Video 8-1 空气压缩制冷循环在线视频

下面我们来介绍空气压缩制冷

空气压缩制冷

它是先于蒸汽压缩制冷出现的

也就是说它比空气压缩制冷

要早使用的

既然是空气压缩制冷

那可以想象它的工质一定是空气了

空气的最大优点是什么

廉价 易得 然后还没有毒

所以你泄漏到空气中也无所谓

所以从工质本身来说

它是非常有优势的

但是它有它的缺点

我们下面来看空气压缩制冷

这个是空气压缩制冷循环的

主要部件

我们来看它有哪几个主要部件

一个是压气机

然后冷却器 然后是膨胀机

然后是冷藏室

这四个主要部件

用的工质当然是空气了

然后我们来看一下

这个空气压缩制冷循环的过程

首先是在压气机里面

压气机里面是一个绝热的一个压缩过程

然后接下来是到冷却器

在冷却器里是一个

等压的冷却降温过程

接下来是膨胀机

膨胀机里是绝热膨胀过程

当然温度肯定要降低了

它要降低到比这个冷库温度还要低

然后进到冷藏室 也就是冷库中去

在冷藏室

它是一个等压的一个吸热过程

既然是吸热那温度就要升高

一直升高到冷库的这个温度

然后对它进行理想化处理

那么理想化处理 首先是工质 空气

它是理想气体 然后定比热

最后一个它是

所有的过程是可逆过程

这样一来

在压气机和膨胀机里面的

就分别是等熵压缩和等熵膨胀

然后我们把空气压缩制冷循环

画在p-v图和T-s图上

实际上就是理想气体的循环

在p-v图和T-s图上表示

对应这四个过程

这个是我们前面学过的内容了

实际上那就是

对我们第三章学的内容的一个应用

首先我们来看

1-2等熵压缩是在压气机里面

在p-v图上等熵过程

它是这样的一条线

压力升高 所以是1-2

然后接下来是在冷却器里的

等压冷却水平线

接下来到什么地方

到膨胀机里面 等熵膨胀3-4

然后4-1是在

冷库或者冷藏室里面等压吸热

这是在p-v图上的表示

我们再来看对应的在T-s图上

1-2是一个等熵压缩过程

在压气机里面垂线1-2

然后是冷却器里面等压冷却2-3

然后3-4是膨胀机里

一个等熵的膨胀

然后4-1冷库里面的等压吸热

这就是空气压缩制冷循环

在p-v图和T-s图上的表示

然后你看看这图

是不是在什么地方看过

这图前面是不是有见过类似的

是什么

勃雷登循环

但勃雷登循环是一个正循环

而我们这个是个逆循环

所以空气压缩制冷循环

有的时候又叫逆勃雷登循环

但是与勃雷登循环

动力循环所不同的

我们来看一下

它的热源温度和冷源温度各是多少

我们知道对于逆循环

工质是在热源放热的

所以热源的温度

不可能高于工质的温度

所以我们的环境温度

它不可能高于3点的

所以我们一般把3点的温度

看成是环境的温度是T0

而对于冷源的温度

同理我们这冷源的温度

它也不可能低于工质的温度

也就是1点出口这温度

它是冷库的温度

我们用T1来表示 是这样

这一定很清楚

我们的制冷循环冷热源的温度

跟我们动力循环的

冷热源的温度是不一样的

我们下面来分析

空气压缩制冷循环的制冷系数

制冷系数应该等于q2比上w

然后w=q1-q2

对于我们这个空气压缩制冷循环

这个q1和q2分别是两个等压过程

空气等压过程

它交换的热量就等于

定压比热容乘以温差

这是我们第三章讲的内容

然后我们把分子分母

同时有的定压比热容给它消去

我们可以看到这制冷系数

跟这两个温差的比是相关的

然后我们再回到我们这循环来看

我们来看这循环

是两个等压和两个等熵

对于这两个等熵过程

它的温度与压力的比有这样的关系

而这两个压力的比 因为是等压过程

所以这两个压力的比还是相同的

所以我们可以推出来

这两个温差的比最后是等于T2比上T1

那我们把它带进去变成T2比上T1

而我们常常习惯用压比

来代替这温度的比 那就是p2比上p1

而这个p2比上p1 我们有一个术语

叫做压缩比或者说压比

最后你推下来

也就是说空气压缩制冷循环

