第十三章制冷循環(huán)

1、第十三章制冷循環(huán)131 制冷機(jī)與熱泵11311 制冷機(jī)與熱泵11312 制冷循環(huán)分析2132 逆卡諾循環(huán)31321 逆卡諾循環(huán)31322 逆卡諾循環(huán)分析31323 制冷裝置分類4133 空氣制冷循環(huán)51331 空氣制冷工作原理51332 空氣制冷理想循環(huán)51333 空氣制冷循環(huán)分析61334 具有回?zé)岬闹评溲b置7134 蒸氣壓縮制冷循環(huán)91341 蒸汽壓縮制冷原理91342 蒸汽壓縮制冷循環(huán)分析111343 制冷劑12135 蒸汽噴射制冷循環(huán)161351 蒸汽噴射制冷原理161352 蒸汽噴射制冷循環(huán)分析17136 吸收式制冷裝置循環(huán)171361 吸收式制冷原理171362 吸收式制冷循環(huán)分析

2、18137 熱泵供熱循環(huán)191371 熱泵供熱原理191372 熱泵供熱循環(huán)分析19思考題答案20131 制冷機(jī)與熱泵1311 制冷機(jī)與熱泵    將物體冷卻到低于周圍環(huán)境溫度，并維持此低溫，是利用制冷裝置來實(shí)現(xiàn)的。制冷裝置的任務(wù)是，通過制冷工質(zhì)(稱制冷劑)的循環(huán)過程將熱從低溫物體(即制冷空間，例如冷藏室)移向高溫物體(例如大氣環(huán)境)。根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱從低溫物體移向高溫物體時(shí)其有用能將增加，這種過程是不能無補(bǔ)償?shù)剡M(jìn)行的，必須消耗外部有用能，通常是消耗機(jī)械功或其它高溫?zé)嵩刺峁┑哪芰?。如第一章中提出的，熱機(jī)循環(huán)稱為正循環(huán)，反之，制冷循環(huán)稱為逆循環(huán)。

3、    利用制冷循環(huán)將熱從低溫物體移至高溫物體和裝置稱為制冷裝置，如圖13-1。制冷裝置可用于夏季房屋降溫，物品冷藏等圖13-1  制冷裝置目的，也可用于冬季將低溫環(huán)境(如大氣)的熱輸送到室內(nèi)供暖或加熱物體。前者常稱之為制冷機(jī)而后者特稱之為熱泵。制冷機(jī)與熱泵在熱力學(xué)原理上并無區(qū)別，其工作循環(huán)都是逆向循環(huán)，只是使用的目的有所不同而已。下面著重分析各種工程上常見的制冷逆循環(huán)。1312 制冷循環(huán)分析    假定制冷裝置中每1kg制冷劑在低溫下自制冷空間吸熱q2，消耗機(jī)械功w，使其溫度升高，向外界(熱源)放出熱量q1。根據(jù)

4、能量守恒原理，這時(shí)有                                                 q

5、1 = q2+w式中熱量及功量均為絕對(duì)值。    制冷機(jī)循環(huán)中從冷源移出的熱量與所耗功量之比稱為制冷系數(shù)e ，即                                      &

6、#160;                                                  

7、         (13-1)假如是耗費(fèi)熱量來制冷，則從冷源移出的熱量與所耗費(fèi)熱量之比稱為熱能利用系數(shù)。    對(duì)于熱泵而言，向熱源輸送的熱量與耗功量之比稱為供暖系數(shù) ，顯然                          &#

8、160;                                                  &

9、#160;                    (13-2)    制冷裝置工作的好壞有時(shí)也用性能系數(shù)COP (Coefficient of Performance)來度量，其定義為                &#

10、160;                        顯然，對(duì)制冷機(jī)和熱泵，其COP分別為e 及e¢。    在q2與q1相同時(shí)熱泵的COPHP與制冷機(jī)的COPR有如下關(guān)系             

11、                                                   

12、;                     (13-3)這意味著COPHP>1。因此使用熱泵供熱比用電能或燃用燃料直接供熱經(jīng)濟(jì)性要高。但實(shí)際熱泵裝置由于存在種種損失，在某些情況下其COPHP可下降為1，甚至小于1。這時(shí)寧可采用燃料直接加熱或用電阻加熱方式供熱。    制冷裝置每小時(shí)從冷源(冷藏室)吸取的熱量(kJ/h)叫做制冷裝置的制冷量。每kg制冷劑每小時(shí)從冷

