9.2蒸汽壓縮制冷原理

1、山東交通學(xué)院 吳碩,1,*第一節(jié)*蒸氣壓縮式制冷裝置的工作原理,一、單級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán),二、單級(jí)制冷壓縮機(jī)的工況和特性,理論循環(huán)的假設(shè)，實(shí)際循環(huán)的熱力計(jì)算參數(shù)概念。,工況參數(shù)(冷凝溫度、蒸發(fā)溫度)、過(guò)冷度、過(guò)熱度變化對(duì)性能的影響、壓縮機(jī)工況的概念。,山東交通學(xué)院 吳碩,2,11-2-1單級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán),制冷循環(huán)分析和計(jì)算，常用壓焓圖和溫熵圖，其中壓焓圖使用廣泛。 船用壓縮式制冷裝置大都使用中、高溫制冷劑， 高溫制冷劑 標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)t。0的制冷劑； 中溫制冷劑 0t。一70者； 低溫制冷劑 t。一70者屬于低溫制冷劑。 如氨、氟利昂12、氟利昂22等，并多采用單級(jí)壓縮。 下面就借助于壓焓圖

2、來(lái)研究單級(jí)壓縮制冷循環(huán),山東交通學(xué)院 吳碩,3,補(bǔ)充內(nèi)容,焓,熵,焓是系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，具有能量的意義。,若在一可逆的微小狀態(tài)變化過(guò)程中，1kg工質(zhì)與外界交 換的熱量為q，工質(zhì)的溫度為 T，則工質(zhì)熵的微小變 化量ds定義為： ds= q/ T,山東交通學(xué)院 吳碩,4,X=0,X=1,lgP,h,壓焓圖,干度線,比容線,等熵線,飽和液體線,等壓線,濕蒸氣區(qū),飽和蒸氣線,補(bǔ)充內(nèi)容,過(guò)熱干蒸汽區(qū),過(guò)冷液體區(qū),臨界點(diǎn),s1,s2,S1S2,山東交通學(xué)院 吳碩,5,11-2-1-1單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán),1、理論循環(huán)假設(shè)； (1)壓縮過(guò)程不存在換熱和流阻等不可逆損失 等熵過(guò)程 (2)制冷劑流過(guò)熱交換

3、器和管路時(shí)沒(méi)有阻力損失 等壓過(guò)程 (3)制冷系統(tǒng)中除熱交換器外，與外界無(wú)任何熱交換，流過(guò)膨脹閥時(shí)未作功，又無(wú)熱交換 等焓過(guò)程,山東交通學(xué)院 吳碩,6,11-2-1-1單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán),2、理論循環(huán)在壓焓圖上的表示 過(guò)程線12 等熵壓縮過(guò)程 壓力由p0提高到pk 壓縮機(jī)對(duì)制冷劑作功 制冷劑溫度提高 點(diǎn)2處于過(guò)熱蒸氣狀態(tài) 過(guò)程線23 制冷劑在冷凝器內(nèi)的冷卻、冷凝、 過(guò)冷，蒸氣在等壓下先放熱冷卻降溫，再繼續(xù)等壓等溫放熱冷凝，然后等壓過(guò)冷。,山東交通學(xué)院 吳碩,7,11-2-1-1單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán),過(guò)程線34 冷劑通過(guò)膨脹閥的節(jié)流過(guò)程 壓力由pk降到po，溫度由tk降到t0，并

4、進(jìn)入兩相區(qū) 節(jié)流前后制冷劑焓值不變 過(guò)程線4-1 等壓氣化過(guò)程 制冷劑吸取熱量不斷氣化 向干度增大方向，直到過(guò)熱蒸氣 由熱力狀態(tài)圖和表 可確定循環(huán)中的各點(diǎn)參數(shù),山東交通學(xué)院 吳碩,8,11-2-1-2單級(jí)蒸氣壓縮制冷的實(shí)際循環(huán)及熱力計(jì)算,實(shí)際循環(huán) 壓縮過(guò)程是熵值增加的多變過(guò)程 節(jié)流過(guò)程有吸熱，焓值也略有增加 制冷劑在管道、熱交換器和壓縮機(jī)中流動(dòng)時(shí)存在阻力損失和熱交換,山東交通學(xué)院 吳碩,9,11-2-1-2單級(jí)蒸氣壓縮制冷的實(shí)際循環(huán)及熱力計(jì)算,b-c壓縮機(jī)多變壓縮過(guò)程,g,1,b,a,e,2,c,f,g-1:蒸發(fā)器后到壓縮機(jī)吸口有壓力損失及溫升過(guò)程。,1-a壓縮機(jī)吸氣通道和吸氣閥阻力損失的過(guò)程

