蒸氣壓縮式制冷的熱力學原理

1、第一章蒸氣壓縮式制冷的熱力學原理,液體氣化制冷原理,氣化：液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的物態(tài)變化稱為氣化（蒸發(fā)和沸騰），氣化時需吸收氣化潛熱。 氣化潛熱：1kg液體氣化時所吸收的熱量。,液體氣化制冷原理,液體的壓力不同，其飽和溫度（即沸點）也不同（壓力越低，沸點越低，如氨在0.1MPa壓力下，其沸點為33.4；0.5MPa壓力下，其沸點為4 ）。 只要創(chuàng)造一定的低壓條件，利用液體的氣化就可能獲得所需要的低溫。,液體氣化制冷的工作過程,四大部件： 壓縮機：蒸氣壓縮 冷凝器：放熱冷凝 節(jié)流閥：節(jié)流降壓 蒸發(fā)器：吸熱蒸發(fā),一、逆卡諾循環(huán) 逆卡諾循環(huán)：在兩個恒溫熱源之間進行的理想循環(huán)。,第一節(jié) 理想制冷循環(huán),一、逆

2、卡諾循環(huán),TS圖,1-2 ：等熵壓縮 T0Tk， 耗功wc 2-3： 等溫壓縮 放熱 qk=Tk(sa-sb) 3-4： 等熵膨脹 TkT0， 做功we 4-1 ：等溫膨脹 吸熱 q0=T0(sa-sb),逆卡諾循環(huán)結(jié)果 每一制冷循環(huán)，1kg制冷劑： 循環(huán)凈耗功量為：,制冷循環(huán)性能指標：制冷系數(shù),的定義：單位耗功量所獲取的冷量,制冷循環(huán)性能指標,對于逆卡諾循環(huán)，制冷系數(shù)c :,大小只取決于兩個熱源的溫度； T0或T k ， c ,在實際制冷系統(tǒng)中，制冷系數(shù)又稱為性能系數(shù)，用符號COP表示,制冷循環(huán)的熱力完善度,熱力完善度是表征實際制冷循環(huán)接近理想循環(huán)的程度 蒸氣壓縮式：,計算制冷效率或熱力完善

3、度時，必須： (1)計算實際制冷循環(huán)的制冷系數(shù)或熱力系數(shù) (2)計算理想循環(huán)的制冷系數(shù)或熱力系數(shù) (3)計算制冷效率或熱力完善度,制冷系數(shù)與熱力完善度比較,制冷系數(shù)和熱力完善度都是反映實際制冷循環(huán)經(jīng)濟性的指標。但二者的含義不同。 只是從能量轉(zhuǎn)換的角度，反映制冷循環(huán)中收益能與補償能在數(shù)量上的比值，不涉及二者的能量品位。 同時考慮了能量轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系和實際循環(huán)中的不可逆程度的影響。 的數(shù)值可能大于1、小于1或等于1。始終小于1。,制冷系數(shù)與熱力完善度比較,用值的大小來比較兩臺實際制冷機的循環(huán)經(jīng)濟性時，必須是同類制冷機，并以相同熱源條件為前提才具有可比性。 用作評價指標，使任意兩臺制冷機在循環(huán)的熱力

4、學經(jīng)濟性方面具有可比性，無論它們是否同類機，也無論它們的熱源條件相同或是不同。,有溫差傳熱的逆卡諾循環(huán),逆卡諾循環(huán)熱泵,用于供熱，性能指標為供熱系數(shù)。 供熱系數(shù)：單位耗功量所獲取的熱量，,用于供熱，供熱量永遠大于所消耗的功量。,二、勞侖茲循環(huán),在實際的制冷系統(tǒng)中，制冷過程中冷熱源的溫度通常是變化的。 勞侖茲循環(huán)（Lorenz Cycle）是在兩個變溫熱源之間進行的理想循環(huán)。,ab：等熵壓縮 bc：變溫壓縮 cd： 等熵膨脹 da ：變溫膨脹,TS圖,二、勞侖茲循環(huán),1kg制冷劑： 從被冷卻介質(zhì)吸收的熱量為：,向熱源放出的熱量為：,制冷系數(shù)為：,勞侖茲循環(huán)可以處理為平均放熱溫度、平均吸熱溫度的逆

