第2章 单级蒸气压缩制冷循环

第二章单级蒸气压缩式制冷循环掌握蒸气压缩式制冷的理论循环过程及热力计算掌握液体制冷剂的过冷和回气过热掌握蒸气压缩式制冷的实际循环过程掌握单级蒸汽制冷循环的热力特性 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 目的、要求第一节单级蒸汽压缩式制冷的理论循环1．循环过程液体蒸发（P0，t0）→压缩（Pk）→高压气体冷凝（Pk，tk）→节流（P0，t0）2．1．1系统与循环2．系统组成及部件的作用1）组成制冷压缩机冷凝器节流器蒸发器单级蒸气压缩式制冷循环，是指制冷剂在一次循环中只经过一次压缩，最低蒸发温度可达-40～-30℃。单级蒸气压缩式制冷广泛用于制冷、冷藏、工业生产过程的冷却，以及空气调节等各种低温要求不太高的制冷工程。2）四个部件的作用压缩机：压缩、输送节流阀：降压并调节入蒸发器的流量冷凝器：输出热量蒸发器：输出冷量。吸收被冷却物的热量。2．循环过程1→2等熵压缩（Pk），2→2/→3等压冷却、冷凝（Pk，tk）3→4等焓节流（P0，t0），3→4等压等温蒸发（P0，t0）1.1.3制冷系统各部件的主要用途压缩、输送制冷剂蒸气，提高压力和温度放热，使高压高温制冷剂蒸气冷却、冷凝成高压常温的制冷剂液体降压并调节入蒸发器的流量制冷剂液体吸热、蒸发、制冷思考1、蒸气压缩制冷循环系统主要由哪些部件组成，各有何作用？2、蒸发器内制冷剂的汽化过程是蒸发吗？ 一点： 临界点C 三区： 过冷液体区、 两相区、 过热蒸气区。 五态： 过冷液体状态、 饱和液体状态、 湿蒸气状态、 饱和蒸气状态、 过热蒸气状态。 八线： 等压线p（水平线） 等焓线h（垂直线） 饱和液体线x=0， 饱和蒸气线x=1， 无数条等干度线x 等熵线s 等容线v 等温线t2．1．2压焓图压焓图（h—p）2．1．2压焓图六种等参数线：等压线—水平等焓线­—垂直等温线—过冷液体区：垂直线；两相区：水平；过热蒸汽区：右下弯曲。等熵线—右上倾斜。等容线—右上倾斜虚线，较等熵线平坦。等干度线—位于两相区，与饱和液体线和饱和蒸汽线相近。(t、p、v、h、s、x)中两个独立变量，两相区仅一个独立变量。X=0X=1lgPh压焓图干度线比容线等熵线饱和液线等温线等压线湿蒸气区干蒸气线2．1．3制冷循环过程在压焓图上的表示1.理论循环：在没有任何实际损失下的制冷循环。2.条件：①无温差传热；②压缩过程是可逆绝热压缩过程即等熵过程；③管路中无任何耗损。具体为：①两器出口处制冷剂为饱和状态②制冷剂在两器中无压力损失③制冷剂在管道设备中无状态变化④压缩为等熵过程⑤节流为等焓过程⑥t0、tk与冷热源温度相等。3.理想制冷循环：逆卡诺循环（原理图）4.实际采用的制冷理论循环组成（原理图）：两个定压过程；一个绝热压缩过程；一个绝热节流过程。5.特点(与卡诺循环比较）：①用节流阀代替膨胀机：②损失膨胀功、产生“闪发气体”；但简化装置、便于调节，产生节流损失。③用干压缩代替湿压缩；实现“干冲程”；但耗功量、制冷量均增加，制冷系数下降。④产生过热损失1）制冷压缩机压缩过程2）制冷压缩机冷凝过程3）制冷压缩机膨胀过程4）制冷压缩机蒸发过程理论循环过程在压焓图上的表示X=0X=1451231’h2’h5ΡoqoΡkw1.制冷剂单位质量的制冷能力q0？2.制冷剂单位容积制冷量qv?3.制冷剂的质量流量MR?4.压缩机压缩每kg制冷剂的耗功量W?5.压缩机理论耗功率Pth?6.冷凝器对单位质量制冷剂的热负荷qk?7.冷凝器的总热负荷Qk?8.理论制冷系数εth?2.1.4单级蒸汽压缩式制冷的理论循环的热力计算2．1．