制冷与空调第四讲

2020/6/7,上节课复习,1、在lgP-h图上，画图说明实际循环与理论循环有何不同(答案)2、液体过冷与蒸气过热对制冷系数有何影响液体过冷使制冷循环的制冷系数和热力完善度都提高了蒸气过热使制冷循环的制冷系数和热力完善度可能提高，也可能降低！3、说明制冷循环热力计算步骤以及相应公式(例题),2020/6/7,返回,2020/6/7,热力计算示例：某客车改造要加装空调，设外气温度为35，空气温升5，冷凝温度比冷凝器出口温度高5；蒸发温度为5，制冷负荷(即制冷量)为38kW。压缩机选择开启式4FV7型:d=70mm,S=55mm,Z=4,N=1440r/min制冷剂为R12，过冷度取5，=0.74，采用回热循环，i=0.88，m=0.9。试对制冷机进行热力计算。,2020/6/7,制冷例题,解：1、确定制冷循环由已知条件得到蒸发温度t0为5，计算采用空气冷却的冷凝温度tk=35+5+5=45过冷温度tg=45-5=40由上述参数确定制冷循环图：做t0、tk水平线得到1、3、4,2020/6/7,2,h,1,3,4,5,lgp,1,下页,t0,tk,4,返回,2020/6/7,由直线Pk与tg=40交点4点，过4点作垂线交直线P0得到5点对于采用回热循环，计算1点焓值h1=h1+(h4-h4)=357+247-242=362（kJ/kg）由h1和直线P0交点得到1v1=0.05m3/kg由点1沿等熵线交直线tk得到2点h2=373.8kJ/kg,2020/6/7,2、计算相关参数压缩机理论输气量：Vh=d2SnZ/240=0.0203m3/s单位质量制冷量：qo=h1-h5=357-242=115kJ/kg单位容积制冷量：qv=qo/v1=115/0.05=2750kJ/m3实际制冷量：Qo=Vhqv=41.3kW要求的38kW制冷剂循环量：G=Qo/qo=0.36kg/s单位理论功：wo=h2-h1=11.8kJ/kg,2020/6/7,压缩机理论功率：No=Gwo=4.24kW压缩机指示功率：Ni=No/i=4.82kW压缩机轴功率：Ne=Ni/m=5.36kW冷凝器热负荷：Qk=Qo+Ni=46.12kW*注意：不是加轴功率理论制冷系数：0=qo/wo=115/11.8=9.74实际制冷系数：s=0im=7.72,2020/6/7,第五节温度条件对制冷机性能的影响,“温度条件”:to和tkto的变化取决于制冷对象的要求，如冷藏车运输冻肉和果茶，就要求车内有不同的温度，因而to也不同；同时to随制冷负荷的变化也发生变化tk的变化取决于外温。根据不同需要，一台压缩机可以有不同的用途，因而它们的蒸发温度不同，冷凝温度也会随地区和季节变化。为方便起见，我们按理论循环分析温度变化对压缩机性能的影响，它的结论也适用于实际循环。,2020/6/7,一.温度条件对制冷机性能的影响,1、当to不变，tk变化由图可见：当tk升高后，制冷量将减少，而压缩机做的功则增加；从而使得制冷系数减小。反之，当tk降低后，制冷量将增加，压缩机做的功也减少；从而使得制冷系数增大。,2020/6/7,2、当tk不变，to变化由图可见：当t0降低后，制冷量将减少，而压缩机做的功则增加；从而使得制冷系数减小。反之，当t0升高后，制冷量将增加，压缩机做的功也减少；从而使得制冷系数增大。,2020/6/7,结论与说明,从上面分析可知：1、降低冷凝温度tk对制冷循环有利例如电冰箱要放在通风的地方，电冰箱冬季工作时的耗电比夏天低，水冷冷凝器比风冷省电且制冷快。2、to越低则制冷量Q越小只要满足被冷却物体的温度要求，尽量使to高些好，例如冷藏车的制冷量远小于空调车，尽管它们用同一种压缩机。,2020/6/7,3、由于制冷量Q、功率N都与to、tk有关，因此制冷系数也与之有关，因此我们讲一台制冷机的Q、N和，或进行两台以上压缩机Q、N的比较，必须在相同温度条件下进行才有意义，这引出了制冷工况概念。,2020/6/7,二、制冷机的工况,标准工况冷藏、低温用制冷机一般按标准工况进行选用或比较空调工况空调用制冷机一般按空调工况进行选用或比较最大压差工况压缩机零部件强度设计，校核用的计算、试验工况最大功率工况考虑压缩机起动时最大轴功率的工况。,2020/6/7,对全封闭式压缩机，则规定了“高温工况”（相当于空调工况）、“低温工况”和“冰箱工况”具体各工况的to，tk见下表：由表可见：除冰箱工况外，过冷温度一般比冷凝温度低，为25，吸气温度一般在15；不同压缩机，低温工况与标准工况参数相同；高温工况与空调工况参数相同。