第6章 制冷循环

概述 人们常说的“制冷”，是一个广义的说法。是人工制造低温（低于环境温度）技术的统称。在工程热力学中，我们把使系统的温度降到低于周围环境物质（大气或天然水源）温度的过程称为制冷或冷冻过程。 如果循环的目的是从低温物体(如冷藏室、冷库等)不断地取走热量，以维持物体的低温，称之为制冷循环； 循环的目的是给高温物体(如供暖的房间)不断地提供热量，以保证高温物体的温度，称之为热泵循环。 冰箱 热泵

习惯上，制冷温度在-100℃以上者，称为普冷， 低于-100℃者称为深冷。 制冷广泛应用于化工生产中的低温反应、结晶分 离、气体液化以及生活中的冰箱、空调、冷库等 各方面。 目前 生产实际中 广泛应用的制冷方法是：利用 液体的气化实现制冷，这种制冷常称为蒸气制冷。 它的类型有：蒸汽压缩式制冷（消耗机械能）、 吸收式制冷（消耗热能）和蒸汽喷射式制冷（消 耗热能）三种。其中 蒸汽压缩制冷 和 吸收制 冷 是目前广泛应用的主要制冷方法。

重点内容 6.1 气体绝热膨胀制冷原理 节流膨胀和绝热做功膨胀 6.2 制冷循环 逆Carnot循环与蒸汽压缩制冷循环的基本组成，制冷系数和单位工质循环量的计算 6.3 热泵及其应用 基本概念和在工业生产中的应用

6.1 气体绝热膨胀制冷原理 6.1.1 节流膨胀 流体在管道流动时，有时流经阀门、孔板等设备，由于局部阻力，使流体压力显著降低， 这种现象称为节流现象。 热力学特征： 利用节流过程获得低温和冷量。

节流时的温度变化称为节流效应，或Joule-Thomson效应。节流中温度随压力的变化率称为微分节流效应系数或Joule-Thomson 系数，

例7-1：在25 ℃时，某气体的PVT可表达为PV=RT+6 例7-1：在25 ℃时，某气体的PVT可表达为PV=RT+6.4×104P，在25 ℃ ，30MPa时将该气体进行节流膨胀，问膨胀后气体的温度上升还是下降？能否作为制冷介质？ 例7-2：请证明理想气体节流后温度不发生变化，它既不能作为制冷介质，也不能作为制热介质。

积分节流效应：

6.1.2 对外做功的绝热膨胀 气体从高压向低压做绝热膨胀时，若通过膨胀机来实现，则可对外做功。如果过程是可逆的，称为等熵膨胀。对外做功后气体温度必降低，产生冷效应。 微分等熵膨胀系数： 积分等熵膨胀系数：

节流膨胀与做外功的绝热膨胀比较： 1）降温程度：在相同的条件下，绝热作功膨胀比节流膨胀产生的温度降大，且还可回收功； 2）降温条件：绝热作功膨胀适用于任何气体，而节流膨胀是有条件的，对少数临界温度极低的气体（如H2 、He 和CH4），必须预冷到一定的低温进行节流，才能获得冷效应。 3）设备与操作：节流膨胀所需的设备仅是一个节流阀，其结构简单，操作方便，可用于汽、液两相区的工作，甚至可直接用于液体的节流。膨胀机结构复杂，设备投资大，运行中不能产生液体。 因此绝热作功的膨胀主要用于大、中型设备，特别是用于深冷循环中，此时能耗很大，用等熵膨胀节能效果突出。至于节流膨胀则在任何制冷循环中都要使用，即使在采用了膨胀机的深冷循环中，由于膨胀机不适用于温度过低和有液体的场合，还是要和节流阀结合并用。

6.2 制冷循环 6.2.1 理想制冷循环 QH QL 1 2 3 4 T TH TL p2 p1 S1 S4 冷凝器 蒸发器 压缩机 膨胀机 QH QL 1 2 3 4 T TH TL p2 p1 S1 S4 (a) 逆Carnot循环制冷示意图 (b) T-S图

TL TH T S 1 2 3 4 循环的吸热量：q0=TL(S1-S4) 循环的放热量：q2= TH(S3-S2) = -TH(S1-S4) ⊿ H＝q＋WS 制冷剂完成一个循环⊿ H＝0，净功为 制冷系数 特点：逆向Carnot循环的制冷系数εC取决于高温和低 温热源的温度，与工质无关。 理想的逆向Carnot循环是效率最高的制冷循环。 制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量。

例6-1：某蒸汽压缩制冷过程，制冷剂在250K吸收热量QL，在300K放出热量-QH，压缩和膨胀过程是绝热的，向制冷机输入的净功为WN，判断下列情况是 A可逆的 B 不可逆的 C 不可能的 （1） QL =2000kJ WN=400kJ （2） QL=1000kJ QH=－1500kJ （3） WN=100kJ QH=－700kJ 解：（1） 该制冷过程是可逆的

（2） QL=1000kJ QH=－1500kJ （3） WN=100kJ QH=－700kJ 该制冷过程是不可逆的 该制冷过程是不可能的

6.2.2 蒸汽压缩制冷循环 实际的制冷循环是对上述的逆Carnot压缩制冷循环的改进 改进措施 1）压缩过程操作于过热蒸汽区，等熵膨胀改为节流膨胀； T S TH TL 1 2 3 3’ 4 QL (b) 实际的冷冻循环原理图 2)制冷工质被过冷到温度低于饱和温度。

