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1、建筑冷热源全册配套最建筑冷热源全册配套最 完整精品课件完整精品课件1 冷热源工程 建环教研室 第第1 1章制冷的基本知识章制冷的基本知识 本章主要内容本章主要内容 1.1概述概述 1.2理想制冷循环理想制冷循环 1.3蒸气压缩式制冷的理论循环蒸气压缩式制冷的理论循环 1.4蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环 1.11.1概述概述 本节主要内容本节主要内容 一一.制冷的定义及研究内容制冷的定义及研究内容 二二.制冷技术的应用制冷技术的应用 三三.制冷技术的发展历程及研究方向制冷技术的发展历程及研究方向 四四.常用的制冷方法常用的制冷方法 1.11.1概述概述 思考：为什么强调用思考

2、：为什么强调用“人工人工”的方法？的方法？ 天然冷源受地理、气候等条件的限制而不可多得。天然冷源受地理、气候等条件的限制而不可多得。 A. 受到地区条件的限制，不是处处都有； 受到地区条件的限制，不是处处都有； 如冰（ 如冰（0）；）； 地下水的水温：东北地区 地下水的水温：东北地区 414 西北地区 西北地区 1820 华北地区 华北地区 1519 华东地区 华东地区 1920 1.11.1概述概述 B. 温度不能太低，远远不能满足工农业生产、科学技术发展及人 温度不能太低，远远不能满足工农业生产、科学技术发展及人 们生活水平提高对冷的要求。们生活水平提高对冷的要求。 C.大量使用地下水会使

3、地面下沉。 大量使用地下水会使地面下沉。 D. 大型系统使用天然冷源时，因其他方面的损失，不一定是经济 大型系统使用天然冷源时，因其他方面的损失，不一定是经济 的。的。 1.11.1概述概述 研究内容：可以概括为以下四个方面：研究内容：可以概括为以下四个方面： (1)研究 研究获得低于环境温度的方法、机理以及与此对应的循环，并对循环进获得低于环境温度的方法、机理以及与此对应的循环，并对循环进 行热力学的分析和计算。行热力学的分析和计算。 (2)研究研究循环中使用的工质的性质，从而为制冷机提供合适的工作介质。因循环中使用的工质的性质，从而为制冷机提供合适的工作介质。因 工质在循环中发生状态变化，

4、所以工质的热物理性质是进行循环分析和计算工质在循环中发生状态变化，所以工质的热物理性质是进行循环分析和计算 的基础数据。此外，为了使这些工质能实际应用，还必须掌握它们的一般物的基础数据。此外，为了使这些工质能实际应用，还必须掌握它们的一般物 理化学基础。理化学基础。 (3)研究研究气体液化和分离技术。例如液化氧、氮、氢、氦等气体，将空气或气体液化和分离技术。例如液化氧、氮、氢、氦等气体，将空气或 天然气液化、分离，均涉及一系列的制冷或低温技术。天然气液化、分离，均涉及一系列的制冷或低温技术。 (4)研究研究所需的各种机械和设备，包括它们的工作原理、性能分析、结构设所需的各种机械和设备，包括它们

5、的工作原理、性能分析、结构设 计。此外还有热绝缘问题，装置的自动化问题，等等。计。此外还有热绝缘问题，装置的自动化问题，等等。 1.11.1概述概述 l上述前三个方面构成制冷或低温技术原理的基本研究上述前三个方面构成制冷或低温技术原理的基本研究 内容，第四方面涉及具体的设备和装置。内容，第四方面涉及具体的设备和装置。 1.11.1概述概述 三、制冷技术的发展历程及研究方向三、制冷技术的发展历程及研究方向 人们很早就懂得冷的利用。在我国古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑 人们很早就懂得冷的利用。在我国古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑 降温。马可降温。马可波罗在他的著作波罗在他的著作马可马可波罗游记

6、波罗游记中，对中国制冷和造冰窖的中，对中国制冷和造冰窖的 方法有详细的记述。方法有详细的记述。 1755年年爱丁堡的化学教师库仑利用爱丁堡的化学教师库仑利用乙醚蒸发使水结冰乙醚蒸发使水结冰。他的学生布。他的学生布 拉克从本质上解释了融化和气化现象，提出了潜热的概念，并发明了冰量热拉克从本质上解释了融化和气化现象，提出了潜热的概念，并发明了冰量热 器，标志着器，标志着现代制冷技术的开始现代制冷技术的开始。 在普冷方面，在普冷方面，1834年年发明家发明家波尔金斯波尔金斯造出了第一台以乙醚为工质的造出了第一台以乙醚为工质的 蒸气压缩式制冷机，并正式申请了英国第蒸气压缩式制冷机，并正式申请了英国第6

