第三章 制冷的热力学基本原理-沈淳-2015412----

1、第三章第三章 制冷的热力学基本原理制冷的热力学基本原理第三章第三章 制冷的热力学基本原理制冷的热力学基本原理 从热力学角度，制冷系统是利用逆向循环的能量转换系统。从热力学角度，制冷系统是利用逆向循环的能量转换系统。 按能量补偿方式，各种制冷方法主要归为两大类：按能量补偿方式，各种制冷方法主要归为两大类：（1 1）以机械能或电能为补偿）以机械能或电能为补偿 如：蒸汽压缩制冷，气体膨胀制冷，热电制冷，电化学制冷如：蒸汽压缩制冷，气体膨胀制冷，热电制冷，电化学制冷（2 2）以热能为补偿）以热能为补偿 如：吸收式制冷，蒸汽喷射式制冷，固体吸附式制冷如：吸收式制冷，蒸汽喷射式制冷，固体吸附式制冷第一节第

2、一节 制冷系统的经济性指标制冷系统的经济性指标1以机械能或电能驱动的制冷机，引入以机械能或电能驱动的制冷机，引入制冷系数制冷系数以热能驱动方式的制冷机，引入以热能驱动方式的制冷机，引入热力系数热力系数 制冷系统的经济性指标制冷系统的经济性指标国外习惯上将制冷系数和热力系数统称为国外习惯上将制冷系数和热力系数统称为制冷机的性能系数制冷机的性能系数COP ( Coefficient of performance ) 00WQ对开启式对开启式 ， 轴功率制冷量对封闭式对封闭式 ，电功率制冷量 以机械能或电能驱动的制冷机，其以机械能或电能驱动的制冷机，其制冷系数制冷系数chapter 3 The Es

3、sense of Thermodynamics1 以热能驱动方式的制冷机，其以热能驱动方式的制冷机，其热力系数热力系数gQQ0- 驱动热源向制冷机输入的热量驱动热源向制冷机输入的热量 以热能驱动方式的制冷机，从驱动热源吸收热量，完成以热能驱动方式的制冷机，从驱动热源吸收热量，完成从低温热源吸热、向高温热源放热的能量转换，从而达到制从低温热源吸热、向高温热源放热的能量转换，从而达到制冷目的。冷目的。 可分析得到，热能驱动的可逆制冷剂的热力系数也只与可分析得到，热能驱动的可逆制冷剂的热力系数也只与驱动热源温度、高温热源温度、低温热源温度有关，而与工驱动热源温度、高温热源温度、低温热源温度有关，而与

4、工质的性质无关。驱动热源的品位越高，高低温热源温度越接质的性质无关。驱动热源的品位越高，高低温热源温度越接近，则热力系数越大。近，则热力系数越大。4chapter 3 The Essense of Thermodynamics1 实际制冷循环都是不可逆的，其性能系数实际制冷循环都是不可逆的，其性能系数COP恒小于相同恒小于相同条件下的可逆机的性能系数条件下的可逆机的性能系数COPc。 用用制冷循环的热力完善度制冷循环的热力完善度来评价实际制冷循环与可逆循环来评价实际制冷循环与可逆循环的接近程度。的接近程度。cc10越大，循环越好，热力学的不可逆损失越小。越大，循环越好，热力学的不可逆损失越小。

5、5一、逆卡诺循环一、逆卡诺循环 The reversed Carnot Cycle 4-1 可逆定温吸热可逆定温吸热 。Reversible constant-temperature , heat absorption 1-2 可逆绝热可逆绝热 (定熵定熵)压缩，耗功；压缩，耗功； Reversible adiabatic compress2-3 可逆定温放热可逆定温放热 ； Reversible constant-temperature, heat rejection3-4 可逆绝热可逆绝热 (定熵定熵)膨胀，对外作功；膨胀，对外作功；Reversible adiabatic expansi

6、on第二节第二节 蒸汽压缩制冷循环的热力学分析蒸汽压缩制冷循环的热力学分析 r1kTT 2r20TT 0223面积)(1414kkssssTq0441面积)(414100ssssTq00kwqqq3012345面积)(140ssTTk0k000TTTWQR00TTTWQkkkHP单位制冷量（单位吸热量）单位制冷量（单位吸热量）heat absorption ： 单位功耗：单位功耗：制冷系数制冷系数COP：对热泵，供热系数对热泵，供热系数COP ：单位放热量单位放热量 heat rejection（1 1）应尽可能降低高温热源处的放热温度）应尽可能降低高温热源处的放热温度 ，但通常向环，但通常向

7、环境放热，应使之接近环境温度境放热，应使之接近环境温度 最经济。最经济。（2 2）在满足制冷能力的前提下，就尽可能提高低温热源处）在满足制冷能力的前提下，就尽可能提高低温热源处的吸热的温度的吸热的温度 ，使之接近环境温度，使之接近环境温度 。（3 3）在恒定的高、低温热源内（）在恒定的高、低温热源内（ 、 一定）时，逆卡诺一定）时，逆卡诺循环的制冷系数最高。循环的制冷系数最高。0k000RTTTWQc0TkT4可见，工质放热温度可见，工质放热温度 ，工质吸热温度，工质吸热温度 1rT0TkT2rT1rT2rT温熵图一点：临界点三区：气相区、液相区、 湿蒸气区五态：过冷液体、饱和液体、 饱和蒸气

