2.2 理论循环在线视频

前面 我们已经介绍了制冷系统的“理想循环”

由于在实际工程中

理想循环 只能在气液两相区内实现

且 存在有可靠性风险和技术经济性差的问题

因此

在实际工程中

我们必须探索可靠性高

技术经济性好的技术方案

这就是 下面我们将介绍的

工程中可实现的循环形式 就是“理论循环”

蒸气压缩式制冷的理论循环 由两个等压过程

一个等熵压缩过程

和一个不可逆的绝热节流过程构成

其循环过程在T-s图上

为一个多边形1′2′234′1′

它与理想循环 即逆卡诺循环12341

的区别在于

第一 两个传热过程均为等压过程

并且 具有一定的传热温差

以减小传热面积

提高制冷或制热的热功率

第二 用膨胀阀代替膨胀机

以提高制冷系统的经济性

减少其复杂程度

但 由于膨胀阀节流过程是一个不可逆损失过程

故 其膨胀功不能得到利用

而且 这部分膨胀功将转化为热量进入制冷剂中

牺牲了一部分制冷量

使其制冷量减小

第三 蒸气压缩过程在过热区进行

而不是在湿蒸气区内进行

以确保压缩机的安全性

使得循环的制冷量 增大了矩形1′1891′的面积

但 耗功也增大了这个梯形的面积

即1′2′211′的面积

我们来看看 理论循环的实现方式

将完成各个过程功能的设备

或部件按照制冷循环的顺序连接起来

就构成了一个制冷系统

低温 低压的液态制冷剂在蒸发器内

蒸发成低温 低压的饱和或者过热蒸气

再进入压缩机

经压缩机压缩后送入冷凝器

将热量传递至温度更低的冷却介质

从而冷却 冷凝成饱和或者再冷液体

从冷凝器流出的高压饱和

或者再冷液体经膨胀阀节流降压成

气液两相的低压 低温制冷剂后

进入蒸发器中

从温度更高的被冷却介质中吸热

从而蒸发成低温 低压的饱和或者过热蒸气

在制冷装置中

如果我们利用的是 制冷系统制取的冷量

那么该系统就是制冷系统

反之

当我们利用的是从冷凝器中排放的热量

那么 该系统就是热泵系统

从这里也可以看出

制冷与热泵装置的本质

和工作原理是完全相同的

有时候

我们也习惯地将膨胀阀 叫做节流阀

由于用于节流降压的部件有热力膨胀阀

电子膨胀阀 毛细管 节流孔板等多种类型

故大家习惯将它们统称为 节流装置

需要说明的是

实现制冷循环的基本要素

离不开压缩机 冷凝器 膨胀阀 蒸发器

以及参与循环实现能量转换的制冷剂

压缩机是增压设备

膨胀阀是降压设备

因此

冷凝器处于制冷循环的高压区

蒸发器则处于低压区

压缩机 冷凝器 膨胀阀 蒸发器

是实现制冷循环的必备部件

故被人们称为制冷系统的“四大件”

但如果没有制冷剂这个重要载体

仅有四大件 也是不能实现制冷或者制热的

好 我们来看实现理论循环的途径

技术途径1是 温差传热

即制冷循环中制冷剂的

冷凝温度必须高于冷却介质的温度

蒸发温度必须低于被冷却介质的温度

这样必然会导致 制冷系统的制冷系数

或能效比COP就降低了

让我们一起来看一个例子

当室外环境温度Tk’＝35℃

需要维持干球温度为T0’＝27℃

湿球温度为19℃的室内环境时

空调器的制冷量为Qe

请问 在以下几种情况下

空调器的制冷能效比COP各为多少

我们的任务是

将室内的热量Qe 包括潜热和显热

从27℃的低温环境转移至35℃的高温环境中去

根据热力学第二定律

这些热量 不可能自发地转移到室外中去

必须付出高品位的能量

最为理想的循环 就是逆卡诺循环

第一 如果采用逆卡诺制冷机

此时 空调器的冷凝温度等于35℃

蒸发温度=27℃

其能效比最高

COP达到了37.5

第二 对于一台实际空调器

我们需要提供一个低温介质

如10℃的低温液态制冷剂

让Qe转移到制冷剂中

使制冷剂蒸发为气态制冷剂

这就是我们的室内机

液态制冷剂蒸发的温度 也就是蒸发温度

即为10℃

再用压缩机将低压气态制冷剂压缩成为高压

使其高压下的饱和温度高于环境温度35℃

这个饱和温度 就是冷凝温度 如45℃

从低温提取的热量Qe

和压缩机消耗的功Pin一起 从冷凝器中排出

这个排出的热量 我们就称为 冷凝负荷Qc

若以内部参数为逆卡诺循环的

高低温热源温度

此时的COP 则仅为8.1了

我们称这个为“内部逆卡诺循环”