热力学计算 1）单位制冷量q0 2 T TH 3 2）制冷剂每小时的循环量m TL 1 4 q0 S 3）冷凝器的单位放热量Q2 3’ 4 q0 (b) 实际的冷冻循环原理图 2）制冷剂每小时的循环量m 3）冷凝器的单位放热量Q2 5）制冷系数 4）压缩机消耗的功与功率

例6-2：某压缩制冷装置，用R134a作为制冷剂，蒸发器中的温度为-25℃，冷却器中的压力为1 例6-2：某压缩制冷装置，用R134a作为制冷剂，蒸发器中的温度为-25℃，冷却器中的压力为1.0MPa，假定R134a进入压缩机时为饱和蒸汽，而离开冷凝器时为饱和液体，压缩过程按绝热可逆计算，每小时制冷量Q0为1.67×105 kJ·h-1。 求：（1）所需的制冷剂流率； （ 2）制冷系数。 1点 -25℃ 饱和蒸汽 查表得 H1＝231.9kJ/kg S1 ＝0.9367kJ/(kg·K) T0 T S 1 2 3 4 5

2点 P2 ＝ 1MPa，S2 ＝S1 ＝ 0.9367kJ/(kg·K) 查表得 H2 ＝ 278.7 kJ/kg T0 T S 1 2 3 4 5

4 点 1MPa饱和液体 查表得 H4 ＝ 104.2 kJ/kg T0 T S 1 2 3 4 5

H1＝231.9kJ/kg H2 ＝ 278.7 kJ/kg H4 ＝ 104.2 kJ/kg H5 ＝ H4 2 4 3 T T0 1 5 S 1 2 3 4 5

T0 T S 1 2 3 4 5 2′ 5′ 4′

6.2.3 制冷剂 Refrigerants 制冷剂的选择原则： （1）汽化潜热要大，减小制冷剂的循环量，缩小压缩机 的尺寸； （2）大气压力下沸点低，能获得较低的制冷温度； （3）操作压力要合适。即冷凝压力（高压）不要过高， 蒸发压力（低压）不要过低。 （4）化学稳定性、不易燃、不分解、无腐蚀性。 （5）价格低。 （6）冷冻剂对环境应该无公害。

1 Conventional refrigerants: NH3 CH3Cl CO2 C3H8 C2H6 常用制冷剂： 1 Conventional refrigerants: NH3 CH3Cl CO2 C3H8 C2H6 2 Chloro Fluoro Carbons CFC’s CFCl3 (R-11) CF2Cl2 (R-12) 1987《关于消耗臭氧层的蒙特利尔协议书》，对氟里昂在的R11、R12、R113、R114、R115、R502及R22等CFC类的生产进行限制。1990年增加了对全部CFC、四氯化碳（CCL4）和甲基氯仿（C2H3CL3）生产的限制，另外对过渡性物质HCFC提出了2020年后的控制日程表。 CFC’s: CFCl3 + UV light  CCl2F• + Cl• Cl• + O3  O2 + ClO• ClO• + O•  Cl• + O2

3 Hydro Chloro Fluoro Carbons HCFC’s : CHCl2F (R-22) CHCl2CF3 (R-123) 4 (Hydro) Fluoro Carbons HFC’s CF4 (R-14) CHF3 (R-23) CF3F3 (R-116) CHF2CHF2 (R-134a) 对臭氧层无损害的工质，亦称对环境友好的工质有 ： HFC-134a (CF3CH2F)和 HFC-125 (CHF2CF3) 等正在推广使用。

6.3热泵及其应用 热泵： 高温环境 低温环境 图8-16 制冷机与热泵 一种能源采掘装置，它以消耗一部分高品质的能源(机械能、电能或高温热能等)为代价，通过逆Carnot循环，把自然环境(水、空气等)或其它低温热源中储存的能量加以利用转变成为高温的热量

制热系数 冷凝器 蒸发器 压缩机 节流阀 1 2 4 5 QL QH T S 3 6 7 8 TH TL (a) 工作原理图 TH TL (a) 工作原理图 (b) T－S图 供热系统 图8-17 热泵工作原理示意图 制热系数

工业热泵应用也比较广泛，如热泵蒸馏、热泵蒸发 等，将工业余热升级后作加热热源再利用

负荷为 5000 kW的吸收式热泵工业装置。装置的总投资为650万元（进口相当规模的装置需要资金在1200万元以上） SBS吸收式热变换器照片 （1999）北京.燕山石化橡胶厂

2004年11月在上海高桥合成橡胶厂顺丁橡胶凝聚工段建成了 2套 6.5MW 的 AHT 工业装置. Heat Transformer

可以使用同一装置在夏季作为制冷空调、冬季作为热泵供热，如家庭的冷暖空调，宾馆商场的大型中央空调等。

地源热泵开通长沙南站常年22-26℃ 两大地源热泵面积各达7155平方米，地下密密麻麻地埋着数百根深达100余米的管道。管道里灌满水，一天24小时循环不断。冬天，两大地源热泵相当于两个巨大的“锅炉”，不停地向长沙南站站房内输送暖气，整个火车站都是暖烘烘的；夏天，两大地源热泵相当于两个巨大的“冷水塔”，不停地向长沙南站站房内输送冷气，整个火车站凉爽爽的。 地源热泵能源系统比空气源热泵空调系统节能40%以上，比直接电采暖节能70%以上，比燃气炉效率提高48%以上，所需的制冷剂比普通空气源热泵空调系统减少50%。地源热泵能源系统中70%的能量是从土壤中获得的可再生能源。