13、源吸取的熱量kJ/(kg·h)叫做制冷劑的單位制冷率。相應(yīng)地，對(duì)于熱泵也有供熱率及單位供熱率等術(shù)語。132 逆卡諾循環(huán)1321 逆卡諾循環(huán)制冷劑在熱源(T1)及冷源(T2)之間以可逆的方式完成制冷循環(huán)。循環(huán)由下列過程組成(圖13-2)：                                   1-2：制冷劑

14、定熵膨脹作功，由T1至T2；     2-3：制冷劑在T2下定溫吸熱；    3-4：制冷劑耗功定熵壓縮，由T2至T1；    4-1：制冷劑在T1下定溫放熱。由如上由兩個(gè)定熵過程及兩個(gè)定溫過程組成的可逆制冷循環(huán)，其結(jié)果是消耗外功將熱從低溫冷源(T2)移向高溫?zé)嵩?T1)。循環(huán)進(jìn)行的順序與卡諾熱機(jī)循環(huán)相反，故稱逆卡諾循環(huán)。1322 逆卡諾循環(huán)分析  逆卡諾循環(huán)吸熱量q2為          

15、60;                       循環(huán)放熱量q1(絕對(duì)值)為                         循環(huán)消耗功量

16、w(絕對(duì)值)為                            逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)eC為                   

17、0;                                          (13-4)利用第三章中的方法可以證明，逆卡諾循環(huán)是在相同溫度范圍內(nèi)工作的最有效的循環(huán)，即逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)最

18、大。由式(13-4)可見，因?yàn)門1>T2，制冷系數(shù)eC恒為正值，且可以大于1。T1T2愈小，eC愈大。1323 制冷裝置分類    與熱動(dòng)力裝置一樣，逆卡諾循環(huán)雖提供了一個(gè)在一定溫度范圍內(nèi)最有效的制冷循環(huán)，但實(shí)際的制冷裝置常不是按逆卡諾循環(huán)工作，而依所用制冷劑的性質(zhì)采用不同的循環(huán)。本章將分析討論一些在工程上實(shí)施的制冷循環(huán)。    按照制冷劑的不同，制冷裝置分為下列幾種類型：    (1) 空氣制冷裝置；    (2) 蒸氣制冷裝置。  &#

19、160; 蒸氣制冷裝置采用不同物質(zhì)的蒸氣作制冷劑，可分為蒸氣壓縮制冷裝置，蒸氣噴射制冷裝置及吸收式制冷裝置等。   例題13-1  某制冷循環(huán)工作在30到32之間，問最大可能的COP 是多大？若實(shí)際制冷裝置COP為最大COP的75%，計(jì)算制冷量為5kw的功率輸入。    解：T2= 30 k+273 k=243 K； T1 =32 k+273 k=305 K按逆卡諾循環(huán)工作時(shí)具有最高的COPR，此時(shí)有          

20、60;                              按題意,實(shí)際                   &#

21、160;                                當(dāng) 為5kW時(shí)                      

22、   則                                               

23、0;      kW133 空氣制冷循環(huán) 1331 空氣制冷工作原理圖13-3  空氣制冷循環(huán)    空氣制冷裝置的示意圖如圖13-3所示。制冷劑(空氣)在膨脹機(jī)中絕熱膨脹作功，壓力由p1降到p2，溫度由T1降到T2。低溫空氣經(jīng)過置于冷藏室內(nèi)的盤管，從冷藏室中定壓吸熱(p3=p2)，吸熱后空氣溫度由T2上升至T3。冷藏室中的溫度即是所要求的低溫。理論上，空氣在冷藏室內(nèi)盤管出口的溫度T3應(yīng)等于冷藏室溫度T11，而實(shí)際上總是比冷藏室溫度更低一些。吸熱后的空氣進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)絕熱壓縮，壓力從p3提高到p4，溫度從

24、T3升至T4。被壓縮后的空氣送到冷卻器(表面式換熱器)中，空氣對(duì)冷卻水定壓放熱(p4 = p1)，溫度降低至T1，從而完成一封閉的制冷循環(huán)。理論上，空氣在冷卻器出口的溫度應(yīng)等于冷卻水的溫度(即環(huán)境溫度T1)，但實(shí)際上空氣溫度總是略高于冷卻水溫度。1332 空氣制冷理想循環(huán)    上述空氣制冷裝置理想循環(huán)的p-v 圖及T-s 圖如圖13-4所示。其中：    1-2：空氣在膨脹機(jī)中定熵膨脹作功；    2-3：空氣在冷藏室中定壓吸熱；    3-4：空氣在壓縮機(jī)中耗功

