1、2023-1-91第第11章章热泵热泵-制冷装置循环制冷装置循环2023-1-92 热泵热泵-制冷机循环制冷机循环以消耗机械能为代价，以消耗机械能为代价，从低温热源取热（制冷）从低温热源取热（制冷）热泵热泵-制冷机循环制冷机循环为逆向循环为逆向循环 制冷系数制冷系数 供暖系数供暖系数net2COPwq 热泵的工作目的是供暖热泵的工作目的是供暖net1COPwq11.1 绪言绪言 2023-1-93 逆卡诺循环是最理想的热泵逆卡诺循环是最理想的热泵-制冷机循环制冷机循环逆卡诺循环逆卡诺循环sTbT1T2dac212CTTT211CTTT 卡诺制冷机卡诺制冷机 供暖系数供暖系数 制冷系数制冷系数T
2、1环境温度环境温度T2冷库温度冷库温度T1室内温度室内温度T2环境温度环境温度1121CTT12C11TTT2T1 卡诺热泵卡诺热泵2023-1-94制冷能力制冷能力制冷装置单位时间从冷库中吸取的热量制冷装置单位时间从冷库中吸取的热量 通常使用单位：通常使用单位：kJ/h，kW，或或W 商业上常用商业上常用“冷吨冷吨”来表达制冷装置的制冷能力来表达制冷装置的制冷能力冷吨冷吨能在能在24小时内将小时内将1吨吨0的水的水 冻结成冻结成0的冰的制冷能力的冰的制冷能力 1冷吨冷吨=3860W 制冷能力制冷能力是衡量制冷装置工作性能的重要指标是衡量制冷装置工作性能的重要指标 水的凝固（冰熔化）热水的凝固
3、（冰熔化）热 r=334 kJ/kg 美制美制1冷吨规定为冷吨规定为3516.85 W2023-1-95制冷循环种类制冷循环种类压缩制冷压缩制冷吸收式制冷吸收式制冷吸附式制冷吸附式制冷半导体制冷半导体制冷喷射制冷喷射制冷空气压缩制冷空气压缩制冷蒸汽压缩制冷蒸汽压缩制冷当前世界上绝大多数制冷装置属采用低沸点物质当前世界上绝大多数制冷装置属采用低沸点物质作制冷剂的压缩蒸汽制冷作制冷剂的压缩蒸汽制冷 低沸点物质汽化潜热较大，制冷能力强低沸点物质汽化潜热较大，制冷能力强2023-1-9611.2 空气压缩制冷循环空气压缩制冷循环 空气压缩制冷装置空气压缩制冷装置1压缩机压缩机冷库冷库冷却水冷却水冷却器
4、冷却器膨胀机膨胀机234压缩机压缩机冷却器冷却器膨胀机膨胀机冷库冷库连接起来构成整个制冷装置连接起来构成整个制冷装置各设备进、出口处的状态标为：各设备进、出口处的状态标为：压缩机进口压缩机进口 1；压缩机出口压缩机出口 2冷却器进口冷却器进口 2膨胀机进口膨胀机进口 3冷却器出口冷却器出口 3膨胀机出口膨胀机出口 4冷库进口冷库进口 4冷库出口冷库出口 1 装置中的基本设备有：装置中的基本设备有：2023-1-97 空气压缩制冷理论循环空气压缩制冷理论循环 空气压缩制冷装置以空气空气压缩制冷装置以空气为制冷剂为制冷剂1-2压缩机中绝热（定熵）压缩；压缩机中绝热（定熵）压缩；Pv4213sT12
5、342-3冷却器中定压冷却（至环境温度冷却器中定压冷却（至环境温度T0）；）；3-4膨胀机中绝热（定熵）膨胀（回收功）；膨胀机中绝热（定熵）膨胀（回收功）；4-1冷库中定压吸热（升温至冷库额定温度冷库中定压吸热（升温至冷库额定温度Tc）制冷循环为逆向、耗功循环制冷循环为逆向、耗功循环T0Tc空气压缩制冷循环空气压缩制冷循环理论循环中各过程理想化为：理论循环中各过程理想化为：定温吸、放热过程都难于定温吸、放热过程都难于实现实现代之以代之以定压定压过程过程P2023-1-98 空气压缩制冷循环的制冷系数空气压缩制冷循环的制冷系数 循环的放热量（排向环境大气）循环的放热量（排向环境大气）32231h
6、hqq 循环的吸热量（制冷量，取自冷库）循环的吸热量（制冷量，取自冷库）sT123441412hhqq 循环的净功循环的净功)()()()(4312413221nethhhhhhhhqqw压缩机耗功压缩机耗功膨胀机回收功膨胀机回收功 循环的制冷系数循环的制冷系数)()(413241212hhhhhhqqqq1=q23q2=q412023-1-991)1()1(1111412324132TTTTTTTTTT 视空气为定比热容理想气体，有视空气为定比热容理想气体，有)()()()()()(41324141p32p41pTTTTTTTTcTTcTTc)()(413241hhhhhh2023-1-91
