蒸氣壓縮式制冷的熱力學(xué)原理

第一章蒸氣壓縮式制冷的熱力學(xué)原理制冷段液化段保持低壓氣體液化第一節(jié)理想制冷循環(huán)

一、逆卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)（CarnotCycle）是在兩個(gè)溫度不相同的定溫?zé)嵩粗g進(jìn)行的理想熱力循環(huán)。二、勞侖茲循環(huán)勞侖茲循環(huán)（LorenzCycle）是由兩個(gè)等熵絕熱過(guò)程和兩個(gè)可逆多變過(guò)程組成的理想制冷循環(huán)。水的定壓加熱汽化過(guò)程t<tst=tst=tst=tst>tsv<v’v=v’v=v’’v’<v<v’’v>v’’未飽和水飽和水飽和濕蒸汽飽和干蒸汽過(guò)熱蒸汽h<h’h=h’h=h’’h’<h<h’’h>h’’s<s’s=s’s=s’’s’<s<s’’s>s’’水預(yù)熱汽化過(guò)熱第二節(jié)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)水的定壓加熱汽化過(guò)程水預(yù)熱汽化過(guò)熱第二節(jié)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)第二節(jié)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)一點(diǎn)、三區(qū)、五種狀態(tài)第二節(jié)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)第二節(jié)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)一、蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)兩個(gè)等壓過(guò)程一個(gè)絕熱壓縮過(guò)程一個(gè)絕熱節(jié)流過(guò)程與理想循環(huán)區(qū)別？與理想制冷循環(huán)相比，有以下三個(gè)特點(diǎn)：1用膨脹閥代替膨脹機(jī)；2蒸氣的壓縮在過(guò)熱區(qū)進(jìn)行，而不是在濕蒸氣區(qū)內(nèi)進(jìn)行；3兩個(gè)傳熱過(guò)程均為等壓過(guò)程，并且具有傳熱溫差。(一)膨脹閥代替膨脹機(jī)

兩部分損失：(1)節(jié)流過(guò)程3—4是不可逆過(guò)程，制冷劑吸收摩擦熱，產(chǎn)生無(wú)益氣化，降低有效制冷能力。(2)損失了膨脹功。(一)膨脹閥代替膨脹機(jī)節(jié)流損失大小有關(guān)因素：1.與Tk-To有關(guān)，隨其增大而增大；2.與制冷劑的物理性質(zhì)有關(guān)。比潛熱r越小，液態(tài)制冷劑比熱Cx越大節(jié)流損失越大。r/Cx

3.Pk/Pkr越大過(guò)熱損失越大。(二)干壓縮過(guò)程濕壓縮過(guò)程壓縮機(jī)吸入的是濕蒸氣，兩個(gè)缺點(diǎn)：

(1)濕蒸氣迅速蒸發(fā)，占據(jù)氣缸的有效空間，制冷量顯著降低。(2)液珠既破壞壓縮機(jī)的潤(rùn)滑，又會(huì)造成液擊，使壓縮機(jī)遭到破壞。

嚴(yán)禁發(fā)生濕壓縮現(xiàn)象！(二)干壓縮過(guò)程

實(shí)現(xiàn)干壓縮，兩種措施：

(1)采用可調(diào)節(jié)制冷劑流量的節(jié)流裝置。(2)在蒸發(fā)器出口設(shè)置氣液分離器。

過(guò)熱損失大小與制冷劑物理性質(zhì)有關(guān)，一般來(lái)說(shuō):1.節(jié)流損失大的制冷劑，過(guò)熱損失較小

;2.Pk/Pkr越大過(guò)熱損失越大。TST'K11'

2'

