制冷與低溫技術(shù)原理第3章蒸氣壓縮式制冷-單級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán).ppt

制冷與低溫技術(shù)原理,第 3 章 蒸氣壓縮式制冷,第 3 章 蒸氣壓縮式制冷,主要內(nèi)容： 單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán) 單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán) 蒸氣壓縮式制冷中的制冷劑 多級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán) 復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷循環(huán),1. 系統(tǒng)組成： 壓縮機(jī)，節(jié)流閥，蒸發(fā)器和冷凝器等主要設(shè)備 及輔助設(shè)備（過(guò)濾器，油分離器，儲(chǔ)液器）。,3.1.1 特點(diǎn)及工作過(guò)程,3.1 單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán),壓-焓圖 溫-熵圖,3.1.2 制冷劑的狀態(tài)圖,壓-焓圖： 1點(diǎn)，2線，3區(qū)，5態(tài)，6等參數(shù)線簇。,臨界點(diǎn) (critical point),下臨界線 : 不同壓力下飽和液體狀態(tài) 上臨界線：不同壓力下干飽和蒸汽狀態(tài),液相區(qū) (liquid region) 汽液兩相區(qū)(liquid-vapor region) 汽相區(qū) (vapor region),未飽和液體，飽和液體，濕飽和蒸汽， 干飽和蒸汽，過(guò)熱蒸汽。,6等參數(shù)線簇(壓-焓圖）,高溫?zé)嵩碩H和低溫?zé)嵩碩L溫度恒定，制冷劑在相變過(guò)程 中與熱源之間沒(méi)有傳熱溫差， 蒸發(fā)溫度To=TL，冷凝溫度 TK=TH； 制冷劑除在蒸發(fā)器和冷凝器外，在整個(gè)循環(huán)的其它流動(dòng) 過(guò)程中與外界不發(fā)生熱交換。 制冷劑離開(kāi)蒸發(fā)器的狀態(tài)為飽和蒸氣， 離開(kāi)冷凝器的狀態(tài)為飽和液體； 制冷劑除在壓縮機(jī)和膨脹閥處發(fā)生壓力升降外， 在整個(gè)循環(huán)的其它流動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有壓力損失； 壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程為等熵壓縮過(guò)程； 制冷劑流過(guò)節(jié)流裝置時(shí)，速度變化小，可忽略不計(jì)； 制冷劑在設(shè)備的連接管道中不發(fā)生狀態(tài)變化。,1. 簡(jiǎn)單的理論循環(huán)假設(shè),3.1.3 單級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的理論循環(huán),2. 理想循環(huán)在坐標(biāo)圖上的描述,工作過(guò)程,（1）1-2 壓縮機(jī)中干飽和蒸汽等熵壓縮過(guò)程；,（2）2-3 冷凝器中過(guò)熱蒸汽等壓冷卻及冷凝過(guò)程；,（3）3-4 節(jié)流閥中飽和液體絕熱節(jié)流過(guò)程；,（4）4-1 蒸發(fā)器中濕蒸汽等溫等壓汽化過(guò)程。,（2）2點(diǎn)：壓縮機(jī)壓縮后的排氣狀態(tài)， 對(duì)應(yīng)于冷凝壓力下的過(guò)熱蒸汽。,各點(diǎn)對(duì)應(yīng)狀態(tài),（1）1點(diǎn)：制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)的狀態(tài)， 對(duì)應(yīng)于蒸發(fā)溫度To下的飽和蒸汽。