蒸氣壓縮式制冷的熱力學(xué)原理

蒸氣壓縮式制冷的熱力學(xué)原理液體氣化制冷原理

氣化：液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的物態(tài)變化稱為氣化（蒸發(fā)和沸騰），氣化時(shí)需吸收氣化潛熱。

氣化潛熱：1kg液體氣化時(shí)所吸收的熱量。第2頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天液體氣化制冷原理

液體的壓力不同，其飽和溫度（即沸點(diǎn)）也不同（壓力越低，沸點(diǎn)越低，如氨在0.1MPa壓力下，其沸點(diǎn)為－33.4℃；0.5MPa壓力下，其沸點(diǎn)為4℃）。只要?jiǎng)?chuàng)造一定的低壓條件，利用液體的氣化就可能獲得所需要的低溫。

第3頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天液體氣化制冷的工作過(guò)程

四大部件：壓縮機(jī)：蒸氣壓縮

冷凝器：放熱冷凝

節(jié)流閥：節(jié)流降壓蒸發(fā)器：吸熱蒸發(fā)

第4頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)：在兩個(gè)恒溫?zé)嵩粗g進(jìn)行的理想循環(huán)。第一節(jié)理想制冷循環(huán)

第5頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、逆卡諾循環(huán)T－S圖

1-2：等熵壓縮T0→Tk，耗功wc2-3：等溫壓縮放熱qk=Tk(sa-sb)3-4：等熵膨脹Tk→T0，做功we4-1：等溫膨脹吸熱q0=T0(sa-sb)第6頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天逆卡諾循環(huán)結(jié)果每一制冷循環(huán)，1kg制冷劑：循環(huán)凈耗功量為：第7頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天制冷循環(huán)性能指標(biāo)：制冷系數(shù)

的定義：?jiǎn)挝缓墓α克@取的冷量

第8頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天制冷循環(huán)性能指標(biāo)對(duì)于逆卡諾循環(huán)，制冷系數(shù)

c'

:大小只取決于兩個(gè)熱源的溫度；T0'↗或Tk'↘，→

c'

↗

在實(shí)際制冷系統(tǒng)中，制冷系數(shù)又稱為性能系數(shù)，用符號(hào)COP表示第9頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天制冷循環(huán)的熱力完善度熱力完善度是表征實(shí)際制冷循環(huán)接近理想循環(huán)的程度蒸氣壓縮式：計(jì)算制冷效率或熱力完善度時(shí)，必須：(1)計(jì)算實(shí)際制冷循環(huán)的制冷系數(shù)或熱力系數(shù)(2)計(jì)算理想循環(huán)的制冷系數(shù)或熱力系數(shù)(3)計(jì)算制冷效率或熱力完善度第10頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天制冷系數(shù)與熱力完善度比較制冷系數(shù)ε和熱力完善度η都是反映實(shí)際制冷循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)。但二者的含義不同。ε只是從能量轉(zhuǎn)換的角度，反映制冷循環(huán)中收益能與補(bǔ)償能在數(shù)量上的比值，不涉及二者的能量品位。η同時(shí)考慮了能量轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系和實(shí)際循環(huán)中的不可逆程度的影響。

ε的數(shù)值可能大于1、小于1或等于1。η始終小于1。第11頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天制冷系數(shù)與熱力完善度比較用ε值的大小來(lái)比較兩臺(tái)實(shí)際制冷機(jī)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)性時(shí)，必須是同類制冷機(jī)，并以相同熱源條件為前提才具有可比性。用η作評(píng)價(jià)指標(biāo)，使任意兩臺(tái)制冷機(jī)在循環(huán)的熱力學(xué)經(jīng)濟(jì)性方面具有可比性，無(wú)論它們是否同類機(jī)，也無(wú)論它們的熱源條件相同或是不同。第12頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天有溫差傳熱的逆卡諾循環(huán)第13頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天逆卡諾循環(huán)——熱泵用于供熱，性能指標(biāo)為供熱系數(shù)。供熱系數(shù)μ：?jiǎn)挝缓墓α克@取的熱量，用于供熱，供熱量永遠(yuǎn)大于所消耗的功量。第14頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、勞侖茲循環(huán)在實(shí)際的制冷系統(tǒng)中，制冷過(guò)程中冷熱源的溫度通常是變化的。勞侖茲循環(huán)（LorenzCycle）是在兩個(gè)變溫?zé)嵩粗g進(jìn)行的理想循環(huán)。

a→b：等熵壓縮b→c：變溫壓縮c→d：等熵膨脹d→a：變溫膨脹T－S圖

第15頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、勞侖茲循環(huán)1kg制冷劑：從被冷卻介質(zhì)吸收的熱量為：向熱源放出的熱量為：制冷系數(shù)為：勞侖茲循環(huán)可以處理為平均放熱溫度、平均吸熱溫度的逆卡諾循環(huán)。