2

3

3'4'4

TKT'0T0△TK△T0ab0(三)有關(guān)換熱過(guò)程的傳熱溫差逆卡諾循環(huán)：1’-2’-3’-4’-1’有傳熱溫差的循環(huán)：1-2-3-4-1耗功量增加：陰影面積制冷量減少：1-1’-4’-4-1—冷卻介質(zhì)的溫度；—被冷卻介質(zhì)的溫度；—冷凝器中制冷劑的溫度；—蒸發(fā)器中制冷劑的溫度。(三)有關(guān)換熱過(guò)程的傳熱溫差○有傳熱溫差的制冷循環(huán)的制冷系數(shù)小于逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)?！评湫剩豪碚撗h(huán)的制冷系數(shù)與有溫差傳熱的理想循環(huán)制冷系數(shù)的比值。

ηR的數(shù)值反映了節(jié)流損失和過(guò)熱損失的程度。四個(gè)基本過(guò)程是：

①制冷劑液體在低壓（低溫）下蒸發(fā)，成為低壓低溫蒸氣(蒸發(fā)器)②將該低壓低溫蒸氣提高壓力、溫度成為高壓高溫蒸氣(壓縮機(jī))四個(gè)基本過(guò)程是：

③將高壓高溫蒸氣冷凝，使之成為高壓常溫液體(冷凝器)④高壓常溫液體降低壓力、溫度重新變?yōu)榈蛪旱蜏匾后w，返回到蒸發(fā)器從而完成循環(huán)。(節(jié)流閥)二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算

溫熵圖：直觀便于比較分析；定壓過(guò)程換熱量，以及絕熱過(guò)程壓縮機(jī)的耗功量都可以用過(guò)程初終狀態(tài)的比焓計(jì)算。二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算

（一）壓焓圖的應(yīng)用

圖2-1理論循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示1.單位質(zhì)量制冷量q0

q0=h1-h42.單位質(zhì)量冷負(fù)荷qk

q0=h2-h33.單位質(zhì)量耗功量ωc

ωc=h2-h1熱力計(jì)算條件：蒸發(fā)溫度；冷凝溫度；液態(tài)制冷劑的再冷度；壓縮機(jī)的吸氣溫度(二)蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算

序號(hào)計(jì)算名稱計(jì)算符號(hào)計(jì)算公式1單位質(zhì)量制冷量

2單位容積制冷量3制冷劑的質(zhì)量流量4制冷劑的體積流量計(jì)算符號(hào)及公式序號(hào)計(jì)算名稱計(jì)算符號(hào)計(jì)算公式5單位冷凝熱負(fù)荷

6冷凝器熱負(fù)荷

7單位過(guò)冷負(fù)荷

8過(guò)冷總負(fù)荷

計(jì)算符號(hào)及公式序號(hào)計(jì)算名稱計(jì)算符號(hào)計(jì)算公式9單位理論壓縮功

10壓縮機(jī)理論耗功率

11制冷系數(shù)

12制冷效率

計(jì)算符號(hào)及公式【例題1-1】某空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)需冷量20kW，采用R22壓縮式制冷，蒸發(fā)溫度to=4℃，冷凝溫度tk=40℃，無(wú)再冷，而且壓縮機(jī)入口為飽和蒸氣，試進(jìn)行制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算。飽和狀態(tài)下熱力性質(zhì)表上查得：ｈ1=406.5ｈ3=ｈ4=249.7v1=0.04159s1=1.745pc=0.5661【例題1-3】空氣源熱泵機(jī)組的制熱量為12kW，采用R410A為制冷劑。已知蒸發(fā)壓力為0.9MPa，冷凝壓力為2.7MPa，再冷度為3℃，過(guò)熱度為5℃，進(jìn)行熱泵理論循環(huán)的熱力計(jì)算。例：蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的基本流程圖正確的是下列哪一項(xiàng)？（圖中箭頭為制冷劑流向）（2011年真題）第三節(jié)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的改善節(jié)流損失過(guò)熱損失再冷卻膨脹機(jī)多級(jí)壓縮一、膨脹閥前液態(tài)制冷劑再冷卻（一）設(shè)置再冷卻器液體過(guò)冷過(guò)冷循環(huán)Tsc—再冷溫度Δtsc—再冷度圖2-2過(guò)冷循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示定性分析：在1點(diǎn)一定時(shí)，若5點(diǎn)越靠近飽和液體線，即干度越接近于0，單位質(zhì)量的濕蒸氣所含的飽和液體越多，對(duì)制冷越有利。圖2-2過(guò)冷循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示Tk=30℃，To=-15℃時(shí)，每再冷1℃，ε提高：氨—0.46%R22—0.85%Δtsc越大Tsc越低越好？

