蒸汽压缩式制冷（888）.ppt

蒸汽压缩式制冷,第三章,1,本章内容,3.1 可逆制冷循环 3.2 单级蒸气压缩理论制冷循环 3.3 单级蒸气压缩实际制冷循环 3.4 制冷剂 3.5 采用混合制冷剂的单级蒸气压缩式制 冷循环 3.6 多级蒸气压缩制冷循环 3.7 复叠式制冷循环 3.8 CO2超临界制冷循环,2,制冷技术,3.1.1 压缩式制冷的热力学原理概述 3.1.2 逆卡诺制冷循环 3.1.3 劳伦茨循环,3.1 可逆制冷循环,3,制冷技术,制冷循环是利用逆向热力循环的能量转换系统，通过一定的能量补偿，从低温热源吸收热量，向高温热汇排放热量。,热源（heat source）： 流出热量的对象，制冷剂从中吸热。,热汇（heat sink）： 流入热量的对象，制冷剂向其排热。,制冷循环的热力学本质： 用能量补偿的方式把热量从低温热源转移到高温热汇。,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,4,制冷技术,制冷循环可达到的效果 制冷制冷机 制热热泵,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,1 制冷机与热泵,5,制冷技术,性能系数(COP，Coefficient Of Performance)： COP=收益能量/补偿能量 COP的数值可能大于1、小于1或等于1。,2 性能系数和热力完善度,性能系数和热力完善度（或循环效率）是评价制冷 循环的经济性指标。,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,无量纲量,6,制冷技术,制冷系数,QH=Q0 +W COPH=COPR+1,供热系数,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,7,制冷技术,热力完善度 ： 制冷循环与相同工作温度下可逆循环的接近程度 越大，循环性能越好，热力学不可逆损失越小； 越小，循环中热力学不可逆损失越大。,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,无量纲量,8,制冷技术,EER（Energy Efficiency Ratio）：能效比或能源利用系数. 与COP的区别在哪里？ 由于计算时采用不同单位，因此所得数值也不相同。例如： 制冷量 输入功率 kcal/h W EER=0.86 W W EER=1 BTU/h W EER=3.41 来源：采暖通风与空气调节术语标准 GB50158-92,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,9,制冷技术,COP或EER是指在标准条件下运行的能源利用系数，实际上制冷机大都是在非标准条件下运行，因此美国能源部1977年提出了SEER（Seasonal Energy Efficiency Ratio季节能效比）。SEER比EER更合理。,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,SEER-季节能效比,10,制冷技术,蒸 发 温 度 冷凝温度 标准制冷量 -15 ？ 空调工况制冷量 5 ？ 房间空调器压缩机 ？ ？ 不指出运行条件的制冷量是没有任何意义的。 1USRT(美国冷吨)3.517kw 1日本冷吨3.861kW 1冷吨是指1吨0的饱和水在24小时冷冻到0的冰所需要的冷量（1吨（日本2000kg），美国2000磅）,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,室内干/湿球温度：27/19,室外干/湿球温度：35/24,11,制冷技术,Carnot 循环,逆Carnot 循环,从高温热源吸取热量而实现对外做功：热机循环,将热量从低温热源中取出，并排放到高温热源：制冷循环,3.1.2 逆卡诺制冷循环,12,制冷技术,逆卡诺循环组成：,两个等温过程（无温差） 两个等熵过程（无摩擦）,2,3,1,4,q0,逆卡诺循环,TH,TL,S3,S1,S,T,过程名称、温度、吸放热方向 热量、功、COP,3.1.2 逆卡诺制冷循环,13,制冷技术,12 绝热压缩；温度从TLTH； 23 等温放热：温度保持TH ；向 高温热源放热QH； 34 绝热膨胀：温度从TH TL 41 等温吸热：温度保持T0；从 低温热源吸收热量Q0；,3.1.2 逆卡诺制冷循环,2,3,1,4,q0,TH,TL,S3,S1,S,T,14,制冷技术,Q0TL（S1S4）TLS QHTH（S2S3）THS W= QH - Q0 =(TH -TL)S,室内温度：27,室外温度：35， 计算逆卡诺循环制冷系数 空调 逆卡诺循环制冷系数 （蒸发温度，冷凝温度确定方法）,循环效率COP,3.1.2 逆卡诺制冷循环,15,制冷技术,逆卡诺制冷循环性能系数特点,相同热源热汇温度下的制冷循环中最高 只与热源、热汇温度有关 随 变化， 越大，COP越小,用逆卡诺制冷循环评价制冷循环经济性的意义： 制冷循环的COP与热源、热汇温度有关 用COP评价制冷循环的经济性时，只有指明热源热汇温度才有意义 循环效率可以直接评价各种制冷循环的经济性,3.1.2 逆卡诺制冷循环,16,制冷技术,例,某蒸汽压缩制冷过程，制冷剂在5K吸收热量Q0，在00K放出热量Qk，压缩和膨胀过程是绝热的，向制冷机输入的净功为 ，判断下列情况是： A.