7、662号专利。这是后来所有蒸气号专利。这是后来所有蒸气 压缩式制冷机的雏型，但使用的工质是乙醚，容易燃烧。压缩式制冷机的雏型，但使用的工质是乙醚，容易燃烧。 1.11.1概述概述 1875年 年卡列和林德用卡列和林德用氨氨作制冷剂，从此作制冷剂，从此蒸气压缩式制冷机蒸气压缩式制冷机开始占有统开始占有统 治地位。在此期间，空气绝热膨胀会显著降低空气温度的现象开始用于制冷。治地位。在此期间，空气绝热膨胀会显著降低空气温度的现象开始用于制冷。 1844年，医生高里用封闭循环的空气制冷机为患者建立了一座空调站，空 年，医生高里用封闭循环的空气制冷机为患者建立了一座空调站，空 气制冷机使他一举成名。威廉

8、气制冷机使他一举成名。威廉西门斯在空气制冷机中引入了西门斯在空气制冷机中引入了回热器回热器，提高，提高 了制冷机的性能。了制冷机的性能。1859年，卡列发明了年，卡列发明了氨水吸收式制冷系统氨水吸收式制冷系统，申请了原理，申请了原理 专利。专利。1910年左右，马利斯年左右，马利斯莱兰克发明了莱兰克发明了蒸气喷射式制冷系统蒸气喷射式制冷系统。 20世纪，制冷技术有了更大发展。全封闭制冷压缩机的研制成功；世纪，制冷技术有了更大发展。全封闭制冷压缩机的研制成功； 米里杰发现氟里昂制冷剂并用于蒸气压缩式制冷循环，以及混合制冷剂的应米里杰发现氟里昂制冷剂并用于蒸气压缩式制冷循环，以及混合制冷剂的应 用

9、；伯宁顿发明回热式除湿器循环以及热泵的出现，均推动了制冷技术的发用；伯宁顿发明回热式除湿器循环以及热泵的出现，均推动了制冷技术的发 展。展。 1.11.1概述概述 协会：协会：1888英国冷库和冰协会 英国冷库和冰协会 1903、1904美国制冷设备制造协会和美国制美国制冷设备制造协会和美国制 冷工冷工 程师协会程师协会 1908国际制冷学会（法）国际制冷学会（法） 1978中国加入中国加入 1.11.1概述概述 制冷技术研究的方向：制冷技术研究的方向： 近期制冷技术的发展主要缘于世界范围内对食品、舒适和健康方面，近期制冷技术的发展主要缘于世界范围内对食品、舒适和健康方面， 以及在空间技术、国

10、防建设和科学实验方面的需要，从而使这门技术在以及在空间技术、国防建设和科学实验方面的需要，从而使这门技术在20 世纪的后半期得到飞速发展。受微电子、计算机、新型原材料和其它相关工世纪的后半期得到飞速发展。受微电子、计算机、新型原材料和其它相关工 业领域的技术进步的渗透和促进，制冷技术取得了一些突破性的进展，同时业领域的技术进步的渗透和促进，制冷技术取得了一些突破性的进展，同时 也面临一场新的挑战。也面临一场新的挑战。 (1)微电子和计算机技术的应用 微电子和计算机技术的应用 在基础研究方面在基础研究方面：计算机仿真制冷循环始于：计算机仿真制冷循环始于1960年。如今，普冷和低年。如今，普冷和低

11、 温领域中的各种循环，如：吸收式制冷循环、热电制冷循环；温领域中的各种循环，如：吸收式制冷循环、热电制冷循环； 1.11.1概述概述 利用声制冷、光制冷、化学方法制冷的各种循环；以及各种新型的混合型循利用声制冷、光制冷、化学方法制冷的各种循环；以及各种新型的混合型循 环。研究制冷系统的热物理过程、系统及部件的稳态和瞬态特性以及单一工环。研究制冷系统的热物理过程、系统及部件的稳态和瞬态特性以及单一工 质和混合工质的性质等等，也离不开微电子和计算机技术的应用。质和混合工质的性质等等，也离不开微电子和计算机技术的应用。 在制冷产品的设计制造方面在制冷产品的设计制造方面：计算机现已广泛用于产品的辅助设

12、计和：计算机现已广泛用于产品的辅助设计和 制造制造(CAD，CAM)。例如结构零件设计的有限元法和有限差分法以及用计。例如结构零件设计的有限元法和有限差分法以及用计 算机控制精密机械加工。计算机和微处理器对制冷技术的最大影响在于高级算机控制精密机械加工。计算机和微处理器对制冷技术的最大影响在于高级 自动控制系统的开发。这是一项综合性技术，涉及到先进的控制方法、可靠自动控制系统的开发。这是一项综合性技术，涉及到先进的控制方法、可靠 的集成块芯片及专门的控制模块、精良的传感器。当前制冷系统采用电脑控的集成块芯片及专门的控制模块、精良的传感器。当前制冷系统采用电脑控 制已极为普遍，控制模式正在发生变

