工程热力学 13-16

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1、第13章制冷循环13.1制冷机和热泵13.2逆向卡诺循环13.3理想蒸汽压缩制冷循环13.4实际蒸汽压缩制冷循环13.5制冷剂13.6气体压缩制冷循环13.7吸收式制冷循环13.8热泵系统1在工程上，制冷意味着维持系统温度低于环境温度。逆向卡诺循环从低温热源除去热量，并将这部分热量连同传递这些热量所必需的功一起传递给高温热源。在这种情况下的被制冷的系统就是该低温热源。实际制冷系统的三种主要类型是蒸汽压缩制冷循环、气体压缩制冷循环和吸收式制冷循环。213.1制冷机和热泵热量从低温区域传递到高温区域需要特殊

2、的循环装置，称为制冷机。制冷循环中用的工质称作制冷剂。制冷机耗功Wnet，从温度为TL（低于环境温度）的制冷空间除去热量QL，并将热量QH传递给温度为TH（环境温度）的较热空间，实现热量由低温区域向高温区域的传递。3另一种将热量从低温介质传递到高温介质的装置称作热泵。制冷机和热泵实质上是原理相同的装置，仅仅是使用目的不同。制冷机的目的是要排热给环境以维持制冷空间的低温，而热泵的目的是要从环境取热以维持采暖空间的高温。4制冷机和热泵的性能都用性能系数COP表示，分别定义为：制冷系数：COPR=冷却效果/输

3、入净功=QL/Wnet供暖系数：COPHP=加热效果/输入净功=QH/Wnet制冷系数和供暖系数都可以大于1，并且有COPHP=COPR+15对于确定的QL和QH值，因为COPR＞0，所以COPHP＞1。这意味着热泵在最差的情况下是如同电阻加热器在工作，供给的能量与房间消耗的能量一样多。事实上，QH的部分热量通过管道和别的设备总会散失给外界空气。当外界空气温度很低时COPHP值会小于1。这时系统通常转换到用燃料（天然气、丙烷、油等）或电阻采暖模式。6制冷系统的冷量就是制冷空间的排热速率，常常用冷吨表示。

4、能在24小时内将1吨0℃液态水冻成0℃的冰的系统制冷能力称为1冷吨。1冷吨等于3.516kW。一个200m2的典型住宅的冷负荷在3冷吨(10kW)之内。713.2逆向卡诺循环在T-s图上卡诺循环沿逆时针方向进行，也就称为逆向卡诺循环。运行在逆向卡诺循环的制冷机称为卡诺制冷机，运行在逆向卡诺循环的热泵称为卡诺热泵。8图13-1a和b分别是运行在湿蒸汽区的逆向卡诺循环的实际系统示意图和其T-s图。9过程1-2是制冷剂从温度为TL的冷源等温吸收热量QL；过程2-3是制冷剂被等熵压缩到温度为TH的干饱和蒸汽状态

5、；过程3-4是制冷剂向温度为TH的热源等温排放热量QH直到饱和液体状态；过程4-1是制冷剂等熵膨胀到温度为TL的初态。10卡诺制冷机和卡诺热泵的性能系数可用温度表示为COPR,C=TL/(TH-TL)COPHP,C=TH/(TH-TL)这两个性能系数都随温度之差的减小而增加。11为什么逆向卡诺循环不适合作为制冷循环的模式？1）因为它涉及过程2-3对液体和蒸汽混合物的压缩，压缩机要面对两相工质的压缩。2）而过程4-1涉及高湿度制冷剂的膨胀。这些问题好象采用饱和区域外的逆向卡诺循环就能解决，但这时很难维持等

6、温吸热和等温放热过程。逆向卡诺循环在实际中只用作实际制冷循环的比较标准。1213.3理想蒸汽压缩制冷循环逆向卡诺循环系统存在一些缺点。首先，往复式压缩机不应运行在湿蒸汽区域，因为在压缩过程中润滑油会被冲走；其次，膨胀机作功与压缩机耗功相比很小，并且这种膨胀机的费用会很贵。图13-2a和b分别是理想蒸汽压缩制冷循环的实际系统示意图和其T-s图。13图13-2a)理想蒸汽压缩制冷循环示意图b)理想蒸汽压缩制冷循环的T-s图14它以两种方式解决了这些问题。一是制冷剂吸热直到成为状态点1的饱和蒸汽后再被等熵压缩

7、；二是膨胀过程是不可逆的节流过程，只需要一个膨胀阀或毛细管。吸热过程4-1和放热过程2-3都是等压过程。15在T-s图中，过程曲线下的面积是代表内部可逆过程的传热量。过程曲线4-1下的面积代表制冷剂在蒸发器中的吸热量。过程曲线2-3下的面积代表制冷剂在冷凝器中的放热量。从图13-2b可知，与湿蒸汽压缩相比，干蒸汽压缩需要的功大。由不可逆节流过程产生的制冷效果比等熵膨胀过程损失了面积abc4。根据经验，蒸发温度提高1℃或冷凝温度降低1℃可改善COP值2%~4%。16图13-3理想蒸汽压缩制冷循环的lgp-

8、h图17在实际制冷热力计算中，经常使用lgp-h图，在图中三个过程是用直线表示，蒸发量和冷凝量是和线段长度有关。以理想蒸汽压缩制冷循环工作的制冷机和热泵的性能系数可表示为COPR=(h1-h4)/(h2-h1)COPHP=(h2-h3)/(h2-h1)1813.4实际蒸汽压缩制冷循环实际蒸汽压缩制冷循环在某些方面区别于理想蒸汽压缩制冷循环是由于出现在各部件中的不可逆性，主要是流体的流动摩擦引起压降和流体与外界的传热。19图13-4实际蒸汽压