设备管理_制冷原理与设备课件

制冷原理与设备 单级蒸气压缩式制冷循环 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 1 单级蒸气压缩式制冷理论循环 2 单级蒸气压缩式制冷实际循环 3 单机蒸气压缩式制冷机的性能及工况 4 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 引课1制冷循环系统的基本组成2制冷循环过程3制冷系统各部件的主要用途4制冷剂的变化过程小结作业 1 1单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 日常生活中我们都有这样的疑问 怎样才能制冷呢 一 制冷循环系统的基本组成 利用制冷剂由液体状态汽化为蒸气状态过程中吸收热量 被冷却介质因失去热量而降低温度 达到制冷的目的 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 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 利用制冷剂液体在汽化 蒸发 时产生的吸热效应 达到制冷目的 蒸气压缩式制冷循环 根据实际应用有单级 多级 复叠式等循环之分 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 根据蒸气压缩式制冷原理构成的单级蒸气压缩式制冷循环系统 是由不同直径的管道和在其中制冷剂会发生不同状态变化的部件组成 串接成一个封闭的循环回路 在系统回路中装入制冷剂 制冷剂在这个循环回路中能够不停地循环流动 即称为制冷循环系统 制冷剂在流经制冷循环系统的各相关部位 将发生由液态变为气态 再由气态变为液态的重复性的不断变化 利用制冷剂汽化时吸收其他物质的热量 冷凝时向其他介质放出热量的性质 当制冷剂汽化吸热时 某物质必然放出热量而使其温度下降 这样就达到了制冷的目的 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 制冷剂 制冷剂在变为蒸气之后 需要对它进行压缩 冷凝 继而进行再次汽化吸热 对制冷剂蒸气只进行一次压缩 称为蒸气单级压缩 单级蒸气压缩式制冷 单级蒸气压缩式制冷系统由压缩机 冷凝器 膨胀阀和蒸发器组成 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 二 制冷循环过程 制冷压缩机由原动机如电机拖动而工作 不断地抽吸蒸发器中的制冷剂蒸气 压缩成高压 过热蒸气而排出并送入冷凝器 正是由于这一高压存在 使制冷剂蒸气在冷凝器中放出热量 把热量传递给周围的环境介质 水或空气 从而使制冷剂蒸气冷凝成液体 制冷剂蒸气压缩冷凝成液体放出热量 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 冷凝后的制冷剂流经节流元件进入蒸发器 从入口端的高压pk降低到低压p0 从高温tk降低到t0 并出现少量液体汽化变为蒸气 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 制冷剂液体流入蒸发器后 在蒸发器中吸收热量而沸腾汽化 逐渐变为蒸气 在汽化过程中 制冷剂从被冷却介质中吸收所需要的汽化热 被冷却介质由于失去热量而温度降低 实现了制冷的目的 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 三 制冷系统各部件的主要用途 1 制冷压缩机制冷压缩机是制冷循环的动力 它由原动机如电机拖动而工作 它除了及时抽出蒸发器内蒸气 维持低温低压外 将低温低压制冷剂蒸气压缩至高温高压状态 以便能用常温的空气或水作冷却介质来冷凝制冷剂蒸气 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 2 冷凝器冷凝器是一个热交换设备 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 