5、,a-b壓縮前受吸氣通道和剛體的加熱過(guò)程,p,h,山東交通學(xué)院 吳碩,10,11-2-1-2單級(jí)蒸氣壓縮制冷的實(shí)際循環(huán)及熱力計(jì)算,f-g蒸發(fā)器中和吸氣管中流阻損失的汽化過(guò)程,g,1,b,a,e,2,c,f,c-2壓縮機(jī)排氣通道和排氣閥阻力損失的過(guò)程,2-e排氣管、冷卻、冷凝管、和液管流動(dòng)阻力的換熱過(guò)程,e-f膨脹閥中從外界吸熱的節(jié)流過(guò)程,p,h,山東交通學(xué)院 吳碩,11,11-2-1-2單級(jí)蒸氣壓縮制冷的實(shí)際循環(huán)及熱力計(jì)算,g-1:蒸發(fā)器后到壓縮機(jī)吸口有壓力損失及溫升過(guò)程。 1-a壓縮機(jī)吸氣通道和吸氣閥阻力損失的過(guò)程 a-b壓縮前受吸氣通道和剛體的加熱過(guò)程 b-c壓縮機(jī)多變壓縮過(guò)程 c-2壓縮

6、機(jī)排氣通道和排氣閥阻力損失的過(guò)程 2-e排氣管、冷卻、冷凝管、和液管流動(dòng)阻力的換熱過(guò)程 e-f膨脹閥中從外界吸熱的節(jié)流過(guò)程 f-g蒸發(fā)器中和吸氣管中流阻損失的汽化過(guò)程,g,1,b,a,e,2,c,f,p,h,山東交通學(xué)院 吳碩,12,11-2-1-2單級(jí)蒸氣壓縮制冷的實(shí)際循環(huán)及熱力計(jì)算,3,5,4,為了計(jì)算簡(jiǎn)單，分析方便，進(jìn)行簡(jiǎn)化處理： 即1-2-3-4-5-1過(guò)程,p,h,山東交通學(xué)院 吳碩,13,11-2-1-2單級(jí)蒸氣壓縮制冷的實(shí)際循環(huán)及熱力計(jì)算,熱力計(jì)算： (1)單位質(zhì)量制冷量 qo hlh5 kJkg 如吸氣管中吸熱可忽略不計(jì)，則5-1過(guò)程全在蒸發(fā)器中進(jìn)行 (2)單位容積制冷量 qv

7、 = q0/vl kJkg (3)等熵壓縮單位理論功 wi = h2 - h1 kJkg (4)理論制冷系數(shù) = q0/w0 = h1-h5 / h2-h1,3,5,4,p,h,山東交通學(xué)院 吳碩,14,11-2-1-2單級(jí)蒸氣壓縮制冷的實(shí)際循環(huán)及熱力計(jì)算,熱力計(jì)算： (5)制冷劑的質(zhì)量流量 G = Q0q0 = Q0(h1一h5) kg/s (6)壓縮機(jī)容積流量(按吸氣狀態(tài)容積計(jì)算) Vs = G v1= Q0 v1/q0 = Q0/qv (7)壓縮機(jī)的理論流量 VT = Vs/ = Q0/( qv) m3/s (8)壓縮機(jī)的理論功率 PTG w0 kW,3,5,4,p,h,山東交通學(xué)院 吳

8、碩,15,11-2-1-2單級(jí)蒸氣壓縮制冷的實(shí)際循環(huán)及熱力計(jì)算,(9)壓縮機(jī)的指示功率 pi = G wi = G w0/i=PT/ i kW (10)壓縮機(jī)的軸功率 p = pi/ m = pT/(m i ) = pT/ (11)單位軸功率制冷量 Ke=Q0/p= (12)冷凝器的熱負(fù)荷 Qk=Qo+pi kW,3,5,4,p,h,山東交通學(xué)院 吳碩,16,問(wèn)題：制冷劑由高壓變?yōu)榈蛪阂? 1 )為分界點(diǎn)。冷劑流經(jīng)膨脹閥( 2 )相等，冷劑由( 3 )液體變成( 4 )蒸氣。冷劑在蒸發(fā)器進(jìn)口是( 5 )、出口是( 6 )。冷劑在蒸發(fā)器中完全氣化前是( 7 )壓( 8 )溫過(guò)程、干度( 9 )

