廣州大冷熱源工程講義01蒸氣壓縮式制冷循環(huán)

9上篇冷熱源裝置1蒸氣壓縮式制冷循環(huán)由工程熱力學原理可知，逆卡諾循環(huán)是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程交替進行的逆向循環(huán)。等溫膨脹過程4-1：在等溫膨脹機中完成，s2?s1)m（1-1）Q2s2?s1)m（1-2）s2(s21)m)(s2?s1)m（1-3）能達到的最大制冷系數(shù)。而對于實際循環(huán)，由于氣壓縮式制冷系統(tǒng)，其中蒸發(fā)器中沸騰汽化過程是一個等壓等溫過程，冷凝器中的凝結(jié)過程也是等作的蒸氣壓縮式制冷機。系統(tǒng)由絕熱壓縮機、絕熱膨脹機、蒸發(fā)器和冷凝器組成。假設(shè)被冷卻介質(zhì)而系統(tǒng)中制冷劑循環(huán)的質(zhì)量流量各處都是一樣的，則要求膨脹機的汽缸做得很小。這種小膨脹機的由于濕蒸氣區(qū)的逆卡諾循環(huán)實現(xiàn)起來有許多困難，需要進行一系列改進。如果使制冷劑在蒸發(fā)上述這個循環(huán)中蒸發(fā)器和冷凝器的出口均控制在飽和狀態(tài)，因此稱為蒸氣壓縮式制冷的飽和循器和蒸發(fā)器，這四個基本部件也稱為制冷循環(huán)的四大部件，通過管路把這四個部件連結(jié)在一起構(gòu)成CHClF2）蒸發(fā)器是一個換熱設(shè)備，制冷劑在其內(nèi)吸熱汽化，從而冷卻小室。因此，蒸發(fā)器是真正產(chǎn)生制壓縮機是從蒸發(fā)器中抽吸出制冷劑蒸氣并進行壓縮的設(shè)備。它的基本系統(tǒng)功能有：①從蒸發(fā)器中抽吸出蒸氣，以維持蒸發(fā)器內(nèi)一定的蒸發(fā)壓力，同時也就維持了一定的蒸發(fā)溫度。②將吸入的蒸冷凝器是一個換熱設(shè)備，制冷劑在其內(nèi)凝結(jié)并釋放出熱量，這些熱量由空氣或水等介質(zhì)帶冷凝器中用于冷卻制冷劑蒸氣并帶走凝結(jié)放出的熱量的介質(zhì)稱為冷卻劑或冷卻介質(zhì)。常用的冷卻介質(zhì)包括水和空氣，水作冷卻介質(zhì)時就稱為冷卻水。冷凝器中的冷凝過程是等壓過程，其中的制冷劑節(jié)流機構(gòu)可以是自動的或手動的節(jié)流閥（或稱膨脹閥）或是毛細管。節(jié)流機構(gòu)的功能有：①使高壓（冷凝壓力）液體轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪海ㄕ舭l(fā)壓力）液體，創(chuàng)造在低壓低溫下汽化的條件。②調(diào)節(jié)蒸發(fā)），），e造成飽和循環(huán)單位制冷量減少和單位壓縮功增加的原因有二，其一是采用了干壓縮，并一直壓2=A3。c—在Tc、Te條件下的逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)?？梢姡柡脱h(huán)的制冷系數(shù)總是比逆卡諾循環(huán)（有傳熱溫差）的制冷系數(shù)小。通常用循環(huán)效率2、過熱損失和節(jié)流損失代替膨脹機而使耗功增加、制冷量和制冷系數(shù)下降稱為節(jié)流損大。過熱損失和節(jié)流損失表示了飽和A3和蒸氣線的斜率一般是負值，當斜率的絕對值愈?。从骄弰t壓縮終點狀態(tài)離飽和線愈遠，這時飽和循環(huán)的壓縮過程在濕蒸氣區(qū)，則無過熱損失。