第16頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天變溫?zé)嵩磿r(shí)的逆向可逆循環(huán)

——洛倫茲循環(huán)第17頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二節(jié)蒸汽壓縮式制冷的理論循環(huán)為了便于應(yīng)用熱力學(xué)理論對(duì)蒸汽制冷機(jī)的實(shí)際過(guò)程進(jìn)行分析，提出了理論循環(huán)。理論循環(huán)忽略了制冷機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中的一些復(fù)雜因素，將循環(huán)加以簡(jiǎn)化抽象。理論循環(huán)是今后研究實(shí)際制冷循環(huán)的基礎(chǔ)。第18頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天（1）壓縮過(guò)程為等熵過(guò)程，即在壓縮過(guò)程中不存在任何不可逆損失；（2）在冷凝器和蒸發(fā)器中，制冷劑的冷凝溫度等于冷卻介質(zhì)的溫度，蒸發(fā)溫度等于被冷卻介質(zhì)的溫度，且冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都是定值；理論循環(huán)是一些假設(shè)第19頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天（3）離開(kāi)蒸發(fā)器和進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑蒸氣為蒸發(fā)壓力下的飽和蒸氣，離開(kāi)冷凝器和進(jìn)入膨脹閥的液體為冷凝壓力下的飽和液體；（4）制冷劑在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，沒(méi)有流動(dòng)阻力損失，忽略動(dòng)能變化，除了蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)的管子外，制冷劑與管外介質(zhì)之間沒(méi)有熱交換；（5）制冷劑在流過(guò)節(jié)流裝置時(shí)，流速變化很小，可以忽略不計(jì)，且與外界環(huán)境沒(méi)有熱交換第20頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二節(jié)蒸汽壓縮式制冷的理論循環(huán)逆卡諾循環(huán)的關(guān)鍵是兩個(gè)等溫過(guò)程，利用純工質(zhì)或共沸工質(zhì)的定壓蒸發(fā)和冷凝實(shí)現(xiàn)，循環(huán)在濕蒸氣區(qū)進(jìn)行。實(shí)際循環(huán)卻是兩個(gè)定壓、一個(gè)絕熱壓縮、一個(gè)絕熱節(jié)流過(guò)程第21頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、逆卡諾循環(huán)的局限

膨脹機(jī)的經(jīng)濟(jì)性液態(tài)制冷劑的比容變化很小，因而可以利用的膨脹功十分有限。膨脹機(jī)的尺寸小，因而摩擦損失相對(duì)較大。

第22頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天干壓縮代替了濕壓縮:

壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)為干飽和或過(guò)熱蒸汽。節(jié)流閥代替了膨脹機(jī)簡(jiǎn)化了設(shè)備，但損失了膨脹功，并造成節(jié)流損失。2、蒸氣壓縮式制冷工作過(guò)程第23頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天壓縮機(jī)：等熵壓縮；冷凝器：等壓放熱；節(jié)流閥：絕熱節(jié)流；蒸發(fā)器：等壓吸熱。

壓縮制冷理論循環(huán)組成第24頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天

3、理論循環(huán)與逆卡諾循環(huán)的對(duì)比分析

蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)的T－s圖

(1)節(jié)流閥代替膨脹機(jī)1kg制冷劑損失的膨脹功

節(jié)流過(guò)程的不可逆損失第25頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天采用節(jié)流閥代替了膨脹機(jī)，一方面損失了膨脹功，另一方面產(chǎn)生了無(wú)益氣化，降低了制冷能力，導(dǎo)致制冷系數(shù)有所下降。其降低的程度，稱為節(jié)流損失。第26頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)的T－s圖

