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第三章蒸气压缩制冷循环 1 3 0预备知识 2 3 4 5 6 7 在普通制冷温度范围内 蒸气压缩式制冷是占主导地位的制冷方式 它属于液体蒸发制冷液体蒸发制冷的特征是 利用制冷剂液体在气化时 蒸发时 产生的吸热效应 达到制冷目的液体蒸发制冷构成循环的四个基本过程是 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成为高压蒸气 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 从而完成循环 8 上述四个过程中 是制冷剂从低温热源吸收热量的过程 是制冷剂向高温热源排放热量的过程 是循环的能量补偿过程 能量补偿的方式有多种 所使用的补偿能量形式相应的也有所不同 如果该过程的能量补偿方式是用压缩机对低压气体做功 使之因受压缩而提高压力 那么 这种制冷方式便称之为蒸气压缩式制冷循环 vaporcompressionrefrigerationcycle 9 在制冷系统中 我们将制冷剂在低压下蒸发的容器 称为蒸发器 evaporator 蒸发器是热交换设备 其作用是将蒸发器外被冷却对象的热量传递给蒸发器内制冷剂 制冷剂 在低温低压下 相变吸热而使被冷却对象的温度降低从蒸发器内源源不断地抽出制冷剂气体的装置称为制冷压缩机 refrigerantcompressor 其作用之一是不断地将完成了吸热过程而汽化的制冷剂蒸气从蒸发器中抽吸出来 使蒸发器维持低压状态 便于蒸发吸热过程能继续不断地进行下去 10 利用饱和温度和饱和压力一一对应这个原理 我们对制冷压缩机抽出的低温低压的制冷剂蒸气进行压缩 给它一个能量 使低温低压的制冷剂蒸气增压 从而提高制冷剂蒸气的温度 再送往冷凝器去冷凝制冷压缩机除了及时抽出蒸发器内蒸气 维持低温低压外 作用之二是通过压缩作用提高制冷剂蒸气的压力和温度 创造将制冷剂蒸气的热量向外界环境介质 空气或水 转移的条件 11 冷凝器 Condenser 也是一个热交换设备 作用是利用环境冷却介质空气或水 将来自制冷压缩机的高温高压制冷剂蒸气的热量带走 使高温高压制冷剂蒸气冷却 冷凝成高压常温的制冷剂液体 值得一提的是 冷凝器内制冷剂蒸气变为制冷剂液体的过程中 压力是不变的仍为高压高压常温的制冷剂液体不能直接送入低温低压的蒸发器 我们将再一次利用饱和压力 saturationpressure 与饱和温度一一对应原理 降低制冷剂液体的压力 从而降低制冷剂液体的温度 将高压常温的制冷剂液体通过降压装置 膨胀阀 又称节流阀 expansionvalve throttlevalve 得到低温低压制冷剂 再送入蒸发器吸热蒸发 从而完成了一个制冷循环 12 Qo Qk W 13 Qo Qk 压缩机 节流阀 冷凝器 蒸发器 W 14 Qo Qk Compressor ExpansionValve Condenser Evaporator W 高压 过热蒸气 低压 气液两相 高压 饱和液体 低压 低温蒸气 15 16 单级蒸气压缩式制冷循环工作过程如下制冷剂在蒸发器内 在压力po 温度to下沸腾 to低于被冷物体的温度 压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸汽 并将它压缩到冷凝压力pk 然后送往冷凝器 在pk压力下等压冷凝成液体 同时 制冷剂放出冷凝热量 并传给冷却介质 通常是水或空气 与冷凝压力pk相对应的冷凝温度tk 一定要高于冷却介质的温度 冷凝后的液体通过膨胀阀或节流元件进入蒸发器当制冷剂通过膨胀阀时 压力从pk降到po 少部分液体气化 极大部分剩余液体的温度降至to 这部分液体在蒸发器中蒸发 并从被冷却的物体中吸取它所需要的蒸发热 而气化的这部分蒸汽称为闪发蒸汽 在它被压缩机吸入之前几乎不再起吸热作用 17 3 1单级蒸气压缩式制冷循环 分析单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环 IdealSingle StageCycle 的目的是运用热力学原理对制冷循环内在联系和外部影响 进行的理论分析 是制冷系统安装 调试 运行管理和维护的理论基础 它对制冷循环的能量转换及转换后效率进行的理论分析 是制冷系统能否节能 环保 可持续发展的理论根据鉴于实际的制冷循环是一个动态且复杂的循环过程 不便于定性和定量分析 我们将从简单但符合实际规律的理论制冷循环入手 用热力学理论对其进行透彻的分析和计算 在此基础上再修正复杂 多变的实际制冷循环 指导实际制冷循环的应用 使之更有效 更安全地为我们服务 对制冷循环进行的热力计算 是制冷系统机器 设备设计和选型的理论依据 3 1 1单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环 18 1 理论制冷循环的假定条件 压缩过程为等熵过程 Isentropicprocess 即压缩过程与外界没有热交换冷凝 蒸发过程均为定压过程 Isobaricprocess 没有传热温差 即制冷剂的冷凝温度 Condensingtemperature 等于环境介质 空气或水 温度 制冷剂的蒸发温度 Evaporatingtemperature 等于被冷却对象温度 