbT1T2dac212CTTT211CTTT 卡諾制冷機(jī)卡諾制冷機(jī)卡諾熱泵卡諾熱泵制冷系數(shù)制冷系數(shù)T1環(huán)境溫度環(huán)境溫度T2冷庫(kù)溫度冷庫(kù)溫度T1室內(nèi)溫度

2、室內(nèi)溫度T2環(huán)境溫度環(huán)境溫度1121CTT12C11TTT2T1 、 2022-1-104 制冷能力制冷能力制冷裝置單位時(shí)間從冷庫(kù)中吸取的熱量制冷裝置單位時(shí)間從冷庫(kù)中吸取的熱量 kJ/h，或或W、kW 商業(yè)上常用商業(yè)上常用“冷噸冷噸” 來(lái)表達(dá)制冷裝置的制冷能力來(lái)表達(dá)制冷裝置的制冷能力冷噸冷噸能在能在24小時(shí)內(nèi)將小時(shí)內(nèi)將1噸噸0的水的水 凍結(jié)成凍結(jié)成0的冰的制冷能力的冰的制冷能力 1冷噸冷噸=3860W 常用常用制冷能力制冷能力來(lái)衡量設(shè)備制冷量大小來(lái)衡量設(shè)備制冷量大小水的凝結(jié)（冰熔化）熱水的凝結(jié)（冰熔化）熱 r =334 kJ/kg 美制美制1冷噸規(guī)定為冷噸規(guī)定為3516.85 W2022-1-

3、105制冷循環(huán)種類制冷循環(huán)種類壓縮制冷壓縮制冷吸收式制冷吸收式制冷吸附式制冷吸附式制冷半導(dǎo)體制冷半導(dǎo)體制冷噴射制冷噴射制冷空氣壓縮制冷空氣壓縮制冷蒸汽壓縮制冷蒸汽壓縮制冷當(dāng)前世界上絕大多數(shù)制冷裝置屬采用低沸當(dāng)前世界上絕大多數(shù)制冷裝置屬采用低沸點(diǎn)物質(zhì)作制冷劑的壓縮蒸汽制冷點(diǎn)物質(zhì)作制冷劑的壓縮蒸汽制冷低沸點(diǎn)物質(zhì)汽化潛熱較大，制冷能力強(qiáng)低沸點(diǎn)物質(zhì)汽化潛熱較大，制冷能力強(qiáng)2022-1-1066-2 空氣壓縮制冷循環(huán)空氣壓縮制冷循環(huán) 空氣壓縮制冷裝置空氣壓縮制冷裝置1壓縮機(jī)壓縮機(jī)冷庫(kù)冷庫(kù)冷卻水冷卻水冷卻器冷卻器膨脹機(jī)膨脹機(jī)234壓縮機(jī)壓縮機(jī)冷卻器冷卻器膨脹機(jī)膨脹機(jī)冷庫(kù)冷庫(kù)連接起來(lái)構(gòu)成整個(gè)制冷裝置連接起來(lái)

4、構(gòu)成整個(gè)制冷裝置各設(shè)備進(jìn)、出口處的狀態(tài)標(biāo)為各設(shè)備進(jìn)、出口處的狀態(tài)標(biāo)為壓縮機(jī)進(jìn)口壓縮機(jī)進(jìn)口 1；壓縮機(jī)出口壓縮機(jī)出口 2冷卻器進(jìn)口冷卻器進(jìn)口 2膨脹機(jī)進(jìn)口膨脹機(jī)進(jìn)口 3冷卻器出口冷卻器出口 3膨脹機(jī)出口膨脹機(jī)出口 4冷庫(kù)進(jìn)口冷庫(kù)進(jìn)口 4冷庫(kù)出口冷庫(kù)出口 1 裝置中的基本設(shè)備有：裝置中的基本設(shè)備有：2022-1-107 空氣壓縮制冷理論循環(huán)空氣壓縮制冷理論循環(huán) 空氣壓縮制冷裝置以空空氣壓縮制冷裝置以空氣為制冷劑，氣為制冷劑，定溫定溫吸、放吸、放熱過(guò)程都難于實(shí)現(xiàn)，代之熱過(guò)程都難于實(shí)現(xiàn)，代之以以定壓定壓過(guò)程過(guò)程1-2壓縮機(jī)中絕熱（定熵）壓縮；壓縮機(jī)中絕熱（定熵）壓縮； Pv4213sT12342-3冷