13、化，由简单的机械式控制发展到综合控制已极为普遍，控制模式正在发生变化，由简单的机械式控制发展到综合控 制，为提高产品性能作出贡献。制，为提高产品性能作出贡献。 1.11.1概述概述 (2)新材料在制冷产品上的使用 新材料在制冷产品上的使用 陶瓷及陶瓷复合物 陶瓷及陶瓷复合物(如熔融石英、稳定氧化锆、硼化钛、氧化硅等如熔融石英、稳定氧化锆、硼化钛、氧化硅等)具有具有 一一 系列优良性质：比钢轻、强度和韧性好、耐磨、导热系数小、表面光洁度高。系列优良性质：比钢轻、强度和韧性好、耐磨、导热系数小、表面光洁度高。 将陶瓷用烧结法渗入溶胶体制成零件或用作零件的表面涂釉，可改善零件的性将陶瓷用烧结法渗入溶

14、胶体制成零件或用作零件的表面涂釉，可改善零件的性 能。能。 聚合材料 聚合材料(工程塑料、合成橡胶和复合材料等工程塑料、合成橡胶和复合材料等)用于制冷产品中作为电绝缘用于制冷产品中作为电绝缘 材材 料、减振件和软管材料；利用聚合材料的热塑性，以新工艺通过热定型的方法料、减振件和软管材料；利用聚合材料的热塑性，以新工艺通过热定型的方法 制造压缩机中的复杂零件制造压缩机中的复杂零件(转子、阀片等转子、阀片等)。这些新材料的应用，带来产品性能、。这些新材料的应用，带来产品性能、 寿命的提高和成本的降低。寿命的提高和成本的降低。 1.11.1概述概述 (3)机器、设备的开发研究 机器、设备的开发研究

15、为满足各种用冷的需要，新产品不断推出，商品化程度不断提高。 为满足各种用冷的需要，新产品不断推出，商品化程度不断提高。 压缩机以高效、可靠、低振动、低噪声、结构简单、成本低为追求目标， 压缩机以高效、可靠、低振动、低噪声、结构简单、成本低为追求目标， 由往复式向回转式发展。如新型螺杆式压缩机、涡旋式压缩机、摆线式压缩由往复式向回转式发展。如新型螺杆式压缩机、涡旋式压缩机、摆线式压缩 机等，都具有优良特性和竞争力。在压缩机的驱动装置上，将变频器用于空机等，都具有优良特性和竞争力。在压缩机的驱动装置上，将变频器用于空 调、热泵及集中式制冷系统的变速驱动，带来了节能效果。调、热泵及集中式制冷系统的变

16、速驱动，带来了节能效果。 1.11.1概述概述 (4)工质的开发研究 工质的开发研究 继氟里昂和共沸混合工质之后，由于 继氟里昂和共沸混合工质之后，由于1970年石油危机，节能意识提年石油危机，节能意识提 到重要地位，在开发新工质上引人注目地研究出一系列非共沸工质，收到了到重要地位，在开发新工质上引人注目地研究出一系列非共沸工质，收到了 节能的效果和满足一些特定需要。节能的效果和满足一些特定需要。 由于 由于臭氧耗损和温室效应臭氧耗损和温室效应引起了严峻的环境保护问题，导致了引起了严峻的环境保护问题，导致了80年年 代末开始全球禁止代末开始全球禁止CFCs物质，进而波及到物质，进而波及到HCF

17、C类物质，这既是一次历史类物质，这既是一次历史 性的冲击，同时又提供了新的发展机遇。近年来在替代工质开发及其热物理性的冲击，同时又提供了新的发展机遇。近年来在替代工质开发及其热物理 性质研究方面取得的成就即是证明。性质研究方面取得的成就即是证明。 1.11.1概述概述 1.11.1概述概述 1.11.1概述概述 温差电制冷温差电制冷 （半导体制冷）（半导体制冷） 1834年，法国科学家珀尔帖 年，法国科学家珀尔帖 发现：两种不同金属组成的闭合电发现：两种不同金属组成的闭合电 路中接上一个直流电源，则一个接路中接上一个直流电源，则一个接 点变冷（吸热），另一个接点变热点变冷（吸热），另一个接点变

18、热 （放热），这种现象称为珀尔帖效（放热），这种现象称为珀尔帖效 应。这是温差电制冷的理论基础应。这是温差电制冷的理论基础 1.11.1概述概述 1.11.1概述概述 制 冷 技 术 第二章第二章 蒸气压缩式制冷的热力学原理蒸气压缩式制冷的热力学原理 蒸气压缩式制冷的热力学原理蒸气压缩式制冷的热力学原理 1.理想制冷循环理想制冷循环 2.理论制冷循环理论制冷循环 3.制冷循环热力计算制冷循环热力计算 1.理想制冷循环 1.0 常用术语常用术语 1.1热力学基本定律热力学基本定律 1.2制冷循环的热力学分析制冷循环的热力学分析 1.3理想制冷循环理想制冷循环 无温差传热的逆向可逆循环无温差传热的

