蒸汽压缩式制冷-热泵系统的压焓图与性能.ppt

2019/6/27,1,“制冷空调技术提高与创新”继续教育讲座 第二讲 蒸汽压缩式制冷/热泵系统的压焓图与性能图 清华大学 王宝龙,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,2,提纲,预备知识 压焓图（lgp-h图）的应用 制冷装置的性能图及其应用 总结,2019/6/27,3,第一节 预备知识,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,4,水泵与热泵（制冷机）的原理对比,水泵 消耗能量,制冷机（与热泵） 消耗能量,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,5,（水泵）农田灌溉与（热泵）建筑采暖,田中俊六. 省概論（別物？）,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,6,制冷机与热泵的相互关系,相同点 热力学原理相同（如：蒸气压缩式制冷原理） 结构相同（四大主要部件+制冷剂） 不同点 使用目的（功能）不同 制冷机：吸收蒸发潜热，降温、除湿 热泵：释放冷凝潜热，升温 二者可以构成独立的机器；也可集成为一台机器，通过自动控制部件转换制冷剂流向，改变机器的功能,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,7,制冷机与热泵的相互关系,空调的工作原理：从压缩机出来的高温高压制冷蒸汽通过高压软管进入冷凝器；由于车外温度低于进入冷凝器的制冷剂温度，借助于冷凝风扇的作用，在冷凝器中流动的制冷剂的大部分热量被车外空气带走，从而高温高压气体被冷凝成低温高压的液体。这种低温高压液体流过节流膨胀阀时，由于节流作用，体积突然变大而降压，变成低压低温的雾状液体进入蒸发器，并在定压下汽化，由于制冷剂在管内汽化时的温度低于蒸发器管外的车内循环风，故它能吸收管外空气中的热量，从而使流经蒸发器的空气温度降低，从而产生制冷降温效果，汽化了的制冷蒸汽被压缩机抽吸压缩，变成高温高压气体，完成一个制冷系统的循环。 膨胀阀具有自动调节功能，在蒸发器温度高的时候开启量孔大，温度低时，膨胀阀里的量孔通过调节针阀伸缩来调节冷媒流动。达到制冷温度的基本恒定 高压阀:当系统压力超过规定值时，安全阀打开，将系统中的一部分气体排入大气，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不因压力过高而发生事故 低压开关:在没冷媒（制冷剂）时不让压缩机工作以保护压缩机的.,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,9,蒸气压缩式制冷的应用领域,蒸气压缩式是目前广泛采用的制冷方法 制冷机类：电冰箱、冷藏柜、陈列柜、冷库、工艺冷水设备等 热泵类：房间空调器、商用中央空调、水源热泵、多联机等,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,10,小结,制冷机与热泵可以独立成为设备，也可成为集成设备 中国称之为“热泵”的设备主要是指集成设备 目前，制冷机与热泵广泛采用蒸气压缩式制冷技术 制冷机与热泵的设计、控制、运行与管理的理论基础是“压焓图”和“性能图”,2019/6/27,11,第二节 lgp-h图及其应用,2019/6/27,12,1.制冷剂的 lgp-h图,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,13,压焓图（lgp-h图）的功能,压焓图（lgp-h图）是分析蒸气压缩式制冷（热泵）循环的重要工具 循环设计：构造各种制冷循环 循环计算：计算制冷（热泵）循环，选配各部件容量 循环分析：对已知系统进行热力分析,清华大学建筑学院建筑技术科学系,14,3区：过冷液体区 饱和区 过热蒸气区,lg p,h,制冷剂压焓图（lgp-h图）,t,清华大学建筑学院建筑技术科学系,15,单质/共沸/近共沸制冷剂压焓图（R134a）,2019/6/27,16,2.制冷循环的lgp-h图,清华大学建筑学院建筑技术科学系,17,制冷循环在压焓图上表示,B,1、实际制冷循环中，制冷剂流量不是1 kg/s，而是m kg/s； 2、实际制冷循环存在各种压力损失。,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,18,lgp-h图的应用举例 1,两相区以外的制冷剂状态点必须由两个独立状态参数才能描述 例如：具有一定过热度的压缩机吸气状态（点1）可由压缩机吸气管上的压力表（p1）以及温度计（t1）读数，经制冷剂物性方程或lgp-h图来确定 如果吸气状态位于两相区（点6）时，则不能直接确定干度x6 采用节流方法使之降压（61）成过热蒸气（点1） 根据p1和t1的读数确定出点1的状态 再根据h6= h1原理求解压力为p0、比焓为h1的湿蒸气（点6）的干度x6,当压缩机出现回液时，也可采取同样方法，以保证压缩机的安全,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,19,lgp-h图的应用举例 2,当从贮液器至膨胀阀之间的高压液体管存在较大压力损失时，制冷剂容易出现沿程闪发 高压液体上升立管高度过高（重力损失） 管道过细及局部阻力部件过多 沿程吸热量过大 重力损失的计算方法,注意：高压液体管有上升立管与下降立管，二者有何区别？,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,20,lgp-h图的应用举例 2,思考： 单元式空调的室外机（冷凝器、压缩机）低于室内机（膨胀阀、蒸发器）为何有时出现制冷效果不好的问题？ 多联机的室内外机之间的连接管长度L和高差Z可以很大吗？