,（3）3點(diǎn)：制冷劑在冷凝器出口處的狀態(tài)， 是與冷凝溫度TK對(duì)應(yīng)的飽和液體。,（4）4點(diǎn)：節(jié)流后流出節(jié)流閥，進(jìn)入蒸發(fā)器的狀態(tài)， 為濕飽和蒸汽狀態(tài)。,坐標(biāo)圖中的表示,課堂問(wèn)題1：不可逆絕熱過(guò)程熵變?nèi)绾危?課堂問(wèn)題2：理論循環(huán)是否是可逆循環(huán)？,理論依據(jù)： 熱力學(xué)第一定律 （開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)的能量守恒方程式）,3. 理想循環(huán)特性,（1）蒸發(fā)過(guò)程和單位制冷量,制冷量： 制冷劑通過(guò)蒸發(fā)器時(shí)從低溫?zé)嵩次盏臒崃俊?單位質(zhì)量制冷量： 1kg 制冷劑在蒸發(fā)器中從低溫?zé)嵩?吸收的熱量。,式中： qm制冷劑的質(zhì)量流量。,與壓縮機(jī)的尺寸 和轉(zhuǎn)速有關(guān),與制冷劑的種類(lèi)和工作條件有關(guān),單位容積制冷量： 壓縮機(jī)每吸入 1m3 制冷劑蒸氣 （按壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)）所制取的冷量。,制冷劑的質(zhì)量流量：,式中： v1壓縮機(jī)入口處狀態(tài)點(diǎn)1的比體積。,式中： qvh壓縮機(jī)的理論輸氣量，m3/s。,（2）壓縮過(guò)程和比功,理論比功： 壓縮機(jī)每壓縮和輸送 1kg 制冷劑所 消耗的壓縮功。,壓縮機(jī)功率：,容積比功： 壓縮機(jī)每壓縮和輸送 1m3 制冷劑 （按壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)）所消耗的壓縮功。,與制冷劑的種類(lèi)和工作條件有關(guān),壓縮機(jī)的壓力比： 循環(huán)中壓縮機(jī)的排氣壓力 與吸氣壓力之比。,壓縮機(jī)的排氣溫度 T2 ： 制冷劑氣體壓縮終了的溫度。,（3）冷凝過(guò)程和冷凝器的熱負(fù)荷,冷凝器單位熱負(fù)荷： 1kg 制冷劑蒸汽在冷凝器中放出的熱量。,（4）節(jié)流過(guò)程,節(jié)流過(guò)程特點(diǎn),節(jié)流后4狀態(tài)點(diǎn),焓值,干度,比體積,（6）循環(huán)效率（熱力完善度）：,（5）制冷系數(shù)：,總結(jié),運(yùn)用某種制冷劑時(shí)： 蒸發(fā)壓力po ，冷凝壓力pk 反映系統(tǒng)的壓力水平； 壓力比，壓力差和排氣溫度反映壓縮機(jī)的工作條件； 單位制冷量，單位容積制冷量反映制冷能力， COP 反映制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。,影響理論循環(huán)特性的因素： （1）熱源的溫度； （2）制冷劑的性質(zhì)。,理論循環(huán)的意義： （1）是實(shí)際循環(huán)的基準(zhǔn)和參照，用于分析研究實(shí)際循環(huán) 的各種不完善因素和作出相應(yīng)改進(jìn)。 （2）用于評(píng)價(jià)制冷劑。相同Tk，To條件下，通過(guò)不同 制冷劑的理論循環(huán)特性比較，可以評(píng)價(jià)它們?cè)跓崃?性質(zhì)方面的適宜程度。,理論循環(huán)是不可逆循環(huán)。,4. 理想循環(huán)的意義,影響實(shí)際循環(huán)的因素,3.2 單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán),（1）過(guò)冷：制冷劑液體的溫度低于同一壓力下 飽和狀態(tài)的溫度。 過(guò)冷度：兩者溫度之差。