25、定熵壓縮；    4-1：空氣在冷卻器中定壓放熱。圖13-4  空氣制冷循環(huán)p-v及T-s圖1333 空氣制冷循環(huán)分析在p-v 圖上，循環(huán)消耗的凈功量w 用面積12341表示。在T-s 圖上，從低溫冷源(溫度為TII的冷藏室)取出的熱量q2為面積23dc2，空氣排向高溫?zé)嵩?溫度為TI的環(huán)境)的熱量q1為面積41cd4。     如果把空氣視為定比熱容的理想氣體，則            

26、0;                                                  

27、60;         循環(huán)消耗的凈功量為                               空氣制冷理想循環(huán)的制冷系數(shù)為        &

28、#160;                         或?qū)懗?#160;                       

29、60;                                                  &#

30、160;              (A)  上式進(jìn)一步演化如下：對(duì)于定熵過程3-4、1-2，有                               &

31、#160;                                (B)注意到p1 = p4，p2 = p3，故              &

32、#160;                                  或                

33、;                                                  

34、0;                       (C)將式(C)代入式(A)，可得                        

35、0;                                                  

36、60;   (13-5)    乍看起來，空氣制冷循環(huán)制冷系數(shù)e 的表達(dá)式(13-5)與逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)的表達(dá)式相同。實(shí)際上，空氣制冷循環(huán)中冷藏室所能達(dá)到的低溫T11 = T3，而環(huán)境溫度TI =T1，故在此溫度范圍內(nèi)逆卡諾循環(huán)(如圖13-4中的1-6-3-5-1) 的制冷系數(shù)為：                      

37、                       顯然，eC比式(13-5)所表示的空氣制冷循環(huán)的制冷系數(shù)大得多。    利用式(B)代換式(13-5)中的 ，則可得到以增壓比 表示的循環(huán)制冷系數(shù)的表達(dá)式，即            &

38、#160;                                                  

39、                     (13-6)圖 13-5  考察式(13-6)可見，空氣制冷循環(huán)的制冷系數(shù)e 與增壓比 有關(guān)。 愈小，e 愈大。這說明，降低循環(huán)中的增壓比，制冷循環(huán)的溫度和壓力范圍將減小，而e 就增加，循環(huán)也就更接近逆卡諾循環(huán)，見圖13-5。但增壓比較小的制冷循環(huán) 的制冷能力較小。 過程的吸熱量 顯然小于2-3過程的吸熱量q2。1334 具有回?zé)岬闹评溲b置目前，

40、工業(yè)中采用具有回?zé)崞骷拜S流式壓縮機(jī)的空氣制冷裝置，其系統(tǒng)示意圖如圖13-6(a)所示。圖13-6  回?zé)崾娇諝庵评溲h(huán) 處于初態(tài)1的空氣在膨脹機(jī)中定熵膨脹到狀態(tài)2后，在冷藏室中定壓吸熱而至狀態(tài)3。然后進(jìn)入回?zé)崞鳎谄渲卸▔何鼰嶂翣顟B(tài)4。進(jìn)入壓縮機(jī)定熵壓縮至狀態(tài)5，再進(jìn)入冷卻器，利用冷卻水使之冷卻到環(huán)境溫度的狀態(tài)6。最后進(jìn)入回?zé)崞骼^續(xù)冷卻至狀態(tài)1而完成閉合循環(huán)。    該循環(huán)的T-s圖如圖13-6(b)所示。不難看出，當(dāng)T5= 時(shí)采用回?zé)岬闹评溲h(huán)1-2-3-4-5-6-1的吸熱量q2、放熱量q1，分別與另一未采用回?zé)岬闹评溲h(huán) 相同，因而兩者的制冷系數(shù)也

41、相同。但采用回?zé)岬难h(huán)與未采用回?zé)岬难h(huán)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 在制冷量及制冷系數(shù)相同的情況下，可采用小得多的增壓比。這樣帶來了采用葉輪式壓縮機(jī)(低壓、大排量)以代替活塞式壓縮機(jī)的可能性，由于空氣流量增大，從而可提高空氣制冷裝置的制冷量。又在深度冷凍中，由于TI 、TII 相差甚大，若不采用回?zé)?，?shì)必增大壓縮機(jī)的增壓比。這對(duì)葉輪式壓縮機(jī)而言是難以滿足的，采用回?zé)釀t由于壓縮起點(diǎn)的溫度較高，此一困難可得到解決。(2) 采用低增壓比的另一好處是減小壓縮及膨脹過程中不可逆性的影響，提高制冷裝置實(shí)際工作時(shí)的有效性。    例題13-2  一空氣制冷裝置，空氣進(jìn)