9、。冷劑在壓縮機(jī)吸氣管中吸熱流動(dòng)過(guò)熱度( 10 ) 、壓力( 11 ) ，冷劑在壓縮機(jī)進(jìn)口是( 12 )蒸氣、出口是( 13 )蒸氣；冷劑在液管中流動(dòng)一般是( 14 )壓( 15 )溫過(guò)程。,11-2-1-2單級(jí)蒸氣壓縮制冷的實(shí)際循環(huán)及熱力計(jì)算,山東交通學(xué)院 吳碩,17,11-2-2 單級(jí)制冷壓縮機(jī)工況和特性,制冷壓縮機(jī)工況： 指決定其理論循環(huán)的溫度條件：主要指蒸發(fā)溫度、吸氣溫度、冷凝溫度、膨脹閥前過(guò)冷度。 蒸發(fā)溫度 對(duì)應(yīng)于蒸發(fā)壓力的飽和溫度 蒸發(fā)壓力 由蒸發(fā)器產(chǎn)氣量和壓縮機(jī)吸氣量間的質(zhì)量平衡決定 如庫(kù)溫降低，蒸發(fā)器傳熱不良，則蒸發(fā)量減少，p0就降低 冷凝溫度 對(duì)應(yīng)于冷凝壓力的飽和溫度 冷凝壓力

10、 由壓縮機(jī)排氣量與冷凝器冷凝量的質(zhì)量平衡來(lái)決定 如壓縮機(jī)吸氣壓力高，質(zhì)量流量大，則冷凝壓力就高,山東交通學(xué)院 吳碩,18,11-2-2-1工況參數(shù)對(duì)制冷工作影響,制冷壓縮機(jī)制冷量可由下式表示： Q0Gq0VTq0v1 VTqv 制冷壓縮機(jī)的軸功率則可寫為： P = Gw0/ = VTw0 /v1 = VTwv 式中： wv = w0 /v1 壓縮機(jī)單位容積壓縮功 壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速n和工作缸數(shù)不變情況下：理論吸氣量VT將為定值，從式看出，壓縮機(jī)的Q0隨輸氣系數(shù)和單位容積制冷量qv而變。而軸功率P則與、壓縮機(jī)總效率和單位容積壓縮功wv有關(guān)。事實(shí)上、 Q0 、 和wv 均隨工況溫度條件而變,山東交通學(xué)院

11、 吳碩,19,(1)其他條件不變，冷凝溫度tk變化(升高)的影響,h,p,11-2-2-1-1 冷凝溫度tk變化(升高)的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,20,(1)其他條件不變，冷凝溫度tk變化(升高)的影響,不變,11-2-2-1-1 冷凝溫度tk變化(升高)的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,21,(1)其他條件不變，冷凝溫度tk變化(升高)的影響,w0,w0 ,不變,制冷系數(shù),11-2-2-1-1 冷凝溫度tk變化(升高)的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,22,問(wèn)題：下列( )會(huì)使冷凝溫度tk增高。,A. 冷卻水流量減少,B. 空氣進(jìn)入系統(tǒng),C. 制冷裝置工作時(shí)間長(zhǎng),D. 冷凝器換熱面臟污,E. 冷卻水溫

12、度降低,F. 冷劑量過(guò)多,切記：使冷凝效果下降或壓縮機(jī)排氣量升高的因素，都會(huì)使冷凝溫度(壓力)升高。反之降低。,11-2-2-1-1 冷凝溫度tk變化(升高)的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,23,11-2-2-1-1 冷凝溫度tk變化(升高)的影響,空,山東交通學(xué)院 吳碩,24,11-2-2-1-2蒸發(fā)溫度t0變化(降低)的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,25,p,q0,q0,11-2-2-1-2蒸發(fā)溫度t0變化(降低)的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,26,p,11-2-2-1-2蒸發(fā)溫度t0變化(降低)的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,27,問(wèn)題：下列( )會(huì)使蒸發(fā)溫度t0降低。,A. 冷庫(kù)加入新食品,B. 蒸

13、發(fā)器化霜,C. 膨脹閥開度調(diào)大,D. 壓縮機(jī)工作缸數(shù)增加,E. 蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低,F. 蒸發(fā)器結(jié)霜加厚,G. 冷庫(kù)庫(kù)溫降低,H. 壓縮機(jī)皮帶打滑,切記：使蒸發(fā)器蒸發(fā)量下降或壓縮機(jī)抽氣量升高的因素，都會(huì)使蒸發(fā)壓力下降。反之升高。(假設(shè)每一行程壓縮機(jī)抽氣量不變）,11-2-2-1-2蒸發(fā)溫度t0變化(降低)的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,28,11-2-2-1-2蒸發(fā)溫度t0變化(降低)的影響,空,山東交通學(xué)院 吳碩,29,(3)其他條件不變，供液過(guò)冷度、吸氣過(guò)熱度的影響,11-2-2-1-3過(guò)冷度和過(guò)熱度的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,30,(3)其他條件不變，供液過(guò)冷度、吸氣過(guò)熱度的影響,p,h,1

