工程热力学15---制冷循环

15．制冷循环15.1制冷与逆卡诺循环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LHLTTTmax（15-1）式中，HT和LT分别是高温热源与低温热源的温度。LHLLQQQWQLLHHTQTQ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。15.2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。图15-1逆卡诺循环TsTHTL1234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。分析：低温热源（冷库）吸热412hhq高温热源（环境）放热321hhq耗功413221hhhhqqw制冷系数1141324132414132412TTTTTTTTTThhhhhhwq过程1-2、3-4定熵，4311212TTppTT1124132TTTTTT故111（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（50℃）很少用(除了用于飞机空调，直排)，在深冷（100℃）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3′2′43vp123412Ts图15-1空气制冷循环环境温度冷库温度温度4′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。结论：①增加回热，可使循环的吸热量2q、放热量1q，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。15.3蒸汽压缩式制冷循环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s图15-3蒸汽压缩式制冷循环节流阀压缩机蒸发器冷凝器12341243sTT122′1′3″343′环境温度冷库温度图15-2回热式空气制冷循环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（可逆时是定熵压缩）成温度和压力都较高的过热蒸汽2；过热蒸汽进入冷凝器被冷却水或空气所冷凝，定压放热，生成饱和液体3；饱和液体流经节流阀，温度和压力都下降，成为湿蒸汽4；湿蒸汽在蒸发器中从冷藏室吸收热量，定压蒸发成饱和蒸汽1，进入压缩机，完成一个封闭的制冷循环。在蒸汽压缩式制冷循环中，系统的制冷量为工质在蒸发器中所吸收的热量：41hhqL制冷剂在冷凝器中释放的热量为：32hhqH在节流前后，43hh，所以整个循环所消耗的功量即为压缩机的耗功量，得LHqqhhhhhhw413212所以蒸汽压缩式制冷循环的制冷系数表示为：1241hhhhwqL（15-3）在制冷循环中，也可以不消耗机械功，而是利用热量作为补偿能量，常用的喷射式制冷循环、吸收式制冷循环、吸附式制冷循环等都属于这一类型。15.4吸收式制冷循环吸收式制冷多用于中央空调（远大、双良等品牌）前面的两种制冷循环——压缩空气、压缩蒸汽制冷循环都是耗功，而吸收式制冷循环是耗热。其原理为：利用制冷剂在溶液中不同温度下具有不同溶解度的特性，使制冷剂在较低的温度和压力下被吸收剂（即溶剂）吸收，同时又使它在较高的温度和压力下从溶液中蒸发，完成循环，实现制冷。工质对：吸收剂（高沸点）制冷剂（低沸点）如溴化锂水水氨从冷凝器流出的饱和水经节流阀降压降温形成干度很低的湿饱和蒸汽，进入蒸发器，从冷库吸热，定压汽化，成为干度很大的湿饱和蒸汽或干饱和蒸汽，送入吸收器。吸收器中的高浓度溴化锂溶液吸收，生成稀溴化锂溶液（吸收热由冷却水带走），稀溴化锂溶液由溶液泵送入蒸汽发生器加热，温度上升，溶解度下降，蒸汽逸出，形成较高压力温度的水蒸气，送入冷凝器。而水蒸气逸出后的浓溴化锂溶液经减压阀又流回到吸收器重新使用。循环HcpHcQQwQQCOP（15-4）缺点：同等制冷量，其装置体积较蒸汽压缩式大，维护量大；只适用于冷负荷稳定的情况。优点：对热源要求低，可利用温度较低的余热资源，如低压水蒸气、地热、烟气、内燃机排气，等15.5热泵循环在逆循环中，还可以实现另一种目的，即不断地向高温物体提供热量，以保证高温物体维持较高的温度，实现这种目的的循环称为热泵循环。热泵循环和制冷循环在本质上是相同的，只是工作的温度范围不同，着眼点不同而已。制冷循环的热源温度是大气环境温度，而热泵循环图15-4吸收式制冷循环节流阀蒸发器冷凝器12341243sT吸收器蒸汽发生器溶液泵减压阀冷却器加热器的冷源温度是大气环境温度。以15-3所示的压缩式制冷循环为例，当循环的目的是通过蒸发器从环境吸收热量，然后通过冷凝器向房间提供热量时，循环就变为热泵循环了。空调的通过阀门使蒸发器与冷凝器功能互换，制冷变为制热。根据能量平衡，热泵循环向高温物体输出的热量Hq是取自低温热源（大气环境）的热量Lq与外界输入功量w之和，即wqqLH。热泵循环的效果用供暖系数表示，为11WQWWQWQLLH（13-5）上式给出了供暖系数与制冷系数之间的关系，说明制冷系数越高则供暖系数也越高。供暖系数总是大于1，这表明在消耗同样多能量的情况下，利用热泵供暖可以比其他供暖装置（如电加热器等）提供更多的热量。