工程热力学与传热学11)蒸汽压缩制冷循环.ppt

第十一章 蒸气压缩制冷循环,1 压缩制冷的理论循环 2 压缩制冷的实际循环 3 工况与性能 4 制冷剂,第一节 蒸气压缩制冷的理论循环,1.1 系统与循环 1.2 压焓图 1.3 制冷循环过程在压焓图上的表示 1.4 单级蒸气压缩式制冷理论循 环的热力计算,一、液体蒸发制冷构成循环的 四个基本过程：,制冷剂液体在低压（低温）下蒸发，成为低压蒸气 将该低压蒸气提高压力为高压蒸气 将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体 高压液体降低压力重新变为低压液体，返回到从而完成循环。,压缩机:,压缩和输送制冷蒸汽，并造成蒸发器中低压、冷凝器中高压，是整个系统的心脏。,冷凝器:,输出热量的设备，将制冷剂在蒸发器中吸收的热量和压缩机消耗功所转化的热量排放给冷却介质。,节流阀:,对制冷剂起节流降压作用，并调节进入蒸发器的制冷剂流量。,蒸发器:,输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却对象的热量，从而达到制冷的目的。,二、制冷剂热力状态图 （一）压焓图,一点 两条线 三个区域 五种状态 六类等参线,等容线-向右上方倾斜的虚线，比等熵线平坦；,等温线-液体区几乎为垂直线。两相区内，因制冷剂状态的变化是在等压、等温下进行，故等 温线与等压线重合，是水平线。过热蒸气区为向右下方弯曲的倾斜线；,等熵线-向右上方倾斜的实线；,等干度线-只存在于湿蒸气区域内，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近，视干度大小而定。,等焓线-垂直线；,等压线-水平线；,（二）温熵图,一点 两条线 三个区域 五种状态 六类等参线,三、蒸气压缩制冷理论循环的热力计算,（1）压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中不存在任何不可逆损失,（2）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值,理论循环是建立在以下一些假设的基础上的：,（4）制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力损失，忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管外介质之间没有热交换,（5）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小，可以忽略不计，且与外界环境没有热交换,（3）离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体,理论循环在p-h图上的表示,按照热力学第一定律，对于在控制容积中进行的状态变化存在如下关系：,这里，把自外界传入的功作为负值。,（11-1）,压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器都可以单独作为一个控制体进行分析。,(2)冷凝过程：,（11-3）,(3) 节流过程：,（11-4）,（1）压缩过程:,（11-2）,（4）蒸发过程：,（11-5）,单位制冷量可按式（11-5）计算。单位制冷量也可以表示成汽化潜热r0和节流后的干度x5的关系：,为了说明压缩蒸气制冷机理论循环的性能， 采用下列一些性能指标。,(11-6),由式（11-6）可知，制冷剂的汽化潜热越大，或节流所形成的蒸气越少（x5越小）则单位制冷量就越大。,单位制冷量,(2)单位容积制冷量,(11-7),对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说，理论比功可表示为,(11-8),单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随制冷剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的。,(3)理论比功,(4)单位冷凝热,单位（1kg）制冷剂蒸气在冷凝器中放出的热量，称为单位冷凝热。单位冷凝热包括显热和潜热两部分,(11-9),比较式（11-5）、（11-8）和（11-9）可以看出，对于单级压缩式蒸气制冷机理论循环，存在着下列关系,(11-10),(5)制冷系数,对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，制冷系数为,(11-11),制冷系数愈大,经济性愈好,在蒸发温度和冷凝温度相同的条件下：,(6)压缩终温,影响到制冷剂的分解和润滑油结炭。,(7)热力完善度,单级压缩蒸气制冷机理论循环的热力完善度按定义可表示为,(11-12),这里c为在蒸发温度（t0）和冷凝温度（tk）之间工作的逆卡诺循环的制冷系数。热力完善度愈大，说明该循环接近可逆循环的程度愈大。