冷凝器向冷却介质散发热量的多少 与冷凝器的面积大小成正比 与制冷剂蒸气温度和冷却介质温度之间的温度差成正比 所以 要散发一定的热量 就需要足够大的冷凝器面积 也需要一定的换热温度差 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 3 节流元件高压常温的制冷剂液体不能直接送入低温低压的蒸发器 根据饱和压力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 节流元件 得到低温低压制冷剂 再送入蒸发器吸热汽化 目前 蒸气压缩式制冷系统中常用的节流元件有膨胀阀和毛细管 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 4 蒸发器蒸发器也是一个热交换设备 节流后的低温低压制冷剂液体在其内蒸发 沸腾 变为蒸气 吸收被冷却介质的热量 使被冷却介质温度下降 达到制冷的目的 蒸发器吸收热量的多少与蒸发器的面积大小成正比 与制冷剂的蒸发温度和被冷却介质温度之间的温度差成正比 当然 也与蒸发器内液体制冷剂的多少有关 所以 蒸发器要吸收一定的热量 就需要与之相匹配的蒸发器面积 也需要一定的换热温度差 还需要供给蒸发器适量的液体制冷剂 压缩制冷剂蒸气 提高压力和温度 放热 使高压高温制冷剂蒸气冷却 冷凝成高压常温的制冷剂液体 得到低温低压制冷剂 制冷剂液体吸热 蒸发 制冷 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 四 制冷剂的变化过程 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 制冷剂的变化过程 flash 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 1 制冷剂在制冷压缩机中的变化制冷剂蒸气由蒸发器的末端进入压缩机吸气口时 压力越高温度越高 压力越低温度越低 制冷剂蒸气在压缩机中被压缩成过热蒸气 压力由蒸发压力p0升高到冷凝压力pk 为绝热压缩过程 外界的能量对制冷剂做功 使得制冷剂蒸气的温度再进一步升高 压缩机排出的蒸气温度高于冷凝温度 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 2 制冷剂在冷凝器中的变化过热蒸气进入冷凝器后 在压力不变的条件下 先是散发出一部分热量 使制冷剂过热蒸气冷却成饱和蒸气 饱和蒸气在等温条件下 继续放出热量而冷凝产生了饱和液体 3 制冷剂在节流元件中的变化饱和液体制冷剂经过节流元件 由冷凝压力pk降至蒸发压力p0 温度由tk降至t0 为绝热膨胀过程 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 4 制冷剂在蒸发器中的变化以液体为主的的制冷剂 流入蒸发器不断汽化 全部汽化变时 又重新流回到压缩机的吸气口 再次被压缩机吸入 压缩 排出 进入下一次循环 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 小结单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成 制冷压缩机冷凝器节流器蒸发器压缩过程 压缩机中进行 通过压缩使制冷剂由低温低压的蒸汽变为高温高压气体 冷却冷凝过程 冷凝器中进行 在冷凝器中冷却冷凝成制冷剂液体 节流过程 节流阀中进行 压力 温度降低蒸发过程 蒸发器中进行 吸热蒸发 变成低温低压制冷剂气 作业蒸气压缩制冷循环系统主要由哪些部件组成 各有何作用 蒸发器内制冷剂的汽化过程是蒸发吗 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 答 由压缩机 冷凝器 节流阀 蒸发器组成 用管道将它们连接成一个密封系统就是蒸汽压缩制冷循环系统 压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸汽的作用 