4单级蒸汽压缩式制冷的理论循环的热力计算Q0：循环制冷量，P0：压缩机功率，制冷系数：ε0=Q0/P0Q+P=qm(h2-h1)kW⑴节流阀：绝热膨胀Q=0,对外不作功P=0，h3=h4x4=(h4-hf0)/(hg0-hf0)⑵压缩机：Q=0,P0=qm(h2-h1)=qmω0⑶冷凝器：Qk=qm(h2-h3)kW⑷蒸发器：Q0=qm(h1-h3)=qm(h1-h4)kWX=0X=134121’h2’h5ΡoΡk单位制冷量：q0=h1-h4单位容积制冷量：qv=(h1-h4)/v1⑸制冷系数：ε0=Q0/P0=q0/ω0=(h1-h4)/(h2-h1) 注意： 焓、熵基准，英制单位、工程单位、国际单位不同。假定循环为单级蒸气压缩式制冷的理论循环，蒸发温度t0=-10℃，冷凝温度tk=35℃，工质为R22，循环的制冷量Q0=55kW，试对该循环进行热力计算。解　点1：t1=t0=10℃，p1=p0=0.3543MPa，h1=401.555kJ/kg，v1=0.0653m3/kg点3：t3=tk=35℃，p3=pk=1.3548MPa，h3=243.114kJ/kg，由图可知，h2=435.2kJ/kg，t2=57℃例1-1　1）单位质量制冷量q0=h1-h4=h1-h3=401.555-243.114=158.441kJ/kg4）理论比功w0=h2-h1=435.2-401.555=33.645kJ/kg5）压缩机消耗的理论功率P0=qmw0=0.347133.645=11.68kW7）冷凝器单位热负荷qk=h2-h3=435.2-243.114=192.086kJ/kg8）冷凝器热负荷Qk=qmqk=0.3471192.086=66.67kW思考 1.制冷剂在蒸气压缩制冷循环中，热力状态是如何变化的？ 2单级蒸气压缩式制冷理论循环有哪些假设条件？第二节单级蒸汽压缩式制冷的实际循环实际循环存在液体过冷，蒸汽过热，制冷剂在两器和管道中因流动而产生得压降，非等熵压缩及系统存有不凝气体等影响循环得性能。2.2.1液体过冷对循环性能的影响1）液体过冷t<t饱2）实现过冷的方法：冷凝器设计，设过冷器，回热器3）在p-h图上表示具有液体过冷的循环从制冷系数变化的角度对比如下： 理论循环1-2-3-4-1 过冷循环1-2-3-4-1 q0=h1-h4 q0=h1-h4=（h1-h4）+（h4-h4）=q0+q0 w0=h2-h1 w0=h2-h13）对循环性能的影响q0=(h1-h4/)增加a)对固定的压缩机Q0=qv(h1-h4/)/v1因压缩机容积qv不变，Q0增加.循环比功ω0不变，P0不变.ε0增加.(ε0=Q0/P0=q0/ω0)b)对确定的Q0可选较小容积qv压缩机，循环比功ω0不变，P0减小，ε0增加.形成制冷循环中吸气过热现象的原因主要有：1）蒸发器的蒸发面积的选择大于设计所需的蒸发面积，制冷剂在蒸发器内吸收被冷却介质的热量而过热，属有效过热。2）制冷剂蒸气在压缩机的吸气管路中吸收外界环境的热量而过热，属无效过热。1）蒸汽过热t>t饱2.2.2蒸汽过热对循环性能的影响3）在半封闭、全封闭制冷压缩机中，低压制冷剂蒸气进入压缩以前，吸收电动机绕组和运转时所产生的热量而过热，属无效过热，但是必须的。4）制冷系统设置了回热器，制冷剂蒸气在回热器中吸收制冷剂液体的热量而过热，属无效过热，但有过冷过程伴随。2.2.2蒸汽过热对循环性能的影响2）实现过热的方法：蒸发器设计，设回热器3）在p-h图上表示从制冷量和制冷系数变化角度对比来说明4）对循环性能的影响 理论循环1-2-3-4-1 过热循环1-2-3-4-1 有效过热 无效过热 q0=h1-h4 q0=h1-h4=（h1-h4）+（h1-h1）=q0+q0 q0=h1-h4=q0 w0=h2-h1 w0=h2-h1=w0+w0 w0=h2-h1=w0+w0 （1）无效过热：q0=h1-h4a)压缩机容积qv不变:v1增加,q0不变，Q0=qvq0/v1,所以Q0减小，冷凝热qk增加，循环比功ω0增加，ε0=q0/ω0，ε0减小。b)对确定的Q0可选较大容积qv压缩机,使qm不变。循环比功ω0增加，P0增加，ε0减小.（2）有效过热：q0=h1-h4压缩机容积qv不变:v1增加，q0增加，Q0=qvq0/v1R502，R12—Q0增加,ε0增加。