第一章_單級蒸汽壓縮式制冷循環(huán) (1)

1、空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)第一章第一章 單級蒸氣壓縮式制冷循單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)環(huán)主講教師：龔偉申 蘇州大學(xué)陽澄湖校區(qū)主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.1 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)1.1.1 制冷系統(tǒng)與循環(huán)過程1.1.2 壓焓圖與溫熵圖1.1.3 單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的性能指標(biāo)及其熱力計算1.2 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)1.2.1 液體過冷循環(huán)1.2.2 蒸氣過熱循環(huán)1.2.3 回?zé)嵫h(huán)1.2.4 換熱及壓力損失對循環(huán)性能的影響1.2.5 單級蒸氣壓縮式制冷實際循環(huán)在壓焓圖上的表示1.2.6 單級蒸氣壓縮式制冷實際循環(huán)的熱力計算1.3 單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)性能的影響因素及工況1.3.1 單級蒸氣壓

2、縮式制冷循環(huán)性能的影響因素1.3.2 制冷機工況11 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)一、制冷系統(tǒng)與循環(huán)過程 1.制冷系統(tǒng)的組成：壓縮機、冷凝器、節(jié)流元件蒸汽器四個基本部件用管道構(gòu)成封閉的系統(tǒng)，并充注適量的制冷劑。11 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)2. 制冷系統(tǒng)的循環(huán)過程制冷劑在循環(huán)中只經(jīng)過一次壓縮的制冷過程 壓縮過程 冷凝過程 節(jié)流過程 蒸發(fā)過程11 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)2. 制冷系統(tǒng)的循環(huán)過程11 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)3、蒸汽壓縮式制冷的理想循環(huán)：假設(shè)制冷循環(huán)所有過程均是在可逆過程條件下進行的，換熱無溫差傳熱，壓縮、膨脹工質(zhì)流動無摩擦，內(nèi)部無渦流或擾動。l是典型的逆卡諾循環(huán)，二

3、個等溫過程（冷卻冷凝與蒸發(fā)汽化）與二個絕熱過程l其循環(huán)在氣液二相區(qū)實現(xiàn)，壓縮過程是濕壓縮，進入膨脹機是液態(tài)制冷。4、單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的假設(shè)條件l離開蒸發(fā)器和進入壓縮機的制冷劑蒸氣是處于蒸發(fā)壓力下的飽和蒸氣；l離開冷凝器和進入膨脹閥的液體是處于冷凝壓力下的飽和液體；l壓縮機的壓縮過程為等熵（干）壓縮；l制冷劑通過膨脹閥的節(jié)流過程為等焓過程；l制冷劑在蒸發(fā)和冷凝過程中為定壓過程，且沒有傳熱溫差，即制冷劑的冷凝溫度等于冷卻介質(zhì)溫度，蒸發(fā)溫度等于被冷卻介質(zhì)的溫度。l制冷劑在各設(shè)備的連接管道中流動沒有流動損失，與外界不發(fā)生熱量交換。圖1-4 蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)（a）工作過程；（b）理論循

4、環(huán)二種循環(huán)在T-S圖上區(qū)別二、壓焓圖和溫熵圖1.壓焓圖l一點：l臨界點Cl三區(qū)：l液相區(qū)、l兩相區(qū)、l氣相區(qū)。l五態(tài)：l過冷液狀態(tài)、l飽和液狀態(tài)、l濕蒸氣狀態(tài)、l飽和蒸氣狀態(tài)、l過熱蒸氣狀態(tài)。l八線：l等壓線p（水平線）l等焓線h（垂直線）l飽和液線x=0，l飽和蒸氣線x=1，l無數(shù)條等干度線xl等熵線sl等比體積線vl等溫線t液相區(qū)液相區(qū)兩相區(qū)兩相區(qū)氣相區(qū)氣相區(qū)11 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)11 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)2. 溫熵圖一點：臨界點三區(qū)：氣相區(qū)、液相區(qū)、濕蒸氣區(qū)五態(tài)：過冷液體、飽和液體、飽和蒸氣、 過熱蒸氣、濕蒸氣八線：等壓線、等焓線、等溫線、等熵線、 飽和蒸氣線、飽和液