是整个系统的心脏 冷凝器是输出热量的设备 从蒸发器中吸取的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在制冷器中被冷却介质带走 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 蒸发器是输出冷量的设备 制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物体的热量 从而达到制取冷量的目的 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 答 不是 是汽化 因为制冷剂常态下是气态 受到压缩机压缩变为液态或半液半汽态经膨胀机构进入蒸发器由于压力降低迅速汽化吸收热量产生制冷效果 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 1 2单级蒸气压缩式制冷理论循环 复习 简单叙述一下制冷循环过程 引课1理论循环的假设条件和压焓图2理论循环的性能指标及其计算小结作业 1 2单级蒸气压缩式制冷理论循环 单级蒸气压缩式制冷理论循环 一 理论循环的假设条件和压焓图 单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成 制冷压缩机冷凝器节流器蒸发器单级蒸气压缩式制冷循环 是指制冷剂在一次循环中只经过一次压缩 最低蒸发温度可达 40 30 单级蒸气压缩式制冷广泛用于制冷 冷藏 工业生产过程的冷却 以及空气调节等各种低温要求不太高的制冷工程 单级蒸气压缩式制冷理论循环 节流过程中与外界没有热量交换 1 理论循环的假设条件 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 压缩过程为等熵过程 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 冷凝和蒸发是与冷 热源换热 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 离开冷凝器和进入节流元件的液体为冷凝压力下的饱和液体 出蒸发器的为饱和蒸气 出冷凝器的为饱和液体 除节流元件产生节流降压外 制冷剂在设备 管道内的流动没有阻力损失 压力降 与外界环境没有热交换 制冷剂流动过程中没有流动阻力损失 节流过程为绝热过程 即与外界不发生热交换 2 制冷剂的压焓图 单级蒸气压缩式制冷理论循环 一点 三区 五态 临界点C 液相区两相区气相区 过冷液状态饱和液状态湿蒸气状态饱和蒸气状态过热蒸气状态 单级蒸气压缩式制冷理论循环 单级蒸气压缩式制冷理论循环 等压线p 水平线 等焓线h 垂直线 饱和液线x 0 饱和蒸气线x 1 无数条等干度线x等熵线s等比体积线v等温线t 八线 单级蒸气压缩式制冷理论循环 1 制冷压缩机压缩过程 2 制冷压缩机冷凝过程 3 制冷压缩机膨胀过程 4 制冷压缩机蒸发过程 3 理论循环过程在压焓图上的表示 制冷压缩机从蒸发器吸取蒸发压力为p0的饱和制冷剂蒸气 状态点1 沿等熵线压缩至冷凝压力pk 状态点2 压缩过程完成 状态点2的高温高压制冷剂蒸气进入冷凝器 经冷凝器与环境介质空气或水进行热交换 放出热量qk后 沿等压线pk冷却至饱和蒸气状态点2 然后冷凝至饱和液状态点3 冷凝过程完成 在冷却过程 2 2 中制冷剂与环境介质有温差 在冷凝过程 2 3 中制冷剂与环境介质无温差 状态点3的饱和制冷剂液体经节流元件节流降压 沿等焓线 节流过程中焓值保持不变 由冷凝压力pk降至蒸发压力p0 到达湿蒸气状态点4 膨胀过程完成 状态点4的制冷剂湿蒸气进入蒸发器 在蒸发器内吸收被冷却介质的热量沿等压线p0汽化 到达饱和蒸气状态点1 蒸发过程完成 制冷剂的蒸发温度与被冷却介质间无温差 二 理论循环的性能指标及其计算 单级蒸气压缩式制冷理论循环 1 单位质量制冷量 单级蒸气压缩式制冷理论循环的性能指标有单位质量制冷量 