19、逆向可逆循环 逆卡诺循环逆卡诺循环 1.4具有传热温差的逆向可逆循环具有传热温差的逆向可逆循环 1.5具有变温热源的理想制冷循环具有变温热源的理想制冷循环-洛伦兹循环洛伦兹循环 1.6热泵的作用热泵的作用 1.0 常用术语 一一. 物质物质 具有一定质量并占据空间的任何物体称为具有一定质量并占据空间的任何物体称为 物质。物质。 物质通常以固、液、气三态存在。物质通常以固、液、气三态存在。 蒸气压缩式制冷机都依靠内部循环流动的蒸气压缩式制冷机都依靠内部循环流动的 工作物质来实现制冷过程。制冷机中的工工作物质来实现制冷过程。制冷机中的工 作物质称为作物质称为制冷剂制冷剂。制冷装置中用来传递。制冷装

20、置中用来传递 冷量的工作物质称为冷量的工作物质称为载冷剂载冷剂。 温度是物体冷热程度的量度。 它是物质分子热运动剧烈程度 的标志尺度。 常用的温度度量单位有摄氏温 标t和开氏温标T(绝对温标)。 T(k)=t()+273.15 图图2-1 2-1 两种常用温标的比较两种常用温标的比较 二. 温度 物体在热过程中所放出或吸收的能量称为热量。 生产中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小。 制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取走的 热量。商业上常用冷吨来表示。 1冷吨：1吨0饱和水在24小时内被冷冻到 0的冰所需冷量。 三. 热量 热量单位换算：热量单位换算： 1大卡（大卡（kcal）=1000卡（卡（

21、cal） 1焦焦(J)=0.2389卡（卡（cal）0.24卡（卡（cal） 1英热单位英热单位(Btu)=0.25大卡（大卡（kcal） （British thermal unit ） 1英热单位英热单位(Btu)=1.05千焦千焦(kJ) 1美国冷吨美国冷吨=3024 kcal/h 1日本冷吨日本冷吨=3320 kcal/h 比热是一个物性参数，意为单位度量的物 质温度变化1k时所吸进或放出的热量。 体积比热Cv(J/m3.k) 摩尔比热Cp(J/mol.k) 四. 比热（specific heat） 不改变物质的形态而引起其温度变化的热 量称为显热。 不改变物质的温度而引起其形态变化的热

22、 量称为潜热。 制冷剂的汽化潜热有何要求？制冷剂的汽化潜热有何要求？ 五. 显热和潜热 表表1-1 1-1 几种制冷物质的汽化潜热几种制冷物质的汽化潜热 (kJ/kg) 物物 质质 水水氨氨R12R22氯甲氯甲 烷烷 二氧二氧 化硫化硫 R114 R502 汽化汽化 热热 2256.81369167.5234.5427.1397.8137.96150.02 图图2-2 2-2 绝对压力、表绝对压力、表 压力和真空度的关系压力和真空度的关系 六. 压力 垂直作用在单位面积上的力称为压力p(压强)。 p是确定物质状态的基本参数之一。 1bar=105pa 饱和压力ps与饱和温度ts 的对应关系。

23、比容：每千克物质所占有的容积。v是 基本状态参数。 .v=1 七. 比容v和密度 表示材料传导热量的能力，是一个物性 参数。数值上等于：1m厚的材料两边温 差1k时在1小时内通过1m2表面积所传导 的热量。单位：w/m.k 常用保温材料的常用保温材料的 值？值？ 八. 导热系数 物质的热力状态性质可以绘制成曲线图的 形式。制冷剂性质曲线图有多种形式。行 业中最常用的是lgp-h图。 lgp-h图的构成可以总结为一个临界点、 二条饱和线、三个状态区、六组等值线。 九. 压-焓图(lgp-h) (a)(a)压压- -焓图焓图 (b)(b)压压- -焓图上的主要曲线焓图上的主要曲线 图图2-3 2-

24、3 压焓图上的主要曲线压焓图上的主要曲线 等压线等压线 水平线水平线 等焓线等焓线 垂直线垂直线 等干度线等干度线 x 湿蒸汽区域内湿蒸汽区域内 等熵线等熵线 向右上方倾斜向右上方倾斜 等容线等容线 向右上方倾斜向右上方倾斜 等温线等温线 垂直线（未）垂直线（未）水平线（湿）水平线（湿） 向右下方弯曲（过）向右下方弯曲（过） 莫里尔图莫里尔图 由于制冷装置中，制冷剂的实际压力并不 太高，lgp-h图靠近临界点的高压部分和 湿蒸汽区域的中间部分在热力计算中很少 用到，为了使图面清晰简捷，往往将这两 部分截去。 课后练习：课后练习： lgp-h图中状态点参数的查取。图中状态点参数的查取。 图图2-