R22，R717，R11—Q0减小，ε0减小。有效过热对循环是否有益与制冷剂本身的特性有关。如图所示，该图是在蒸发温度为0℃、冷凝温度为40℃的条件下计算所得的结果2．2．3气-液热交换器（回热器）对循环性能的影响1）系统及作用2）在p-h图上表示3）热力计算q0=(h1-h4)=(h1-h4)(h1-h1)=(h3-h3)=(h4-h4)4）对循环性能的影响q0增加，循环比功ω0，R502，R12—Q0增加，ε0增加；R22，R717，R11—Q0减小，ε0减小。回热循环与理论循环相比较，制冷系数的变化情况如下2．2．4热交换及压力损失对循环性能的影响（1）吸入管道1）无效热交换2）压力损失在p-h图上表示1-1对循环性能的影响：v1增加，q0/v1减小，循环比功ω0增加，ε0减小。压比增加。改善办法：增大管径（2）排出管道1）热交换减少qk2）压力损失在p-h图上表示2s-2s对循环性能的影响：Pk增加，循环比功ω0增加，ε0减小。压比增加。改善办法：增大管径（3）冷凝器到膨胀阀间的管道1）热交换：使液体过冷或部分液体气化2）压力损失：部分液体气化对流动自下而上，要求p1-g(z1-z2)/v≥p2(4）膨胀阀到蒸发器间的管道热交换：有效或有害（管道要保温）热交换压力损失：无影响。各分路阻力平衡(5）蒸发器压力损失的影响：1）出口为蒸发温度则平均蒸发温度升高，传热温差减小，F要增加。对循环性能无影响。2）不改变传热温差，v1增加，q0/v1减小，循环比功ω0增加，ε0减小。压比增加（6）冷凝器压力损失的影响：出口为冷凝压力则升高入口压力，压比增加，循环比功ω0增加，ε0减小。（7）压缩机压缩指数变化，余隙容积存在，吸排气阀及通道处压降和热交换间隙泄露等因素，非等熵，qv减少，冷量减少，功率增大。1）输气系数:λ=qv/qvhqvh=π/4D2SnZ2）制冷量：Q0=qvh﹒λ﹒q0/v13）指示效率：ηi=ω0/ωs实际压缩4）机械效率：ηm=ωi/ωs含机械磨擦5）轴效率：ηk=ηi﹒ηi6）实际制冷系数（性能系数、单位轴功率制冷量）：εs=COP=KE=ε0ηk7）能效比EER=q0q0/ωel=ε0ηelωel：电动机输入比功2.2.5不凝气体对循环性能的影响冷凝压力增加，pk增加，比功ω0增加，ε0减小。2.2.6单级压缩式实际制冷循环4-1表示制冷剂在蒸发器汽化和压降过程；1-1表示制冷剂蒸气的过热（有益或有害）和压降过程；1-2s表示制冷剂蒸气在制冷压缩机内实际的非等熵压缩过程；2s-2s表示制冷压缩机压缩后的制冷剂蒸气经过排气阀的压降过程；2s-3表示制冷剂蒸气经排气管进入冷凝器的冷却、冷凝和压降过程；3-3表示制冷剂液体的过冷和压降过程；3-4表示制冷剂液体的非绝热节流过程112(2)3456,,ppk0ph实际循环可表示为图中的1-1-2-3-4-5-6-11-1表示蒸气的过热过程1-2表示实际增熵压缩过程2-3-4表示制冷剂在冷凝压力pk下的等压冷却、冷凝过程4-5表示制冷剂在冷凝压力下的过冷过程5-6表示制冷剂在等焓下的节流过程6-1表示制冷剂在蒸发压力p0下的等压汽化过程1.单位质量制冷量q0和单位容积制冷量qvq0=h1-h62.理论比功w0、指示比功wi和指示效率i等熵压缩时每压缩输送1kg制冷剂蒸气所消耗的功，为理论比功w0=h2-h1　压缩输送1kg制冷剂蒸气实际消耗的功，称为指示比功wi=h2-h1理论比功w0与指示比功wi之比，称为制冷压缩机的指示效率i单级蒸气压缩式制冷实际循环3.单位冷凝热负荷qkqk=h2-h44.制冷剂质量流量qm5.压缩机的理论功率P0和指示功率PiP0=qmw06.冷凝器的热负荷QkQk=qmqk7.实际制冷系数8.热力完善度越大，说明制冷循环经济性越好，热力学的不可逆损失越小；反之，则制冷循环效果差，效率低。永远小于1有过冷器的蒸气压缩式制冷循环改善蒸气压缩制冷循环的措施思考1、试画出单级蒸气压缩式制冷理论循环的p-h图，并说明图中各过程线的含义。