5、卻器中定壓冷卻（至環(huán)境溫度冷卻器中定壓冷卻（至環(huán)境溫度T0）；）； 3-4膨脹機(jī)中絕熱（定熵）膨脹（回收功）；膨脹機(jī)中絕熱（定熵）膨脹（回收功）； 4-1冷庫(kù)中定壓吸熱（升溫至冷庫(kù)額定溫度冷庫(kù)中定壓吸熱（升溫至冷庫(kù)額定溫度Tc） 制冷循環(huán)為逆向、耗功循環(huán)制冷循環(huán)為逆向、耗功循環(huán)T0Tc空氣壓縮制冷循環(huán)空氣壓縮制冷循環(huán)循環(huán)過(guò)程理想化為循環(huán)過(guò)程理想化為2022-1-108 空氣壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù)空氣壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù) 循環(huán)的放熱量（排向環(huán)境大氣）循環(huán)的放熱量（排向環(huán)境大氣） 32231hhqq 循環(huán)的吸熱量（制冷量，取自冷庫(kù)）循環(huán)的吸熱量（制冷量，取自冷庫(kù)） sT123441412hhqq

6、 循環(huán)的凈功循環(huán)的凈功 )()()()(4312413221nethhhhhhhhqqw壓縮機(jī)耗功壓縮機(jī)耗功膨脹機(jī)回收功膨脹機(jī)回收功 循環(huán)的制冷系數(shù)循環(huán)的制冷系數(shù) )()(413241212hhhhhhqqqq1=q23q2=q412022-1-1091)1()1(1111412324132TTTTTTTTTT 視空氣為定比熱容理想氣體，有視空氣為定比熱容理想氣體，有 )()()()()()(41324141p32p41pTTTTTTTTcTTcTTc)()(413241hhhhhh2022-1-1010由絕熱過(guò)程由絕熱過(guò)程12、34 kkPPTTTT1121243)( 1423TTTTkkT

7、T112 111kk或或 1211211TTTTT1)1 ()1 (1141232TTTTTT1234sTT0TcT1、T2 壓縮過(guò)程始、末態(tài)溫度壓縮過(guò)程始、末態(tài)溫度 不要與逆卡諾循環(huán)中的高、低溫?zé)嵩礈囟认嗷煜灰c逆卡諾循環(huán)中的高、低溫?zé)嵩礈囟认嗷煜?！2022-1-1011121111TTTkk 在環(huán)境溫度及額定冷庫(kù)溫度下，在環(huán)境溫度及額定冷庫(kù)溫度下，即制冷裝置的有效工作溫度范圍為即制冷裝置的有效工作溫度范圍為(Tc,T0)時(shí)，相應(yīng)的時(shí)，相應(yīng)的逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)12c34c131c0ccTTTTTT由于由于T2 T3 sT1234TcT0 c 對(duì)比空氣壓縮制冷循環(huán)對(duì)比空氣壓縮制冷循環(huán)有效

8、工作溫度范圍有效工作溫度范圍(Tc,T0)內(nèi)逆卡諾循環(huán)內(nèi)逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)大于空氣壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù)大于空氣壓縮制冷循環(huán)2c4c制冷系數(shù)為制冷系數(shù)為 壓縮空氣制冷循環(huán)與卡諾循環(huán)的比較壓縮空氣制冷循環(huán)與卡諾循環(huán)的比較2022-1-1012 增壓比增壓比 對(duì)空氣壓縮制冷循環(huán)的影響對(duì)空氣壓縮制冷循環(huán)的影響 空氣壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù)空氣壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù)僅取決于增壓比僅取決于增壓比 111kk增壓比增壓比 愈大，循環(huán)的制冷系數(shù)愈大，循環(huán)的制冷系數(shù) 愈小愈小 與制冷系數(shù)的關(guān)系與制冷系數(shù)的關(guān)系1234sTT0Tc 當(dāng)制冷對(duì)象要求溫度較低（深度冷凍）當(dāng)制冷對(duì)象要求溫度較低（深度冷凍）時(shí)，時(shí)，T0

