蒸汽壓縮式制冷-熱泵系統(tǒng)的壓焓圖與性能圖課件

2023/2/61“制冷空調技術提高與創(chuàng)新”繼續(xù)教育講座

第二講

蒸汽壓縮式制冷/熱泵系統(tǒng)的壓焓圖與性能圖

2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系2提綱預備知識壓焓圖（lgp-h圖）的應用制冷裝置的性能圖及其應用總結2023/2/63第一節(jié)預備知識2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系5（水泵）農(nóng)田灌溉與（熱泵）建筑采暖80℃80m田中俊六.省エネルギーシステム概論（ヒートポンプとヒートパイプはまったく別物なのか？）熱泵裝置制取熱量制冷裝置制取冷量2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系6制冷機與熱泵的相互關系相同點熱力學原理相同（如：蒸氣壓縮式制冷原理）結構相同（四大主要部件+制冷劑）不同點使用目的（功能）不同制冷機：吸收蒸發(fā)潛熱，降溫、除濕熱泵：釋放冷凝潛熱，升溫二者可以構成獨立的機器；也可集成為一臺機器，通過自動控制部件轉換制冷劑流向，改變機器的功能2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系7制冷機與熱泵的相互關系2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系9蒸氣壓縮式制冷的應用領域蒸氣壓縮式是目前廣泛采用的制冷方法制冷機類：電冰箱、冷藏柜、陳列柜、冷庫、工藝冷水設備等熱泵類：房間空調器、商用中央空調、水源熱泵、多聯(lián)機等2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系10小結制冷機與熱泵可以獨立成為設備，也可成為集成設備中國稱之為“熱泵”的設備主要是指集成設備目前，制冷機與熱泵廣泛采用蒸氣壓縮式制冷技術制冷機與熱泵的設計、控制、運行與管理的理論基礎是“壓焓圖”和“性能圖”2023/2/611第二節(jié)lgp-h圖及其應用2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系13壓焓圖（lgp-h圖）的功能壓焓圖（lgp-h圖）是分析蒸氣壓縮式制冷（熱泵）循環(huán)的重要工具循環(huán)設計：構造各種制冷循環(huán)循環(huán)計算：計算制冷（熱泵）循環(huán)，選配各部件容量循環(huán)分析：對已知系統(tǒng)進行熱力分析清華大學建筑學院建筑技術科學系143區(qū)：過冷液體區(qū)飽和區(qū)過熱蒸氣區(qū)lgph制冷劑壓焓圖（lgp-h圖）1點：臨界點CC2線：飽和液線ф=0

飽和氣線ф=1ф=0ф=1t6線：等壓線等溫線等比焓線等比熵線等比容線等干度線xhpsv清華大學建筑學院建筑技術科學系15單質/共沸/近共沸制冷劑壓焓圖（R134a）清華大學建筑學院建筑技術科學系17hCompressorCondenserReceiverpEvaporator制冷循環(huán)在壓焓圖上表示qkqowcB1、實際制冷循環(huán)中，制冷劑流量不是1kg/s，而是mkg/s；2、實際制冷循環(huán)存在各種壓力損失。2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系18lgp-h圖的應用舉例1兩相區(qū)以外的制冷劑狀態(tài)點必須由兩個獨立狀態(tài)參數(shù)才能描述例如：具有一定過熱度的壓縮機吸氣狀態(tài)（點1）可由壓縮機吸氣管上的壓力表（p1）以及溫度計（t1）讀數(shù)，經(jīng)制冷劑物性方程或lgp-h圖來確定如果吸氣狀態(tài)位于兩相區(qū)（點6）時，則不能直接確定干度x6采用節(jié)流方法使之降壓（6→1）成過熱蒸氣（點1）根據(jù)p1和t1的讀數(shù)確定出點1的狀態(tài)再根據(jù)h6=h1原理求解壓力為p0、比焓為h1的濕蒸氣（點6）的干度x61234h6=h16當壓縮機出現(xiàn)回液時，也可采取同樣方法，以保證壓縮機的安全2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系19lgp-h圖的應用舉例2當從貯液器至膨脹閥之間的高壓液體管存在較大壓力損失時，制冷劑容易出現(xiàn)沿程閃發(fā)①高壓液體上升立管高度過高（重力損失）②管道過細及局部阻力部件過多③沿程吸熱量過大重力損失的計算方法

