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各位同学好

欢迎回到工程热力学慕课课堂

现在我们开始第八章

制冷循环的学习

大家看到这个制冷的制

我用了两个

一个是制造的制

一个是导致的致

这两个词目前都在用

但是我个人更倾向于第一个

制造的制

因为这是人为主观的意愿

来做这件事情

制造冷量

而另一个导致的致

这是一个非主观意愿的

我做了什么什么 导致这样一个结果

所以我也建议大家

用第一个制造的制

我们这一章主要内容

有空气压缩制循环

蒸汽压缩制冷循环

热泵循环

吸收式制冷循环

然后其他形式的一些制冷循环

我们也会做一个简单的介绍

另外这一章 我还有两个拓展的内容

一个是热泵在余热回收中的应用

另一个是制冷剂与环保

介绍这些拓展内容

也是为了拓宽大家的视野

增加大家的环保意识

同时当时也是为清华实体课

做大作业的同学

提供一些思路或者是启发

对于拓展的内容

我们不做教学要求

所以我基本上都用星号来进行标注

我们前面讲过一些动力循环

动力循环是正循环

比如说我们讲的燃气动力循环

蒸汽动力循环

它们都是动力循环

它们的共同特点

是从高温热源吸收热量

然后对外做功

而我们这一章要讲的制冷循环

它是逆循环

它要输入功量

然后从冷源来取热或者说制冷

另外还有一类逆循环

它是热泵循环

它的基本原理跟制冷循环完全一致

所不同的是

它目标是我向高温热源供热

总之所有的逆循环的共同特点是

你要输入功量或者是其他的代价

然后把热量从冷源送到热源

这是它的共同特点

然后我们来看一下

这个是制冷空调的一个

设备的一个示意图

这是我们常用的

比如说我们家庭用的都是这一类

蒸汽压缩制冷循环

我们后面会具体去讲

它的四个组成设备有什么

有压缩机 有冷凝器

有节流阀 还有蒸发器

在夏天的时候

室外机是什么

大家能不能想一下

你夏天

路过空调室外机的附近的时候

会有什么感觉

会感觉热

在夏天的时候 空调的室外机

是冷凝器 它是要向外放热的

这时候室内机是什么

是蒸发器

它要吸收热量

也就是制冷

冬天的时候

我们知道我们的空调

一般都是冷暖两用的

冬天的时候室内机是什么

室内机是冷凝器

它向室内放热

实际上是同一个设备

我们通过摇控器

来调整它室内机 室外机的作用

实际上它是来控制

有一个四通阀

用摇控器来控制四通阀的

实际上是这样的

然后我们下面

对我们这个制冷空调中的

四个主要设备进行一个感官的认识

我们来看一下

首先这个是制冷用压缩机

我们来看它主要可以分成两大类

一类是容积型

另一类是速度型

速度型主要是离心式的

这个一般是用大制冷量的机组中

我们后面会简单的介绍

然后那个容积型又分成两类

一个是往复式的或者是活塞式的

然后再一个是回转式的

然后这个活塞式又分成了三类

这边这个回转式又分成了四类

而且其中的螺杆式

又分成单螺杆和双螺杆

所以这个制冷用压缩机

实际上它有好多个种类

根据你机组要求的不同

来选择不同类别的压缩机

我们来看一下

这个是涡旋式的压缩机

它实际上是有两个涡旋盘

一个固定

另一个进行旋转

这样就可以来挤压气体

使得气体的比容减小 压力升高

它的最大优点是什么

是不怕液击

也就是说

你即使里面有点液滴 它也没问题

这个目前用得也比较多

包括我在实验室制冷实验台

用的就是这种形式的

涡旋式的压缩机

然后这个是螺杆式的压缩机

它是通过两个螺杆的咬合

来挤压气体

使得气体的比容减小 压力升高

这个是离心式的压缩机

它一般是用在大流量机组的

一般我们楼宇用的中央空调

用的是这一类的压缩机

一般它也是放在楼宇的地下室

这张PPT展示各种换热器

我们刚才讲的 我们空调制冷系统

它换热器有两个

但是我们在那里没有体现换热器

实际上蒸发器 冷凝器

都是换热器的一种形式

我们来看一下

我们左上侧的这个管翅式的换热器

实际上我们的家用空调

用的就是这种

你把你们家的室内机给这盖打开以后

就能看见这个样子

制冷剂走管内

然后管外走的是空气

也就是制冷剂通过管外的翅片

然后跟这空气进行换热

我们右上角是汽车空调用的换热器

它是多孔扁管

然后空气侧用的是百叶窗翅片

然后我们右侧中间这个是管壳式的

它是两种液体进行换热

一般采用这种形式

为什么是有不形式的这种换热器

这可能应该是学传热学的时候会讲的

下面的这个

中间的这个是板式换热器

右侧是它的一个实体的照片

我们不去展开 大概是这样

而这个是我们的

水冷螺杆压缩机机组

既然是水冷

就是用水来对它进行冷却

这个一般也是用在大流量机组

比如说我们的楼宇