,（2）液體過(guò)冷循環(huán)： 在一定的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度下，采用使 制冷劑離開(kāi)冷凝器，進(jìn)入節(jié)流閥之前具有一定 過(guò)冷度的循環(huán)。,3.2.1 各種實(shí)際因素對(duì)循環(huán)的影響,1. 高壓液體過(guò)冷的影響,（3）過(guò)冷循環(huán)的坐標(biāo)圖表示,制冷系數(shù) 增加,（4）過(guò)冷對(duì)制冷循環(huán)的影響,相同過(guò)冷度下，制冷量和制冷系數(shù)提高的百分?jǐn)?shù)取決于 制冷劑的熱力性質(zhì)，即與制冷劑液體的比熱容和蒸發(fā)溫 度下的汽化潛熱有關(guān)。,（5）結(jié)論：,采用液體過(guò)冷循環(huán)，理論上總是有利的，可以提高循環(huán) 的經(jīng)濟(jì)性。且過(guò)冷度越大，對(duì)循環(huán)越有利；,使進(jìn)入節(jié)流裝置前的制冷劑液體不會(huì)因流動(dòng)阻力產(chǎn)生 氣化現(xiàn)象，從而保證了制冷劑流動(dòng)的穩(wěn)定性。,蒸發(fā)溫度越低，過(guò)冷使性能的相對(duì)提高越大。,利用再冷卻器或過(guò)冷器獲得過(guò)冷；,（6）實(shí)現(xiàn)過(guò)冷的措施：,利用冷凝器直接過(guò)冷；,過(guò)冷度提高不多，一般可獲得1-5過(guò)冷度。,采用逆流管套式換熱器最易獲得過(guò)冷。,在冷凝器和膨脹閥之間增設(shè)一臺(tái)過(guò)冷器，在過(guò)冷器 中通入溫度更低的冷卻介質(zhì)（如深井水）； 或?qū)⒗鋮s介質(zhì)先通過(guò)再冷卻器，然后再進(jìn)入冷凝器。,采用氣-液熱交換器（回?zé)崞鳎?（2）蒸氣過(guò)熱循環(huán)： 制冷劑蒸氣在蒸發(fā)器中完全蒸發(fā)后仍然要 繼續(xù)吸收一部分熱量，這樣，當(dāng)它到達(dá)壓縮機(jī) 之前已處于過(guò)熱狀態(tài)。,（1）過(guò)熱：制冷劑蒸氣的溫度高于同 一壓力下飽和蒸氣的溫度。 過(guò)熱度：兩者溫度之差。,2. 壓縮機(jī)吸氣過(guò)熱的影響,（3）過(guò)熱循環(huán)的坐標(biāo)圖表示,（4）過(guò)熱對(duì)制冷循環(huán)的影響,由于過(guò)熱循環(huán)在1-1過(guò)程中吸收了一部分熱量， 再加上比功又略有增加，則冷凝器的熱負(fù)荷增加。,單位制冷量和制冷系數(shù)的變化 取決于過(guò)熱是有效過(guò)熱，還是無(wú)效過(guò)熱。,單位容積制冷量如何變化？,給定壓縮機(jī),單位容積制冷量qv：與制冷劑的性質(zhì)有關(guān),制冷系數(shù)：與制冷劑的性質(zhì)有關(guān) 制冷系數(shù)下降： NH3，R22； 制冷系數(shù)增加： R502，丙烷。,（1）回?zé)幔菏构?jié)流前的制冷劑液體和壓縮機(jī)吸入 前的制冷劑蒸氣進(jìn)行熱交換，同時(shí)達(dá)到 液體過(guò)冷和吸氣過(guò)熱的目的。,（2）回?zé)嵫h(huán)制冷系統(tǒng)圖,3. 氣-液熱交換器（回?zé)幔?duì)循環(huán)性能的影響,（3）回?zé)嵫h(huán)坐標(biāo)圖,回?zé)崞鞯哪芰科胶怅P(guān)系 不計(jì)回?zé)崞髋c外界環(huán)境之間的能量交換， 回?zé)崞髦兄评鋭┮后w放出的熱量應(yīng)等于 制冷劑蒸氣吸收的熱量。,（4）回?zé)嵫h(huán)分析,即；,式中：c：液體的比熱容， cp0：低壓蒸氣的比熱容。,循環(huán)比功 略增加,單位制冷量 增加,比同有效過(guò)熱分析,（5）回?zé)嵫h(huán)的應(yīng)用,從單位容積制冷量和制冷系數(shù)角度看： R502，R290，R134a 采用回?zé)嵫h(huán)有利； R22，R717 采用回?zé)嵫h(huán)不利。