第十三章制冷循环

第十三章制冷循环13.1制冷机与热泵213.1.1制冷机与热泵213.1.2制冷循环分析213.2逆卡诺循环313.2.1逆卡诺循环313.2.2逆卡诺循环分析313.2.3制冷装置分类413.3空气制冷循环513.3.1空气制冷工作原理513.3.2空气制冷理想循环513.3.3空气制冷循环分析613.3.4具有回热的制冷装置713.4蒸气压缩制冷循环913.4.1蒸汽压缩制冷原理913.4.2蒸汽压缩制冷循环分析1113.4.3制冷剂1113.5蒸汽喷射制冷循环1613.5.1蒸汽喷射制冷原理1613.5.2蒸汽喷射制冷循环分析1613.6吸收式制冷装置循环1713.6.1吸收式制冷原理1713.6.2吸收式制冷循环分析1713.7热泵供热循环1813.7.1热泵供热原理1813.7.2热泵供热循环分析18思考题答案19131制冷机与热泵131. 1制冷机与热泵将物体冷却到低于周围环境温度，并维持此低温，是利用制冷装置来实现的。制冷装 置的任务是，通过制冷工质（称制冷剂）的循环过程将热从低温物体（即制冷空间，例如冷藏 室）移向高温物体（例如大气环境）。根据热力学第二定律可知，热从低温物体移向高温物体 时其有用能将增加，这种过程是不能无补偿地进行的，必须消耗外部有用能，通常是消耗 机械功或其它高温热源提供的能量。如第一章中提出的，热机循环称为正循环，反之，制 冷循环称为逆循环。利用制冷循环将热从低温物体移至高温物体和装置称为制冷装置，如图13-1。制冷装 置可用于夏季房屋降温，物品冷藏等图13-1制冷装置目的，也可用于冬季将低温环境（如大气）的热输送到室内供暖或加热物体。前者常称之 为制冷机而后者特称之为热泵。制冷机与热泵在热力学原理上并无区别，其工作循环都是 逆向循环，只是使用的目的有所不同而已。下面着重分析各种工程上常见的制冷逆循环。 1312制冷循环分析假定制冷装置中每1kg制冷剂在低温下自制冷空间吸热q2，消耗机械功w,使其温度 升高，向外界（热源）放出热量。根据能量守恒原理，这时有q1 = q2+w式中热量及功量均为绝对值。制冷机循环中从冷源移出的热量与所耗功量之比称为制冷系数，即w（13-1）假如是耗费热量来制冷，则从冷源移出的热量与所耗费热量之比称为热能利用系数6 对于热泵而言，向热源输送的热量与耗功量之比称为供暖系数，显然w（13-2）制冷装置工作的好坏有时也用性能系数COP （Coefficient of Performance）来度量，其定 义为=得到的收益 付出的代价显然，对制冷机和热泵，其COP分别为 及 。在q2与q1相同时热泵的COPHP与制冷机的COPr有如下关系copHp = COPr +1(13-3)这意味着COPHp1。因此使用热泵供热比用电能或燃用燃料直接供热经济性要高。但实 际热泵装置由于存在种种损失，在某些情况下其COPHP可下降为1,甚至小于1。这时宁 可采用燃料直接加热或用电阻加热方式供热。制冷装置每小时从冷源(冷藏室)吸取的热量(kJ/h)叫做制冷装置的制冷量。每kg制冷剂 每小时从冷源吸取的热量kJ/(kgh)叫做制冷剂的单位制冷率。相应地，对于热泵也有供热 率及单位供热率等术语。13. 2逆卡诺循环132. 1逆卡诺循环制冷剂在热源(儿)及冷源(T2)之间以可逆的方式完成制冷循环。循环由下列过程组成(图 13-2)：U113-2逆卡谧循坏1- 2：制冷剂定熵膨胀作功，由儿至T2；2- 3:制冷剂在T2下定温吸热；3- 4：制冷剂耗功定熵压缩，由T2至T1；4- 1：制冷剂在儿下定温放热。由如上由两个定熵过程及两个定温过程组成的可逆制冷循环，其结果是消耗外功将热 从低温冷源(T2)移向高温热源(T)。循环进行的顺序与卡诺热机循环相反，故称逆卡诺循 环。13. 2. 