可逆的 B. 不可逆的 C .不可能的 （1） Q0 =2000kJ =400kJ （2） Q0=1000kJ Qk=1500kJ （3） =100kJ Qk=700kJ,该制冷过程是可逆的，选A,（1）,解：, + Q0 = Qk,3.1.2 逆卡诺制冷循环,17,制冷技术,该制冷过程是不可逆的，选B,该制冷过程是不可能的，选C,（2） Q0=1000kJ Qk=1500kJ,（3） WN=100kJ Qk=700kJ,3.1.2 逆卡诺制冷循环,18,制冷技术,逆卡诺循环COP与热源热汇温度之间关系,此图如何作出的？,3.1.2 逆卡诺制冷循环,19,制冷技术,热源热汇是变温的 制冷剂吸、放过程也是变温的 循环构成： 等熵压缩 变温放热（无温差） 等熵膨胀 变温吸热（无温差）,可逆劳伦茨循环 变温热源热汇条件下热力学最理想的循环,3.1.3 劳伦茨制冷循环,20,制冷技术,可逆劳化茨循环的性能系数： 放热量： 吸热量： Tm、Tom吸放热过程的平均当量温差 输入功：w=q-q0 性能系数,3.1.3 劳伦茨制冷循环,21,制冷技术,小结 第一节 可逆制冷循环,制冷循环 如何评价制冷循环 逆卡诺循环 性能系数 性能系数与热源热汇温度关系 劳论茨制冷循环,22,制冷技术,3.2.1 单级蒸汽压缩式制冷循环的特点及工作过程 3.2.2 制冷剂的状态图 3.2.3 单级蒸汽压缩式制冷理论循环,3.2 单级蒸汽压缩式制冷理论循环,23,制冷技术,组成特点 压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器 各自的作用 工作过程 冷凝温度冷却介质温度 蒸发温度被冷却介质温度 闪发蒸汽,3.2.1 单级蒸汽压缩式制冷循环的特点及工作过程,24,制冷技术,制冷剂状态图压力-比焓图,六条等值线 二条饱和线 三个状态区 一个临界点,h,3.2.2 制冷剂状态图,25,制冷技术,压焓图的构成,六条等值线 ： 等压线、等温线、等比焓线、 等比熵线、等比容线、等干度线 二条饱和线： 饱和蒸气线、饱和液体线 三个状态区： 液体区、湿蒸气区、过热蒸气区 一个临界点：临界压力和临界温度,3.2.2 制冷剂状态图,26,制冷技术,温度-比熵图,五条等值线 二条饱和线 三个状态区 一个临界点,3.2.2 制冷剂状态图,27,制冷技术,逆Carnot 循环特点（蒸汽式）,COP = f (Tk, T0) 与制冷剂无关,用膨胀机完成绝热膨胀过程,两个等温两个绝热过程,COP逆Carnot =COP max,3.2.3 理论循环,28,制冷技术,热汇和热源的温度恒定，且制冷剂在相变过程中与热源（热汇）之间没有传热温差（蒸发温度为热源温度、冷凝温度为热汇温度） 制冷剂在蒸发器出口为饱和蒸汽、冷凝器出口为饱和液体； 制冷剂除了在压缩机和膨胀阀处发生压力变化外，整个循环的其它流动过程没有压力损失 除热交换器外，制冷剂在整个循环的其他流动过程中与外界无热交换； 压缩过程为等熵过程； 节流过程为绝热节流过程。,蒸气压缩式制冷理论循环的假定,过热气体传热？,3.2.3 理论循环,29,制冷技术,3.2.3 理论循环,2.理论循环在状态图上的描述,两个等压过程 一个绝热压缩过程 一个绝热节流（非膨胀）过程,30,制冷技术,3.2.3 理论循环,2.理论循环在状态图上的描述,点1代表制冷剂进入压缩机的状态，它是对应于蒸发温度(压力)下的饱和蒸气。点1位于p0等压线(或T0等温线)与饱和蒸气线(等干度线x=1)的交点上。 点2表示经压缩机压缩后排出的制冷剂状态，也是制冷剂在冷凝器入口处的状态。过程线1-2表示制冷剂气体在压缩机中的等熵压缩过程，有s1=s2。所以点2位于等熵线s1与等压线pk的交点上。大多数制冷剂饱和蒸气经等熵压缩后成为过热蒸气，点2为过热蒸气状态。,31,制冷技术,3.2.3 理论循环,2.理论循环在状态图上的描述,点3表示制冷剂在冷凝器出口处的状态，也是制冷剂节流前的状态。点3为饱和液体状态。冷凝器中的过程2-2-3是定压过程，过程2-2表示过热蒸气定压冷却到饱和蒸气的过程；过程2-3表示从饱和蒸气定压凝结到饱和 液体的过程。点2位于等压线pk与等干度线x=1的交点上；点3位于等压线 pk与等干度线x=0的交点上。,32,制冷技术,3.2.3 理论循环,2.理论循环在状态图上的描述,点4表示节流后的制冷剂状态，也是制冷剂在蒸发器入口处的状态。点4为低压两相状态。3-4为节流过程，因为节流过程是绝热的，所以h3=h4；节流后压力达到蒸发压力，点4位于p0等压线与h3等焓线的交点上。,33,制冷技术,3.2.3 理论循环,2.理论循环在状态图上的描述,过程4-1表示发生在蒸发器中的定压蒸发过程。至此，完成一个理论循环过程。