,為防止壓縮過(guò)程產(chǎn)生液擊現(xiàn)象，采用回?zé)嵫h(huán)； R113，R114，RC318等類(lèi)制冷劑 T-S圖上飽和蒸氣曲線向左下方傾斜，當(dāng)壓縮機(jī)吸入 的是飽和氣體時(shí)，等熵壓縮后進(jìn)入濕蒸氣區(qū)，不利于 壓縮機(jī)工作。必須采用回?zé)嵫h(huán)。,蒸發(fā)溫度較高的制冷機(jī)一般不用回?zé)崞鳌?對(duì)小型制冷機(jī)來(lái)說(shuō)，通常把冷凝后的液體管道 （或毛細(xì)管）與壓縮機(jī)前的吸氣管道包扎在一起 ， 形成一個(gè)簡(jiǎn)單的回?zé)崞鳌?蒸發(fā)溫度低的制冷機(jī)用回?zé)崞饔兄匾饬x： 低溫制冷裝置中，吸氣溫度過(guò)低會(huì)使壓縮機(jī)汽缸外壁 結(jié)霜，潤(rùn)滑條件惡化，應(yīng)設(shè)法提高吸氣溫度。 同時(shí)高壓液體因回?zé)岫玫竭^(guò)冷。,對(duì)較大型制冷機(jī)，需用一個(gè)專(zhuān)門(mén)的回?zé)崞鳌?壓縮機(jī)吸氣比體積增加， 壓力比增加； 循環(huán)比功增大； 容積效率降低； 制冷系數(shù)降低。,（1）吸氣管道,壓縮機(jī)吸氣比體積增大； 單位容積制冷量減?。?排氣溫度上升； 循環(huán)性能系數(shù)下降。,增大管徑，降低流速。,4. 管道壓力損失和熱交換對(duì)循環(huán)性能的影響,熱交換無(wú)效過(guò)熱,壓力降有害,采取措施,增加了壓縮機(jī)的排氣壓力； 增加了壓縮機(jī)的壓力比，比功； 增加了壓縮機(jī)排氣溫度； 容積效率降低； 制冷系數(shù)下降。,冷卻高壓氣體； 減小冷凝器的熱負(fù)荷。,排氣管道中制冷劑的流速也必須加以控制。 該壓力降相對(duì)于壓縮機(jī)的壓力比而言，要小得多， 對(duì)系統(tǒng)的影響較小。,（2）排氣管道,熱交換有利,壓力降有害,采取措施,（3）高壓液體管道,熱交換：考慮兩種可能情況,產(chǎn)生的原因： 液體管路中的壓力降； 高度差導(dǎo)致壓力降。 產(chǎn)生的影響： 使膨脹閥前的制冷劑壓力降低； 閥前后的壓力差減?。?高壓液管的壓力損失將使閥前液體出現(xiàn)閃蒸氣； 影響膨脹閥的通流能力及其工作的穩(wěn)定性。,設(shè)計(jì)時(shí)，注意冷凝器和節(jié)流裝置的相對(duì)位置； 同時(shí)，降低節(jié)流前管路的阻力損失。,壓力降有害,采取措施,a：管道安裝在被冷卻空間，有效制冷； b：管道安裝在室外，無(wú)效制冷。,兩相管道的壓力降，使膨脹閥出口壓力升高， 閥前后壓差減小，略削弱膨脹閥通流能力； 通常這一管道的距離是較短的，壓力降對(duì)系統(tǒng)性能 幾乎沒(méi)有影響。,（4）低壓（兩相）管道,熱交換兩種情況,壓力降幾乎無(wú)影響,5. 蒸發(fā)器,a：假設(shè)制冷劑流出蒸發(fā)器的狀態(tài)不變： 則進(jìn)入蒸發(fā)器的壓力增加，溫度增加，蒸發(fā)器中的 傳熱溫差減小，要求換熱面積增加。對(duì)系統(tǒng)性能無(wú)影響。 b：假設(shè)制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器狀態(tài)不變，不改變傳熱溫差： 則結(jié)果與吸入管道壓力降引起的結(jié)果相同。,比照吸氣管道,壓力降考慮兩種情況,6. 冷凝器,假設(shè)冷凝器出口壓力不變 則需提高冷凝器入口處壓力， 要求壓縮機(jī)排氣壓力升高，壓力比增大；循環(huán)比功增加； 制冷系數(shù)減小。,壓力降注意條件,7. 壓縮機(jī),熱交換多變過(guò)程,初始階段：汽缸壁面溫度 吸入蒸氣溫度，由汽缸壁 向蒸氣傳熱； 壓縮到一定階段：蒸氣溫度升高 汽缸壁面溫度， 熱量由蒸氣傳向汽缸壁面。,功率損失，容積損失,功率損失：使壓縮機(jī)實(shí)際消耗功率增大； 容積損失：使壓縮機(jī)輸氣量減??； 制冷量下降，性能系數(shù)下降。,（1）壓縮機(jī)的指示效率,指示功：直接用于氣體壓縮所消耗的功。,指示效率：指示比功與理論比功的比值。