单位容积制冷量 理论比功 单位冷凝热负荷及制冷系数等 式中 q0 单位质量制冷量 kJ kg h1 与吸气状态对应的比焓值 kJ kg h4 节流后湿蒸气的比焓值 kJ kg r0 蒸发温度下制冷剂的汽化潜热 kJ kg x4 节流后气液两相制冷剂的干度 制冷压缩机每输送1kg制冷剂经循环从被冷却介质中制取的冷量称为单位质量制冷量 用q0表示 q0 h1 h4 r0 1 x4 单级蒸气压缩式制冷理论循环 制冷剂的汽化潜热越大 节流后的干度越小 则单位质量制冷量越大 制冷循环的单位质量制冷量的大小与制冷剂的性质和循环的工作温度有关 q0 h1 h4 r0 1 x4 2 单位容积制冷量 制冷压缩机每吸入1m3制冷剂蒸气 按吸气状态计 经循环从被冷却介质中制取的冷量 称为单位容积制冷量 用qv表示 式中qv 单位容积制冷量 kJ m3 v1 制冷剂在吸气状态时的比体积 m3 kg 吸气比体积v1将直接影响单位容积制冷量qv的大小 吸气比体积v1的大小随蒸发温度的下降而增大 所以理论循环的qv不仅随制冷剂的种类而改变 而且还随循环的蒸发温度的变化而变化 单级蒸气压缩式制冷理论循环 3 理论比功 制冷压缩机按等熵压缩时每压缩输送1kg制冷剂蒸气所消耗的功 称为理论比功 用w0表示 w0 h2 h1 式中w0 理论比功 kJ kg h2 压缩机排气状态制冷剂的比焓值 kJ kg h1 压缩机吸气状态制冷剂的比焓值 kJ kg 理论比功也与制冷剂的种类和循环的工作条件有关 与制冷压缩机的形式无关 单级蒸气压缩式制冷理论循环 单级蒸气压缩式制冷理论循环 4 单位冷凝热负荷 制冷压缩机每输送1kg制冷剂在冷凝器中放出的热量 称为单位冷凝热负荷 用qk表示 qk h2 h2 h2 h3 h2 h3 式中qk 单位冷凝热负荷 kJ kg h2 与冷凝压力对应的干饱和蒸气状态所具有的比焓值 kJ kg h3 与冷凝压力对应的饱和液状态所具有的比焓值 kJ kg 对于单级蒸气压缩式制冷理论循环 存在着下列关系 qk q0 w0 单级蒸气压缩式制冷理论循环 5 制冷系数 单位质量制冷量与理论比功之比 即理论循环的收益和代价之比 称为理论循环制冷系数 用 0表示 即 单级理论循环制冷系数 0是分析理论制冷循环的一个重要指标 制冷系数不但与循环的高温热源 低温热源有关 还与制冷剂的种类有关 在制冷机工作温度给定的情况下 制冷系数越大 则经济性越高 单级蒸气压缩式制冷理论循环 例1 1假定循环为单级蒸气压缩式制冷的理论循环 蒸发温度t0 10 冷凝温度tk 35 工质为R22 循环的制冷量Q0 55kW 试对该循环进行热力计算 解 要进行制冷循环的热力计算 首先需要知道制冷剂在循环各主要状态点的某些热力状态参数 如比焓 比体积等 这些参数值可根据给定的制冷剂种类 温度 压力 在相应的热力性质图和表中查到 根据R22的热力性质表 附表3 查出处于饱和线上的有关状态参数值 点1 t1 t0 10 p1 p0 0 3543MPa h1 401 555kJ kg v1 0 0653m3 kg点3 t3 tk 35 p3 pk 1 3548MPa h3 243 114kJ kg 单级蒸气压缩式制冷理论循环 1 单位质量制冷量q0 h1 h4 h1 h3 401 555 243 114 158 441kJ kg 2 单位容积制冷量 kJ m3 3 制冷剂质量流量 kg s 点1 t1 t0 10 p1 p0 0 3543MPa h1 401 555kJ kg v1 0 0653m3 kg点3 t3 tk 35 p3 pk 1 3548MPa h3 243 114kJ kg 单级蒸气压缩式制冷理论循环 4 理论比功 w0 h2 h1 435 2 401 555 33 645kJ kg 5 压缩机消耗的理论功率 P0 qmw0 0 3471 33 645 11 68kW 6 制冷系数 471 7 冷凝器单位热负荷 qk h2 h3 435 2 243 114 192 086kJ kg 点1 t1 t0 10 p1 p0 0 3543MPa