2、已知R22的压力为0.1MPa，温度为10℃。求该状态下R22的比焓、比熵和比体积。3、有一个单级蒸气压缩式制冷系统，高温热汇温度为30℃，低温热源温度为-15℃，分别采用R22和R717为制冷剂，试求其工作时理论循环的性能指标。4、一台单级蒸气压缩式制冷机，工作在高温热汇温度为40℃，低温热源温度为-20℃下，试求分别用R134a和R22工作时，理论循环的性能指标。5、有一单级蒸气压缩式制冷循环用于空调，假定为理论制冷循环，工作条件如下：蒸发温度t0=5℃，冷凝温度tk=40℃，制冷剂为R134a。空调房间需要的制冷量是3kW，试求：该理论制冷循环的单位质量制冷量q0、制冷剂质量流量qm、理论比功w0、压缩机消耗的理论功率P0、制冷系数0和冷凝器热负荷Qk。第三节单级蒸汽压缩式制冷机的性能及工况2.3.1单级蒸汽压缩式制冷机的性能制冷压缩机的性能随蒸发温度和冷凝温度变化。Q0=qvh﹒qvP0=qvh﹒ω0vω0v：比容积压缩功；qv：单位容积制冷量；qvh：理论输气量，不变。按理论循环分析。（1）蒸发温度对循环性能的影响1）条件：理论循环，冷凝温度不变2）在p-h图上表示3） 对循环性能的影响其他条件不变，蒸发温度t0变化(降低)的影响hlgp其他条件不变，蒸发温度t0变化(降低)的影响lgph1234tkt02´单位制冷量q0吸气比容v1制冷剂质量流量GQ0q´0q0其他条件不变，蒸发温度t0变化(降低)的影响pw´0w0单位压缩功w0制冷剂质量流量G时，P最大´①单位容积制冷量qvqv=(h1-h3)/v1h1-h3稍降，v1增大，t0↓→qv↓。②比容积压缩功ω0vω0v=(h2­h1)/v1h2-h1增加，v1增大。ω0v=0（p0=0；pk=0）在p-P图上为上凸曲线。压比为3时，P0最大，极点左边t0↓→ω0v↓（增函数）；右边t0↓→ω0v↑（减函数）。③制冷系数ε0ε0=q0/ω0t0↓→ε0↓(1)其他条件不变，冷凝温度tk变化(升高)的影响hp2.3.1单级蒸汽压缩式制冷机的性能(1)其他条件不变，冷凝温度tk变化(升高)的影响(1)其他条件不变，冷凝温度tk变化(升高)的影响不变(1)其他条件不变，冷凝温度tk变化(升高)的影响w0w´0不变w0v（2）冷凝温度对循环性能的影响1）条件：理论循环，蒸发温度不变2）在p-h图上表示3）对循环性能的影响（若冷凝温度升高tk↑）①单位容积制冷量qvqv=(h1-h3)/v1h1-h3↓，v1不变，tk↑→qv↓。②比容积压缩功ω0vω0v=(h2-h1)/v1h2-h1增加，v1不变。tk↑→ω0v↑③制冷系数ε0ε0=q0/ω0tk↑→ε0↓2.3.2制冷机工况Q0、P0、ε0与温度有关。1）定义名义工况、空调工况、 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 工况等2）任意工况下的性能参数（1）查图（2）换算：Q0a=qvh﹒λ﹒qvaQ0b=Q0a﹒λb﹒qvb/λa﹒qva（3）满足设计和使用条件（经济、安全）1.4.2、制冷工况名义工况(新)高温工况中温工况低温工况最大压差工况：用来考核压缩机零件强度、排气温度、油温、电机绕组温度。最大轴功率工况：用来考核压缩机噪声、振动，并依此选配电动机。表2-1我国常用制冷机工况（通常适用于开启式）注：括号内的数字相当于最大压差≤980kPa或最高蒸发温度为0℃的压缩机工况。 