應該指出，過熱損失、節(jié)流損失絕對值的大小對循環(huán)的制冷系數(shù)的影響并不很重要，更重要的是過熱損失、節(jié)能損失占單位質(zhì)量消耗功和單位質(zhì)量制冷量的比重有多大。而單位質(zhì)量制冷量與消耗功與氣化潛熱的大小有關(guān)。因此，過熱損失、R%%%%蒸氣壓縮式制冷的循環(huán)中，制冷劑經(jīng)歷了汽化、壓縮、冷凝、絕熱膨脹等狀態(tài)變化過程，其狀這些參數(shù)間的關(guān)系已經(jīng)通過實驗建立了數(shù)學模型，為了計算簡便，人們制成各種表和圖來表示制冷劑狀態(tài)、熱力參數(shù)的關(guān)系。目前常用的表有制冷劑飽和液體和蒸氣熱力性質(zhì)表和過熱蒸氣熱力性質(zhì)制冷劑飽和液體和蒸氣性質(zhì)表的項目有：飽和溫度t(℃),飽和壓力p（kPa飽和液體的比容、比焓、比熵之間的關(guān)系。即是說，除了壓力以外，只要知道溫度、比容、比焓、比熵中的任一標軸。等溫線在過冷液體區(qū)近似地垂直于橫坐標軸，在濕蒸氣區(qū)平行于橫坐標軸，在過熱蒸氣區(qū)大R(h14)QemRQemR4kg或kJ／kg。Qeqv=RVR注意：單位容積制冷量是以制冷劑被壓縮機吸入前的狀態(tài)計算的。在制冷系統(tǒng)中，即使制冷劑系統(tǒng)各處的容積流量也并不完全一樣。我們最感興趣的是壓縮機吸入口處的容積流量和單位容積制冷量，因為這關(guān)系到壓縮機的尺寸。制冷劑蒸氣在被壓縮機Rv1（1-10）qv21-13）R(h2qc3（1-15）ε=[例2-1]某單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，蒸發(fā)溫度te=0e=0℃可查得pe=430.17kPa，從而查得h1=1457.739kJ/kg，v1=0.2873m3/kg，te=0℃,sc=40℃可查得pc=1556.7kPa，從而查得h3=390.2qe4qvmR2qcRqc量，冷凝器要消耗一定量的冷卻水或空氣，冷卻水或空氣流動也要消耗能量。其中制冷機的能量消耗是一個重要的技術(shù)經(jīng)濟指標。用制冷系數(shù)來衡量制冷機的能量消耗，制冷系數(shù)又稱性能系數(shù)，常W Qe制冷系數(shù)是無因次量，它表示了制冷機制冷量是消耗功率的倍數(shù)。如制冷系數(shù)ε=3，即是說，節(jié)流損失和過熱損失是使制冷循環(huán)偏離理想的逆卡諾循環(huán)的主要原因。若要提高制冷循環(huán)的制把節(jié)流前的液體進一步冷卻的辦法就是一種減少節(jié)流損失的措施。把飽和液體進一步冷卻成未部分與飽和循環(huán)相同。冷卻水串聯(lián)布置，即先進入過冷卻器對制冷劑液體進行過冷卻而后再送入冷＇＝于膨脹閥正常穩(wěn)定工作。雖然過冷有很多有利之處，但增加設(shè)備費用。一般只在大型系統(tǒng)中才增設(shè)各種制冷劑采取節(jié)流前過冷卻所得的好處是不一樣的。對于節(jié)流損失（相對值）大的制冷劑汽往往是過熱蒸氣。造成吸汽過熱的現(xiàn)象可能是在蒸發(fā)器中汽化后的飽和蒸氣繼續(xù)吸熱而過熱；也可能是在吸汽管（蒸發(fā)器到壓縮機之間的管路）中吸熱而過熱；也有可能是利用吸汽來過冷卻節(jié)流前的液體而過熱。吸汽少量過熱對壓縮機的工作總是有利的，這從而保證了壓縮機的運行安全，并有利于壓縮機效率的提高。