14、1-2-2-1-3過(guò)冷度和過(guò)熱度的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,31,(3)其他條件不變，供液過(guò)冷度、吸氣過(guò)熱度的影響,p,h,q0,q0,不變,11-2-2-1-3過(guò)冷度和過(guò)熱度的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,32,(3)其他條件不變，供液過(guò)冷度、吸氣過(guò)熱度的影響,p,h,q0,q0,w0,w0,?,11-2-2-1-3過(guò)冷度和過(guò)熱度的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,33,(3)其他條件不變，供液過(guò)冷度、吸氣過(guò)熱度的影響,p,h,q0,q0,w0,w0,11-2-2-1-3過(guò)冷度和過(guò)熱度的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,34,(3)其他條件不變，供液過(guò)冷度、吸氣過(guò)熱度的影響,有害過(guò)熱：,發(fā)生在蒸發(fā)器后的吸氣管中

15、的過(guò)熱過(guò)程，裝置的q0未增加，Q0和下降。,過(guò)熱度大小的確定：,11-2-2-1-3過(guò)冷度和過(guò)熱度的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,35,(3)其他條件不變，供液過(guò)冷度、吸氣過(guò)熱度的影響,回?zé)嵫h(huán)：,利用氣液換熱器(回?zé)崞?使膨脹閥節(jié)流前的冷劑液體與壓縮機(jī)吸入前的冷劑蒸氣進(jìn)行熱量交換，使液體過(guò)冷、氣體過(guò)熱，這個(gè)工作循環(huán)就是。,11-2-2-1-3過(guò)冷度和過(guò)熱度的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,36,問(wèn)題：在回?zé)崞髦?，為什么液態(tài)冷劑能向氣態(tài)冷劑放熱？,11-2-2-1-3過(guò)冷度和過(guò)熱度的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,37,(3)其他條件不變，供液過(guò)冷度、吸氣過(guò)熱度的影響,h,p,11-2-2-1-3過(guò)冷度和過(guò)熱

16、度的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,38,(3)其他條件不變，供液過(guò)冷度、吸氣過(guò)熱度的影響,裝置是否可采用回?zé)嵫h(huán)?,11-2-2-1-3過(guò)冷度和過(guò)熱度的影響,氨氣,山東交通學(xué)院 吳碩,39,11-2-2-1-3過(guò)冷度和過(guò)熱度的影響,山東交通學(xué)院 吳碩,40,2、制冷壓縮機(jī)的性能曲線,Refrigeration Compressor Performance Curve,-30,-20,-10,0,10,0,90,180,270,30,45,60,75,蒸發(fā)溫度t0/oC,制冷量Q0 /(103kcal/h),軸功率P/kW,11-2-2-2制冷壓縮機(jī)性能曲線,山東交通學(xué)院 吳碩,41,11-2-2-

17、2制冷壓縮機(jī)性能曲線,山東交通學(xué)院 吳碩,42,11-2-2-2制冷壓縮機(jī)性能曲線,山東交通學(xué)院 吳碩,43,11-2-2-2制冷壓縮機(jī)性能曲線,山東交通學(xué)院 吳碩,44,11-2-2-3制冷壓縮機(jī)的工況,壓縮機(jī)的制冷量和軸功率等參數(shù)隨工況條件變化，為了衡量、比較壓縮機(jī)性能，制定公認(rèn)的溫度條件(名義工況)，作為壓縮機(jī)制冷量選用和比較的標(biāo)準(zhǔn)。,銘牌上標(biāo)示的制冷量和功率一般是在標(biāo)準(zhǔn)工況下的值，如為空調(diào)專用，則為空調(diào)工況。,山東交通學(xué)院 吳碩,45,11-2-2-3制冷壓縮機(jī)的工況,名義工況(新),高溫工況,中溫工況,低溫工況,最大壓差工況：用來(lái)考核壓縮機(jī)零件強(qiáng)度、 排氣溫度、油溫、電機(jī)繞組溫度。,最大軸功率工況：用來(lái)考核壓縮機(jī)噪聲、振動(dòng)，并依此選配電動(dòng)機(jī)。,山東交通學(xué)院 吳碩,46,11-2-2-3制冷壓縮機(jī)的工況,問(wèn)題：同一臺(tái)壓縮機(jī)用于冷庫(kù)和空調(diào)，制冷量在( )工況時(shí)較大。,空調(diào),壓縮機(jī)A的高溫工況和B的低溫工況制冷量相等，那么壓縮機(jī)( A、B )的活塞行程容積較大。,山東交通學(xué)院 吳碩,47,11-2-2-3制冷壓縮機(jī)的工況,制冷機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況隨運(yùn)行地區(qū)的氣候條件和使用情況而變 實(shí)際工作工況下的制冷量，可從性能曲線上查得 如無(wú)性能曲線可查，則可式(1113)、(1114)估算 制冷機(jī)工況必須限定在一定的范