,34,制冷技术,理论循环各状态点和各过程特点,1：制冷剂进入压缩机状态（低温低压饱和气体） 2：压缩机排出的制冷剂状态（大部分为高温高压过热气体） 3：冷凝器出口制冷剂状态（常温高压饱和液体） 4：节流后制冷剂状态（低温低压湿蒸汽）,1-2：压缩机中 等熵压缩 2-3：冷凝器中 等压放热 3-4：节流阀 绝热节流 4-1：蒸发器中 等压吸热,35,制冷技术,循环特性,已知条件： 制冷剂类型 蒸发温度，冷凝温度 求解量： 单位质量制冷剂制冷量 单位容积制冷剂制冷量 单位质量制冷剂消耗功率（比功） 单位容积制冷剂消耗功率（容积比功） 单位质量制冷剂冷凝热负荷 压力比 排气温度 循环性能系数（COP） 循环的热力完善度（或循环效率） 求解工具 ：压焓图,36,制冷技术,理论循环的制冷机性能计算,已知条件： 循环特性 压缩机的理论输气量 求解量： 制冷剂循环质量 制冷量 压缩机功率 压缩机性能系数,37,制冷技术,开口系统稳定流动热力学第一定律：,3.2.3 理论循环,3.理论循环的性能指标,q单位质量换热量 Wt技术功 Wu有用功,38,制冷技术,循环的性能特性,单位质量制冷量 单位容积制冷量 比功 容积比功 单位冷凝热负荷 压力比 排气温度 循环的性能系数 循环效率,q0=h1-h4 qzv=qk/v1 w=h2-h1 wv=w/v1 qk=h2-h3 =p2/p1=pk/p0 COP = qz/w =COP/COPc,39,制冷技术,3.2.3 理论循环,理论循环的制冷机性能指标,注意： 压焓图上的制冷剂是1kg ； 实际制冷系统关心的是，一定制冷剂流量 (m kg/s)下，能够制取的制冷量（kW）。,40,制冷技术,制冷压缩机性能,制冷剂的质量流量 制冷量 压缩机功率 压缩机的性能系数,qm=qvh/v1 0 =q0qm =qvhqzv P= qmw COP= 0/P,41,制冷技术,理论循环与理想循环比较,用膨胀阀代替膨胀机 液态制冷剂体积变化不大 ，所获得的膨胀功不足以克服机器本身的摩擦阻力 简化系统，便于根据负荷变化调节制冷剂流量。 冷凝器中过热气非相变传热存在传热温差,42,制冷技术,理论循环的作用和意义,是实际循环的基准和参照，用于分析研究实际循环的各种不完善因素和应作出改进 用于评价制冷剂在相同循环时的热力性能。 P73表3-1不同制冷剂热力性能比较,排除了机器设备本身的不完善 热源热汇温度一定，理论循环特性唯一的取决于制冷剂的热力性质,43,制冷技术,3.2.3 理论循环,不同制冷剂热力性能比较,为什么不同的制冷剂COP悬殊那么大？,44,制冷技术,第二节单级蒸汽压缩式制冷理论循环,制冷剂状态图 蒸汽式逆Carnot 循环特点 理论循环计算 循环的性能特性计算 制冷机性能计算 理论循环的假定 理论循环与理想循环比较,45,制冷技术,思考,P73表3-1：为什么不同的制冷剂COP悬殊那么大？损失发生在哪里？ 计算循环的特性有什么用？ 为什么制冷量是制冷剂在蒸发器进出口处的焓差？同理，比功、冷凝器热负荷都是制冷剂在压缩机、冷凝器的进出口焓差？请用热力学原理说明,46,制冷技术,第三节,单级蒸汽压缩式制冷 实际循环,47,热汇和热源的温度恒定，且制冷剂在相变过程中与热源（热汇）之间没有传热温差（蒸发温度为热源温度、冷凝温度为热汇温度） 制冷剂在蒸发器出口为饱和蒸汽、冷凝器出口为饱和液体； 制冷剂除了在压缩机和膨胀阀处发生压力变化外，整个循环的其它流动过程没有压力损失 除热交换器外，制冷剂在整个循环的其他流动过程中与外界无热交换； 压缩过程为等熵过程； 节流过程为等焓过程,蒸气压缩式制冷理论循环的假定,48,制冷技术,3.1单级蒸汽压缩式制冷的实际循环,实际工作存在的影响因素 循环外部条件 热源热汇非恒温 吸放热存在传热温差 循环内部条件 非饱和态 流动阻力 散热损失 非等熵压缩,49,制冷技术,实际循环的状态图,50,制冷技术,实际循环的工作过程,蒸发：401a(流动阻力导致蒸发TP，出口处有过热) 吸气：1a1b1(流动阻力P，吸热T) 压缩：12；分为吸热压缩（熵增），放热压缩（熵减） 排气：22a (流动阻力P T) 冷却凝结：2a3：(流动阻力导致冷凝TP，出口处有过冷) 节流过程：34：绝热,51,制冷技术,实际循环特点,蒸发、冷凝过程有传热温差 制冷剂被压缩时，存在摩擦与热交换，并非等熵过程，而是熵值增加的多变过程； 制冷剂流经压缩机进、排气阀时存在节流损失； 制冷剂通过管道、换热器时存在热交换和压力损失； 节流过程有吸热，焓值也略有增加； 一般都存在一定过冷度和过热度。,52,制冷技术,3.2各种实际因素对循环的影响,高压液体过冷 压缩机吸气过热 管道压力损失和热交换的影响 压缩机与压缩过程不可逆的影响 相变传热不可逆的影响 其他影响因素,53,制冷技术,1实际因素对循环的影响过冷,液体过冷 过冷 过冷度： 过冷循环： 过冷循环与饱和循环对比,54,制冷技术,1实际因素对循环的影响过冷,过冷循环与饱和循环特性比较,55,制冷技术,实际因素对循环的影响过冷,某工况，过冷1： 单位制冷量 氨提高0.4%， 丙烷提高0.9% 蒸发温度越低，过冷使性能的相对提高越大,过冷度对不同冷剂、不同蒸发温度的影响,相同过冷度下： 提高程度与制冷剂 潜热和液体比热容有关,56,制冷技术,实际因素对循环的影响过冷,实现过冷方法 利用冷凝器 增加过冷器 利用回热 过冷状态点比焓的确定：,实现过冷方法及过冷状态点比焓确定,近似值,可以直接查图获得,57,制冷技术,2实际因素对循环的影响吸气过热,吸气过热 过热 过热循环的P-h 图 过热度： 有用过热、无用过热,58,制冷技术,2实际因素对循环的影响吸气过热,无用过热循环与理论循环的比较,59,制冷技术,2实际因素对循环的影响吸气过热,有用过热循环与理论循环的比较,如何来比较过热是否有利？