蒸气压缩式制冷的热力学原理.ppt

第一章蒸气压缩式制冷的热力学原理 液体气化制冷原理 气化 液体转变为气体的物态变化称为气化 蒸发和沸腾 气化时需吸收气化潜热 气化潜热 1kg液体气化时所吸收的热量 液体气化制冷原理 液体的压力不同 其饱和温度 即沸点 也不同 压力越低 沸点越低 如氨在0 1MPa压力下 其沸点为 33 4 0 5MPa压力下 其沸点为4 只要创造一定的低压条件 利用液体的气化就可能获得所需要的低温 液体气化制冷的工作过程 四大部件 压缩机 蒸气压缩冷凝器 放热冷凝节流阀 节流降压蒸发器 吸热蒸发 一 逆卡诺循环逆卡诺循环 在两个恒温热源之间进行的理想循环 第一节理想制冷循环 一 逆卡诺循环 T S图 1 2 等熵压缩T0 Tk 耗功wc2 3 等温压缩放热qk Tk sa sb 3 4 等熵膨胀Tk T0 做功we4 1 等温膨胀吸热q0 T0 sa sb 逆卡诺循环结果每一制冷循环 1kg制冷剂 循环净耗功量为 制冷循环性能指标 制冷系数 的定义 单位耗功量所获取的冷量 制冷循环性能指标 对于逆卡诺循环 制冷系数 c 大小只取决于两个热源的温度 T0 或Tk c 在实际制冷系统中 制冷系数又称为性能系数 用符号COP表示 制冷循环的热力完善度 热力完善度是表征实际制冷循环接近理想循环的程度蒸气压缩式 计算制冷效率或热力完善度时 必须 1 计算实际制冷循环的制冷系数或热力系数 2 计算理想循环的制冷系数或热力系数 3 计算制冷效率或热力完善度 制冷系数与热力完善度比较 制冷系数 和热力完善度 都是反映实际制冷循环经济性的指标 但二者的含义不同 只是从能量转换的角度 反映制冷循环中收益能与补偿能在数量上的比值 不涉及二者的能量品位 同时考虑了能量转换的数量关系和实际循环中的不可逆程度的影响 的数值可能大于1 小于1或等于1 始终小于1 制冷系数与热力完善度比较 用 值的大小来比较两台实际制冷机的循环经济性时 必须是同类制冷机 并以相同热源条件为前提才具有可比性 用 作评价指标 使任意两台制冷机在循环的热力学经济性方面具有可比性 无论它们是否同类机 也无论它们的热源条件相同或是不同 有温差传热的逆卡诺循环 逆卡诺循环 热泵 用于供热 性能指标为供热系数 供热系数 单位耗功量所获取的热量 用于供热 供热量永远大于所消耗的功量 二 劳仑兹循环 在实际的制冷系统中 制冷过程中冷热源的温度通常是变化的 劳仑兹循环 LorenzCycle 是在两个变温热源之间进行的理想循环 a b 等熵压缩b c 变温压缩c d 等熵膨胀d a 变温膨胀 T S图 二 劳仑兹循环 1kg制冷剂 从被冷却介质吸收的热量为 向热源放出的热量为 制冷系数为 劳仑兹循环可以处理为平均放热温度 平均吸热温度的逆卡诺循环 变温热源时的逆向可逆循环 洛伦兹循环 第二节蒸汽压缩式制冷的理论循环 为了便于应用热力学理论对蒸汽制冷机的实际过程进行分析 提出了理论循环 理论循环忽略了制冷机在实际运行中的一些复杂因素 将循环加以简化抽象 理论循环是今后研究实际制冷循环的基础 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 理论循环是一些假设 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 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 第二节蒸汽压缩式制冷的理论循环 逆卡诺循环的关键是两个等温过程 利用纯工质或共沸工质的定压蒸发和冷凝实现 循环在湿蒸气区进行 实际循环却是两个定压 一个绝热压缩 一个绝热节流过程 1 逆卡诺循环的局限 膨胀机的经济性液态制冷剂的比容变化很小 因而可以利用的膨胀功十分有限 膨胀机的尺寸小 因而摩擦损失相对较大 干压缩代替了湿压缩 压缩机吸气状态为干饱和或过热蒸汽 节流阀代替了膨胀机简化了设备 但损失了膨胀功 并造成节流损失 2 蒸气压缩式制冷工作过程 压缩机 等熵压缩 冷凝器 等压放热 节流阀 绝热节流 蒸发器 等压吸热 压缩制冷理论循环组成 3 理论循环与逆卡诺循环的对比分析 