25、4 R222-4 R22的的lgp-hlgp-h图图 1.1热力学基本定律热力学基本定律 热力学第零定律热力学第零定律: 如果两个热力学系统中的每如果两个热力学系统中的每 一个都与第三个热力学系统处于热平衡一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相温度相 同同)，则它们彼此也必定处于热平衡。，则它们彼此也必定处于热平衡。 热力学第一定律：热力学第一定律：在任何发生能量传递和转换在任何发生能量传递和转换 的热力过程中，传递和转换前后的能量总量维的热力过程中，传递和转换前后的能量总量维 持恒定。持恒定。 1.1热力学基本定律热力学基本定律 热力学第二定律：热力学第二定律：能量贬值原理。热不能量贬值

26、原理。热不 能自发地、不付代价地从低温物体传到高温能自发地、不付代价地从低温物体传到高温 物体。物体。 高温物体 外界补偿 热量 低温物体人工制冷： 热力学第三定律：热力学第三定律：绝对温度的零度是不可绝对温度的零度是不可 能达到。能达到。 1.2制冷循环的热力学分析制冷循环的热力学分析 热力学循环热力学循环 正向循环正向循环 热能转化为机械功热能转化为机械功 逆向循环逆向循环 消耗功消耗功 1.2制冷循环的热力学分析制冷循环的热力学分析 正向循环正向循环是使高温热源的工质通过动力装 置对外做功，然后再流向低温热源，称为 动力循环，即把热量转化为机械功的循环。 所有的热力发动机都是按正向循环工

27、作的， 在温-熵或压-焓图上，循环的各个过程都 是依次按顺时针方向变化的； 1.2制冷循环的热力学分析制冷循环的热力学分析 逆向循环逆向循环，它是使工质(制冷剂)在吸收低温 热源的热量后通过制冷装置，并以外功作 补偿，然后流向高温热源。 逆向循环是一种消耗功的循环，制冷循环 就是按逆向循环进行的，在温-熵或压-焓图 上，循环的各个过程都是依次按逆时针方 向变化的。 1.2制冷循环的热力学分析制冷循环的热力学分析 逆向循环逆向循环又可分为可逆和不可逆两种。可 逆循环是一种理想循环，它不考虑工质在 流动和状态变化过程中的各种损失。如果 在工质循环过程中考虑了上述各种损失， 即为不可逆循环。 在制冷

28、循环中，不可逆主要来自两个方面： 即制冷剂在流动和状态变化时因内部摩擦、 不平衡等引起的内部不可逆损失，以及冷 凝器、蒸发器等换热器存在传热温差的外 部不可逆损失。 1.2制冷循环的热力学分析制冷循环的热力学分析 1.3理想制冷循环理想制冷循环 逆卡诺循环逆卡诺循环 1.3.1逆卡诺循环逆卡诺循环循环过程循环过程 1-2 等熵压缩 耗功w1 2-3 等温冷凝 放热 qk= (sa-sb) 3-4 等熵膨胀 做功w2 4-1 等温蒸发 吸热 q0=T0(sa-sb) 两个恒温热源两个恒温热源 两个等温过程两个等温过程 两个等熵过程两个等熵过程 0 T 0 T k T k T k T 0 T 1.

29、3.2 循环结果循环结果 从被冷却介质吸热从被冷却介质吸热q0（单位制冷量）；（单位制冷量）； 向冷却介质放热向冷却介质放热qk； 循环净耗功循环净耗功 wcwweqkq0 1.3.3制冷系数制冷系数 制冷系数制冷系数 （COP coefficient of performence） 表示它的循环经济性能，制冷系数等于单位耗功表示它的循环经济性能，制冷系数等于单位耗功 量制得的冷量量制得的冷量g与所消耗功的比值。与所消耗功的比值。 逆卡诺循环制冷系数，仅与高、低温热源温度有逆卡诺循环制冷系数，仅与高、低温热源温度有 关，而与制冷剂的热物理性质无关。关，而与制冷剂的热物理性质无关。 T0 或或T

30、k 00 00k qT wTT 1.3.4逆卡诺循环逆卡诺循环特点特点 T0与Tk对制冷系数的影响是不等价的，To的影响 大于Tk。同时，也意味着要实现温度降低的制冷 具有更高的难度。 由于逆卡诺循环不考虑各种损失，而且压缩机利 用了膨胀机对外输出的功。因此，在恒定的高、 低温热源区间，逆卡诺循环的制冷系数最大，在 该温度区间进行的其它各种制冷循环的制冷系数 均小于 ，逆卡诺循环制冷系数可用来评价其它 制冷循环的热力完善度。 1.3.4逆卡诺循环特点逆卡诺循环特点 湿蒸汽区域内进行湿蒸汽区域内进行 湿压缩湿压缩 设备：设备：蒸发器蒸发器 无传热温差无传热温差 冷凝器冷凝器 无传热温差无传热温差

