油空气调节用制冷技术4

1、第四节第四节 跨临界制冷循环跨临界制冷循环主讲人：张姝建筑环境与设备工程教研室第四节第四节 跨临界制冷循环跨临界制冷循环一、基本概念一、基本概念l亚临界循环亚临界循环：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)l跨临界循环：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。第四节第四节 跨临界制冷循环跨临界制冷循环二、二、CO2作为制冷剂的发展史作为制冷剂的发展史n在1930年以

2、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。n1931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；n1990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。三三、CO2跨临界制冷循环跨临界制冷循环 1、CO2跨临界循环的循环原理及压焓图如下图所示跨临界循环的循环原理及压焓图如下图所示。循环原理循环原理 压焓图压焓图

3、第四节第四节 跨临界制冷循环跨临界制冷循环第四节第四节 跨临界制冷循环跨临界制冷循环2、CO2跨临界制冷循环与常规亚临界循环的异同跨临界制冷循环与常规亚临界循环的异同l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，主要依靠液体气化来完成；l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；l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。第四节第四节

4、跨临界制冷循环跨临界制冷循环3、最优高压侧压力、最优高压侧压力P2opt n在跨临界循环中，温度和压力共同影响气体冷却器出口制冷剂的焓值。n当蒸发温度T0、气体冷却器出口温度T3保持恒定时，循环的制冷系数 随高压侧压力P2的升高，单位质量耗功量呈直线规律上升，而单位质量制冷量上升幅度却有逐渐减小的趋势，二者综合作用使得制冷系数先升高再降低，对应于最大制冷系数 的高压侧压力被称为最优高压侧压力P2opt 。n当不考虑吸气过热度时， P2opt (单位：100kPa)可以采用经验公式计算：thmthm2030(2.7780.015 )(0.3819.34)optpt tt第四节第四节 跨临界制冷循

5、环跨临界制冷循环四、四、CO2跨临界循环的改善跨临界循环的改善1、蒸气回热循环、蒸气回热循环 Co2跨临界制冷循环采用回热循环是减少节流损失、提高性能系数的有效途径之一。qk膨胀阀蒸发器压缩机211q0343wc气体冷却器回热器原理图原理图 压焓图压焓图 第四节第四节 跨临界制冷循环跨临界制冷循环2、双级压缩回热循环、双级压缩回热循环在回热循环的基础上，采用双级压缩有利于降低压缩机的排气温度并提高系统的性能，同时有利于压缩机的安全运行。32114hlgP22 3压焓图压焓图 qk回热器膨胀阀蒸发器压缩机211q0343wc2气体冷却器压缩机2wc1低压级高压级2”原理图原理图 第四节第四节 跨

6、临界制冷循环跨临界制冷循环3、用膨胀机回收膨胀功、用膨胀机回收膨胀功 文献分析表明，单级压缩带膨胀机的CO2 跨临界循环的制冷系数可超过相同工作条件下R22和R134a的简单循环。qkq0wcwce气体冷却器蒸发器膨胀机压缩机2135原理图原理图 第四节第四节 跨临界制冷循环跨临界制冷循环4、CO2四种循环制冷系数比较四种循环制冷系数比较 如果膨胀剂的效率为0.65，压缩机的绝热效率为0.9，在其他参数完全相同的条件下，分别采用上述四种循环形式：（1）简单单级压缩循环（2）单级压缩回热循环（3）双级压缩回热循环（4）用膨胀机的单级压缩循环 由此可见，采用蒸气回热、双级压缩以及用膨胀机回收膨胀功

7、均能有效地改善CO2跨临界制冷循环的性能，特别是采用带膨胀机的双级压缩蒸气回热循环，系统性能将得到明显改善。循环43214.03.02.01.0-50510实际制冷系数第五节第五节 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环一、蒸气压缩式制冷实际循环的特点一、蒸气压缩式制冷实际循环的特点（与理论循环相比）（与理论循环相比）l在压缩机中，气体内部和气体与气缸壁之间存在摩擦，并且气体与外部有热交换；l压缩机进、排气阀存在节流损失；l制冷剂流经管道、冷凝器和蒸发器等设备时，制冷剂与管壁或器壁之间的摩擦，以及与外部的热交换；第五节第五节 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环二、实际循

8、环过程分析二、实际循环过程分析 如下图所示：过程线12341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” abc cd2 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。第五节第五节 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环1、过程线11:来自蒸发器的低压制冷剂蒸气，经管道流至压缩机，由于沿途存在摩擦阻力、局部阻力以及吸收外界的热量，制冷剂压力稍有降低，温度有所升高。2、过程线1” a：低压气态制冷剂通过压缩机吸气阀时被节流，压力降至Pa。3、过程线ab：低压气态制冷剂进入气缸的过程，吸收外界热