且各温度均为定值离开蒸发器和进入制冷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除膨胀阀产生节流降压外 制冷剂在设备管道内的流动没有流动阻力损失 即没有压力降 同时与外界环境没有热交换节流过程为绝热的焓值不变过程 Isenthalpicprocess 19 2 理论制冷循环在温 熵图和压 焓图上的表示 20 压缩 节流 蒸发 冷凝 冷却 统称为 冷凝 21 压缩过程CompressionProcess 节流过程ThrottleProcess 蒸发过程EvaporationProcess 冷凝过程CondensationProcess 22 点1表示制冷剂进入压缩机的状态它是对应于蒸发温度to下的饱和蒸气 该点位于等压线po与饱和蒸气线的交点上点2表示制冷剂出压缩机的状态 也是进冷凝器时的状态 过程线1 2表示制冷剂蒸气在压缩机中的等熵压缩过程 s1 s2 由蒸发压力po压缩到冷凝压力pk 因此点2可由通过点1的等熵线和压力为pk的等压线的交点来确定 点2处于过热蒸气状态 注意在点2时的制冷剂温度比点3时的制冷剂温度高 此温度我们也称作压缩机排气温度 Dischargetemperature 23 点4表示制冷剂出冷凝器的状态 它是与冷凝压力pk所对应的饱和液体 过程线2 3 4表示制冷剂在冷凝器内冷却 2 3 和冷凝 3 4 过程 由于整个冷凝过程的压力不变 因此 压力为pk的等压线和饱和液体线的交点即为点4的状态点5表示制冷剂出节流阀的状态 也就是进入蒸发器的状态 过程线4 5表示制冷剂在通过节流阀时的节流过程 在这一过程中 制冷剂的压力由pk降到po 温度也由tk降到to 进入两相区 由于节流前后制冷剂的焓值不变 因此 由点4作等焓线与等压线po的交点即为点5的状态 因节流过程是不可逆过程 所以过程线4 5往往用虚线表示 可以看出 点5落入了两相区 意味着制冷剂从冷凝压力饱和液体状态经节流阀节流后有一部分成为闪发气体 24 过程线5 1表示制冷剂在蒸发器中的汽化 蒸发 过程 由于这一过程是在等温 等压下进行的 液体制冷剂吸取被冷却物体的热量而不断汽化 所以制冷剂的状态沿等压线向干度增大的方向变化 直到全部变为饱和蒸气为止 这样 制冷剂的状态又重新回到进入压缩机前的状态 从而完成了一个理论制冷循环 25 tk pk to po s 常数 p 常数 h 常数 p 常数 26 3 理论循环中各设备的功 热变化 理论制冷循环中 制冷剂的流动过程可认为是稳定流动过程 即 制冷剂流过系统任何断面的质量不随时间改变 系统中任何位置上制冷剂的状态参数都保持一定 不随时间改变 系统与外界的热量和功量传递不随时间改变 27 根据热力学第一定律 忽略位能和动能变化 稳定流动过程的能量方程可表示为 参见 工程热力学 热力学第一定律中的稳定流动能量方程 3 1 式中 Q 单位时间内外界加给系统的热量 kW P 单位时间内外界加给系统的功率 kW 流出或流进该系统的稳定质量流量 kg s hout hin 1kg制冷剂在系统出 进口处的比焓 kJ kg 该方程可以单独适用于制冷系统中的每一个设备 28 制冷压缩机制冷压缩机对制冷剂蒸气的压缩过程是一个等熵过程 因此 3 2 带入式 3 1 有 在图中表示为1 2过程 为循环的压缩过程 故上式可写成 式中 Po 理论功率 Ideapower kW 表示制冷压缩机因压缩循环的制冷剂蒸气所消耗的功率 质量流量 Massflowrate kg s 表示单位时间内循环的制冷剂的流量wo 理论比功 单位压缩功 Compressworkpermass kJ kg 表示制冷压缩机每输送1kg制冷剂蒸气所消耗的功 29 热力学中 非自发过程的发生需要伴随能量的补偿理论制冷循环中 热量从被冷却对象通过制冷剂传递给环境介质空气或水 即从低温物体传向高温物体 是非自发过程 因而需要制冷压缩机消耗功率Po才能够实现 压缩过程中 制冷剂状态变化如下 制冷剂蒸气从干饱和蒸气状态1 过热蒸气状态2制冷剂蒸气从低压po 高压pk制冷剂蒸气从低温t1 高温t2 依制冷剂不同而不同 压缩过程是一个等熵过程 30 冷凝器冷凝器中制冷剂蒸气的冷凝过程是一个定压放热过程 向外界放出热量Qk 但与外界没有功率交换 因此 3 3 式中 Qk 冷凝热 Condenserheat kW 表示单位时间内循环的制冷剂在冷凝器中放出的热量 负号仅表示放出热量 可省略 qk 单位冷凝热负荷 kJ kg 表示1kg制冷剂蒸气冷凝为同等压力下的饱和液体在冷凝器中放出的热量 31 冷凝过程中 制冷剂状态变化如下 制冷剂蒸气从过热蒸气状态2 饱和蒸气状态3 冷却过程 饱和液状态4 冷凝过程 制冷剂蒸气从高温t2 冷凝温度tk t3 t4 一般为常温 冷凝过程定压且为高压pk 32 膨胀阀膨胀阀中制冷剂液体的膨胀过程是一个绝热过程 与外界没有热交换 也不作功 因此 3 4 上式可写成 式 3 4 表明节流前后焓值不变 33 节流过程中 制冷剂状态变化如下 制冷剂液体从饱和液状态4 湿蒸气状态5制冷剂液体从高压pk 低压po制冷剂液体从冷凝温度tk 蒸发温度to节流过程绝热而且焓值不变 34 蒸发器制冷剂的蒸发过程是一个定压吸热过程 从外界吸收热量Qo 与外界没有功率交换 因此 3 5 式中 Qo 制冷量 Refrigeratingcapacity