5、卡諾循環(huán)。,變溫熱源時的逆向可逆循環(huán)洛倫茲循環(huán),第二節(jié) 蒸汽壓縮式制冷的理論循環(huán),為了便于應用熱力學理論對蒸汽制冷機的實際過程進行分析，提出了理論循環(huán)。 理論循環(huán)忽略了制冷機在實際運行中的一些復雜因素，將循環(huán)加以簡化抽象。 理論循環(huán)是今后研究實際制冷循環(huán)的基礎。,（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；,理論循環(huán)是一些假設,（3）離開蒸發(fā)器和進入壓縮機的制冷劑蒸氣為蒸發(fā)壓力下的飽和蒸氣，離開冷凝器和進入膨脹閥的液體為冷凝壓力下的飽和液體； （4）制冷

6、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，且與外界環(huán)境沒有熱交換,第二節(jié) 蒸汽壓縮式制冷的理論循環(huán),逆卡諾循環(huán)的關(guān)鍵是兩個等溫過程，利用純工質(zhì)或共沸工質(zhì)的定壓蒸發(fā)和冷凝實現(xiàn)，循環(huán)在濕蒸氣區(qū)進行。 實際循環(huán)卻是兩個定壓、一個絕熱壓縮、一個絕熱節(jié)流過程,1、逆卡諾循環(huán)的局限,膨脹機的經(jīng)濟性 液態(tài)制冷劑的比容變化很小，因而可以利用的膨脹功十分有限。 膨脹機的尺寸小，因而摩擦損失相對較大。,干壓縮代替了濕壓縮: 壓縮機吸氣狀態(tài)為干飽和或過熱蒸汽。 節(jié)流閥代替了膨脹機 簡化了

7、設備，但損失了膨脹功，并造成節(jié)流損失。,2、蒸氣壓縮式制冷工作過程,壓縮機：等熵壓縮； 冷凝器：等壓放熱； 節(jié)流閥：絕熱節(jié)流； 蒸發(fā)器：等壓吸熱。,壓縮制冷理論循環(huán)組成,3、理論循環(huán)與逆卡諾循環(huán)的對比分析,蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)的Ts圖,(1)節(jié)流閥代替膨脹機 1kg制冷劑損失的膨脹功,節(jié)流過程的不可逆損失,采用節(jié)流閥代替了膨脹機，一方面損失了膨脹功，另一方面產(chǎn)生了無益氣化，降低了制冷能力，導致制冷系數(shù)有所下降。 其降低的程度，稱為節(jié)流損失。,蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)的Ts圖,（2）干壓縮代替濕壓縮 1kg制冷劑增加的制冷量,壓縮功增加,采用干壓縮代替了濕壓縮，一方面增加了制冷量，但另一方面

8、壓縮機功耗也增加，導致制冷系數(shù)亦有所下降。 其降低的程度，稱為過熱損失。,濕壓縮的缺點： 濕蒸氣進入壓縮機與壁面熱交換后，占據(jù)容積，使得制冷劑質(zhì)量流量減少，制冷量下降； 過多液態(tài)制冷劑進入壓縮機，造成液擊，影響潤滑，損害壓縮機。 避免濕壓縮的方法 在蒸發(fā)器出口增設氣液分離器； 調(diào)節(jié)膨脹閥的開度，控制壓縮機入口制冷劑蒸氣的過熱度。,制冷循環(huán)的分析工具,lgp-h圖和T-s圖 1點、2線、3區(qū) 6等值線 分析與計算工具,T-S圖,一點、二線、三區(qū)、五態(tài)、六等值線。,二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計算,1、壓焓圖(莫里爾圖)的應用 1.1 壓焓圖作用 確定狀態(tài)參數(shù) 表示熱力過程 分析能量變化,二、

