高等工程熱力學(xué) 制冷循環(huán)

制冷循環(huán)綜述能源與動(dòng)力工程學(xué)院周帆(513108001724)動(dòng)力循環(huán)與制冷（熱泵)循環(huán)區(qū)別?

制冷循環(huán)輸入功量（或其他代價(jià)），從低溫?zé)嵩慈?動(dòng)力循環(huán)

輸入熱量,通過循環(huán)輸出功

?熱泵循環(huán)輸入功量（或其他代價(jià)），向高溫?zé)嵊脩艄帷h(huán)—逆循環(huán)—逆循環(huán)制冷循環(huán)和制冷系數(shù)COP(CoefficientOfPerformance)T0環(huán)境T2冷庫(kù)卡諾逆循環(huán)q1q2wTsT2T0T0不變,T2

εCT2不變,T0

εC制冷能力和冷噸生產(chǎn)中常用制冷能力來衡量設(shè)備產(chǎn)冷量大小制冷能力：制冷設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)從冷庫(kù)取走的熱量(kJ/s)。商業(yè)上常用冷噸來表示。1冷噸：1噸0°C飽和水在24小時(shí)內(nèi)被冷凍到0°C的冰所需冷量。水的凝結(jié)（熔化）熱

r=334kJ/kg1冷噸（RT)=3.86

kJ/s1美國(guó)冷噸=3.517

kJ/s制冷循環(huán)種類

空氣壓縮制冷壓縮制冷蒸氣壓縮制冷吸收式制冷制冷循環(huán)

吸附式制冷蒸汽噴射制冷半導(dǎo)體制冷熱聲制冷√√

1.空氣壓縮制冷循環(huán)冷卻水膨脹機(jī)壓縮機(jī)冷藏室冷卻器3214P-v圖和T-s圖1

2絕熱壓縮2

3等壓冷卻3

4絕熱膨脹4

1等壓吸熱

pv3214TsT2T01234逆向布雷頓制冷循環(huán)sspp空氣壓縮制冷循環(huán)過程工質(zhì)（制冷劑）：空氣1

2絕熱壓縮p

T2

3等壓冷卻向環(huán)境放熱，T3

4絕熱膨脹T<T1（冷庫(kù)）4

1等壓吸熱T

T1理想化處理：①理想氣體；

②定比熱;

③可逆；制冷系數(shù)Ts1234關(guān)于逆向布雷頓循環(huán)研究的進(jìn)展1977年，Andresen等首次把以尋求更實(shí)際、更有用的性能界限，以尋找循環(huán)的最優(yōu)性能及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的最優(yōu)途徑的研究稱為“有限時(shí)間熱力學(xué)”。之后的幾十年，國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者都對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究，進(jìn)一步獲得了許多更合乎實(shí)際的性能界限，逐步把經(jīng)典熱力學(xué)理論延伸，使之包含各種現(xiàn)實(shí)的不可逆效應(yīng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者張萬里等考慮采用逆向布雷頓制冷循環(huán)冷卻壓氣機(jī)進(jìn)氣的開式燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)中工質(zhì)在流動(dòng)過程中的壓力損失，建立了相應(yīng)動(dòng)力裝置的熱力學(xué)模型，分別給出了相關(guān)表達(dá)式，分析了壓氣機(jī)入口相對(duì)壓力損失、制冷循環(huán)對(duì)循環(huán)最優(yōu)功率和效率特性的影響。空氣壓縮制冷循環(huán)特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：工質(zhì)無毒，無味，不怕泄漏。

缺點(diǎn)：1.無法實(shí)現(xiàn)定溫吸熱放熱，偏離逆向卡諾循環(huán)

，降低經(jīng)濟(jì)性2.制冷量不大，q2=cp(T1-T4)，空氣cp很小，(T1-T4)不能太大，q2很小。若(T1-T4)3.活塞式流量m小，制冷量Q2=m

q2小，

使用低壓比大流量葉輪式壓氣機(jī)，回?zé)釀t可用。

2.蒸氣壓縮制冷循環(huán)

水能用否？0°C以下水是凝固態(tài)不能流動(dòng)。一般用低沸點(diǎn)工質(zhì)（氟利昂、氨、R22等）作制冷劑，在低溫下定壓汽化吸熱制冷，因?yàn)闈裾魵鈪^(qū)定壓即是定溫過程。沸點(diǎn)：水100°CR22-40.8°CR134aTHR01-26.1°C-30.18°C蒸氣壓縮制冷循環(huán)T-S圖Ts12345蒸發(fā)器中吸熱量

