第二章 容積型制冷壓縮機的熱力學(xué)基礎(chǔ)

第二章容積型制冷壓縮機的熱力學(xué)基礎(chǔ)第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity在蒸氣壓縮式制冷機中應(yīng)用最廣泛使用數(shù)量最多單機功率范圍寬廣結(jié)構(gòu)型式眾多最常用：往復(fù)式壓縮機容積型制冷壓縮機：第二章容積型制冷壓縮機的熱力學(xué)基礎(chǔ)第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三往復(fù)式壓縮機有關(guān)名詞術(shù)語外止點（上止點）內(nèi)止點（下止點）活塞行程（S=2R）氣缸直徑（D）50，70，100，125，170mm余隙容積VcSchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity外止點內(nèi)止點第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三余隙容積:

由于壓縮機結(jié)構(gòu)、制造、裝配、運轉(zhuǎn)等方面的需要，氣缸中某些部位留有一定的空間或間隙，將這部分空間或間隙稱為余隙容積

存在的部位：

1.活塞運動排氣行程終了時，其端面與氣缸端面之間的間隙；

2.氣缸鏡面與活塞外圓（從端面到第一道活塞環(huán)）之間的間隙；

3.

由氣閥至氣缸容積的通道所形成的容積。氣閥本身所具有的容積，如閥座的通道、彈簧孔等（通道容積所占比例最大，環(huán)形間隙其值甚微）SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第一節(jié)單級往復(fù)式壓縮機的理論循環(huán)研究理論循環(huán)的目的找出循環(huán)基本熱力參數(shù)間的關(guān)系；找出提高循環(huán)指標(biāo)的基本途徑；確定循環(huán)的極限指標(biāo)，用于評價實際循環(huán)完善程度。第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity幾個假設(shè)條件:壓縮機沒有余隙容積；吸、排氣過程沒有壓力損失；吸、排氣過程中與外界沒有熱量交換；沒有泄漏；壓縮機在工作中沒有摩擦損失。第一節(jié)單級往復(fù)式壓縮機的理論循環(huán)由于理想工作過程不存在任何容積和能量損失。因此，對給定的壓縮機而言，它就能達(dá)到輸氣量最大，而耗功量最小的狀態(tài)。第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity1.

壓縮機的理想工作過程吸氣過程（d-a）當(dāng)活塞自左死點（上止點）向右移動時，進(jìn)氣閥打開，排氣閥關(guān)閉，初態(tài)氣體吸入汽缸。氣缸容積逐漸增大。當(dāng)活塞到達(dá)右死點（下止點）時，進(jìn)氣閥關(guān)閉，吸氣過程結(jié)束。PVda第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity1.

壓縮機的理想工作過程壓縮過程（a-b）（可逆絕熱、等熵過程）活塞在外力推動下向左回行，此時進(jìn)、排氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，缸內(nèi)工作容積逐漸減小。制冷劑蒸汽被壓縮，溫度和壓力逐漸升高。dab第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity1.

壓縮機的理想工作過程dabc排氣過程（b-c）

活塞行至相應(yīng)于b態(tài)位置，氣體壓力升高到略高于排氣腔中制冷劑壓力時，排氣閥打開，活塞繼續(xù)左行，將處于排氣壓力的氣體不斷推出氣缸，直至活塞到達(dá)左死點，排氣過程結(jié)束。第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity

(1)氣缸工作容積

當(dāng)余隙容積為零，按壓縮機進(jìn)口吸氣狀態(tài)（Ps0,Ts0）計算，活塞移動一個行程所掃過的氣缸容積Vp，即每一循環(huán)從氣缸中排出的氣體容積。2.