42、入膨脹機(jī)的溫度t1=20，壓力p1=0.4MPa，絕熱膨脹到p2=0.1MPa。經(jīng)從冷藏室吸熱后，溫度t3 = 5。已知制冷量Q0為150 000kJ/h，試計(jì)算該制冷循環(huán)。    解  膨脹機(jī)出口溫度                      壓縮機(jī)出口溫度       

43、60;   壓縮機(jī)耗功量                                      膨脹機(jī)作功量         

44、  循環(huán)消耗凈功量                             kJ/kg每千克空氣的吸熱量循環(huán)制冷系數(shù)                &

45、#160;                                或                  

46、;                   制冷機(jī)每小時(shí)循環(huán)的空氣量                              

47、60;              kg/h同溫度范圍(T3和T1)內(nèi)逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)                                

48、;          可見，空氣制冷循環(huán)的制冷系數(shù)遠(yuǎn)小于逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)。134 蒸氣壓縮制冷循環(huán)1341 蒸汽壓縮制冷原理空氣制冷循環(huán)制冷系數(shù)不大的原因，是由于其吸熱與放熱過程在定壓下進(jìn)行。這導(dǎo)致了空氣制冷循環(huán)偏離逆卡諾循環(huán)，因而降低了經(jīng)濟(jì)性。又由于空氣的比定壓熱容較小，循環(huán)的制冷量也較小。為在制冷裝置中實(shí)現(xiàn)定溫吸熱和定溫放熱過程，采用低沸點(diǎn)物質(zhì)(即在大氣壓力下，其沸騰溫度ts0)作為制冷劑。利用濕蒸氣在低溫下吸收汽化潛熱來制冷。    用濕蒸氣完成壓縮制冷循環(huán)的系統(tǒng)簡(jiǎn)

49、圖和循環(huán)的T-s圖如圖13-7(a)、(b)所示，我們也可利用p-h 圖進(jìn)行分析更為方便，這時(shí)循環(huán)如圖13-7(c)所示。    蒸氣壓縮制冷裝置由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)(活塞式或葉輪式)、冷凝器和節(jié)流閥(代替膨脹機(jī))組成。    由冷凝器出來的制冷劑的飽和液體(狀態(tài)1)，被引向節(jié)流閥節(jié)流減壓。由于在兩相共存區(qū)域內(nèi)，節(jié)流系數(shù)mJ總是大于零(mJ>0)，故節(jié)流后制冷劑溫度降低，熵增而焓不變。節(jié)流過程在T-s 圖上示意地用虛線1-2表示。由于節(jié)流閥出來的低干度濕蒸氣被引入到冷藏室內(nèi)的蒸發(fā)器，定壓吸熱(也就是定溫吸熱)而汽化，其干度增加，如圖

50、中2-3過程。節(jié)流后的壓力p2應(yīng)這樣來選擇，即使它對(duì)應(yīng)的飽和溫度略低于冷藏室溫度。利用節(jié)流閥開度的變化，能方便地改變節(jié)流后制冷劑的壓力和溫度，以實(shí)現(xiàn)冷藏室溫度的連續(xù)調(diào)節(jié)。高干度的濕蒸氣從蒸發(fā)器出來，引入到壓縮機(jī)進(jìn)行絕熱壓縮升壓，制冷劑蒸氣的干度增大，溫度升高，如圖中的3-4過程。經(jīng)壓縮后的制冷劑蒸氣引入到冷凝器中，冷卻放熱而凝結(jié)成飽和液體，如圖中4-1過程，從而完成閉合循環(huán)。(a)                  

51、                             (b)(c)圖13-7  蒸汽壓縮制冷裝置及循環(huán)    從壓縮機(jī)引出的可能是濕蒸氣、干飽和蒸氣或是過熱蒸氣。壓縮機(jī)吸入濕蒸氣進(jìn)行壓縮，稱為濕壓縮，如過程 、3-4(圖13-8)，系兩相介質(zhì)的壓縮。由于液體的不可壓縮性造成液

52、滴對(duì)壓縮機(jī)缸頭或壓縮機(jī)葉片的撞擊，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生事故，所以通常都采用對(duì)干飽和蒸氣(制冷劑在蒸發(fā)器中完全汽化)壓縮，稱為干壓縮，如過程 。由于3-4過程中各狀態(tài)點(diǎn)的溫度都低于大氣溫度，濕蒸氣從壓縮機(jī)缸壁、壓縮機(jī)葉片處吸熱，為受熱壓縮，使?jié)裾魵獾膶?shí)際壓縮與理想的絕熱壓縮有較大的偏差，導(dǎo)致濕蒸氣的實(shí)際壓縮耗功增加，而 過程的平均溫度較3-4過程的平均溫度高些，壓縮時(shí)制冷劑接受的外熱少些，更接近于絕熱壓縮，故干蒸氣的實(shí)際壓縮耗功增加較少。干壓縮制冷循環(huán)與濕壓縮制冷循環(huán)相比較，還增加了循環(huán)制冷量q2。圖13-8  干、濕壓縮及過冷1342 蒸汽壓縮制冷循環(huán)分析 蒸氣壓縮制冷裝置中，制冷劑的膨脹