h1 401 555kJ kg v1 0 0653m3 kg点3 t3 tk 35 p3 pk 1 3548MPa h3 243 114kJ kg 单级蒸气压缩式制冷理论循环 8 冷凝器热负荷 Qk qmqk 0 3471 192 086 66 67kW 作业1 制冷剂在通过节流元件时压力降低 温度也大幅下降 可以认为节流过程近似为绝热过程 那么制冷剂降温时的热量传给了谁 2 单级蒸气压缩式制冷理论循环有哪些假设条件 1 3单级蒸气压缩式制冷实际循环 1单级蒸气压缩式制冷实际循环与理论循环的区别2液体过冷 吸气过热及回热循环3热交换及压力损失对制冷循环的影响4不凝性气体对制冷循环的影响5冷凝 蒸发过程传热温差对循环性能的影响6实际制冷循环在压焓图上的表示及性能指标 单级蒸气压缩式制冷实际循环 一 单级蒸气压缩式制冷实际循环与理论循环的区别 1 制冷压缩机压缩过程 2 制冷压缩机冷凝过程 3 制冷压缩机膨胀过程 4 制冷压缩机蒸发过程 制冷压缩机从蒸发器吸取蒸发压力为p0的饱和制冷剂蒸气 状态点1 沿等熵线压缩至冷凝压力pk 状态点2 压缩过程完成 状态点2的高温高压制冷剂蒸气进入冷凝器 经冷凝器与环境介质空气或水进行热交换 放出热量qk后 沿等压线pk冷却至饱和蒸气状态点2 然后冷凝至饱和液状态点3 冷凝过程完成 在冷却过程 2 2 中制冷剂与环境介质有温差 在冷凝过程 2 3 中制冷剂与环境介质无温差 状态点3的饱和制冷剂液体经节流元件节流降压 沿等焓线 节流过程中焓值保持不变 由冷凝压力pk降至蒸发压力p0 到达湿蒸气状态点4 膨胀过程完成 状态点4的制冷剂湿蒸气进入蒸发器 在蒸发器内吸收被冷却介质的热量沿等压线p0汽化 到达饱和蒸气状态点1 蒸发过程完成 制冷剂的蒸发温度与被冷却介质间无温差 复习 理论循环过程 一 单级蒸气压缩式制冷实际循环与理论循环的区别 节流过程中与外界没有热量交换 压缩过程为等熵过程 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 出蒸发器的为饱和蒸气 出冷凝器的为饱和液体 制冷剂流动过程中没有流动阻力损失 回顾 单级蒸汽压缩式制冷理论循环的假设条件 理论循环 实际循环 压缩过程为等熵过程 制冷压缩机的压缩过程不是等熵过程 且有摩擦损失 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 实际制冷循环中压缩机吸入的制冷剂往往是过热蒸气 节流前往往是过冷液体 即存在气体过热 液体过冷现象 热交换过程中 存在着传热温差 被冷却介质温度高于制冷剂的蒸发温度 环境冷却介质温度低于制冷剂冷凝温度 出蒸发器的为饱和蒸气 出冷凝器的为饱和液体 单级蒸气压缩式制冷实际循环 理论循环 实际循环 制冷剂流动过程中没有流动阻力损失 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 节流过程中与外界没有热量交换 实际节流过程不完全是绝热的等焓过程 节流后的焓值有所增加 制冷系统中存在着不凝性气体 定义不凝性气体是指混在制冷系统里的空气 氢 氮 润滑油蒸气等 这些气体随制冷剂在系统中循环 不随制冷剂一起冷凝 也不产生制冷效应 危害不凝性气体的存在对系统有很大的危害 主要表现在会使系统冷凝压力升高 冷凝温度升高 压缩机排气温度升高 耗电量增加 制冷效率降低 同时由于排气温度过高可能导致润滑油碳化 影响润滑效果 严重时烧毁制冷压缩机电机 单级蒸气压缩式制冷实际循环 单级蒸气压缩式制冷实际循环 6 制冷系统中存在着不凝性气体 1 制冷压缩机的压缩过程不是等熵过程 且有摩擦损失 2 实际制冷循环中压缩机吸入的制冷剂往往是过热蒸气 节流前往往是过冷液体 即存在气体过热 液体过冷现象 3 热交换过程中 存在着传热温差 被冷却介质温度高于制冷剂的蒸发温度 环境冷却介质温度低于制冷剂冷凝温度 4 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 5 实际节流过程不完全是绝热的等焓过程 