蒸氣壓縮式制冷的熱力學(xué)原理.ppt

第一章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 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 只要創(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 液體氣化制冷的工作過程 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) 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) 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 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 制冷循環(huán)性能指標(biāo) 制冷系數(shù) 的定義 單位耗功量所獲取的冷量 制冷循環(huán)性能指標(biāo) 對于逆卡諾循環(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COP表示 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 制冷系數(shù)與熱力完善度比較 制冷系數(shù) 和熱力完善度 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 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 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 的數(shù)值可能大于1 小于1或等于1 始終小于1 制冷系數(shù)與熱力完善度比較 用 值的大小來比較兩臺實(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 作評價(jià)指標(biāo) 使任意兩臺制冷機(jī)在循環(huán)的熱力學(xué)經(jīng)濟(jì)性方面具有可比性 無論它們是否同類機(jī) 也無論它們的熱源條件相同或是不同 有溫差傳熱的逆卡諾循環(huán) 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) 單位耗功量所獲取的熱量 用于供熱 供熱量永遠(yuǎn)大于所消耗的功量 二 勞侖茲循環(huán) 在實(shí)際的制冷系統(tǒng)中 制冷過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 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) 變溫?zé)嵩磿r(shí)的逆向可逆循環(huán) 洛倫茲循環(huán) 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)理論對蒸汽制冷機(jī)的實(shí)際過程進(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) 1 壓縮過程為等熵過程 即在壓縮過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) 3 離開蒸發(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)流動時(shí) 沒有流動阻力損失 忽略動能變化 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)之間沒有熱交換 5 制冷劑在流過節(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)境沒有熱交換 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)流過程 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 因而摩擦損失相對較大 干壓縮代替了濕壓縮 壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)為干飽和或過熱蒸汽 節(jié)流閥代替了膨脹機(jī)簡化了設(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程 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 3 理論循環(huán)與逆卡諾循環(huán)的對比分析 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)流過程的不可逆損失 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 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 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 稱為過熱損失 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 過多液態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī) 造成液擊 影響潤滑 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)膨脹閥的開度 控制壓縮機(jī)入口制冷劑蒸氣的過熱度 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 T S圖 一點(diǎn) 二線 三區(qū) 五態(tài) 六等值線 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)表示熱力過程分析能量變化 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 過冷區(qū) 水平線 濕蒸汽區(qū) 向右下方彎曲 過熱蒸氣區(qū) 1 2怎樣看壓焓圖 一點(diǎn) 2線 3區(qū) 6等值線 R22的P h圖 R134a的P h圖 R600a的P h圖 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 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) 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 h4 h1 h3 kJ kg 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 h4 v1 kJ m3v1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 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 冷凝過程中放出的熱量 qk h2 h3 k Mr h2 h3 5 壓縮機(jī)的理論耗功率Pth w h2 h1 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 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 4 C 冷凝溫度tk 40 C 無再冷 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 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 單位質(zhì)量制冷能力 單位容積制冷能力 制冷劑質(zhì)量流量 制冷劑體積流量 冷凝器熱負(fù)荷 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 第三節(jié)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善 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)等溫過程 兩個(gè)等壓過程循環(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 節(jié)流過程帶來的節(jié)流損失 干壓縮所產(chǎn)生的過熱損失 蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的兩種損失 一 膨脹閥前液態(tài)制冷劑再冷卻 液體再 過 冷 從冷凝器出來的液態(tài)制冷劑的溫度低于其壓力對應(yīng)的飽和溫度 再 過 冷度 液體過冷后的溫度與其壓力對應(yīng)的飽和溫度的差值 再 過 冷循環(huán) 具有液體過冷的制冷循環(huán)稱之為再 過 冷循環(huán) 改善制冷循環(huán)的措施 過冷的手段 設(shè)置過冷器 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) 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) 節(jié)流前制冷劑飽和液體的過冷 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)流過程 使之更接近等熵過程 2 液體過冷 2 回?zé)釋φ魵鈮嚎s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 使液體過冷 蒸氣過熱 稱之為回?zé)?一 膨脹閥前液態(tài)制冷劑再冷卻 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 q0 h4 h4 4bb 4 4 壓縮機(jī)的壓縮功增加 Wc h2 h1 h2 h1 2 1 122 制冷系數(shù)是否提高 取決與制冷劑的熱物理性質(zhì) 一般說來 對于節(jié)流損失大的制冷劑 如氟利昂R12 R134a等回?zé)嵊欣?