31、 压缩机压缩机 无摩擦运动无摩擦运动 膨胀机膨胀机 不经济，且难以加工不经济，且难以加工 1.4具具有传热温差的逆向可逆循环有传热温差的逆向可逆循环 1.4具具有传热温差的逆向可逆循环有传热温差的逆向可逆循环 Tk 冷却介质的温度冷却介质的温度 T0 被冷却介质的温度被冷却介质的温度 逆卡诺循环：逆卡诺循环：1-2-3-4-1 Tk 冷凝器中制冷剂的温度冷凝器中制冷剂的温度 T0 蒸发器中制冷剂的温度蒸发器中制冷剂的温度 有传热温差的循环：有传热温差的循环：1-2-3-4-1 耗功量增加：阴影面积耗功量增加：阴影面积 制冷量减少：制冷量减少：1-1-4-4-1 1.4具有传热温差的逆向可逆循具

32、有传热温差的逆向可逆循 环环 有传热温差的制冷循环的制冷系数有传热温差的制冷循环的制冷系数c小于逆卡小于逆卡 诺循环的制冷系数诺循环的制冷系数c 。 )()( 00 00 0 0 TTTT TT TT T kk k c 蒸发器传热温差对制冷系数的影响将大于冷 凝器传热温差 1.4具具有传热温差的逆向可逆循环有传热温差的逆向可逆循环 热力完善度：工作于相同温度间的实际制冷循环热力完善度：工作于相同温度间的实际制冷循环 的制冷系数与逆卡诺循环制冷系数的比值。的制冷系数与逆卡诺循环制冷系数的比值。 c / / c c 1 1 的大小反映了实际制冷循环接近逆卡诺循环的的大小反映了实际制冷循环接近逆卡诺

33、循环的 程度。程度。 在制冷装置的实际运行中，高温热源（冷却介质） 和低温热源(被冷却介质）的温度通常是不断变化 的。冷凝器中的冷却水的温度是逐步升高，而被 冷却介质的温度是不断降低的。由于制冷剂在冷 凝器和蒸发器中保持等温冷凝和蒸发，这样就增 大了制冷剂和介质之间的传热温差，使循环不可 逆损失增加，制冷系数和热力完善度下降。 为了减少不可逆传热引起的能量损失，制冷剂与 冷却和被冷却介质之间必需保持最小的传热温差， 并且所有各点应保持定值。 1.5具有变温热源的理想制冷循环-洛伦兹循环 1.5具有变温热源的理想制冷循环具有变温热源的理想制冷循环-洛伦兹循环洛伦兹循环 由两个和热源之间无温差的热

34、交换过程以 及两个等熵过程所组成的逆向可逆循环， 为洛伦兹循环，是消耗功最小的循环，即 制冷系数最高的循环。 前提：热源温度变化的条件下 1.5具有变温热源的理想制冷循环-洛伦兹循环 1.6热泵的作用 逆向循环以耗功为补偿，通过制冷剂的循 环把从低温热源中吸收的热量（制冷量） 和耗功量一起在高温热源放出。因此，逆 向循环可以用来制冷，也可用来供热，或 者冷、热同时使用。 用来制冷的逆向循环装置，称为制冷装置， 而用来供热时则称为热泵装置。 在逆卡诺循环中，制冷剂在每次循环中向 高温热源放出的热量为qk=qo+ wc 则进行逆卡诺循环的热泵供热系数为： c=（qo+wc）/wc=1+c= Tk/

35、（Tk-To） 表示热泵系数恒大于1 ，这说明热泵装置在 高温热源的放热量始终大于耗功量。 1.6热泵的作用 1.6热泵的作用 热泵供热比直接用电供热耗能省，它是一 种节能的供热方式。 但热泵是否比其它供热方法（如燃料的直 接燃烧、蒸气供热等）节能和经济，还应 根据提供热泵的具体条件进行分析和比较。 2. 理论制冷循环 2.1工作原理 2.2理论循环在lgp-h图上的表示 2.3性能指标 2.4液体过冷和吸气过热对制冷循环的影响 2.1理论制冷循环的工作原理 单级理论循环的假设基础：单级理论循环的假设基础： (1)压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中 不存在任何

36、不可逆损失；不存在任何不可逆损失； (2)在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温 度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于 被冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发被冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发 温度都是定值温度都是定值 (3)离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气 为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器和为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器和 进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液 体；体； (4)制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力 损失，忽略动

37、能变化，除了蒸发器和冷凝损失，忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝 器内的管子外，制冷剂与管外介质之间没器内的管子外，制冷剂与管外介质之间没 有热交换；有热交换； （5）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很 小，可以忽略不计，且与外界环境没有热小，可以忽略不计，且与外界环境没有热 交换。交换。 循环组成循环组成 循环组成循环组成 压缩机压缩机：等熵压缩；：等熵压缩； 冷凝器冷凝器：等压放热；：等压放热； 节流阀节流阀：绝热节流，等焓；：绝热节流，等焓； 蒸发器蒸发器：等压吸热而制冷。：等压吸热而制冷。 “四大件四大件”作用作用 压缩机：压缩机：“心脏心脏”，压缩和输