,第二节 蒸气压缩式制冷的实际循环,2.1 液体过冷对循环性能的影响 2.2 蒸气过热对循环性能的影响 2.3 气-液热交换器对循环性能的影响 2.4 不凝性气体的存在对循环性能的影响 2.5 单级压缩实际制冷循环的热力计算,上面所述的循环，是单级压缩蒸气制冷机的基本循环，也是最简单的循环。在实用上，根据实际条件对循环往往要作一些改进，以便提高循环的热力完善度。在单级制冷机循环中，这一改进主要有液体过冷、吸气过热及由此而产生的回热循环。,一、 液体过冷对循环性能的影响,将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温度的状态，称为过冷。,带有过冷液体的循环，叫做过冷循环。,采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数都是有利的,过冷循环在p-h图上的表示,4,5,(11-13),(2)单位容积制冷量,(3)理论比功,（1）单位制冷量,不变,增加,增加,(4)单位冷凝热,(5)制冷系数,(6)压缩终温,不变,增加,增加,(11-15),(11-14),二、 蒸气过热对循环性能的影响,压缩机吸入前的制冷剂蒸气的温度高于吸气压力下制冷剂的饱和温度时，称为过热。具有吸气过热的循环，称为过热循环。,下图示出了过热循环1-1-2-3-4-5-1的lg p-h图。图中1-1是吸气的过热过程，其余与基本循环相同。,过热循环在p-h图上的表示,1,2,过热循环分有效过热和无效过热两种情况,(11-13),(2)单位容积制冷量,（1）单位制冷量,增加,有效过热循环,有效过热循环：过热过程中产生的冷量也为被冷却介质所吸收。,？,(4)单位冷凝热,(5)制冷系数,？,增加,(11-15),(11-14),(3)理论比功,(11-14),增加,(6)压缩终温,升高,有效过热的过热度对制冷系数的影响,(11-13),(2)单位容积制冷量,（1）单位制冷量,不变,无效过热循环,无效过热循环：过热过程中产生的冷量没有被冷却介质所吸收。,减小,(4)单位冷凝热,(5)制冷系数,减小,增加,(11-15),(11-14),(3)理论比功,(11-14),增加,三、 回热器对循环性能的影响,(11-20),若不计回热器与环境空气之间的热交换，则液体过冷的热量等于使蒸气过热的热量，其热平衡关系为,利用回热使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换，使液体过冷、蒸气过热，称之为回热。,回热循环在p-h图上的表示,回热循环中各性能指标的变化完全同于有效过热循环。,四、 不凝性气体的存在对循环性能的影响,积存于冷凝器； 冷凝压力增加； 压缩机排气压力升高； 比功增加； 制冷系数下降； 压缩机容积效率降低；,五、 单级压缩实际制冷循环的热力计算,实际循环和理论循环有许多不同之处，除了压缩机中的工作过程以外，主要还有下列一些差别：,1流动过程有压力损失。,2制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热交换。,3热交换器中存在温差。,热交换及压力损失对循环性能的影响,（1）吸入管道,吸入管道中的压力降始终是有害的，它使得吸气比容增大，压缩机的压力比增大，单位容积制冷量减少，压缩机容积效率降低，压力比增大，制冷系数下降。 吸气管道中的热交换可视情况当作有效过热或无效过热来分析。,（2）排出管道,在压缩机的排出管道中，热量由高温制冷剂蒸气传给周围空气，它不会引起性能的改变，仅仅是减少了冷凝器中的热负荷。 排气管道中的压降会引起压缩机排气压力升高。,（3）冷凝器到膨胀阀之间的液体管道,在冷凝器到膨胀阀这段管路中，热量通常由液体制冷剂传给周围空气，使液体制冷剂过冷，制冷量增大。然而，也可能水冷冷凝器中的冷却水温度很低，冷凝温度低于环境温度，热量由空气传给液体制冷剂，可能导致部分液体气化，这不仅使单位制冷量下降，而且使得膨胀阀不能正常工作。 压力降没有关系，只要没有气化。,通常膨胀阀是紧靠蒸发器安装的。倘若将它安装在被冷却空间内，传给管道的热量将产生有效制冷量；若安装在室外，热量的传递使制冷减少，因而此段管道必须保温。 压力降也没关系。,（4）膨胀阀到蒸发器之间的管道,（5）冷凝器,假定出冷凝器的压力不变，为克服冷凝器中制冷剂的流动阻力，必须提高进冷凝器时制冷剂的压力，这必须导致压缩机的排气压力升高，压力比增大，压缩机耗功增加，制冷系数下降。,（7）压缩机,在理论循环中，假设压缩过程为等熵过程。而实际上，整个过程是一个压缩指数 在不断变化的多方过程。另外，由于压缩机气缸中有余隙容积的存在，气体经过吸、排气阀及通道出有热量交换及流动阻力，这些因素都会使压缩机的输气量减少，制冷量下降，消耗的功率增大。,简化后的实际循环在 p-h图上的表示,（6）蒸发器,若保证蒸发器的出口压力不变，为克服蒸发器中制冷剂的流动阻力，必须提高进蒸发器时制冷剂的压力，这必然导致平均蒸发温度升高，传热温差下降。,若保证传热温差不变，克服蒸发器中制冷剂的流动阻力，这必然导致压缩机的吸气压力下降，吸气比容增大，压力比增大，压缩机耗功增加，制冷量减小，制冷系数下降。