kW 表示单位时间内循环的制冷剂在蒸发器中从被冷却对象吸取的热量qo 单位质量制冷量 Refrigeratingcapacityperweighing kJ kg 表示1kg制冷剂液体蒸发为同等压力下的饱和气体在蒸发器中从被冷却对象吸取的热量 它实际是制冷剂的气化潜热 35 蒸发过程中 制冷剂状态变化如下 制冷剂从湿蒸气状态5 饱和蒸气状态1蒸发过程定压且为低压po蒸发过程定温且为低温to t5 t1 36 理论制冷循环的能量转换理论制冷循环的能量转换和热力学第一定律有 3 6 解释为 蒸气压缩制冷系统的冷凝热等于得到的冷量与消耗的功之和 37 理论制冷循环的经济性理论制冷循环中 制取的冷量与所消耗的功率之比称为制冷系数 Cofficientofperformance 用 o表示 3 7 制冷系数越大 制冷循环经济性越好 投入少 产出多制冷系数的影响因素在后面进行分析 38 39 4 理论循环的热力计算 单级蒸气压缩式制冷理论循环的性能指标单位质量制冷量单位容积制冷量理论比功冷凝器单位热负荷制冷系数等 40 单位制冷量1kg制冷剂在蒸发器内从被冷却物体中吸取的热量称单位制冷量 Refrigeratingcapacityperunitofrefrigerantmass 用qo表示从压焓图中可以看出 状态5的湿蒸气进入蒸发器 在其中吸热气化至干饱和蒸气状态1 在5 1蒸发过程中 工质的压力和温度均保持不变单位制冷量可用制冷剂进 出蒸发器时的焓差表示 即 3 8 单位制冷量与制冷剂的性质有关 与节流前后的温度 压力 有关 41 单位容积制冷量压缩机每吸入1m3制冷剂蒸气 按吸气状态计算 所制取的冷量称单位容积制冷量 Refrigeratingcapacityperunitofsweptvolume 用qv表示 3 9 式中 v1 吸气状态下制冷剂蒸气比体积 比容 m3 kg单位容积制冷量与制冷剂性质有关单位容积制冷量蒸发压力的影响很大 蒸发温度越低 制冷剂比体积值越大 单位容积制冷量越小 42 理论比功压缩机每压缩并输送1kg制冷剂所消耗的功称为理论比功 单位理论功 Theworkinputtothecompressorperunitofrefrigerantmass 用wo表示 由于节流过程中制冷剂对外不作功 因此循环单位理论功与压缩机的单位理论功相等 它可用制冷剂进 出压缩机时的比焓差表示 即 3 10 单位理论功的大小不仅与制冷剂的性质有关 也与压缩机的压缩比 Compressionratio pk po 的大小有关 43 冷凝器单位热负荷1kg制冷剂在冷凝器中放给冷却介质的热量称为冷凝器单位热负荷 Theheatrejectionduringcondensationperunitofrefrigerantmass 用qk表示 用制冷剂进 出冷凝器时的比焓差表示 即 3 11 可见冷凝负荷大小与制冷剂压缩后的状态点有关 包含有制冷剂的冷却过程和冷凝过程 44 制冷系数它表示循环的制冷量与理论功之比 用 o表示 即 3 12 制冷系数表明理论循环的经济性 在空调工程实际应用中往往用COP和EER 能效比 衡量系统的经济性 45 在温 熵图和压 焓图上单位制冷量 单位理论功和单位冷凝热可以用面积 温 熵图 和线段 压 焓图 表示 下图给出了用面积和线段表示的单位制冷量 46 例3 1某R22制冷理论循环 蒸发温度to 5 冷凝温度tk 40 制冷量Qo 50kW 试进行该循环的热力计算 47 48 49 50 例3 2比较R22制冷理论循环 蒸发温度to 5 冷凝温度tk1 40 tk2 38 tk3 36 tk4 34 tk5 32 时制冷系数的变化量 51 解该循环在压 焓图上的表示如图所示 根据R22热理性质表 查出处于饱和线上各点的有关状态参数值 h3 1 249 686kJ kg h3 2 247 041kJ kgh3 3 244 418kJ kg h3 4 241 814kJ kgh3 5 239 230kJ kgh2 1 432kJ kg h2 2 430kJ kg h2 3 428kJ kg h2 4 426kJ kg h2 5 424kJ kg 52 结论 在制冷循环中 冷凝温度降低1 制冷系数将会增加5 左右 与运行工况有关 53 3 1 2单级蒸气压缩式制冷的实际循环 需要修正的方面是制冷压缩机的压缩过程不是等熵过程 且有摩擦损失热交换过程中 有气体过热 液体过冷现象存在 通常制冷压缩机的吸气是过热蒸气 节流阀前的液体是过冷液体热交换过程中 存在着传热温差 被冷却对象温度高于制冷剂的蒸发温度 环境介质温度低于制冷剂冷凝温度节流过程不完全是焓值不变的节流过程制冷剂在设备及管道内流动时 存在着流动阻力损失 且与外界有热量交换制冷系统中存在着不凝性气体 54 制冷剂液体的温度低于同一压力下饱和状态的温度称为过冷 Subcooling 两者温度之差称为过冷度 Degreeofsubcooling 如压力为1atm 0 1MPa 时 水对应的饱和温度是100 而通常自来水温度只有20 自来水即为过冷液体 过冷度为80 液体制冷剂节流后进入湿蒸气区 两相区 节流后制冷剂的干度越小 它在蒸发器中气化时的吸热量 即制冷量 越大 循环的制冷系数越高节流后的点越接近饱和液体线 制冷量越大 在一定的冷凝温度和蒸发温度下 采用使节流前制冷剂液体过冷的方法可以达到减少节流后干度的目的 