制冷技术 课件 第3章 蒸汽压缩制冷循环

第3章蒸气压缩式制冷循环>3.1理想制冷循环3.1理想制冷循环理想制冷循环就是逆卡诺循环：两个等温过程+两个等熵过程等温蒸发等熵压缩等温冷凝等熵膨胀3.1理想制冷循环膨胀机压缩机蒸发器冷凝器3214吸热放热消耗功获得功3.1理想制冷循环

逆卡诺循环循环过程

每一制冷循环，1kg制冷剂从低温热源传给高温热源的总热量为：制冷系数为：3.1理想制冷循环

理想制冷循环所消耗的功量：制冷量：制冷系数：

被冷却物温度的变化比冷却剂温度的变化对制冷系数的影响要大：3.1理想制冷循环

逆卡诺循环制冷机有下列特点：（1）所有过程都是在可逆条件下进行的。即两个热源（高温热源Tk、低温热源T0）与制冷剂之间的传热都是在无温差条件下进行的；所有的压缩、膨胀及制冷剂的流动等过程无摩擦，内部无涡流或扰动。（2）逆卡诺循环制冷系数只与T0和Tk有关，而与制冷剂无关。（3）在T0和Tk之间的制冷循环中，逆卡诺循环的制冷系数最大。（4）逆卡诺循环的制冷系数随着T0的升高或Tk的降低而增加，并可证明，T0对制冷系数的影响比Tk大。3.1理想制冷循环

利用制冷循环获得供热效果的装置称为热泵，热泵的经济性用供热系数μ表示。制冷：制热：3.1理想制冷循环

劳仑兹循环

从冷源吸收的热量：向热源放出的热量：制冷系数：传热有温差的理想制冷循环---劳仑兹循环3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算理论制冷循环3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算四大部件的作用压缩机:从蒸发器中抽气，以维持蒸发器中一定的温度；压缩制冷剂蒸气；在制冷系统中输送制冷剂。冷凝器:制冷剂在其中凝结，并放热，凝结热由介质带走。节流机构:使高压制冷剂液体变成低压制冷剂液体；调节蒸发器的供液量。蒸发器:制冷剂气化吸热，完成制冷过程。3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算理论制冷循环过程的组成及特点等压蒸发+等熵压缩+等压冷凝+等焓节流

蒸发器压缩机冷凝器节流阀

有温差干压缩有温差绝热3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算理论制冷循环不同于理想制冷循环的三个特点：（1）用膨胀阀代替膨胀机；

（2）蒸气的压缩在过热区进行，而不是在湿蒸气区内进行；

（3）两个传热过程均为等压过程，并且具有传热温差。3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算理论制冷循环有两部分损失：（1）节流损失。节流过程3--4是不可逆过程，制冷剂吸收摩擦热，产生无益气化，降低有效制冷能力。每1kg制冷剂蒸发所能吸收的热量减少量可用面积44'b'b4表示；（2）损失了膨胀功we。在制冷循环中每一千克消耗的功量就是压缩机的耗功量，比理想制冷循环多消耗功量we。可用面积034‘0表示。3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算饱和液体线饱和蒸气线反之，饱和液体线的斜率愈大（即愈陡），节流损失愈小。有一些制冷剂，饱和蒸气线的斜率为正值，这时饱和循环的压缩过程在湿蒸气区，则无过热损失。饱和液体线斜率愈小（即愈平缓），则A2（A3）愈大，即这种制冷剂的节流损失（绝对值）大；饱和蒸气线斜率一般是负值，当斜率的绝对值愈小（即愈平缓），则压缩终点状态离饱和线愈远，A1愈大，排汽温度愈高，即过热损失（绝对值）愈大。3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算注意过热损失、节流损失绝对值的大小对循环的制冷系数的影响并不很重要；更重要的是过热损失、节能损失占单位质量消耗功和单位质量制冷量的比重有多大。单位质量制冷量与消耗功与气化潜热的大小有关。过热损失、节流损失的相对值大小与汽化潜热有着关系3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算（1）压缩机吸入湿蒸气时，低温湿蒸气与热的汽缸壁之间发生强烈热交换，特别是与汽缸壁接触的液珠更会迅速蒸发，占据汽缸的有效空间，致使压缩机吸入的制冷剂质量大为减少，制冷量显著降低。（2）过多液珠进入压缩机汽缸后，很难立即气化，这样，既破坏压缩机的润滑，又会造成液击，使压缩机遭到破坏。湿压缩过程的两个缺点3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算实现干压缩过程的两种措施（1）采用可调节制冷剂流量的节流装置，使蒸发器出口的制冷剂为饱和蒸气或过热蒸气；（2）在蒸发器出口增设气液分离装置，气体制冷剂进入其中，速度降低，气流运动方向改变，使气流中混有较重的液滴分离并沉于分离器底部，再返回蒸发器，分离器上部的饱和蒸气则被吸入压缩机。3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算

蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算hPT等温线P等压线S等熵线v等容线x=0x=0.1x=1h等焓线KP-h图的构成3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算压焓图上的六种线等压线PressurePLgP等焓线Enthalpyh等温线Temperature等熵线Entropy等容线Volume等干度线Quality饱和液体线SaturatedLiquid饱和蒸气线SaturatedVapor3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算R134aLgP-h图3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算R134aLgP-h图3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算R410ALgP-h图3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算R404A压焓图3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算应用工程热力学的P-H图→计算3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算（一）压焓图的应用蒸发器中等压吸热过程，单位质量制冷剂的制冷能力为：冷凝器中等压放热过程，单位质量制冷剂的冷凝负荷为：单位质量制冷剂被绝热压缩时，压缩机的耗功量为：节流前后，制冷剂的焓值不变，即：从压焓图上可以明显看出：3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算（二）蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算（1）制冷剂单位质量制冷能力q0和单位容积制冷能力qv式中ν1--压缩机入口气态制冷剂的比容，m3/kg。（2）制冷剂的质量流量Mr及体积流量Vr式中φ0--制冷系统的制冷量，kJ/s或kW。（3）冷凝器的热负荷φk3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算（4）压缩机的理论耗功率Pth（5）理论制冷系数εth（6）制冷效率ηR对于热泵系统，热泵的理论供热系数μth可简化为：供热效率3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算

【例题1-1】某空气调节系统需冷量20kW，采用R22为制冷剂的蒸汽压缩式制冷循环。已知：蒸发温度t0=4℃，冷凝温度tk=40℃，无再冷，而且压缩机入口为饱和蒸气，试进行制冷理论循环的热力计算。3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算

【解】根据已知工作条件，从R22压焓图上可查出各状态点的状态参数如下：状态点温度（℃）绝对压力（MPa）比焓（kJ/kg）比熵[kJ/(kg.K)]比容（m3/kg）14.00.5661406.51.74500.04159256.31.5336431.01.7450--340.01.5336249.71.1665--4‘4.00.5661204.71.0170.000788844.00.5661249.7--0.00988

计算状态点4的状态参数，需应用该压力下饱和液态点4’的状态参数，见上表。3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算单位质量制冷能力单位容积制冷能力制冷剂质量流量3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算制冷效率制冷剂体积流量冷凝负荷压缩机理论耗功率理论制冷系数3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算

【例题1-2】制冷量与工作条件如题1-1，如果制冷剂为R134a，试进行理论制冷循环的热力计算。

【解】根据已知工作条件，从R134a压焓图上可查出各状态点的状态参数如下：状态点温度（℃）绝对压力（MPa）比焓（kJ/kg）比熵[kJ/(kg.K)]比容（m3/kg）14.00.3377400.91.72500.06039244.11.0166423.81.7250--340.01.0166256.41.1905--4‘4.00.3377205.41.01950.000780444.00.3377256.4--0.016333.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算

计算状态点4的状态参数，需应用该压力下饱和液态点4’的状态参数，见上表。单位质量制冷能力单位容积制冷能力3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算制冷剂质量流量制冷剂体积流量冷凝负荷压缩机理论耗功率理论制冷系数制冷效率3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算来自蒸发器进入压缩机的制冷剂蒸气是过热蒸气从冷凝器出来进入节流阀的制冷剂液体是过冷液体3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算