往復(fù)式壓縮機的理論輸氣量(m3)DS第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity(2)理論容積輸氣量qvt(理論排量)

壓縮機按理論循環(huán)工作時，單位時間內(nèi)所能供給的按進(jìn)口吸氣狀態(tài)換算的氣體容積，與壓縮機結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。

i—氣缸數(shù)；n—轉(zhuǎn)速，r/min(3)理論質(zhì)量輸氣量qmt

vs0—吸氣狀態(tài)下的比容,

m3/kg理論排量由壓縮機結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)速確定，與制冷劑種類和運行工況無關(guān)。(m3/h)(kg/h)第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity3.壓縮機消耗的理論功率研究依據(jù)：穩(wěn)定流動能量方程

對準(zhǔn)靜、穩(wěn)流過程，有：流經(jīng)壓縮機的氣體作間歇性周期變化，但由于轉(zhuǎn)速高，這種間歇性周期所需時間極短，在討論的時間段內(nèi)，壓縮機進(jìn)、排氣可近似看作是穩(wěn)定連續(xù)的。第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity3.壓縮機消耗的理論功率幾點說明：

■

壓縮機消耗的理論壓縮功為技術(shù)功；

■

過程無能量損失時（忽略），有：

■

對不同壓縮過程，軸功的計算公式不同?？赡苓M(jìn)行的壓縮過程：等溫過程、等熵過程、多變過程。

第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三三種壓縮過程：SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity設(shè)活塞對氣體所做的功為正值，壓縮機一個氣缸完成一個理論循環(huán)所消耗的理論功可用P-V圖面積a-b-c-d-a求得；被壓縮工質(zhì)為過熱蒸氣，可將其視為理想氣體；a-b為等熵壓縮過程（絕熱、可逆）。理論功計算第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity取等熵壓縮過程的理論循環(huán)功為制冷壓縮機的理論功Wts：對理想氣體和實際氣體：對理想氣體：第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity壓縮機消耗的理論功率制冷劑R717R22R502R134aR744k1.321.1941.1331.111.295*參考：吳業(yè)正，小型制冷裝置設(shè)計指導(dǎo)，機械工業(yè)出版社

常用制冷劑的等熵指數(shù)：壓縮機消耗的理論功率：(kW)第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第二節(jié)容積型壓縮機的實際性能第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity

壓縮機中的壓力降

通過吸、排氣截止閥的壓力降；通過吸氣過濾器的壓力降；通過內(nèi)置電動機的壓力降（封閉式壓縮機）；流過吸、排氣管道和室腔的壓力降；通過吸、排氣閥和閥孔的壓力降；通過內(nèi)部消聲器的壓力降；通過內(nèi)部分油器的壓力降；通過單向閥的壓力降等。

制冷劑的受熱從內(nèi)置電動機吸熱（封閉式壓縮機）；與壓縮機中各種零部件的熱交換；吸收從摩擦損耗所轉(zhuǎn)換的熱量，如潤滑油等。

影響容積型壓縮機性能的因素第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity氣閥運動規(guī)律不完善帶來的效率下降；制冷劑泄漏的影響；再膨脹的影響（余隙容積的影響）；壓縮過程偏離等熵過程（由于壓縮機內(nèi)部阻力、機械摩擦和熱交換，實際壓縮過程為多變過程）；影響容積型壓縮機性能的因素第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity壓縮過程的過壓縮和欠壓縮（發(fā)生在具有固定內(nèi)容積比的容積型壓縮機中，如滑片式、螺桿式和渦旋式壓縮機）；潤滑油循環(huán)量的影響；壓縮機的機械摩擦損失和內(nèi)置電動機（封閉式壓縮機）的電動機損失。影響容積型壓縮機性能的因素第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第三節(jié)內(nèi)容積比固定的壓縮機

