工程热力学15 制冷循环.doc

15. 制冷循环

图15-1 逆卡诺循环
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TL
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3
4
将物体冷却到低于周围环境的温度,并且维持这一低温,称为制冷。为实现这一目的,需要将热量从低温物体(如冷藏室)移向高温物体(如环境)。由热力学第二定律可知,这一过程不能自发实现,必须消耗外部可用能,通常是消耗机械能或高温热源所提供的热能。因此制冷循环是一种逆向循环。如果循环的目的是从低温物体取走热量,以维持物体的低温状态,称之为制冷循环。
前已述及,在两个恒温热源间的动力循环中,卡诺循环的热效率最高。按照图15-1,由两个定温过程和两个定熵过程按照与卡诺循环相反方向(逆时针)运行的循环称为逆卡诺循环。可以证明在两个恒温热源间,逆卡诺循环的制冷系数最大,为
(15-1)
式中,和分别是高温热源与低温热源的温度。

从式中可以看出,和卡诺循环一样,逆卡诺循环的制冷系数也只与高温热源与低温热源的温度有关。
空气压缩式制冷循环
利用空气作为制冷工质构成空气压缩制冷循环——逆布雷顿循环。和下节将要讲到的蒸汽制冷循环不同的是:在空气制冷循环中,工质不会发生相变,而是依靠显热在定压情况下吸收和放出热量,因此制冷量较小,偏离逆卡诺循环较远,经济性较低。
鉴于空气定温吸热、放热不易实现,改用两个定压过程代替,因而压缩空气制冷循环实为逆向的布雷顿循环。
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3
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p
s
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环境温度
3
3′
冷库温度温度
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4′
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1
v
图15-1 空气制冷循环
分析:低温热源(冷库)吸热
高温热源(环境)放热
耗功
制冷系数
过程1-2、 3-4 定熵,
故(15-2)
可见减小增压比,可使制冷系数提高,
但这会使膨胀温降减小,制冷量下降。
压缩空气制冷循环的优点:工质易得,安全。
缺点:制冷量不大。(空气热容小,增加)
故一般在普冷(℃)很少用(除了用于飞机空调,直排),在深冷(℃)可用于导弹内红外探测器的冷却,不计成本效率)。
为增大制冷量须增大流量,活塞式的压气机、膨胀机让位于叶轮式的压气机、膨胀机
但叶轮式的压比不高,为能在温差、制冷量不减小的情况下,减小, 须采用回热。
2′
2
T
3
环境温度
3′
1′
冷库温度
3″
1
4

s
图15-2 回热式空气制冷循环
结论:
①增加回热,可使循环的吸热量、放热量,制冷系数在与不加回热的相同情况下,降低了压比;
②压比的降低,可使叶轮式压气机、膨胀机能适用于深度冷冻的大温差;
③压比的降低,也减少了膨胀压缩过程的不可逆损失。
蒸汽压缩式制冷循环
图15-3 蒸汽压缩式制冷循环
节流阀
压缩机
蒸发器
冷凝器
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3
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1
2
4
3
s
T
工程中比较常用的制冷循环为蒸汽压缩式制冷循环,它利用低沸点蒸汽(大气压力下的沸点小于0℃)作为制冷剂,利用湿蒸汽在低温下的汽化潜热来吸收热能,达到制冷目的。蒸汽压缩式制冷循环是蒸汽动力循环的逆循环
,其结构简图与T-s图如图13-3所示。
蒸汽压缩式制冷循环主要由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀(毛细管)组成。从蒸发器中出来的饱和蒸汽1在压缩机中被绝热压缩(可