工程熱力學與傳熱學(第十七講)11-1、2、3

1、工程熱力學與傳熱學教案（17） 第十一章第十一章 蒸汽壓縮制冷循環(huán)制冷：對物體進行冷卻，使其溫度低于周圍環(huán)境溫度，并維持這個低溫，稱為制冷。制冷技術(shù)廣泛應用于生產(chǎn)、科研、生活中。制冷循環(huán)的目的：是將低溫熱源的熱量轉(zhuǎn)移到高溫熱源。根據(jù)熱力學第二定律，為了達到這個目的，必須提供機械能或熱能作為代價。根據(jù)所消耗的能量形式不同，一般可將逆循環(huán)分為兩大類： 消耗機械能的壓縮式制冷循環(huán)。包括：空氣壓縮制冷循環(huán)和蒸汽壓縮制冷循環(huán)。 消耗熱能的制冷循環(huán)。包括：蒸汽噴射式制冷循環(huán)和吸收式制冷循環(huán)。本章介紹最常用的蒸汽壓縮制冷循環(huán)，并分析提高其經(jīng)濟性的途徑。第一節(jié) 制冷劑及p-h圖制冷劑是制冷裝置的工質(zhì)，主要是低

2、沸點物質(zhì)。蒸汽壓縮制冷裝置中的制冷劑主要是氟里昂和液氨。常用的氟利昂有：氟利昂12（CF2Cl2）、氟利昂22（CHF2Cl）、氟利昂134a（C2H2F4）、氨等。物理性質(zhì)見表11-1。制冷劑在制冷循環(huán)中存在汽-液相變，為了計算制冷循環(huán)中個過程的能量變化和狀態(tài)參數(shù)，需要查找制冷劑的飽和蒸汽表和過熱蒸汽表。但是，工程上更多的是應用制冷劑的壓-焓圖（p-h圖）進行分析。p-h圖是根據(jù)制冷劑蒸汽性質(zhì)表繪制的。p-h圖是以logp為縱坐標、以h為橫坐標建立的半對數(shù)坐標圖。如圖11-1所示。說明： 采用logp為坐標，可以使壓力從0.0010.01Mpa，從0.010.1Mpa，從0.11Mpa所占的

3、坐標高度相同，使低壓區(qū)圖線面積增大，讀數(shù)更準確。 因為實際蒸汽壓縮制冷循環(huán)常用的工作壓力范圍都遠低于臨界壓力，所以工程上使用的p-h圖都沒有繪制較高壓力部分。p-h圖分析：全圖共有六條線、三個區(qū)（未飽和液體區(qū)、濕蒸汽區(qū)、過熱蒸汽區(qū)）和一個點臨界點C）。（1）等壓線：垂直于縱坐標的直線；（2）等焓線：垂直于橫坐標的直線；（3）等溫線： 在未飽和液體區(qū)內(nèi)為垂直線。原因是對飽和液體進行絕熱壓縮時，耗能極少，焓值基本不變；壓力升高，溫度也基本不變。 在濕蒸汽區(qū)內(nèi)就是飽和溫度的等壓線（水平線）。 在過熱蒸汽區(qū)內(nèi)，對應飽和壓力的等溫線略向焓值增大的方向傾斜，并很快趨于垂直。原因是過熱蒸汽的性質(zhì)接近于理想氣

4、體，焓值也接近于是溫度的單值函數(shù)。總之，p-h圖上某一溫度的等溫線為一條折線。（4）等干度線：是濕蒸汽區(qū)相同干度點的連線，是一簇向下發(fā)散的曲線。（5）等熵線：等熵線及可逆絕熱壓縮（或膨脹）過程線。因為制冷劑可逆絕熱壓縮時溫度升高，焓值增大，所以p-h圖上等溫線為向右上方伸展的曲線。（6）等比容線：p-h圖上的等比容線，斜率也為正值，隨壓力的升，等熵線在圖上的彎曲程度小，而比容線的彎曲大。對各種制冷劑均可會出相應的p-h圖。書末附有氟利昂12、和氟利昂22和氟利昂134a的p-h圖。第二節(jié) 蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)采用低沸點工質(zhì)（大氣壓力下，ts<00C），利用工質(zhì)在定溫定壓下吸熱

5、和放熱的相變特性，實現(xiàn)定溫吸熱和放熱，從而獲得較大的制冷量和較高的經(jīng)濟性，是目前廣泛使用的制冷循環(huán)。一、蒸汽壓縮制冷循環(huán)組成：壓縮機、冷凝器、熱力膨脹閥（節(jié)流閥）、蒸發(fā)器（冷庫）。裝置示意圖如圖11-2所示。工作原理： 制冷劑的干飽和蒸汽在壓縮機中絕熱壓縮，壓力和溫度升高，成為過飽和蒸汽； 進入冷凝器后在定壓下被冷卻為干飽和蒸汽，然后在定溫定壓條件下，凝結(jié)為飽和液體； 經(jīng)節(jié)流閥，進行絕熱節(jié)流，壓力和溫度都降低，并有少量液體汽化； 進入蒸發(fā)器，在定壓定溫下吸熱，制冷劑液體全部變?yōu)楦娠柡驼羝?，同時達到制冷的目的； 最后，干飽和蒸汽再進入壓縮機，開始下一輪的循環(huán)。蒸汽壓縮制冷理想循環(huán)：當不考慮壓縮機