7、0由绝热过程由绝热过程12、34 kkPPTTTT1121243)(1423TTTTkkTT112 111kk或或 1211211TTTTT1)1()1(1141232TTTTTT1234sTT0Tc T1、T2 压缩过程始、末态温度压缩过程始、末态温度 不要与逆卡诺循环中的高、低温热源温度相混淆不要与逆卡诺循环中的高、低温热源温度相混淆 ！2023-1-911121111TTTkk 在环境温度及额定冷库温度下，即制在环境温度及额定冷库温度下，即制冷装置的有效工作温度范围为冷装置的有效工作温度范围为(Tc,T0)时，时，相应的相应的逆卡诺循环逆卡诺循环12c34c131c0ccTTTTTT由于
8、由于T2 T3 sT1234TcT0 c 对比压缩空气制冷循环对比压缩空气制冷循环12341的制冷系数的制冷系数有效工作温度范围有效工作温度范围(Tc,T0)内内,逆卡诺循环的制冷逆卡诺循环的制冷系数大于压缩空气制冷循环系数大于压缩空气制冷循环2c4c其制冷系数为其制冷系数为 压缩空气制冷循环与卡诺循环的比较压缩空气制冷循环与卡诺循环的比较2023-1-912 增压比增压比 对空气压缩制冷循环的影响对空气压缩制冷循环的影响 空气压缩制冷循环的制冷系数空气压缩制冷循环的制冷系数仅取决于增压比仅取决于增压比 111kk 且：增压比且：增压比 愈大愈大循环的制冷系数循环的制冷系数 愈小愈小 增压比增
9、压比 与制冷系数的关系与制冷系数的关系1234sTT0Tc 当制冷对象要求温度较低时，如深度冷冻，当制冷对象要求温度较低时，如深度冷冻，T0与与Tc之差较大之差较大 增压比将会很大，循环的制冷系数会很小增压比将会很大，循环的制冷系数会很小2023-1-913增压比增压比 对循环制冷能力的影响对循环制冷能力的影响 理论空气压缩制冷循环理论空气压缩制冷循环12341其制冷能力其制冷能力q2如阴影面积所示如阴影面积所示 在环境温度在环境温度T0、冷库额定温度冷库额定温度Tc下下 当压气机出口压力由当压气机出口压力由P2下降为下降为P2 时时,sT1234TcT02 3 4 5 56q2循环过程将变为
10、循环过程将变为12 3 4 1 循环制冷能力循环制冷能力(q2)下降下降 制冷系数的大小与制冷能力的高低是一对矛盾体制冷系数的大小与制冷能力的高低是一对矛盾体 若为了获得较大的制冷系数而降低若为了获得较大的制冷系数而降低增压比增压比 ：2023-1-91411.3 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环 蒸汽压缩制冷装置及其工作过程蒸汽压缩制冷装置及其工作过程5124节流阀节流阀冷库（蒸发器）冷库（蒸发器）压缩机压缩机冷却水冷却水冷凝器冷凝器3 装置由以下列主要设备组成装置由以下列主要设备组成压缩机压缩机 冷凝器冷凝器节流阀节流阀蒸发器蒸发器 装置的工作过程如下：装置的工作过程如下：工质在压缩机中从
11、工质在压缩机中从1压缩至压缩至2；处于处于过热蒸汽过热蒸汽状态的工质进入状态的工质进入冷凝器中冷却成冷凝器中冷却成饱和蒸汽饱和蒸汽3；进而冷凝成为进而冷凝成为饱和液体饱和液体4；制冷剂饱和液节流降温降压成为干度很小的制冷剂饱和液节流降温降压成为干度很小的湿蒸汽湿蒸汽5；制冷剂在冷库中依靠蒸发吸热制冷，成为制冷剂在冷库中依靠蒸发吸热制冷，成为饱和蒸汽饱和蒸汽1；蒸汽压缩制冷装置蒸汽压缩制冷装置2023-1-915 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环sTT012345Tc 蒸汽压缩制冷循环工作过程理想化为：蒸汽压缩制冷循环工作过程理想化为：12饱和蒸汽饱和蒸汽绝热绝热压缩成过热蒸汽压缩成过热蒸汽23
12、4过热蒸汽过热蒸汽定压定压冷凝成饱和液体冷凝成饱和液体45饱和液体饱和液体节流节流降压降温成湿蒸汽降压降温成湿蒸汽51液相工质液相工质定压定压汽化制冷后成饱和汽化制冷后成饱和蒸汽完成循环蒸汽完成循环冷凝器中制冷工质用冷却水冷却；冷凝器中制冷工质用冷却水冷却；T4=T0压缩过程终压压缩过程终压P2等于等于T0的对应饱和蒸汽压；的对应饱和蒸汽压；冷库中制冷工质的温度冷库中制冷工质的温度T5=T1=Tc；蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环02023-1-916sTT012345Tc 制冷工质的定压汽化和凝结过程制冷工质的定压汽化和凝结过程即定温过程，从热力学意义上说即定