即 我们只考虑了传热温差导致的损失

而没有考虑其他的任何流动

摩擦以及漏热等损失时的理想空调器的能效比

显然

我们为了保证 空调器具有除湿功能

将蒸发温度取得较低

仅为10℃

为了提高空调器的效率

同时 又能有一定的除湿效果

此时 我们可适当的提高蒸发温度

但蒸发温度 不能高于室内环境的露点温度

在干球温度为27℃ 湿球温度为19℃时

此时房间里面空气的露点温度约为15℃

第三 当冷凝温度为45℃

蒸发温度为14℃时

空调器的内部逆卡诺效率COP也仅为9.1左右

可以看出

空调器的理想能效比 从8.1提高至9.1了

有了一定程度的改善

通过上述分析

我们做一个小小的总结

热力学第二定律告诉我们

要将低温环境中的热量转移至高温环境

必须得付出一定的代价

最小的代价是逆卡诺循环消耗的功

换言之说

工作中在高 低温热源之间的制冷机

以逆卡诺循环的效率最高

在实际产品中

不可能实现逆卡诺循环

必须为制冷剂和热源之间 提供一定的温差

高温制冷剂和低温制冷剂之间的温差越小

也就是说 冷凝温度与蒸发温度之间的温差越小

其效率越高

其内部逆卡诺循环的效率 是相同冷凝

和蒸发温度时实际产品的最高效率

也是我们追求的目标

因此 我们经常采用制冷效率

或者热力完善度指标 来标识设备的制造水平

此时 都是以内部逆卡诺循环效率

为基准值来进行计算 比较的

而不采用高 低温热源温度

的逆卡诺循环作为比较基准

我们在研发制冷空调产品时

为提高实际产品的制冷效率

在保证除湿等工艺需求的前提下

应该采取一定的技术措施

尽可能提高蒸发温度 降低冷凝温度

并同时保证 产品具有合理的技术经济性能

实现理论循环的技术途径2是

用膨胀阀代替膨胀机

大家自然要问

为什么要用膨胀阀代替膨胀机呢

这主要是出于经济性的考虑 而采取的措施

其具体原因如下

第一 从T-s图上可以看出

3点的饱和或再冷液体

膨胀至气液两相状态的4点时

需采用膨胀机

这个过程 不仅实现了制冷剂的膨胀降压

而且 还可以用膨胀机回收其膨胀功

从而减少制冷循环所需的净功

然而

膨胀机回收的液体膨胀功是非常少的

相当于三角形3543的面积

膨胀机的结构和压缩机类似

故其结构复杂 体积小

加工困难

因此成本也很高

这在实际工程中

显然不具有良好的经济性

当然 采用膨胀阀后

必然将导致其制冷系数降低

我们可以从T-s图中

清晰地看到 其制冷系数降低的原因

膨胀阀不仅损失了膨胀功

使得耗功量由面积12341增加至12351

而且 这部分膨胀功还转化成了热量

抵消了与膨胀功等量的制冷量

导致制冷量从原来的面积14781

减小至14′7′81

这个过程

也可以理解为

通过少量制冷剂（x）的（吸热）蒸发

使全部高压（3点）

液态制冷剂冷却至蒸发温度下的

饱和液体状态（5点）

这个结论 可以通过证明得到

这里给出了 它的证明过程

说到这儿

我们再回来看看

节流过程对制冷系数的影响问题

由于分母增大

分子减小

故 制冷系数降低

我们将

采用膨胀阀节流降压

导致的制冷系数的降低程度Δε

称为 节流损失

需要说明的是

在T-s图和下面即将介绍的lgp-h图

即压焓图中

我们用虚线 表示不可逆过程

因此 在各种物性图中表示制冷循环时

均需用虚线 表示其节流过程

实现理论循环的技术途径3是

为了防止液击

确保压缩机的压缩过程的可靠性和安全性

采用干压缩过程 代替湿压缩过程

实现干压缩过程 又有两种方式

第一种方式是

在压缩机的进口前 设置气液分离器

这幅图给出了 采用气液分离器的制冷循环

这是冷库制冷系统中常用的 重力供液循环

在蒸发器中未完全蒸发的液态制冷剂

在气液分离器中

利用重力的作用 与气态制冷剂充分分离

液体留在气液分离器内

继续进入蒸发器中吸热 蒸发制冷

而气态制冷剂 则进入压缩机进行压缩

确保了压缩机只压缩气体

不会出现液击事故

顺便说一下

如果在气液分离器后

进入蒸发器的液体管上增设制冷剂泵

该系统就成为了 液泵供液循环制冷系统

这在氨冷库制冷系统中 经常用到

第二种方式是

就是在蒸发器入口设置

可控制制冷剂流量的膨胀阀

通过控制制冷剂流量

