制冷原理第4章

1、第四章 單級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)胡凱2008.04.084.1 單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)4.1.1 單級(jí)蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)與循環(huán) 蒸氣壓縮式制冷劑有單級(jí)、多級(jí)和復(fù)疊式等多種形式 . 壓縮機(jī)所消耗的功（電能）起了補(bǔ)償作用，使制冷劑不斷從低溫物體中吸熱，并向高溫物體放熱，從而完成整個(gè)制冷循環(huán) .蒸發(fā)器壓縮機(jī)冷凝器節(jié)流閥流程圖：1. 循環(huán)組成：壓縮機(jī)：等熵壓縮；冷凝器：等壓放熱；節(jié)流閥：絕熱節(jié)流，等焓；蒸發(fā)器：等壓吸熱而制冷。2. “四大件”作用壓縮機(jī)：“心臟”，壓縮和輸送制冷劑蒸汽；節(jié)流閥：節(jié)流降壓，并調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量；蒸發(fā)器：吸收熱量（輸出冷量）從而制冷；冷凝器：輸出熱量。 4.1.

2、2 壓焓圖及溫熵圖一：壓焓圖 以絕對(duì)壓力p為縱坐標(biāo)以焓值h為橫坐標(biāo) 一點(diǎn) :臨界點(diǎn)K 兩條狀態(tài)線：左邊的粗實(shí)線為飽和液體線，右邊的粗實(shí)線為飽和蒸汽線 三區(qū)：飽和液體線的左邊是過冷液體區(qū)，飽和蒸汽線的右邊是過熱蒸汽區(qū)， 六條參數(shù)線 ：等壓線，等焓線，等溫線，等熵線，等容線，等干度線 理論循環(huán)的壓焓圖壓焓圖的作用：確定狀態(tài)參數(shù)表示熱力過程分析能量變化二：溫熵圖 以熵為橫坐標(biāo)，溫度為縱坐標(biāo)。 一點(diǎn) :臨界點(diǎn)K 兩條狀態(tài)線：左邊的粗實(shí)線為飽和液體線，右邊的粗實(shí)線為飽和蒸汽線 三區(qū)：飽和液體線的左邊是過冷液體區(qū)，飽和蒸汽線的右邊是過熱蒸汽區(qū)， 六條參數(shù)線 ：等壓線，等焓線，等溫線，等熵線，等容線，等干度

3、線 4.1.3 制冷循環(huán)過程在壓焓圖上的表示點(diǎn)1表示制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)的狀態(tài)。 點(diǎn)2表示制冷劑出壓縮機(jī)時(shí)的狀態(tài)，也就是進(jìn)冷凝器時(shí)的狀態(tài) 。過程線1-2表示制冷劑蒸汽在壓縮機(jī)中的等熵壓縮過程 點(diǎn)3表示制冷劑出冷凝器時(shí)的狀態(tài) 。過程線2-2-3表示制冷劑在冷凝器內(nèi)的冷卻（2-2）和冷凝（2-3）過程。 點(diǎn)4表示制冷劑流出節(jié)流閥時(shí)的狀態(tài)，也就是進(jìn)入蒸汽器時(shí)的狀態(tài)。過程線3-4表示制冷劑在通過節(jié)流閥時(shí)的節(jié)流過程。 過程線4-1表示制冷劑在蒸發(fā)器中的氣化過程。 4.1.4 單級(jí)蒸汽壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算單位質(zhì)量制冷量q0：1kg制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)從被冷卻物體吸收的熱量 。 q0h1h5h1h4 單位容

4、積制冷量qv ：壓縮機(jī)每吸入1m3制冷劑蒸汽（按吸氣狀態(tài)計(jì)），在蒸發(fā)器中所產(chǎn)生的制冷量 。 qvq0 / v1（h1h5）/v1 單位冷凝負(fù)荷qk ：1kg制冷劑在冷卻和冷凝過程中放出的熱量 。 qkh2h4 單位理論壓縮功w0 ：壓縮機(jī)每壓縮輸送1kg制冷劑所消耗的壓縮功 。 w0h2h1 4.1.4 單級(jí)蒸汽壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算制冷系數(shù)0： 熱力完善度 ： 4.1.4 單級(jí)蒸汽壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算4.2 單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán) 4.2.1 實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的差別 實(shí)際循環(huán)過程不是絕熱過程 制冷劑氣體在氣缸中的壓縮過程，存在著氣體內(nèi)部及氣體與汽缸壁之間的摩擦、熱交換