节流后的焓值有所增加 单级蒸气压缩式制冷实际循环 二 液体过冷 吸气过热及回热循环 1 液体过冷将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温度的状态 称为液体过冷 带有过冷的循环 叫做过冷循环 下图为具有液体过冷的循环和理论循环的对比图 1 2 3 4 1为理论循环 1 2 3 4 1表示过冷循环 单级蒸气压缩式制冷实际循环 1 2 压缩机 等熵压缩 2 3 冷凝器 等压冷凝放热 3 3 冷凝器 等压过冷放热 3 4 节流阀 等焓节流 4 1 蒸发器 等压吸热制冷 单级蒸气压缩式制冷实际循环 几个基本概念 过冷温度 制冷剂节流前被降温到低于饱和温度的过冷液体的温度 过冷度 液体过冷温度和其压力所对应的饱和液体温度之差 单级蒸气压缩式制冷实际循环 液体制冷剂节流后进入湿蒸气区 节流后制冷剂的干度越小 它在蒸发器中汽化时的吸热量越大 循环的制冷系数越高 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小节流后制冷剂干度的目的 实现方法 冷凝器后装过冷器 设计选型时 适当增大冷凝器面积 单级蒸气压缩式制冷实际循环 从制冷系数变化的角度对比如下 两个循环的比功相同 过冷循环中单位制冷量增加 从而导致过冷循环的制冷系数增加 单级蒸气压缩式制冷实际循环 例1 2 某蔬果冷藏库需制冷量55KW 制冷剂采用氟利昂22 要求蒸发温度t0 10 冷凝温度tK 40 设计时采用了两种方案 一种为单级蒸汽压缩式制冷理论循环 一种为过冷循环 过冷度为5 是比较两个制冷循环的性能 h1 401 6KJ Kg h2 439 5KJ Kg h3 h4 249 7KJ Kg h1 401 6KJ Kg h2 439 5KJ Kg h3 249 7KJ Kg h3 h4 243 5KJ Kg 单级蒸气压缩式制冷实际循环 q0 h1 h4 h1 401 6KJ Kg h2 439 5KJ Kg h3 h4 249 7KJ Kg h1 401 6KJ Kg h2 439 5KJ Kg h3 249 7KJ Kg h3 h4 243 5KJ Kg 151 9KJ Kg w0 h2 h1 37 9KJ Kg 4 0KJ Kg q0 h1 h4 158 1KJ Kg w0 h2 h1 37 9KJ Kg 4 17KJ Kg 2 吸气过热 单级蒸气压缩式制冷实际循环 制冷压缩机吸入前的制冷剂蒸气温度高于蒸发压力下的饱和温度时 称为吸气过热 两者温度之差称为过热度 具有吸气过热的循环 称为过热循环 实际循环中 为了不将液滴带入压缩机 通常制冷剂液体在蒸发器中完全汽化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 表示具有吸气过热的循环 1 2 3 4 1表示理论循环 单级蒸气压缩式制冷实际循环 1 2 压缩机 等熵压缩 2 3 冷凝器 等压冷凝放热 3 4 节流阀 等焓节流 4 1 蒸发器 等压吸热制冷 1 1 蒸发器 等压过热吸热 几个基本概念 过热温度 压缩机吸入高于其压力对应饱和温度的过热制冷剂蒸汽温度 过热度 蒸汽过热后的温度和其压力所对应的饱和温度之差 单级蒸气压缩式制冷实际循环 单级蒸气压缩式制冷实际循环 过热吸收的热量来自被冷却介质 产生了有用的制冷效果 这种过热称为有效过热 反之 过热吸收的热量来自被冷却介质之外 没有产生有用的制冷效果 则称为有害过热 过热分为有效过热和有害过热两种 实际循环中 形成制冷循环中吸气过热现象的原因很多 主要有 1 蒸发器的蒸发面积的选择大于设计所需的蒸发面积 制冷剂在蒸发器内吸收被冷却介质的热量而过热 属有效过热 2 制冷剂蒸气在压缩机的吸气管路中吸收外界环境的热量而过热 属有害过热 4 制冷系统设置了回热器 制冷剂蒸气在回热器中吸收制冷剂液体的热量而过热 属有害过热 但有过冷过程伴随 3 在半封闭 全封闭制冷压缩机中 低压制冷剂蒸气进入压缩以前 吸收电动机绕组和运转时所产生的热量而过热 属有害过热 但是避免不了的 