油空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)4

1、第四節(jié)第四節(jié) 跨臨界制冷循環(huán)跨臨界制冷循環(huán)主講人：張姝建筑環(huán)境與設(shè)備工程教研室第四節(jié)第四節(jié) 跨臨界制冷循環(huán)跨臨界制冷循環(huán)一、基本概念一、基本概念l亞臨界循環(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)l跨臨界循環(huán)：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，壓縮機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)。第四節(jié)第四節(jié) 跨臨界制冷循環(huán)跨臨界制冷循環(huán)二、二、CO2作為制冷劑的發(fā)展史作為制冷劑的發(fā)展史n在1930年以

2、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的工作壓力很高、材料耗費嚴(yán)重、安全性較差。n1931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，很快取代了CO2(R744)在安全制冷劑方面的地位；n1990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。三三、CO2跨臨界制冷循環(huán)跨臨界制冷循環(huán) 1、CO2跨臨界循環(huán)的循環(huán)原理及壓焓圖如下圖所示跨臨界循環(huán)的循環(huán)原理及壓焓圖如下圖所示。循環(huán)原理循環(huán)原理 壓焓圖壓焓圖

3、第四節(jié)第四節(jié) 跨臨界制冷循環(huán)跨臨界制冷循環(huán)第四節(jié)第四節(jié) 跨臨界制冷循環(huán)跨臨界制冷循環(huán)2、CO2跨臨界制冷循環(huán)與常規(guī)亞臨界循環(huán)的異同跨臨界制冷循環(huán)與常規(guī)亞臨界循環(huán)的異同l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，主要依靠液體氣化來完成；l壓縮機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。此時高壓端熱交換器不再稱為冷凝器，而稱之為氣體冷卻器；l跨臨界制冷循環(huán)的熱力計算與常規(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。第四節(jié)第四節(jié)

4、跨臨界制冷循環(huán)跨臨界制冷循環(huán)3、最優(yōu)高壓側(cè)壓力、最優(yōu)高壓側(cè)壓力P2opt n在跨臨界循環(huán)中，溫度和壓力共同影響氣體冷卻器出口制冷劑的焓值。n當(dāng)蒸發(fā)溫度T0、氣體冷卻器出口溫度T3保持恒定時，循環(huán)的制冷系數(shù) 隨高壓側(cè)壓力P2的升高，單位質(zhì)量耗功量呈直線規(guī)律上升，而單位質(zhì)量制冷量上升幅度卻有逐漸減小的趨勢，二者綜合作用使得制冷系數(shù)先升高再降低，對應(yīng)于最大制冷系數(shù) 的高壓側(cè)壓力被稱為最優(yōu)高壓側(cè)壓力P2opt 。n當(dāng)不考慮吸氣過熱度時， P2opt (單位：100kPa)可以采用經(jīng)驗公式計算：thmthm2030(2.7780.015 )(0.3819.34)optpt tt第四節(jié)第四節(jié) 跨臨界制冷循

5、環(huán)跨臨界制冷循環(huán)四、四、CO2跨臨界循環(huán)的改善跨臨界循環(huán)的改善1、蒸氣回?zé)嵫h(huán)、蒸氣回?zé)嵫h(huán) Co2跨臨界制冷循環(huán)采用回?zé)嵫h(huán)是減少節(jié)流損失、提高性能系數(shù)的有效途徑之一。qk膨脹閥蒸發(fā)器壓縮機211q0343wc氣體冷卻器回?zé)崞髟韴D原理圖 壓焓圖壓焓圖 第四節(jié)第四節(jié) 跨臨界制冷循環(huán)跨臨界制冷循環(huán)2、雙級壓縮回?zé)嵫h(huán)、雙級壓縮回?zé)嵫h(huán)在回?zé)嵫h(huán)的基礎(chǔ)上，采用雙級壓縮有利于降低壓縮機的排氣溫度并提高系統(tǒng)的性能，同時有利于壓縮機的安全運行。32114hlgP22 3壓焓圖壓焓圖 qk回?zé)崞髋蛎涢y蒸發(fā)器壓縮機211q0343wc2氣體冷卻器壓縮機2wc1低壓級高壓級2”原理圖原理圖 第四節(jié)第四節(jié) 跨