9、與與Tc之差較大之差較大 增壓比將會(huì)很大，循環(huán)的制冷系數(shù)會(huì)很小增壓比將會(huì)很大，循環(huán)的制冷系數(shù)會(huì)很小2022-1-1013對(duì)循環(huán)制冷能力的影響對(duì)循環(huán)制冷能力的影響理論空氣壓縮制冷循環(huán)為理論空氣壓縮制冷循環(huán)為12341制冷能力制冷能力q2如陰影面積所示如陰影面積所示 在環(huán)境溫度在環(huán)境溫度T0、 額定的冷庫(kù)溫度額定的冷庫(kù)溫度Tc下下 當(dāng)增壓比當(dāng)增壓比 減小，壓氣機(jī)出口壓力由減小，壓氣機(jī)出口壓力由P2下降為下降為P2 時(shí)時(shí)sT1234TcT02 3 4 5 56q2循環(huán)過(guò)程將變?yōu)檠h(huán)過(guò)程將變?yōu)?2 3 4 1 循環(huán)制冷能力循環(huán)制冷能力(q2)下降下降 制冷系數(shù)的大小與制冷能力的高低是一對(duì)矛盾體制冷系數(shù)

10、的大小與制冷能力的高低是一對(duì)矛盾體 2022-1-1014 空氣壓縮回?zé)嶂评溲h(huán)空氣壓縮回?zé)嶂评溲h(huán)空氣作為制冷劑的特點(diǎn)空氣作為制冷劑的特點(diǎn) 來(lái)源豐富、無(wú)腐蝕性、無(wú)毒不怕泄漏這是優(yōu)點(diǎn)來(lái)源豐富、無(wú)腐蝕性、無(wú)毒不怕泄漏這是優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)是：壓縮空氣制冷循環(huán)偏離逆卡諾循環(huán)較大；缺點(diǎn)是：壓縮空氣制冷循環(huán)偏離逆卡諾循環(huán)較大；比熱容小，制冷能力不強(qiáng)比熱容小，制冷能力不強(qiáng)裝置要有一定制冷能力需有較大空氣流量裝置要有一定制冷能力需有較大空氣流量此外，從循環(huán)的的制冷系數(shù)與制冷能力這對(duì)矛盾體看來(lái)此外，從循環(huán)的的制冷系數(shù)與制冷能力這對(duì)矛盾體看來(lái),想有理想的制冷系數(shù)，要求有更大的流量想有理想的制冷系數(shù)，要求有更大的流量

11、空氣壓縮制冷循環(huán)實(shí)行空氣壓縮制冷循環(huán)實(shí)行回?zé)峄責(zé)釙r(shí)可以采用時(shí)可以采用透平式壓氣機(jī)透平式壓氣機(jī)裝置笨重、龐大，裝置笨重、龐大，tc - -50的普冷系統(tǒng)極少采用的普冷系統(tǒng)極少采用裝置在氣體液化等深冷工程中得到應(yīng)用裝置在氣體液化等深冷工程中得到應(yīng)用2022-1-1015回?zé)崾娇諝鈮嚎s制冷循環(huán)回?zé)崾娇諝鈮嚎s制冷循環(huán)1壓縮機(jī)壓縮機(jī)冷庫(kù)冷庫(kù)冷卻水冷卻水冷卻器冷卻器膨脹機(jī)膨脹機(jī)2 3 4 回?zé)崾綁嚎s空氣制冷裝置回?zé)崾綁嚎s空氣制冷裝置回?zé)崞骰責(zé)崞? 5 系統(tǒng)增加一個(gè)回?zé)崞飨到y(tǒng)增加一個(gè)回?zé)崞?從冷庫(kù)出來(lái)的空氣從冷庫(kù)出來(lái)的空氣1 先進(jìn)入回?zé)崞飨冗M(jìn)入回?zé)崞?被回?zé)嶂帘换責(zé)嶂? 后送入壓縮機(jī)中后送入壓縮機(jī)中 壓縮至

12、壓縮至2 后送入冷卻器冷卻到狀態(tài)后送入冷卻器冷卻到狀態(tài)5 冷卻器出來(lái)的空氣在回?zé)崞髦欣^續(xù)冷卻至狀態(tài)冷卻器出來(lái)的空氣在回?zé)崞髦欣^續(xù)冷卻至狀態(tài)3 然后進(jìn)入膨脹機(jī)中膨脹作功至然后進(jìn)入膨脹機(jī)中膨脹作功至4 低溫空氣重新進(jìn)入冷庫(kù)吸熱完成循環(huán)低溫空氣重新進(jìn)入冷庫(kù)吸熱完成循環(huán) 裝置工作過(guò)程裝置工作過(guò)程2022-1-10161壓縮機(jī)壓縮機(jī)冷庫(kù)冷庫(kù)冷卻水冷卻水冷卻器冷卻器膨脹機(jī)膨脹機(jī)2 3 4 回?zé)崾綁嚎s空氣制冷裝置回?zé)崾綁嚎s空氣制冷裝置回?zé)崞骰責(zé)崞? 5 在在T0環(huán)境中環(huán)境中冷庫(kù)額定溫度為冷庫(kù)額定溫度為Tc不帶回?zé)釙r(shí)循環(huán)為不帶回?zé)釙r(shí)循環(huán)為12341sT1234TcT01 2 3 5理想回?zé)釙r(shí)理想回?zé)釙r(shí)T1 =