,（2）壓縮機(jī)的機(jī)械效率,機(jī)械效率：指示比功與壓縮機(jī)實(shí)際 消耗的軸比功之比。,（3）電動(dòng)機(jī)效率,電動(dòng)機(jī)效率：作用在壓縮機(jī)軸上的功 與壓縮機(jī)實(shí)際輸入的功之比。,（4）壓縮機(jī)的容積效率,容積效率：壓縮機(jī)實(shí)際輸氣量與理論輸氣量之比。,不凝性氣體（如空氣）積存在冷凝器上部，將使 冷凝器內(nèi)壓力增加，導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣壓力升高， 比功增大，制冷系數(shù)減小，應(yīng)及時(shí)排出。,水分存在使制冷劑發(fā)生水化反應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)材料有 腐蝕作用。,潤(rùn)滑油與制冷劑直接接觸，二者產(chǎn)生互溶性， 使制冷劑的熱力性質(zhì)偏移。,8. 不凝性氣體的存在對(duì)循環(huán)性能的影響,1. 制冷系統(tǒng)管道中要特別注意吸氣管道，高壓液管。 2. 注意不同種類(lèi)的制冷劑其熱力性能的不同變化。,總結(jié),3.2.2 實(shí)際循環(huán),實(shí)際循環(huán)在坐標(biāo)圖中的表示,過(guò)程4- 1： 制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)，降壓過(guò)程； 過(guò)程1- 1 ： 制冷劑蒸氣在回?zé)崞骷拔鼩夤艿乐械募訜?和降壓過(guò)程； 過(guò)程1-1： 蒸氣經(jīng)過(guò)吸氣閥時(shí)的加熱和壓降過(guò)程； 過(guò)程1”- 2： 壓縮機(jī)內(nèi)實(shí)際的壓縮過(guò)程； 過(guò)程2 - 2： 壓縮機(jī)排氣經(jīng)過(guò)排氣閥的降壓過(guò)程； 過(guò)程2- 3： 經(jīng)排氣閥管道進(jìn)入冷凝器的冷卻，冷凝及 壓降過(guò)程； 過(guò)程3 -3： 制冷劑液體在回?zé)崞骷肮艿乐薪禍?，降?過(guò)程； 過(guò)程3- 4：節(jié)流過(guò)程。,實(shí)際循環(huán)中的熱力過(guò)程,1. 熱力計(jì)算的內(nèi)容和步驟,熱力計(jì)算的內(nèi)容： 在設(shè)計(jì)工況下，計(jì)算實(shí)際循環(huán)特性，計(jì)算 制冷機(jī)的性能和各熱交換設(shè)備的熱負(fù)荷。,熱力計(jì)算的方法： （1）進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，首先按照制冷機(jī)的使用要求 和使用時(shí)的環(huán)境條件，選擇制冷劑，規(guī)劃制冷 系統(tǒng)流程。 （2）然后進(jìn)行熱力計(jì)算。,3.2.3 單級(jí)蒸氣壓縮式制冷機(jī)的熱力計(jì)算,熱力計(jì)算的步驟： （1）按已知系統(tǒng)流程繪制p-h圖表示循環(huán) （采取必要的簡(jiǎn)化）； （2）確定循環(huán)工況； （3）計(jì)算實(shí)際循環(huán)的特性； （4）計(jì)算制冷機(jī)性能以及各熱交換設(shè)備的熱負(fù)荷。,2. 熱力計(jì)算舉例：,設(shè)有單級(jí)蒸氣壓縮式制冷機(jī)，制冷過(guò)程中使用 過(guò)冷器和回?zé)崞鳌Ｒ阎蟮闹评錅囟萒L，環(huán)境 冷卻介質(zhì)溫度TH ，壓縮機(jī)的理論輸氣量qvh。 試進(jìn)行熱力計(jì)算。,（2）確定循環(huán)工況,冷凝溫度和冷凝壓力：,水冷式冷凝器： 風(fēng)冷式冷凝器：,蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力：,冷卻液體蒸發(fā)器： 冷卻空氣蒸發(fā)器：,（1）按已知系統(tǒng)流程繪制p-h圖,（