lgph4'43pkp01'25'5注意：高壓液體管有上升立管與下降立管，二者有何區(qū)別？2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系21請看廣告——①L=120m,Z=50m,H=15m②L=100m,Z=50m③L=150m,Z=50m,H=15m①②③2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系22多聯(lián)機具有作用域(or作用半徑)?多聯(lián)機的作用域作用域是指保證室內舒適性、同時保證多聯(lián)機系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運行的室內、外機組之間以及室內機組之間的最大管長L與最大高差Z安全性作用域舒適性作用域經(jīng)濟性作用域調節(jié)性作用域多聯(lián)機作用域問題是四種作用域的交集多聯(lián)機作用域問題是指導多聯(lián)機系統(tǒng)設計、安裝的重要理論基礎LZ＋0－?Z2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系23安全性作用域安全性作用域是指防止垂直液管內因重力作用而影響系統(tǒng)安全運行的室內、外機之間連接管的最大高差導致壓力過高（超出設計允許壓力）下降液管（例）導致制冷劑閃發(fā)上升液管與制冷劑種類有關與機組和連接管的耐壓程度有關2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系25經(jīng)濟性作用域經(jīng)濟性作用域是指為防止由于吸、排氣管摩擦阻力損失引起系統(tǒng)性能出現(xiàn)嚴重衰減而確定的室內、外機之間連接管的最大長度必須選定參考機組考察多聯(lián)機EER、COP與參考機組的TEER、TCOP（包含水泵、風機盤管的耗功），確定經(jīng)濟性作用域與參考機組的能效水平和連接管的保溫效果有關2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系26經(jīng)濟性作用域12341’2’2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系27調節(jié)性作用域調節(jié)性作用域是指為防止因管內摩擦阻力和液體重力作用的影響導致室內、外機調節(jié)能力下降所確定的并聯(lián)蒸發(fā)器或并聯(lián)冷凝器之間連接管的最大長度與高差換熱器＋電子膨脹閥電子膨脹閥容量調節(jié)范圍有限2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系29舒適性作用域舒適性作用域是指為防止室內蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度超高或室內冷凝器的冷凝溫度超低，以保證室內蒸發(fā)器除濕、冷凝器出風溫度不致過低所確定的室內、外機組之間的最大長度和高差與經(jīng)濟性、安全性作用域密切相關2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系30舒適性作用域1234制冷運行制熱運行2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系31多聯(lián)機的作用域（計算結果）多聯(lián)機類型作用域（m）連接管之間的關系R22多聯(lián)機R410A多聯(lián)機單冷型室內、外機組之間管長應L<100<200室內機與室外機之間的高差Z[-90，36][-140，64]室內機組之間的高差ΔZ<50<100熱泵型室內、外機組之間管長應L<100<200室內機與室外機之間的高差Z[-33，36][-56，64]室內機組之間的高差ΔZ<20<25產(chǎn)品很少2023/2/6323.各種實用制冷裝置的制冷循環(huán)——以采用開啟式壓縮機的一些實用制冷裝置為例，介紹如何利用lgp-h圖分析制冷循環(huán)2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系33預備知識制冷系統(tǒng)的COP=Qe/Pin封閉式壓縮機為Pin；開啟式壓縮機Pin=Pe(軸功率)輸入功率Pin電機損失電機效率ηe輸出功率Pout軸功率Pe傳動損失傳動效率ηd壓縮機摩擦損失、油泵耗功指示功率Pi摩擦效率ηm制冷劑泄漏、漏熱指示效率ηi等熵壓縮功率Pi等熵壓縮功率Pth過/欠壓縮損失有效壓縮功率Pε內壓縮效率ηε2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系34預備知識制冷量Qe輸入功率PinCOP1234(當Mrev=Mrcom時)2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系35回熱循環(huán)特點可提高壓縮機回氣過熱度，防止液擊、以利于提高帶油速度高壓液體得到再冷，可防止制冷劑沿程閃發(fā)對于某些制冷劑而言，回熱是減小節(jié)流損失的重要措施膨脹閥蒸發(fā)器壓縮機冷凝器回熱器油分離器高壓貯液器16254312738Δh6tkt045Δh回熱器2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系36帶蒸發(fā)壓力調節(jié)閥的制冷循環(huán)應用場合利用一套制冷裝置對不同庫溫要求的冷間進行降溫此時，庫溫較高的冷間要求蒸發(fā)溫度（或蒸發(fā)壓力）高，以降低貯藏物的干耗28345tkt02,Mr276t01,Mr11pkp01p02膨脹閥2蒸發(fā)器2壓縮機冷凝器蒸發(fā)壓力調節(jié)閥高壓貯液器132657膨脹閥1蒸發(fā)器148油分離器單向閥2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系37熱氣旁通制冷循環(huán)是小型制冷裝置的容量控制方法之一，但性能較差可以將壓縮機排氣經(jīng)熱氣旁通閥直接旁通到壓縮機吸氣管如果將熱氣旁通閥的出口接至蒸發(fā)器入口，即可解決旁通導致的吸氣過熱問題25341tkt06pkp0αMrMrMr(1-α)膨脹閥蒸發(fā)器冷凝器高壓貯液器12654油分離器壓縮機熱氣旁通閥αMrMrMrMr(1-α)32023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系38采用滿液式蒸發(fā)器的制冷循環(huán)冷庫用重力供液盤管式蒸發(fā)器空調用冷水機組的滿液式蒸發(fā)器