NO1.受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件限制Tsc不可能很低；2.膨脹閥前3℃—4℃再冷度，防止閃發(fā)。兩點(diǎn)說(shuō)明：再冷溫度高于冷卻水進(jìn)口溫度；2℃—3℃溫差。措施：1、單獨(dú)設(shè)置再冷卻器（增加設(shè)備費(fèi)）；2、再冷卻器設(shè)置在水冷冷凝器內(nèi)；3、增加冷凝面積（5%—10%）；4、設(shè)置回?zé)崞鳌責(zé)嵫h(huán)。膨脹閥前制冷劑有較大制冷度（二）回?zé)嵫h(huán)一、膨脹閥前液態(tài)制冷劑再冷卻壓縮機(jī)吸入有一定過(guò)熱（液擊、潤(rùn)滑條件）回?zé)嵫h(huán)回?zé)嵫h(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示若不計(jì)回?zé)崞髋c環(huán)境空氣之間的熱交換，則液體過(guò)冷的熱量等于使蒸氣過(guò)熱的熱量，其熱平衡關(guān)系為：

回?zé)嵫h(huán)的性能指標(biāo)如下：?jiǎn)挝毁|(zhì)量制冷量：?jiǎn)挝还責(zé)嵫h(huán)的性能指標(biāo)如下：制冷系數(shù)：制冷量增加耗功量增加制冷系數(shù)？Tk=30℃；To=-15℃時(shí)；吸氣溫度15℃；過(guò)熱度30℃：幾種制冷劑回?zé)嵫褐评鋭㏑717R22R502ε增減率%-4.81-1.88+3.02t2'/t2（℃）140.3/10284.7/53.566.5/37.3好用可用絕不能用有關(guān)回?zé)嵫h(huán)壓縮制冷的描述，下列哪幾項(xiàng)是正確的？（2011年真題多選）A采用回?zé)嵫h(huán)，總會(huì)提高制冷系數(shù)；B采用回?zé)嵫h(huán)，單位質(zhì)量制冷劑的制冷量總會(huì)提高；C采用回?zé)嵫h(huán)，單位質(zhì)量制冷劑的壓縮功總會(huì)增加；D采用回?zé)嵫h(huán)，壓縮機(jī)的排氣溫度比不采用回?zé)嵫h(huán)的壓縮機(jī)排氣溫度高。例：某地緣熱泵機(jī)組采用R502制冷劑，冷凝溫度為40℃，蒸發(fā)溫度為-5℃。如圖所示采用回?zé)嵫h(huán)，求該理論循環(huán)制冷系數(shù)。h1=420kj/kgh2'=460kj/kgh5=276kj/kgh4'=270kj/kg4.412蒸汽過(guò)熱基本概念蒸氣過(guò)熱：制冷劑蒸汽溫度高于其壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度。過(guò)熱度：蒸汽過(guò)熱后的溫度和同壓力下飽和溫度的差值。過(guò)熱循環(huán)：具有蒸汽過(guò)熱的循環(huán)稱為蒸汽過(guò)熱循環(huán)。有效過(guò)熱：過(guò)熱吸收熱量來(lái)自被冷卻介質(zhì)，產(chǎn)生有用的制冷效果。有害過(guò)熱：過(guò)熱吸收熱量來(lái)自被冷卻介質(zhì)以外，無(wú)制冷效果。熱力分析（1）有害過(guò)熱分析：?jiǎn)挝粔嚎s功增加單位制冷量不變單位冷凝負(fù)荷增大進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑比容增大壓縮機(jī)的排氣溫度升高熱力分析（2）有效過(guò)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^(guò)熱度。氨過(guò)熱度5～8℃，氟利昂一般取可采取較大的過(guò)熱度。有效過(guò)熱/有害過(guò)熱？蒸發(fā)器面積大于設(shè)計(jì)所需面積；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(guò)熱；連接管道吸取被冷卻對(duì)象的熱量而過(guò)熱；系統(tǒng)中設(shè)置回?zé)崞鳌＃ǖ羞^(guò)冷過(guò)程伴隨）