9、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計算,等壓線 水平線 等焓線 垂直線 等干度線 濕蒸氣區(qū)域內(nèi) 等熵線 向右上方傾斜 等容線 向右上方傾斜 等溫線 垂直線 （過冷區(qū)）水平線（濕蒸汽區(qū)）向右下方彎曲（過熱蒸氣區(qū)）,1.2 怎樣看壓焓圖,一點、2線、3區(qū)、6等值線,R22的P-h圖,R134a的P-h圖,R600a的P-h圖,理論循環(huán)在T-s圖和lnP-h圖上表示,理論循環(huán)在T-s圖（a）和lnp-h圖（b）上的表示,1.3 蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)壓焓圖上的表示,二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計算,根據(jù)確定的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、壓縮機的吸氣溫度及液態(tài)制冷劑的再冷度等已知條件，計算以下各參數(shù)：,二、蒸氣

10、壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計算,（1）制冷劑單位質(zhì)量制冷量q0：1kg制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)從被冷卻介質(zhì)吸收的熱量。 q0h1h4h1h3 ；kJ/kg,（2）單位容積制冷量qv ：壓縮機每吸入1m3制冷劑蒸汽（按吸氣狀態(tài)計），在蒸發(fā)器中所產(chǎn)生的制冷量。 qvq0 / v1（h1h4）/v1 ;kJ/m3 v1為制冷劑的比容。 （3）制冷劑的制冷流量 Mr和體積流量Vr：,二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計算,式中：0為制冷系統(tǒng)的制冷功率/制冷量；kW。,二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計算,（4）冷凝器的冷凝負荷k ：制冷劑在冷凝器中冷卻、冷凝過程中放出的熱量。 qk= h2h3 kMr(h2h

11、3 ) （5）壓縮機的理論耗功率Pth： w= h2h1,二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計算,（6）理論制冷系數(shù)th ：1kg制冷劑 單位耗功量的制冷量。,（7）制冷效率R：理論制冷循環(huán)制冷系數(shù)與理想制冷循環(huán)制冷系數(shù)之比。,二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計算,3、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計算舉例,例1、 某空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)需制冷量20kW，采用氨壓縮式制冷，蒸發(fā)溫度t04C，冷凝溫度tk40C，無再冷，并且壓縮機入口為飽和蒸氣，試進行理論循環(huán)的的熱力計算。,解： (1) 繪出理論循環(huán)的壓焓圖； (2) 根據(jù)氨的熱力性質(zhì)表(p235)查處于飽和線上的有關(guān)參數(shù)值； (3) 計算狀態(tài)點4的參數(shù)值

12、； (4) 根據(jù)壓焓圖確定狀態(tài)點4的參數(shù)值； (5) 進行熱力計算。,狀態(tài)點4的參數(shù)值計算： h4=xh1+(1-x)h4,v4=x4v1+(1-x4)v4,v4=v4 + x4 (v1 - v4 ),單位質(zhì)量制冷能力：,單位容積制冷能力：,制冷劑質(zhì)量流量：,制冷劑體積流量：,冷凝器熱負荷：,壓縮機理論耗功率：,理論制冷系數(shù)：,制冷效率：,例1-1、1-2、1-3 P9-11,第三節(jié) 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的改善,制冷循環(huán)演變思想,理想循環(huán)：逆卡諾循環(huán)、勞侖茲循環(huán) 兩個等溫過程兩個等壓過程 循環(huán)位于氣液兩相區(qū) 理論循環(huán) 膨脹機膨脹閥 濕壓縮干壓縮 無溫差傳熱溫差傳熱 循環(huán)的改善 根據(jù)不同的目的改善