它的制冷系数

实际上跟压缩比是相关的

那我们来看一下

如果减小这个压缩比

你的制冷系数应该怎么变

降低压缩比或者减小压缩比

我们从数学表达式来看

这ε制冷系数一定是增加的

实际上降低这压缩比

也就是减小我们的平均放热温度

和平均吸热温度的温差

跟我们刚刚前面讲的是完全类似的

降低这个

吸热温度和放热温度温差

减小温差

那制冷系数一定是提高的

这当然是优点了

我减小这个压比

可以使我的制冷系数提高

但是它有没有不利的地方

我们回到我们的T-s图上我们去看

我们去看我们的q2怎么变

如果说降低压比

或者说减小压缩比 q2怎么变

当然你这降低压比

肯定还是在原来的冷库温度

和环境温度这个条件下的

在维持冷库温度和环境温度

不变的条件下

降低压缩比

肯定是这样的一个循环

也就是说它的q2

你从图上来看它 q2怎么样

比原来要小了

也就是说降低压缩比

可以提高制冷系数

但是会导致一个不利的一个结果

这个不利的结果是什么

单位工质的制冷量

也就是小写的q2会减小的

下面我们再来分析一下

空气压缩制冷循环的优缺点

首先是优点 优点毫无疑问

工质本身决定的

工质廉价 空气嘛

然后没有毒 没有味

也不怕泄露

泄露泄露到空气中去了

不会产生任何不良的影响

但是它的缺点

首先我们来看它没有办法实现等温

没有办法实现等温

我们来看一下

这是我们的

空气压缩制冷循环的p-v图和T-s图

因为是气体 所以你的吸放热的过程

不可能是等温的

然后我们再来看一下

同温限的卡诺制冷循环在什么地方

那就是冷热源温度之间的那个循环了

冷热源温度我们刚刚讲过

热源的温度是我们环境温度

那就是T0 就是T=T3

然后冷库温度

就是我们出口的温度也是T1

所以同温限卡诺制冷循环

应该是绿色的这个

那你看一下

这个空气压缩制冷循环的制冷系数

和同温限卡诺制冷循环的制冷系数

哪个要大一些

那就看谁的温差小

谁的温差小谁的制冷系数就大 谁的小

肯定卡诺制冷循环了

所以说对于空气压缩制冷循环

它的第一个缺点

没有办法实现等温吸放热

所以它制冷系数

比同温限卡诺制冷循环要小的

这是第一个

第二个

q2等于定压比热容乘以温差

冷库出口的温度减去工质入口的温度

T1-T4 这是它的吸热量

理想气体等压条件下吸热量

等于定压比热容乘以温差

而对于理想气体

这个工质本身性质决定了

它的定压比热容很小的

那我就看这温差了

T1-T4 这个T1-T4不允许太大

所以你那q2不可能大 那我让它变大

那你看看变大会产生一个什么结果

在同样的环境温度

和冷库温度的条件下

如果你想让这个冷库

入口和出口的温差增加

那就是4-4′然后3-3′

就是这样的一个循环

那你看这个新的循环

跟原来的循环相比

它的压比怎么样 那就要增加

然后如果增加压比的话

我们前面讲过空气压缩制冷循环

它的制冷系数显示在这个屏幕的右侧

你看压缩比如果是增加的话

它的制冷系数怎么样 就减小了

也就是说q2增加那肯定

它的性能就差

制冷系数就降低

这是它的第二个缺点

第三个对于活塞式的机组

它的流量m很小的

所以总的制冷量

那就是m乘以q2它就很小

所以一般空气压缩制冷循环

它都是用叶轮式的

叶轮式的它流量比较大

然后再加上回热

这是空气压缩制冷循环

实际应用的情况

用叶轮式的机组然后再加上回热

我们就来看一下

你这空气回热压缩制冷循环

是怎样的一个循环

我们首先我们的设备示意图

画在屏幕的左侧

我们来看从冷藏室出来的空气

它先经过一个回热器

然后再到压缩机里面

然后那面从冷却器出来的空气

它先进到回热器然后再到膨胀机里面

实际上是从冷却器出来的气体放热

然后这面从冷藏室出来的气体

进行吸热

那我们把这过程来叙述一下

也就是说

从冷藏室出来的温度为T1的空气

进入回热器吸热升温

升到1R这点

这点的温度也等于环境的温度T0