蒸气压缩式制冷的理论循环的T s图 1 节流阀代替膨胀机1kg制冷剂损失的膨胀功 节流过程的不可逆损失 采用节流阀代替了膨胀机 一方面损失了膨胀功 另一方面产生了无益气化 降低了制冷能力 导致制冷系数有所下降 其降低的程度 称为节流损失 蒸气压缩式制冷的理论循环的T s图 2 干压缩代替湿压缩1kg制冷剂增加的制冷量 压缩功增加 采用干压缩代替了湿压缩 一方面增加了制冷量 但另一方面压缩机功耗也增加 导致制冷系数亦有所下降 其降低的程度 称为过热损失 湿压缩的缺点 湿蒸气进入压缩机与壁面热交换后 占据容积 使得制冷剂质量流量减少 制冷量下降 过多液态制冷剂进入压缩机 造成液击 影响润滑 损害压缩机 避免湿压缩的方法在蒸发器出口增设气液分离器 调节膨胀阀的开度 控制压缩机入口制冷剂蒸气的过热度 制冷循环的分析工具 lgp h图和T s图1点 2线 3区6等值线分析与计算工具 T S图 一点 二线 三区 五态 六等值线 二 蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算 1 压焓图 莫里尔图 的应用1 1压焓图作用确定状态参数表示热力过程分析能量变化 二 蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算 等压线 水平线等焓线 垂直线等干度线 湿蒸气区域内等熵线 向右上方倾斜等容线 向右上方倾斜等温线 垂直线 过冷区 水平线 湿蒸汽区 向右下方弯曲 过热蒸气区 1 2怎样看压焓图 一点 2线 3区 6等值线 R22的P h图 R134a的P h图 R600a的P h图 理论循环在T s图和lnP h图上表示 理论循环在T s图 a 和lnp h图 b 上的表示 1 3蒸气压缩式制冷理论循环压焓图上的表示 二 蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算 根据确定的蒸发温度 冷凝温度 压缩机的吸气温度及液态制冷剂的再冷度等已知条件 计算以下各参数 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量q0 1kg制冷剂在蒸发器中蒸发从被冷却介质吸收的热量 q0 h1 h4 h1 h3 kJ kg 2 单位容积制冷量qv 压缩机每吸入1m3制冷剂蒸汽 按吸气状态计 在蒸发器中所产生的制冷量 qv q0 v1 h1 h4 v1 kJ m3v1为制冷剂的比容 3 制冷剂的制冷流量Mr和体积流量Vr 二 蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算 式中 0为制冷系统的制冷功率 制冷量 kW 二 蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算 4 冷凝器的冷凝负荷 k 制冷剂在冷凝器中冷却 冷凝过程中放出的热量 qk h2 h3 k Mr h2 h3 5 压缩机的理论耗功率Pth w h2 h1 二 蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算 6 理论制冷系数 th 1kg制冷剂单位耗功量的制冷量 7 制冷效率 R 理论制冷循环制冷系数与理想制冷循环制冷系数之比 二 蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算 3 蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算举例 例1 某空气调节系统需制冷量20kW 采用氨压缩式制冷 蒸发温度t0 4 C 冷凝温度tk 40 C 无再冷 并且压缩机入口为饱和蒸气 试进行理论循环的的热力计算 解 1 绘出理论循环的压焓图 2 根据氨的热力性质表 p235 查处于饱和线上的有关参数值 3 计算状态点4的参数值 4 根据压焓图确定状态点4的参数值 5 进行热力计算 状态点4的参数值计算 h4 xh1 1 x h4 v4 x4v1 1 x4 v4 v4 v4 x4 v1 v4 单位质量制冷能力 