第十二章 第十二章 制冷（致冷）循环制冷（致冷）循环

§12§12 －－ 1 1 概述概述

• 制冷（热泵 ) 循环 输入功量（或其他代价），从低温热源取热

• 动力循环 输入热 , 通过循环输出功

• 热泵循环 输入功量（或其他代价），向高温热用户供热

— 正循环

— 逆循环

— 逆循环

制冷空调原理与装置制冷空调原理与装置

冷柜冰箱机组冷柜冰箱机组

汽车空调机组汽车空调机组

冷热两用空调机组冷热两用空调机组

(a) 夏季制冷循环 (b) 冬季热泵循环

制冷与热泵两用装置示意图A 四通换向阀， B 毛细节流装置， C 压缩机制冷 制热

制冷循环和制冷制冷循环和制冷系数系数Coefficient of Performance

2COPq

w T0 环境

T2 冷库

卡诺逆循环2 2 2

C1 2 0 2

q q T

w q q T T

q1

q2

w

T

s

T2

T0

0

2

1

1T

T

T0 不变 , T2 εC

T2 不变 , T0 εC

热泵循环和供热热泵循环和供热系数系数Coefficient of Performance

1COP 'q

w

卡诺逆循环' 1 1 1

1 2 1 0C

q q T

w q q T T

w

T

s

T2

T0

0

1

1

1T

T

T1 不变 , T0 εC

T0 不变 , T1 εC

T1

制冷能力和冷吨制冷能力和冷吨生产中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小

制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取 走的热量 (kJ/s) 。

商业上常用冷吨来表示。1 冷吨： 1 吨 0°C 饱和水在 24 小时内被冷冻

到 0°C 的冰所需冷量。水的凝结（熔化）热 r =334 kJ/kg

1 冷吨 =3.86 kJ/s 1 美国冷吨 =3.517 kJ/s

制冷循环种类制冷循环种类 空气压缩制冷 压缩制冷 蒸气压缩制冷 吸收式制冷制冷循环 吸附式制冷 蒸汽喷射制冷 半导体制冷 热声制冷

√

√√

§12§12 －－ 22 压缩空气制冷循环压缩空气制冷循环

冷却水

膨胀机 压缩机冷藏室

冷却器

3 2

14

一、压缩空气制冷循环概述

pvpv 图和图和 TsTs图图

1 2 绝热压缩2 3 等压冷却

3 4 绝热膨胀4 1 等压吸热

p

v

3 2

14

T

s

T2

T0

1

23

4

逆勃雷登循环

s sp p

2 2

1 2

p 1 4

p 2 3 p 1 4

2 3

1 4

COP

( )

( ) ( )

1

1

q q

w q q

c T T

c T T c T T

T TT T

制冷系数制冷系数T

s

1

23

4

1 12

21

1

1 1 1

1k k

k kT

pT

p

空气压缩制冷循环特点空气压缩制冷循环特点 优点：工质无毒，无味，不怕泄漏。

缺点： 1. 无法实现 T ， < C

2. q2=cp(T1-T4) ，空气 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， 使用叶轮式，再回热则可用。

二、回热式空气制冷循环二、回热式空气制冷循环

回热式空气压缩制冷装置

T2

T0

1R

T

s

2R5

3R

4

1R

2R

1

3

4

2

53R1

空气回热制冷与非回热的比较空气回热制冷与非回热的比较吸热量（收益）：q2=cp(T1-T4)

放热量：q1=cp(T2-T3)

=cp(T2R-T5)

非回热回热

不变相同

回热＝ 非回热

2R 2

1R 1

p p

p p 适用于小压比大流量的叶

轮式压气机空气制冷系统

T2

T0

T

s

1R

2R

53R

1

3

4

2

空气压缩制冷的根本缺陷空气压缩制冷的根本缺陷

1. 无法实现 T ， 低，经济性差

2. q2=cp(T1-T4) 小， 制冷能力 q2 很小。

汽化潜热大，制冷能力可能大 蒸气在两相区易实现 T

§ 12-3 § 12-3 压缩蒸汽制冷循环压缩蒸汽制冷循环 水能用否？ 0°C 以下凝固不能流动。

一般用低沸点工质，如氟利昂、氨

沸点： ( 1 )sT p atm

水 100°C

R22 - 40.8°CR134a

THR01- 26.1°C

- 30.18°C

空气压缩制冷循环装置空气压缩制冷循环装置冷却水

膨胀机 压缩机冷藏室

冷却器

3 2

14

压缩蒸汽制冷空调装置压缩蒸汽制冷空调装置

1-2 ：绝热压缩过程

2-4 ：定压放热过程

4-5 ：绝热节流过程

5-1 ：定压吸热过程

4

5

T

s

1

2

34

56 7

比较逆卡诺循环 3467

73 湿蒸气压缩 “ 液击”现

象 12 既安全，又增加了单位质量工质的制冷量 71

逆卡诺

实际

节流阀代替了膨胀机

节流阀代替膨胀机分析节流阀代替膨胀机分析T

s

1

2

34

568

2. 少从冷库取走热量5 6 4 6h h h h

优点：

4 6h h1. 损失功量

4 8 6 8( )h h h h a b

面积 a84ba 面积 a86ba

面积 8468

缺点：

1. 省掉膨胀机，设备简化；2. 膨胀阀开度，易调节蒸发温度；

84 越陡越好

利 > 弊

压缩蒸汽制冷循环的计算压缩蒸汽制冷循环的计算T

s

1

2

34

5

蒸发器中吸热量

2 1 5 1 4q h h h h

冷凝器中放热量

1 2 4q h h

制冷系数

2 1 4 1 4 2

1 2 2 4 1 4 2 1( ) ( )