5、體線、等干度線、 等容線液相區(qū)0XXTSSTK氣相區(qū)兩相區(qū)X=1X=0hvp1）制冷壓縮機壓縮過程制冷壓縮機壓縮過程2）制冷壓縮機冷凝過程制冷壓縮機冷凝過程 3）制冷壓縮機膨脹過程制冷壓縮機膨脹過程 4）制冷壓縮機蒸發(fā)過程制冷壓縮機蒸發(fā)過程 3. 單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)在壓焓圖上的表示11 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)11 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)4. 單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)在溫熵圖上的表示12：壓縮過程22：冷卻過程23：冷凝過程34：節(jié)流過程41：蒸發(fā)過程0S12324Tpk，tkp0，t011 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)三、單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的性能指標(biāo)及其熱力計算1

6、. 性能指標(biāo)制冷量（kW） 單位質(zhì)量制冷量（kJ/kg）單位容積制冷量（kJ/m3） 理論比功（kJ/kg）單位熱負荷（kJ/kg） 熱負荷（kW）制冷系數(shù) 熱力完善度2. 熱力計算 由熱力學(xué)第一定律能量方程可知： 0+Pth=Mr(ho-hi) 0和Pth是單位時間內(nèi)加給系統(tǒng)的熱量（kW）和功率（kW）； M是流進或流出該系統(tǒng)的穩(wěn)定質(zhì)量流量（kg/s）； hout和hin分別表示流體流進系統(tǒng)和流出系統(tǒng)狀態(tài)點的比焓（kJ/kg）。 11 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)l 1）制冷系統(tǒng)設(shè)備中的功與熱量的分析l按照熱力學(xué)第一定律，忽略勢能與動能，根據(jù)穩(wěn)定流動的能量方程0+Pth=Mr(ho-hi)l

7、壓縮機：l冷凝器：l蒸發(fā)器： 0 = Mr(h1-h4)l節(jié)流元件: h4=h3)(32hhMqMrkrk)(12hhMwMPrcrth11 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)l2）單級蒸汽壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力性能參數(shù)l單位質(zhì)量制冷量：l單位容積制冷量:l壓縮比功:l單位冷凝負荷:l制冷系數(shù)：l制冷劑的質(zhì)量流量:l制冷劑的體積流量: l熱力完善度:014qhh32hhqk12hhwc001421ththcqhhPwhhcthR 01rrvVM vq 01411vqhhqvv 00rMq 11 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)三、例題 制冷工質(zhì)為R22，蒸發(fā)溫度-10C,冷凝溫度35C， 制冷量55K

8、W試對該理論循環(huán)進行熱力計算。解： 基本思路為： 1、畫圖 2、查參數(shù)： 首先由tk得到：Pk、h3、h4 由t0得到：P0、h1、v1 由pk、p0得到：h2 3、然后按熱力計算公式進行計算11 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)0140100021001000230/vmmVmkkmkcqhhqqvqQqwhhPq wqq vQPqhhQq q單 位 質(zhì) 量 制 冷 量 ： 單 位 容 積 制 冷 量 ： 質(zhì) 量 流 量 ： 理 論 比 功 ： 理 論 功 率 ： 容 積 流 量 ： 制 冷 系 數(shù) ： 單 位 熱 負 荷 ： 熱 負 荷 ： 熱 力 完 善 度 ： 12 單級蒸氣壓縮式制冷的實

9、際循環(huán)一、實際循環(huán)與理論循環(huán)的差異l實際循環(huán)中，離開蒸發(fā)器和進入壓縮機的制冷劑蒸氣往往是過熱蒸氣；l實際循環(huán)中，離開冷凝器和進入膨脹閥的液體往往是過冷液體；l實際循環(huán)中，壓縮機的壓縮過程不是等熵壓縮；l實際循環(huán)中，制冷劑通過膨脹閥的節(jié)流過程不完全絕熱，節(jié)流后焓值有所增加；l實際循環(huán)中，在蒸發(fā)器和冷凝器處存在傳熱溫差，即制冷劑的冷凝溫度高于冷卻介質(zhì)溫度，蒸發(fā)溫度低于被冷卻介質(zhì)的溫度；l實際循環(huán)中，制冷劑在管道及設(shè)備內(nèi)流動是存在阻力損失，并與外界存在熱量交換。12 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)二、液體過冷循環(huán) 理想循環(huán)：1234 過冷循環(huán)：1234 1. 過冷度 2. 性能分析 (1) 單位比功w

10、0不變，單位質(zhì)量制冷量q0增大，單位容積制冷量增大，制冷系數(shù)增大； (2) 如果給定制冷量Q0，則質(zhì)量流量qm減小，容積流量qV減小。 3. 結(jié)論 過冷循環(huán)是有利的 思考：采取何種措施能增大過冷度？lgp0h124343pkp033 tt12 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)三、蒸氣過熱循環(huán) 理想循環(huán)：1234 過冷循環(huán)：1234 1. 過熱度 2. “無效過熱”性能分析 (1) 單位比功w0增大，單位質(zhì)量制冷量q0不變，單位容積制冷量增大，制冷系數(shù)減??； (2) 如果給定制冷量Q0，則質(zhì)量流量qm不變，容積流量qV增大。 2 1ttlgp0h14pkp0312212 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)