单位容积制冷能力 制冷剂质量流量 制冷剂体积流量 冷凝器热负荷 压缩机理论耗功率 理论制冷系数 制冷效率 例1 1 1 2 1 3P9 11 第三节蒸气压缩式制冷循环的改善 制冷循环演变思想 理想循环 逆卡诺循环 劳仑兹循环两个等温过程 两个等压过程循环位于气液两相区理论循环膨胀机 膨胀阀湿压缩 干压缩无温差传热 温差传热循环的改善根据不同的目的改善制冷循环实际循环 存在各种损失 节流过程带来的节流损失 干压缩所产生的过热损失 蒸气压缩式制冷理论循环的两种损失 一 膨胀阀前液态制冷剂再冷却 液体再 过 冷 从冷凝器出来的液态制冷剂的温度低于其压力对应的饱和温度 再 过 冷度 液体过冷后的温度与其压力对应的饱和温度的差值 再 过 冷循环 具有液体过冷的制冷循环称之为再 过 冷循环 改善制冷循环的措施 过冷的手段 设置过冷器 增大冷凝器面积 程度有限 回热循环 注意回热不一定能改善制冷循环COP 与制冷剂种类有关 一 膨胀阀前液态制冷剂再冷却 1 设置再冷却器的蒸气压缩式制冷循环 理论循环 节流前制冷剂饱和液体的过冷 节流后5点的干度大小直接影响了q0的大小 改进方法 1 改善节流过程 使之更接近等熵过程 2 液体过冷 2 回热对蒸气压缩式制冷性能的影响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 一 膨胀阀前液态制冷剂再冷却 采用回热循环 一方面可使液态制冷剂再冷 单位质量制冷功率增加 q0 h4 h4 4bb 4 4 压缩机的压缩功增加 Wc h2 h1 h2 h1 2 1 122 制冷系数是否提高 取决与制冷剂的热物理性质 一般说来 对于节流损失大的制冷剂 如氟利昂R12 R134a等回热有利 而对于制冷剂氨则不利 有效过热和有害过热 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前从周围环境吸取热量而过热 但它并没有对被冷却物体产生任何制冷效应 这种过热称为有害过热或无效过热 吸入蒸气的过热过程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道上 或者发生在二者皆有的情况下 那么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 过热度对排气温度的影响 有效过热的过热度对制冷系数的影响 二 回收膨胀功 1 使用膨胀机的蒸气压缩式制冷循环对于大容量制冷装置 一方面 由于膨胀机的容量较大 不会出现因机件过小导致加工方面的困难 另一方面 可回收的膨胀功相对较大 因此 采用膨胀机回收膨胀功可节省常规能源 提高制冷系数 二 回收膨胀功 工作流程 理论循环 二 回收膨胀功 输出有用的膨胀功 压缩机压缩功减少 单位质量制冷量增加 理论制冷系数提高 三 多级压缩式制冷循环 当压缩机的压缩比较大时 压缩机的排气温度相应较高 因而过热损失及压缩机功耗均较大 为减少过热损失及降低压缩机功耗 可采用具有中间冷却的多级压缩制冷循环 三 多级压缩式制冷循环 多级压缩式制冷循环的应用场合 压缩比较高 通常pk p0大于8 离心式或螺杆式制冷压缩机 可以比较方便的进行中间抽气 如空调用螺杆冷水机组 多级压缩式制冷循环的两种形式闪发蒸气分离器 经济器 中间冷却器 1 带闪发蒸气分离器的双级压缩制冷 工作流程 理论循环 闪发蒸气分离器对制冷性能的影响 采用闪发蒸气分离器 减少了一级压缩的制冷剂流量 采用闪发蒸气分离器 降低了二级压缩机进口的蒸气温度和比容 采用闪发蒸气分离器可有效降低压缩机的功耗 故闪发蒸气分离器也称之为经济器 二 中间冷却器 闪发蒸气分离器利用节流闪发出的制冷剂蒸气与经过一级压缩后的高温制冷剂蒸气混合 混合后的制冷剂蒸气仍为过热蒸气 因此称之为不完全冷却 不适合过热损失较大的制冷剂 如氨等 中间冷却器利用节流后的制冷剂可充分冷却经过一级压缩后的高温制冷剂蒸气 使其冷却至饱和蒸气状态 中间冷却器可设有液体冷却盘管 使来自冷凝器的高压液体获得较大的再冷度 既有节能作用 又有利于制冷系统稳定运行 一次节流完全中间冷却的双级压缩制冷 理论循环 工作流程 