（2）干壓縮代替濕壓縮1kg制冷劑增加的制冷量

壓縮功增加第27頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天采用干壓縮代替了濕壓縮，一方面增加了制冷量，但另一方面壓縮機(jī)功耗也增加，導(dǎo)致制冷系數(shù)亦有所下降。其降低的程度，稱為過(guò)熱損失。第28頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天濕壓縮的缺點(diǎn)：濕蒸氣進(jìn)入壓縮機(jī)與壁面熱交換后，占據(jù)容積，使得制冷劑質(zhì)量流量減少，制冷量下降；過(guò)多液態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，造成液擊，影響潤(rùn)滑，損害壓縮機(jī)。避免濕壓縮的方法

在蒸發(fā)器出口增設(shè)氣液分離器；調(diào)節(jié)膨脹閥的開(kāi)度，控制壓縮機(jī)入口制冷劑蒸氣的過(guò)熱度。第29頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天制冷循環(huán)的分析工具lgp-h圖和T-s圖1點(diǎn)、2線、3區(qū)6等值線分析與計(jì)算工具第30頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天T-S圖一點(diǎn)、二線、三區(qū)、五態(tài)、六等值線。第31頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算

1、壓焓圖(莫里爾圖)的應(yīng)用1.1壓焓圖作用確定狀態(tài)參數(shù)表示熱力過(guò)程分析能量變化

第32頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算

等壓線—水平線等焓線—垂直線等干度線—濕蒸氣區(qū)域內(nèi)等熵線—向右上方傾斜等容線—向右上方傾斜等溫線—垂直線

（過(guò)冷區(qū)）→水平線（濕蒸汽區(qū)）→向右下方彎曲（過(guò)熱蒸氣區(qū)）

1.2怎樣看壓焓圖一點(diǎn)、2線、3區(qū)、6等值線第33頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天R22的P-h圖第34頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天R134a的P-h圖第35頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天R600a的P-h圖第36頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天理論循環(huán)在T-s圖和lnP-h圖上表示理論循環(huán)在T-s圖（a）和lnp-h圖（b）上的表示第37頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)壓焓圖上的表示二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算

根據(jù)確定的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、壓縮機(jī)的吸氣溫度及液態(tài)制冷劑的再冷度等已知條件，計(jì)算以下各參數(shù)：第38頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算（1）制冷劑單位質(zhì)量制冷量q0：1kg制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)從被冷卻介質(zhì)吸收的熱量。

q0＝h1－h(huán)4＝h1－h(huán)3；kJ/kg第39頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）單位容積制冷量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。

qv＝q0/v1＝（h1－h(huán)4）/v1;kJ/m3

v1為制冷劑的比容。（3）制冷劑的制冷流量

Mr和體積流量Vr：

二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算式中：

0為制冷系統(tǒng)的制冷功率/制冷量；kW。

第40頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算（4）冷凝器的冷凝負(fù)荷

k：制冷劑在冷凝器中冷卻、冷凝過(guò)程中放出的熱量。qk=h2－h(huán)3

k＝Mr(h2－h(huán)3)（5）壓縮機(jī)的理論耗功率Pth：

w=h2－h(huán)1

第41頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算（6）理論制冷系數(shù)

th

：1kg制冷劑單位耗功量的制冷量。（7）制冷效率

R：理論制冷循環(huán)制冷系數(shù)與理想制冷循環(huán)制冷系數(shù)之比。第42頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算3、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算舉例

例1、某空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)需制冷量20kW，采用氨壓縮式制冷，蒸發(fā)溫度t0＝4oC，冷凝溫度tk＝40oC，無(wú)再冷，并且壓縮機(jī)入口為飽和蒸氣，試進(jìn)行理論循環(huán)的的熱力計(jì)算。解：(1)繪出理論循環(huán)的壓焓圖；(2)根據(jù)氨的熱力性質(zhì)表(p235)查處于飽和線上的有關(guān)參數(shù)值；(3)計(jì)算狀態(tài)點(diǎn)4的參數(shù)值；(4)根據(jù)壓焓圖確定狀態(tài)點(diǎn)4的參數(shù)值；(5)進(jìn)行熱力計(jì)算。第43頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天狀態(tài)點(diǎn)4的參數(shù)值計(jì)算：

h4=xh1+(1-x)h4′

v4=x4v1+(1-x4)v4′

v4=v4′+x4

(v1-v4′)第44頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天單位質(zhì)量制冷能力：?jiǎn)挝蝗莘e制冷能力：第45頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天制冷劑質(zhì)量流量：制冷劑體積流量：冷凝器熱負(fù)荷：第46頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天壓縮機(jī)理論耗功率：理論制冷系數(shù)：制冷效率：例1-1、1-2、1-3P9-11第47頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天第三節(jié)

蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善第48頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天制冷循環(huán)演變思想理想循環(huán)：逆卡諾循環(huán)、勞侖茲循環(huán)兩個(gè)等溫過(guò)程

兩個(gè)等壓過(guò)程循環(huán)位于氣液兩相區(qū)理論循環(huán)膨脹機(jī)

膨脹閥濕壓縮

干壓縮無(wú)溫差傳熱

溫差傳熱循環(huán)的改善根據(jù)不同的目的改善制冷循環(huán)實(shí)際循環(huán)：存在各種損失第49頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天

節(jié)流過(guò)程帶來(lái)的節(jié)流損失；干壓縮所產(chǎn)生的過(guò)熱損失。蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的兩種損失第50頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、膨脹閥前液態(tài)制冷劑再冷卻

液體再（過(guò)）冷：從冷凝器出來(lái)的液態(tài)制冷劑的溫度低于其壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度。再（過(guò)）冷度：液體過(guò)冷后的溫度與其壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度的差值。再（過(guò)）冷循環(huán)：具有液體過(guò)冷的制冷循環(huán)稱之為再（過(guò)）冷循環(huán)。第51頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天改善制冷循環(huán)的措施過(guò)冷的手段：設(shè)置過(guò)冷器,增大冷凝器面積（程度有限）回?zé)嵫h(huán):注意回?zé)岵灰欢芨纳浦评溲h(huán)COP，與制冷劑種類有關(guān)第52頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、膨脹閥前液態(tài)制冷劑再冷卻

1、設(shè)置再冷卻器的蒸氣壓縮式制冷循環(huán)理論循環(huán)

第53頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天節(jié)流前制冷劑飽和液體的過(guò)冷節(jié)流后5點(diǎn)的干度大小直接影響了q0的大小。改進(jìn)方法：（1）改善節(jié)流過(guò)程，使之更接近等熵過(guò)程。（2）液體過(guò)冷第54頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天(2)、回?zé)釋?duì)蒸氣壓縮式制冷性能的影響

利用回?zé)崾构?jié)流前的制冷劑液體與壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣進(jìn)行熱交換，使液體過(guò)冷、蒸氣過(guò)熱，稱之為回?zé)帷Ｒ?、膨脹閥前液態(tài)制冷劑再冷卻第55頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天第56頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天采用回?zé)嵫h(huán)，一方面可使液態(tài)制冷劑再冷，單位質(zhì)量制冷功率增加(Δq0=

h4-h4′=

Δ4bb′4′4);壓縮機(jī)的壓縮功增加（ΔWc=(h2′

-h1′)-(h2-h1)

=

Δ2′1′122′);制冷系數(shù)是否提高，取決與制冷劑的熱物理性質(zhì)。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)于節(jié)流損失大的制冷劑，如氟利昂R12、R134a等回?zé)嵊欣?，而?duì)于制冷劑氨則不利。第57頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天有效過(guò)熱和有害過(guò)熱蒸發(fā)器出來(lái)的低溫制冷劑蒸氣，在通過(guò)吸入管道進(jìn)入壓縮機(jī)前從周圍環(huán)境吸取熱量而過(guò)熱，但它并沒(méi)有對(duì)被冷卻物體產(chǎn)生任何制冷效應(yīng)，這種過(guò)熱稱為有害過(guò)熱或無(wú)效過(guò)熱。吸入蒸氣的過(guò)熱過(guò)程發(fā)生在蒸發(fā)器本身的后部，或者發(fā)生在安裝于被冷卻室內(nèi)的吸氣管道上，或者發(fā)生在二者皆有的情況下，那么過(guò)熱而吸收的熱量來(lái)自被冷卻空間，因而產(chǎn)生了有用的制冷效果，這種過(guò)熱稱為有效過(guò)熱。第58頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天過(guò)熱度對(duì)排氣溫度的影響有效過(guò)熱的過(guò)熱度對(duì)制冷系數(shù)的影響第59頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、回收膨脹功

1、使用膨脹機(jī)的蒸氣壓縮式制冷循環(huán)對(duì)于大容量制冷裝置:一方面，由于膨脹機(jī)的容量較大，不會(huì)出現(xiàn)因機(jī)件過(guò)小導(dǎo)致加工方面的困難；另一方面，可回收的膨脹功相對(duì)較大；因此，采用膨脹機(jī)回收膨脹功可節(jié)省常規(guī)能源，提高制冷系數(shù)。第60頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、回收膨脹功工作流程