2逆卡诺循环分析逆卡诺循环吸热量q2为q2 = T2(S3 - S2)=面积23ba2循环放热量q1(绝对值)为qi = T1(S4 - $1)= T1(S3 - S2)=面积4讪4 循环消耗功量W(绝对值)为W = qi - q2 = T1(S3 - $2) - T2($3=(T1 - T2)($3 - $2)=面积12341逆卡诺循环制冷系数C为。2 _T2($3 - $2)T22(13-4)W(T1 - T2)($3 - $2)T1 - T2利用第三章中的方法可以证明，逆卡诺循环是在相同温度范围内工作的最有效的循环,即逆卡诺循环的制冷系数最大。由式(13-4)可见，因为T1T2，制冷系数C恒为正值，且 可以大于1。TT2愈小，C愈大。1323制冷装置分类与热动力装置一样，逆卡诺循环虽提供了一个在一定温度范围内最有效的制冷循环， 但实际的制冷装置常不是按逆卡诺循环工作，而依所用制冷剂的性质采用不同的循环。本 章将分析讨论一些在工程上实施的制冷循环。按照制冷剂的不同，制冷装置分为下列几种类型：(1) 空气制冷装置；(2) 蒸气制冷装置。蒸气制冷装置采用不同物质的蒸气作制冷剂，可分为蒸气压缩制冷装置，蒸气喷射制 冷装置及吸收式制冷装置等。例题13-1某制冷循环工作在-30C到32C之间，问最大可能的COP是多大？若实际制 冷装置COP为最大COP的75%，计算制冷量为5kw的功率输入。解：T2= -30 k+273 k=243 K； T1 =32 k+273 k=305 K 按逆卡诺循环工作时具有最高的COPR，此时有RCOPR _243K_ 3.92R T T2305K 243K按题意，实际COPR_ 0.75 x 3.92 _ 2.94当Q2为5kW时COPR _ 2.94R W5kW -则P _ 1.72.94kW133空气制冷循环133. 1空气制冷工作原理冷却水冷却器 4图13-3空气制冷循环空气制冷装置的示意图如图13-3所示。制冷剂（空气）在膨胀机中绝热膨胀作功，压力 由P降到p2,温度由儿降到T2。低温空气经过置于冷藏室内的盘管，从冷藏室中定压吸 热（p3=p2），吸热后空气温度由t2上升至t3。冷藏室中的温度即是所要求的低温。理论上， 空气在冷藏室内盘管出口的温度T3应等于冷藏室温度T11，而实际上总是比冷藏室温度更 低一些。吸热后的空气进入压缩机，经绝热压缩，压力从p3提高到p4，温度从t3升至 T4。被压缩后的空气送到冷却器（表面式换热器）中，空气对冷却水定压放热（p4= p1），温度 降低至耳，从而完成一封闭的制冷循环。理论上，空气在冷却器出口的温度应等于冷却水 的温度（即环境温度T1），但实际上空气温度总是略高于冷却水温度。133. 2空气制冷理想循环上述空气制冷装置理想循环的p-v图及T-s图如图13-4所示。其中:1- 2 :空气在膨胀机中定熵膨胀作功;2- 3:空气在冷藏室中定压吸热；3- 4：空气在压缩机中耗功定熵压缩;4- 1：空气在冷却器中定压放热。图13-4空气制冷循环p-v及T-s图13. 3. 3空气制冷循环分析在P-V图上，循环消耗的净功量w用面积12341表示。在T-S图上，从低温冷源(温度为 T的冷藏室)取出的热量q2为面积23dc2,空气排向高温热源(温度为T的环境)的热量q1为 面积41cd4。如果把空气视为定比热容的理想气体，则=h3 - h2q1 = h4 - h1 = Cp(T4 - T1)-q 2-T1)- CP(T3 - T2)循环消耗的净功量为W = q1空气制冷理想循环的制冷系数为(T4- T1)-(T3- T2)或写成(A)上式进一步演化如下：对于定熵过程3-4、1-2,有t:厶:3Y1YT31 P 3丿T21役丿(B)注意到p1 = p4，p2= p3，故T T(C)将式(C)代入式(A)，可得T1(13-5)乍看起来，空气制冷循环制冷系数的表达式(13-5)与逆卡诺循环的制冷系数的表达 式相同。