【例题1-3】某空气源热泵机组的制热量为12kW，采用R410A为制冷剂。已知：蒸发压力为0.9MPa，冷凝压力为2.7MPa，再冷度为3℃，过热度为5℃，试进行热泵理论制热循环的热力计算。3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算

【解】根据已知工作条件，由于R410A是近共沸制冷剂（温度滑移很小），可近似地按单质制冷剂进行计算，从R410A压焓图上可查出各状态点参数如下：状态点温度（℃）绝对压力（MPa）比焓（kJ/kg）比熵[kJ/(kg.K)]比容（m3/kg）1'3.90.9424.11.80870.0288118.90.9429.71.82900.029882'44.72.7426.51.72520.00846265.92.7460.51.82900.010693'44.72.7276.41.25290.001054341.72.7271.01.23600.0010334'3.80.9206.01.02200.000861843.80.9271.0--0.0091953.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算单位质量制冷能力单位质量冷凝负荷制冷剂质量流量制冷剂体积流量3.2蒸气压缩制冷的理论循环及热力计算供热效率蒸发器的吸热量压缩机理论耗功率理论供热系数3.3蒸气压缩式制冷循环的改善节流前过冷对制冷循环的影响把节流前的液体过冷是一种减少节流损失的方法。把饱和液体进一步冷却称过冷。过冷液体、过冷温度、过冷度的概念减少节流损失可以提高制冷系数过冷的方法：适当增加冷凝器的传热面积、增设专门的过冷设备、采用回热交换器3.3.1膨胀阀前液态制冷剂再冷却3.3蒸气压缩式制冷循环的改善过冷却后，单位质量制冷量增加了，增加量为△qe。单位质量消耗功没变循环的制冷系数增加液体过冷后，膨胀阀前液体不会汽化，有利于膨胀阀正常稳定工作。优点：缺点：增加设备费用一般只在大型系统中才增设过冷却器在小型系统中，一般用冷凝器来实现少量的过冷。3.3蒸气压缩式制冷循环的改善qe、qv、ε每过冷1℃增加的百分率①制冷剂R134aR22R717qe、qv、ε每过冷1℃增加的百分数0.930.780.43注：te=-15℃，tc=30℃，tsc=25℃条件下。3.3蒸气压缩式制冷循环的改善吸气过热对制冷循环的影响于饱和循环：压缩机吸入蒸气（简称吸汽）是饱和蒸气。过热循环：吸汽是过热蒸气。原因：（1）蒸发器中汽化后的饱和蒸气继续吸热而过热；（2）吸汽管（蒸发器到压缩机之间的管路）中吸热而过热（3）是利用吸汽来过冷却节流前的液体而过热。优点：少量过热保证压缩机不会吸入液滴，保证了压缩机的运行安全，并有利于