理論循環(huán)

第61頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、回收膨脹功

輸出有用的膨脹功，壓縮機(jī)壓縮功減少

單位質(zhì)量制冷量增加

理論制冷系數(shù)提高第62頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、多級(jí)壓縮式制冷循環(huán)

當(dāng)壓縮機(jī)的壓縮比較大時(shí)，壓縮機(jī)的排氣溫度相應(yīng)較高，因而過(guò)熱損失及壓縮機(jī)功耗均較大。

為減少過(guò)熱損失及降低壓縮機(jī)功耗，可采用具有中間冷卻的多級(jí)壓縮制冷循環(huán)。第63頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、多級(jí)壓縮式制冷循環(huán)多級(jí)壓縮式制冷循環(huán)的應(yīng)用場(chǎng)合:壓縮比較高（通常pk/p0大于8）；離心式或螺桿式制冷壓縮機(jī)（可以比較方便的進(jìn)行中間抽氣，如空調(diào)用螺桿冷水機(jī)組）多級(jí)壓縮式制冷循環(huán)的兩種形式

閃發(fā)蒸氣分離器（經(jīng)濟(jì)器）；中間冷卻器。第64頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、帶閃發(fā)蒸氣分離器的雙級(jí)壓縮制冷工作流程

理論循環(huán)

第65頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天閃發(fā)蒸氣分離器對(duì)制冷性能的影響采用閃發(fā)蒸氣分離器，減少了一級(jí)壓縮的制冷劑流量；采用閃發(fā)蒸氣分離器，降低了二級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)口的蒸氣溫度和比容。采用閃發(fā)蒸氣分離器可有效降低壓縮機(jī)的功耗，故閃發(fā)蒸氣分離器也稱之為經(jīng)濟(jì)器。第66頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、中間冷卻器

閃發(fā)蒸氣分離器利用節(jié)流閃發(fā)出的制冷劑蒸氣與經(jīng)過(guò)一級(jí)壓縮后的高溫制冷劑蒸氣混合，混合后的制冷劑蒸氣仍為過(guò)熱蒸氣，因此稱之為不完全冷卻（不適合過(guò)熱損失較大的制冷劑，如氨等）。中間冷卻器利用節(jié)流后的制冷劑可充分冷卻經(jīng)過(guò)一級(jí)壓縮后的高溫制冷劑蒸氣,使其冷卻至飽和蒸氣狀態(tài)；中間冷卻器可設(shè)有液體冷卻盤管，使來(lái)自冷凝器的高壓液體獲得較大的再冷度，既有節(jié)能作用，又有利于制冷系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。第67頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天一次節(jié)流完全中間冷卻的雙級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)

工作流程

第68頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天一次節(jié)流中間不完全冷卻的雙級(jí)壓縮制冷理論循環(huán)

工作流程

第69頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天雙級(jí)蒸氣壓縮式制冷的中間壓力選取原則以獲取最大制冷系數(shù)的中間壓力為原則；以這種原則確定的中間壓力稱之為最佳中間壓力。（在工程設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)選擇幾個(gè)中間壓力進(jìn)行試算以確定最優(yōu)值。）以高低壓縮機(jī)壓縮比相等為原則（雖然制冷系數(shù)不是最大，但壓縮機(jī)氣缸工作容積的利用程度高，較實(shí)用）。第70頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天雙級(jí)壓縮式制冷制冷劑質(zhì)量流量的確定對(duì)于一次節(jié)流完全中間冷卻制冷量為

0雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)：低壓級(jí)壓縮機(jī)的制冷劑流量Mr1：高壓級(jí)壓縮機(jī)的制冷劑流量Mr：在中間冷卻器中：來(lái)自膨脹閥1的制冷劑，一方面使來(lái)自低壓壓縮機(jī)的排氣冷卻至飽和蒸氣狀態(tài)；另一方面使膨脹閥2前的液態(tài)制冷劑由狀態(tài)5再冷卻至狀態(tài)7。第71頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天中間冷卻器的能量方程為：三、多級(jí)壓縮式制冷循環(huán)