冷凝器中放熱量

制冷系數(shù)

兩個(gè)等壓，熱與功均與焓有關(guān)

lnp-h圖Lnp-h圖

過冷措施Ts12345lnph123455’4’不變4’5’工程上常用拓展斯特林制冷循環(huán)斯特林制冷機(jī)是利用膨脹氣缸內(nèi)氣體周期性膨脹和壓縮來制取冷量的一種氣體機(jī)械制冷機(jī)，其理論制冷效率為同溫限卡諾效率。斯特林制冷與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮節(jié)流制冷有極大的不同，斯特林制冷技術(shù)一般采用整體式斯特林制冷機(jī)作為冷源，其原理是氦氣膨脹制冷，因而無節(jié)流系統(tǒng)和蒸發(fā)器。相對(duì)于傳統(tǒng)的蒸汽壓縮節(jié)流制冷系統(tǒng)，采用斯特林制冷系統(tǒng)具有高效率、“綠色”制冷劑、制冷溫區(qū)廣等特點(diǎn)在環(huán)保及節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。斯特林制冷機(jī)應(yīng)用于當(dāng)前商業(yè)制冷的關(guān)鍵技術(shù)及分類首先，設(shè)計(jì)和制造高效率、長(zhǎng)壽命、大冷量的斯特林制冷機(jī)是斯特林制冷機(jī)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵之一。其次，斯特林制冷機(jī)冷頭到制冷空間的冷量傳遞是影響系統(tǒng)整體效率的重要因素，也很有必要進(jìn)行詳細(xì)研究。大冷量中高溫區(qū)斯特林制冷機(jī)主要有兩種結(jié)構(gòu)。一種是采用普通的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和曲柄連桿結(jié)構(gòu)；另一種是自由活塞斯特林制冷機(jī)(FPSC)結(jié)構(gòu)。對(duì)于小型制冷系統(tǒng)(Q<200W)來說，傾向于采用自由活塞結(jié)構(gòu)(FPSC)；對(duì)于中型制冷系統(tǒng)(200W<Q<2000W)來說，采用曲柄連桿結(jié)構(gòu)較為方便；對(duì)于大型制冷系統(tǒng)，如冷庫(kù)及空調(diào)系統(tǒng)來說，目前的斯特林制冷技術(shù)還不具有優(yōu)勢(shì)。冷量傳遞技術(shù)分析與小結(jié)1)直接式

2)熱虹吸式

3)液體泵循環(huán)三種傳遞技術(shù)適用情況1)在小冷量、小空間制冷系統(tǒng)中宜用直接式2)在大冷量、大空間制冷系統(tǒng)中宜采用低溫液體泵循環(huán)系統(tǒng)；3)在高效率制冷系統(tǒng)中宜采用熱虹吸冷量傳遞系統(tǒng)。其中熱虹吸冷量傳遞與自由活塞斯特林制冷機(jī)(FPSC)結(jié)合是未來小型斯特林制冷系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前斯特林制冷在商業(yè)制冷的研究1.國(guó)外斯特林制冷用于商業(yè)制冷的研究斯特林制冷技術(shù)在商業(yè)制冷上的研究包括，大冷量中高溫區(qū)斯特林制冷機(jī)的研制和斯特林制冷機(jī)在制冷系統(tǒng)上的應(yīng)用研究。以色列IST公司與法國(guó)電力公司EDF合作研制了采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的曲柄連桿結(jié)構(gòu)的斯特林制冷機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示韓國(guó)LG公司的Kim等采用自由活塞斯特林制冷機(jī)（FPSC）對(duì)60L的冰箱制冷，使冰箱內(nèi)溫度保持在-20℃，結(jié)果顯示相對(duì)于蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)節(jié)能25%。牛津大學(xué)的Green等研究了使用熱虹吸系統(tǒng)對(duì)冷頭和熱端傳熱的FPSC系統(tǒng)，研究結(jié)果顯示比傳統(tǒng)的制冷設(shè)備節(jié)能17%。2004年4月份日本夏普公司計(jì)劃在VM(VendingMachine)上使用FPSC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Rankine制冷系統(tǒng)2004年，室外用品商日本Coleman公司(東京)已經(jīng)投產(chǎn)配備FPSC的小型冰柜“PortableFreezerCooler25L”，而日本Twinbird公司的FPSC汽車冰箱也于2004年底上市。圖5即為Twinbird公司生產(chǎn)的FPSC汽車冰箱實(shí)物圖。

國(guó)內(nèi)斯特林制冷用