53、過程在節(jié)流閥內(nèi)完成，膨脹功量并未回收，故蒸氣壓縮制冷循環(huán)的耗功量即壓縮機(jī)的耗功量，即            在冷藏室內(nèi)制冷劑吸收的熱量為            因此，循環(huán)的制冷系數(shù)                 

54、60;    (13-7)    通過計(jì)算可知，蒸氣壓縮制冷循環(huán)的e 值與對(duì)應(yīng)的逆卡諾循環(huán)的差距比空氣制冷循環(huán)小得多。蒸氣壓縮制冷循環(huán)比空氣制冷循環(huán)具有高得多的制冷系數(shù)，同時(shí)可以保證較大的單位制冷率。    為提高蒸氣壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù)，可將冷凝器中的制冷劑飽和液進(jìn)一步冷卻(液體的過冷)，即將狀態(tài)1的飽和液定壓冷卻為狀態(tài) 的未飽和液，再引入到節(jié)流閥中降壓膨脹，如圖13-8中 所示。這時(shí)循環(huán)的耗功量未變，而吸熱量q2增加，從而提高了循環(huán)的制冷系數(shù)。在實(shí)際的制冷裝置中，可設(shè)置專門的過冷器，而在通

55、常所使用的水冷式冷凝器中，一般使冷卻水溫度比冷凝溫度低5左右。這樣，液體的過冷在冷凝器中即可實(shí)現(xiàn)。    一般在0-120的范圍內(nèi)均可采用蒸氣壓縮制冷循環(huán)。循環(huán)的上限溫度T1取決于環(huán)境溫度(如大氣溫度)，循環(huán)的下限溫度T2是根據(jù)制冷裝置服務(wù)對(duì)象確定的。1343 制冷劑 為實(shí)現(xiàn)蒸氣壓縮的制冷循環(huán)，對(duì)理想的制冷劑要求具有下列特性：    (1) 臨界點(diǎn)溫度必須高于制冷循環(huán)的上限溫度T1，這樣可使制冷劑被壓縮后的狀態(tài)離開兩相共存區(qū)不遠(yuǎn)，而放熱過程大部分可在兩相區(qū)以定溫過程進(jìn)行。    (2) 三相點(diǎn)溫度要低于制

56、冷循的下限溫度T2。    (3) 對(duì)應(yīng)于T2的飽和壓力不宜太低，最好略高于大氣壓力，以免采用高真空的設(shè)備系統(tǒng)，防止空氣滲入蒸發(fā)器，從而降低制冷能力。    (4) 對(duì)應(yīng)于T1的飽和壓力也不宜過高，否則會(huì)引起制冷劑外漏和壓縮耗功增大。    (5) 汽化潛熱要大，液體的比熱容要小。汽化潛熱大才能使單位制冷率大，使單位時(shí)間內(nèi)制冷裝置中循環(huán)的制冷劑數(shù)量少些。液體比熱容小，即下界線較陡，可使節(jié)流過程中液體汽化量較少，而使單位制冷率較大。    (6) 蒸氣的比體積要小(密度要大)，

57、以減小壓縮機(jī)尺寸    (7) 制冷劑價(jià)廉、穩(wěn)定、不腐蝕金屬、無毒、無臭、不易爆易燃。    目前，已采用的制冷劑有多種。下面介紹一些應(yīng)用廣泛的制冷劑及其特性。    圖13-9繪出了溫度在-10050范圍內(nèi)各種制冷劑的飽和壓力和飽和溫度的關(guān)系。圖13-10繪出了同樣溫度范圍內(nèi)制冷劑溫度與汽化潛熱之間的關(guān)系。    由圖13-9可看到，氨(NH3)是一種良好的制冷劑，例如，冷凝溫度t1=20時(shí)，氨的飽和壓力不很高，約為0.8571MPa。氨對(duì)應(yīng)于0.1MPa的飽和溫度為33.