实际上，空气制冷循环中冷藏室所能达到的低温T11 = T3,而环境温度TI=T1，故 在此温度范围内逆卡诺循环(如图13-4中的1-6-3-5-1)的制冷系数为：显然，C比式(13-5)所表示的空气制冷循环的制冷系数大得多。二厶利用式(B)代换式(13-5沖的T2 ,贝9可得到以增压比p2表示的循环制冷系数的表达 式，即(13-6)厶厶考察式(13-6)可见，空气制冷循环的制冷系数 与增压比p2有关。p2愈小， 愈 大。这说明，降低循环中的增压比，制冷循环的温度和压力范围将减小，而 就增加，循 环也就更接近逆卡诺循环，见图13-5。但增压比较小的制冷循环r-2-3-4-的制冷 能力较小。2- 3过程的吸热量q2显然小于2-3过程的吸热量q2。13. 34具有回热的制冷装置目前，工业中采用具有回热器及轴流式压缩机的空气制冷装置，其系统示意图如图13-6(a)所示。冷室图13-6回热式空气制冷循环处于初态1的空气在膨胀机中定熵膨胀到状态2后，在冷藏室中定压吸热而至状态3。然后进入回热器，在其中定压吸热至状态4。进入压缩机定熵压缩至状态5,再进入冷却器，利用冷却水使之冷却到环境温度的状态6。最后进入回热器继续冷却至状态1而完 成闭合循环。该循环的T-s图如图13-6（b）所示。不难看出，当T5= T5,时采用回热的制冷循环1-2-3- 4-5-6-1的吸热量q2、放热量，分别与另一未采用回热的制冷循环孑一 2 - 3 - 5-相 同，因而两者的制冷系数也相同。但采用回热的循环与未采用回热的循环相比，具有以下 优点：（1）在制冷量及制冷系数相同的情况下，可采用小得多的增压比。这样带来了采用叶 轮式压缩机（低压、大排量）以代替活塞式压缩机的可能性，由于空气流量增大，从而可提 高空气制冷装置的制冷量。又在深度冷冻中，由于TI、Tii相差甚大，若不采用回热，势 必增大压缩机的增压比。这对叶轮式压缩机而言是难以满足的，采用回热则由于压缩起点 的温度较高，此一困难可得到解决。采用低增压比的另一好处是减小压缩及膨胀过程中 不可逆性的影响，提高制冷装置实际工作时的有效性。例题13-2 一空气制冷装置，空气进入膨胀机的温度t=20C，压力P=0.4MPa,绝 热膨胀到p2=0.1MPa。经从冷藏室吸热后，温度t3= -C。已知制冷量Q0为150 OOOkJ/h, 试计算该制冷循环。解膨胀机出口温度T2 = TIP1丿=(273 + 20)K x/ 0.1x 106Pa、0.4 x 106Pa 丿1 4_1 、1.4=197.17 Kt2 = -75.83 C压缩机出口温度1 4 1丫 = T( 、PI P3丿3I P2丿丫 = (273 - 5)K xT3 = T30.1 x 106Pa 丿 1.40.4 x 106Pa 丿=398.24 Kt4 = 125.24 C压缩机耗功量WC = h4 - h3 = Cp (T4 - T3)=1.004 x 103J/(kg - K) x (398.24K - 268K)=130.76 x 103J/kg=130.76kJ/kg膨胀机作功量WE = h1 - h2 = cp(T1 - T2)=1.004 x 103J/(kg - K) x (293K 197.17K) = 96.21 x 103J/kg = 96.21kJ/kg循环消耗净功量w = wC - We = 130.76kJ/kg - 96.21kJ/kg = 34.55 kJ/kg每千克空气的吸热量q2 = cp(T3 - T2) = 1.004 x 103J/(kg - K) x (268K - 197.17K) = 71.11 x 103J/kg = 71.11kJ/kg循环制冷系数=2.058& = 71.11kJ/kgw 34.55kJ/kg1& =/严厶丫 -1I卩2丿11.4-1 (0.4MPa , 4“ -1 (0.1MPa 丿=2.058制冷机每小时循环的空气量=2109kg/hm = Q0 =坦0沁q?71.11kJ/kg268K293K 268K同温度范围（T3和T）内逆卡诺循环的制冷系数=10.72可见，空气制冷循环的制冷系数远小于逆卡诺循环的制冷系数。