1 液体过冷对循环性能的影响 55 理论制冷循环中 我们认为冷凝完毕的制冷剂液体正好是饱和液 Saturatedliquid 忽略制冷剂流动时的热交换 制冷剂到达节流阀前仍为饱和液状态 在实际制冷循环中 制冷剂液体离开冷凝器进入节流阀之前往往具有一定的过冷度 56 液体过冷的原因冷凝器中冷凝面积的选择往往大于设计所需的冷凝面积冷凝器选择条件是根据最热天气 最高的环境介质温度 而在使用中的绝大多数时间内冷凝器是在低于上述条件的情况下工作 从而使冷凝面积过剩 为制冷剂过冷创造了条件在设计过程中 人为设计一些过冷度 在通常情况下 过冷度的大小取决于冷凝系统的设计和制冷剂与冷却介质之间的温差 假定冷凝器出水温度比冷凝温度低5 冷却水在冷凝器中的温升为8 因而冷却水的进口温度比冷凝温度低13 这就足以使制冷剂出口温度达到一定的过冷度 在卧式壳管式冷凝器中 如果冷凝后的液体不立即从冷凝器的底部排出 而是积存在冷凝器内部 这部分液体将继续把热量传给管内的冷却水和周围环境 排出时便可获得一定的过冷度在制冷系统中设置了过冷器 如用空气冷却后的高压制冷剂经过井水再次冷却 制冷剂就得到了过冷制冷系统中设置了回热器 详见回热循环 57 具有液体过冷的循环1 2 3 4 1表示理论循环1 2 3 4 1表示过冷循环 58 对过冷循环而言 单位制冷量 3 13 3 14 3 15 与无过冷的循环1 2 3 4 1相比 过冷循环的单位制冷量的增加量为 过冷循环的制冷系数 式中 c 液体平均比热容 t 过冷度 59 单位制冷量增加的百分数取决于制冷剂的蒸发潜热和液体的比热对于氨 R717 因为它的蒸发潜热很大 故每过冷1 单位制冷量增加的百分数是很小的 在考核工况下大约为0 4 对R502制冷剂而言 大约增加1 1 对丙烷而言 大约增加0 9 60 由于单位制冷量的增加 对给定的制冷量 过冷循环所需要的制冷剂质量流量将小于理论循环的质量流量 考虑到两个循环的压缩机吸入状态相同 因而压缩机所需要的容积同样也是过冷循环小于理论循环 由于两个循环中压缩机的进 出口状态相同 因此两个循环的比功相同 这就意味着过冷循环中单位制冷量的增加必定导致制冷系数的增加 61 例3 3试比较理论循环与过冷循环的性能 假定两个循环的冷凝温度均为40 蒸发温度均为5 过冷循环中液体的温度由40 过冷到35 两个循环的压缩机吸入状态均为蒸发压力入下的饱和蒸气状态 工质为R22 制冷量 50kW 62 查R22的热力性质图或表得各状态点的热力性质 63 64 例3 4两个单级蒸气压缩式制冷循环 使用工质为R22 需制冷量Qo 55kW 两个循环的冷凝温度tk均为40 蒸发温度to均为 10 其中一制冷循环为理论循环 另一制冷循环为过冷循环 过冷度 tg 5 试比较两个制冷循环的性能 65 66 结论 液体过冷循环使制冷循环的制冷系数 o增大 使制冷循环的单位质量制冷量qo增加 从而使制冷循环的质量流量qm减少 使制冷循环的单位容积制冷量gv增加 从而使制冷循环的压缩机实际输气量qvs减少 即制冷循环所需要的制冷压缩机的尺寸可以减小 故液体过冷对单级蒸气压缩式制冷循环有益 67 获得一定的过冷度 在技术上是切实可行的 但同时要看到需要为此付出一定的经济代价 如冷凝而积增大 加装过冷器 回热器以及相关的深井 泵 管道和管件等附属设施 既增加了一次性设备投资也同时增大了运行管理费用 因此 是否采用过冷 采用哪种过冷方式 多大的过冷度均需从技术 经济两方面综合考虑 68 通常情况下 在小型制冷循环 尤其氟里昂制冷循环中 非常需要过冷 因为小型制冷系统通常未设置气液分离辅助设备 节流后的湿蒸气直接进入蒸发器 从lgp h图中可以看出 有过冷时 节流后制冷剂状态点较未过冷节流后制冷剂状态点的闪发性气体减少 从而减少了闪发性气体在蒸发器内占有的而积 另外 在制冷系统有多个蒸发器并联使用时 可减少供液不均的可能 69 2 蒸气过热对循环性能的影响 制冷剂蒸气的温度高于同一压力下饱和蒸气的温度称为过热 Superheat 两者温度之差称为过热度 Degreeofsuperheat 如压力0 1MPa 760mmHg 时 水蒸气对应的饱和温度是100 当压力不变 对水蒸气继续加热 使水蒸气温度上升至120 水蒸气过热 其过热度为20 70 实际循环中 压缩机吸入饱和状态的蒸气的情况是很少的 为了不将液满带入压缩机 通常制冷剂液体在蒸发器中完全蒸发后仍然要继续吸收一部分热量 这样 在它到达压缩机之前已处于过热状态1 2 3 4 1表示理论循环 1 2 3 4 1 表示具有蒸气过热的循环 71 压缩机的出口状态则由点1 的等熵线和冷凝压力的交点2 来确定过热循环的理论功为 3 16 3 17 3 18 循环增加的功 由制冷剂的T s图我们可以得到 在过热区 过热度越大 其等熵线的斜率越大 根据式 3 17 得 0 上式表明 系统的过热总会使理论比功增加 72 由lgp h图可以看出过热循环中压缩机的排气温度比理论循环的排气温度高过热循环的压缩功大于理论循环压缩功由于过热循环在过热过程中吸收了一部分热量 再加上压缩功又稍有增加 因此每公斤制冷剂在冷凝器中排出的热量较理论循环大相同压力下 温度升高时 过热蒸气的比体积要比饱和蒸气的比体积大 这意味着对每公斤制冷剂而言 将需要更大的压缩机容积 换句话说 对于给定的压缩机 过热循环中压缩机的制冷剂质量流负始终小于理论循环的质量流量 