58、7°，因此在蒸發(fā)溫度t233.7時(shí)，氨蒸氣制冷裝置無需采用真空系統(tǒng)，而使設(shè)備大為簡(jiǎn)化。由圖13-10所示r= f (t )的曲線可見，氨與其它任何一種制冷劑相比，具有大得多的r值，因此可保證每千克制冷劑有較大的制冷量。這些特性使氨成為工業(yè)制冷中廣泛采用的制冷劑之一。但氨的缺點(diǎn)是有毒，且對(duì)銅有腐蝕性。圖13-9  各種制冷劑飽和壓力與飽和溫度的關(guān)系圖13-10 各種制冷劑汽化潛熱與溫度的關(guān)系    由圖可見，一氯甲烷(CH3Cl)、乙烷(C2H6)也是較好的制冷劑。    應(yīng)用廣泛的另一種制冷劑是氟里昂(或稱氟氯烷)

59、。氟里昂的特點(diǎn)是它的化學(xué)穩(wěn)定性、無毒，且在低于200時(shí)不與結(jié)構(gòu)材料起化學(xué)作用。在大氣壓力下，不同類型的氟里昂的沸點(diǎn)溫度在很大范圍內(nèi)變化。例如，在大氣壓力下，R14(CF4)的沸點(diǎn)溫度為128，R13(CClF3)為82，R22(CHClF2)為40.8，R12(CCl2F2)為29.8。在氟里昂中用得最廣泛的是R12。R12的熱力性質(zhì)與NH3相似，但其汽化潛熱比NH3小。    制冷劑NH3的飽和蒸氣性質(zhì)見附表12。為了計(jì)算中避免出現(xiàn)負(fù)數(shù)的焓值，將制冷劑NH3在0時(shí)飽和液體的焓值定為200kJ/kg，熵為1.00kJ/(kg×K)。  

60、;  計(jì)算制冷循環(huán)時(shí)除了應(yīng)用制冷劑飽和蒸氣性質(zhì)表和過熱蒸氣表外，也可應(yīng)用制冷劑的T-s 圖及p-h 圖。通常，用制冷劑的p-h 圖比用T-s圖方便。下面簡(jiǎn)單介紹p-h 圖的應(yīng)用。    p-h 圖(壓焓圖)與水蒸氣的熱力狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖類似，如圖13-11所示。圖上畫有飽和液體線(下界線，x=0)、飽和蒸氣線(上界線，x=1)和臨界點(diǎn)c。另外畫有四組等參數(shù)線，即定溫線、定比體積線、定熵線和定干度線。    蒸氣壓縮制冷循環(huán)在p-h 圖上的表示如圖13-12所示。各狀態(tài)點(diǎn)的焓值可由圖查得。因而，循環(huán)的吸熱量q2=h3-h2、耗功

61、量w =h4h3、放熱量q1=h4h1，可方便地由p-h 圖上的直線段查出。        圖13-11  p-h圖                   圖13-12 蒸汽壓縮制冷循環(huán)    值得提起注意的是，在制冷及空調(diào)工業(yè)中臭氧危機(jī)所引起的巨大震動(dòng)，它使人們對(duì)制冷劑的使用更為關(guān)注和謹(jǐn)慎。 

62、60;  在20世紀(jì)70年代中期，人們認(rèn)識(shí)到在制冷裝置中被廣泛采用的氟氯碳族(CFCs)制冷劑會(huì)引起大氣上空保護(hù)性臭氧層的破壞，使得更多的紫外線輻射到大氣環(huán)境中，導(dǎo)致皮膚癌、眼疾等疾病的增加，同時(shí)也阻礙了地球向外的紅外輻射，形成溫室效應(yīng)使地球變暖。為此，聯(lián)合國環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)說服了許多國家于1987年簽署了蒙特里爾協(xié)議(Montreal Protocal)，特別注重于控制破壞臭氧層物質(zhì)的生產(chǎn)，一些化合物的生產(chǎn)受到限制，減少甚至禁止?；衔镏杏捎卺尫怕榷茐某粞鯇釉斐傻暮蠊Ｓ贸粞跗茐膭?shì)ODP(Ozone Depletion Potential)來度量，在制冷劑的選擇中ODP是一個(gè)重要的指

63、標(biāo)。    目前，制冷劑替代工質(zhì)的研究已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，其中R134a(CF3CH2F)由于其中不含氯原子，其ODP為零，被認(rèn)為是CFCs的最好替代物。關(guān)于性能優(yōu)越、價(jià)格低廉的制冷劑的研究，目前仍是一個(gè)引起廣泛關(guān)注的課題。   例題13-3  某蒸汽壓縮制冷裝置用NH3作制冷劑。制冷量Q0=100 000kJ/h，冷藏室溫度t2= 20，冷卻水溫度t1=20。試求：(1) 每千克NH3吸收的熱量q2；(2) 每千克NH3傳給冷卻水的熱量q1；(3) 循環(huán)耗功量w；(4) 制冷系數(shù)e ；(5) 循環(huán)中每小時(shí)NH3的質(zhì)量流量