一次节流中间不完全冷却的双级压缩制冷 理论循环 工作流程 双级蒸气压缩式制冷的中间压力选取原则 以获取最大制冷系数的中间压力为原则 以这种原则确定的中间压力称之为最佳中间压力 在工程设计时 可通过选择几个中间压力进行试算以确定最优值 以高低压缩机压缩比相等为原则 虽然制冷系数不是最大 但压缩机气缸工作容积的利用程度高 较实用 双级压缩式制冷制冷剂质量流量的确定 对于一次节流完全中间冷却制冷量为 0双级压缩制冷循环 低压级压缩机的制冷剂流量Mr1 高压级压缩机的制冷剂流量Mr 在中间冷却器中 来自膨胀阀1的制冷剂 一方面使来自低压压缩机的排气冷却至饱和蒸气状态 另一方面使膨胀阀2前的液态制冷剂由状态5再冷却至状态7 中间冷却器的能量方程为 三 多级压缩式制冷循环 高压级压缩机的制冷剂流量Mr 三 多级压缩式制冷循环 对于一次节流不完全中间冷却制冷量为 0双级压缩制冷循环 状态3 由状态2和状态3 混合而来 的比焓h3 中间冷却器的能量方程为 高压级压缩机的制冷剂流量Mr 三 多级压缩式制冷循环 热力计算 质量守恒 能量守恒方程是基础 三 多级压缩式制冷循环 例题2 如下图所示 系统需制冷量20kW 制冷剂采用R134a 蒸发温度t0 4 C 冷凝温度tk 40 C 试进行理论循环的的热力计算 P18 三 多级压缩式制冷循环 解 1 确定该制冷循环的中间压力Pm 2 绘出理论循环的压焓图 3 根据其热力性质表查处于饱和线上的有关参数值 4 计算状态点2 6 8的参数值 状态2 由2 3混合而来 5 根据压焓图确定其余点的状态参数值 6 进行热力计算 三 多级压缩式制冷循环 单位质量制冷能力 单位容积制冷能力 三 多级压缩式制冷循环 低压级制冷剂质量流量 低压级压缩机制冷剂体积流量 高压级压缩机制冷剂质量流量 高压级压缩机制冷剂体积流量 三 多级压缩式制冷循环 冷凝器的热负荷 压缩机理论耗功率 理论制冷系数 热力完善度 与课本例1 2对比 在相同的制冷能力条件下 带闪发蒸气分离器的双级压缩式制冷循环 制冷剂质量流量稍有减少 压缩机排气温度降低 冷凝器热负荷下降 理论制冷系数提高 达9 四 复叠式制冷循环 对于采用氨 R22等中温制冷剂的压缩式制冷系统 即使采用多级压缩 但能够到达的最低蒸发温度仍有一定的局限 蒸发温度必须高于制冷剂的凝固点如 氨的凝固点为 77 7 C 四 复叠式制冷循环 制冷剂的蒸发温度过低 蒸发压力也很低 当蒸发压力低于0 1 0 15bar时 外界空气易渗入系统 严重影响系统的正常运行 如 氨在蒸发温度为 65 C时 pk 0 156bar 蒸发压力很低时 制冷剂气态比容很大 单位容积制冷功率很小 要求压缩机的体积流量很大 为获得 60 70 C的低温 需采用低温制冷剂 凝固点低 沸点也很低 如R13 R14等 R13的凝固点为 181 C 沸点为 81 4 C R14的凝固点为 184 9 C 沸点为 127 9 C 但这类制冷剂的临界温度很低 采用一般冷却水 存在以下局限 由于水温接近其临界温度 使气态制冷剂难以冷凝 即使冷凝 由于接近临界点 不但冷凝压力高 而且比潜热小 因而制冷效率也很低 为降低冷凝温度 需采用另一台制冷装置为其冷凝器提供冷源 与之联合运行 所谓的复叠式制冷循环 四 复叠式制冷循环的工作流程及理论循环 工作流程 理论循环 四 复叠式制冷循环的特点 两台制冷机联合运行 高温级制冷机的蒸发器为低温级制冷机的冷凝器提供冷源 为确保低温级的所需冷凝温度 高温级制冷机的蒸发温度需低于低温级冷凝温度3 5 C 复叠式制冷循环既保留了中 低温制冷剂各自的优点 又克服了它们不足 使制取很低的温度成为可能 深冷 改善制冷循环的措施小结 提高能效比COP高压液体的过冷 再冷 多级压缩双级压缩 经济器回收膨胀功 采用膨胀机 非共沸制冷剂降低制冷温度双级压缩复叠式 第四节跨临界制冷循环 亚临界循环 对于高温与中温制冷剂 在普通制冷范围内 制冷循环的冷凝压力远低于制冷剂的临界压力 称之为亚临界循环 为目前制冷 空调领域广泛应用的循环形式 基本概念 跨临界循环 一些低温制冷剂在普通制冷范围内 利用冷却水或室外空气作为冷却介质时 压缩机的排气压力位于临界压力之上 