,是否应该采用过热循环？,60,制冷技术,有用过热对单位容积制冷量和性能系数的影响,对于同一种制冷剂，有用过热对单位容积制冷量的影响与对COP的影响有相同的趋势,如何作图？,61,制冷技术,2实际因素对循环的影响回热,回热循环系统图与压焓图,避免无用过热,62,制冷技术,实际因素对循环的影响回热,回热循性能指标：回热器热平衡,等价于有用过热循环 蒸发温度低的制冷机适合采用回热；,63,制冷技术,蒸发温度低的制冷机适合采用回热,压缩机不允许吸气温度过低 油的低温性能、压缩机热损失 高压液体得到过冷 防止膨胀阀前液体制冷剂出现闪发蒸汽，保证节流元件稳定工作； 部分制冷剂饱和蒸汽等熵压缩后会进入两相区RC318,64,制冷技术,3实际因素对循环的影响 管道的压力损失及热损失,压力损失及热损失对循环有什么影响？,存在压力损失及热损失的部位有哪些？,65,制冷技术,3实际因素对循环的影响 管道压力损失及热交换,吸气管： 排气管： 高压液管： 低压液管：,压降均为1bar时，哪个对循环影响大？,66,制冷技术,重点部位管道压力损失及热交换,吸气管 减少有害过热（隔热处理） 合理的流速，减少管件阀门等附件 保证吸气侧压降在允许的范围 高压液管 液体汽化原因： 阻力过大，如液管过长、转弯； 液柱静压力液管上升等 防止液体汽化方法 液体有足够的过冷度 隔热处理防止液体受热汽化,液体管道上升10米 需要多少过冷度,67,制冷技术,4实际因素对循环的影响 压缩机不可逆过程,压缩机损失：,i - 指示比功（指示功率） s - 轴比功（轴功率） e - 比电功（电功率） - 理论比功（理论功率）,68,制冷技术,4压缩机不可逆损失功率损失,i - 指示比功（指示功率） s - 轴比功（轴功率） e - 比电功（电功率） - 理论比功（理论功率）,（2）机械效率,（1）指示效率,（3）电机效率,（4）容积效率 (输气系数),k 轴效率 el 电效率 qvs 实际输气量 qvh 理论输气量,69,制冷技术,某压缩机 轴功率 100Kw，摩擦效率 0.82，求卸载50%时的轴功率；,练习题,70,制冷技术,4压缩机不可逆损失容积损失,压缩机容积效率 与余隙容积、温度、泄漏、吸排气压力损失的关系 实际输气量： 理论输气量 输气系数,71,制冷技术,5实际因素对循环影响相变传热不可逆影响,存在传热温差： 冷凝温度 ？ 热汇温度 蒸发温度 ？ 热源温度,对循环产生的影响： 循环压力差 压力比 比功,单位质量制冷量 单位容积制冷量 性能系数 压缩机容积效率,72,制冷技术,6其他影响因素,润滑油 与制冷剂互溶导致热力性质偏移 水分 腐蚀、冰堵 不凝性气体 系统压力升高、排气温度上升,73,制冷技术,3.3单级蒸汽压缩式制冷机的热力计算,确定设计工况 计算实际循环特性 计算制冷机性能 计算各换热器热负荷,热力计算目的： 为系统部件设计或选型提供依据； 热力计算内容：,压焓图,求解工具,74,制冷技术,单级蒸汽压缩式制冷机的热力计算,给定环境条件（热源、热汇温度） 给定压缩机参数（制冷量或理论输气量、制冷剂） 确定设计工况（蒸发、冷凝温度、液体过冷度、吸气过热度） 画出循环图，确定各状态点参数 计算实际循环特性； 计算制冷机性能 计算设备热负荷,热力计算方法与步骤：,75,制冷技术,单级蒸汽压缩制冷循环,已知：热源、热汇温度 压缩机参数（制冷量或理论输气量、制冷剂） 确定设计工况（蒸发、冷凝温度、液体过冷度、吸气过热度） 画出循环图，确定各状态点参数,76,制冷技术,单级蒸汽压缩式制冷机的热力计算,换热温差的选取： 水冷冷凝器： K 风冷冷凝器： K 冷却液体的蒸发器： K 冷却空气的蒸发器: K,蒸发、冷凝温度： 吸气、过冷温度：,77,制冷技术,循环的性能特性,单位质量制冷量 单位容积制冷量 理论比功 指示比功 压缩机排气比焓 冷凝器单位热负荷 过冷器单位热负荷 气液热交换器单位热负荷 节流前液体温度 压缩机排气温度 压力比 实际压力比,78,制冷技术,理论循环的性能特性,单位质量制冷量 单位容积制冷量 比功 容积比功 单位冷凝热负荷 压力比 排气温度 循环的性能系数 循环效率,q0=h1-h4 qzv=qk/v1 w=h2-h1 wv=w/v1 qk=h2-h3 =p2/p1=pk/p0 COP = qz/w =COP/COPc,79,制冷技术,单级蒸汽压缩式制冷机的热力计算,压缩机实际输气量 制冷剂质量流量 制冷量 压缩机的指示功率 压缩机的轴功率 压缩机的电功率,80,制冷技术,单级蒸汽压缩式制冷机的热力计算,制冷机的性能系数 冷凝器热负荷 过冷器热负荷 回热器热负荷,81,制冷技术,热力计算例题1,某空调用制冷系统，制冷剂为氨，需要的制冷量0=48kW，空调用冷水温度tc=10 ，冷却水温度tw=32，试进行制冷机的热力计算。