用到这个中央空调

有用这种机组的

一般它也会放在楼宇的地下室的

而这个是我们的

风冷螺杆压缩机机组

既然是风冷

那它应该放在什么地方

还会放在楼宇的地下室吗

不可能

那没有风

所以这个一定要放在

通风比较好的地方

一定是在楼的上面

通风比较好的地方

它可以跟空气来进行换热

这两个照片对大家来说更熟悉了

去超市经常能看见

我们超市的冷柜

它实际上都是用的这个制冷循环的

然后右侧那就是家用的冰箱

是这种形式

当然冰箱有各种形式

现在做得越来越好看

这是我们的汽车空调

这几大部件不能缺

比如说我们的压缩机

一般放在轿车前盖的下面 这里面

然后我们这个轿车里面

它有前置换热器

还有后置换热器

当然夏天的时候

这个换热器是蒸发器

然后冬天的时候

那就是冷凝器了

然后在汽车最前面

迎风面的地方也有一个换热器

它夏天的时候是冷凝器

而冬天的时候是蒸发器

当然你也可以用这个来类似

这个是冷暖两用空调机组

它的一个结构示意图

我们先来看左侧

左侧它的室内机是蒸发器

那你来看它是一个什么工作模式

是制热还是制冷

既然是蒸发器

蒸发器一定是吸收热量

即使我们不学热力学也应该知道

既然蒸发器吸收热量

所以它一定是在制冷

所以左侧是一个制冷模式

然后右侧

我们来看它的室内机是冷凝器

冷凝器要放热

所以它是一个制热模式

也就是冬天的工作模式

同样的设备在不同的季节

起不同的作用

那实际上它就是通过摇控器

来调控这个四通阀

来使得室内机

在夏天的时候是蒸发器

在冬天的时候是冷凝器的这个作用

这个图跟刚才那个

表示完全同样的意思

只不过我们加了动画

左侧是制冷

房间里面是蒸发器

然后右侧是冬天时候的工作模式

室内是冷凝器是制热的

这个是大型的户式空调机组

比如说一个别墅

它有若干个房间

但是空调机组压缩机只有一个

它通过管道向不同的房间

来送冷风或者热风

来实现对各个房间的供热

或者是供冷

刚才是我们对制冷空调各个设备的

一个感官的一个认识

但是我们更关心

评价它的指标是什么

我们实际上在第一章

基本概念的时候我们有介绍过

我们一起再来回顾一下

对于制冷循环评价指标是制冷系数

或者说性能系数

我们用符号来表示

制冷系数用ε来表示

这个性能系数的COP

是来自于英文的性能系数

Coefficient Of Performance

三个英文字的字头COP

然后这个下标R是来自于制冷循环

Refrigeration Cycle

这个Refrigeration

第一个字头R表示制冷

不管是制冷系数

或者是性能系数（COP）R

它应该等于收益比上代价

对制冷 收益是什么

就是从冷源取得热量

就是q2

而代价是你输入的功W

所以就是q2比上W

对于制冷循环

它的理想循环是什么

是卡诺制冷循环

我们前面第四章有讲过

对于卡诺制冷循环

它就是两个等温 两个等熵

那么制冷的话 它的高温热源的温度

就是环境温度T0

然后冷源就是你的冷库温度 T2

它是这样一个矩形的

对于卡诺制冷循环

它的制冷系数

我们把相应的量代进去就可以

Q2比上W

W又等于Q1减去Q2

而对于两个等温过程

这个Q2的计算

就等于温度乘以熵的变化量

我们前面有讲过

最后推出来

它就是等于T2比上T0减去T2

然后我们再把它进行一个变换

那就变成了

是1除以T0比上T2再减去1

就是这样的一个表达式

然后对于这表达式你来看一下

我们增加高温热源的温度

或者说减小低温热源的温度

升高T0或者降低T2

这个制冷系数应该怎么变

从数学表达式来看

你可以很清楚地看出来

它应该是减小的

也就是说

冷热源温差越大

制冷系数是越小的

这也是为什么我们会觉得

夏天的时候

这个天气越热

空调的耗电越多

原因就是天气越热

也就是说环境温度越高

那么这样 环境温度

与室内温度的温差越大

所以它的制冷系数就越低

所以达到同样的冷却效果

你消耗的功肯定就要多

所以你就要更耗电

我们再来看另一类逆循环

热泵循环

热泵循环实际上跟我们制冷循环

它的基本原理是完全一样的

所不同的

它的目标是向高温热源来供热

这个时候

环境温度就是它的冷源温度了

比如说我们冬天的时候

室外环境温度

室内的温度肯定比环境要高了

我们用T1来表示

对于这个热泵循环

我们的评价指标是

供热系数 或者说制热系数

或者说性能系数COP

但是这时候的下标要用H来表示

这个H就来源于热泵英文

Heat Pump这个第一个字头

是这样的

在这儿想跟大家澄清一个概念

曾经有不少人

即使现在也有这么来说

热泵评价它指标用什么

用热效率

这是不对的

或者说热泵效率

这也是不对的