至于吸汽過熱對制冷循環(huán)的制冷系數(shù)如果吸汽過熱得到有用的制冷量，則單位質(zhì)量制qe4（1-20）1-21）還是減少也與制冷劑性質(zhì)有關(guān)。此外，由于吸汽過熱而使排汽溫度升高，升高多少與制冷劑的性質(zhì)應注意，上述討論假定了過熱所吸的熱量是有用的制冷量。如果過熱發(fā)生在吸汽管中吸收環(huán)境QshR(h3′4)h1=247.8kJ/kg，v1=0.0694m3/kg；h1’=255kJ/kg，v1’=0.075mehvhhehehvhheh=whch=qehqeh0.07531e4vc2上節(jié)討論的蒸氣壓縮式制冷的飽和循環(huán)沒有考慮制冷劑在管道中流動損失及壓縮機機械運動的中，制冷劑在管路內(nèi)從壓縮機→冷凝器→節(jié)流閥→蒸發(fā)器→壓縮機的循環(huán)過程中，總是有流動阻力也總會有熱量傳入管內(nèi)，使吸汽過熱。這種過熱所吸的熱量是無效制冷量。正如上節(jié)所指出的，這樣會造成單位容積制冷量及制冷系數(shù)降低，功率消耗增加，排汽溫度升高。因此，在實際吸汽管路中流動阻力會造在吸汽壓力（壓縮機吸入蒸氣的壓力）下降。流動阻力相當于制冷劑），導致吸汽比容增大（v1＞v1單位壓縮功增加h2-h1h2＇-h1從而使單位容積制冷量般比周圍環(huán)境溫度要高，因此向外散熱，導致冷凝器的負荷有所下降，但對制冷系數(shù)、制冷量并無壓縮機排汽壓力升高和吸汽壓力降低都會導致壓縮機實際質(zhì)量流量減少，使得制冷系統(tǒng)的制冷溫度高，則向環(huán)境放熱，管內(nèi)液體被冷卻，相當于節(jié)流前過冷卻的作用。這對循環(huán)是有利的，使系統(tǒng)的制冷量及制冷系數(shù)增加。反之，當液體管內(nèi)的溫度比環(huán)境溫度低，液體從環(huán)境吸熱，減少了液高壓液體管的流動阻力并不影響制冷量及制冷系數(shù)。但是，對于過冷度不大的系統(tǒng)，流動造成的壓力降可能使部分液體汽化，從而影響膨脹閥的工作。實際系統(tǒng)中的流動阻力不大，不會產(chǎn)生顯著的壓力降，反而要注意的是高壓液體管向上走時，由于高差引起的壓力降相當顯著，制冷系統(tǒng)設(shè)計時要充分給予考慮。液體管過大的壓力降還會降低膨脹閥工作壓力差，膨脹閥的液體通過能力降否則是無效制冷量，從而導致制冷系統(tǒng)的制冷量及制冷系數(shù)下降，低壓液體管路的流動阻力的壓力），熱并無不利影響。反之，會導致有效制冷量減少，制冷系數(shù)下降。這時應注意蒸發(fā)器進行良好的保阻力的蒸發(fā)器相同，則要求吸汽壓力下降，最終導致制冷循環(huán)的制冷量及制冷系數(shù)下降，消耗功增壓縮機中的壓縮過程也伴隨著傳熱。壓縮開始階段，由于汽缸壁的溫度高于蒸氣溫度，制冷劑被加熱，熵增加；當壓縮到一定程度后，蒸氣的溫度高于汽缸壁的溫度，蒸氣向汽缸壁傳熱，即蒸制冷系統(tǒng)的冷凝溫度（或冷凝壓力）決定于冷卻劑的溫度，而蒸發(fā)溫度（或蒸發(fā)壓力）決定于，（為減少上述大壓縮比條件下制冷所存在的問題的影響，可采用多級壓縮制冷循環(huán)或復疊式制冷雙級壓縮制冷循環(huán)是蒸發(fā)器出來的制冷劑蒸氣經(jīng)低壓級壓縮機壓縮到中間壓力后，再經(jīng)高壓級壓縮機壓縮到冷凝壓力的制冷循環(huán)。