134蒸气压缩制冷循环13. 4. 1蒸汽压缩制冷原理空气制冷循环制冷系数不大的原因，是由于其吸热与放热过程在定压下进行。这导致了 空气制冷循环偏离逆卡诺循环，因而降低了经济性。又由于空气的比定压热容较小，循环 的制冷量也较小。为在制冷装置中实现定温吸热和定温放热过程，采用低沸点物质（即在大 气压力下，其沸腾温度t0），故节流后制冷剂温度降低，熵增而焓不变。节流 过程在T-s图上示意地用虚线1-2表示。由于节流阀出来的低干度湿蒸气被引入到冷藏室 内的蒸发器，定压吸热（也就是定温吸热）而汽化，其干度增加，如图中2-3过程。节流后的 压力p2应这样来选择，即使它对应的饱和温度略低于冷藏室温度。利用节流阀开度的变 化，能方便地改变节流后制冷剂的压力和温度，以实现冷藏室温度的连续调节。高干度的 湿蒸气从蒸发器出来，引入到压缩机进行绝热压缩升压，制冷剂蒸气的干度增大，温度升高，如图中的3-4过程。经压缩后的制冷剂蒸气引入到冷凝器中，冷却放热而凝结成饱和 液体，如图中4-1过程，从而完成闭合循环。（c）图13-7蒸汽压缩制冷装置及循环从压缩机引出的可能是湿蒸气、干饱和蒸气或是过热蒸气。压缩机吸入湿蒸气进行压 缩，称为湿压缩，如过程3-4、3-4（图13-8），系两相介质的压缩。由于液体的不可压缩 性造成液滴对压缩机缸头或压缩机叶片的撞击，严重时甚至发生事故，所以通常都采用对 干饱和蒸气（制冷剂在蒸发器中完全汽化）压缩，称为干压缩，如过程3-4。由于3-4过 程中各状态点的温度都低于大气温度，湿蒸气从压缩机缸壁、压缩机叶片处吸热，为受热 压缩，使湿蒸气的实际压缩与理想的绝热压缩有较大的偏差，导致湿蒸气的实际压缩耗功 增加，而3-4过程的平均温度较3-4过程的平均温度高些，压缩时制冷剂接受的外热少 些，更接近于绝热压缩，故干蒸气的实际压缩耗功增加较少。干压缩制冷循环与湿压缩制 冷循环相比较，还增加了循环制冷量q2。图13-8干、湿压缩及过冷1342蒸汽压缩制冷循环分析蒸气压缩制冷装置中，制冷剂的膨胀过程在节流阀内完成，膨胀功量并未回收，故蒸 气压缩制冷循环的耗功量即压缩机的耗功量，即W = h4 - h3在冷藏室内制冷剂吸收的热量为-h2因此，循环的制冷系数Wh4 - h3(13-7)通过计算可知，蒸气压缩制冷循环的值与对应的逆卡诺循环的差距比空气制冷循环 小得多。蒸气压缩制冷循环比空气制冷循环具有高得多的制冷系数，同时可以保证较大的 单位制冷率。为提高蒸气压缩制冷循环的制冷系数，可将冷凝器中的制冷剂饱和液进一步冷却(液体 的过冷)，即将状态1的饱和液定压冷却为状态r的未饱和液，再引入到节流阀中降压膨 胀，如图13-8中1-2所示。这时循环的耗功量未变，而吸热量q2增加，从而提高了循环 的制冷系数。在实际的制冷装置中，可设置专门的过冷器，而在通常所使用的水冷式冷凝 器中，一般使冷却水温度比冷凝温度低5C左右。这样，液体的过冷在冷凝器中即可实 现。一般在0C-120C的范围内均可采用蒸气压缩制冷循环。循环的上限温度T1取决于 环境温度(如大气温度)，循环的下限温度t2是根据制冷装置服务对象确定的。13. 4. 3制冷剂为实现蒸气压缩的制冷循环，对理想的制冷剂要求具有下列特性：(1) 临界点温度必须高于制冷循环的上限温度儿，这样可使制冷剂被压缩后的状态离 开两相共存区不远，而放热过程大部分可在两相区以定温过程进行。(2) 三相点温度要低于制冷循的下限温度T2。(3) 对应于T2的饱和压力不宜太低，最好略高于大气压力，以免采用高真空的设备系 统，防止空气渗入蒸发器，从而降低制冷能力。(4) 对应于T1的饱和压力也不宜过高，否则会引起制冷剂外漏和压缩耗功增大。(5) 汽化潜热要大，液体的比热容要小。汽化潜热大才能使单位制冷率大，使单位时间 内制冷装置中循环的制冷剂数量少些。