38、送制冷剂蒸汽；，压缩和输送制冷剂蒸汽； 节流阀：节流降压，并调节进入蒸发器的节流阀：节流降压，并调节进入蒸发器的 制冷剂流量；制冷剂流量； 蒸发器：吸收热量（输出冷量）从而制冷；蒸发器：吸收热量（输出冷量）从而制冷； 冷凝器：输出热量。冷凝器：输出热量。 循环特点（对比逆卡诺循环）循环特点（对比逆卡诺循环） 膨胀机膨胀机 膨胀阀膨胀阀 低压高干度湿蒸气低压高干度湿蒸气 逆卡诺循环逆卡诺循环理论制冷循环理论制冷循环 高压饱和蒸气高压饱和蒸气高压饱和液体高压饱和液体 低压低干度湿蒸气低压低干度湿蒸气 高压饱和液体高压饱和液体过热蒸气过热蒸气 低压低干度湿蒸气低压低干度湿蒸气低压干饱和蒸气低压干饱和

39、蒸气 定温放热定温放热 定温吸热定温吸热 定压放热定压放热 定压吸热定压吸热 湿压缩湿压缩 干压缩干压缩 循环特点（对比逆卡诺循环）循环特点（对比逆卡诺循环） 制冷剂在冷凝器和蒸发器中按等压过程循制冷剂在冷凝器和蒸发器中按等压过程循 环，而且具有传热温差；环，而且具有传热温差； 制冷剂用膨胀阀绝热节流，而不是用膨胀制冷剂用膨胀阀绝热节流，而不是用膨胀 机绝热膨胀；机绝热膨胀； 压缩机吸入饱和蒸气（干压缩）而不是湿压缩机吸入饱和蒸气（干压缩）而不是湿 蒸气（湿压缩）蒸气（湿压缩） 三种制冷循环在T-S图上的表示 理论循环制冷系数及其它参数的变化 影响逆卡诺循环和具有传热温差的逆向可 逆循环制冷量

40、、耗功量以及制冷系数的因 素对理论制冷循环仍然有效，而且制冷剂 在进行理论循环过程中又产生了一些影响 上述参数的其它因素。 1、膨胀阀代替膨胀机后的节流损失 2、用干压缩代替湿压缩后的饱和损失 2.2理论循环在lgp-h图上的表示 理论循环在理论循环在T-sT-s图（图（a a）和）和lnp-hlnp-h图（图（b b）上的表示）上的表示 补充：热力学第一定律的基本能量方程式 1).1).闭口系统的能量平衡闭口系统的能量平衡 工质从外界吸热工质从外界吸热Q Q后从状态后从状态1 1变化到变化到2 2，对外作功，对外作功W W。 若工质宏观动能和位能的变化忽略不计，则工质储若工质宏观动能和位能的

41、变化忽略不计，则工质储 存能的增加即为热力学能的增加存能的增加即为热力学能的增加UU 热力学第一定律的解析式热力学第一定律的解析式 12 UUUWQWUQ 加给工质的热量一部分用于增加工质的热力学能储存加给工质的热量一部分用于增加工质的热力学能储存 于工质内部，余下一部分以作功的方式传递至外界于工质内部，余下一部分以作功的方式传递至外界 对微元过程，第一定律解析式的微分形式 wuq 2 1 ,pdVUQpdVdUQ WdUQ wduq (A) 对于对于1 kg工质工质 A A式对闭口系普遍适用。式对闭口系普遍适用。 可逆过程可逆过程 pdVW 2 1 ,pdvuqpdvduq 完成一循环后，工

42、质恢复原来状态完成一循环后，工质恢复原来状态 0dU WQ 闭口系完成一循环后，循环中与外界交换的闭口系完成一循环后，循环中与外界交换的 热量等于与外界交换的净功量。热量等于与外界交换的净功量。 netnet netnet wq WQ 2).开口系统的能量平衡开口系统的能量平衡 l图示开口系统，图示开口系统，dd时间内，质量时间内，质量 的微元工质流入截面的微元工质流入截面1-11-1，质量，质量 l微元工质流出微元工质流出2-22-2，系统从外界得到热量，系统从外界得到热量 ， 对机器设备作功对机器设备作功 。 )( 11 dVm 体积为 )( 22 dVm体积为 Q i W 图2-5 开口

43、系统流动过程中的能量平衡 过程完成后系统内工质质量增加dm, 系统总能 增加dECV，由系统能量平衡的基本表达式有： CVi dEWdVpdEQdVpdE)( 222111 iffCV WmgzchmgzchdEQ 11 2 1122 2 22 ) 2 1 () 2 1 ( d m d m d dE outinCV ,0 由由E=me,V=mv,h=u+pv,E=me,V=mv,h=u+pv,得得 稳定流动稳定流动 系统只有单股流体进出系统只有单股流体进出 mmm q d m q d m q 2 2 1 1 微量形式： if wgdzdcdhq 2 2 1 2 1 2 fi QHm cmgzW