64、；(6) 同溫度范圍內(nèi)逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)ec。    解  先確定各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)(見圖13-7)。    由飽和氨蒸氣性質(zhì)表(附表12)查得：    t1=20時(shí)冷凝器中的飽和壓力為0.857 1MPa，以及                        &

65、#160;                            kJ/(kg .K)                    &#

66、160;                                  kJ/kg               &#

67、160;                                        kJ/kg    t2= 20時(shí)蒸發(fā)器中的飽和壓力為0.190 2MPa，以及 &

68、#160;                                                 &

69、#160; kJ/(kg. K)                                               &#

70、160;       設(shè)壓縮機(jī)內(nèi)系定熵壓縮，故                                         &

71、#160;                                               節(jié)流前后焓相等，有  &#

72、160;                                                 &#

73、160; (kJ/kg)(1) 每千克NH3的吸熱量                          kJ/kg(2) 傳給冷卻水的放熱量                 

74、60;         kJ/kg(3) 循環(huán)耗功量                           kJ/kg(4) 制冷系數(shù)          

75、0;                                     (5) 循環(huán)中每小時(shí)NH3的質(zhì)量流量          

76、60;                                 kg/h(6) 同溫度范圍內(nèi)逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)             

77、60;                      可見，蒸氣壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù)，與同溫度范圍內(nèi)逆卡諾循環(huán)的制冷系統(tǒng)較為接近。   例題13-4  某制冷機(jī)使用制冷劑R134a作理想蒸汽壓縮制冷循環(huán)，其工作壓力在0.140.8MPa之間，制冷劑的質(zhì)量流率為0.05kg/s，試確定：(a) 從制冷空間傳出的熱量；(b)壓縮功率消耗；(c) 制冷機(jī)的COP。&

78、#160;   解：循環(huán)在T-s及p-h圖上用1-2-3-4-1表示。    利用附錄中R134a物性表查出各狀態(tài)下的參數(shù)如下：    p1=0.14MPa其對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽參數(shù)為：                            &#

79、160;        kJ/kg ；    s1=0.9322 kJ/(kg .k)                                p2=0.8MPa ； 

80、60;        s2= s1=0.9322 kJ/(kg .k)圖13-13由此查得：                            h2=272.5 kJ/kg       

81、                     p3=0.8MPa，其飽和液的焓為 h3=93.42 kJ/kg由此可算得： （節(jié)流過程），故有h4=93.42KJ/kg    (a) kW    (b) kW    (c) 循環(huán)放熱率 為      &#

82、160;                     kW也可用                            由此算得制冷機(jī)

83、COPR為                                討論：若將節(jié)流閥改為一膨脹機(jī)，按等熵過程膨脹作功，膨脹機(jī)出口狀態(tài)為4s，其對(duì)應(yīng)的參數(shù)為           

84、0;                MPa      s4s= s3=0.3459kJ/(kg×K)      h4s=86.92 kJ/kg則膨脹機(jī)輸出功率為               

85、             kW故輸入凈功率可降為這時(shí)輸出熱量 由7.13kW變化到                            kW而COPR由3.96提高到   

86、60;                        即COP提高了27.65%。135 蒸汽噴射制冷循環(huán)1351 蒸汽噴射制冷原理在310的低溫范圍內(nèi)，可采用水蒸氣作制冷劑。在采用水蒸氣作制冷劑時(shí)，以引射器代替壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)低密度蒸汽(t=3時(shí) m3/kg)的壓縮，并采用對(duì)工作蒸汽加熱，耗費(fèi)熱量來制冷。這是蒸汽噴射制冷循環(huán)與蒸氣壓縮制冷循環(huán)的主要差別。 &

87、#160;  蒸汽噴射制冷裝置的系統(tǒng)圖如圖13-14所示。自冷凝器出來的飽和水經(jīng)節(jié)流閥減壓，壓力自p1降至p2。節(jié)流后形成的干度很低的水蒸氣(制冷劑)進(jìn)入冷藏室的蒸發(fā)器定壓吸熱汽化，成為p2下的干飽和蒸汽。由鍋爐來的工作蒸汽(壓力pB=0.31MPa)流經(jīng)引射器的噴管膨脹增速，在噴管出口處形成低壓，將蒸發(fā)器內(nèi)的制冷蒸汽不斷吸入混合室，兩路蒸汽(工作蒸汽與制冷蒸汽)混合后進(jìn)入擴(kuò)壓管，減速升壓至p1，進(jìn)入冷凝器被冷卻而凝結(jié)，完成閉合循環(huán)。冷凝器出來的飽和水分為兩路，大部分進(jìn)入制冷回路，即進(jìn)入節(jié)流閥，一小部分進(jìn)入水泵升壓至pB后送到鍋爐中吸熱，成為工作蒸汽。圖13-14  蒸汽噴