的內(nèi)容積比效率第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity類型螺桿式壓縮機渦旋式壓縮機滑片式壓縮機特點無吸、排氣閥，屬強制性吸排氣；壓縮終了壓力取決于吸、排氣孔口位置，與排氣管中的壓力無關(guān)；產(chǎn)生過壓縮和欠壓縮，導(dǎo)致功耗增加。1.內(nèi)容積比固定的壓縮機無氣閥，吸排氣孔口的啟閉完全為幾何結(jié)構(gòu)所定，對于固定內(nèi)容積比壓縮機，由于其結(jié)構(gòu)已定，就具有固定的內(nèi)容積比，這與活塞式壓縮機有很大區(qū)別。第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity內(nèi)容積比Vi

指壓縮機吸氣終了、壓縮剛要開始時的工作容積，與壓縮終了剛要開始打開排氣口時的工作容積間的幾何比例關(guān)系，即吸氣容積與壓縮終了時的容積之比。內(nèi)壓力比εi—吸氣終了和壓縮終了時的工作容積；—吸氣終了和壓縮終了時汽缸中的壓力；—壓縮過程的多變指數(shù)。2.內(nèi)容積比和內(nèi)壓力比第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity過壓縮當(dāng)壓縮終了時氣缸中的壓力Pcyc大于制冷系統(tǒng)中排氣壓力Pdk，此時壓縮機的內(nèi)壓力比?i大于系統(tǒng)運行中的壓力比?，即?i

>?。此時,壓縮機中的壓縮過程發(fā)生過壓縮(圖2-2a)，產(chǎn)生等容膨脹額外功耗。欠壓縮當(dāng)Pcyc小于Pdk時，此時內(nèi)壓力比?小于系統(tǒng)壓力比?i，即?i<?，壓縮機中的壓縮過程發(fā)生欠壓縮(圖2-2a)

，產(chǎn)生等容壓縮額外功耗。3.過壓縮和欠壓縮第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity等容膨脹等容壓縮2121第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity過壓縮或欠壓縮消耗的指示功：

不存在過壓縮或欠壓縮（εi=ε），指示功：4.內(nèi)容積比效率ηvi第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三內(nèi)容積比效率ηVi

衡量具有固定內(nèi)容積比的壓縮機，在其內(nèi)壓力比不等于系統(tǒng)壓力比情況下工作時，額外功耗損失的程度(2-10)（不存在過壓縮和欠壓縮的情況下所消耗的指示功,與出現(xiàn)過壓縮和欠壓縮的情況下每一循環(huán)所消耗的指示功之比。）SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity由于壓縮機在運行中工況發(fā)生變化，系統(tǒng)壓比ε總是等于εi是不可能的。對于具有固定內(nèi)容積比的壓縮機，選用一內(nèi)容積比Vi，使其內(nèi)壓力比εi

略低于系統(tǒng)運行的平均壓力比是比較合適的。第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity渦旋式壓縮機

設(shè)置排氣閥螺桿式壓縮機

設(shè)置內(nèi)容積比調(diào)節(jié)機構(gòu)由于工藝過程要求制冷壓縮機適應(yīng)變工況運轉(zhuǎn)，但定容積比的渦旋式壓縮機不能適應(yīng)變工況要求，因此需要設(shè)置排氣閥，以防止變工況時產(chǎn)生過壓縮或欠壓縮造成的附加損失。有排氣閥的排氣角大小取決于冷凝壓力（即排氣壓力）和氣閥彈簧力，即可根據(jù)已知的內(nèi)容積比反算得出。螺桿式壓縮機內(nèi)壓縮終了的壓力往往同排氣管道的壓力不相等，帶來等容壓縮或等容膨脹的額外功耗。有必要進(jìn)行內(nèi)容積比調(diào)節(jié)來實現(xiàn)壓縮終了壓力等于排氣管道壓力，以適應(yīng)壓縮機在不同工況下的運行。特別對于工況變化范圍大的機組，如熱泵機組，有必要實現(xiàn)內(nèi)容積比隨工況變化進(jìn)行無級自動調(diào)節(jié)，如滑閥無級內(nèi)容積比調(diào)節(jié)機構(gòu)等。第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第四節(jié)

制冷壓縮機的基本性能參數(shù)第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity1.實際輸氣量2.容積效率3.制冷量4.排熱量5.指示功率和指示效率6.軸功率、軸效率和機械效率7.電功率和電效率8.性能系數(shù)

主要性能參數(shù)第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity1.