13、制冷循環(huán) 實際循環(huán)：存在各種損失,節(jié)流過程帶來的節(jié)流損失； 干壓縮所產(chǎn)生的過熱損失。,蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的兩種損失,一、膨脹閥前液態(tài)制冷劑再冷卻,液體再（過）冷：從冷凝器出來的液態(tài)制冷劑的溫度低于其壓力對應的飽和溫度。 再（過）冷度：液體過冷后的溫度與其壓力對應的飽和溫度的差值。 再（過）冷循環(huán)：具有液體過冷的制冷循環(huán)稱之為再（過）冷循環(huán)。,改善制冷循環(huán)的措施,過冷的手段： 設置過冷器,增大冷凝器面積（程度有限） 回熱循環(huán):注意回熱不一定能改善制冷循環(huán)COP，與制冷劑種類有關(guān),一、膨脹閥前液態(tài)制冷劑再冷卻,1、設置再冷卻器的蒸氣壓縮式制冷循環(huán),理論循環(huán),節(jié)流前制冷劑飽和液體的過冷,節(jié)流后5

14、點的干度大小直接影響了q0的大小。 改進方法： （1）改善節(jié)流過程，使之更接近等熵過程。 （2）液體過冷,(2)、回熱對蒸氣壓縮式制冷性能的影響 利用回熱使節(jié)流前的制冷劑液體與壓縮機吸入前的制冷劑蒸氣進行熱交換，使液體過冷、蒸氣過熱，稱之為回熱。,一、膨脹閥前液態(tài)制冷劑再冷卻,采用回熱循環(huán)，一方面可使液態(tài)制冷劑再冷，單位質(zhì)量制冷功率增加( q0= h4-h4= 4bb44); 壓縮機的壓縮功增加（Wc= (h2 -h1)-(h2-h1) = 21122); 制冷系數(shù)是否提高，取決與制冷劑的熱物理性質(zhì)。,一般說來，對于節(jié)流損失大的制冷劑，如氟利昂R12、R134a等回熱有利，而對于制冷劑氨則不利

15、。,有效過熱和有害過熱,蒸發(fā)器出來的低溫制冷劑蒸氣，在通過吸入管道進入壓縮機前從周圍環(huán)境吸取熱量而過熱，但它并沒有對被冷卻物體產(chǎn)生任何制冷效應，這種過熱稱為有害過熱或無效過熱。 吸入蒸氣的過熱過程發(fā)生在蒸發(fā)器本身的后部，或者發(fā)生在安裝于被冷卻室內(nèi)的吸氣管道上，或者發(fā)生在二者皆有的情況下，那么過熱而吸收的熱量來自被冷卻空間，因而產(chǎn)生了有用的制冷效果，這種過熱稱為有效過熱。,過熱度對排氣溫度的影響,有效過熱的過熱度對制冷系數(shù)的影響,二、回收膨脹功,1、使用膨脹機的蒸氣壓縮式制冷循環(huán) 對于大容量制冷裝置: 一方面，由于膨脹機的容量較大，不會出現(xiàn)因機件過小導致加工方面的困難； 另一方面，可回收的膨脹功

16、相對較大； 因此，采用膨脹機回收膨脹功可節(jié)省常規(guī)能源，提高制冷系數(shù)。,二、回收膨脹功,工作流程,理論循環(huán),二、回收膨脹功,輸出有用的膨脹功，壓縮機壓縮功減少,單位質(zhì)量制冷量增加,理論制冷系數(shù)提高,三、多級壓縮式制冷循環(huán),當壓縮機的壓縮比較大時，壓縮機的排氣溫度相應較高，因而過熱損失及壓縮機功耗均較大。,為減少過熱損失及降低壓縮機功耗，可采用具有中間冷卻的多級壓縮制冷循環(huán)。,三、多級壓縮式制冷循環(huán),多級壓縮式制冷循環(huán)的應用場合: 壓縮比較高（通常 pk/p0 大于8）； 離心式或螺桿式制冷壓縮機（可以比較方便的進行中間抽氣，如空調(diào)用螺桿冷水機組） 多級壓縮式制冷循環(huán)的兩種形式 閃發(fā)蒸氣分離器（經(jīng)