6、臨界制冷循環(huán)跨臨界制冷循環(huán)3、用膨脹機回收膨脹功、用膨脹機回收膨脹功 文獻(xiàn)分析表明，單級壓縮帶膨脹機的CO2 跨臨界循環(huán)的制冷系數(shù)可超過相同工作條件下R22和R134a的簡單循環(huán)。qkq0wcwce氣體冷卻器蒸發(fā)器膨脹機壓縮機2135原理圖原理圖 第四節(jié)第四節(jié) 跨臨界制冷循環(huán)跨臨界制冷循環(huán)4、CO2四種循環(huán)制冷系數(shù)比較四種循環(huán)制冷系數(shù)比較 如果膨脹劑的效率為0.65，壓縮機的絕熱效率為0.9，在其他參數(shù)完全相同的條件下，分別采用上述四種循環(huán)形式：（1）簡單單級壓縮循環(huán)（2）單級壓縮回?zé)嵫h(huán)（3）雙級壓縮回?zé)嵫h(huán)（4）用膨脹機的單級壓縮循環(huán) 由此可見，采用蒸氣回?zé)帷㈦p級壓縮以及用膨脹機回收膨脹功

7、均能有效地改善CO2跨臨界制冷循環(huán)的性能，特別是采用帶膨脹機的雙級壓縮蒸氣回?zé)嵫h(huán)，系統(tǒng)性能將得到明顯改善。循環(huán)43214.03.02.01.0-50510實際制冷系數(shù)第五節(jié)第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)一、蒸氣壓縮式制冷實際循環(huán)的特點一、蒸氣壓縮式制冷實際循環(huán)的特點（與理論循環(huán)相比）（與理論循環(huán)相比）l在壓縮機中，氣體內(nèi)部和氣體與氣缸壁之間存在摩擦，并且氣體與外部有熱交換；l壓縮機進(jìn)、排氣閥存在節(jié)流損失；l制冷劑流經(jīng)管道、冷凝器和蒸發(fā)器等設(shè)備時，制冷劑與管壁或器壁之間的摩擦，以及與外部的熱交換；第五節(jié)第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)二、實際循

8、環(huán)過程分析二、實際循環(huán)過程分析 如下圖所示：過程線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)。 過程線1 1” abc cd2 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際循環(huán)。第五節(jié)第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)1、過程線11:來自蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸氣，經(jīng)管道流至壓縮機，由于沿途存在摩擦阻力、局部阻力以及吸收外界的熱量，制冷劑壓力稍有降低，溫度有所升高。2、過程線1” a：低壓氣態(tài)制冷劑通過壓縮機吸氣閥時被節(jié)流，壓力降至Pa。3、過程線ab：低壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入氣缸的過程，吸收外界熱

9、量，溫度有所上升，而壓力仍為Pa。第五節(jié)第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)4、過程線b c：這是氣態(tài)制冷劑在壓縮機中的實際壓縮過程線；壓縮初期，制冷劑溫度低于氣缸壁溫度，所以是吸熱壓縮過程，比熵有所增加；當(dāng)制冷劑被壓縮至高于氣缸壁溫度以后，則變?yōu)榉艧釅嚎s過程，直至壓力升至P2，比熵有所減少。氣缸頭部冷卻效果越好，制冷劑比熵減少越多，如圖中c c過程線。5、過程線cd：制冷劑經(jīng)過壓縮機排氣閥，被節(jié)流，比焓基本不變，壓力有所降低。6、過程線d2：制冷劑從壓縮機經(jīng)管道至冷凝器的過程，由于阻力與熱交換的存在，制冷劑壓力與溫度均有所降低。第五節(jié)第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)蒸氣壓