實際輸氣量（輸氣量）質(zhì)量輸氣量qma在一定工況下，單位時間內(nèi)由吸氣端輸送到排氣端的氣體質(zhì)量,單位kg/h。容積輸氣量qva

按吸氣狀態(tài)的容積計算,單位m3/h。

主要性能參數(shù)(2-11)第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity(m3/h)理論輸氣量由壓縮機結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)速確定，與制冷劑種類和運行工況無關(guān)。式中，D—氣缸直徑,m;S—活塞行程,m;i—氣缸數(shù);n—轉(zhuǎn)速，r/min。理論容積輸氣量（理論排量）第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity2.容積效率ηv

實際輸氣量與理論輸氣量之比。反映了容積型壓縮機的氣缸工作容積的有效利用程度。

主要性能參數(shù)(2-12)第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity3.制冷量Q0主要性能參數(shù)q0m—制冷劑在給定制冷工況下的單位質(zhì)量制冷量,J/kg;q0v—制冷劑在給定制冷工況下的單位容積制冷量,J/m3。(kW)輸氣量不能直觀的反映壓縮機的制冷效果。壓縮機的制冷量，就是壓縮機在一定的運行工況下，在單位時間內(nèi)被它抽吸和壓縮輸送的制冷工質(zhì)在蒸發(fā)制冷過程中從低溫?zé)嵩矗ū焕鋮s的物體）中所吸取的熱量。

(2-13)第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity4.排熱量Qh

壓縮機制冷量和部分壓縮機輸入功率的當(dāng)量熱量之和，通過冷凝器排出。

主要性能參數(shù)(kW)h1－壓縮機工質(zhì)進(jìn)口處的比焓，J/kg；Pel－壓縮機的輸入功率，kW;h2－壓縮機工質(zhì)出口處的比焓，J/kg；Qr－壓縮機向環(huán)境的散熱量,kW。

f：考慮到壓縮機散熱量的系數(shù)f＝0.75（小型機組）f＝0.9（大型機組）由能量平衡：(2-14)第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity5.指示功率和指示效率指示功率Pi

單位時間內(nèi)實際循環(huán)所消耗的指示功。

Wi—每個氣缸或工作容積的實際循環(huán)指示功，J；i

—氣缸數(shù);

n

—轉(zhuǎn)速，r/min。

(kW)主要性能參數(shù)(2-15)第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity指示效率ηi

壓縮1kg工質(zhì)所需的等熵循環(huán)理論功wts

(J/kg)與實際循環(huán)指示功wi

(J/kg)之比。用于評價壓縮機氣缸或工作容積內(nèi)部熱力過程的完善程度。(2-16)Pts—壓縮機按等熵壓縮理論循環(huán)工作所需功率，kW。

Pi

—指示功率。

主要性能參數(shù)第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity6.軸功率、軸效率和機械效率軸功率Pe

原動機傳到壓縮機主軸上的功率。包括直接用于完成壓縮機工作循環(huán)過程的指示功率Pi，以及用于克服壓縮機中各運動部件的摩擦阻力和驅(qū)動附屬設(shè)備的摩擦功率Pm。

(kW)摩擦功率指示功率軸功率主要性能參數(shù)(2-17)第41頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity軸效率ηe

等熵壓縮理論功率Pts與軸功率Pe之比。用于評價主軸輸入功率的利用完善程度，較適用于開啟式壓縮機。

主要性能參數(shù)(2-18)第42頁，共46頁，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity機械效率ηm

指示功率Pi與軸功率Pe之比。用于評定壓縮機摩擦損耗的大小程度。

由式(2-16)、