5、冷凝和蒸發(fā)過程都是在有傳熱溫差下進(jìn)行制冷劑通過管道、吸排氣閥門和其它設(shè)備時(shí)存在壓力損失。 實(shí)際循環(huán)的特點(diǎn) 壓縮機(jī)內(nèi)非絕熱、可逆過程； 存在傳熱溫差，過程不可逆； 改善循環(huán)：吸氣過熱和過冷節(jié)流、回?zé)嵫h(huán)；系統(tǒng)存在節(jié)流損失 ；系統(tǒng)存在流動(dòng)損失；系統(tǒng)存在不凝性氣體。 4-1蒸發(fā)器 1-1蒸發(fā)器到壓縮機(jī) 1-1壓縮機(jī)吸氣 1-2s壓縮過程 2s-2s壓縮機(jī)排氣 2s-3冷凝器 3-4節(jié)流閥4.2.2 液體過冷對(duì)循環(huán)性能的影響1. 基本概念液體過冷：液體制冷劑的溫度低于其壓力所對(duì)應(yīng)的飽和液體溫度。過冷度：液體過冷溫度和其壓力所對(duì)應(yīng)的飽和液體溫度之差。 過冷循環(huán)：具有液體過冷的循環(huán)稱為液體過冷循環(huán)。2.

6、實(shí)現(xiàn)方法冷凝器后裝過冷器；設(shè)計(jì)，選型時(shí)，適當(dāng)增大冷凝器面積；制冷系統(tǒng)中設(shè)置回?zé)崞?，采用回?zé)嵫h(huán)。3. 熱力分析單位制冷制冷量：q0h1h5單位理論壓縮功：w0h2h1例4-2 試比較理論循環(huán)與過冷循環(huán)的性能。假定兩個(gè)循環(huán)的冷凝溫度tc均為40。蒸發(fā)溫度te均為5，過冷循環(huán)中液體的溫度由40過冷到35；兩個(gè)循環(huán)的壓縮機(jī)吸入狀態(tài)均為蒸發(fā)壓力pe下的飽和蒸氣狀態(tài)，工質(zhì)為R22,制冷量Q0=50kW.過冷度越大，對(duì)循環(huán)越有利。單位質(zhì)量制冷量提高耗功量不變制冷系數(shù)增大4.2.3 蒸氣過熱對(duì)循環(huán)性能的影響1. 基本概念蒸氣過熱：制冷劑蒸汽溫度高于其壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度。過熱度：蒸汽過熱后的溫度和同壓力下飽和

7、溫度的差值。過熱循環(huán)：具有蒸汽過熱的循環(huán)稱為蒸汽過熱循環(huán)。有效過熱：過熱吸收熱量來自被冷卻介質(zhì)，產(chǎn)生有用的制冷效果。有害過熱：過熱吸收熱量來自被冷卻介質(zhì)以外，無制冷效果。2. 過熱循環(huán)組成1-2 （壓縮機(jī)）：等熵壓縮；2-3 （冷凝器）：等壓放熱；3-4 （節(jié)流閥）：等焓節(jié)流;4-1 （蒸發(fā)器）:等壓吸熱 ；1-1 （過熱）：等壓傳熱3. 實(shí)現(xiàn)方法蒸發(fā)器面積大于設(shè)計(jì)所需面積（有效）；蒸發(fā)器與壓縮機(jī)間的連接管道吸取外界環(huán)境熱量而過熱（有害）；連接管道吸取被冷卻對(duì)象的熱量而過熱（有效）；系統(tǒng)中設(shè)置回?zé)崞鳎ㄓ泻^熱，但有過冷過程伴隨）。 4. 熱力分析（1）有害過熱分析：單位壓縮功增加單位制冷量不變