13、T3=T0對(duì)兩個(gè)循環(huán)分別有對(duì)兩個(gè)循環(huán)分別有空氣回?zé)嵫h(huán)應(yīng)為空氣回?zé)嵫h(huán)應(yīng)為1 2 53 411 T3 =T1=Tc1243TTTT 1 24 3TTTT 221 1 33TTTTTTT2 =T2冷庫(kù)中過(guò)程冷庫(kù)中過(guò)程41并不改變并不改變T3=T0T1=Tc;（亦見圖）（亦見圖）兩式相除兩式相除2022-1-1017sT1234TcT01 2 3 5兩種循環(huán)放熱量相同兩種循環(huán)放熱量相同T2 =T2制冷系數(shù)制冷系數(shù) 相同相同 增壓比變小增壓比變小 循環(huán)制冷量也并未因回?zé)岫淖冄h(huán)制冷量也并未因回?zé)岫淖兓責(zé)岬淖饔迷谟诓唤档椭评淠芰s令增壓比有所降低，回?zé)岬淖饔迷谟诓唤档椭评淠芰s令增壓比有所降低，這

14、為采用增壓比較小的透平式壓氣機(jī)創(chuàng)造了條件這為采用增壓比較小的透平式壓氣機(jī)創(chuàng)造了條件2022-1-10186-3 蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán) 蒸汽壓縮制冷裝置及其工作過(guò)程蒸汽壓縮制冷裝置及其工作過(guò)程5124節(jié)流閥節(jié)流閥冷庫(kù)（蒸發(fā)器）冷庫(kù)（蒸發(fā)器）壓縮機(jī)壓縮機(jī)冷卻水冷卻水冷凝器冷凝器3 裝置由以下列主要設(shè)備組成裝置由以下列主要設(shè)備組成壓縮機(jī)壓縮機(jī) 冷凝器冷凝器節(jié)流閥節(jié)流閥蒸發(fā)器蒸發(fā)器 裝置的工作過(guò)程如下：裝置的工作過(guò)程如下：工質(zhì)在壓縮機(jī)中從工質(zhì)在壓縮機(jī)中從1壓縮至壓縮至2 處于處于過(guò)熱蒸汽過(guò)熱蒸汽狀態(tài)的工質(zhì)進(jìn)狀態(tài)的工質(zhì)進(jìn)入冷凝器中冷卻成入冷凝器中冷卻成飽和蒸汽飽和蒸汽3，進(jìn)而冷凝成為進(jìn)而冷凝

15、成為飽和液體飽和液體4 制冷劑飽和液用節(jié)流閥節(jié)流降溫降壓成為干度很小的制冷劑飽和液用節(jié)流閥節(jié)流降溫降壓成為干度很小的濕蒸汽濕蒸汽5 制冷劑在冷庫(kù)中依靠蒸發(fā)吸熱制冷，成為制冷劑在冷庫(kù)中依靠蒸發(fā)吸熱制冷，成為飽和蒸汽飽和蒸汽1蒸汽壓縮制冷裝置蒸汽壓縮制冷裝置2022-1-1019 蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)sTT012345Tc蒸汽壓縮制冷的工作過(guò)程理想化為蒸汽壓縮制冷的工作過(guò)程理想化為12飽和蒸汽飽和蒸汽絕熱絕熱壓縮成過(guò)熱蒸汽壓縮成過(guò)熱蒸汽234過(guò)熱蒸汽過(guò)熱蒸汽定壓定壓冷凝成飽和液體冷凝成飽和液體45飽和液體飽和液體節(jié)流節(jié)流降壓降溫成濕蒸汽降壓降溫成濕蒸汽51液相工質(zhì)液相工質(zhì)定壓定壓汽化制