液体比热容小，即下界线较陡，可使节流过程中液 体汽化量较少，而使单位制冷率较大。(6) 蒸气的比体积要小(密度要大)，以减小压缩机尺寸(7) 制冷剂价廉、稳定、不腐蚀金属、无毒、无臭、不易爆易燃。目前，已采用的制冷剂有多种。下面介绍一些应用广泛的制冷剂及其特性。图13-9绘出了温度在-100C50C范围内各种制冷剂的饱和压力和饱和温度的关系。 图13-10绘出了同样温度范围内制冷剂温度与汽化潜热之间的关系。由图13-9可看到，氨(NH3)是一种良好的制冷剂，例如，冷凝温度t=20C时，氨的饱 和压力不很高，约为0.8571MPa。氨对应于0.1MPa的饱和温度为-33.7，因此在蒸发温度 t2-33.7C时，氨蒸气制冷装置无需采用真空系统，而使设备大为简化。由图13-10所示r= f (t )的曲线可见，氨与其它任何一种制冷剂相比，具有大得多的r值，因此可保证每千克 制冷剂有较大的制冷量。这些特性使氨成为工业制冷中广泛采用的制冷剂之一。但氨的缺 点是有毒，且对铜有腐蚀性。FMPar, kcal/kgU込图13-9各种制冷剂饱和压力与饱和温度的关系图13-10各种制冷剂汽化潜热与温度的关 系由图可见，一氯甲烷(CH3C1)、乙烷(C2H6)也是较好的制冷剂。326应用广泛的另一种制冷剂是氟里昂(或称氟氯烷)。氟里昂的特点是它的化学稳定性、 无毒，且在低于200C时不与结构材料起化学作用。在大气压力下，不同类型的氟里昂的 沸点温度在很大范围内变化。例如，在大气压力下，R14(CF4)的沸点温度为-128C， R13(CC1F3)为-82C，R22(CHC1F2)为-40.8C，R12(CC12F2)为-29.8C。在氟里昂中用得最 广泛的是R12。R12的热力性质与NH3相似，但其汽化潜热比NH3小。制冷剂NH3的饱和蒸气性质见附表12。为了计算中避免出现负数的焓值，将制冷剂 NH3在0C时饱和液体的焓值定为200kJ/kg，熵为。3计算制冷循环时除了应用制冷剂饱和蒸气性质表和过热蒸气表外，也可应用制冷剂的T-s图及p-h图。通常，用制冷剂的p-h图比用T-s图方便。下面简单介绍p-h图的应用。p-h图(压-焓图)与水蒸气的热力状态参数坐标图类似，如图13-11所示。图上画有饱和 液体线(下界线，x=0)、饱和蒸气线(上界线，x=1)和临界点C。另外画有四组等参数线，即 定温线、定比体积线、定熵线和定干度线。蒸气压缩制冷循环在p-h图上的表示如图13-12所示。各状态点的焓值可由图查得。 因而，循环的吸热量q2=h3-h2、耗功量w =h4-h3、放热量q1=h4-h1，可方便地由p-h图上的 直线段查出。6II图13-11 p-h图图13-12蒸汽压缩制冷循环值得提起注意的是，在制冷及空调工业中臭氧危机所引起的巨大震动，它使人们对制 冷剂的使用更为关注和谨慎。在20世纪70年代中期，人们认识到在制冷装置中被广泛采用的氟氯碳族(CFCs)制冷 剂会引起大气上空保护性臭氧层的破坏，使得更多的紫外线辐射到大气环境中，导致皮肤 癌、眼疾等疾病的增加，同时也阻碍了地球向外的红外辐射，形成温室效应使地球变暖。 为此，联合国环境保护机构说服了许多国家于1987年签署了蒙特里尔协议(Montreal Protocal)，特别注重于控制破坏臭氧层物质的生产，一些化合物的生产受到限制，减少甚 至禁止。化合物中由于释放氯而破坏臭氧层造成的后果常用臭氧破坏势ODP(Ozone Depletion Potential)来度量，在制冷剂的选择中ODP是一个重要的指标。目前，制冷剂替代工质的研究已成为人们关注的热点，其中R134a(CF3CH2F )由于其中 不含氯原子，其ODP为零，被认为是CFCs的最好替代物。关于性能优越、价格低廉的制 冷剂的研究，目前仍是一个引起广泛关注的课题。例题13-3某蒸汽压缩制冷装置用NH3作制冷剂。