25341tkt06pkp0x4x77膨脹閥蒸發(fā)器冷凝器高壓貯液器12674油分離器壓縮機氣液分離器35H高壓液體回熱器浮球閥去壓縮機水、載冷劑傳熱管液態(tài)制冷劑2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系39液泵供液制冷循環(huán)具有可實現(xiàn)遠程輸送制冷劑、蒸發(fā)器安裝位置不受限制、強化管內換熱、有利于順利帶油等優(yōu)點2

6451tkt07pkp0x5x10109812113冷凝器高壓貯液器114低壓循環(huán)貯液器38579液泵自動旁通閥調節(jié)閥6121102膨脹閥蒸發(fā)器油分離器壓縮機回熱器2023/2/640第三節(jié)性能圖及其應用2023/2/6411.制冷系統(tǒng)性能圖理論基礎2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系42簡單制冷系統(tǒng)室內機室外機連接管壓縮機氣液分離器四通閥冷凝器蒸發(fā)器節(jié)流裝置制冷系統(tǒng)主要設備（四大基本部件）2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系43制冷系統(tǒng)的性能？制冷系統(tǒng)設計根據(jù)系統(tǒng)的使用目的和給定的使用環(huán)境參數(shù)（實際使用地域或相關標準），確定設計工況，并根據(jù)設計工況選擇和設計最佳的部件和自動控制設備制冷系統(tǒng)運行調節(jié)在實際使用中，外部因素與設計工況并不相同，需要對制冷系統(tǒng)進行調節(jié)、其性能將如何變化？什么是制冷系統(tǒng)性能？定義：制冷量、耗功率與外界參數(shù)、調控參數(shù)之間的關系制冷系統(tǒng)的性能2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系44制冷系統(tǒng)性能分析的理論基礎壓縮機冷凝器蒸發(fā)器節(jié)流裝置采用圖形法進行性能分析，簡單、直觀性能分析方法：

%仿真模擬

%圖形法分析調節(jié)變量擾動因素2023/2/6452.定速壓縮機制冷系統(tǒng)的性能圖2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系46壓縮機工作特性（1）2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系47壓縮機工作特性（2）2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系48壓縮機工作特性（3）＋2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系49冷凝器工作特性（1）根據(jù)能量守恒方程（冷卻介質得熱量＝冷凝器與制冷劑的換熱量）當冷凝器結構確定后，冷凝負荷可描述為2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系50冷凝器工作特性（2）2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系51蒸發(fā)器工作特性（1）對于干工況而言，蒸發(fā)器的工作特性與冷凝器相似由此可見，水冷蒸發(fā)器與干工況運行時，其工作特性公式與冷凝器類似2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系52蒸發(fā)器工作特性（2）對于濕工況而言：同時發(fā)生能量和質量交換，推動力為比焓差（或濕球溫度差）結構確定后，傳熱系數(shù)Kew變化大，故制冷量2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系53蒸發(fā)器工作特性（3）2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系54壓縮冷凝機組（壓縮機＋冷凝器）的工作特性由壓縮機性能曲線和冷凝器性能曲線消去冷凝溫度tc（內部參數(shù)）2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系55風冷式壓縮冷凝機組的性能冷凝溫度（℃）

(a)

70

60

50

40

30

20

冷凝溫度（℃）

35

40

45

50

55

60

10℃

5

0

-5

冷凝器排熱量（KW）

(b)

蒸發(fā)溫度

A

制冷量（KW）

35

40

45

50

55

60

10℃

5

0

-5

60

50

40

30

20

10

蒸發(fā)溫度

13

12

11

10

9

8

冷凝溫度（℃）

35

40

45

50

55

60

10℃

5

0

-5

輸入功率（KW）

(c)