如电加热器最多只能把电能全部转化为热能，而热泵循环不仅把电能转化为热能，还可以把取自环境的热能Lq一起输送到高温热源（地源热泵、空气能热水系统等）。值得注意的是，同一装置可以轮流用来制冷和供热：夏天用作空调来制冷，冬天用作热泵来供暖。热泵在我国还处于开发阶段，作为供热装置使用的还比较少，主要原因是设备较复杂，投资较高。在相同的温限LHHTTTmax（13-6）式中，HT和LT分别是高温热源与低温热源的温度。LHHHQQQWQLLHHTQTQHTLTEW2Q1Q图15-5制冷与热泵循环15.6制冷剂蒸汽压缩式制冷循环中的制冷工质大多是氟里昂类物质。所谓氟里昂是饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物的总称。氟氯烃（CFCs）与含氢氟氯烃（HCFCs）物质，由于其优良的物理、化学和热力学性质，被广泛用作制冷剂和发泡剂。如CFC12（R12）、CFC11（R11）和HCFC22（R22）等分别作为冰箱、汽车空调和空调热泵的主要制冷剂。1974年，人们发现，CFCs和HCFCs扩散到同温层后，受到紫外线的照射会发生分解，释放出氯原子；当氯原子和同温层中的臭氧发生连锁反应时，一个氯原子就可以破坏10万个臭氧分子，从而使臭氧层出现空洞。这种破坏性已被南极科考队和卫星观测所证实。1987年9月16日，46个国家在加拿大蒙特利尔（Montreal）签署了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，开始采取保护臭氧层的具体行动。该协定规定了限制和禁止生产对臭氧层破坏作用大的物质，分子中含氯、氟、碳的完全卤代烃（即CFCs）R11、R12、R113、R114、R115、R12B1、R13B1和R114B2是首批受禁物质，到二十一世纪完全停止生产；分子中含氢、氯、氟、碳的不完全卤代烃（写作HCFCs）如R22的环境破坏相对小一些，但最终也将禁止。如今《议定书》经过几次修正，缔约国已发展到162个；受控物质的种类增加到今天的6类94种；淘汰时间表由不明确变为明确，并不断提前。据修改后的《蒙特利尔议定书》规定，发达国家于1996年停止生产消耗臭氧层物质，发展中国家也将于2010年停止生产。我国政府已宣布，将比发展中国家提前5年，即2005年停止生产消耗臭氧层物质。但是，人类对制冷剂的需求却逐渐增大。于是，替代制冷剂的研究在全球范围内迅速展开。研究中，人们发现，HFCs虽然也属于氟里昂类物质，但是，由于在他们的分子中不存在氯原子和溴原子，对臭氧层的破坏指数ODP为零，即它们不会对大气平流层中的臭氧层产生破坏作用。于是，人们把注意力集中在HFCs上。人们希望在HFCs类物质及其混合物中，找到能满足不同温度的制冷剂的替代物。通过大量研究，目前较明朗的趋势是：高温制冷剂用HCFC123作为过度性制冷剂，中温制冷剂用HFC134a和HFC152a，低温制冷剂用HFC23。在HFCs类制冷剂中，使用最成功，应用最广泛的当属HFC134a。目前，HFC134a已替代传统的CFC12大量使用在冰箱中，如美菱、华意、新飞、海尔等。以美菱BCD-201型冰箱为例，使用HFC134a作为制冷剂，其制冷系数为1.755，略低于使用CFC12的1.984。在汽车空调中，随着CFC的加速淘汰，在新车中改用HFC134a的进程也在加快。1994年，发达国家已完成了全部转换。汽车生产厂家一致选择了HFC134a。由于各种合成制冷剂已被发现或可能具有潜在的危害，有些学者认为天然制冷剂才是真正安全的制冷剂。所谓天然制冷剂，是指自然中已经存在或可在自然条件下生成的物质，如水、二氧化碳、氨和烷烃类物质。它们原料来源广、制备容易，当然价格也十分便宜，尤其重要的是它们和环境良好的相容性。水几乎是自然界中取之不尽的资源，对环境绝无不良影响。它不燃、不爆、无毒、无味，是一种安全而便宜的工质。但是，目前它只适用于制取0℃以上的温度；同时，由于水蒸汽的比容大，蒸发压力低，会使系统处于高真空状态下工作，这两个缺点限制了水作为制冷剂的广泛使用。二氧化碳作为制冷剂曾在制冷工业上起过重要作用，在船用冷藏装置中延续使用了50年之久，直到1955年，才被氟里昂所取代。二氧化碳之所以被取代的原因，不在于其热力学性质，而是由于其在使用温度下的压力太高（常温条件下，冷凝压力高达8MPa），致使设备极为笨重。但是，如今，高压已经不再成为制约二氧化碳作为制冷剂的障碍了，尤其是在小型装置中，高压并不会带来特别的危险。现在，二氧化碳又被重新提出。目前这种研究已在欧洲及日本迅速展开。预计二氧化碳将重新在制冷工业中扮演重要角色。1870年，卡尔.林德（Carl.Linde）提出使用氨制冷剂。由于氨在常温及普通低温下具有极其优良的热力学特性和热物理性质，直至今日，仍在大型制冷设备中得到广泛应用。然而，它易燃、易爆、有毒性又限制了它的更进一步的使用。但是，在现条件下，人们完全可以让它在安全的条件下工作。而实际上，真正限制其使用的一个主要原因却是其令人讨厌的刺激性气味。但是，这种刺激性气味能够使人们及时发现氨的泄露，反而增加了其使用的安全性。另一种有前途的替代制冷剂是碳氢化合物，它们具有共同的特点：凝固点低，与水不起化学反应，不腐蚀金属，溶油性好，易于获得，价格便宜。它们共同缺点是燃爆性强。在1940—1950年，正丁烷、异丁烷和它们的混合物就应用于家用冰箱中。现在