第十一章制冷循環(huán)11-1逆向卡諾循環(huán)

最簡(jiǎn)單的制冷循環(huán)是逆向卡諾循環(huán)。由四個(gè)過程組成：1-2—絕熱膨脹；2-3—定溫吸熱；3-4—絕熱壓縮；4-1—定溫放熱。循環(huán)中系統(tǒng)消耗凈功，從冷庫(kù)中的低溫物體吸熱q2，而向溫度較高的環(huán)境放熱。過程2-3中，工質(zhì)從冷庫(kù)中所吸取的熱量為

過程4-1中，工質(zhì)向環(huán)境放出的熱量為

循環(huán)中消耗的凈功w0q1q2Sorry,nocopy!制冷循環(huán)的工作有效程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)是制冷系數(shù)（制冷性能系數(shù)）ε，為從低溫物體吸收的熱量與所消耗的凈功之比，即因此，逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)可表示為根據(jù)此式，逆向卡諾循環(huán)所消耗的凈功可表示為可見，當(dāng)T1＝const，如T2↓→ε↓，↑。反之，T2↑→ε↑，↓。上述結(jié)論，對(duì)于各種制冷循環(huán)都具有重要的指導(dǎo)意義。因此，在保證必須的冷凍條件的情況下，為了避免無謂地消耗過多的機(jī)械功，制冷裝置的冷庫(kù)溫度應(yīng)該盡量地接近環(huán)境溫度q＝TΔsw0q1q2如果逆循環(huán)工作的目的是向“高溫”環(huán)境供熱，冊(cè)該循環(huán)稱為熱泵循環(huán)。熱泵循環(huán)工作有效程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)是供熱系數(shù)ζ，為向高溫物體提高的熱量與所消耗的凈功之比，即逆向卡諾循環(huán)的供熱系數(shù)可表示為w0q1q211-2空氣壓縮制冷循環(huán)實(shí)際制冷裝置并不是按逆向卡諾循環(huán)工作的，而是根據(jù)制冷裝置所采用的工質(zhì)性質(zhì)，按不同的制冷循環(huán)工作?？諝饪捎米鳛橹评溲b置的工質(zhì)?？諝鈮嚎s制冷裝置主要由四個(gè)熱力設(shè)備組成：壓氣機(jī)、冷卻器、膨脹機(jī)、

冷庫(kù)換熱器。

空氣壓縮制冷裝置的理想循環(huán)由四個(gè)可逆過程組成:絕熱壓縮過程1-2、定壓放熱過程2-3、絕熱膨脹過程3-4、定壓吸熱過程4-1。循環(huán)制冷量為4-1中工質(zhì)吸取的熱量：循環(huán)消耗的凈功為因此，可得空氣壓縮制冷循環(huán)制冷系數(shù)的表達(dá)式為如取空氣的比熱容為定值，則有

按絕熱過程1-2及3-4，可以得到各狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系式為代入上式，可得空氣壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù)的計(jì)算式即提高增壓比可獲得較低溫度，如圖中循環(huán)1-3‘-5’-6-1所示，但使壓氣機(jī)和膨脹機(jī)的負(fù)荷加重。為此可采用回?zé)崞?，用空氣在回?zé)崞髦械念A(yù)熱過程代替一部分絕熱壓縮過程，從而降低增壓比。由圖線對(duì)比可見，與提高增壓比的辦法相比，采用回?zé)岽胧┖?，制冷量、放熱量、制冷系?shù)均可不變。但是，采用回?zé)崞鞯目諝鈮嚎s制冷裝置中，壓氣機(jī)的增壓比小得多，因而大大減輕了壓氣機(jī)的負(fù)荷。正是由于這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，使得采用回?zé)崞鞯目諝鈮嚎s制冷裝置在深度冷凍及氣體液化中獲得實(shí)際應(yīng)用。