有效過(guò)熱的過(guò)熱度對(duì)制冷系數(shù)的影響過(guò)熱度℃R502R600aR290R134aR22NH3045.337.444.444.155.993.03073.965.772.172.986.3131.5過(guò)熱度對(duì)排氣溫度的影響大容量制冷裝置中采用：無(wú)加工制造的困難；對(duì)高壓液體膨脹降壓；回收膨脹功；提高制冷系數(shù)、節(jié)省能量消耗。二、回收膨脹功單位質(zhì)量制冷能力：壓縮機(jī)理論耗功率：理論制冷系數(shù)提高：二、回收膨脹功1.冷凝壓力?tk?環(huán)境溫度、冷卻介質(zhì)溫度；2.蒸發(fā)壓力?t0?用戶要求（制冷系統(tǒng)的用途）；

3.用戶蒸發(fā)溫度↘?冷凝壓力↘?壓縮比（Pk/P0）↗。Pk/P0

增大導(dǎo)致：

a.壓縮機(jī)排氣溫度升高，潤(rùn)滑油被碳化，導(dǎo)致潤(rùn)滑不良；b.耗功增加，制冷量下降，制冷系數(shù)降低。

1.氨制冷系統(tǒng)：Pk/P0≤8；最低蒸發(fā)溫度＝-25℃。2.氟利昂制冷系統(tǒng)：Pk/P0≤10；最低蒸發(fā)溫度＝-37℃。分體空調(diào)器在室外環(huán)境溫度比較低的條件下，不能進(jìn)行制熱工況運(yùn)行，其主要原因是下列哪一項(xiàng)？（2006年真題單選）A潤(rùn)滑油粘度太大，致使壓縮機(jī)不能正常運(yùn)行；B壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高，致使壓縮機(jī)不能正常運(yùn)行；C不能保證室內(nèi)空氣溫度要求；D制熱效率太低，經(jīng)濟(jì)不合理。三、多級(jí)壓縮制冷循環(huán)降低排氣溫度，減少過(guò)熱損失和耗功量；高低壓（高低溫）差越大，節(jié)能效果越明顯。初投資增加Pk/P0>8采用兩種形式：閃發(fā)蒸汽分離器中間冷卻器（一）閃發(fā)蒸氣分離器離心式或螺桿式常用；減少一級(jí)壓縮制冷劑流量，降低二級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)口的蒸汽溫度和比容，從而降低壓縮機(jī)功耗；（一）閃發(fā)蒸氣分離器也稱為經(jīng)濟(jì)器（或節(jié)能器）；稱為二次節(jié)流、不完全中間冷卻雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)不完全中間冷卻不適用于氨制冷劑系統(tǒng)（二）中間冷卻器一次節(jié)流、完全中間冷卻冷卻盤管—再冷—節(jié)能、穩(wěn)定運(yùn)行圖1-14一次節(jié)流完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)（a）工作流程；（b）理論循環(huán)（二）中間冷卻器一次節(jié)流、不完全中間冷卻中間壓力選擇/流經(jīng)各設(shè)備的制冷劑流量不等圖1-15