而對于制冷劑氨則不利 有效過熱和有害過熱 蒸發(fā)器出來的低溫制冷劑蒸氣 在通過吸入管道進(jìn)入壓縮機(jī)前從周圍環(huán)境吸取熱量而過熱 但它并沒有對被冷卻物體產(chǎn)生任何制冷效應(yīng) 這種過熱稱為有害過熱或無效過熱 吸入蒸氣的過熱過程發(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 那么過熱而吸收的熱量來自被冷卻空間 因而產(chǎn)生了有用的制冷效果 這種過熱稱為有效過熱 過熱度對排氣溫度的影響 有效過熱的過熱度對制冷系數(shù)的影響 二 回收膨脹功 1 使用膨脹機(jī)的蒸氣壓縮式制冷循環(huán)對于大容量制冷裝置 一方面 由于膨脹機(jī)的容量較大 不會出現(xiàn)因機(jī)件過小導(dǎo)致加工方面的困難 另一方面 可回收的膨脹功相對較大 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) 二 回收膨脹功 工作流程 理論循環(huán) 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 三 多級壓縮式制冷循環(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 因而過熱損失及壓縮機(jī)功耗均較大 為減少過熱損失及降低壓縮機(jī)功耗 可采用具有中間冷卻的多級壓縮制冷循環(huán) 三 多級壓縮式制冷循環(huán) 多級壓縮式制冷循環(huán)的應(yīng)用場合 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 1 帶閃發(fā)蒸氣分離器的雙級壓縮制冷 工作流程 理論循環(huán) 閃發(fā)蒸氣分離器對制冷性能的影響 采用閃發(fā)蒸氣分離器 減少了一級壓縮的制冷劑流量 采用閃發(fā)蒸氣分離器 降低了二級壓縮機(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 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)過一級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熱蒸氣 因此稱之為不完全冷卻 不適合過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)過一級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 一次節(jié)流完全中間冷卻的雙級壓縮制冷 理論循環(huán) 工作流程 一次節(jié)流中間不完全冷卻的雙級壓縮制冷 理論循環(huán) 工作流程 雙級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 雙級壓縮式制冷制冷劑質(zhì)量流量的確定 對于一次節(jié)流完全中間冷卻制冷量為 0雙級壓縮制冷循環(huán) 低壓級壓縮機(jī)的制冷劑流量Mr1 高壓級壓縮機(jī)的制冷劑流量Mr 在中間冷卻器中 來自膨脹閥1的制冷劑 一方面使來自低壓壓縮機(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 中間冷卻器的能量方程為 三 多級壓縮式制冷循環(huán) 高壓級壓縮機(jī)的制冷劑流量Mr 三 多級壓縮式制冷循環(huán) 對于一次節(jié)流不完全中間冷卻制冷量為 0雙級壓縮制冷循環(huán) 狀態(tài)3 由狀態(tài)2和狀態(tài)3 混合而來 的比焓h3 中間冷卻器的能量方程為 高壓級壓縮機(jī)的制冷劑流量Mr 三 多級壓縮式制冷循環(huán) 熱力計(jì)算 質(zhì)量守恒 能量守恒方程是基礎(chǔ) 三 多級壓縮式制冷循環(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 4 C 冷凝溫度tk 40 C 試進(jìn)行理論循環(huán)的的熱力計(jì)算 P18 三 多級壓縮式制冷循環(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 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 三 多級壓縮式制冷循環(huán) 單位質(zhì)量制冷能力 單位容積制冷能力 三 多級壓縮式制冷循環(huán) 低壓級制冷劑質(zhì)量流量 低壓級壓縮機(jī)制冷劑體積流量 高壓級壓縮機(jī)制冷劑質(zhì)量流量 高壓級壓縮機(jī)制冷劑體積流量 三 多級壓縮式制冷循環(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 與課本例1 2對比 在相同的制冷能力條件下 帶閃發(fā)蒸氣分離器的雙級壓縮式制冷循環(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 四 復(fù)疊式制冷循環(huán) 對于采用氨 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 四 復(fù)疊式制冷循環(huán) 制冷劑的蒸發(fā)溫度過低 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 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 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) 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) 四 復(fù)疊式制冷循環(huán)的特點(diǎn) 兩臺制冷機(jī)聯(lián)合運(yùn)行 高溫級制冷機(jī)的蒸發(fā)器為低溫級制冷機(jī)的冷凝器提供冷源 為確保低溫級的所需冷凝溫度 高溫級制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度需低于低溫級冷凝溫度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 改善制冷循環(huán)的措施小結(jié) 提高能效比COP高壓液體的過冷 再冷 多級壓縮雙級壓縮 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壓縮復(fù)疊式 第四節(jié)跨臨界制冷循環(huán) 亞臨界循環(huán) 對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) 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)開發(fā) 以其無毒 不燃 不爆炸 無刺激性 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 由于氟利昂對環(huán)境的破壞作用 開始積極尋找無污染的替代制冷劑 CO2被人為是最具潛力的長期替代物 第四節(jié)跨臨界制冷循環(huán) 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) 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 吸熱過程在亞臨界條件下進(jìn)行 主要依靠液體蒸發(fā)來完成 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)下的冷凝過程不同 換熱過程依靠顯熱交換來完成 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) 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)吸氣過熱和膨脹閥前制冷劑液體過冷 系統(tǒng)存在制冷劑流動損失 系統(tǒng)內(nèi)存在不凝性氣體 一 實(shí)際循環(huán)過程分析 過程線1 2 3 4 1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) 過程線1 1 a b c c d 2 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) 第五節(jié)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán) 1 過程線1 1 來自蒸發(fā)器的低壓飽和或過熱制冷劑蒸氣 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 過程線a b 低溫低壓制冷劑蒸氣進(jìn)入氣缸的過程 吸收氣缸熱量 溫度有所上升 壓力仍為Pa 第五節(jié)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán) 4 過程線b c 制冷劑蒸氣在壓縮機(jī)中的實(shí)際壓縮過程 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 第五節(jié)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán) 7 過程線d 2 制冷劑從壓縮機(jī)出口至冷凝器入口的過程 由于流動阻力及熱交換存在 制冷劑壓力及溫度均有所下降 8 過程線2 3 制冷劑蒸氣冷凝過程 由于摩擦和渦流存在 冷凝并非等壓過程 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 過程線3 4 制冷劑節(jié)流過程 比焓基本不變 比熵增加 10 過程線4 1 制冷劑蒸發(fā)過程 由于摩擦和渦流存在壓力有所下降 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 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1 2 3 4 1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圖 第五節(jié)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán) 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) 而與制冷劑的種類及工況條件無關(guān) 對于確定的壓縮機(jī)而言 理論輸氣量為一定值 第五節(jié)蒸氣壓