17、濟器）； 中間冷卻器。,1、帶閃發(fā)蒸氣分離器的雙級壓縮制冷,工作流程,理論循環(huán),閃發(fā)蒸氣分離器對制冷性能的影響,采用閃發(fā)蒸氣分離器，減少了一級壓縮的制冷劑流量； 采用閃發(fā)蒸氣分離器，降低了二級壓縮機進口的蒸氣溫度和比容。 采用閃發(fā)蒸氣分離器可有效降低壓縮機的功耗，故閃發(fā)蒸氣分離器也稱之為經(jīng)濟器。,二、中間冷卻器,閃發(fā)蒸氣分離器利用節(jié)流閃發(fā)出的制冷劑蒸氣與經(jīng)過一級壓縮后的高溫制冷劑蒸氣混合，混合后的制冷劑蒸氣仍為過熱蒸氣，因此稱之為不完全冷卻（不適合過熱損失較大的制冷劑，如氨等）。 中間冷卻器利用節(jié)流后的制冷劑可充分冷卻經(jīng)過一級壓縮后的高溫制冷劑蒸氣,使其冷卻至飽和蒸氣狀態(tài)； 中間冷卻器可設有液

18、體冷卻盤管，使來自冷凝器的高壓液體獲得較大的再冷度，既有節(jié)能作用，又有利于制冷系統(tǒng)穩(wěn)定運行。,一次節(jié)流完全中間冷卻的雙級壓縮制冷,理論循環(huán),工作流程,一次節(jié)流中間不完全冷卻的雙級壓縮制冷,理論循環(huán),工作流程,雙級蒸氣壓縮式制冷的中間壓力選取原則,以獲取最大制冷系數(shù)的中間壓力為原則；以這種原則確定的中間壓力稱之為最佳中間壓力。（在工程設計時，可通過選擇幾個中間壓力進行試算以確定最優(yōu)值。） 以高低壓縮機壓縮比相等為原則（雖然制冷系數(shù)不是最大，但壓縮機氣缸工作容積的利用程度高，較實用）。,雙級壓縮式制冷制冷劑質(zhì)量流量的確定,對于一次節(jié)流完全中間冷卻制冷量為0雙級壓縮制冷循環(huán)：,低壓級壓縮機的制冷劑流

19、量Mr1：,高壓級壓縮機的制冷劑流量Mr：,在中間冷卻器中：來自膨脹閥1的制冷劑，一方面使來自低壓壓縮機的排氣冷卻至飽和蒸氣狀態(tài)；另一方面使膨脹閥2前的液態(tài)制冷劑由狀態(tài)5再冷卻至狀態(tài)7。,中間冷卻器的能量方程為：,三、多級壓縮式制冷循環(huán),高壓級壓縮機的制冷劑流量Mr：,三、多級壓縮式制冷循環(huán),對于一次節(jié)流不完全中間冷卻制冷量為0雙級壓縮制冷循環(huán)：,狀態(tài)3(由狀態(tài)2和狀態(tài)3混合而來)的比焓h3：,中間冷卻器的能量方程為：,高壓級壓縮機的制冷劑流量Mr：,三、多級壓縮式制冷循環(huán),熱力計算：質(zhì)量守恒、能量守恒方程是基礎,三、多級壓縮式制冷循環(huán),例題2、如下圖所示，系統(tǒng)需制冷量20kW，制冷劑采用R1

20、34a，蒸發(fā)溫度t04C，冷凝溫度tk40C，試進行理論循環(huán)的的熱力計算。,P18,三、多級壓縮式制冷循環(huán),解： (1) 確定該制冷循環(huán)的中間壓力Pm ； (2) 繪出理論循環(huán)的壓焓圖； (3) 根據(jù)其熱力性質(zhì)表查處于飽和線上的有關(guān)參數(shù)值； (4) 計算狀態(tài)點2 、6、8的參數(shù)值；,(狀態(tài)2由2、3混合而來),(5) 根據(jù)壓焓圖確定其余點的狀態(tài)參數(shù)值； (6) 進行熱力計算。,三、多級壓縮式制冷循環(huán),單位質(zhì)量制冷能力：,單位容積制冷能力：,三、多級壓縮式制冷循環(huán),低壓級制冷劑質(zhì)量流量：,低壓級壓縮機制冷劑體積流量：,高壓級壓縮機制冷劑質(zhì)量流量：,高壓級壓縮機制冷劑體積流量：,三、多級壓縮式制冷