11-3蒸氣壓縮制冷循環(huán)如采用濕飽和蒸氣為工質(zhì)，就可容易地實(shí)現(xiàn)定溫吸熱和定溫放熱，從而可以按逆向卡諾循環(huán)工作，以便在一定的冷庫(kù)溫度及環(huán)境溫度下獲得最高的制冷系數(shù)。用濕飽和蒸氣作為制冷工質(zhì)可以得到相當(dāng)大的單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量（依靠汽化潛熱吸熱）。如以濕飽和蒸氣為工質(zhì)按逆向卡諾循環(huán)工作時(shí)，需要進(jìn)行濕飽和蒸氣的絕熱壓縮過程。當(dāng)濕飽和蒸氣吸入壓氣機(jī)時(shí)，工質(zhì)中的飽和液體會(huì)立刻從壓氣機(jī)氣缸壁迅速吸熱而汽化，使氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓力突然增加，影響壓氣機(jī)吸氣，致使壓氣機(jī)的吸氣量減少而引起制冷裝置的制冷量降低。同時(shí)，在壓縮過程中未汽化的液體還可能引起液擊現(xiàn)象，以致?lián)p壞壓氣機(jī)。此外，濕飽和蒸氣在逆向卡諾循環(huán)的絕熱膨脹過程中，因工質(zhì)中液體的含量很大，故膨脹機(jī)的工作條件很差。實(shí)用的蒸氣壓縮制冷循環(huán)是以逆向卡諾循環(huán)為基礎(chǔ)，而對(duì)壓縮過程及膨脹過程進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)而形成的。蒸汽壓縮制冷裝置主要由四個(gè)熱力設(shè)備組成：壓氣機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器。

汽液分離器的作用：將未汽化的飽和液分離出來送回蒸發(fā)器，保證只有干飽和蒸氣進(jìn)入壓氣機(jī)。

蒸氣壓縮制冷循環(huán)的制冷量可表示為循環(huán)凈功，即壓氣機(jī)消耗的軸功則可表示為于是蒸氣壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù)可按下式計(jì)算計(jì)算制冷循環(huán)時(shí)經(jīng)常利用lnp-h線圖。在該圖上能方便地表示定壓過程、定焓過程，且極易確定各點(diǎn)的焓值。圖示為lnp-h圖上的蒸氣壓縮制冷循環(huán)的循環(huán)曲線：1-2為定熵過程；2-3為定壓過程；3-4為節(jié)流過程，其初終兩態(tài)的焓相等；4-1為定壓過程。書后附有氨的lnp-h圖。11-4蒸汽噴射制冷循環(huán)及吸收式制冷裝置蒸汽噴射制冷裝置及吸收式制冷裝置是以高溫物體向環(huán)境放熱為代價(jià)來實(shí)現(xiàn)制冷。蒸汽噴射制冷裝置是以高溫?zé)嵩聪颦h(huán)境傳遞一定的熱量作為代價(jià)而實(shí)現(xiàn)制冷的，因此采用所得到的制冷量和高溫?zé)嵩此o出的熱量的比值來表示制冷循環(huán)工作的有效程度，稱為熱量利用系數(shù)，用ξ表示，即式中，為工作蒸汽從鍋爐所得到的熱量，為制冷量。

蒸汽噴射制冷裝置采用噴射器代替壓縮制冷的壓氣機(jī)，設(shè)備簡(jiǎn)單，不需要外界提供機(jī)械功。蒸汽在噴射器中流動(dòng)速度很高，因此可以有很大的容積流量。這對(duì)于那些在低溫下飽和壓力很低而飽和蒸汽比體積很大的工質(zhì)是很有利的。例如，水蒸氣在10℃時(shí)飽和蒸汽的比體積為106.4m3/kg，因此不能用作壓縮式制冷的工質(zhì)，但作為噴射制冷的工質(zhì)卻沒有任何困難。因而，生產(chǎn)過程中有大量多余蒸汽的工業(yè)，常利用噴射制冷裝置來獲得2～20℃低溫。但噴射制冷裝置的不可逆損失很大，熱量利用系數(shù)較低。吸收式制冷裝置吸收式制冷裝置—依靠高溫?zé)嵩聪颦h(huán)境傳遞熱量作為代價(jià)而實(shí)現(xiàn)制冷的裝置。