计算中取蒸发器端部的传热温差t0=5，冷凝器端部的传热温差tk=8，节流前的制冷剂液体过冷度tG=5，吸气管路有害过热度tr=5，压缩机的容积效率=0.8，指示效率i=0.8,空调系统可否使用氨？,82,制冷技术,循环工况参数确定 （t0，tk，t3，t1） 状态点热力参数 单位质量制冷量 q0=h0-h4 单位容积制冷量 qzv=qk/v1 理论比功 w=h2-h1 指示比功 wi=w/i 理论性能系数 COP = q0/w 指示性能系数 COPi= q0/wi,冷凝器入口状态点比焓 h2s=wi+h1 单位冷凝热负荷 qk=h2s-h3 制冷剂循环的质量流量 qm= 0/q0 理论输气量qvs=qmv1 实际输气量qvh=qvs/i 理论功率P=qmw 指示功率Pi=P/i 冷凝器热负荷k= qm qk 热力完善度效率 =COPi/COPc,83,制冷技术,热力计算例题2,一台6FS10型制冷压缩机，欲用来配一座小型冷库。库内的温度要求为tc=-10，采用水冷式冷凝器，冷却水温度tw=30，试做运行工况下的热力计算。已知压缩机参数为：气缸直径D=100mm，行程S=70mm，气缸数Z=6，转速n=1440r/min，机械效率m=0.9，指示效率i=0.65，容积效率=0.6。制冷剂为R22，蒸发器的传热温差t0=10，冷凝器的传热温差tk=5，蒸发器出口过热度为5，吸气管路过热度为5，高压液体有过冷度，其温度为32,84,制冷技术,循环特性参数计算 循环工况参数确定 （t0，tk，t3，t1） 状态点热力参数 压力比=pk/p0 单位质量制冷量 单位容积制冷量 理论比功 指示比功 理论性能系数 指示性能系数,制冷机性能参数计算 理论输气量 实际输气量 制冷剂的质量流量 制冷机的制冷量 理论功率 指示功率 冷凝器热负荷 循环效率,85,制冷技术,第三节单级蒸汽压缩式制冷实际循环,实际循环的影响因素 各种实际因素对循环的影响 热源热汇不恒温、传热温差、过热过冷、流动阻力、热损失、压缩过程熵增 单级蒸汽压缩式制冷机热力计算 循环工况确定 循环特性计算 制冷机及换热设备 单级蒸汽压缩式制冷机变工况特性,t0 、 tk 、过冷、过热,q0 , w , qk , , t2 , COP,qm , 0, , P, COP,t0 、 tk,86,制冷技术,蒸汽压缩式制冷中的 制冷剂,第四节,87,制冷剂(制冷工质) ：制冷系统中循环、流动的工作介质 作用：在系统的各个部件间循环流动，实现能量的转换和传递，达到制冷机向高温热源放热，从低温热源吸热，实现制冷。,3.4.1制冷剂定义和作用,88,制冷技术,制冷剂的分类：,按制冷剂的组成分类 单一制冷剂 混合制冷剂,按制冷剂的来源分类 天然制冷剂 合成制冷剂,按制冷剂的化学类别分类 无机物 氟利昂 碳氢化合物,89,制冷技术,制冷剂的命名ISO0817,无机物：R7 ( )( ) 氟利昂和烷烃： CmHnFxCly,Brz；CmH2m+2；R(m-1)(n+1)(x)B(z) 共沸混合物 ：R5 ( )( )（按命名先后顺序） 非共沸混合物：R4 ( )( )(按命名先后顺序) 环烷烃及环烷烃卤代物RC ( ) 链烯烃及链烯烃卤代物R1 ( ),90,制冷技术,根据制冷剂的化学组成表示制冷剂的种类。 氟代烷烃碳氟化合物FC 不含氢的卤代烃氯氟化碳CFC； 含氢的卤代烃氢氯氟化碳 HCFC； 不含氯的卤代烃氢氟化碳 HFC； 碳氢化合物 HC； CFC、HCFC、HFC、HC等后接数字或字母的编制方法同前，如： R12 CFC-12； R22 HCFC-22 R134a HFC-134a R170 HC-170,卤代烃-氟利昂,91,制冷技术,制冷剂选用需要考虑因素,制冷性能(热力性能) 冷凝压力 蒸发压力 压力比 排气温度 单位制冷量 COP 传热性（导热系数、比热容） 流动性,实用性 化学稳定性 热稳定性 安全性 毒性 燃烧性 爆炸性,环境可接受性 不破坏大气臭氧层 温室效应尽量小,92,制冷技术,描述制冷剂性质的参数,热力性质：p，t，v，h，s，cp，cv，k，a 饱和蒸汽压与温度关系 临界温度 粘性、导热性、比热容 环境影响指数 臭氧衰减指数ODP 温室影响指数GWP、HGWP、TEWI 物理化学性质 安全性、电绝缘性、热稳定性及材料相容性 与润滑油的互溶性、溶水性、渗透性,COP,93,制冷技术,1、热力性质饱和蒸汽压与温度关系,热力参数p,t,v,h,s,cp,cv,k,a之间相互关系 物质固有，实验测定和热力学微分方程计算得 饱和蒸汽压与温度关系 标准蒸发温度标准大气压下沸腾温度 反映了制冷时能达到的低温范围 制冷剂根据标准蒸发温度高低分类 高温制冷剂 中温制冷剂 低温制冷剂,94,制冷技术,相同温度下 标准温度低的压力高 低温制冷剂压力高 标准温度高的压力低 高温制冷剂压力低,饱和蒸汽压力与温度关系决定给定工作温度下制冷循环的 高压侧压力 低压侧压力 压力比,95,制冷技术,1、热力性质临界温度,临界温度Tc 物质在临界点状态时的温度 制冷剂不能加压液化的最低温度 临界温度Tc与标准蒸发温度Ts关系 Ts/Tc0.6 (多数情况下) 低温制冷剂的临界温度低 高温制冷剂的临界温度高 结论 