,下面是按照这样简化后的循环的性能指标的表达式，各下标对应于图2-23所示的状态点。,（11-33）,这些同理论循环的计算完全一致。,1单位制冷量、单位容积制冷量及单位理论功,（11-34）,上式中点2状态的焓值用下式计算,（11-35）,2单位冷凝热,3制冷剂的循环流量,（11-36）,4压缩机的理论功率和指示功率分别为,5实际制冷系数,（11-39）,6冷凝器的热负荷,（11-40）,第三节 单级蒸气压缩式制冷机的性能及工况,3.1 蒸发温度对循环性能的影响 3.2 冷凝温度对循环性能的影响 3.3 制冷机工况,3.1 蒸发温度对循环性能的影响,当蒸发温度减小时：,1、单位容积制冷量,2、比容积功,减小,未知,近似认为制冷剂正气为理想气体,3、制冷系数,减小,3.2 冷凝温度对循环性能的影响,5,2,当冷凝温度升高时：,4,1、单位容积制冷量,2、比容积功增加,3、制冷系数,综上所述，我们希望： 蒸发温度尽可能高：在满足被冷却物体的温度要求下； 冷凝温度尽可能低：在冷却介质能满足的条件下。,减小,增加,急剧减小,第四节 制冷剂,制冷剂是在制冷设备中完成制冷循环的工作介质，也称工质。 对制冷剂的要求是：价格便宜、无毒、制冷效果好、物理化学性质稳定。 特性： 标准大气压下，沸点要低。一般要在-20以下。如:r12为-29.8，r22为-40.8，r717为-33.4。冷凝压力低。一般冷凝压力不超过1.17mpa-1.47mpa。可以减少容器耐压强度、减少泄漏、降低压缩机功耗。 蒸发潜热大。即单位容积的制冷量大，循环量小。有利于缩小制冷系统规模。 化学性质稳定，腐蚀性小。特别是与润滑油不起化学反应。 无度、不易燃、不易爆、粘性小、传热性能好、安全可靠等。,制冷剂的类型： 无机化合物制冷剂：这类制冷剂使用得比较早，如氨（nh3）、水（h2o）、空气、二氧化碳（co2）和二氧化硫（so2）等。对于无机化合物制冷剂，国际上规定的代号为r及后面的三位数字，其中第一位为“7”后两位数字为分子量。如水r718.等。 氟里昂（卤碳化合物制冷剂）：氟里昂是饱和碳氢化合物中全部或部分氢元素（cl）、氟（f）和溴（br）代替后衍生物的总称。国际规定用“r”作为这类制冷剂的代号，如r22.等。,饱和碳氢化合物：这类制冷剂中主要有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和环状有机化合物等。代号与氟里昂一样采用“r”，这类制冷剂易燃易爆，安全性很差。如r50、r170、r290.等。 不饱和碳氢化合物制冷剂：这类制冷剂中主要是乙烯（c2h4）、丙烯（c3h6）和它们的卤族元素衍生物，它们的r后的数字多为“1”，如r113、r1150.等 共沸混合物制冷剂：这类制冷剂是由两种以上不同制冷剂以一定比例混合而成的共沸混合物，这类制冷剂在一定压力下能保持一定的蒸发温度，其气相或液相始终保持组成比例不变，但它们的热力性质却不同于混合前的物质，利用共沸混合物可以改善制冷剂的特性。如r500、r502.等。,高温、中温及低温制冷剂：是按制冷剂的标准蒸发温度和常温下冷凝压力来分的。,氟里昂是一种透明、无味、无毒、不易燃烧、爆炸和化学性稳定的制冷剂。不同的化学组成和结构的氟里昂制冷剂热力性质相差很大，可适用于高温、中温和低温制冷机，以适应不同制冷温度的要求。 氟里昂对水的溶解度小，制冷装置中进入水分后会产生酸性物质，并容易造成低温系统的“冰堵”，堵塞节流阀或管道。另外避免氟里昂与天然橡胶起作用，其装置应采用丁晴橡胶作垫片或密封圈。,常用的氟里昂制冷剂有r12、r22、r502及r1341a，由于其他型号的制冷剂现在已经停用或禁用。在此不做说明。 氟里昂12（cf2cl2，r12）：是氟里昂制冷剂中应用较多的一种，主要以中、小型食品库、家用电冰箱以及水、路冷藏运输等制冷装置中被广泛采用。r12具有较好的热力学性能，冷藏压力较低，采用风冷或自然冷凝压力约0.8-1.2kpa。r12的标准蒸发温度为-29，属中温制冷剂，用于中、小型活塞式压缩机可获得-70的低温。而对大型离心式压缩机可获得-80的低温。近年来电冰箱的代替冷媒为r134a。,氟里昂22（chf2cl，r22）：是氟里昂制冷剂中应用较多的一种，主要以家用空调和低温冰箱中采用。r22的热力学性能与氨相近。标准沸点为-40.8，标准凝固点为-160通常冷凝压力不超过1.6mpa。r22不燃、不爆，使用中比氨安全可靠。r22的单位容积比r12约高60%，其低温时单位容积制冷量和饱和压力均高于r12和氨。近年来对大型空调冷水机组的冷媒大都采用r134a来代替。 氟里昂502（r502）：r502是由r12、r22以51.2%和48.8%的百分比混合而成的共沸溶液。r502与r115、r22相比具有更好的热力学性能，更适用于低温。r502的标准蒸发温度为-45.6，正常工作压力与r22相近。在相同的工况下的单位容积制冷量比r22大，但排气温度却比r22低。r502用于全封闭、半封闭或某些中、小制冷