而蒸发压力位于临界压力之下 此类循环称之为跨临界循环 在1930年以前 采用CO2 R744 制冷剂的跨临界制冷循环在船用及民用制冷领域曾作出过重要的贡献 其主要缺陷在于压缩机的工作压力很高 材料耗费严重 安全性较差 1931年 以R12为代表的氟里昂制冷剂一经开发 以其无毒 不燃 不爆炸 无刺激性 适中的压力及较高的制冷效率等优点 很快取代了CO2 R744 在安全制冷剂方面的地位 1990年代以后 由于氟利昂对环境的破坏作用 开始积极寻找无污染的替代制冷剂 CO2被人为是最具潜力的长期替代物 第四节跨临界制冷循环 1 CO2跨临界制冷循环 CO2跨临界循环仍属于蒸气压缩式制冷循环的范畴 其循环原理及压焓图如下图所示 循环原理图 压焓图 第四节跨临界制冷循环 CO2跨临界制冷循环与常规亚临界循环的异同 与亚临界循环相同 蒸发温度亦低于临界温度 吸热过程在亚临界条件下进行 主要依靠液体蒸发来完成 压缩机排气压力却高于临界压力 制冷剂蒸气在超临界区定压放热 与常规亚临界状态下的冷凝过程不同 换热过程依靠显热交换来完成 此时高压端热交换器不再称为冷凝器 而称之为气体冷却器 跨临界制冷循环的热力计算与常规亚临界制冷循环完全相同 目前制冷 空调 热泵热水器等设备若采用CO2为制冷剂 基本上都采用跨临界制冷循环方式 CO2跨临界制冷循环的改善课后自学 蒸气压缩式制冷实际循环的特点 与理论循环相比 第五节蒸气压缩式制冷的实际循环 压缩机内为非绝热 与外界存在热交换 可逆 气体内部及气体与气缸壁存在摩擦损失 过程 压缩机进 排气阀存在节流损失 蒸发器及冷凝器内存在传热温差 存在压缩机吸气过热和膨胀阀前制冷剂液体过冷 系统存在制冷剂流动损失 系统内存在不凝性气体 一 实际循环过程分析 过程线1 2 3 4 1所组成的循环表示蒸发压力为P0 冷凝压力为Pk的蒸气压缩式理论循环 过程线1 1 a b c c d 2 3 4 1 表示蒸发器入口压力仍为P0 冷凝器出口压力仍为Pk 并考虑再冷与过热的蒸气压缩式实际循环 蒸气压缩式制冷的实际循环 第五节蒸气压缩式制冷的实际循环 1 过程线1 1 来自蒸发器的低压饱和或过热制冷剂蒸气 经管道流至压缩机 由于存在摩擦阻力 局部阻力 使得制冷剂压力稍有下降 并吸收外部环境的热量 温度有所上升 2 过程线1 a 低压制冷剂蒸气 流经压缩机吸气阀时被节流 压力下降至Pa 温度略有下降 3 过程线a b 低温低压制冷剂蒸气进入气缸的过程 吸收气缸热量 温度有所上升 压力仍为Pa 第五节蒸气压缩式制冷的实际循环 4 过程线b c 制冷剂蒸气在压缩机中的实际压缩过程 压缩初期 由于蒸气温度低于气缸壁温度 且制冷剂内部以及与气缸壁之间有摩擦 为不可逆吸热压缩 比熵增加 蒸气温度高于气缸壁温度时 变为不可逆放热压缩直至压力升至P2 5 过程线c c 压缩后的高温制冷剂蒸气流经气缸头部时被冷却 比熵减少 6 过程线c d 高温制冷剂蒸气流经压缩机排气阀时被节流 比焓基本不变 压力有所下降 第五节蒸气压缩式制冷的实际循环 7 过程线d 2 制冷剂从压缩机出口至冷凝器入口的过程 由于流动阻力及热交换存在 制冷剂压力及温度均有所下降 8 过程线2 3 制冷剂蒸气冷凝过程 由于摩擦和涡流存在 冷凝并非等压过程 根据冷凝器形式的不同 压力有不同程度的下降 出口还有一定的再冷度 9 过程线3 4 制冷剂节流过程 比焓基本不变 比熵增加 10 过程线4 1 制冷剂蒸发过程 由于摩擦和涡流存在压力有所下降 二 实际循环的制冷性能 在实际循环中 如果蒸发器入口处的压力仍为P0 冷凝器出口处的压力仍为Pk 与理论循环相比 实际循环的平均冷凝压力有所升高 实际循环的平均蒸发压力有所降低 保留实际制冷循环主要特征抽象出的压焓图如下图所示 图中1 2 3 4 1为理论循环 1 2 3 4 1 为实际循环 蒸气压缩式制冷实际循环的lgP h图 第五节蒸气压缩式制冷的实际循环 实际循环的热力计算 容积效率 v 压缩机实际输气量Vr与理论输气量Vh之比 压缩机的实际输气量 理论输气量与压缩机的结构参数及转速有关 而与制冷剂的种类及工况条件无关 对于确定的压缩机而言 理论输气量为一定值 第五节蒸气压