10、縮式制冷的實際循環(huán)7、過程線2 3:制冷劑在冷凝器中由于有摩擦和渦流存在，所以，冷凝過程并非等壓過程，根據(jù)冷凝器形式的不同，其壓力有不同程度的降低，出口還有一定的再冷度。8、過程線3 4：制冷劑節(jié)流過程，溫度不斷降低，所以，在進(jìn)入蒸發(fā)器前，將從外界吸收一些熱量，比焓略有增加。9、過程線4 1：與冷凝器相同，蒸發(fā)過程也不是等壓過程，隨蒸發(fā)器形式的不同，壓力有不同程度的降低。第五節(jié)第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)三、實際循環(huán)的制冷性能 從上述分析可知：在實際循環(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：l 實際循環(huán)的平均冷凝壓力有所升

11、高；l 實際循環(huán)的平均蒸發(fā)壓力有所降低。第五節(jié)第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)三、實際循環(huán)的制冷性能 1、實際制冷循環(huán)的壓焓圖、實際制冷循環(huán)的壓焓圖 保留實際制冷循環(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為實際循環(huán)。第五節(jié)第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)2、實際制冷循環(huán)的、實際制冷循環(huán)的熱力計算熱力計算l容積效率容積效率 ：壓縮機實際輸氣量Vr與理論輸氣量Vh之比，即（理論輸氣量與壓縮機的結(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)，對于確定的壓縮機而言，理論輸氣量為一定值。）l壓縮機的實際輸氣量：壓

12、縮機的實際輸氣量：第五節(jié)第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)2、實際制冷循環(huán)的、實際制冷循環(huán)的熱力計算熱力計算l實際循環(huán)的制冷量：實際循環(huán)的制冷量：給定平均冷凝壓力與平均蒸發(fā)壓力條件下 式中：單位容積制冷能力qvl實際循環(huán)的制冷劑質(zhì)量流量：實際循環(huán)的制冷劑質(zhì)量流量：第五節(jié)第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)2、實際制冷循環(huán)的、實際制冷循環(huán)的熱力計算熱力計算l指示功率指示功率Pi：存在流動阻力等因素、壓縮過程偏離等熵過程時壓縮機的實際耗功率。l指示效率指示效率 : 存在流動阻力等因素、壓縮過程偏離等熵過程時，單位質(zhì)量制冷劑的理論耗功率與壓縮機的實際耗功率（

13、指示功率）的比值。第五節(jié)第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)2、實際制冷循環(huán)的、實際制冷循環(huán)的熱力計算熱力計算l軸功率軸功率Pe：包括克服機械摩擦和帶動如油泵等輔助設(shè)備所消耗的功率在內(nèi)、實際作用在傳動軸上的功率。l摩擦效率摩擦效率 ：指示功率與軸功率的比值。l壓縮機與電動機之間的傳動效率壓縮機與電動機之間的傳動效率 ：直聯(lián)時直聯(lián)時： （傳動效率高，但對壓縮機主軸和電動機的轉(zhuǎn) 軸的同軸度要求較高。）三角皮帶連接時三角皮帶連接時：第五節(jié)第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán) 2、實際制冷循環(huán)的、實際制冷循環(huán)的熱力計算熱力計算l壓縮機配用電動機的壓縮機配用電動機

14、的輸出功率輸出功率P：l制冷循環(huán)的實際制冷系數(shù) （也稱之為性能系數(shù)，用COP表示）： 其中， 為工作在與實際制冷循環(huán)的平均冷凝壓力與平均蒸發(fā)壓力、再冷度與過冷度相同條件下的理論循環(huán)制冷系數(shù)。第五節(jié)第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán) 各種空調(diào)制冷機組的實際性能系數(shù)各種空調(diào)制冷機組的實際性能系數(shù)(COP)。家用窗式空調(diào)：家用窗式空調(diào)：2.5-3.0(理論循環(huán)理論循環(huán)COP一般在一般在5以上以上)風(fēng)冷式機組風(fēng)冷式機組:2.5-3.3(理論循環(huán)理論循環(huán)COP一般在一般在5以上以上)單級水冷式機組：單級水冷式機組：3.8-5.5(理論循環(huán)理論循環(huán)COP一般在一般在6以上以上)多級水冷式機組：多級水冷式機組：5-7第五節(jié)第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán) 對于由封閉式壓縮機構(gòu)成的制冷循環(huán)系統(tǒng)，因驅(qū)動電動機內(nèi)置于壓縮機，故還需考慮電動機效率 （電動機輸