压缩机效率的提高。对制冷循环的制冷系数和单位容积制冷量的影响随制冷剂而异。

3.3蒸气压缩式制冷循环的改善吸汽过热的表示循环在p-h图上的表示循环在T-s图上的表示吸汽过热是等压过程

如果吸汽过热得到有用的制冷量吸汽过热而使排汽温度升高，升高多少与制冷剂的性质有关。单位质量制冷量增加量：单位压缩功为：单位质量制冷量为：吸汽过热使吸汽比容增加，循环的单位容积制冷量qv（qe／v1）也会有变化增加还是减少也与制冷剂性质有关。3.3蒸气压缩式制冷循环的改善表1-4吸汽过热对ε、qv及排汽温度的影响制冷剂R717R22R502R134aε增减百分率，%-6.15-1.953.022.29qv增减百分率，%-6.62-1.973.992.70排汽温度t2/t1，℃140.3/101.884.7/53.566.5/37.365.1/36.2注：te=15℃、tc=30℃、吸汽温度为t1=15℃对R134a、R502、R12，吸汽过热可以使制冷系数、单位容积制冷量增加，排汽温度虽有增加，但并不高，显然吸汽过热是有利的。对R717，吸汽过热使制冷系数、单位容积制冷量下降，且排汽温度很高。显然，R717不宜使吸汽过热。3.3蒸气压缩式制冷循环的改善ε、qv增减百分率的大小与过热度（吸汽温度和饱和温度之差）有关，过热度大，增减的百分率大，排汽温度升高也多；反之，过热度小，增减的百分率也小，排汽温度升高也少。过热所吸的热量是有用的制冷量当过热发生在吸汽管中吸收环境热量，是无效的制冷量，会使ε、qv下降。不管使用哪种制冷剂，都应对吸汽管路很好的保温，以避免这种无效过热。3.3蒸气压缩式制冷循环的改善回热循环蒸发器中过热有限。可以用节流前液体对吸汽进行加热，以获得较大的过热度。吸汽所吸入的热量等于液体过冷所释放出来的热量：回热器的换热量应为：单位质量制冷量应为：吸汽过热不利的制冷剂，应当避免吸汽过热为了运行安全，一般吸气有少量过热度对于过热有利，应当尽量使吸气过热。在系统中增设回热器，使吸汽与节流前的液体进行热交换，吸汽过热，节流前的液体被过冷却。回热循环h4h1’h1h2h3’h33.3蒸气压缩式制冷循环的改善3.3.2回收膨胀功3.3蒸气压缩式制冷循环的改善

制冷系统的冷凝温度（或冷凝压力）决定于冷却剂的温度，而蒸发温度（或蒸发压力）决定于制冷要求。因此，在许多实际应用场合，（tc-te）或pc／pe很大。压缩比pc／pe太大所带来的问题有：（1）过热损失与节流损失大，导致制冷系数减小。（2）单位容积制冷量减小，势必要求有较大的压缩机。（3）排汽温度升高，导致压缩机润滑油粘度下降，润滑效果下降，功率消耗增加。（4）导致压缩机容积效率减小。当压缩比达到20左右时，往复式压缩机的容积效率接近于零，即压缩机吸不进汽体。为减少上述大压缩比条件下制冷所存在的问题的影响，可采用多级压缩制冷循环或复叠式制冷循环。3.3.3多级压缩制冷循环

双级压缩制冷循环是蒸发器出来的制冷剂蒸气经低压级压缩机压缩到中间压力后，再经高压级压缩机压缩到冷凝压力的制冷循环。根据其工作方式不同可分为两级节流完全中间冷却的双级压缩制冷循环、一级节流完全中间冷却的双级压缩制冷循环、一级节流不完全中间冷却的双级压缩制冷循环等。所谓两级节流是指从冷凝器进入蒸发器的制冷剂经过了两个膨胀阀实现两级节流过程，而一级节流则通过一个膨胀阀实现从冷凝压力节流到蒸发压力；完全中间冷却是指将低压级压缩机的排气冷却到饱和状态，然后进入高压级压缩机进行第二级压缩的过程，而不完全中间冷却则是低压级压缩机的排气未冷却到饱和状态，即高压级压缩机的吸气是过热状态。3.3蒸气压缩式制冷循环的改善(1)两级节流完全中间冷却的双级压缩制冷循环3.3蒸气压缩式制冷循环的改善(2)一级节流完全中间冷却的双级压缩制冷循环3.3蒸气压缩式制冷循环的改善(3)一级节流不完全中间冷却的双级压缩制冷循环3.3蒸气压缩式制冷循环的改善(4)双级压缩制冷循环的热力计算3.3蒸气压缩式制冷循环的改善(4)双级压缩制冷循环的热力计算3.3蒸气压缩式制冷循环的改善(4)双级压缩制冷循环的热力计算3.3蒸气压缩式制冷循环的改善3.4蒸气压缩式制冷的实际循环3.4.1实际循环过程分析3.4蒸气压缩式制冷的实际循环3.4.2实际循环的性能参数3.5跨临界制冷循环3.5.1CO2跨临界制冷循环3.5跨临界制冷循环3.5.2CO2跨临界循环的改善3.5跨临界制冷循