根據(jù)其工作方式不同可分為兩級節(jié)流完全中間冷卻的雙級壓縮循環(huán)等。所謂兩級節(jié)流是指從冷凝器進入蒸發(fā)器的制冷劑經(jīng)過了兩個膨脹閥實現(xiàn)兩級節(jié)流過程，而一級節(jié)流則通過一個膨脹閥實現(xiàn)從冷凝壓力節(jié)流到蒸發(fā)壓力；完全中間冷卻是指將低壓級壓縮機的1.5.1.1兩級節(jié)流完全中間冷卻的雙級節(jié)流后進入中間冷卻器中，汽液分離，小部分液體汽化吸熱以冷卻低壓級壓縮機的排汽；大部分液包括低壓級壓縮機的排汽、第一級節(jié)流后分離出來的蒸氣和為冷卻低壓級排汽而汽化出的蒸氣。從1.5.1.2一級節(jié)流完全中間冷卻的雙級這個循環(huán)與兩級節(jié)流完全中間冷卻的雙級壓縮制冷循環(huán)的不同點是采用盤管式中間冷卻器代替熱（過程5-3用于冷卻低壓級的排汽和主流液體的1.5.1.3一級節(jié)流不完全中間冷卻的雙級這個循環(huán)與一級節(jié)流完全中間冷卻的雙級壓縮制冷循環(huán)的不同點是制冷劑主流先經(jīng)盤管式中間冷卻器過冷卻，又經(jīng)回熱交換器進一步過冷卻（過程5-6-7蒸發(fā)器出來的制冷劑蒸氣經(jīng)回熱交換的排汽未完全冷卻到飽和狀態(tài)。這種系統(tǒng)高、低壓級壓縮機的吸汽都有較大的過熱度，因此這種系mLe/(h1mHL(h2mHL(h8e-h1H)（1-33）WL+mH(h4中間壓力使ε最大，這個壓力稱最佳中間壓力。最佳中間壓力可通過試算法確定，實際上常按經(jīng)驗Tm難于達到很低的溫度。如受制冷劑凝固點（如R717的凝固點為-77.7℃)的限制而不能制取很低的所示的復疊式制冷循環(huán)就可能獲得很低的溫度。這個系統(tǒng)由兩個獨立的制冷系統(tǒng)所組成—高溫系統(tǒng)和低溫系統(tǒng)。這兩個獨立的單級蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)由蒸發(fā)冷凝器（它既是高溫系統(tǒng)的蒸發(fā)器，又是低溫系統(tǒng)的冷凝器）聯(lián)系在一起。高溫系統(tǒng)中采用R22等常用的制冷劑，低良好熱力性質(zhì)的制冷劑（如R13）。這種復疊式制冷循環(huán)目前常用在-60℃~蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)中的工質(zhì)稱為制冷劑。系統(tǒng)工作時制冷劑在低壓低溫下汽化吸熱（實現(xiàn)制代了甲烷（CH4）中所有的氫原子而得的（2）氯氟烴（CFC烷烴中氫原子被氯和（5）氫氯烴（HCC烷烴中氫原子部分被氯1930年美國杜邦公司最早開發(fā)生產(chǎn)氯氟烴，以氟利昂（Freon）作為商品名稱，其后面以代碼表示不同的化學物質(zhì)（或組成）。以后世界各國都有了氯氟烴的生產(chǎn)，各生產(chǎn)廠都標以自己商標與構(gòu)不同，它們的編號根據(jù)碳原子團的原子量不對稱性進行區(qū)分。前者兩個碳原子團，原子量由兩種或多種制冷劑按一定比例混合在一起的制冷劑，在一定壓力下平衡的液相和氣相的組分相同，且保持恒定的沸點，這樣的混合物稱為共沸混合制冷劑。共沸混合制冷劑可由組分制冷劑的%（質(zhì)量）的R12混合的共沸混合制冷劑。由兩種或多種制冷劑按一定比例混合在一起的制冷劑，在一定壓力下平衡的液相和氣相的組分制冷劑在制冷裝置中工作的好壞直接決定著制冷裝置的制冷效果、經(jīng)濟性和安全性。