44、 当流入质量为当流入质量为m的流体时，稳定流动能量方程：的流体时，稳定流动能量方程： 2 1 2 fi QdHmdcmgdzW if wzgchq 2 2 1 能量方程式的应用 if wzgchq 2 2 1 工质流经压缩机时，机器对工质流经压缩机时，机器对 工质做功工质做功wc,使工质升压，使工质升压， 工质对外放热工质对外放热q 每每kgkg工质需作功：工质需作功： )()( 12 qhhwc 压缩机压缩机 图图2-6 2-6 压缩机能量平衡压缩机能量平衡 if wzgchq 2 2 1 膨胀机膨胀机 膨胀过程均采用绝热过程。膨胀过程均采用绝热过程。 稳定流动能量平衡方程：稳定流动能量平衡

45、方程： 21 hhw i 图图2-7 2-7 膨胀机能量平衡膨胀机能量平衡 12 hhq 工质流经换热器时工质流经换热器时 和外界有热量交换和外界有热量交换 而无功的交换，动而无功的交换，动 能差和位能差也可能差和位能差也可 忽略不计。忽略不计。 换热器换热器 图图2-8 2-8 换热器能量平衡换热器能量平衡 1kg1kg的工质吸热量：的工质吸热量： if wzgchq 2 2 1 if wzgchq 2 2 1 工质流经喷管和扩工质流经喷管和扩 压管时不对设备作压管时不对设备作 功功 ，热量交换可，热量交换可 忽略不计。忽略不计。 1kg1kg工质动能的增加：工质动能的增加： 21 2 1

46、2 2 )( 2 1 hhcc ff 喷管喷管 图图2-9 2-9 喷管能量转换喷管能量转换 工质流过阀门时流动截面突然收缩， 压力下降，这种流动称为节流。 节流节流 if wzgchq 2 2 1 设流动绝热，前后两截面间的动能差和位能设流动绝热，前后两截面间的动能差和位能 差忽略，因过程无对外做功，故节流前后的差忽略，因过程无对外做功，故节流前后的 焓相等焓相等 21 hh 该式只对节流前后稳定段成立，而不适合该式只对节流前后稳定段成立，而不适合 节流过程段。节流过程段。 按照热力学第一定律，对于在控制容积按照热力学第一定律，对于在控制容积 中进行的状态变化存在如下关系：中进行的状态变化存

47、在如下关系： dqhw（2-12-1） 这里，把自外界传入的功作为负值。对上式积这里，把自外界传入的功作为负值。对上式积 分可以得到整个过程的表达式分可以得到整个过程的表达式 ： if wzgchq 2 2 1 whq （2-2） 按照式（按照式（2-12-1）和式（）和式（2-22-2），单级压缩蒸气制冷机循环的各个过），单级压缩蒸气制冷机循环的各个过 程有如下关系：程有如下关系： q q0 0称为单位制冷量，称为单位制冷量， 习惯上取为正值，习惯上取为正值， 在在T-sT-s图上用面积图上用面积 1-4-1-4-b b- -a a-1-1代表，代表， 而在而在lglgp-hp-h图上则图上

48、则 用线段用线段4-14-1表示。表示。 （1 1）压缩过程）压缩过程: : q=q=0,0,因而因而 w=dh w=h2 2-h1 1 （2-3） (2)(2)冷凝过程：冷凝过程： dwdw= =0 0 q=q=d dh h q qk k=h=h2 2-h-h3 3 （2-42-4） （4 4）蒸发过程：）蒸发过程： d dw=w=0 0因而因而 q=q=d dh h q q0 0=h=h1 1-h-h4 4=h=h1 1-h-h3 3 （2-6） (3) (3) 节流过程：节流过程： w=w=0 0 q= q=0 0 h=0h=0 h h3 3=h=h4 4 （2-5） 2.3性能指标 0

49、04 (1)qrx (1)(1)单位制冷量单位制冷量q q0 0 (1)(1)单位制冷量单位制冷量 压缩蒸气制冷循环单位制冷量可按式（压缩蒸气制冷循环单位制冷量可按式（2-62-6） 计算。单位制冷量也可以表示成汽化潜热计算。单位制冷量也可以表示成汽化潜热r r0 0 和节流后的干度和节流后的干度x x4 4的关系：的关系： (2-7) 由式（由式（2-72-7）可知，制冷剂的汽化潜热越）可知，制冷剂的汽化潜热越 大，或节流所形成的蒸气越少（大，或节流所形成的蒸气越少（x x4 4越小）越小） 则循环的单位制冷量就越大。则循环的单位制冷量就越大。 （2-7） 0 q 2.3性能指标 1 41

50、1 0 v hh v q qv (2)(2)单位容积制冷量单位容积制冷量q qv v (2-8) (3)(3)理论比功理论比功w w0 0 (2-9) （2-8） 对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说，对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说， 制冷剂在节流过程中不作外功，理论比功等于制冷剂在节流过程中不作外功，理论比功等于 循环的理论比功，可表示为：循环的理论比功，可表示为： 120 hhw 单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随制单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随制 冷剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的。冷剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的。 （3）理论比功）理论比功 （2-9） (4)(4)