16、冷后成飽和蒸汽完成循環(huán)汽化制冷后成飽和蒸汽完成循環(huán) 冷凝器中制冷工質(zhì)用冷卻水冷卻冷凝器中制冷工質(zhì)用冷卻水冷卻T4=T0P2為對(duì)應(yīng)于為對(duì)應(yīng)于T0的飽和蒸汽壓的飽和蒸汽壓 冷庫(kù)中制冷工質(zhì)的溫度冷庫(kù)中制冷工質(zhì)的溫度T5=T1=Tc蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)02022-1-1020sTT012345Tc 制冷工質(zhì)的定壓汽化和凝結(jié)過(guò)程即制冷工質(zhì)的定壓汽化和凝結(jié)過(guò)程即定溫過(guò)程，從熱力學(xué)意義上說(shuō)定溫過(guò)程，從熱力學(xué)意義上說(shuō)逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)73467應(yīng)可實(shí)現(xiàn)應(yīng)可實(shí)現(xiàn)76不過(guò)從技術(shù)上講不過(guò)從技術(shù)上講7 73兩相壓縮難于實(shí)現(xiàn)兩相壓縮難于實(shí)現(xiàn)4646工質(zhì)膨脹能力不強(qiáng)，能夠回收

17、的功不大；工質(zhì)膨脹能力不強(qiáng)，能夠回收的功不大；濕蒸汽的干度不高，對(duì)膨脹機(jī)的工作也不利濕蒸汽的干度不高，對(duì)膨脹機(jī)的工作也不利 工質(zhì)完成制冷任務(wù)后成為干飽和蒸汽，工質(zhì)完成制冷任務(wù)后成為干飽和蒸汽，7 1 1壓縮機(jī)將飽和蒸汽壓縮成過(guò)熱蒸汽壓縮機(jī)將飽和蒸汽壓縮成過(guò)熱蒸汽單相壓縮單相壓縮制冷量增大制冷量增大用用節(jié)流閥節(jié)流閥取代膨脹機(jī)取代膨脹機(jī)46 45損失的功不多，損失的功不多，調(diào)節(jié)溫度方便了，系統(tǒng)簡(jiǎn)化了調(diào)節(jié)溫度方便了，系統(tǒng)簡(jiǎn)化了蒸汽壓縮制冷循環(huán)的演變蒸汽壓縮制冷循環(huán)的演變 蒸汽壓縮制冷循環(huán)的演變由來(lái)蒸汽壓縮制冷循環(huán)的演變由來(lái)2022-1-1021 蒸汽壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù)蒸汽壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù)s

18、TT012345Tc蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)循環(huán)的吸熱量循環(huán)的吸熱量q2 =q51=h1 h5=h1 h4 循環(huán)的放熱量循環(huán)的放熱量q1= q234 =h2 h4循環(huán)的制冷系數(shù)循環(huán)的制冷系數(shù) 1241414241212)()(hhhhhhhhhhqqq循環(huán)的耗功量循環(huán)的耗功量 wnet =(q1 q2) = (h2 h4) (h1 h4) = h2 h1 2022-1-10221241hhhhwnet h2 h1 h1取決于冷庫(kù)的溫度取決于冷庫(kù)的溫度Tc h2和和h4取決于環(huán)境溫度取決于環(huán)境溫度T0 一定環(huán)境下一定環(huán)境下冷庫(kù)溫度要求愈低冷庫(kù)溫度要求愈低制冷系數(shù)愈小制冷系數(shù)愈小耗功愈大耗功愈大為合理、節(jié)約用能，冷庫(kù)溫度應(yīng)按需要定在適度水平上為合理、節(jié)約用能，冷庫(kù)溫度應(yīng)按需要定在適度水平上sTT012345Tc2022-1-1023例：例：如圖所示空氣壓縮制冷循環(huán)，已知如圖所示空氣壓縮制冷循環(huán)，已知t3=15，t1= 15，P1 = 0.1MPa，P2=0.4MPa。計(jì)算該循環(huán)的制冷量。計(jì)算該循環(huán)的制冷量q2、循環(huán)、循環(huán)的凈功的凈功w0，以及制冷系數(shù)，以及制冷系數(shù) 。設(shè)。設(shè)cp=1.004 kJ/(kgK)，k=1.4 1234sTT0Tc解：解： 過(guò)程過(guò)程12、34為絕熱過(guò)程，有為絕熱過(guò)程，有 K 39.383)14)(15273()(4 . 114 . 111212k