影響制冷有些制冷劑的壓力水平高，而有些制冷劑的壓力水平低。通常用制冷劑的標準蒸發(fā)溫度來區(qū)別它的壓力水平。所謂標準蒸發(fā)溫度，就是指在標準大氣壓力（101.32kPa，各種常用制冷劑的標準蒸發(fā)溫度。通?？砂凑諛藴收舭l(fā)溫度的高低將制冷劑劃分高溫制冷劑、中溫同時，水和空氣會對金屬發(fā)生腐蝕，縮短設(shè)備使用壽命。③由于空氣為不凝結(jié)氣體，進入系統(tǒng)后，-50℃/-100℃時相應的蒸發(fā)壓力與冷凝壓力。該表中各種制冷劑按壓力由低到高順序排列。高溫制冷劑主要用于熱泵和空調(diào)；低溫制冷劑只能用于復迭式制冷機的低溫部分；中溫制冷劑則可廣泛地由于蒸發(fā)器與冷凝器的傳熱過程存在傳熱溫差，并由于采取用節(jié)流閥代替膨脹機和用干壓縮代替濕壓縮等措施，使飽和循環(huán)存在著傳熱溫差的不可逆損失、節(jié)流損失和過熱損失，導致制冷系數(shù)制冷壓縮機從蒸發(fā)器吸入低壓氣態(tài)制冷劑，并把它壓縮到足以在常溫下冷凝的壓力。由于壓縮TT或壓縮比越小，壓縮機排氣溫度越低；絕熱指數(shù)越大，或壓縮比越大，排汽溫度就越高。排汽溫度太高，則使壓縮機的容積效率降低，并且容易引起制冷劑及潤滑油的分解，分解的制冷劑同潤滑油起作用，除了生成酸及水外，還使?jié)櫥椭械奶加坞x，在機件上生成積炭。因此說，制冷劑蒸氣壓數(shù)、在相同溫度條件下的壓縮比和排汽溫度。從表中可以看出，氨壓縮機絕熱壓縮時排汽溫度比氟制冷劑在潤滑油中的可溶性是一個重要的特性。根據(jù)制冷劑與潤滑油的可溶性程度，可以把制①難溶解或微溶解潤滑油。這類制冷劑幾乎是不溶解于潤滑油，它們與潤滑油混合時，有明顯面所包括的區(qū)域為有限溶解區(qū)，即出現(xiàn)制冷劑與潤滑油溶液分貧油層和富油層的現(xiàn)象。例如，圖中形成良好的潤滑條件。溶解使?jié)櫥偷哪厅c降低，這對低溫制冷系統(tǒng)是有利的。但是，溶解使油2、制冷劑與水的溶解性氨吸水性強，一般來說，它能以任意比例與水互相溶解組成氨水溶液，即使在低溫下，水也不3、制冷劑的安全性醉。氟利昂中氯的數(shù)量多者毒性稍強；氟的數(shù)量越多，毒性小。然而，當空氣中氟利昂氣體的濃度遇火源可以燃燒，在燃燒過程中又可能突然發(fā)生爆炸，這是因為在燃燒時，氨氣的含量又達到爆炸純氟利昂幾乎對所有金屬（除鎂和含鎂2％以上的鋁合金）無腐蝕作用。但氟利昂中有水時，易溶解天然橡膠和樹脂；對高分子化合物，雖不溶解，但能使它們變軟、膨脹和起泡。因此氟利昂設(shè)備中的密封材料和電器絕緣材料，不能使用天然橡膠、樹脂化合物，而要用耐氟利昂的材料，如除上述性質(zhì)外，還希望制冷劑有較高的導熱系數(shù)，這樣可以提高熱交換設(shè)備的傳熱系數(shù)；制冷R717（氨）是目前用得最為廣泛的一種制冷劑，也是一種優(yōu)越的制冷劑。它有良好的熱力但是，氨有很強的毒性和可燃性。當空氣中氨含量（體積分數(shù)）達到0.50.8％時，會引起R123（C2HCl2F3）標準蒸發(fā)溫度為27.61℃,與R11性和雌性小白鼠身上都發(fā)現(xiàn)了良性腫瘤。腫瘤發(fā)生在實驗鼠的生命末期，未直接造成死亡或器官功在標準蒸發(fā)溫度下不溶于R12所使用的潤卻水冷卻時，冷凝壓力不超過1000kPa，即使冷凝溫度高達65℃,其壓力也不超過2000kPa。故