13、温过程，从热力学意义上说逆逆卡诺循环卡诺循环73467应可实现应可实现76 不过从技术上讲不过从技术上讲7 73两相压缩难于实现两相压缩难于实现4646工质膨胀能力不强，能够回收的功不大；工质膨胀能力不强，能够回收的功不大；工质处于湿蒸汽状态，对膨胀机的工作不利工质处于湿蒸汽状态，对膨胀机的工作不利 工质在冷库中吸热成为干饱和蒸汽工质在冷库中吸热成为干饱和蒸汽1 1；压缩机将饱和蒸汽压缩成过热蒸汽压缩机将饱和蒸汽压缩成过热蒸汽成为成为单相单相压缩，压缩，制冷量增大制冷量增大用用节流阀节流阀取代膨胀机，取代膨胀机，46 45损失的功不多，损失的功不多，调节温度方便了，系统简化了调节温度方便了，系
14、统简化了蒸汽压缩制冷循环的演变蒸汽压缩制冷循环的演变 蒸汽压缩制冷循环的演变由来蒸汽压缩制冷循环的演变由来2023-1-917 蒸汽压缩制冷循环的制冷系数蒸汽压缩制冷循环的制冷系数sTT012345Tc蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环 循环的吸热量循环的吸热量 循环的放热量循环的放热量 循环的制冷系数循环的制冷系数 1241414241212)()(hhhhhhhhhhqqq 循环的耗功量循环的耗功量 4151512hhhhqq422341hhqq)()()()(12414221nethhhhhhqqw2023-1-9181241hhhh h1取决于冷库的温度取决于冷库的温度Tc h2和和h4
15、取决于环境温度取决于环境温度T0 一定环境下一定环境下 冷库温度要求愈低冷库温度要求愈低制冷系数愈小，同样制冷量下耗功愈大制冷系数愈小，同样制冷量下耗功愈大为合理、节约用能，冷库温度应按需要定在适度水平上为合理、节约用能，冷库温度应按需要定在适度水平上sTT012345Tc12nethhw2023-1-919例：例：如图所示空气压缩制冷循环，已知如图所示空气压缩制冷循环，已知t3=15，t1=15，P1=0.1MPa，P2=0.4MPa。计算该循环的制冷量。计算该循环的制冷量q2、循环的净功、循环的净功w0，以及制冷系数以及制冷系数。设。设cp=1.004 kJ/(kgK)，k=1.4 123
16、4sTT0Tc解：解：过程过程12、34为绝热过程，有为绝热过程，有 K 39.383)14)(15273()(4.114.111212kkPPTTK 81.193)41)(15273()(4.114.112134kkPPTT循环的制冷量循环的制冷量)(41P41412TTchhqqkJ/kg 45.64)81.193258(004.12023-1-920循环所消耗的净功循环所消耗的净功w0等于过程等于过程12与过程与过程34的技术功之差的技术功之差)()()(4312P43120TTTTchhhhwkJ/kg 32.31)81.19328825839.383(004.1循环的制冷系数为循环的
17、制冷系数为 057.232.3145.6402wq第第15次作业：次作业：11-1、11-3（第（第3版版12-1、12-3）2023-1-921例例11-2已知室内温度为已知室内温度为20，电冰箱内，电冰箱内恒定恒定地保持为地保持为 15，如，如果为此每分钟需从冰箱内排除热量果为此每分钟需从冰箱内排除热量221 kJ的热量，问该电冰箱的的热量，问该电冰箱的压缩机功率压缩机功率至少至少需有多少需有多少kW？解：解：当电冰箱按当电冰箱按逆卡诺循环逆卡诺循环工作时工作时耗功最少耗功最少 卡诺电冰箱的卡诺电冰箱的制冷系数制冷系数应为应为 3417.7258293258212TTTc 电冰箱每分钟的电
18、冰箱每分钟的功耗功耗 kJ/min 98.293714.72212netcqw 电冰箱压缩机所需的电冰箱压缩机所需的功率功率至少为至少为 da卡诺电冰箱卡诺电冰箱sTT1=T0T2=TccbkW 5.06098.2960netwN2023-1-922 另解：另解：给定的两个恒温热源间给定的两个恒温热源间可逆制冷机可逆制冷机耗功最少耗功最少 由由克劳修斯原理克劳修斯原理 0dTQ2211TQTQ因此因此 电冰箱所需的最小功率电冰箱所需的最小功率 kJ 98.2502582932212121TTQQkJ/min 98.2922198.25021netQQWkW 5.06098.2960netWN2023-1-923课程到此结束课程到此结束谢谢合作！谢谢合作！
