單級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)

關(guān)于單級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)第1頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三1單級蒸氣壓縮制冷的理論循環(huán)1.1系統(tǒng)與循環(huán)1.2壓焓圖1.3制冷循環(huán)過程在壓焓圖上的表示1.4單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算第2頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三1.1系統(tǒng)與循環(huán)第3頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三液體蒸發(fā)制冷構(gòu)成循環(huán)的四個基本過程是：

①制冷劑液體在低壓（低溫）下蒸發(fā)，成為低壓蒸氣②將該低壓蒸氣提高壓力為高壓蒸氣③將高壓蒸氣冷凝，使之成為高壓液體④高壓液體降低壓力重新變?yōu)榈蛪阂后w，返回到①從而完成循環(huán)。第4頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三壓縮機(jī):壓縮和輸送制冷蒸汽，并造成蒸發(fā)器中低壓、冷凝器中高壓，是整個系統(tǒng)的心臟。冷凝器:輸出熱量的設(shè)備，將制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量和壓縮機(jī)消耗功所轉(zhuǎn)化的熱量排放給冷卻介質(zhì)。節(jié)流閥:對制冷劑起節(jié)流降壓作用，并調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量。蒸發(fā)器:輸出冷量的設(shè)備，制冷劑在蒸發(fā)器中吸收被冷卻對象的熱量，從而達(dá)到制冷的目的。第5頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三1.2壓焓圖phThspx壓焓圖v第6頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三等容線----向右上方傾斜的虛線，比等熵線平坦；等溫線----液體區(qū)幾乎為垂直線。兩相區(qū)內(nèi)，因制冷劑狀態(tài)的變化是在等壓、等溫下進(jìn)行，故等溫線與等壓線重合，是水平線。過熱蒸氣區(qū)為向右下方彎曲的傾斜線；等熵線----向右上方傾斜的實(shí)線；等干度線----只存在于濕蒸氣區(qū)域內(nèi)，其方向大致與飽和液體線或飽和蒸氣線相近，視干度大小而定。等焓線----垂直線；等壓線----水平線；第7頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三1.3制冷循環(huán)過程在壓焓圖上的表示第8頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三ph12345

理論循環(huán)在p-h圖上的表示ABCD12345A—壓縮機(jī)；B—冷凝器；C—節(jié)流閥；D—蒸發(fā)器。單級蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)圖第9頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三1.4單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算

（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)溫度都是定值單級理論循環(huán)是建立在以下一些假設(shè)的基礎(chǔ)上的：第10頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三

（4）制冷劑在管道內(nèi)流動時，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，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

（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第11頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三hp12345

理論循環(huán)在p-h圖上的表示第12頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三

按照熱力學(xué)第一定律，對于在控制容積中進(jìn)行的狀態(tài)變化存在如下關(guān)系：這里，把自外界傳入的功作為負(fù)值。（1-1）

壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器都可以單獨(dú)作為一個控制體進(jìn)行分析。第13頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三(2)冷凝過程：（1-3）

(3)節(jié)流過程：（1-4）

（1）壓縮過程:（1-2）

（4）蒸發(fā)過程：（1-5）第14頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三

單位制冷量可按式（1-5）計(jì)算。單位制冷量也可以表示成汽化潛熱r0和節(jié)流后的干度x5的關(guān)系：

為了說明單級壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)的性能，采用下列一些性能指標(biāo)。

(1-6)

由式（1-6）可知，制冷劑的汽化潛熱越大，或節(jié)流所形成的蒸氣越少（x5越小）則單位制冷量就越大。單位制冷量第15頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三(2)單位容積制冷量(1-7)

對于單級蒸氣壓縮制冷機(jī)的理論循環(huán)來說，理論比功可表示為(1-8)

單級壓縮蒸氣制冷機(jī)的理論比功也是隨制冷劑的種類和制冷機(jī)循環(huán)的工作溫度而變的。(3)理論比功第16頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三(4)單位冷凝熱

單位（1kg）制冷劑蒸氣在冷凝器中放出的熱量，稱為單位冷凝熱。單位冷凝熱包括顯熱和潛熱兩部分

(1-9)

比較式（1-5）、（1-8）和（1-9）可以看出，對于單級壓縮式蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)，存在著下列關(guān)系(1-10)第17頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三(5)制冷系數(shù)

對于單級壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)，制冷系數(shù)為

(1-11)

制冷系數(shù)愈大經(jīng)濟(jì)性愈好

在蒸發(fā)溫度和冷凝溫度相同的條件下：(6)壓縮終溫影響到制冷劑的分解和潤滑油結(jié)炭。第18頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三(7)熱力完善度