高壓級(jí)壓縮機(jī)的制冷劑流量Mr：第72頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、多級(jí)壓縮式制冷循環(huán)對(duì)于一次節(jié)流不完全中間冷卻制冷量為

0雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)：狀態(tài)3(由狀態(tài)2和狀態(tài)3′混合而來(lái))的比焓h3：

中間冷卻器的能量方程為：第73頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天高壓級(jí)壓縮機(jī)的制冷劑流量Mr：三、多級(jí)壓縮式制冷循環(huán)熱力計(jì)算：質(zhì)量守恒、能量守恒方程是基礎(chǔ)第74頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、多級(jí)壓縮式制冷循環(huán)例題2、如下圖所示，系統(tǒng)需制冷量20kW，制冷劑采用R134a，蒸發(fā)溫度t0＝4oC，冷凝溫度tk＝40oC，試進(jìn)行理論循環(huán)的的熱力計(jì)算。P18第75頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、多級(jí)壓縮式制冷循環(huán)解：(1)確定該制冷循環(huán)的中間壓力Pm；(2)繪出理論循環(huán)的壓焓圖；(3)根據(jù)其熱力性質(zhì)表查處于飽和線上的有關(guān)參數(shù)值；(4)計(jì)算狀態(tài)點(diǎn)2′、6、8的參數(shù)值；(狀態(tài)2′由2、3混合而來(lái))(5)根據(jù)壓焓圖確定其余點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)值；(6)進(jìn)行熱力計(jì)算。第76頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、多級(jí)壓縮式制冷循環(huán)單位質(zhì)量制冷能力：?jiǎn)挝蝗莘e制冷能力：第77頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、多級(jí)壓縮式制冷循環(huán)低壓級(jí)制冷劑質(zhì)量流量：低壓級(jí)壓縮機(jī)制冷劑體積流量：高壓級(jí)壓縮機(jī)制冷劑質(zhì)量流量：高壓級(jí)壓縮機(jī)制冷劑體積流量：第78頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、多級(jí)壓縮式制冷循環(huán)冷凝器的熱負(fù)荷：壓縮機(jī)理論耗功率：理論制冷系數(shù)：熱力完善度：第79頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天

與課本例1－2對(duì)比，在相同的制冷能力條件下，帶閃發(fā)蒸氣分離器的雙級(jí)壓縮式制冷循環(huán)：制冷劑質(zhì)量流量稍有減少；壓縮機(jī)排氣溫度降低；冷凝器熱負(fù)荷下降；理論制冷系數(shù)提高(達(dá)9％)。第80頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、復(fù)疊式制冷循環(huán)對(duì)于采用氨、R22等中溫制冷劑的壓縮式制冷系統(tǒng)，即使采用多級(jí)壓縮，但能夠到達(dá)的最低蒸發(fā)溫度仍有一定的局限：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?C；第81頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、復(fù)疊式制冷循環(huán)制冷劑的蒸發(fā)溫度過(guò)低，蒸發(fā)壓力也很低。當(dāng)蒸發(fā)壓力低于0.1～0.15bar時(shí)，外界空氣易滲入系統(tǒng)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行（如：氨在蒸發(fā)溫度為－65?C時(shí)，pk=0.156bar）;蒸發(fā)壓力很低時(shí)，制冷劑氣態(tài)比容很大，單位容積制冷功率很小，要求壓縮機(jī)的體積流量很大。第82頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天為獲得－60－70?C的低溫，需采用低溫制冷劑（凝固點(diǎn)低，沸點(diǎn)也很低），如R13、R14等(R13的凝固點(diǎn)為-181?C，沸點(diǎn)為-81.4?C；R14的凝固點(diǎn)為-184.9?C，沸點(diǎn)為-127.9?C)。但這類制冷劑的臨界溫度很低，采用一般冷卻水，存在以下局限：由于水溫接近其臨界溫度，使氣態(tài)制冷劑難以冷凝；第83頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天即使冷凝，由于接近臨界點(diǎn)，不但冷凝壓力高，而且比潛熱小，因而制冷效率也很低。為降低冷凝溫度，需采用另一臺(tái)制冷裝置為其冷凝器提供冷源，與之聯(lián)合運(yùn)行，所謂的復(fù)疊式制冷循環(huán)。第84頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天第85頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、復(fù)疊式制冷循環(huán)的工作流程及理論循環(huán)工作流程

理論循環(huán)