制冷量Q0=100 000kJ/h，冷藏室温度 t2= -20C，冷却水温度t=20C。试求：(1)每千克NH3吸收的热量q2；每千克NH3传 给冷却水的热量q1；循环耗功量w；制冷系数；循环中每小时NH3的质量流 量；(6)同温度范围内逆卡诺循环的制冷系数c。解先确定各状态点的参数(见图13-7)。由饱和氨蒸气性质表(附表12)查得：t1=20C时冷凝器中的饱和压力为0.857 1MPa，以及 s 4 = s 二 8-542 kJ/(kg .K) h4 = h ff = 169996 kJ/kgh1 = h = 512.46kJ/kgt2= -20C时蒸发器中的饱和压力为0.190 2MPa，以及s 2 = s = 384kJ/(kg. K)h；= h = 327.19 kJ/kg设压缩机内系定熵压缩，故s3 = s4 = 8.542 kJ/(kg - K)h3 = h2 + T2(S3 - S2)=327.19 + (273 20) x (8.542 3.840)=1516.79 kJ/kg节流前后焓相等，有h1 = h2 = 512-46 (kJ/kg)(1) 每千克nh3的吸热量2 =力3 力？ = 1516.79kJ/kg 512.46kJ/kg = 1004.33 kJ/kg(2) 传给冷却水的放热量1 =力厶h = 1699.96kJ/kg 512.46kJ/kg = 1187.50 kJ/kg(3) 循环耗功量w = 1 2 = 1187.50kJ/kg 1004.33kJ/kg = 183.17 kJ/kg(4) 制冷系数=5.483= 1004.33kJ/kgw 183.17kJ/kg循环中每小时nh3的质量流量m =逐=皿叫21004.33kJ/kg=99.56kg/h(6)同温度范围内逆卡诺循环制冷系数TT TI H=6.325273K - 20K(273 + 20)K (273 20)K可见，蒸气压缩制冷循环的制冷系数，与同温度范围内逆卡诺循环的制冷系统较为接 近。例题13-4某制冷机使用制冷剂R134a作理想蒸汽压缩制冷循环，其工作压力在0.14 0.8MPa之间，制冷剂的质量流率为0.05kg/s，试确定：(a)从制冷空间传出的热量；(b)压缩 功率消耗；(c)制冷机的COP。解：循环在T-s及p-h图上用1-2-3-4-1表示。利用附录中R134a物性表查出各状态下的参数如下：P=0.14MPa其对应的饱和蒸汽参数为：h1 = 236-04 kJ/kg ；S=0.9322 kJ/(kg .k)p2=0.8MPa ；s2= S=0.9322 kJ/(kg .k)(a)h图 13-13由此查得：h2=272.5 kJ/kgp3=0.8MPa,其饱和液的焓为 h3=93.42 kJ/kg由此可算得：h4凝h3 (节流过程)，故有h4=93.42KJ/kg(a) QQ2 - m(% - 方4)= 0.05kg/s(236.04kJ/kg - 93.42kJ/kg) = 7.13 kW(b) P 二 W 二 m(h2 - h1)二 0.05kg/s(272.05kJ/kg - 236.04kJ/kg)二 1.80 kW(c) 循环放热率QQ1为qQ1 二 m(h2 - h3)二 0.05kg/s(272.05kJ/kg - 93.42kJ/kg)二 8.93 kW也可用qQ1 二 Q2 + W 二 7.13kW + 1.8kW 二 8.93 kW 由此算得制冷机COPR为RCOPr 二 Q =二 3.96R W 1.8kW讨论：若将节流阀改为一膨胀机，按等熵过程膨胀作功，膨胀机出口状态为4s，其对应的参数为p4s =0.14 MPas = sh =86.92 kJ/kg4s3=0.3459kJ/(kg K) 4s则膨胀机输出功率为VVT 二 m(h3 - h4丿二 0.05kg/s(93.42kJ/kg - 86.92kJ/kg)二 0.325 kW故输入净功率可降为W二 W - VWT 二 1.80kW - 0.325kW 二 1.475 kW这时输出热量Q2由7.13kW变化到Q2 二 m(h - h4s)二 0.05kg/s(236.04kJ/kg - 86.92kJ/kg)二 7.456 kW而COPR由3.96提高到RCOP- Q2 = 5.055W1.475kW即 COP 提高了 27.65%。