以保证蒸发器出口具有一定的过热度

从而确保压缩机不出现液压缩问题

例如

热力膨胀阀

就是一种能够根据蒸发器出口的过热度

自动控制流过蒸发器制冷剂流量的膨胀阀

采用干压缩代替湿压缩 可以保证压缩机的安全

但同时 也损失了制冷效率

导致制冷系数降低

采用干压缩后

T-s图上的蒸发温度

与横坐标围成的面积即制冷量 也有所增加

但 压缩机压缩过程消耗的功量

则比内部逆卡诺循环增大很多

多出了一个三角形的面积 即22′2″2

无疑导致了 制冷系数有很大程度地降低

与节流损失类似

我们将干压缩过程 导致的制冷系数的

降低程度Δε称为 过热损失

很多实际制冷系统

就是根据理论循环构建而成的

例如

我们家里的电冰箱 空调器

还有汽车中的汽车空调等等

其中

电冰箱 汽车空调

是只制取冷量的制冷系统

而空调器可以研发成

只制取冷量的单冷型空调器

也可研发出夏天制冷

冬天制热的热泵型空调器

下面

我们结合几幅图 简单地说明一下它们的工作原理

这里给出了一个单冷型空调器的结构原理图

以及 运行时的状态参数

对于单冷型空调器而言

一般将压缩机 冷凝器放在一个箱体内

我们将它放在室外

故称为 室外机

将蒸发器放在室内箱体内 我们就叫作室内机

作为节流装置的毛细管

或者是膨胀阀 可以放在室内机内

也可以放在室外机内

再采用一根液体管和一根气体管

将室外机和室内机连接成一个制冷的循环系统

就构成一台空调器了

制冷剂 在室内机内的蒸发温度为10℃

蒸发的低温制冷剂气体

经过气体管路 返回到室外机中的压缩机

经过压缩机压缩至45℃对应的饱和压力

温度为80℃的过热蒸气

进入室外机内的冷凝器中

在30℃环境下 冷凝成高压液体

高压液态制冷剂 再经液体管道 送入室内机中的节流装置

节流降压到蒸发温度10℃的两相制冷剂

制冷剂 从室温为27℃的房间内吸热

以维持室内环境的舒适性

我们再看一下汽车空调

它与单冷型房间空调器的工作原理完全相同

所不同的是

空调器采用电动机驱动压缩机运行

所消耗的是电能

而汽车空调的压缩机采用发动机来驱动

所消耗的是机械能

二者的本质是相同的

由于热泵与制冷的原理相同

故 我们可以将空调器设计成热泵型空调器

它在制冷时与单冷型空调器完全相同

但我们还需要用这台设备 在冬天实现制热的功能

即 需要从室外环境中提取热量

并将热量转移至室内环境中去

这就需要空调器 在冬天运行时

让室外的换热器变成蒸发器

室内的换热器变成冷凝器

那么

如何才能实现 室内外换热器的功能转换呢

如果 我们研发一种换向阀

能够在制冷和制热时的制冷剂

流动方向发生改变

使其制热运行时

压缩机排气进入直接进入室内换热器中

再让室外换热器的制冷剂

直接流回压缩机的吸气管中 不就可以了吗

确实是这样的

这就是实现制冷剂换向的阀门

它有四个接口

故 我们称它为 四通换向阀

简称 四通阀

因此

从原理上讲

在单冷型空调器的压缩机进 排气管

和室内 外换热器之间增设一个四通阀

就可以将单冷型空调器 升级为热泵型空调器了

讲到这里

我们稍稍休整一下

对前面所学的内容做一个小结

前面 我们学习了理想循环和理论循环

理想循环 包含逆卡诺循环和劳伦兹循环

而理论循环呢 是理想循环的工程应用

这也说明了 科学与技术的辩证关系

理想循环 是科学范畴

是我们追求的目标

它用于指导实际

可召唤技术的诞生

理论循环 是理想循环的技术转化

是对理想的逼近

是科学问题的工程体现

制冷空调技术被誉为

“20世纪对人类社会影响最大的工程技术成就”

之一

并排名第10位

可以想象

如果 没有空调与制冷技术

四季如春 将永远是诗人的梦想

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然而

为了 维持室内舒适和工艺需求环境

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我们应 如何降低建筑

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请同学们 带着这个问题

继续学习下面的内容