应该一个严格的说法

应该是制热系数 或者是供热系数

或者说性能系数

而不能说效率

因为效率这概念 跟我们刚才讲的这个

供热系数和性能系数是不一样的

甚至即使到今天为止

还经常产生这种混乱

比如说做热泵的人

他对这个术语

没有严格的进行区分

就是说你的热泵效率是多少

我们后面我们会讲

热泵的供热系数

它的性能系数是大于100%的

甚至3 4都有可能的

所以他是我这个热泵的效率

是400% 300%

另外其他的专家就觉得你这块

效率怎么可能超过100%

所以这两人有的时候也是觉得

这个专家怎么怎么着

所以建议大家

一定要严格地来用比较准确的术语

对于热泵 评价指标是供热系数

或者说制热系数

而不能说效率

这一点希望大家能够清晰

对于热泵循环 它的理想循环

当然是卡诺热泵循环

就是一个矩形的 两个等温两个等熵

它的热源温度我们用T1来表示

冷源温度那是环境温度 用T0来表示

我们来看一下对于卡诺热泵循环

它的制热系数

我们推下来它应该等于

T1比上T1减去T0

然后再进行一个整理

变成这样的一个表达式

然后我们同样来看

我们升高热源温度

或者是降低冷源温度

也就是说让T1增加或者是T0减小

那你看这制热系数会怎么样

从数学表达式

你可以很清晰地看出来

它要减小的

也就是说

冷热源温度这个温差如果拉大

这个供热系数是减小的

我们刚刚讲的制冷循环也是这样的

实际上对所有的逆循环都是这样的

对于所有的逆循环

你高温热源和低温热源的温差

如果拉大

它的性能系数是降低的

而对于动力循环

大家应该很清楚

对于动力循环

是高温热源和低温热源的温度

如果是拉大

它的热效率是升高的

这个正循环和逆循环 正好是相反的

实际上我们知道动力循环

它是吸收热量

对外做功

大家是否还记得我们讲㶲的时候

热量㶲 我们用T-s图上来表示

实际上是什么

就是你那个热量本身的温度

跟环境温度之间的那一部分的面积

就是热量㶲

我们来看看动力循环

动力循环做功

实际上从你高温热源吸收热量

然后到你低温热源之间的那一部分

实际上就是对外做的功

所以你把这温差拉大

这中间的面积就变大了

所以它的热效率就增加的

而对于逆循环

你要输入功量

输入的功量是你的代价

如果说这个温差如果增加

你输入的功量怎么样

就增加了

输入的功量要增加

也是你代价要增加

所以它的性能系数一定是增加

这点大家一定要清楚

对于逆循环和正循环

这个冷热源温差的变化

它对性能系数的影响是不一样的

对热效率而言

温差增加

热效率是增加的

而对于逆循环 不管是制冷循环

还是制热循环

冷热源的温差如果拉大

它的性能系数要减小的

在生产中

经常用制冷能力来衡量

你设备产冷量的一个大小

所以我们想来给大家介绍一下

制冷能力和冷吨

冷吨这个术语

在实际的生产中用得非常多

比如说制冷行业的师傅经常说

我这个设备是多少多少冷吨

我们来看看冷吨到底是什么含义

首先我们来说制冷能力

制冷能力它是制冷设备

单位时间从冷库取走的热量

你从这定义就可以知道

它的单位应该是秒每千焦

国际单位应该是这样

而冷吨又是什么

冷吨是一吨0度的饱和水

在24小时内被冷冻成0度的冰

所需要的冷量

如果说你想把这个冷吨

具体的数值多少给它算出来

那你只要知道水的凝结热就可以

水的凝结热是每千克334千焦

我们一吨也就是1000千克

然后乘以你水的凝结热

然后再除以24小时

再乘以3600秒

就可以算出来

所以说这个冷吨

一冷吨等于3.86千焦每秒

这个要求大家记住

比如要算你这个某一个制冷设备

或者每一个循环它是多少冷吨

那你就知道

一冷吨应该等于3.86千焦每秒

就可以进行一个换算

当然了还有一个美国的冷吨

它的一冷吨那是3.517千焦每秒

原因是什么

它的重量单位跟咱们是不一样的

这个大家知道就可以

然后我们再来看一下

制冷循环的种类

制冷循环分成这几大类

首先是压缩制冷

压缩制冷又分成空气压缩制冷

还有蒸汽压缩制冷

然后下面又有一系列其他的

有吸收式制冷

有吸附式制冷

有蒸汽喷射制冷

有半导体制冷

还有热声制冷

甚至还有磁制冷

目前主流用的是什么

是压缩制冷

而且我们看压缩制冷还有两类

有空气压缩制冷

有蒸汽压缩制冷

用得更多的还是蒸汽压缩制冷

空气压缩制冷用得比较少

所以我们这一章

我们主要介绍空气压缩制冷

然后蒸汽压缩制冷

这是我们的重点

然后吸收式制冷

我们也稍微介绍一下

后面那几类我们会

做一个非常非常简单的一个介绍

实际上制冷

这本身就有一门课

所以在我们工程热力学里面

我们只是简单的介绍

我们要以压缩式制冷为主

而且蒸汽压缩制冷应该是我们的重点