11、2. “有效過熱”性能分析 (1) 單位比功w0增大，單位質(zhì)量制冷量q0增大，單位容積制冷量增大，制冷系數(shù)的大小與制冷劑性質(zhì)有關(guān)； (2) 如果給定制冷量Q0，則質(zhì)量流量qm減小，容積流量的變化也與制冷劑的性質(zhì)有關(guān)。 lgp0h14pkp031221.061.041.021.00.980.960.940.92102030R502R600aR290R134aR22R7171.0102030R290R22R7170.951.05R744R502R12結(jié)論：過熱循環(huán)對制冷循環(huán)是不利的12 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)三、回?zé)嵫h(huán) 1. 回?zé)嵫h(huán)流程 2. 循環(huán)性能分析 （1）單位質(zhì)量制冷量增加、理論

12、比功增加，制冷系數(shù)的變化規(guī)律與制冷劑性質(zhì)有關(guān)； （2）如給定制冷量Q0，則質(zhì)量流量下降，容積流量的變化規(guī)律也與制冷劑性質(zhì)有關(guān) B233141DAECA 壓縮機B 冷凝器 C 膨脹閥D 回?zé)崞?E 蒸發(fā)器lgp0h1122434312 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)四、換熱及壓力損失對循環(huán)性能的影響 1. 吸氣管道 吸氣管道是指蒸發(fā)器出口到壓縮機吸氣入口之間的管道，通常認為吸氣管道中的換熱是無效的，它對循環(huán)性能的影響在前面的內(nèi)容中已經(jīng)作過詳細的分析。制冷劑壓力的降低將會導(dǎo)致壓縮機吸氣比容增大、壓縮機的壓力比增大、單位容積制冷量減小、壓縮機比功增大、制冷系數(shù)下降。 預(yù)防措施： 可以通過降低制冷劑流速

13、的方法來減小阻力，即通過增大管徑來減少壓力降。但是為了保證潤滑油能順利從蒸發(fā)器返回壓縮機，制冷劑流速也不能太低。此外，在吸氣管道上應(yīng)盡量減少安裝閥門、彎頭等阻力部件，以減少吸氣管道的局部阻力。12 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)2. 排氣管道 排氣管道是指壓縮機出口到冷凝器入口之間的管道，通常排氣溫度要高于環(huán)境溫度，向環(huán)境散熱不會影響循環(huán)系統(tǒng)性能，只會降低冷凝器的單位熱負荷。制冷劑在排氣管道中的壓力降將會增加壓縮機的排氣壓力和壓縮機的比功，導(dǎo)致制冷系數(shù)降低。 3. 冷凝器 在討論冷凝器和蒸發(fā)器中的壓降對循環(huán)的影響時，必須注意比較條件。假定冷凝器出口制冷劑的壓力不變，為了克服制冷劑在冷凝器中的流動

14、阻力，必須提高進冷凝器時制冷劑的壓力，必然導(dǎo)致壓縮機排氣壓力升高，壓縮比增大，壓縮機耗功增大，制冷系數(shù)下降。 12 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)4. 液體管道 液體管道是指冷凝器出口到節(jié)流閥入口之間的管道。如果冷凝溫度高于環(huán)境空氣的溫度，熱量將由液體制冷劑傳給周圍空氣，產(chǎn)生過冷效應(yīng)，使單位質(zhì)量制冷量增大；如果冷凝溫度低于環(huán)境空氣溫度，則會導(dǎo)致部分液體汽化，使制冷量下降。在冷凝器出口液體過冷度不是很大的情況下，管路中的壓力降會引起部分液體汽化，導(dǎo)致制冷量的降低。引起管路中壓力降的主要因素，往往并不在于流體與管壁之間的摩擦，而是在于液體流動高度的變化。因此在系統(tǒng)設(shè)計時，要注意冷凝器和節(jié)流閥的相對位