第86頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、復(fù)疊式制冷循環(huán)的特點(diǎn)兩臺(tái)制冷機(jī)聯(lián)合運(yùn)行，高溫級(jí)制冷機(jī)的蒸發(fā)器為低溫級(jí)制冷機(jī)的冷凝器提供冷源；為確保低溫級(jí)的所需冷凝溫度，高溫級(jí)制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度需低于低溫級(jí)冷凝溫度3－5?C；復(fù)疊式制冷循環(huán)既保留了中、低溫制冷劑各自的優(yōu)點(diǎn)，又克服了它們不足，使制取很低的溫度成為可能。(深冷)第87頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天第88頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天第89頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天改善制冷循環(huán)的措施小結(jié)提高能效比COP高壓液體的過(guò)冷（再冷）多級(jí)壓縮雙級(jí)壓縮、經(jīng)濟(jì)器回收膨脹功（采用膨脹機(jī)）非共沸制冷劑降低制冷溫度雙級(jí)壓縮復(fù)疊式第90頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天第四節(jié)跨臨界制冷循環(huán)

亞臨界循環(huán)：對(duì)于高溫與中溫制冷劑，在普通制冷范圍內(nèi)，制冷循環(huán)的冷凝壓力遠(yuǎn)低于制冷劑的臨界壓力，稱之為亞臨界循環(huán)。(為目前制冷、空調(diào)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的循環(huán)形式)基本概念

跨臨界循環(huán)：一些低溫制冷劑在普通制冷范圍內(nèi)，利用冷卻水或室外空氣作為冷卻介質(zhì)時(shí)，壓縮機(jī)的排氣壓力位于臨界壓力之上，而蒸發(fā)壓力位于臨界壓力之下，此類循環(huán)稱之為跨臨界循環(huán)。第91頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天在1930年以前，采用CO2(R744)制冷劑的跨臨界制冷循環(huán)在船用及民用制冷領(lǐng)域曾作出過(guò)重要的貢獻(xiàn)；其主要缺陷在于壓縮機(jī)的工作壓力很高、材料耗費(fèi)嚴(yán)重、安全性較差。1931年，以R12為代表的氟里昂制冷劑一經(jīng)開(kāi)發(fā)，以其無(wú)毒、不燃、不爆炸、無(wú)刺激性、適中的壓力及較高的制冷效率等優(yōu)點(diǎn)，很快取代了CO2(R744)在安全制冷劑方面的地位；1990年代以后，由于氟利昂對(duì)環(huán)境的破壞作用，開(kāi)始積極尋找無(wú)污染的替代制冷劑，CO2被人為是最具潛力的長(zhǎng)期替代物。第四節(jié)跨臨界制冷循環(huán)第92頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天

1、CO2跨臨界制冷循環(huán)

CO2跨臨界循環(huán)仍屬于蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的范疇，其循環(huán)原理及壓焓圖如下圖所示。循環(huán)原理圖

壓焓圖

第四節(jié)跨臨界制冷循環(huán)第93頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天CO2跨臨界制冷循環(huán)與常規(guī)亞臨界循環(huán)的異同與亞臨界循環(huán)相同，蒸發(fā)溫度亦低于臨界溫度，吸熱過(guò)程在亞臨界條件下進(jìn)行，主要依靠液體蒸發(fā)來(lái)完成；壓縮機(jī)排氣壓力卻高于臨界壓力，制冷劑蒸氣在超臨界區(qū)定壓放熱，與常規(guī)亞臨界狀態(tài)下的冷凝過(guò)程不同，換熱過(guò)程依靠顯熱交換來(lái)完成。此時(shí)高壓端熱交換器不再稱為冷凝器，而稱之為氣體冷卻器；跨臨界制冷循環(huán)的熱力計(jì)算與常規(guī)亞臨界制冷循環(huán)完全相同。

目前制冷、空調(diào)、熱泵熱水器等設(shè)備若采用CO2為制冷劑，基本上都采用跨臨界制冷循環(huán)方式。

CO2跨臨界制冷循環(huán)的改善課后自學(xué)第94頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天蒸氣壓縮式制冷實(shí)際循環(huán)的特點(diǎn)（與理論循環(huán)相比）