蒸發(fā)溫度

14

303025℃

35

40

進口空氣溫度25℃

35

40

進口空氣溫度25℃

35

30

40

進口空氣溫度

AA’A”aa’a”消去tc消去tcA’a’A”a”2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系56壓縮冷凝機組工作特性相關結論1壓縮冷凝機組的性能取決于壓縮機和冷凝器的性能對于結構一定的壓縮冷凝機組，其性能與冷卻介質的流量、入口溫度以及蒸發(fā)溫度有關（性能標定時，必須規(guī)定冷卻介質的入口溫度和系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度）冷凝器性能曲線的斜率Qc/(tca-te)與FRAcKc三者乘積成正比，故設計時，傳熱面積與冷卻流量介質取得過小，性能曲線平坦，制冷能力不能充分發(fā)揮2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系57壓縮冷凝機組工作特性相關結論2在使用過程中，因下列因素造成冷凝器傳熱面積與傳熱系數(shù)降低，均使性能曲線變得平坦，機組冷凝溫度升高，性能下降傳熱系數(shù)減小集塵、結垢、油膜；冷卻介質流量減小等傳熱面積減小制冷劑充注量過多；存在不凝性氣體等2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系58制冷系統(tǒng)[（壓縮機＋冷凝器）＋蒸發(fā)器]的工作特性由（壓縮機+冷凝器性能曲線）＋蒸發(fā)器性能曲線消去蒸發(fā)溫度te

（內部參數(shù)）2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系59制冷系統(tǒng)[（壓縮機＋冷凝器）＋蒸發(fā)器]的工作特性

蒸發(fā)器進口空氣濕球溫度蒸發(fā)器風量一定(6800m3/h)24

22

20

18

16

2422

1816℃消去te消去te20℃蒸發(fā)器風量一定(6800m3/h)蒸發(fā)器進口空氣濕球溫度=

2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系60制冷系統(tǒng)[（壓縮機＋冷凝器）＋蒸發(fā)器]的工作特性2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系61制冷系統(tǒng)工作特性相關結論制冷系統(tǒng)（制冷機組）的性能取決于壓縮機、冷凝器和蒸發(fā)器的性能對于給定的制冷機組，其性能取決于冷卻介質與被冷卻介質入口溫度（或濕球溫度）和流量（性能標定時，必須規(guī)定上述介質的溫度）影響壓縮冷凝機組性能的因素直接影響制冷機組性能，規(guī)律也相同2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系62制冷系統(tǒng)工作特性相關結論蒸發(fā)器性能曲線的斜率Qe/(teaw-te)與FRAeKew三者乘積成正比，故設計時，傳熱面積或被冷卻介質流量取得過小，性能曲線平坦，制冷能力不能充分發(fā)揮運行過程中，如果蒸發(fā)器因下列原因造成傳熱面積與傳熱系數(shù)減小，蒸發(fā)器的性能曲線將變得平緩，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度必定降低，制冷能力得不到充分發(fā)揮傳熱系數(shù)減小結垢、油膜；結冰、結霜；被冷卻介質流量減小等傳熱面積減小節(jié)流裝置：毛細管過長、膨脹閥過小，造成過熱度過大；冰堵、臟堵；存油等2023/2/6633.變容制冷系統(tǒng)的性能圖2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系64變容量制冷系統(tǒng)的工作特性變容量制冷系統(tǒng)最基本的特征是壓縮機的排氣量Vh可以調節(jié)（簡稱變容量壓縮機）變容量壓縮機：變速（如變頻f）或變行程等壓縮機的性能描述2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系65蒸發(fā)溫度（℃）冷凝溫度（℃）f1f2f3f1f2f3tc1tc2tc3te3te2te1性能圖分析方法1c1

e1

e2c2

c1’

e1’e

Eb

Bd

Dc

Cf

Fa

A2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系66性能圖分析方法2f3f2f1TQee11

teaw

te12’e22

te2’e1+e233’3”

te3’2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系67性能圖分析方法3Qee1+e23BAC3’3”Tteaw2

te1f3f2f1e1e221

teaw12’2023/2/6清華大學建筑學院建筑技術科學系68例如：多聯(lián)機的經(jīng)濟性作用域分析方法配管長度影響—室內機能力降低制冷量蒸發(fā)溫度t0tet′t″壓縮機性能曲線室內機（總和）室內機1（最近）室內機2（最遠）吸氣管阻力QeQ0q1q2p122023/2/6清華大學建筑學院