单级蒸气压缩式制冷实际循环 过热循环中压缩机的排气温度比理论循环的排气温度高 过热循环的比功大于理论循环比功 等熵线是一组不平行线 越靠右侧 等熵线走势越平坦 即数值变化越大 从制冷量和制冷系数变化角度对比来说明 单级蒸气压缩式制冷实际循环 单级蒸气压缩式制冷实际循环 分析表明 有害过热对循环是不利的 这种过热通常是由于制冷剂蒸气在压缩机吸气管路中吸收外界环境的热量而过热 它并没有对被冷却介质产生任何制冷效应 而且蒸发温度越低 与环境温差越大 循环经济性越差 因此制冷设备通常都通过在吸气管路上敷设保温材料 尽量避免产生有害过热 例1 3 某蔬果冷藏库需制冷量55KW 制冷剂采用氟利昂22 要求蒸发温度t0 10 冷凝温度tK 40 设计时采用了两种方案 一种为管道过热循环 过热度为10 一种为在蒸发器过热 过热度为10 是比较两个制冷循环的性能 单级蒸气压缩式制冷实际循环 h1 401 6KJ Kg h2 450 0KJ Kg h3 h4 249 7KJ Kg h1 409 2KJ Kg q0 h1 h4 151 9KJ Kg w0 h2 h1 40 8KJ Kg 3 7KJ Kg q0 h1 h4 159 5KJ Kg 3 9KJ Kg 单级蒸气压缩式制冷实际循环 h1 401 6KJ Kg h2 450 0KJ Kg h3 h4 249 7KJ Kg h1 409 2KJ Kg w0 h2 h1 40 8KJ Kg 单级蒸气压缩式制冷实际循环 有效过热对循环是否有益与制冷剂本身的特性有关 如图所示 该图是在蒸发温度为0 冷凝温度为40 的条件下计算所得的结果 单级蒸气压缩式制冷实际循环 蒸气有效过热对制冷剂R134a R290 R600a R502有益 使它们的制冷系数增加 且制冷系数的增加值与过热度成正比 蒸气过热对制冷剂R22 R717无益 使它们的制冷系数降低 且制冷系数的降低值与过热度成正比 制冷剂R717表现更为突出 3 回热循环 参照液体过冷和吸气过热在单级压缩制冷循环中所起的作用 可在普通的制冷循环系统中增加一个回热器 回热器又称气 液热交换器 是一个热交换设备 它使节流前常温下的制冷剂液体同制冷压缩机吸入前低温的制冷剂蒸气进行热交换 同时达到实现液体过冷和吸气过热的目的 单级蒸气压缩式制冷实际循环 单级蒸气压缩式制冷实际循环 1 2 3 4 1 表示回热循环 1 2 3 4 1表示理论循环 1 2 压缩机 等熵压缩 2 3 冷凝器 等压冷凝放热 3 4 节流阀 等焓节流 4 1 蒸发器 等压吸热制冷 1 1 蒸发器 等压过热吸热 3 3 冷凝器 等压过冷放热 回热循环与理论循环相比较 制冷系数的变化情况如下 单级蒸气压缩式制冷实际循环 分析表明 回热循环的单位质量制冷量和理论比功均有增加 故回热循环的制冷系数是增大还是减小同制冷剂的种类有关 这同吸气过热的循环是一样的 在实际中应用 氟制冷循环适合使用回热器 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 同时回热循环的过热又可使制冷压缩机避免 湿冲程 保护制冷压缩机 单级蒸气压缩式制冷实际循环 单级蒸气压缩式制冷实际循环 三 热交换及压力损失对制冷循环的影响 制冷剂在制冷设备和连接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连接管道流动 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 1 吸气管道 从蒸发器出口到压缩机吸气入口之间的管道称为吸气管道 在实际工程中 可以通过降低流速的办法来减少阻力 即通过增大管径来减少压力降 并应尽量减少设置在吸气管道上的阀门 弯头等阻力部件 以减少吸气管道的局部阻力 吸入管道对循环性能的影响最大 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 比压力增大 制冷系数下降 2 排气管道 从压缩机出口到冷凝器入口之间的管道称为排气管道 单级蒸气压缩式制冷实际循环 