第五節(jié)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)壓縮機(jī)內(nèi)為非絕熱(與外界存在熱交換)、可逆(氣體內(nèi)部及氣體與氣缸壁存在摩擦損失)過(guò)程；壓縮機(jī)進(jìn)、排氣閥存在節(jié)流損失；蒸發(fā)器及冷凝器內(nèi)存在傳熱溫差；存在壓縮機(jī)吸氣過(guò)熱和膨脹閥前制冷劑液體過(guò)冷；系統(tǒng)存在制冷劑流動(dòng)損失；系統(tǒng)內(nèi)存在不凝性氣體。第95頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天

一、實(shí)際循環(huán)過(guò)程分析

過(guò)程線12341所組成的循環(huán)表示蒸發(fā)壓力為P0、冷凝壓力為Pk的蒸氣壓縮式理論循環(huán)。過(guò)程線1′

1′′

abc′

c

d2′3′4′1′表示蒸發(fā)器入口壓力仍為P0、冷凝器出口壓力仍為Pk、并考慮再冷與過(guò)熱的蒸氣壓縮式實(shí)際循環(huán)。蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)第96頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天第五節(jié)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)(1)、過(guò)程線1′

1′′：來(lái)自蒸發(fā)器的低壓飽和或過(guò)熱制冷劑蒸氣，經(jīng)管道流至壓縮機(jī)，由于存在摩擦阻力、局部阻力，使得制冷劑壓力稍有下降，并吸收外部環(huán)境的熱量，溫度有所上升。(2)、過(guò)程線1′′

a：低壓制冷劑蒸氣，流經(jīng)壓縮機(jī)吸氣閥時(shí)被節(jié)流，壓力下降至Pa，溫度略有下降。(3)、過(guò)程線a

b：低溫低壓制冷劑蒸氣進(jìn)入氣缸的過(guò)程，吸收氣缸熱量，溫度有所上升，壓力仍為Pa。第97頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天第五節(jié)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)(4)、過(guò)程線b

c′：制冷劑蒸氣在壓縮機(jī)中的實(shí)際壓縮過(guò)程；壓縮初期，由于蒸氣溫度低于氣缸壁溫度，且制冷劑內(nèi)部以及與氣缸壁之間有摩擦，為不可逆吸熱壓縮，比熵增加；蒸氣溫度高于氣缸壁溫度時(shí)，變?yōu)椴豢赡娣艧釅嚎s直至壓力升至P2。(5)、過(guò)程線c′

c：壓縮后的高溫制冷劑蒸氣流經(jīng)氣缸頭部時(shí)被冷卻，比熵減少。(6)、過(guò)程線c

d：高溫制冷劑蒸氣流經(jīng)壓縮機(jī)排氣閥時(shí)被節(jié)流，比焓基本不變，壓力有所下降。第98頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天第五節(jié)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)(7)、過(guò)程線d2′

：制冷劑從壓縮機(jī)出口至冷凝器入口的過(guò)程；由于流動(dòng)阻力及熱交換存在，制冷劑壓力及溫度均有所下降。(8)、過(guò)程線2′3′

：制冷劑蒸氣冷凝過(guò)程；由于摩擦和渦流存在，冷凝并非等壓過(guò)程，根據(jù)冷凝器形式的不同，壓力有不同程度的下降，出口還有一定的再冷度。(9)、過(guò)程線3′4′

：制冷劑節(jié)流過(guò)程，比焓基本不變，比熵增加。(10)、過(guò)程線4′1′

：制冷劑蒸發(fā)過(guò)程，由于摩擦和渦流存在壓力有所下降。第99頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、實(shí)際循環(huán)的制冷性能

在實(shí)際循環(huán)中，如果蒸發(fā)器入口處的壓力仍為P0、冷凝器出口處的壓力仍為Pk、

與理論循環(huán)相比：實(shí)際循環(huán)的平均冷凝壓力有所升高；實(shí)際循環(huán)的平均蒸發(fā)壓力有所降低。第100頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天保留實(shí)際制冷循環(huán)主要特征抽象出的壓焓圖如下圖所示，圖中12341為理論循環(huán)，1′

2′3′4′1′為實(shí)際循環(huán)。蒸氣壓縮式制冷實(shí)際循環(huán)的lgP－h(huán)圖

第五節(jié)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)第101頁(yè),共110頁(yè)，2024年2月25日，星期天實(shí)際循環(huán)的熱力計(jì)算容積效率

v：壓縮機(jī)實(shí)際輸氣量Vr與理論輸氣量Vh之比:壓縮機(jī)的實(shí)際輸氣量：(理論輸氣量與壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與制冷劑的