不能找到一种既具有很高的临界温度，又有很低的标准蒸发温度制冷剂 特定制冷剂的制冷循环工作温度范围有限,96,制冷技术,1、热力性质粘性、导热性、比热容,粘性：反映流体内部分子之间发生相对运动时的摩擦力； 与流体种类、温度、压力有关 用动力粘度、运动粘度表示 导热性： 用热导率表示 气体基本不变 液体随温度升高而降低，受压力变化较小 比热容 影响辅机（特别是换热器）设计,?,97,制冷技术,2 、环境影响指数,臭氧衰减指数ODP：物质气体逸散到大气中对臭氧破坏的潜在影响程度 以R11的臭氧平衡影响做基准（为1），其他则相比于R11 温室影响指数：对大气变暖的直接潜在影响程度 GWP以CO2的温室影响做基准（为1） HGWP以R11的温室影响做基准（为1） 总当量温度影响指数TEWI：考虑自身对温室效应的影响，同时考虑装置消耗能量引起的CO2排放的增多所造成的间接温室影响 直接影响GWP 间接影响装置、能效 能量转换效率,P99表3-8,COP不仅影响循环经济性，也影响环境,98,制冷技术,常用制冷剂的ODP与GWP对比,制冷剂与环境,99,制冷技术,3、物理、化学性质安全性,安全性 毒性和可燃性 电绝缘性 热稳定性 与材料的相容性 与润滑油互溶性 溶水性 渗透性,100,制冷技术,3、物理、化学性质安全性,电绝缘性 封闭、半封闭压缩机中，制冷剂、润滑油和电动机绕线直接接触（制冷剂中的杂质和水会降低电绝缘性） 热稳定性 普通制冷温度范围稳定的 氨不超过150，R22不超过145； 与材料的相容性 氨 对铜有腐蚀、R22对天然橡胶和树脂化合物有腐蚀,101,制冷技术,3、物理化学性质与润滑油互溶性,同一制冷剂与不同的油溶解度不同,溶解度与温度有关 有限溶解 完全溶解,R134a与脂基油的溶解性曲线,102,制冷技术,3、物理化学性质溶水性、渗透性,溶水性 冰堵现象 水解腐蚀 渗透性 泄漏 对非共沸制冷剂的影响？,103,制冷技术,3.4.3 混合制冷剂,非共沸混合物相变温度滑移： 定压下蒸发与冷凝要变温,共沸混和物 定压下，蒸发与冷凝不变温,104,制冷技术,3.4.3 混合制冷剂,近共沸混合物 非共沸混合物 相变温度滑移很小 定压下相变时气相和液相成分改变很小 热力性状很接近共沸混合物 分馏 易挥发组分优先蒸发或不易挥发组分优先冷凝而引起的成分改变。,105,制冷技术,3.4.3混合制冷剂性质和使用,热力性质的改变 提高蒸发压力 提高单位容积制冷量 理化性质的改变 提高稳定性 抑制可燃性 降低排气温度 改善溶油性,共沸混合物 循环中不会因分馏、泄漏等导致成分变化，工程实用性强,非共沸混合物 相变有温度滑移，可以减小变温热源热汇时传热的不可逆损失 在循环中因分馏、泄漏等容易导致成分变化，使用较复杂,106,制冷技术,制冷剂发展历史,1834年美国人珀金斯发明世界上第一台制冷机，采用的制冷剂为乙醚(CH3OCH3)。 1866年二氧化碳(CO2)被用作制冷剂。 1872年波义耳发明以氨(NH3)为制冷剂的压缩机。 1876年使用二氧化硫(SO2)为制冷剂。 1878年一氯甲烷(CH3Cl) 开始使用。 1922年第一台离心式压缩机使用了二氯乙烷异构体（R1130）,第1阶段,107,制冷技术,1931年美国杜邦公司合成出了R12，以后很快出现了R11、R22等称为氟利昂的一系列卤代烃化合物，因其优良的热力学特性，无毒，不燃烧，极其稳定等性质，很快成为制冷剂的主角，被大量生产和使用，如家用冰箱、汽车空调、小型冷库都用R12、 R22等。 20世纪50年代开始使用共沸制冷剂。 20世纪60年代开始使用非共沸制冷剂。,制冷剂发展历史,第2阶段,108,制冷技术,1.制冷剂发展历史,109,制冷技术,制冷剂发展历史,第3阶段,110,制冷技术,制冷剂发展历史,111,制冷技术,制冷剂发展历史,制冷剂发展的路线图,112,制冷技术,3.4.4 实用制冷剂-制冷剂大事记,1974年发表氯和溴破坏同温层臭氧研究报告 1987年美国和其他22个国家签订蒙特利尔公约建立分阶段停止CFC和HCFC的时间表 1990年空气清洁法令在美国签订，呼吁减少CFC和HCFC制冷剂的生产、循环和排放，最终停止使用 1992年：规定排放CFC和HCFC进入大气层是非法的 1994年：购买和使用CFC和HCFC者要求有技术资格证明 1995年：排放替代制冷剂是非法的 1996年：停止CFC的生产和进口，规定96年的产量为HCFC的最高产量 1997年：签订立足于全球变暖的京都协议 2010年：HCFC22不得使用于新产品 2030年：HCFC产品终止使用,113,制冷技术,我国于2003年4月加入1993年制订 修正案规定,对于发展中国家,于2016年起冻结HCFCs的生产量,并最终于2040年完全淘汰HCFCs,但允许继续生产冻结量的15%供维修用 我国是世界上的空调器生产大国,114,制冷技术,3.4.4 实用制冷剂-为什么要进行替代,臭氧层被破坏过程,115,制冷技术,臭氧层被破坏危害,116,制冷技术,不同物质破坏臭氧层的能力,117,制冷技术,全球变暖趋势,118,制冷技术,3.4.4 实用制冷剂-常用制冷剂ODP和GWP,119,制冷技术,120,制冷技术,121,制冷技术,3.4.4 