,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,21,请看广告,L=120m,Z=50m,H=15m L=100m,Z=50m L=150m,Z=50m,H=15m,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,22,多联机具有作用域 ( or 作用半径 )?,多联机的作用域,作用域是指保证室内舒适性、同时保证多联机系统安全、稳定、高效运行的室内、外机组之间以及室内机组之间的最大管长L与最大高差Z 安全性作用域 舒适性作用域 经济性作用域 调节性作用域 多联机作用域问题是四种作用域的交集 多联机作用域问题是指导多联机系统设计、安装的重要理论基础,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,23,安全性作用域,安全性作用域是指防止垂直液管内因重力作用而影响系统安全运行的室内、外机之间连接管的最大高差 导致压力过高（超出设计允许压力） 下降液管（例） 导致制冷剂闪发 上升液管 与制冷剂种类有关 与机组和连接管的耐压程度有关,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,24,安全性作用域,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,25,经济性作用域,经济性作用域是指为防止由于吸、排气管摩擦阻力损失引起系统性能出现严重衰减而确定的室内、外机之间连接管的最大长度 必须选定参考机组 考察多联机EER、COP与参考机组的TEER、TCOP（包含水泵、风机盘管的耗功），确定经济性作用域 与参考机组的能效水平和连接管的保温效果有关,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,26,经济性作用域,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,27,调节性作用域,调节性作用域是指为防止因管内摩擦阻力和液体重力作用的影响导致室内、外机调节能力下降所确定的并联蒸发器或并联冷凝器之间连接管的最大长度与高差 换热器电子膨胀阀 电子膨胀阀容量调节范围有限,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,28,调节性作用域,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,29,舒适性作用域,舒适性作用域是指为防止室内蒸发器的蒸发温度超高或室内冷凝器的冷凝温度超低，以保证室内蒸发器除湿、冷凝器出风温度不致过低所确定的室内、外机组之间的最大长度和高差 与经济性、安全性作用域密切相关,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,30,舒适性作用域,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,31,多联机的作用域（计算结果）,产 品 很 少,2019/6/27,32,3.各种实用制冷装置的制冷循环,以采用开启式压缩机的一些实用制冷装置为例，介绍如何利用lgp-h图分析制冷循环,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,33,预备知识,制冷系统的COP=Qe/Pin 封闭式压缩机为Pin；开启式压缩机Pin=Pe(轴功率),2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,34,预备知识,制冷量Qe 输入功率Pin COP,(当Mrev=Mrcom时),2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,35,回热循环,特点 可提高压缩机回气过热度，防止液击、以利于提高带油速度 高压液体得到再冷，可防止制冷剂沿程闪发 对于某些制冷剂而言，回热是减小节流损失的重要措施,回热器,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,36,带蒸发压力调节阀的制冷循环,应用场合 利用一套制冷装置对不同库温要求的冷间进行降温 此时，库温较高的冷间要求蒸发温度（或蒸发压力）高，以降低贮藏物的干耗,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,37,热气旁通制冷循环,是小型制冷装置的容量控制方法之一，但性能较差 可以将压缩机排气经热气旁通阀直接旁通到压缩机吸气管 如果将热气旁通阀的出口接至蒸发器入口，即可解决旁通导致的吸气过热问题,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,38,采用满液式蒸发器的制冷循环,冷库用重力供液盘管式蒸发器 空调用冷水机组的满液式蒸发器,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,39,液泵供液制冷循环,具有可实现远程输送制冷剂、蒸发器安装位置不受限制、强化管内换热、有利于顺利带油等优点,2019/6/27,40,第三节 性能图及其应用,2019/6/27,41,1.制冷系统性能图理论基础,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,42,简单制冷系统,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,43,制冷系统的性能？,制冷系统设计 根据系统的使用目的和给定的使用环境参数（实际使用地域或相关标准），确定设计工况，并根据设计工况选择和设计最佳的部件和自动控制设备 制冷系统运行调节 在实际使用中，外部因素与设计工况并不相同，需要对制冷系统进行调节、其性能将如何变化？ 什么是制冷系统性能？ 定义：制冷量、耗功率与外界参数、调控参数之间的关系,制冷系统 的性能,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,44,制冷系统性能分析的理论基础,压缩机 冷凝器 蒸发器 节流装置,采用图形法进行性能分析，简单、直观,性能分析方法： %仿真模拟 %图形法分析,2019/6/27,45,2.