6、、冷凝器和蒸發(fā)器中實際過程的不可逆性時，蒸汽壓縮制冷循環(huán)稱為蒸汽壓縮制冷理想循環(huán)。注意： 實際制冷循環(huán)中，由于存在傳熱溫差，制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)吸熱溫度總是低于冷卻對象的溫度，制冷劑在冷凝器凝結(jié)放熱的溫度總是高于冷卻介質(zhì)的溫度； 為了提高循環(huán)經(jīng)濟和安全性，膨脹閥前的制冷劑通常為過冷液體，溫度低于冷凝溫度；進入壓縮機的通常為過熱蒸汽，溫度高于蒸發(fā)溫度。 實際制冷裝置通常還包括儲液器、回熱器、干燥器等輔助設備。二、蒸汽壓縮制冷理想循環(huán)的T-s圖和p-h圖蒸汽壓縮制冷理想循環(huán)的T-s圖和p-h圖如圖11-3所示。分析：1-2過程為制冷劑在壓縮機中的可逆絕熱壓縮過程。壓縮機壓縮1kg工質(zhì)時消耗環(huán)境的

7、比軸功為Wc=h2-h12-3過程為制冷劑在冷凝器（冷凝介質(zhì)為水或空氣）中的定壓冷卻過程。壓縮機排出的高溫高壓的過熱蒸汽先被定壓冷卻成飽和蒸汽，再被進一步定壓冷凝為飽和液體。1kg制冷劑流經(jīng)冷凝器時放出的熱量為q1=h2-h33-4過程為制冷劑在熱力膨脹閥中的絕熱節(jié)流過程。在p-h圖上，節(jié)流前后焓值相等，但不是定焓過程。因為制冷劑內(nèi)部為非準靜態(tài)過程，所以絕熱節(jié)流不可逆，節(jié)流后熵值增大（在p-h圖和T-s圖上用虛線表示）。4-1過程為制冷劑在蒸發(fā)器中的定壓、定溫汽化過程。由于濕蒸汽區(qū)的定壓過程同時又是定溫過程，所以在p-h圖上為水平線。1kg制冷劑吸收的熱量（單位質(zhì)量制冷量）為q2=h1-h4注

8、意： 由于絕熱節(jié)流不可逆，T-s圖上過程中態(tài)的熵值s4大于s4/,熵值增大會使制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量減少，減少量相當于T-s圖上面積4/4cd4/。 蒸汽壓縮制冷循環(huán)的功量和熱量都可以用p-h圖上橫坐標焓的差值來表示，所以用p-h圖分析比T-s圖更方便。三、制冷系數(shù)蒸汽壓縮制冷理想循環(huán)的制冷系數(shù)為第三節(jié) 提高制冷循環(huán)經(jīng)濟性的途徑一、影響制冷系數(shù)的因素分析制冷系數(shù)：是制冷循環(huán)的經(jīng)濟性指標，是效果（制冷量）與代價（耗功）的比值。提高制冷系數(shù)的方法：（1）增大制冷量q2和降低耗功w可以增大制冷系數(shù)。由圖11-3可知，降低制冷劑的冷凝溫度或提高制冷劑的蒸發(fā)溫度，可以提高制冷系數(shù)。應注意：冷凝溫度取

9、決與冷卻介質(zhì)（空氣或水）的溫度，不能隨意降低。一般而言，在允許選擇冷卻介質(zhì)的情況下，盡量選擇較低的介質(zhì)溫度。如，冰箱應盡量放在溫度較低的地方。冷凝溫度應高于冷卻介質(zhì)50C 70C。 蒸發(fā)溫度受冷卻對象溫度要求的限制，也不能隨意升高。在制冷對象允許的前提下，取較高的蒸發(fā)溫度有利于提高制冷系數(shù)，一般蒸發(fā)溫度比冷庫溫度低50C 70C。（2）使冷凝器出口、狀態(tài)為3的飽和液體繼續(xù)在定壓下冷卻放熱，使飽和液體過冷。如圖11-4所示。將狀態(tài)點3的飽和液體冷卻到未飽和液體點3/，然后進行絕熱節(jié)流過程3/-4/。這樣循環(huán)消耗凈功不變?nèi)詾閔2-h1，但制冷量q2=h1-h4/比原來增大了，既提高了制冷系數(shù)。結(jié)論：過冷溫度越低，過冷度越大，制冷系數(shù)就越大。但是，過冷溫度也受冷卻介質(zhì)溫度的限制，不可能隨意降低。實際中多數(shù)制冷裝置都設有回熱器，使冷凝器出來的液體與經(jīng)蒸發(fā)器汽化后的制冷劑蒸汽進行熱量交換，從而使前者增大過冷度以提高制冷系數(shù)，后者增大過熱度以保證干壓。二、降低循環(huán)不可逆因素及提高制冷系數(shù)的途徑（1）盡量使實際循環(huán)接近逆向卡諾循環(huán)；（2）盡量減小冷劑在冷庫和冷凝器中的傳熱溫差；（3）按實際要