,2020/6/7,制冷机的工况返回,2020/6/7,第六节双级压缩与复叠式制冷循环,从上节分析可知：tk的升高会使Q减小，to的降低也使Q减小，因此tk-to越大，会产生如下缺点：1、系统节流损失加大；2、输气系数减小，使输气量急剧下降，产冷量降低；3、偏离等熵过程越大，压缩机功耗增大，制冷机效率下降；,2020/6/7,4、由于排气温度过高，润滑油可能变稀甚至结焦、破坏润滑条件。一般随冷凝温度和制冷剂不同，蒸发温度最低只能达到-20到-40，所以，单级压缩的活塞式压缩机规定了一个限度压缩比Pk/P010作为正常工作条件。,2020/6/7,压缩比Pk/P010这个条件对空调系统是不成问题的，面对冷藏车的制冷系统，在运输冻货时，要求车内温度-20（to大约在-30），冷凝温度为50，这时的压缩比Pk/P010,这就要考虑使用双级压缩以改善制冷机工作条件并提高效率。双级压缩能达到的最低温度氨机-55，氟里昂为-65；,2020/6/7,双级压缩有二种，以氨为制冷剂往往采用“二级节流中间完全冷却”的双级压缩以氟利昂为制冷剂时，采用“一级节流，中间不完全冷却”的双级压缩制冷循环由于氨作为制冷剂在发生泄露时污染严重，使用得越来越少，因此我们介绍以氟利昂为制冷剂的系统。,2020/6/7,如图，流过蒸发器的制冷剂为Gd（下标d-低压，g高压），经低压压缩机到状态，与中间冷却器出来的饱和蒸气混合成了状态进入高压机，出高压机变成状态，进入冷凝器，成为饱和液体7；饱和液体分为二路：一路经节流阀成为状态9的湿蒸气进入中间冷却器，另一路流经中间冷却器内管获得过冷状态，再经节流阀成状态，进入蒸发器。,2020/6/7,热力膨胀阀,蒸发器,氟利昂双级压缩制冷机组成,冷凝器,中间冷却器,低压压缩机,高压压缩机,Gd,Gg,返回,2020/6/7,由图可见，进入蒸发器的制冷剂只经过一次节流，低压机的过热蒸气没有冷却成饱和蒸气，而只是与状态的饱和蒸气混合，得到部分冷却上述循环称为“一次节流，中间不完全冷却的吸收压缩制冷循环”。,2020/6/7,不完全冷却的氟利昂双级压缩制冷循环,返回,返回,2020/6/7,二级压缩制冷循环的理论计算,中间压力的确定按制冷系数最大原则确定中间压力：,由此先画出制冷循环图并确定出各点的参数其循环图在后面示出,2020/6/7,氟里昂双级压缩制冷循环的热力计算步骤,1、蒸发器中单位质量制冷量q0=h1-h5,2、低压部分制冷剂循环量Gd=Q0/q0=Q0/(h1-h5),3、低压压缩机输气量Vd=Gd/v1,4、低压压缩机理论输气量Vhd=Vd/d,循环图,2020/6/7,5、低压压缩机单位功w0d=h2-h1,6、低压压缩机功率Nd=Gdw0d/eded是低压压缩机总效率,7、根据中间冷却器的热平衡确定高压部分制冷剂流量Gg=Gd(h3-h8)/(h3-h9),8、高压压缩机输气量Vg=GgV3,循环图,2020/6/7,10、高压压缩机单位功w0g=h6-h3,9、高压压缩机理论输气量Vhg=Vg/g,11、高压压缩机功率Ng=Ggw0g/egeg是高压压缩机总效率,循环图,2020/6/7,13、双级压缩理论循环制冷系数0=Q0/(Ggw0g+Gdw0d),14、双级压缩实际循环制冷系数s=Q0/(Ggw0g/eg+Gdw0d/ed),12、冷凝器热负荷Qk=Gg(h6s-h7)h6s是高压级实际排气焓值h6s=h3+(h6-h3)/igig是高压级指示效率,2020/6/7,说明：,双级压缩制冷中制冷剂R717用于大中型，R22用于小型；双级压缩能达到的最低温度，受每一级压缩比限制，也受低压缸吸气压力限制，低压缸吸气压力受吸气阀片阻力和吸气效率控制，一般不低于9.8-14.7kPa；双级压缩能达到的最低温度：氨机-55，氟里昂为-65；高低压缸排气量：一般取高、低压缸理论排气量之比为1:3或1:2。,2020/6/7,复叠式制冷循环,生产的发展制冷温度也越来越低两级压缩制冷装置:温度受到了制冷剂的凝固点和蒸发压力的限制如：氨的凝固点为-77，蒸发温度接近或达到凝固点时，即已无法流动对R12、R134a，虽然其凝固点分别为-155和-101，但相应的饱和蒸气压力已大大降低，如R12，在-70时，其饱和蒸气压力已只有12.27kPa（绝对压力）即制冷剂只有0.1个大气压，这将使系统漏气的可能性大为增加，而且，也将导致蒸气比容增大，使输气系数降低，从而又要求加大气缸直径。