定速压缩机制冷系统的性能图,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,46,压缩机工作特性（1）,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,47,压缩机工作特性（2）,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,48,压缩机工作特性（3）,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,49,冷凝器工作特性（1）,根据能量守恒方程（冷却介质得热量冷凝器与制冷剂的换热量） 当冷凝器结构确定后，冷凝负荷可描述为,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,50,冷凝器工作特性（2）,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,51,蒸发器工作特性（1）,对于干工况而言，蒸发器的工作特性与冷凝器相似 由此可见，水冷蒸发器与干工况运行时，其工作特性公式与冷凝器类似,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,52,蒸发器工作特性（2）,对于湿工况而言：同时发生能量和质量交换，推动力为比焓差（或湿球温度差） 结构确定后，传热系数Kew变化大，故制冷量,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,53,蒸发器工作特性（3）,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,54,压缩冷凝机组（压缩机冷凝器）的工作特性,由压缩机性能曲线和冷凝器性能曲线消去冷凝温度tc（内部参数）,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,55,风冷式压缩冷凝机组的性能,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,56,压缩冷凝机组工作特性相关结论1,压缩冷凝机组的性能取决于压缩机和冷凝器的性能 对于结构一定的压缩冷凝机组，其性能与冷却介质的流量、入口温度以及蒸发温度有关（性能标定时，必须规定冷却介质的入口温度和系统的蒸发温度） 冷凝器性能曲线的斜率Qc/(tca-te)与FRAcKc三者乘积成正比，故设计时，传热面积与冷却流量介质取得过小，性能曲线平坦，制冷能力不能充分发挥,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,57,压缩冷凝机组工作特性相关结论2,在使用过程中，因下列因素造成冷凝器传热面积与传热系数降低，均使性能曲线变得平坦，机组冷凝温度升高，性能下降 传热系数减小 集尘、结垢、油膜；冷却介质流量减小等 传热面积减小 制冷剂充注量过多；存在不凝性气体等,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,58,制冷系统（压缩机冷凝器）蒸发器 的工作特性,由（压缩机+冷凝器性能曲线）蒸发器性能曲线消去蒸发温度te （内部参数）,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,59,制冷系统（压缩机冷凝器）蒸发器 的工作特性,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,60,制冷系统（压缩机冷凝器）蒸发器 的工作特性,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,61,制冷系统工作特性相关结论,制冷系统（制冷机组）的性能取决于压缩机、冷凝器和蒸发器的性能 对于给定的制冷机组，其性能取决于冷却介质与被冷却介质入口温度（或湿球温度）和流量（性能标定时，必须规定上述介质的温度） 影响压缩冷凝机组性能的因素直接影响制冷机组性能，规律也相同,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,62,制冷系统工作特性相关结论,蒸发器性能曲线的斜率Qe/(teaw-te)与FRAeKew三者乘积成正比，故设计时，传热面积或被冷却介质流量取得过小，性能曲线平坦，制冷能力不能充分发挥 运行过程中，如果蒸发器因下列原因造成传热面积与传热系数减小，蒸发器的性能曲线将变得平缓，系统的蒸发温度必定降低，制冷能力得不到充分发挥 传热系数减小 结垢、油膜；结冰、结霜；被冷却介质流量减小等 传热面积减小 节流装置：毛细管过长、膨胀阀过小，造成过热度过大；冰堵、脏堵；存油等,2019/6/27,63,3.变容制冷系统的性能图,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,64,变容量制冷系统的工作特性,变容量制冷系统最基本的特征是压缩机的排气量Vh可以调节（简称变容量压缩机） 变容量压缩机：变速（如变频 f ）或变行程等 压缩机的性能描述,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,65,性能图分析方法 1,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,66,性能图分析方法 2,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,67,性能图分析方法 3,Qe,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,68,例如：多联机的经济性作用域分析方法,配管长度影响室内机能力降低,2019/6/27,清华大学建筑学院建筑技术科学系,69,