單級壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)的熱力完善度按定義可表示為(1-12)

這里εc為在蒸發(fā)溫度（T0）和冷凝溫度（Tk）之間工作的逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)。熱力完善度愈大，說明該循環(huán)接近可逆循環(huán)的程度愈大。

第19頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三2單級蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)2.1液體過冷對循環(huán)性能的影響2.2蒸氣過熱對循環(huán)性能的影響2.3氣-液熱交換器對循環(huán)性能的影響2.4不凝性氣體的存在對循環(huán)性能的影響2.5單級壓縮實(shí)際制冷循環(huán)的熱力計(jì)算第20頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三

上面所述的循環(huán)，是單級壓縮蒸氣制冷機(jī)的基本循環(huán)，也是最簡單的循環(huán)。在實(shí)用上，根據(jù)實(shí)際條件對循環(huán)往往要作一些改進(jìn)，以便提高循環(huán)的熱力完善度。在單級制冷機(jī)循環(huán)中，這一改進(jìn)主要有液體過冷、吸氣過熱及由此而產(chǎn)生的回?zé)嵫h(huán)。第21頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三2.1液體過冷對循環(huán)性能的影響將節(jié)流前的制冷劑液體冷卻到低于冷凝溫度的狀態(tài)，稱為過冷。帶有過冷的循環(huán)，叫做過冷循環(huán)。采用液體過冷對提高制冷量和制冷系數(shù)都是有利的第22頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三ph12345過冷循環(huán)在p-h圖上的表示4’5’第23頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三(1-13)(2)單位容積制冷量(3)理論比功（1）單位制冷量不變增加增加第24頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三(4)單位冷凝熱(5)制冷系數(shù)(6)壓縮終溫不變增加增加(1-15)(1-14)第25頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三2.2蒸氣過熱對循環(huán)性能的影響

壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣的溫度高于吸氣壓力下制冷劑的飽和溫度時，稱為過熱。具有吸氣過熱的循環(huán)，稱為過熱循環(huán)。

下圖示出了過熱循環(huán)1-1’-2’-3-4-5-1的lgp-h圖。圖中1-1’是吸氣的過熱過程，其余與基本循環(huán)相同。

第26頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三ph12345過熱循環(huán)在p-h圖上的表示1’2’過熱循環(huán)分有效過熱和無效過熱兩種情況

第27頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三(1-13)(2)單位容積制冷量（1）單位制冷量增加有效過熱循環(huán)

有效過熱循環(huán)：過熱過程中產(chǎn)生的冷量也為被冷卻介質(zhì)所吸收。

？第28頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三(4)單位冷凝熱(5)制冷系數(shù)？增加(1-15)(1-14)(3)理論比功(1-14)增加第29頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三(6)壓縮終溫升高圖2-19有效過熱的過熱度對制冷系數(shù)的影響過熱度R502R600aR290R134aR22NH3045.337.444.444.155.993.03073.965.772.172.986.3131.5第30頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三(1-13)(2)單位容積制冷量（1）單位制冷量不變無效過熱循環(huán)

無效過熱循環(huán)：過熱過程中產(chǎn)生的冷量沒有被冷卻介質(zhì)所吸收。

減小第31頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三(4)單位冷凝熱(5)制冷系數(shù)減小增加(1-15)(1-14)(3)理論比功(1-14)增加第32頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三2.3回?zé)崞鲗ρh(huán)性能的影響

(1-20)

若不計(jì)回?zé)崞髋c環(huán)境空氣之間的熱交換，則液體過冷的熱量等于使蒸氣過熱的熱量，其熱平衡關(guān)系為

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)?。?3頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三第34頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三ph12345回?zé)嵫h(huán)在p-h圖上的表示1’2’4’5’

回?zé)嵫h(huán)中各性能指標(biāo)的變化完全同于有效過熱循環(huán)。第35頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三2.4不凝性氣體的存在對循環(huán)性能的影響積存于冷凝器；

冷凝壓力增加；壓縮機(jī)排氣壓力升高；比功增加；制冷系數(shù)下降；壓縮機(jī)容積效率降低；第36頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三2.5單級壓縮實(shí)際制冷循環(huán)的熱力計(jì)算

實(shí)際循環(huán)和理論循環(huán)有許多不同之處，除了壓縮機(jī)中的工作過程以外，主要還有下列一些差別：

1．流動過程有壓力損失。

2．制冷劑流經(jīng)管道及閥門時同環(huán)境介質(zhì)間有熱交換。3．熱交換器中存在溫差。第37頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三熱交換及壓力損失對循環(huán)性能的影響