实用制冷剂-氟利昂,R11的替代：R123、R245、R245a R12的替代：R134a R22 R407C R410A和R410B R404A R507,氟利昂替代考虑问题 热力性能 标准沸点 压力 单位质量(容积)制冷量 导热性能 物理性能 与油的互溶性 与材料的相容性 热稳定性 水的溶解性,122,制冷技术,3.4.4 实用制冷剂-天然制冷剂-氨,常温和普通制冷的温度范围内压力比较适中 单位容积制冷量大 粘性小 密度小 流动阻力小 传热性能好,毒性大 易燃 易爆 有刺激性气味 在高温下会分解出氢,绝热指数大，压缩终了温度高 难溶于润滑油 与水任意比例互溶 含水有腐蚀性,123,制冷技术,3.4.4 实用制冷剂-天然制冷剂-CH类,凝固点低 与水不发生反应 无腐蚀性 与油完全互溶,易燃 易爆 低压侧要保证为正压,丙烯R1270 制冷温度范围与R22相当，用于双级制冷及复叠式制冷高温级,乙烷、乙烯 制冷温度范围与R13相当，只用在复叠式制冷的低温部分,丙烷R290 作为中温制冷剂被广泛使用,异丁烷R600a 作为中温制冷剂被广泛使用,124,制冷技术,3.4.4 实用制冷剂-天然制冷剂-CO2,价格低 与通用机械材料相容 实用方便 单位容积制冷能力比R22大5倍 比传统制冷剂压力比小很多 传热性好 流动性好 操作维护简便 无需回收制冷剂的“再循环”,临界温度低 常温冷却条件下高压侧近临界或超临界 系统内压力较高 高压侧压力约10MPa 节流损失大,125,制冷技术,3.4.4 实用制冷剂-天然制冷剂-水,无毒 无味 不燃 不爆 来源广价格低,比体积大 蒸发压力低 系统处于高真空状态,用于0以上的制冷温度 用于吸收式制冷机组 用于喷射式制冷机组,126,制冷技术,3.4.5 制冷剂热力性质计算,基本热物性方程 状态方程式 比定压热容方程式,其他方程 维里状态方程式 MH公式 用于氟利昂,计算程序 刘志刚.工程热物理性质计算程序的编制及应用.北京：科学出版社，1992,P112公式,127,制冷技术,第四节 蒸汽压缩式制冷中的制冷剂,概述 定义和作用 分类、命名 选用需要考虑因素 制冷剂的性质 热力性质 环境影响指数 物理、化学性质 混合制冷剂 实用制冷剂 制冷剂热力性质计算,128,制冷技术,第五节,采用混合制冷剂的 单级蒸汽压缩式制冷循环,129,3.5.1 理论循环：,循环假设： 忽略流阻损失和成分变化 吸、放热过程为定压， 节流等焓，压缩等熵 共沸混合物 循环情况与纯质相同 对于非共沸混合物 由相变变温特点，用劳伦茨循环作为理想化循环；,130,制冷技术,3.5.2 实际循环,蒸发器中制冷剂温度的实际分布 相变温度滑移TG 蒸发温度升高 压降导致变化T0 蒸发温度降低 系统内混合制冷剂分馏成分改变,131,制冷技术,蒸发器中制冷剂温度压力的实际分布,132,制冷技术,3.5.2实际循环非共沸制冷剂成分偏移,实际定压相变过程中混合制冷剂的气相成分和液相成分均会发生变化 制冷机的生产工艺与充灌工艺过程的差异 运行中工况改变、造成气相成分与液相成分之间差异的变化 润滑油对混合物组分有选择性的互溶性 润滑油对不同组分物质的互溶性不同,制冷系统运行时，不能仅仅用压力测量值和规定的成分这两个参数来准确的确定相变温度 精确的进行非共沸混合制冷剂的制冷循环模拟和测量与计算制冷量都是比较复杂的,133,制冷技术,第五节 采用混合制冷剂的 单级蒸汽压缩式制冷循环,理论循环 实际循环 温度滑移 压降 导致的温度变化,134,制冷技术,第六节,多级蒸汽压缩制冷循环,135,往复式压缩机单级压缩的最低蒸发温度,136,制冷技术,多级蒸汽压缩制冷循环提出,单级压缩在常温冷却条件下，能获 得的低温程度有限 高压缩比 低压缩比 分级压缩，中间冷却 多级压缩。,问题： 原因： 解决办法：,137,制冷技术,3.6.1两级压缩制冷的循环形式,压缩过程：P0Pm ; PmPk 中间冷却： 完全冷却 不完全冷却 节流过程 一次节流：PkP0 (TkT0) 二次节流： PkPm ;PmP0(TkTm ;TmT0),138,制冷技术,四种基本循环形式,注意：没有考虑中间冷却器 T-S图怎么画？ 如图3-35时怎么画压焓图？,139,制冷技术,两级压缩制冷系统实际循环,一次节流中间完全冷却两级压缩制冷实际循环,与P117图3-34 区别？,140,制冷技术,两级压缩循环形式选择因素,中间冷却形式 压缩后制冷剂温度上升情况 完全冷却 不完全冷却,节流次数 一次节流： 不可逆损失大 结构简单 供液压差大，节流阀尺寸小 节流前液体过冷度大，不易阀前闪蒸,二次节流 不可逆损失小 可以获得两种不同蒸发温度 结构复杂要两个节流阀 供液压差小节流阀尺寸大 节流前液体过冷度小，易出现阀前闪蒸,后果？,141,制冷技术,6.2两级压缩制冷系统流程与循环分析,一次节流中间完全冷却的两级压缩制冷循环,142,制冷技术,已知? 求？ 