一次節(jié)流不完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)（a）工作流程；（b）理論循環(huán)1.中間壓力（1）制冷系數(shù)最大原則（最佳）

適用于氨和R22

（2）按壓縮比相等原則例：某一次節(jié)流完全中間冷卻的氨雙級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)冷凝溫度38℃，蒸發(fā)溫度-35℃。按制冷系數(shù)最大為原則確定中間壓力，對(duì)應(yīng)的中間溫度接近下列何相？（2011年真題）

2.制冷劑質(zhì)量流量進(jìn)入低壓級(jí)壓縮機(jī)制冷劑流量圖1-14

一次節(jié)流完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)（a）工作流程；（b）理論循環(huán)2.制冷劑質(zhì)量流量中間冷卻器的熱平衡方程圖1-14

一次節(jié)流完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)（a）工作流程；（b）理論循環(huán)2.制冷劑質(zhì)量流量中間冷卻器的熱平衡方程圖1-15

一次節(jié)流不完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)（a）工作流程；（b）理論循環(huán)例：與單機(jī)壓縮制冷循環(huán)相比，關(guān)于帶節(jié)能器的多級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán)的描述中，哪一項(xiàng)是錯(cuò)誤的？（2012年真題單選）A.節(jié)流損失減??；B.過(guò)熱損失減??；

C.排氣溫度升高；D.制冷系數(shù)提高；

【例題1-4】如圖1-13所示，制冷劑采用R134a，冷凝溫度為40℃，蒸發(fā)溫度為4℃，制冷量為20KW，試進(jìn)行理論循環(huán)熱力計(jì)算。例：下圖為閃發(fā)蒸汽分離器的R134a雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)，問(wèn)流經(jīng)蒸發(fā)器與流經(jīng)冷凝器的質(zhì)量流量之比，應(yīng)為何值？該循環(huán)主要狀態(tài)點(diǎn)制冷劑比焓（kj/kg）

h3=410.25，h6=256.41，h7=228.50（2007年真題）0.846例：下圖為閃發(fā)蒸汽分離器的R134a雙級(jí)壓縮制冷循環(huán),該循環(huán)主要狀態(tài)點(diǎn)制冷劑比焓（kj/kg）h3=410.25，h7=228.50，當(dāng)流經(jīng)蒸發(fā)器與流經(jīng)閃發(fā)蒸汽分離器的質(zhì)量流量之比為5.5時(shí)，h3應(yīng)為何值？（2012年真題）256.5例：某氨壓縮式制冷機(jī)組，冷凝溫度為40℃、蒸發(fā)溫度為-5℃，圖示為其理論循環(huán)。點(diǎn)2為蒸發(fā)器制冷劑出口狀態(tài)，該循環(huán)的理論制冷系數(shù)應(yīng)是下列何項(xiàng)？（2010年真題）例：某地源熱泵供熱量為823KW，性能系數(shù)是4.58，地源管道循環(huán)水泵耗功率18.7KW，供回水溫度為15/7℃。計(jì)算地埋管從土壤吸熱量和循環(huán)水量。5、復(fù)疊式蒸氣壓縮式制冷循環(huán)1)蒸發(fā)溫度必須高于制冷劑的凝固點(diǎn)。如：氨的凝固點(diǎn)為-77.7℃，不能制取更低的溫度。2)制冷劑的蒸發(fā)溫度過(guò)低時(shí)．其相應(yīng)的蒸發(fā)壓力也非常低，空氣容易滲入系統(tǒng)(0.1-0.15bar)，嚴(yán)重影響制冷循環(huán)的正常運(yùn)行。3)蒸發(fā)溫度很低時(shí)，氣態(tài)制冷劑的比容很大，單位容積制冷能力大為降低，勢(shì)必要求壓縮機(jī)的體積流量很大。5、復(fù)疊式蒸氣壓縮式制冷循環(huán)為獲得低于-70～-60℃的低溫不宜采用氨等中溫制冷劑；低溫制冷劑：R23的凝固點(diǎn)為-155℃，沸點(diǎn)為-82.1℃(常壓)；to=-80℃,R23Po=1.14bar;但臨界溫度低，壓力高；R23臨界溫度26.13℃；R23臨界壓力48.273bar。人造冷源—復(fù)疊式制冷循環(huán)復(fù)疊式制冷循環(huán)