8、單位冷凝負(fù)荷增大進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑比容增大壓縮機(jī)的排氣溫度升高4. 熱力分析（2）有效過熱分析： 對(duì)循環(huán)是否有益與制冷劑性質(zhì)有關(guān)。（3）實(shí)際運(yùn)行中： 希望有適當(dāng)?shù)倪^熱度。氨過熱度58，氟利昂一般取可采取較大的過熱度。4.2.4 氣液熱交換器對(duì)循環(huán)性能的影響1.回?zé)嵫h(huán) 冷凝后的制冷劑液體與蒸發(fā)后的制冷劑蒸氣進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)液體過冷蒸氣過熱的制冷循環(huán)。2.實(shí)現(xiàn)方法：系統(tǒng)中設(shè)回?zé)崞鳌?3. 循環(huán)過程1-2（壓縮機(jī)）：等熵壓縮；2-3（冷凝器）：等壓放熱冷凝；3-3（回?zé)崞鳎旱葔悍艧徇^冷；3-4（節(jié)流閥）：等焓節(jié)流；4-1（蒸發(fā)器）：等壓吸熱制冷；1-1 （回?zé)崞鳎旱葔何鼰徇^熱。4. 熱力分析單

9、位壓縮功增加；單位制冷量增加；回?zé)嵫h(huán)不一定能提高制冷系數(shù)；氨不采用回?zé)嵫h(huán)；回?zé)徇m合在氟制冷系統(tǒng)中使用。5. 優(yōu)點(diǎn)利于壓縮機(jī)運(yùn)行，防止液擊；提高壓縮機(jī)輸氣系數(shù)；改善低溫下壓縮機(jī)的潤滑條件。 4.2.5 熱交換及壓力損失對(duì)循環(huán)性能的影響 吸入管道 管道中的壓力降始終都是有害的，它使得吸氣比容增大，壓縮機(jī)的壓力比增大，單位容積制冷量減少，壓縮機(jī)容積效率降低。 排出管道 熱量由高溫制冷劑蒸汽傳給周圍空氣，它不會(huì)引起制冷循環(huán)性能的改變，僅僅是減少了冷凝器中的熱負(fù)荷 管道中的壓力降是有害的，它增加了壓縮機(jī)的排氣壓力，因而增加了壓縮機(jī)的壓力比及比功，使得壓縮機(jī)的容積效率降低，制冷系數(shù)下降 冷凝器到膨脹閥

10、之間的液體管道熱量通常由液體制冷劑傳給周圍空氣，使液體制冷劑過冷，制冷量增大 液體管路中的壓力降會(huì)引起部分飽和液體的氣化，導(dǎo)致制冷量降低 例45 假定離開貯液器的氨液溫度為34，壓力為1.35Mpa,垂直向上絕熱流動(dòng)，試確定該氨液變?yōu)轱柡鸵后w時(shí)所允許上升到高度。膨脹閥到蒸發(fā)器之間的管道 安裝在被冷卻空間內(nèi)，傳給管道的熱量將產(chǎn)生有效制冷量；若安裝在室外，熱量的傳遞將使制冷量減少，因而此段管道必須保溫。 由膨脹閥到蒸發(fā)器之間的管道中產(chǎn)生壓降是無關(guān)緊要的 蒸發(fā)器 假定不改變制冷劑出蒸發(fā)器時(shí)的狀態(tài)，蒸發(fā)器中的壓力降對(duì)循環(huán)的性能沒有什么影響。 不改變蒸發(fā)過程中的傳熱溫差，那么出蒸發(fā)器時(shí)制冷劑的壓力便稍有

11、降低，吸氣比容有所增大，壓力比增高，制冷量減少，制冷系數(shù)下降。 冷凝器 假定出冷凝器的壓力不變，必然導(dǎo)致壓縮機(jī)的排氣壓力升高，壓力比增大，壓縮機(jī)耗功增加，制冷系數(shù)下降。壓縮機(jī) 整個(gè)壓縮過程是一個(gè)壓縮指數(shù)在不斷變化的多變過程。 壓縮機(jī)氣缸中有余隙容積存在，氣體經(jīng)過吸、排氣閥及通道處有熱量交換及流動(dòng)阻力，氣體通過活塞與氣缸壁間隙處會(huì)產(chǎn)生泄漏等，這些因素都會(huì)使壓縮機(jī)的輸氣量減少，制冷量下降，消耗的功率增大。 輸氣系數(shù)定義為壓縮機(jī)的實(shí)際輸氣量與理論輸氣量之比 實(shí)際循環(huán)的制冷系數(shù)可表示為 單位制冷量q0與電動(dòng)機(jī)的輸入比功weL之比稱為能效比，用EER表示 。 4.2.6 不凝性氣體的存在對(duì)循環(huán)性能的影響