单位制冷量 比功 低压级制冷剂流量 低压级制冷剂轴功 低压级输气量 高压级比功: 高压级流量：中间冷却器质量、热量平衡确定,热力计算,制冷剂、制冷量、蒸发/冷凝温度,压缩机、电动机、冷凝器、COP,q0h1h7 w0h2h1 qm.D=0/q0 Pk.D=qm.DwD/KD 实际: qvs.D=qmDv1 理论: qvh.D=qvs.D / D wG=h4h3,143,制冷技术,热力计算,质量平衡： qmG=qmD+qm6=qm6+qm7 qm7=qmD 热平衡: qmDh2+ qmDh5+(qmG-mD)h6=qmGh3+qmDh7 qmG=qmD (h2h7) /(h3h6) 高压级轴功: 高压级输气量： 实际: qvsG=qmGv3 理论: qvhG=qvsG/G,PkG=qmGWG/kG,144,制冷技术,热力计算,性能系数 理论循环性能系数 COP=0/(qmGwG+qmDwD) 实际循环性能系数 COPs=0/(qmGwG/KG+qmDwD/KD) 冷凝器热负荷 k=qvsG(h4s-h5) h4s=h3+(h4-h3)/iG,轴效率,指示效率,145,制冷技术,氨一次节流中间完全冷却两级压缩制冷系统,节流阀,146,制冷技术,一次节流中间不完全冷却的两级压缩制冷循环,147,制冷技术,热力计算,对中间冷却器热平衡有： 对于混合点4：,热力计算：基本同前一样，只是高压级流量的计算有所不同，其吸气为过热；,148,制冷技术,增加压缩机 增加中间冷却器 中间冷却器出口液体温度与中间冷却器饱和温度之间的差值 增加节流阀,工作过程与单级循环比较,149,制冷技术,氟利昂一节节流中间不完全冷却双级压缩系统,150,制冷技术,获得两种蒸发温度的两级压缩制冷循环,151,制冷技术,两级压缩制冷循环的热力计算中间压力确定,最佳中间压力原则COP最佳 在已知tk，t0，确定一组中间温度Tmi，对应每一个Tmi循环，计算COPi 。作出COP随中间温度的变化曲线，找出对应COPmax的Tm，相应Pm为最佳中间压力 试算中间温度氨系统经验公式拉塞公式 tm=0.4tk+0.6t0+3 比例中项公式 已知压缩机，通过试算，确定Pm，使得：,152,制冷技术,例题3-3,某冷库在扩建中需要增加一套两级压缩制冷机，其工作条件如下：制冷量0=150kW，制冷剂为氨，冷凝温度tk=40，高压液体无过冷，蒸发温度t0=-40，吸气管路的有害过热tr=5。试进行热力计算，选配适宜的压缩机,确定系统理论输气量 电机功率,153,制冷技术,试算结果,中间压力试算结果,154,制冷技术,热力计算结果,单位质量制冷量 低压级压机制冷剂质量流量 低压级压缩机理论输气量 低压级压缩机理论功率 低压级压缩机轴功率 低压级压缩机实际排气比焓,高压级压机制冷剂质量流量 高压级压缩机理论输气量 高压级压缩机理论功率 高压级压缩机轴功率 高压级压缩机实际排气比焓,理论性能系数 高低压压缩机的理论输气量之比 冷凝器的热负荷,155,制冷技术,例题3-4,将104F（4F-10）型压缩机改为单机双级型，其中三个缸作为低压缸，一个缸作为高压缸。如果采用R22作为制冷剂，试问该机器在tk=30，t0=-70时制冷量是多少？,156,制冷技术,157,制冷技术,158,制冷技术,6.4 两级压缩式制冷机的变工况特性,环境变化 冷凝温度、蒸发温度变化 温差变化，中间温度变化，制冷量变化 COP下降 环境变化，运行时系统内外、系统内部各部件之间自动建立平衡 运行工况是系统平衡点对应的循环参数值,159,制冷技术,变工况特性从启动到达到平衡的过程,假定 高、低压级输气量之比为定值 高低压级压缩机的质量流量相等 启动顺序 先启动高压级压缩机，做单级运行，等蒸发温度降到一定程度后再启动低压级压缩机，转入两级压缩,是否定值？,是否相等？,160,制冷技术,变工况特性从启动到达到平衡的过程,假定：冷凝温度不变，蒸发温度逐步降低到额定值 初期，高压级压缩机单级压缩 高压级承担全部工作压差 双级投入后，中间压力由高低压级压缩机的汽缸容积比决定 高压级压差逐渐增大 低压级压差逐渐减小,两级压缩式制冷机系统 启动过程系统中压力和压差的变化,？,161,制冷技术,6.5应用离心式压缩机的多级压缩制冷循环,162,制冷技术,第六节 多级蒸气压缩式制冷循环,两级压缩制冷的理论循环形式 两级压缩制冷的系统流程与循环分析 两级压缩制冷循环的热力计算 两级压缩式制冷机的变工况特性 离心式制冷机的多级压缩制冷循环,163,制冷技术,第七节,复叠式制冷,164,复叠式制冷,复叠式定义： 由两个（或数个）采用不同制冷剂的单级（也可以是多级）制冷系统组合而成。 采用复叠式制冷的原因制冷剂的性质 临界温度与标准沸点关系 低沸点制冷剂的临界温度低，高沸点的制冷剂临界温度高 制冷剂性质导致的结果 蒸发温度受制冷剂凝固点的限制 蒸发压力过低 蒸发压力过低,Tc/Tb=0.6,容易渗入空气,单位容积制冷量下降,165,制冷技术,7.1 蒸汽压缩式复叠制冷系统与循环,166,制冷技术,实际二元复叠循环制冷系统,167,制冷技术,实际三元复叠循环制冷系统,168,制冷技术,7.2 复叠式制冷系统设计与使用中的若干问题,应用温度范围 温度在-35-40以上：单级压缩制冷 温度在-40-80：双级压缩制冷 温度在-60以下：复叠式制冷 制冷剂：按制冷温度、制冷量大小及价格考虑,169,制冷技术,复叠制冷与双级压缩制冷比较,170,制冷技术,7.2设计问题复叠温度与复叠温差,复叠温度 理论 整套系统的COP最佳 实际 按子系统压力比大