復(fù)疊式制冷循環(huán)內(nèi)復(fù)疊式制冷循環(huán)復(fù)疊式制冷循環(huán)復(fù)疊式制冷循環(huán)機(jī)

圖1-16復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷循環(huán)(a)工作過(guò)程；(b)理論循環(huán)的lgp-h圖Po=1.14barPk=1.94barPo'=1.64barPk'=11.92bar內(nèi)復(fù)疊式制冷循環(huán)機(jī)

第四節(jié)跨臨界制冷循環(huán)亞臨界循環(huán)：制冷循環(huán)的冷凝壓力遠(yuǎn)離制冷劑的臨界壓力；跨臨界循環(huán)：壓縮機(jī)的排氣壓力位于制冷劑臨界壓力之上，而蒸發(fā)壓力位于臨界壓力之下。第四節(jié)跨臨界制冷循環(huán)亞臨界循環(huán)：制冷循環(huán)的冷凝壓力遠(yuǎn)離制冷劑的臨界壓力；跨臨界循環(huán)：壓縮機(jī)的排氣壓力位于制冷劑臨界壓力之上，而蒸發(fā)壓力位于臨界壓力之下。第五節(jié)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)理論循環(huán)與實(shí)際循環(huán)相比忽略了以下三方面：在壓縮機(jī)中，氣體內(nèi)部和氣體與汽缸壁之間的摩擦，以及氣體與外部的熱交換；制冷劑流經(jīng)壓縮機(jī)進(jìn)排氣閥的損失；制冷劑流經(jīng)管道、冷凝器和蒸發(fā)器等設(shè)備時(shí)，制冷劑與管壁或器壁之間的摩擦，以及與外部的熱交換。（1）1’→1’’：進(jìn)入壓縮機(jī)前，由于沿途摩擦阻力、局部阻力以及吸收外界的熱量制冷劑壓力稍有降低、溫度升高。（2）1’’→a：低壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，被節(jié)流，壓力降至Pa。（3）a→b：低壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入氣缸，吸收氣缸熱量，溫度有所上升，壓力仍為Pa。（5）c→d：制冷劑流經(jīng)壓縮機(jī)排氣閥，被節(jié)流，比焓基本不變，壓力有所降低。（4）b→c'：實(shí)際壓縮過(guò)程線，初期吸熱熵增，后期放熱熵減。c'→c氣缸頭部冷卻。（6）d→2’：制冷劑從壓縮機(jī)經(jīng)管道至冷凝器的過(guò)程，由于阻力和熱交換的存在，制冷劑壓力與溫度均有所降低。（7）2’→3→3’：制冷劑在冷凝器中由于有摩擦和漩渦的存在，冷凝過(guò)程不等壓，壓力有不同程度降低。出口有再冷度3→3’。（8）3’→4’：制冷劑節(jié)流過(guò)程。溫度不斷降低，在進(jìn)入蒸發(fā)器前，從外界吸收一些熱量，比焓略有增加。（9）4’→1’：蒸發(fā)過(guò)程也不是等壓過(guò)程，壓力有所降低。一、實(shí)際循環(huán)過(guò)程分析第五節(jié)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)二、實(shí)際循環(huán)的制冷性能實(shí)際壓縮過(guò)程是指數(shù)不斷變化的多變過(guò)程；二、實(shí)際循環(huán)的制冷性能余隙容積、換熱、流動(dòng)阻力、泄露—輸氣量減少