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 3 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 从冷凝器出口到节流元件入口之间的管道称为液体管道 为了避免这些影响 设计制冷系统时 要注意冷凝器与节流元件的相对位置 同时 要降低节流前管路的阻力损失 单级蒸气压缩式制冷实际循环 4 两相管道 从节流元件到蒸发器之间的管道中流动着两相的制冷剂 称为两相管道 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 热量的传递使制冷量减少 因而此段管道必须保温 5 蒸发器 如果假定不改变制冷剂出蒸发器时的状态 它仅使蒸发器中的传热温差减小 要求传热面积增大而已 如果假定不改变蒸发过程中的平均传热温差 其结果与吸气管道阻力引起的结果一样 单级蒸气压缩式制冷实际循环 6 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 排气阀及通道处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 单级蒸气压缩式制冷实际循环 四 不凝性气体对制冷循环的影响 不凝性气体是指在冷凝压力下不能冷凝为液体的气体 系统中的不凝性气体往往积存在冷凝器上部 因为它不能通过冷凝器的液封 不凝性气体的存在将使冷凝器内的压力增加 从而导致压缩机排气压力提高 比功增加制冷系数下降 压缩机容积效率降低 应及时加以排除 五 冷凝 蒸发过程传热温差对循环性能的影响 由于冷凝器与蒸发器中传热温差的存在 会使实际的冷凝温度比理论循环的冷凝温度高 蒸发温度则比理论循环的蒸发温度低 从而使循环的制冷系数下降 制冷循环中制冷剂与热源之间的传热温差越大 制冷循环的效率越低 但传热温差的存在并不影响理论制冷循环的热力计算用于实际制冷循环 六 实际制冷循环在压焓图上的表示及性能指标 单级蒸气压缩式制冷实际循环 4 1表示制冷剂在蒸发器汽化和压降过程 1 1 表示制冷剂蒸气的过热 有益或有害 和压降过程 1 2s 表示制冷剂蒸气在制冷压缩机内实际的非等熵压缩过程 2s 2s表示制冷压缩机压缩后的制冷剂蒸气经过排气阀的压降过程 2s 3表示制冷剂蒸气经排气管进入冷凝器的冷却 冷凝和压降过程 3 3 表示制冷剂液体的过冷和压降过程 3 4 表示制冷剂液体的非绝热节流过程 1 1 2 2 3 4 5 6 p p k 0 Lgp h 实际循环可表示为图中的1 1 2 3 4 5 6 1 1 1 表示蒸气的过热过程 1 2 表示实际增熵压缩过程 2 3 4表示制冷剂在冷凝压力pk下的等压冷却 冷凝过程 4 5表示制冷剂在冷凝压力下的过冷过程 5 6表示制冷剂在等焓下的节流过程 6 1表示制冷剂在蒸发压力p0下的等压汽化过程 单级蒸气压缩式制冷实际循环 1 单位质量制冷量q0和单位容积制冷量qv q0 h1 h6 是实际制冷循环的吸气比体积 说明 在此假定制冷剂在蒸发器内无过热 若蒸发器内有过热 h1须是制冷剂出蒸发器时处于过热蒸气下的焓值 2 理论比功w0 指示比功wi和指示效率 i 按等熵压缩时每压缩输送1kg制冷剂蒸气所消耗的功 称为理论比功 w0 h2 h1 单级蒸气压缩式制冷实际循环 压缩输送1kg制冷剂蒸气实际消耗的功 称为指示比功 wi h2 h1 把理论比功w0与指示比功wi之比 称为制冷压缩机的指示效率 i 表示了压缩机在实际压缩过程中偏离等熵过程的程度 3 单位冷凝热负荷qk qk h2 h4 单级蒸气压缩式制冷实际循环 4 制冷剂质量流量qm 式中Q0为制冷量 通常由设计任务给出 5 压缩机的理论功率P0和指示功率Pi P0 qmw0 式中 指示功率Pi为制冷压缩机在单位时间内压缩制冷剂蒸气实际消耗的功 单级蒸气压缩式制冷实际循环 6 冷凝器的热负荷Qk Qk qmqk 7 实际制冷系数 8 热力完善度 所谓完善度 就是制冷循环接近它理想情况的程度 接近完善的程度 一个