73 吸入过热蒸气对制冷量和制冷系数的影响取决于蒸气过程时吸收的热量是否产生有用的制冷效果以及过热度的大小 74 过热没有产生有用的制冷效果由蒸发器出来的低温制冷剂蒸气 在通过吸入管道进入压缩机之前 从周围环境中吸取热量而过热 但它并没有对被冷却物体产生任何制冷效应 这种过热习惯上称为 无效 过热对于无效过热 循环的单位制冷量和运行在相同冷凝温度和蒸发温度下的理论循环的单位制冷量是相等的 但出于蒸气比体积的增加而使单位容积制冷量减少 对给定压缩机而言 它将导致循环制冷量的降低 75 由于循环压缩功的增加 使得循环的制冷系数下降 无效过热制冷系数为制冷系数下降量为 3 19 3 20 76 由以上分析可知 无效过热对循环是不利的 故又称为有害过热蒸发温度越低 与环境温差越大 无效过热的影响越大循环经济性越差虽然可以通过在吸气管路上敷设隔热材料来减少这种影响 但毕竟不能完全消除 通常隔热材料的厚度以外表面不结露为准 由公式及可知 只要有K值存在 传热不可避免 77 过热本身产生有用的制冷效果如果吸入蒸气的过热发生在蒸发器本身的后部 或者发生在安装于被冷却室内的吸气管上 或者发生在两者皆有的情况下 那么 由于过热而吸收的热量来自被冷却空间 因而产生了有用的制冷效果 这种过热称为 有效 过热有效过热的单位制冷量为 3 21 3 22 单位制冷量增加值 78 有效过热制冷系数为制冷系数变化量为 3 24 3 23 79 有效过热使循环的单位制冷量有所增加 但由于吸入蒸气的比容也随吸入温度的增加而增加 故过热循环的单位容积制冷量可以增加 也可以减少 这与制冷剂本身的特性有关 有效过热循环的制冷系数是大于还是小于无过热循环的制冷系数由图可知 制冷系数的增加还是减少 仅仅与制冷剂的种类有关 而改变量的绝对值 几乎与过热度成正比 80 不管是有效过热还是无效过热 虽然一定的过热度对容积式压缩机的吸气效果会有所改善 也可避免吸入气体可能带液所导致的不利后果 但是 过热都将引起压缩机排气温度的增加 这一点对压缩机的工作是不利的 在实际操作过程中 即使采用象R502这样的制冷剂 也不要使过热度太大 81 例3 5两个单级蒸气压缩式制冷循环 其中一制冷循环为理论循环 另一制冷循环为过热循环 过热度 tgr 10 制冷量Qo 50kW 两个循环的冷凝温度tk均为40 蒸发温度to均为 5 在使用工质氨 R717 或丙烷 R290 作制冷剂时 试比较两个制冷循环的性能 82 83 84 实例计算显示 在使用制冷剂R717 R290的制冷循环中 有害过热没有使制冷循环的单位质量制冷量qo 质量流量发生变化 使理论比功wo增大 制冷循环的制冷系数 o减小 制冷压缩机的排气温度升高 使制冷循环的单位容积制冷量qv减小 制冷压缩机的实际输气量Gs 增大 所需制冷压缩机的尺寸增大 因此 有害过热对制冷循环无益 应尽量避免和减少有害过热 在使用制冷剂R717的制冷循环中 有效过热使制冷循环的单位质量制冷量qo增大 质量流量qm减小 理论比功wo增大 且理论比功的增值高于单位质量制冷量的增值 故制冷循环的制冷系数 o减小 制冷压缩机的排气温度升高 同时有效过热使制冷循环的单位容积制冷量qv减小 制冷压缩机的实际输气量qvs增大 所需制冷压缩机的尺寸增大 因此 有效过热对使用制冷剂R717的制冷循环无益 85 在使用制冷剂R290的制冷循环中 有效过热使制冷循环的单位质量制冷量qo增大 质量流量qm减小 理论比功wo增大 但理论比功的增值低于单位质量制冷量的增值 故制冷循环的制冷系数 o稍有增大 同时有效过热使制冷循环的单位容积制冷量qv增大 制冷压缩机的实际输气量qvs减小 所需制冷压缩机的尺寸减小 因此 有效过热对使用制冷剂R290的制冷循环有益 有效过热对制冷循环的影响视制冷剂不同而不同 86 通常实现过热的方法 设计时 考虑适当的过热度 如增大蒸发面积 中 大型氟制冷系统增加回热器 可以获得较大的过热度 同时可获得较大的过冷度 蒸发器与制冷压缩机之间的吸气管道通过环境状态 实际应用中 采用第一种过热方法较多 第二种过热方法只在氟制冷系统中采用 第三种方法属于有害过热 一般应避免一方面是过热循环普遍可以改善制冷循环的性质参数 另一方面是为了保护制冷压缩机一般规定 在使用R717制冷剂时 制冷压缩机的最高排气温度不能超过150 在使用R22制冷剂时 制冷压缩机的最高排气温度不能超过145 87 3 回热循环对制冷循环性能的影响 液体过冷对提高循环性能指标有好处 但要实现液体过冷 需要有温度更低的冷却介质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 具有回热的制冷循环 称为回热循环 Heataccumulationcycle 回热循环实质是在普通的制冷循环系统中增加了一个回热器 Regenerator 回热器又称气 液热交换器 是一个热交换设备 利用回热循环是实现较大回热要求的有效措施 这一措施在低温领域得到更广泛的应用回热循环适合在氟制冷系统中使用 88 回热循环 使冷凝器冷凝后的制冷剂液体先通过回热器再去节流阀 蒸发器吸热气化的制冷剂蒸气先通过回热器再去制冷压缩机 从而使节流阀前常温下的制冷剂液体与制冷压缩机吸入口前低温的制冷剂蒸气进行热交换 达到节流前的制冷剂液体过冷 制冷压缩机吸气过热的目的 89 90 