21、循環(huán),冷凝器的熱負荷：,壓縮機理論耗功率：,理論制冷系數(shù)：,熱力完善度：,與課本例12對比，在相同的制冷能力條件下，帶閃發(fā)蒸氣分離器的雙級壓縮式制冷循環(huán)： 制冷劑質(zhì)量流量稍有減少； 壓縮機排氣溫度降低； 冷凝器熱負荷下降； 理論制冷系數(shù)提高(達9)。,四、復疊式制冷循環(huán),對于采用氨、R22等中溫制冷劑的壓縮式制冷系統(tǒng)，即使采用多級壓縮，但能夠到達的最低蒸發(fā)溫度仍有一定的局限：蒸發(fā)溫度必須高于制冷劑的凝固點 如：氨的凝固點為77.7C；,四、復疊式制冷循環(huán),制冷劑的蒸發(fā)溫度過低，蒸發(fā)壓力也很低。當蒸發(fā)壓力低于0.10.15bar 時，外界空氣易滲入系統(tǒng)，嚴重影響系統(tǒng)的正常運行（如：氨在蒸發(fā)溫度為

22、65C時，pk= 0.156bar ）; 蒸發(fā)壓力很低時，制冷劑氣態(tài)比容很大，單位容積制冷功率很小，要求壓縮機的體積流量很大。,為獲得6070C的低溫，需采用低溫制冷劑（凝固點低，沸點也很低）， 如R13、 R14等(R13的凝固點為-181 C ，沸點為-81.4 C ； R14的凝固點為-184.9 C ，沸點為-127.9 C ) 。但這類制冷劑的臨界溫度很低，采用一般冷卻水，存在以下局限：由于水溫接近其臨界溫度，使氣態(tài)制冷劑難以冷凝；,即使冷凝，由于接近臨界點，不但冷凝壓力高，而且比潛熱小，因而制冷效率也很低。 為降低冷凝溫度，需采用另一臺制冷裝置為其冷凝器提供冷源，與之聯(lián)合運行，所謂

23、的復疊式制冷循環(huán)。,四、復疊式制冷循環(huán)的工作流程及理論循環(huán),工作流程,理論循環(huán),四、復疊式制冷循環(huán)的特點,兩臺制冷機聯(lián)合運行，高溫級制冷機的蒸發(fā)器為低溫級制冷機的冷凝器提供冷源； 為確保低溫級的所需冷凝溫度，高溫級制冷機的蒸發(fā)溫度需低于低溫級冷凝溫度35C； 復疊式制冷循環(huán)既保留了中、低溫制冷劑各自的優(yōu)點，又克服了它們不足，使制取很低的溫度成為可能。(深冷),改善制冷循環(huán)的措施小結(jié),提高能效比COP 高壓液體的過冷（再冷） 多級壓縮 雙級壓縮、經(jīng)濟器 回收膨脹功（采用膨脹機） 非共沸制冷劑 降低制冷溫度 雙級壓縮 復疊式,第四節(jié) 跨臨界制冷循環(huán),亞臨界循環(huán)：對于高溫與中溫制冷劑，在普通制冷范圍

24、內(nèi)，制冷循環(huán)的冷凝壓力遠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)領域廣泛應用的循環(huán)形式),基本概念,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)。,在1930年以前，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域曾作出過重要的貢獻；其主要缺陷在于壓縮機的工作壓力很高、材料耗費嚴重、安全性較差。 1931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 (R74