（1）吸入管道

吸入管道中的壓力降始終是有害的，它使得吸氣比容增大，壓縮機(jī)的壓力比增大，單位容積制冷量減少，壓縮機(jī)容積效率降低，壓力比增大，制冷系數(shù)下降。吸氣管道中的熱交換可視情況當(dāng)作有效過熱或無效過熱來分析。第38頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三（2）排出管道

在壓縮機(jī)的排出管道中，熱量由高溫制冷劑蒸氣傳給周圍空氣，它不會引起性能的改變，僅僅是減少了冷凝器中的熱負(fù)荷。排氣管道中的壓降會引起壓縮機(jī)排氣壓力升高。第39頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三（3）冷凝器到膨脹閥之間的液體管道

在冷凝器到膨脹閥這段管路中，熱量通常由液體制冷劑傳給周圍空氣，使液體制冷劑過冷，制冷量增大。然而，也可能水冷冷凝器中的冷卻水溫度很低，冷凝溫度低于環(huán)境溫度，熱量由空氣傳給液體制冷劑，可能導(dǎo)致部分液體氣化，這不僅使單位制冷量下降，而且使得膨脹閥不能正常工作。壓力降沒有關(guān)系，只要沒有氣化。第40頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三

通常膨脹閥是緊靠蒸發(fā)器安裝的。倘若將它安裝在被冷卻空間內(nèi)，傳給管道的熱量將產(chǎn)生有效制冷量；若安裝在室外，熱量的傳遞使制冷減少，因而此段管道必須保溫。壓力降也沒關(guān)系。（4）膨脹閥到蒸發(fā)器之間的管道第41頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三（5）冷凝器

假定出冷凝器的壓力不變，為克服冷凝器中制冷劑的流動阻力，必須提高進(jìn)冷凝器時制冷劑的壓力，這必須導(dǎo)致壓縮機(jī)的排氣壓力升高，壓力比增大，壓縮機(jī)耗功增加，制冷系數(shù)下降。第42頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三（6）蒸發(fā)器

若保證蒸發(fā)器的出口壓力不變，為克服蒸發(fā)器中制冷劑的流動阻力，必須提高進(jìn)蒸發(fā)器時制冷劑的壓力，這必然導(dǎo)致平均蒸發(fā)溫度升高，傳熱溫差下降。

若保證傳熱溫差不變，克服蒸發(fā)器中制冷劑的流動阻力，這必然導(dǎo)致壓縮機(jī)的吸氣壓力下降，吸氣比容增大，壓力比增大，壓縮機(jī)耗功增加，制冷量減小，制冷系數(shù)下降。第43頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三（7）壓縮機(jī)

在理論循環(huán)中，假設(shè)壓縮過程為等熵過程。而實(shí)際上，整個過程是一個壓縮指數(shù)在不斷變化的多方過程。另外，由于壓縮機(jī)氣缸中有余隙容積的存在，氣體經(jīng)過吸、排氣閥及通道出有熱量交換及流動阻力，這些因素都會使壓縮機(jī)的輸氣量減少，制冷量下降，消耗的功率增大。第44頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三簡化后的實(shí)際循環(huán)在

p-h圖上的表示ph2s345120第45頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三下面是按照這樣簡化后的循環(huán)的性能指標(biāo)的表達(dá)式，各下標(biāo)對應(yīng)于圖2-23所示的狀態(tài)點(diǎn)。

（1-33）

這些同理論循環(huán)的計(jì)算完全一致。1．單位制冷量、單位容積制冷量及單位理論功第46頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三

（1-34）上式中點(diǎn)2狀態(tài)的焓值用下式計(jì)算

（1-35）式中

為壓縮機(jī)的指示效率，它被定義為等熵壓縮過程耗功量與實(shí)際壓縮過程耗功量之比。2．單位冷凝熱第47頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三3．制冷劑的循環(huán)流量

式中為制冷量，通常由設(shè)計(jì)任務(wù)給出。

（1-36）4．壓縮機(jī)的理論功率和指示功率分別為（1-38）第48頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三5．實(shí)際制冷系數(shù)（1-39）6．冷凝器的熱負(fù)荷

（1-40）式中為壓縮機(jī)的機(jī)械效率。第49頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三3單級蒸氣壓縮式制冷機(jī)的性能及工況3.1蒸發(fā)溫度對循環(huán)性能的影響3.2冷凝溫度對循環(huán)性能的影響3.3制冷機(jī)工況第50頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三ph345125’1’2’3.1蒸發(fā)溫度對循環(huán)性能的影響

當(dāng)蒸發(fā)溫度減小時：第51頁，講稿共58頁，2023年5月2日，星期三1、單位容積制冷量2、比容積功減小未