回热器内液体过冷放出的热量应等于蒸气过热吸收的热量 其热平衡关系为 3 25 即 亦可表示为 式中 c 制冷剂液体的比热容 kJ kg K cp 制冷剂过热蒸气的定压比热容 kJ kg K 91 由于制冷剂液体的比热容始终大于制冷剂过热蒸气的比热容定压 即c cp因此t4 t 4 t 1 t1结论 在回热器内进行的气 液热交换过程中 蒸气温度的升高值始终大于液体温度的降低值 换句话说 经过回热器的热交换 制冷剂蒸气的过热度大于制冷剂液体的过冷度回热循环制冷量及制冷系数的改变量 与有效过热循环一样 92 是否采用回热循环 除了考虑制冷系数及单位容积制冷量是否提高以外 还应考虑下列一些因素 采用回热后 使节流前制冷剂成为过冷状态 可以在节流过程中减少气化 使节流机构工作稳定采用回热后 自蒸发器出来的气体流过回热器时压力有所降低 因而增大了压缩机的压比 引起压缩功的增大究竟在什么情况下采用回热循环 要综合上述因素 进行具体分析 93 在实际应用中 氟制冷循环适合使用回热器 因为氟制冷系统一般采用直接膨胀供液方式给蒸发器供液 为简化系统 一般不设气液分离装置 回热循环的过冷可使节流降压后的闪发性气体减少 从而使节流机构工作稳定 蒸发器的供液均匀在低温制冷装置中也使用回热器 这样做是为了避免吸气温度过低致使制冷压缩机汽缸外壁结霜 润滑条件恶化 同时减少节流后的闪发性气体对于制冷剂R113 R114和RC318等 由于其热力性质图的特殊性 制冷压缩机吸入饱和蒸气进行压缩时 其压缩过程线将进入两相区 为了保护制冷压缩机 宜采用过热或回热循环在小型氟制冷冷库中 也可以采用将制冷压缩机的吸气管与节流阀前的供液管捆绑在一起的简易做法 同样起到了回热器的作用 94 4 传热温差对制冷循环性能的影响 理论制冷循环中假设了在冷凝器 蒸发器中进行热交换时 被冷却对象 环境介质与制冷剂之间没有传热温差 即被冷却对象温度tC等于制冷剂的蒸发温度to 环境介质温度tH等于制冷剂的冷凝温度tk通常tH tC被称为热源温度 而to tk被称为制冷循环的工作温度实际制冷循环中 制冷剂与热源之间必须存在一个传热温差 被冷却对象温度tC必须大于制冷剂的蒸发温度to 环境介质温度tH必须低于制冷剂的冷凝温度tk 95 这种传热温差的存在对实际制冷循环有很大影响 但是它并不影响我们理论制冷循环的热力计算用于实际制冷循环 因为在理论制冷循环的热力计算中我们所采用的计算温度已经是蒸发温度和冷凝温度 并末考虑被冷却对象的温度和环境介质温度 因此 在这一温差传热方面 前述理论制冷循环的热力计算不用再修正 就可以直接用于实际制冷循环的热力计算传热温差的存在影响了制冷循环的效率 降低了制冷循环的制冷系数 使我们消耗同样的功率却制取不了同样的制冷量 96 例3 6某R22空调冷水机组总制冷量 300kW 制取的冷水温度7 冷却水温度26 制冷剂与热源传热温差分别取2 和7 系统无过冷和过热 试分别计算两种温差情况下的制冷系数及其它参数 97 98 制冷循环的工作温度及各点焓值如下 99 计算结果如下 100 结论 传热温差增大 在制取同样的制冷量时 制冷循环单位时间内的制冷剂流量将增加传热温差增大 在制取同样的制冷量时 制冷循环需要的制冷压缩机的尺寸将增加传热温差增大 在制取同样的制冷量时 制冷压缩机的耗功将增大传热温差增大 制冷效率降低 101 5 热交换及压力损失对制冷循环性能的影响 制冷剂在制冷设备和制冷管道中连续不断地流动 使制冷循环得以实现 形成制冷效应制冷剂沿制冷设备和制冷管道流动 将产生摩擦阻力和局部阻力损失 同时制冷剂还将或多或少地与外部环境进行热交换沿途的摩擦阻力和局部阻力损失 热交换对制冷循环有什么样的影响 实际制冷循环中需要采取哪些对应措施 102 吸入管道吸入管道指蒸发器出口至压缩机吸入口的管道吸入管道中的热交换和压力降直接影响到压缩机的吸入状态压力降使得吸气比容增大 压缩机的压缩比增大 单位容积制冷量减少 压缩机输气系数降低 比功增大 制冷系数下降 103 排出管道排气管道是指压缩机至冷凝器之间的管道压缩机的排气温度一般均高于环境温度 向环境空气传热能减少冷凝器热负荷管道中的压力降增加了压缩机的排气压力及比功 使得输气系数降低 制冷系数下降 104 液体管道指冷凝器到膨胀阀之间的液体管道热量通常由液体制冷剂传给周围空气 产生过冷效应 使制冷量增大如果冷凝温度低于环境空气温度 则会导致部分液体汽化 使制冷量下降 管路中的压力降会引起部分液体汽化 导致制冷量的降低引起管路中压力降的主要因素 并不在于流体与管壁之间的摩擦 而是在于液体流动高度的变化 因此希望由冷凝器的制冷剂液体带有一定的过冷度 避免因位差而出现汽化现象 105 两相管道指膨胀阀到蒸发器之间的管道热量的传递将使制冷量减少 管道中的压力降对性能没有影响如果系统中采用液体分配器 管道中的阻力大小将影响到液体制冷剂分配的均匀性 106 蒸发器如果假定不改变制冷剂出蒸发器时的状态 为了克服蒸发器中的流动阻力 必须提高制冷剂进蒸发器时的压力 温度 从而提高了蒸发过程中的平均蒸发温度 使传热温差减小 要求的传热面积增大 但对循环的性能没有什么影响如果假定不改变蒸发过程中的平均温度 则出蒸发器时制冷剂的压力应稍有降低 吸气比容增大 压缩比增加 将导致制冷量减少 制冷系数下降 107 冷凝器假定出冷凝器时制冷剂的压力不变 为了克服冷凝器中的流动阻力 必须提高进冷凝器时制冷剂的压力 