25、4) 在安全制冷劑方面的地位； 1990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。,第四節(jié) 跨臨界制冷循環(huán),1、CO2跨臨界制冷循環(huán),CO2跨臨界循環(huán)仍屬于蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的范疇，其循環(huán)原理及壓焓圖如下圖所示。,循環(huán)原理圖,壓焓圖,第四節(jié) 跨臨界制冷循環(huán),CO2跨臨界制冷循環(huán)與常規(guī)亞臨界循環(huán)的異同,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行，主要依靠液體蒸發(fā)來完成； 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

26、交換器不再稱為冷凝器，而稱之為氣體冷卻器； 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。 CO2跨臨界制冷循環(huán)的改善課后自學,蒸氣壓縮式制冷實際循環(huán)的特點（與理論循環(huán)相比）,第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán),壓縮機內(nèi)為非絕熱(與外界存在熱交換)、可逆(氣體內(nèi)部及氣體與氣缸壁存在摩擦損失)過程； 壓縮機進、排氣閥存在節(jié)流損失； 蒸發(fā)器及冷凝器內(nèi)存在傳熱溫差； 存在壓縮機吸氣過熱和膨脹閥前制冷劑液體過冷； 系統(tǒng)存在制冷劑流動損失； 系統(tǒng)內(nèi)存在不凝性氣體。,一、實際循環(huán)過程分析,過程線12 3 4 1所

27、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 a b c c d 2 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)。,蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán),第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán),(1)、過程線1 1 ：來自蒸發(fā)器的低壓飽和或過熱制冷劑蒸氣，經(jīng)管道流至壓縮機，由于存在摩擦阻力、局部阻力，使得制冷劑壓力稍有下降，并吸收外部環(huán)境的熱量，溫度有所上升。,(2)、過程線1a ：低壓制冷劑蒸氣，流經(jīng)壓縮機吸氣閥時被節(jié)流，壓力下降至Pa，溫度略有下降。 (3)、過程線ab ：低溫低壓制冷劑蒸氣進入氣缸的過程，吸收氣缸

28、熱量，溫度有所上升，壓力仍為Pa 。,第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán),(4)、過程線b c ：制冷劑蒸氣在壓縮機中的實際壓縮過程；壓縮初期，由于蒸氣溫度低于氣缸壁溫度，且制冷劑內(nèi)部以及與氣缸壁之間有摩擦，為不可逆吸熱壓縮，比熵增加；蒸氣溫度高于氣缸壁溫度時，變?yōu)椴豢赡娣艧釅嚎s直至壓力升至P2。,(5)、過程線cc ：壓縮后的高溫制冷劑蒸氣流經(jīng)氣缸頭部時被冷卻，比熵減少。 (6)、 過程線c d ：高溫制冷劑蒸氣流經(jīng)壓縮機排氣閥時被節(jié)流，比焓基本不變，壓力有所下降。,第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán),(7)、過程線d 2 ：制冷劑從壓縮機出口至冷凝器入口的過程；由于流動阻力及熱交換存在，制冷劑

29、壓力及溫度均有所下降。 (8)、過程線2 3 ：制冷劑蒸氣冷凝過程；由于摩擦和渦流存在，冷凝并非等壓過程，根據(jù)冷凝器形式的不同，壓力有不同程度的下降，出口還有一定的再冷度。,(9)、過程線3 4 ：制冷劑節(jié)流過程，比焓基本不變，比熵增加。 (10)、 過程線4 1 ：制冷劑蒸發(fā)過程，由于摩擦和渦流存在壓力有所下降。,二、實際循環(huán)的制冷性能,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： 實際循環(huán)的平均冷凝壓力有所升高； 實際循環(huán)的平均蒸發(fā)壓力有所降低。,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12 3 4 1 為理論循環(huán)， 1 2 3 4 1 為實際循環(huán)。,蒸氣壓縮式制冷實際循環(huán)的lgPh圖,第五節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán),實際循環(huán)的熱力計算,容積效率v：壓縮機實際輸氣量Vr與理論輸氣量Vh之比:,壓縮機的實際輸氣量：,(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。