q h h h h q

q q h h h h h h w

两个等压，热与功均与焓有关 lnp-h 图

lnlnpp--hh 图及计算图及计算T

s

1

2

34

5

lnp

h

1

234

52q

1q

w

2 1 5 1 4q h h h h

1 2 4q h h 2 1 4

2 1

q h h

w h h

lnlnpp--hh 图图

过冷措施过冷措施T

s

1

2

34

5

lnp

h

1

234

5

2 1 5q h h 2 1 4'

2 1

q h h

w h h

5’

4’

2 1w h h

不变

4’

5’

1 2 4'q h h

工程上常用

§ 12-4 § 12-4 制冷剂的性质制冷剂的性质 蒸气压缩制冷，要尽可能利用工质两相区，因此与工质性质密切相关。对热物性要求：1. 沸点低， tb<10ºC2. 压力适中，蒸发器中稍大于大气压，冷凝器中不太高；3. 汽化潜热大，大冷冻能力；4. T-S 图上下界线陡峭：上界陡峭，冷冻更接近定温，下界线陡，节流损失小；

5. 凝固点低，价廉，无毒，不腐蚀，不爆，性质稳定、油溶性、材料相容性、环境性能、安全性能好。

发达国家发达国家 HCFCsHCFCs 禁用时间表禁用时间表美国 2003.1.1: 作发泡剂用的 HCFC-141b

将被禁用 2010.1.1: 停止 HCFC-22 和 142b 的生产 2015.1.1: 停止 HCFC-123 和 124 的生产 2020.1.1: HCFC-22 和 141b 将被禁用 2030.1.1: HCFC-123 和 124 将被禁用瑞士，意大利 2000.1.1: HCFCs 将被禁用德国 2000.1.1: HCFC-22 将被禁用瑞典，加拿大 2010.1.1: HCFCs 将被禁用

发展中国家发展中国家 CFC&HCFCCFC&HCFC 削减及禁用时间表削减及禁用时间表

1999.7.1 CFC-11 ， 12 ， 113 ， 114 ， 115 控制在 1995-1997 年的平均水平2005.1.1 CFC-11 ， 12 ， 123 ， 114 ， 115 减少 1995-1997 年的平均水平的 50%

2007.1.1 CFC-11 ， 12 ， 123 ， 114 ， 115 减少 1995-1997 年的平均水平的 85%

2010.1.1 禁用 CFCs

2016.1.1 HCFCs 控制在 2015 年的平均水平2040.1.1 禁用 HCFCs

全球三大环境问题全球三大环境问题

制冷剂的替代制冷剂的替代是否随着 CFC 和 HCFC 的禁用也淘汰蒸气压缩制冷方式？

20 世纪 90 年代以来国际研究热点

CFC-12CFC-12 的替代举例的替代举例 HFC-134a(CH2F-CF3) ：美国、日本等采

用，新飞、中意等采用；GWP, TFA

碳氢化合物 (异丁烷或异丁烷 /丙烷混合物 ) ：德国及北欧采用，容声、海尔等采用；

可燃易爆； VOC

混合制冷剂：有多种方案，海尔、雪花、伯乐等采用。

温度滑移；成分泄露

§ 12-5 § 12-5 吸收式制冷循环吸收式制冷循环

利用溶液性质压缩制冷循环以消耗机械功为代价吸收式制冷以消耗热量为代价

溶液 = 溶剂 + 溶质溶液 T

溶液 T

溶剂吸收溶质的能力溶剂吸收溶质的能力

溶液浓度溶液浓度

氨（溶质） + 水（溶剂）溶液 溴化锂（溶剂） + 水（溶质）溶液

吸收式制冷循环示意吸收式制冷循环示意图图

循环性能系数PH

LR WQ

QCOP

)(

吸收式制冷循环特点吸收式制冷循环特点

用于大型 空调、中央空调。

优点：直接利用热能可用低品质热

缺点：设备体积大，启动时间长

环境性能好

§ 12-6 § 12-6 热泵热泵

q2 q2

q1 q1

w w

T2

T0

T0

T1

2q

w 制冷

系数制热系数

1' 1q

w

1 2q q w

w w

制冷 热泵

蒸气压缩式热泵装置蒸气压缩式热泵装置

T0

房间

供暖化工

温度提升节能

热泵热泵 lnlnpp--hh 图及计算图及计算T

s

1

2

34

5

lnp

h

1

234

52q

1q

w

2 1 5 1 4q h h h h

1 2 4q h h

1 2 4

2 1

'q h h

w h h

主要供暖方式

热用户

燃煤、燃气锅炉集中供热

直接电采暖（蓄热锅炉、地板辐射、电热膜）

热泵（空气源、水源）

能量利用系数

直接电 100%

电厂

发电 33%

损失 67%

房间 33%

锅炉 100%

锅炉

效率 70%

房间 70%损失 30

% 热泵热泵 100%

电厂

发电 33%

损失 67%

99%

房间 130%COP=4

第十二章 完第十二章 完