必然导致压缩机排气压力升高 压缩比增大 压缩机耗功增大 制冷系数下降 108 压缩机在理论循环中 假定压缩过程为等熵过程实际上 整个压缩过程中 压缩指数是在不断地变化的由于压缩机气缸中有余隙容积存在 气体经过吸 排气阀及通道处 有热量交换及流动阻力 活塞与气缸壁间隙处会产生制冷剂泄漏等 这些因素都会使压缩机的输气量下降 功率消耗增大 109 110 压缩机的理论输气量Gh 4 D2 S n Z 3600压缩机的实际输气量Gs Gh损失因素气缸余隙容积气缸有泄漏现象运动机构的摩擦压缩机吸 排气压力损失制冷剂蒸气与气缸壁间的热交换输气系数 Gs Gh 111 6 不凝性气体对循环性能的影响 不凝性气体 Noncondensablegas 就是在冷凝压力下不能冷凝为液体的气体 如空气等 制冷系统中不凝性气体来源 系统检修时带入的空气 部分润滑油 制冷剂发生的分解 制冷压缩机负压时低压部分渗透进来的空气不凝性气体对系统的影响 使冷凝器内冷凝面积减少 冷凝压力升高 导致制冷压缩机排气压力 温度升高 理论比功增加 制冷系数下降 制冷量减少 空气中的水分会和氟里昂反应 生成酸对内部件危害很大在热力计算中由于无法统计且数量小 通常忽略不计 112 实际应用中采取以下措施减少不凝性气体的影响 小型家用空调 窗式空调除外 在安装时 靠室外机内原有的制冷剂压力排出连接管路中的不凝性气体中 大型冷库制冷系统中加装空气分离器 定期由空气分离器排出不凝性气体在一些中央空调系统中 由于使用的制冷机是在高真空度下工作 如溴化理吸收式制冷机 使用R11的离心式制冷机等 因此 在系统中加装抽气装置 及时抽出制冷机中的不凝性气体 维持制冷系统的高真空度在空分用离心压缩机组 R123 R134a 中设排气装置 其原理是 氟里昂与油互溶 而空气和油不溶 为了回收氟里昂 用油作溶剂 冷凝器顶部的空气和氟里昂蒸气由压力压入排气筒 在排气筒内 氟里昂蒸气遇冷却的盘管 冷凝成液滴溶入油中 而空气则聚集在排气筒顶部 当压力达到一定时 顶部电磁阀打开 把空气排到大气中 氟里昂和油一起回到油槽 113 7 实际制冷循环在压 焓图上的表示 4 1 表示制冷剂在蒸发器中的蒸发和压降过程1 1表示制冷剂蒸气在回热器中的加热和压降过程1 2s表示压缩机偏离等熵压缩的多方压缩过程 其中1 2为等熵线 2s 2s 表示压缩机经过排气阀的压降过程2s 3表示制冷剂在冷凝器中的冷却 冷凝和压降过程3 3 表示制冷剂液体在回热器中的冷却和压降过程3 4表示制冷剂的非绝热节流过程 114 8 实际制冷循环的性能指标及热力计算 实际制冷循环的热力计算一般分为设计设计算和校核性计算两类设计性计算的目的是根据需要设计的制冷系统 按工况要求计算出实际制冷循环的性能指标 制冷压缩机的理论输气量 轴功率 冷凝器和蒸发器等热交换设备的热负荷 为设计或选择制冷压缩机 热交换设备提供理论依据校核性计算的目的是根据已有的制冷压缩机 热交换设备型号 校核它能否满足预定的制冷系统的要求 115 单级蒸气压缩式实际制冷循环的热力计算步骤 根据需要的制冷系统的使用性质 场合等 确定所需要的制冷剂和制冷循环形式 确定制冷循环的工作参数 蒸发温度to 蒸发温度的确定取决于被冷却对象的低温要求 制冷剂与被冷却对象之间的传热温差 蒸发器形式以及所采用的冷却方式 一般直接冷却 制冷剂与被冷却对象之间的传热温差 t 7 10 间接冷却方式 制冷剂与载冷剂之间的传热温差 t 2 8 冷凝温度tk 冷凝温度的确定取决于制冷系统所处地的当地气象 水文条件及冷凝器型式 一般取8 15 过热度 tgr 对于用氟里昂作制冷剂的制冷循环 过热度 tgr 15 根据已确定的制冷剂 制冷循环型式和制冷循环的工作温度 在对应制冷剂的热力性质图中绘出制冷循环的lgp h图 并由热力性质表及lgp h图确定各状态点的状态参数 进行计算 116 忽略换热器中的微小压力变化冷凝温度和蒸发温度均为定值将压缩机内部过程简化成一个从吸气压力到排气压力的有损失的简单压缩过程节流过程仍认为是前后焓值不变的过程简化后的图中 1 2 2s 3 4 5 0 1 其中1 2是实际的压缩过程 1 2s是理论的等熵压缩过程线 117 单位制冷量 式中 Qo 制冷量 通常由设计任务给出 或通过热负荷计算出 3 26 3 27 3 28 3 29 理论比功 单位容积制冷量 118 制冷压缩机的容积流量 3 30 3 31 压缩机理论功率 其中 输气系数 119 压缩机消耗的单位功 称单位指示功 式中 压缩机指示效率 Indicatedefficiency 它被定义为等熵压缩过程耗功量与实际压缩过程耗功量之比 是指压缩机在压缩过程中偏离等熵过程的程度 压缩机实际排气状态焓值 3 32 由式 3 32 求得 3 33 上式表明在给出指示效率的前提下 可计算出压缩机实际压缩后的状态点 120 压缩机指示功率 3 34 轴功 消耗在压缩机轴上的功 3 35 式中 m 机械效率 考虑到压缩机克服运动部件的摩擦力 通常 0 8 0 9 k 压缩机的轴效率 如果选择电机还需要乘上电机效率 总效率 Overallefficiency 121 轴功率 3 36 制冷系数 3 38 式中 s 实际循环制冷系数 也称作COP值 Coefficientofperformance 或单位轴功率制冷量 压缩机每消耗单位轴功率所能得到的制冷量 对于全封闭压缩机也可称作能效比 