我们在T-s图上给它画出来

那就是绿色的这个线

然后再到压气机里进行升压

升压到这个温度

跟原来的温度是一样的

然后再到冷却室

冷却器里进行冷却

冷却到5点这个温度

也就是环境温度之后

到回热器里进行放热

从5到3R这个过程

是在回热器里进行放热

这个热量给谁了

从3-5这个放的热量

就给了从1-1R这个气体

也就是从冷藏室出来的气体

这就是空气回热压缩制冷循环的

这个示意图

然后我们来对它进行分析

首先是吸热量

也就是制冷量

也就是在冷藏室里吸收的热量

在冷藏室里吸收的热量

是哪一段 从1-4这一段

不管你是有回热的还是没有回热的

都是这一段

所以也就是说制冷量是不变的

q2是不变的

然后我们再来看放热量

放热量对于我们

没有回热的时候

应该是从2-3这是一个放热

然后对于有回热的

是从2R-5这个是放热

然后我们知道5和3的温度是一样

然后2R和2的温度是一样

所以放热量也是一样的

那也就是说吸热量是一样

放热量也是一样的

所以这两个循环的制冷系数怎么样

那就是一样了

制冷系数一样那有什么好处

那我们再来看看带回热的这个

空气回热制冷循环它的压比

压缩比比原来怎么样 要小了

也就是说它可以用一个

小的一个压缩比

达到同样的制冷系数

这个就非常适合于

小压比大流量的

叶轮式压气机和膨胀机

所以我们实际应用的

都是这种叶轮式的机组

也就是说在我们实际应用的

都是采用这种叶轮式的机组

它可以是小压比大流量

但是这个空气压缩制冷循环

它用的还是比较少的

目前用的地方

主要比如说我们的飞机上

飞机有现成的压缩空气

所以它基本上

用的是这种空气压缩制冷循环

而在我们其它领域

这个空气压缩制冷循环

相对来说用的是比较少的

我们再来看一下

空气压缩制冷循环的根本缺陷

实际上刚刚我们有分析过它的缺点

第一个就是说

它没有办法实现等温

因为它用的是空气 理想气体

理想气体的吸放热过程

不可能实现等温的

所以它的制冷系数就小

第二个 第二个是什么

它的单位工质制冷量等于

定压比热容乘以那个温差

空气本身的定压比热容Cp很小

然后温差你还不能允许它大

温差一变大

它的制冷系数就变小了

所以它的制冷能力是很小的

怎么办

我如果说能够有一个

等温的吸放热过程就好了

我们知道

对于相变过程是等温的

不管是蒸发还是冷凝

这是一个等温的

然后我们的汽化潜热

它比你的温差显热的换热要大多了

所以我们的蒸汽压缩制冷循环

便应运而生

因为我们在用这个

蒸汽压缩制冷循环的时候

我们可以用它冷凝 在两相流

在两相区 气液两相区

那里面是一个等温的一个过程

可以蒸发 可以冷凝

然后你这汽化潜热很大

所以就有了我们后来的这个

蒸汽压缩制冷循环

对于空气压缩制冷循环的主要内容

我们基本介绍完了

你会发现实际上这一部分的内容

就是对我们前面讲的

理想气体过程的基本知识的一个应用

所不同的是我们关注的是制冷

它的制冷系数

所以这一小节的内容也就很清晰

首先你这个空气压缩制冷循环

它的主要部件是什么

每个部件里面是怎样的一个过程

这个要清楚

它有哪些部件

有压气机 然后有冷却器

然后有膨胀机

然后有冷藏室或者是冷库

在各自是怎样的一个过程

理想化的过程

对于压气机是一个等熵压缩

冷却器是一个等压的一个放热

然后膨胀机是一个等熵的膨胀

然后冷库里是一个

等压的一个吸热过程

空气压缩制冷循环

也叫做逆勃雷登循环

当然你这p-v图T-s图一定要会画了

然后当然也要会计算

这也是我们这一小节的主要内容

然后这个是我们这一小节的作业

当然是清华实体课同学的作业

其他同学可以自愿选择来做

但是我有一点想说明一下

也就是说一般我们给你的题目

比如说这个逆循环

工作在A和B温度之间

这两个温度

一般来说高温的那个是环境温度

而另外低温的那温度

是我们的冷库温度

大家要习惯于这种说法

然后来解决这个问题