15、置，避免因位差而出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。 12 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)5. 兩相管道 兩相管道是指膨脹閥出口到蒸發(fā)器入口之間的管道。這段管道中制冷劑的溫度通常比環(huán)境溫度要低，所以熱量的傳遞將使制冷量減少。管道中的壓力降對性能沒有影響，因為對于給定的蒸發(fā)溫度，制冷劑進入蒸發(fā)器之前的壓力，必須降到相應(yīng)的蒸發(fā)壓力。壓力的降低無論是發(fā)生在節(jié)流機構(gòu)本身，還是發(fā)生在管路中，是沒有什么區(qū)別的。但是如果系統(tǒng)中采用液體分配器，管道中的阻力大小將影響到液體制冷劑分配的均勻性，影響制冷效果。 12 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)6. 蒸發(fā)器 假定不改變蒸發(fā)器出口制冷劑的狀態(tài)，為了克服制冷劑在蒸發(fā)器中的流動阻力，必須提高制

16、冷劑進蒸發(fā)器時的壓力，從而提高了蒸發(fā)過程中的平均蒸發(fā)溫度，使傳熱溫差減小，要求的傳熱面積增大，但對循環(huán)的性能沒有什么影響。如果假定不改變蒸發(fā)過程中的平均溫度，那么蒸發(fā)器出口制冷劑的壓力應(yīng)稍有降低，壓縮機吸氣比容增大，壓縮比增大，壓縮機比功增加，制冷系數(shù)下降。 12 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)7. 壓縮機 理論循環(huán)中，曾假定壓縮機的壓縮過程為等熵過程。實際上，在壓縮的開始階段，由于氣缸壁溫高于吸入的蒸氣溫度，因而此時氣缸壁向蒸氣傳遞熱量；當(dāng)壓縮到某階段后，蒸氣溫度升高，當(dāng)氣體溫度高于氣缸壁溫度時，熱量又由蒸氣向氣缸壁傳遞。因此整個壓縮過程是個壓縮指數(shù)不斷變化的多方過程。另外，由于壓縮機氣缸中有

17、余隙存積存在，氣體經(jīng)過吸、排氣閥及通道處有熱量交換及流動阻力，氣體通過活塞與氣缸壁間隙處會產(chǎn)生泄漏等，這些因素都會使壓縮機的輸氣量減少，制冷量下降，消耗的功率增大。 12 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)五、實際循環(huán)在ph圖上的表示 1234表示理論循環(huán)，112s2s3341表示實際循環(huán)。 41表示制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)和壓降過程； 11表示蒸氣在回?zé)崞?、吸氣管中以及蒸氣?jīng)過吸氣閥時的加熱和壓降過程； 12s表示壓縮機內(nèi)實際的多方壓縮過程； 2s2s表示排氣經(jīng)過排氣閥時的壓降過程； 2s3表示蒸氣經(jīng)排氣管進入冷凝器的冷卻、冷凝及 壓降過程； 33表示液體在回?zé)崞骷耙后w管道中的降溫、降壓過程 34表

18、示節(jié)流過程。 lgp0h112s2s2334412 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)單級蒸氣壓縮式制冷實際循環(huán)的簡單表示 l制冷劑通過膨脹閥的節(jié)流過程為絕熱等焓過程；l制冷劑在蒸發(fā)和冷凝過程中為定壓過程；l制冷劑在各設(shè)備的連接管道中流動沒有流動損失，與外界不發(fā)生熱量交換。 2lgp0h112345612 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)六、實際循環(huán)的熱力計算 1. 分類（1）設(shè)計性計算由已知工況計算循環(huán)的性能系數(shù)（2）校核性計算給定壓縮機型號進行校核制冷量的計算 2. 熱力計算 例12 3. 設(shè)計性計算 例1312 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)例12 某空調(diào)用制冷系統(tǒng)，制冷工質(zhì)為R22，所需制冷量Q0

19、為50kW，空調(diào)用冷水溫度tc10，冷卻水溫度tw=32，蒸發(fā)器端部傳熱溫差取t05，冷凝器端部傳熱溫差取tk8，試進行循環(huán)的熱力計算。計算中取液體過冷度tg5，吸氣管路有害過熱度tr5，壓縮機的輸氣系數(shù)0.8，指示效率i0.8。 lgp0h1132s2412 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)lgp0h1132s2401401 00021 021 0001 000/vmsiiimiiVmVV hqhhqqvqQqwhhwwhhwPqwPPqqvqqQP單 位 質(zhì) 量 制 冷 量 ： 單 位 容 積 制 冷 量 ： 質(zhì) 量 流 量 ： 理 論 比 功 ： 指 示 比 動 ： 理 論 功 率 ： 指