EER 122 热力完善度 3 39 3 40 3 41 3 42 单位冷凝热 冷凝器热负荷 回热器热负荷 123 例3 7某单级蒸气压缩式制冷循环用于空调冷水机组 制冷量330kW 环境介质温度tH 28 空调冷水机组出水温度 即低温介质温度 tL 7 如果分别用R134a R22作制冷剂 试进行制冷循环的热力计算 计算中可取蒸发温度换热温差 to 2 冷凝温度换热温差 tk 5 无过冷 过热度 压缩机的输气系数 0 65 指示效率 i 0 86 机械效率 m 0 90 124 125 126 127 128 实例计算显示 制冷循环在制取相同的制冷量Qo 330kW 运行在相同的工作温度 t0 5 tk 5 的情况下 使用工质R134a R22的热力计算值有着较大的差别 下面就计算结果进行分析 R22单位质量制冷量比R134a大7 2 即相同的蒸发温度时 1kgR22的气化潜热高于R134a R22的质量流量比R134a小7 2 这是由于制冷剂的性质不同而引起的结果的较大差异 它最终将影响实际制冷系统的规模R22的单位容积制冷量比R134a大54 71 即相同的蒸发温度时 1m3R22蒸气带走的热量是R134a蒸气的1 5倍左右 导致的结果是制冷循环压缩机理论输气量相差1 5倍 即意味着实际制冷系统中如果使用制冷剂R22 需要2台制冷压缩机 而使用制冷剂R134a时 则需要同样尺寸的制冷压缩机3台 而且制冷剂的单位容积制冷量将影响制冷循环的压缩机尺寸 129 R22理论比功比R134a大8 2 R22的轴功比R134a大8 16 可R22的质量流量比R134a小7 2 反映在理论功率 轴功率方面相差无几 因此制冷循环理论比功大 并不意味着制冷循环消耗的理论功率 轴功率就大 但是 理论比功大对制冷循环仍然有不利的影响 它将导致制冷循环压缩机的排气温度升高R22和R134a系统热力完善度 冷凝器热负荷相差无几 130 3 1 3单级蒸气压缩式制冷机的性能及工况 通过对理想的制冷循环的分析 理想的制冷循环效率最高 但是不能实现 它的作用是为改善制冷循环指明方向 即在满足被冷却对象要求的情况下 尽可能提高被冷却对象温度tC 降低环境介质温度tH 从而提高制冷循环效率分析了存在传热温差的实际制冷循环 传热温差 to tk的大小直接影响着实际制冷循环的效率 传热温差越大 实际制冷循环的效率就越低 因此 需要确定适当的传热温差 既保证制冷循环的效率 又保证热交换器蒸发器 冷凝器适合的体积 1 单级蒸气压缩式制冷机的性能 131 以上的分析对于实际制冷循环的指导意义是 为具体的制冷对象设计制冷系统 选择制冷设备 进行制冷循环的热力计算时 需要认真 谨慎地确定以下参数 被冷却对象温度tC 环境介质温度tH和它们与制冷剂的传热温差 to tk对于一个设计 选型完毕 已经投入运行的实际制冷循环 该制冷循环在运行过程中性能Qo Po的影响因素 以及提高实际制冷循环的效率的措施是这一节讨论的重点为了方便表示 仍然以理论制冷循环为分析对象 分析制冷循环性能Qo Po的变化规律 分析所得结论同样适用于实际制冷循环 132 已知理论制冷循环的制冷量Qo及功率Po 根据公式 3 30 和 3 31 可以分别用下式表示 式中 wov 制冷压缩机的比体积功 kJ m3 表示压缩机压缩每立方米吸气状态下的蒸气所消耗的理论功 3 43 3 44 133 由于制冷循环是确定的 因此制冷循环中的制冷压缩机也是确定的 公式中的制冷压缩机的理论输气量Gh即为定值 在忽略输气系数 变化的情况下 制冷循环的制冷量和消耗的功率仅与制冷循环的热力性质单位制冷量qo 理论比功wo和吸气状态比容v1有关图中点1 点3变化 将使制冷循环的热力性质 单位质量制冷量qo 理论比功wo 制冷压缩机的吸气比体积v1均发生变化 而能够使1 3点变化的是确定它们的参数 蒸发温度to和冷凝温度tk 蒸发温度 冷凝温度是直接影响制冷循环性能Qo和Po的因素 134 蒸发温度对循环性能的影响在分析蒸发温度对制冷循环性能的影响时 假定冷凝温度不变当蒸发温度由to降低至tk时 制冷循环由原制冷循环1 2 3 4 1变为现制冷循环1 2 3 4 1 135 制冷量Qo原制冷循环现制冷循环单位制冷量吸气状态比容v1v 1 且v1 v 1制冷量 136 结论 蒸发温度降低 制冷循环性能变差 制冷量减少 即制冷压缩机已经不能制取原来的制冷量 反之 制冷循环性能变好 制冷量增大 从式的计算公式可看出 蒸发温度对制冷量的影响是双重的 蒸发温度降低 导致单位制冷量下降 压缩机吸入点比容增大 制冷量将快速下降 因此在制冷循环应用中 应对蒸发温度予以高度重视 137 压缩机功率Po原制冷循环现制冷循环单位比功吸气状态比容v1v 1 且v1 v 1压缩机功率 由上面的公式分析可以看出 制冷循环的蒸发温度降低 制冷压缩机所消耗功率Po的变化是不确定的 138 近似地将被压缩的制冷剂蒸气视为理想蒸气 因此加压压缩时 比体积功可表示为由上式可以看出 当po pk时 wov 0当po 0时 wov 0在此之间必定有一最大值 139 结论 蒸发温度变化时 压缩机的轴功率是增加还是变小 是一个比较复杂的问题 同制冷机的工作温度和工作压力有关 热力学分析和计算指明 对于各种制冷剂 大约是压力比pk po 3时 压缩机的轴功率达到最大值 这一结论说明 对于任一种制冷剂 在冷凝温