,2020/6/7,活塞式制冷压缩机的气阀是靠阀两侧的压差而自动启闭的，当吸气压力降到10kPa绝对压力左右时，气阀已难以开启，压缩机无法正常工作，再增加压缩机的级数也无济于事。如果改用低温制冷剂，可以解决凝固温度和蒸发压力低的两个问题，如选用R13，它的凝固点在-180，它在-100时的蒸气压力仍有33.1kPa（绝对压力），但它的临界温度只有28.27即根本无法用常温的水或空气进行冷却,2020/6/7,当冷凝温度超过它的临界温度时，无论压力怎么提高，都无法使气体放热液化，因此，使用单一的低温制冷剂仍无法获得进一步的低温。解决办法：在一套制冷机组中同时使用二种制冷剂，用中温制冷剂的蒸发来冷凝低温制冷剂，然后用低温制冷剂的蒸发获得低温，这种机组就是“复叠式制冷”,2020/6/7,复叠式制冷机原理系统图,蒸发器,低温侧压缩机,高温侧压缩机,冷凝器,冷凝蒸发器,返回,2020/6/7,复叠式制冷机通常由二个（三个或更多）的制冷系统组成（称为二复叠、三复叠），分别称为高温级、低温级部分，分别使用中温制冷剂和低温制冷剂，每个制冷系统都是完整的制冷系统。两个系统用一个冷凝/蒸发器联系起来，它既是高温级制冷系统的蒸发器，又是低温级制冷系统的冷凝器，即在冷凝/蒸发器中，用高温级制冷系统的蒸发器（它的蒸发温度可达-20到-40）来冷却吸收低温级制冷系统的冷凝热,2020/6/7,这就解决了低温制冷剂临界温度低不能用常温介质冷却的矛盾，而低温制冷剂的低凝固点和高的蒸气压力又可以使低温级制冷系统的蒸发器能满足使用要求的低温。低温蒸发器中吸收的热量，经冷凝蒸发器传给高温级，又在高温级的冷凝器中释放给环境。复叠式制冷热力循环的压焓图如下图所示，图中R13为低温级制冷系统，R22为高温级制冷系统。,2020/6/7,复叠式制冷循环的压焓图,R13低温部分循环,返回,2020/6/7,说明与讨论：,1、复叠式制冷机若由二个单级系统组成，则同样因受压缩比的限制只能达到-80左右的低温，如采用一个单级和一个双级压缩的制冷系统，则可以达到-110左右的低温，如采用三元复叠（如在R22-R13系统上再加一个R14制冷系统，则可获得-140的低温）。复叠式系统循环的选择主要取决于需要达到的低温，如果配合得当，整个系统的经济性、可靠性均有所提高。,2020/6/7,2、复叠式制冷循环的热力计算可分别对高温级及低温级单独进行，计算方法和步骤与单级或双级压缩制冷循环的热力计算相同只是需要令高温部分的制冷量等于低温部分的冷凝热负荷加上冷损。,2020/6/7,冷凝蒸发器传热温差的大小，不仅影响传热面积和冷量消耗，也影响整个制冷机的经济性和容量，一般取510。蒸发器的传热温差最好不大于5，复叠式制冷循环中间温度的确定可以根据制冷系数最大原则（经济性）或各级压缩比相等原则（输气系数最大）确定，一般用后者较合理。,2020/6/7,3、复叠式制冷机启动时，必须先启动高温级，使中间温度降低到足以保证低温级的冷凝压力不超过一定压力（1.57MPa）时，才可以启动低温级。但对一些小型复叠式机组，高低温级的压缩机用同一台电机拖动，这时，可将膨胀容器和排气系统相连并在管路上装有压力控制阀，则高低温级可同时启动，低温级排气压力过高时，压力控制阀开启，使排气压力与膨胀容器相近，限制低温级系统冷凝压力在规定范围内。,2020/6/7,复叠式制冷循环应用实例国产D-8型低温箱制冷机,膨胀容器8,水冷却器9,油分离器,返回,回热热交换器5,冷凝蒸发器5,高温压缩机,低温压缩机,2020/6/7,D-8型低温箱制冷机设计箱内最低温度-802，R13的to=-85到-90，在低温级中增设水冷却器9和回热热交换器5水冷却器9对低温级的排气先进行一次预冷，以减少冷凝蒸发器4的负荷，回热热交换器5用来提高吸气温度和减少低温级的节流损失，提高其单位质量制冷量由于水冷却器9和高温侧冷凝器3都用相同的冷却介质(水)，因此经过水冷却器后的R13的温度与R22的冷凝温度接近。,图,2020/6/7,在低温级装备了膨胀容器8，其作用是防止低温级压力过高，在复叠式制冷机停机后，系统内制冷剂的温度都将逐渐升高到环境温度。低温制冷剂会全部气化为过热蒸气（它的临界温度低而压力较高），当低温侧高压管路压力超过允许压力时，压力控制阀开启，高压即向膨胀容器释放，并经毛细管将一部分R13气体送回低压侧压缩机吸入端，使低温系统的压力保持在最大允许压力范围内。（一般不超过1.6MPa）设备2和设备