12、 不凝性氣體的存在將使冷凝器內(nèi)的壓力增加，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣壓力提高，比功增加，制冷系數(shù)下降，壓縮機(jī)容積效率降低。 4.2.7 單級(jí)壓縮實(shí)際制冷循環(huán) 4-1表示制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)和壓降過程；1-1表示蒸氣在回?zé)崞骷拔鼩忾y時(shí)的加熱和壓降過程；1”-2s表示壓縮機(jī)內(nèi)實(shí)際的多變壓縮過程，2s-2s表示排氣經(jīng)過排氣閥時(shí)的壓降過程；2s-3表示蒸氣經(jīng)排氣管道入冷凝器的冷卻、冷凝及壓降過程；3-3表示液體在回?zé)崞骷肮艿乐械慕禍?、降壓過程；3-4表示節(jié)流過程。圖中1-2-3-4-1表示單級(jí)壓縮機(jī)理論制冷循環(huán)過程。 4.3 單級(jí)蒸氣壓縮式制冷機(jī)的性能及工況4.3.1 單級(jí)蒸氣壓縮式制冷機(jī)的性能 蒸發(fā)溫度對(duì)

13、循環(huán)性能的影響 單位容積制冷量 由于te的降低使蒸發(fā)壓力pe隨之下降，因而壓縮機(jī)的吸氣比容v1增大，使分母有較大改變，qv隨te的降低而迅速下降，如圖4-15所示。它意味著對(duì)一臺(tái)給定的壓縮機(jī)而言，隨te的下降，制冷量將迅速下降 比容積功 理論比功w0=h2-h1隨te的降低而增加，這是因?yàn)閴嚎s機(jī)的增壓力比隨te的下降而增加所至，但由于吸氣比容v1也隨te的降低而增加，故比容積功w0v可能增加，也可能減少，無法直接判斷出制冷機(jī)功率的變化規(guī)律。 制冷系數(shù) 蒸發(fā)溫度te降低時(shí)，制冷系數(shù)是下降的 冷凝溫度對(duì)循環(huán)性能的影響 單位容積制冷量 制冷機(jī)的制冷量隨冷凝溫度的升高而降低的。比容積功 縮機(jī)消耗的功率

14、是隨冷凝溫度的升高而增加的。 制冷系數(shù) tc升高時(shí)，q0降低，w0升高，因而制冷系數(shù)急劇下降 制冷機(jī)工況 制冷機(jī)的制冷量、功率消耗及其特性均與蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的高低有關(guān)。 壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)一般應(yīng)按最大軸功率工況的計(jì)算結(jié)果選配，以保證啟動(dòng)過程中能滿足壓縮機(jī)的負(fù)荷要求。但如果使用單位的運(yùn)行工況比較固定，啟動(dòng)時(shí)采取一定的措施（如卸載裝置）也可按運(yùn)行工況選配電機(jī)。壓縮機(jī)出廠時(shí)，機(jī)器銘牌上標(biāo)出的制冷量一般是名義工況下的制冷量。對(duì)全封閉式壓縮機(jī)而言，銘牌上標(biāo)出的制冷量是標(biāo)準(zhǔn)工況下的制冷量，如果是專門為空調(diào)選配的壓縮機(jī)，則銘牌上的制冷量為空調(diào)工況下的制冷量。例4-6 某空調(diào)用制冷系統(tǒng),工質(zhì)為氨,需要制冷量Q0=48KW,空調(diào)用冷水溫度t0=10,冷卻水溫度tw=32,蒸發(fā)器端部的傳熱溫差取te=5.冷凝器端部的傳熱溫差取tc=8,試作制冷機(jī)的熱力計(jì)算.計(jì)算中取液體過冷度tg=5,吸氣管路有害過熱度tr=5,壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)=0.8,指示效率i=0.8。 例47 某單位現(xiàn)有一臺(tái)106F（6FS100型制冷壓縮機(jī)，欲用來配一座小型冷藏庫，庫溫要求為t0=-10，水冷冷凝器的冷卻水溫tw=30，試作運(yùn)行工況下制冷機(jī)的熱力計(jì)算。已知壓縮機(jī)參數(shù)：缸徑D=100mm，行程S=70mm，汽缸數(shù)Z=6，轉(zhuǎn)速n=1440r/min，蒸發(fā)器的端部傳熱溫差取t0=10，冷凝器的端部傳熱溫差取t