20、示 功 率 ： 容 積 流 量 ： 理 論 容 積 流 量 ： 制 冷 系 數(shù) ： 023/iikkmkicccwcQPqhhQqqttt單 位 熱 負 荷 ： 熱 負 荷 ： 熱 力 完 善 度 ： 12 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)例13 某單位現(xiàn)有一臺106F型制冷壓縮機，欲用來配一座小型冷庫，庫溫要求為tc10，水冷冷凝器的冷卻水溫tw=30，試對循環(huán)進行熱力計算。已知壓縮機參數(shù)：缸徑D100mm，行程S70mm，氣缸數(shù)Z6，轉(zhuǎn)速n1440r/min，蒸發(fā)器傳熱溫差取t010，冷凝器傳熱溫差取tk5，制冷工質(zhì)為R22，蒸發(fā)器出口的過熱度為5，管路過熱為5，液體過冷溫度為32，壓縮機的輸

21、氣系數(shù)0.6，指示效率i0.65，機械效率m0.9。lgp0h132s24112 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)0140102100000/vsiiiiqhhqqvwhhwwqwqwk0循環(huán)特性： 壓力比： p /p 單位質(zhì)量制冷量： 單位容積制冷量： 理論比功： 指示比動： 制冷系數(shù)： 實際制冷系數(shù)： lgp0h132s24110000/hVsVmVsmmimieimqqqqvq qq wq wPh2V2s121ik制冷機特性參數(shù)： 理論輸氣量： q =D SnZ 4 實際輸氣量： 制冷劑質(zhì)量流量： 制冷量： Q 理論功率： P 指示功率： P 軸功率： Ph -h 冷凝器熱負荷： h =h

22、+ Q =qm23(h -h )13 單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)性能的影響因素及工況一、性能影響因素 1. 冷凝溫度對循環(huán)性能的影響 由圖中可以看出，當(dāng)冷凝溫度上升后，循環(huán)的單位質(zhì)量制冷量q0減小，壓縮機吸氣口蒸氣的比體積v1不變，所以循環(huán)的單位容積制冷量qv減??；循環(huán)的制冷量也減?。划?dāng)冷凝溫度上升時，制冷循環(huán)的理論比功w0增大，由于壓縮機吸氣口蒸氣的比體積v1沒有變化，所以循環(huán)的比容積功wov和理論功率P0均增大；當(dāng)冷凝溫度上升時，制冷循環(huán)的制冷量Q0減小、理論功率P0增加，所以循環(huán)的制冷系數(shù)是降低的。000001000hhhVvVmVvQq qqPq wwq wvQPlgp0h221t0tkt

23、k3344q0w0q0w013 單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)性能的影響因素及工況2. 蒸發(fā)溫度對循環(huán)性能的影響 （1）由圖中可以看出，當(dāng)蒸發(fā)溫度下降后，循環(huán)的單位質(zhì)量制冷量q0減小，壓縮機吸氣口蒸氣的比體積v1增大，所以循環(huán)的單位容積制冷量qv減小,循環(huán)的制冷量也減小。 （2）由圖中還可以看出，當(dāng)蒸發(fā)溫度下降時，制冷循環(huán)的理論比功w0增大，由于壓縮機吸氣口蒸氣的比體積v1也增大，所以無法判斷循環(huán)的比容積功wov和理論功率P0的變化規(guī)律。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓縮機的壓縮比（pk/p0）約為3時達到最大值。 （3）由于制冷循環(huán)的制冷系數(shù)可以看成是單位質(zhì)量制 冷量與理論比功的比值，所以隨著蒸發(fā)溫度的降低，

24、循環(huán)的制冷系數(shù)是降低的。 3.結(jié)論 當(dāng)冷凝溫度上升或蒸發(fā)溫度降低時，制冷循環(huán)的制冷系數(shù)是降低的。反之，循環(huán)性能將得到改善。所以在實際應(yīng)用中，一般會對冷凝溫度進行控制，盡量不使它過高；在滿足工藝要求的前提下，應(yīng)盡量保持高的蒸發(fā)溫度。 lgp0ht0tk3q0w0q0w044212tkt013 單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)性能的影響因素及工況二、制冷機工況1.工況定義 所謂工況，是指制冷壓縮機工作的狀況，即制冷壓縮機工作的條件。名義工況是考核高溫、中溫、低溫用制冷壓縮機的名義制冷能力和軸功率。在此工況下，壓縮機按規(guī)定條件進行試驗，并作為性能比較的基準性能工況。壓縮機出廠時，機器銘牌上標(biāo)出的制冷量一般是名義工況下的制冷量。 標(biāo)準GB/T 100792001 13 單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)性能的影響因素及工況 表11 有機制冷劑壓縮機名