吸收式制冷裝置—采用吸收器、蒸氣發(fā)生器和泵來取代蒸氣壓縮式制冷裝置的壓氣機(jī)。工作過程（氨＋水）：吸收器中，氨水溶液吸收來自蒸發(fā)器的氨蒸氣。由于氨溶解時(shí)產(chǎn)生溶解熱，為了保持溶液的吸收能力，要用冷卻水冷卻吸收器。泵濃溶液加壓后送入蒸氣發(fā)生器。蒸氣發(fā)生器加熱濃溶液，使其中所溶解的氨蒸發(fā)產(chǎn)生氨氣。蒸氣發(fā)生器中氨氣蒸發(fā)后低濃度的氨水溶液，經(jīng)節(jié)流降壓后流回吸收器重新利用。常用工質(zhì)：氨（制冷劑）＋水（吸收劑）水（制冷劑）＋溴化鋰（吸收劑）吸收式制冷裝置中，氨的加壓是靠泵完成的，其所消耗的功要比用壓氣機(jī)壓縮氨蒸氣所消耗的功要小得多。制冷裝置需要消耗一定的熱量來加熱蒸氣發(fā)生器，使得氨氣在較高壓力下從氨溶液中蒸發(fā)出來。它工作的有效程度也用熱量利用系數(shù)來表示，即式中，為加熱蒸氣發(fā)生器所需的熱量，為制冷量。吸收式制冷裝置的不可逆損失較大，其熱量利用系數(shù)較小。但吸收式制冷裝置的構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，特別是它消耗的功率很小，還可利用溫度不太高的生產(chǎn)過程的余熱來加熱蒸氣發(fā)生器，故在工廠企業(yè)中應(yīng)用這種制冷裝置可節(jié)約電力的消耗，并充分利用余熱。近年來，以溴化鋰作吸收劑，以水蒸氣作制冷劑的吸收式制冷裝置的發(fā)展較快，常用來作為大型空氣調(diào)節(jié)裝置的制冷設(shè)備。11-5制冷劑及其熱力學(xué)性質(zhì)例11-5

一臺(tái)氨蒸氣壓縮制冷裝置，其冷庫(kù)溫度為－10℃，冷凝器中冷卻水溫度為20℃，試求單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量、裝置消耗的功、冷卻水帶走的熱量以及制冷系數(shù)。解:按題意

T1=T4=263KT3=293K由氨的壓焓圖查得h1=1450kJ/kgh2=1600kJ/kgh3=h4=300kJ/kg故單位質(zhì)量工質(zhì)的致冷量q2=h1-h4=1450-300=1150kJ/kg裝置消耗的功|w0|=h2-h1=1600–1450=150kJ/kg致冷系數(shù)冷卻水帶走的熱量|qe|=h2-

h3=1600-300=1300kJ/kg1234

11-1當(dāng)冷庫(kù)溫度及環(huán)境溫度一定時(shí)，試證明逆向卡諾循環(huán)具有最大的制冷系數(shù)。11-2空氣壓縮制冷為何不能像蒸氣壓縮制冷那樣采用節(jié)流閥降壓，而要采用膨脹機(jī)降壓膨脹。11-3當(dāng)冷庫(kù)溫度及環(huán)境溫度一定時(shí)，為增加單位質(zhì)量的制冷量，空氣壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù)總要有所降低，試用T-s圖分析說明之。11-4壓縮式制冷依靠消耗機(jī)械功而實(shí)現(xiàn)制冷，吸收式及噴射式制冷則是依靠消耗高溫的熱能而實(shí)現(xiàn)制冷，試根據(jù)熱力學(xué)第二定律說明兩者的一致性。11-5