88、射制冷裝置      圖13-15 蒸汽噴射制冷循環(huán)圖13-15所示的T - s 圖上表示了蒸汽噴射制冷循環(huán)1- 2- 3- 4- 5- 1和工作蒸汽的循環(huán)I-II-III-IV-I。兩循環(huán)中蒸汽的質(zhì)量流量是不同的。1 - 2為飽和水在節(jié)流閥中的節(jié)流過程，2 - 3為制冷蒸汽在蒸發(fā)器中的定壓吸熱過程，I-II為飽和水在水泵中的升壓過程，II-III為水在鍋爐內(nèi)的定壓吸熱過程，III-IV為工作蒸汽在引射器噴管中的膨脹過程，IV - 4和3- 4為工作蒸汽和制冷蒸汽在引射器混合室中的混合過程，4- 5為蒸汽在引射器擴(kuò)壓管中的壓縮升壓過程，5- 1

89、(I)為蒸汽在冷凝器中的放熱凝結(jié)過程。1352 蒸汽噴射制冷循環(huán)分析 由于在蒸汽噴射制冷裝置中，壓縮蒸汽沒有從外界輸入功量(水泵耗功甚小，可忽略不計(jì))，而代之以鍋爐中加入熱量，故裝置的經(jīng)濟(jì)性用熱能利用系數(shù)來表示，即                                &

90、#160;                                                  

91、              (13-8)式中，Q2為由冷藏室取出的熱量，QB為鍋爐加入的熱量。    從熱力學(xué)觀點(diǎn)來看，與蒸氣壓縮制冷循環(huán)相比蒸汽噴射制冷循環(huán)是不夠完善的，因?yàn)樗豢赡娴幕旌线^程。但由于裝置本身簡(jiǎn)單、緊湊，且可利用低參數(shù)的蒸汽作工作蒸汽，故可用來制取低溫水以滿足生產(chǎn)工藝和空氣降溫的需要。136 吸收式制冷裝置循環(huán)1361 吸收式制冷原理以高沸點(diǎn)物質(zhì)作溶劑(吸收劑)、低沸點(diǎn)物質(zhì)作溶質(zhì)(制冷劑)組成的二元溶液，溶質(zhì)的溶解

92、度與溫度有關(guān)。溫度較低時(shí)，溶解度較大；溫度較高時(shí)，溶解度較小。在制冷裝置中利用溶液的這種特性，來取代對(duì)蒸汽的壓縮過程，這樣的制冷裝置叫作吸收式制冷裝置。圖13-16  吸收式制冷裝置     吸收式制冷裝置的系統(tǒng)圖如圖13-16所示。工業(yè)上常見的吸收式制冷裝置采用稀氨水溶液作吸收劑，氨作制冷劑，或采用溴化鋰作吸收劑，水作制冷劑。下面以氨-水吸收式制冷系統(tǒng)為例說明其工作原理。自冷凝器引出的氨飽和液體，在減壓調(diào)節(jié)閥中節(jié)流減壓降溫，形成低干度的濕蒸氣，并被送到蒸發(fā)器中定壓吸熱，成為干飽和蒸氣，然后進(jìn)入吸收器。同時(shí)有稀氨水溶液自氨蒸氣發(fā)生器經(jīng)節(jié)流閥減壓后進(jìn)入吸收器。稀氨水溶液將氨蒸氣吸收而為濃氨水溶液。在吸收過程中，氨蒸氣凝結(jié)放出的放量由冷卻水帶走，以保持吸收器內(nèi)的氨水溶液有較低的溫度，而能吸收較多的氨蒸氣。濃氨水溶液經(jīng)溶液泵升壓，進(jìn)入氨蒸氣發(fā)生器。利用外熱源對(duì)濃溶液加熱，蒸發(fā)出氨蒸汽而成為稀溶液。氨蒸氣進(jìn)入到冷凝器中定壓放熱凝結(jié)成飽和液體而完成循環(huán)。由上述可見，吸收器、溶液泵、氨蒸氣發(fā)生器和節(jié)流閥所組成的系統(tǒng)，其