9、量，温度有所上升，而压力仍为Pa。第五节第五节 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环4、过程线b c：这是气态制冷剂在压缩机中的实际压缩过程线；压缩初期，制冷剂温度低于气缸壁温度，所以是吸热压缩过程，比熵有所增加；当制冷剂被压缩至高于气缸壁温度以后，则变为放热压缩过程，直至压力升至P2，比熵有所减少。气缸头部冷却效果越好，制冷剂比熵减少越多，如图中c c过程线。5、过程线cd：制冷剂经过压缩机排气阀，被节流，比焓基本不变，压力有所降低。6、过程线d2：制冷剂从压缩机经管道至冷凝器的过程，由于阻力与热交换的存在，制冷剂压力与温度均有所降低。第五节第五节 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压

10、缩式制冷的实际循环7、过程线2 3:制冷剂在冷凝器中由于有摩擦和涡流存在，所以，冷凝过程并非等压过程，根据冷凝器形式的不同，其压力有不同程度的降低，出口还有一定的再冷度。8、过程线3 4：制冷剂节流过程，温度不断降低，所以，在进入蒸发器前，将从外界吸收一些热量，比焓略有增加。9、过程线4 1：与冷凝器相同，蒸发过程也不是等压过程，随蒸发器形式的不同，压力有不同程度的降低。第五节第五节 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环三、实际循环的制冷性能 从上述分析可知：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：l 实际循环的平均冷凝压力有所升

11、高；l 实际循环的平均蒸发压力有所降低。第五节第五节 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环三、实际循环的制冷性能 1、实际制冷循环的压焓图、实际制冷循环的压焓图 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12341为理论循环，1 2 3 4 1为实际循环。第五节第五节 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环2、实际制冷循环的、实际制冷循环的热力计算热力计算l容积效率容积效率 ：压缩机实际输气量Vr与理论输气量Vh之比，即（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。）l压缩机的实际输气量：压

12、缩机的实际输气量：第五节第五节 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环2、实际制冷循环的、实际制冷循环的热力计算热力计算l实际循环的制冷量：实际循环的制冷量：给定平均冷凝压力与平均蒸发压力条件下 式中：单位容积制冷能力qvl实际循环的制冷剂质量流量：实际循环的制冷剂质量流量：第五节第五节 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环2、实际制冷循环的、实际制冷循环的热力计算热力计算l指示功率指示功率Pi：存在流动阻力等因素、压缩过程偏离等熵过程时压缩机的实际耗功率。l指示效率指示效率 : 存在流动阻力等因素、压缩过程偏离等熵过程时，单位质量制冷剂的理论耗功率与压缩机的实际耗功率（

13、指示功率）的比值。第五节第五节 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环2、实际制冷循环的、实际制冷循环的热力计算热力计算l轴功率轴功率Pe：包括克服机械摩擦和带动如油泵等辅助设备所消耗的功率在内、实际作用在传动轴上的功率。l摩擦效率摩擦效率 ：指示功率与轴功率的比值。l压缩机与电动机之间的传动效率压缩机与电动机之间的传动效率 ：直联时直联时： （传动效率高，但对压缩机主轴和电动机的转 轴的同轴度要求较高。）三角皮带连接时三角皮带连接时：第五节第五节 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环 2、实际制冷循环的、实际制冷循环的热力计算热力计算l压缩机配用电动机的压缩机配用电动机

14、的输出功率输出功率P：l制冷循环的实际制冷系数 （也称之为性能系数，用COP表示）： 其中， 为工作在与实际制冷循环的平均冷凝压力与平均蒸发压力、再冷度与过冷度相同条件下的理论循环制冷系数。第五节第五节 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环 各种空调制冷机组的实际性能系数各种空调制冷机组的实际性能系数(COP)。家用窗式空调：家用窗式空调：2.5-3.0(理论循环理论循环COP一般在一般在5以上以上)风冷式机组风冷式机组:2.5-3.3(理论循环理论循环COP一般在一般在5以上以上)单级水冷式机组：单级水冷式机组：3.8-5.5(理论循环理论循环COP一般在一般在6以上以上)多级水冷式机组：多级水冷式机组：5-7第五节第五节 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环 对于由封闭式压缩机构成的制冷循环系统，因驱动电动机内置于压缩机，故还需考虑电动机效率 （电动机输