13. 5蒸汽喷射制冷循环1351蒸汽喷射制冷原理在310C的低温范围内，可采用水蒸气作制冷剂。在采用水蒸气作制冷剂时，以引射 器代替压缩机来实现对低密度蒸汽（t=3C时v = 168.2m3/kg）的压缩，并采用对工作蒸汽加 热，耗费热量来制冷。这是蒸汽喷射制冷循环与蒸气压缩制冷循环的主要差别。蒸汽喷射制冷装置的系统图如图13-14所示。自冷凝器出来的饱和水经节流阀减压， 压力自P降至p2。节流后形成的干度很低的水蒸气（制冷剂）进入冷藏室的蒸发器定压吸热 汽化，成为p2下的干饱和蒸汽。由锅炉来的工作蒸汽（压力pB=0.31MPa）流经引射器的喷 管膨胀增速，在喷管出口处形成低压，将蒸发器内的制冷蒸汽不断吸入混合室，两路蒸汽 （工作蒸汽与制冷蒸汽）混合后进入扩压管，减速升压至P,进入冷凝器被冷却而凝结，完 成闭合循环。冷凝器出来的饱和水分为两路，大部分进入制冷回路，即进入节流阀，一小 部分进入水泵升压至pB后送到锅炉中吸热，成为工作蒸汽。图13-14蒸汽喷射制冷装置 图13-15蒸汽喷射制冷循环图13-15所示的T - s图上表示了蒸汽喷射制冷循环1- 2- 3- 4- 5- 1和工作蒸汽的循环I-II-III-IV-I。两循环中蒸汽的质量流量是不同的。1- 2为饱和水在节流阀中的节流过程，2 - 3 为制冷蒸汽在蒸发器中的定压吸热过程，I-II为饱和水在水泵中的升压过程，II-III为水在 锅炉内的定压吸热过程，III-IV为工作蒸汽在引射器喷管中的膨胀过程，IV - 4和3- 4为工 作蒸汽和制冷蒸汽在引射器混合室中的混合过程，4- 5为蒸汽在引射器扩压管中的压缩升 压过程，5- 1 （I）为蒸汽在冷凝器中的放热凝结过程。1352蒸汽喷射制冷循环分析由于在蒸汽喷射制冷装置中，压缩蒸汽没有从外界输入功量（水泵耗功甚小，可忽略 不计），而代之以锅炉中加入热量，故装置的经济性用热能利用系数F来表示，即QB（13-8）式中，Q2为由冷藏室取出的热量，QB为锅炉加入的热量。从热力学观点来看，与蒸气压缩制冷循环相比蒸汽喷射制冷循环是不够完善的，因为 它包含不可逆的混合过程。但由于装置本身简单、紧凑，且可利用低参数的蒸汽作工作蒸 汽，故可用来制取低温水以满足生产工艺和空气降温的需要。13. 6吸收式制冷装置循环13. 61吸收式制冷原理以高沸点物质作溶剂（吸收剂）、低沸点物质作溶质（制冷剂）组成的二元溶液，溶质的溶解 度与温度有关。温度较低时，溶解度较大；温度较高时，溶解度较小。在制冷装置中利用 溶液的这种特性，来取代对蒸汽的压缩过程，这样的制冷装置叫作吸收式制冷装置。图13-16吸收式制冷装置吸收式制冷装置的系统图如图13-16所示。工业上常见的吸收式制冷装置采用稀氨水 溶液作吸收剂，氨作制冷剂，或采用溴化锂作吸收剂，水作制冷剂。下面以氨-水吸收式制 冷系统为例说明其工作原理。自冷凝器引出的氨饱和液体，在减压调节阀中节流减压降 温，形成低干度的湿蒸气，并被送到蒸发器中定压吸热，成为干饱和蒸气，然后进入吸收 器。同时有稀氨水溶液自氨蒸气发生器经节流阀减压后进入吸收器。稀氨水溶液将氨蒸气 吸收而为浓氨水溶液。在吸收过程中，氨蒸气凝结放出的放量由冷却水带走，以保持吸收 器内的氨水溶液有较低的温度，而能吸收较多的氨蒸气。浓氨水溶液经溶液泵升压，进入 氨蒸气发生器。利用外热源对浓溶液加热，蒸发出氨蒸汽而成为稀溶液。氨蒸气进入到冷 凝器中定压放热凝结成饱和液体而完成循环。