工况种类 工作温度/℃ 制冷剂 工况种类 工作温度/℃ 制冷剂 R717 R12 R22 R717 R12 R22 标准工况 冷凝温度tk 30 30 30 最大压差工况 冷凝温度tk 40 50 40 蒸发温度t0 15 15 15 蒸发温度t0 20 30（8） 30 过冷温度tsc 25 25 25 过冷温度tsc 40 50 40 吸气温度tsh 10 15 15 吸气温度tsh 15 0（15） 15 空调工况 冷凝温度tk 40 40 40 最大功率工况 冷凝温度tk 40 50 40 蒸发温度t0 5 5 5 蒸发温度t0 5（0） 10 5 过冷温度tsc 35 35 35 过冷温度tsc 40 50 40 吸气温度tsh 10 15 15 吸气温度tsh 10（5） 15 15表1-2容积式制冷压缩机及机组的名义工况1.4.2、制冷工况 类别 工况序号 蒸发温度/℃ 冷凝温度/℃ 吸气温度/℃ 液体温度/℃ 机组型式 高温 1（1A） 7（7.2） 55（54.4） 18（18.3） 50（46.1） 所有型式 2 7 43 18 38 中温 3 （3A） 7（6.7） 49（48.9） 18 （4.4） 44（48.9） 所有型式 （全封闭） （3B） （18.3） （半封闭）（开启式） 4 7 43 18 38 所有型式 低温Ⅰ 5（5A） 23（23.3） 55（54.4） 32（32.2） 32（32.2） 全封闭 6（6A） 49（48.9） 5（4.4） 44（48.9） 所有型式 7 23 43 5 38 低温Ⅱ 8 （8A） 40 35（40.6） 10 （4.4） 30（40.6） 所有型式 （全封闭） （8B） （18.3） （半封闭）（开启式）表2-4容积式和离心式冷水机组的名义工况表2-3氨制冷压缩机及机组的名义工况注：工况1和（1A）风冷冷凝器不采用蒸发凝结水冷却时，湿球温度不作规定 类别 工况序号 蒸发温度/℃ 冷凝温度/℃ 吸气温度/℃ 液体温度/℃ 环境温度/℃ 中温 1 （1A） 7 （6.7） 35 1（1.1） 30（35） 32（32.2） （1B） （15） 9（9.4） 低温Ⅰ 2（2A） 23（23.3） 15（17.8） 低温Ⅱ 3（3A） 40 20（34.4） 30 类别 工况序号 使用侧/℃ 热源侧或放热侧/℃ 冷温水 水冷 风冷 蒸发冷凝 进口 出口 进口 出口 干球 湿球 进风湿球 制冷 1（1A） 12（12.4） 7（6.7） 32（29.4） 37（35） 35 24（23.9） 24（23.9） 热泵 2 40 45 12 7 7 6 思考 制冷工况指的是什么？为什么说一台制冷机如果不说明工况，其制冷量是没有意义的？第四节单级蒸气压缩混合工质制冷循环2.4.1劳仑兹循环热交换时低温热源温度下降，高温热汇温度上升。若制冷工质与热汇、热源的传热温差无限小，为可逆过程。劳仑兹循环—可逆绝热压缩，可逆放热，可逆绝热膨胀，可逆吸热。热源温度可变的逆向可逆循环2.4.1劳仑兹循环吸热量：q0=T0m(s1-s4)放热量：q=Tm(s2-s3)=Tm(s1-s4)制冷系数：ε0=T0m/(Tm-T0m)2.4.2单级蒸汽压缩混合工质制冷循环 非共沸混合工质在等压冷凝或蒸发，其温度将降低或升高，极限时为劳仑兹循环。TS6T4Tk5变温热源时逆卡诺循环T3T2T0T12.4.2单级蒸汽压缩混合工质制冷循环非共沸混合工质单级蒸汽压缩制冷循环TS31425ph31425思考题1．蒸气压缩式制冷循环中，当制冷剂确定后，冷凝温度、蒸发温度由什么因素决定？2.过冷及对循环性能的影响。3.有效过热无效过热及对循环性能的影响。4．以单级蒸气压缩制冷循环为例，试述蒸发温度和冷凝温度对制冷循环性能的影响。作业1.对空调器有关参数进行计算（如例2-6中⑴-⑾）制冷工质为R22，制冷量Q0=3200W。空调器额定工况：蒸发温度t0=7.2℃，冷凝温度tk=54.4℃，膨胀阀前工质液体温度为46.1℃，吸气温度为20℃（无效过热），压缩机输气系数λ=0.65，指示效率ηi=0.8。室内空气温度26℃，室外空气温度为35℃。2.对电冰箱有关参数进行计算（如例2-6中⑴-⑾）制冷工质为R134a，制冷量Q0=130W。电冰箱额定工况：蒸发温度t0=-25℃，冷凝温度tk=54.4℃，节流前工质液体温度为17℃，吸气温度为32℃（无效过热），压缩机输气系数λ=0.55，指示效率ηi=0.7。冰箱内温度-18℃，冰箱外空气温度为32℃。