由上述可见，吸收器、溶液泵、氨蒸气发生器和节流阀所组成的系统，其作用是使氨蒸 气压缩升压。溶液泵消耗功量较小，可忽略不计。吸收式制冷装置用氨蒸气发生器中消耗 外热来制冷。13. 6. 2吸收式制冷循环分析吸收式制冷装置的热能利用系数可表示为：Q vg（13-9）式中，Q2为从冷藏室取出的热量，Q为送入氨蒸气发生器中的热量。2vg吸收式制冷装置构造简单，通常应用于综合利用废热（蒸汽或烟气）的场所，或小型冰 箱。至此已讨论了四种制冷循环（空气压缩制冷、蒸气压缩制冷、蒸汽喷射制冷、吸收式制 冷），其异同点可归纳如下：（1）空气压缩制冷及蒸气压缩制冷为耗功压缩制冷，用制冷系数表征其经济性；蒸 汽喷射制冷及吸收式制冷为耗热制冷，用热能利用系数F表征其经济性。（2）空气压缩制冷用膨胀机，使制冷剂绝热膨胀达到低温，膨胀功量回收；蒸气压缩制 冷、蒸汽喷射制冷、吸收式制冷均采用节流阀，使制冷剂节流减压达到低温，膨胀功未予 利用。（3）空气压缩制冷、蒸气压缩制冷都用压缩机对制冷剂进行压缩；蒸汽喷射制冷用引射 器来压缩；吸收式制冷通过对溶液加压和加热蒸发来达到对制冷剂压缩的目的。（4）四种装置中，制冷剂完成的循环都系逆循环，都有蒸发器及冷凝器（或冷却器）。13. 7热泵供热循环13. 7. 1热泵供热原理在所有制冷装置的工作过程中，热从冷藏室取出并传给较高温度的环境。因此，实现制 冷循环的结果不仅使放出热量的物体被冷却，而且使吸收热量的物体被加热。根据这个原 理，可利用逆循环实现将热从低温冷源向高源热源的输送。这种目的在于输送热量给被加 热对象（如室内供暖）的装置称为热泵。向高温热源输送的热量q,等于取自低温冷源（如大 气环境）的热量q2与实现逆循环从外界输入功量w之和，即q=q2+w。热泵就其实质来 看，和制冷装置完全一样，只是两者工作的温度范围不同。制冷装置工作的上限温度为大 气环境温度，其目的系从冷藏室吸热，以保持冷藏室低温（下限温度）恒冷；热泵工作的下 限温度为大气环境温度，其目的是向暖室放热，以保持暖室温度（上限温度）恒暖。13. 7. 2热泵供热循环分析热泵工作的效果用供暖系数来衡量。供暖系数为w（13-10）前面已建立同一逆向循环的供暖系数与制冷系数间的关系。由于q1=q2+w又制冷系数w故由上式可见，循环制冷系数越高，供暖系数也越高。我们知道，为实现逆循环都要消耗外界供给的功量W,此功被消耗在压缩工质的设备 中。根据热力学第一、第二定律，此功量全部被转换成热，作为实现热从低温物体移向高 温物体这种非自发过程的补偿，这部分热量和从低温物体吸取的热量都用来加热高温物 体。热泵优于其它供暖装置（如电热器等）之处就在于消耗同样多的能量（如功量W）对室内供 热，可比其它方法供热得到更多的热量。这里因为电加热器仅将功变为热，而热泵利用同 样数量的功，将取自冷源的热连同功量转换而得的热一起输送到高温热源，即实现了热从 低温位向高温位的输送。在热泵中同样可使用空气或蒸汽作逆循环。热泵的COP 般在1.54的范围内，并 与系统及冷、热源温度有关。值得注意的是，同一装置可轮流用来制冷和供热，在夏季用来制冷而在冬季用来供 热。这种装置用于季节性的空气调节上是很有前途的。思考题答案13.21. 对正卡诺循环而言冷、热源温差越大热效率越高（是），对逆卡诺循环而言冷、热源温 差越大其COP也越高（非）。2. 卡诺热泵的COPCHp不可能小于1（是），但实际热泵的COPHp有可能小于1（是）。3. 制冷机或热泵一经设计制造完成其性能系数COP即是固定不变的（非）。1354. 卡诺机工作正循环时若其热效率t越高则在作逆循环时性能系数COP也越大（是）。5. 蒸汽喷射制冷循环中，节流阀减压节流后形成的湿蒸汽温度最低，在蒸发器中定压吸 热后温度升高（非）。13.76采用水蒸气作制冷剂的蒸汽喷射制冷循环的蒸发温度不可能低于0C。（非）7实际制冷机或热泵的COPR不可能超过在同温度范围内工作的卡诺制冷机或热泵（是）。