8、、过热蒸气、 湿蒸气 八线：等压线、等焓线、等温线、 等熵线、饱和蒸气线、饱和液体线、 等干度线、 等容线51. 湿蒸汽区逆卡诺循环的理论实现湿蒸汽区逆卡诺循环的理论实现 由于蒸发、冷凝过程是等温等压的吸热、放热过程，由于蒸发、冷凝过程是等温等压的吸热、放热过程，从理论上讲，在湿蒸气区，蒸汽压缩制冷循环完全可从理论上讲，在湿蒸气区，蒸汽压缩制冷循环完全可以实现逆卡诺循环，以获得最大的制冷系数。以实现逆卡诺循环，以获得最大的制冷系数。 一般工质的汽化潜热比较大，利用工质相变可获得一般工质的汽化潜热比较大，利用工质相变可获得相当大的单位制冷量，使制冷能力较大。相当大的单位制冷量，使制冷能力较大。1

9、1（2 2）采用汽液分离器或过热蒸汽）采用汽液分离器或过热蒸汽 过热：过热：有效过热有效过热由蒸发器完成由蒸发器完成 有害过热有害过热由外环境完成由外环境完成 有害过热主要是蒸发器至压缩机管道受热，使制冷量不变，但压有害过热主要是蒸发器至压缩机管道受热，使制冷量不变，但压缩机耗功增加，最终使制冷系数降低。缩机耗功增加，最终使制冷系数降低。 所以，要求所以，要求 对蒸发器至压缩机的管道保温。对蒸发器至压缩机的管道保温。（1）以节流阀取代膨胀机）以节流阀取代膨胀机 虽损失了一些功（膨胀机作功）虽损失了一些功（膨胀机作功）和制冷量，但设备简单可靠，和制冷量，但设备简单可靠，且用节流阀也便于调节。且用

10、节流阀也便于调节。 为防止压缩机液击，进入压缩机中的工质为防止压缩机液击，进入压缩机中的工质 至少应为干饱和蒸汽，这样，压缩机虽多消耗一些功、工质平均放热温至少应为干饱和蒸汽，这样，压缩机虽多消耗一些功、工质平均放热温 度升高，但压缩机工作稳定、效率高、且制冷量也有所增加。度升高，但压缩机工作稳定、效率高、且制冷量也有所增加。 为保证进入压缩机的工质至少为干饱和蒸汽，应采用汽液分离器或采用为保证进入压缩机的工质至少为干饱和蒸汽，应采用汽液分离器或采用有一定过热度的过热蒸汽。有一定过热度的过热蒸汽。chapter 3 The Essense of Thermodynamics12 （3）工质过冷

11、）工质过冷 由于蒸汽的存在会使制冷工质流过节流阀时流动不稳定、质由于蒸汽的存在会使制冷工质流过节流阀时流动不稳定、质量流量减少，常在冷凝器中使制冷工质具有一定的过冷度。量流量减少，常在冷凝器中使制冷工质具有一定的过冷度。 节流前的制冷工质液体冷却到低于冷凝温度的称液体过冷，节流前的制冷工质液体冷却到低于冷凝温度的称液体过冷，该温差称为过冷度，有液体过冷的循环称过冷循环。该温差称为过冷度，有液体过冷的循环称过冷循环。 在耗功不变的情况下，过冷可增加制冷量，使制冷系数增加。在耗功不变的情况下，过冷可增加制冷量，使制冷系数增加。12m等压线等压线 水平线水平线m等焓线等焓线 垂直线垂直线m等干度线等

12、干度线 湿蒸气区域内曲线湿蒸气区域内曲线m等熵线等熵线 向右上方大斜率曲线向右上方大斜率曲线m等容线等容线 向右上方小斜率曲线向右上方小斜率曲线m等温线等温线 垂直线（液相区）垂直线（液相区）水平线（两相区）水平线（两相区） 向右下方弯曲（过热蒸气区）向右下方弯曲（过热蒸气区）3. 压压-焓图焓图 （ ln p-h图图 ）R717压焓图压焓图R22压焓图压焓图R134a压焓图压焓图3. 压压-焓图焓图 （ ln p-h图图 ）23hhqk12s0)(hhwwc1-2 可逆绝热压缩可逆绝热压缩2-3 可逆定温放热可逆定温放热3-4 绝热节流绝热节流 43hh 124102hhhhwq制冷系数制冷

13、系数 4-1 可逆定温吸热可逆定温吸热吸热量即制冷量吸热量即制冷量014qhh17184. 真正的实际循环真正的实际循环 由于传热温差、流动阻力存在，使由于传热温差、流动阻力存在，使在相同的蒸发温度、冷凝温度范围内，在相同的蒸发温度、冷凝温度范围内，真正的实际循环与理想循环存在一些差真正的实际循环与理想循环存在一些差别。别。使使23线高于线高于2323线，线，4 41 1线低于线低于4141线。线。 冷却水或冷却空气的温度低于冷凝温度冷却水或冷却空气的温度低于冷凝温度T Tk k，且是变化，且是变化 （入口温度低、出口温度高）；载冷剂或冷库的温度高于蒸（入口温度低、出口温度高）；载冷剂或冷库的

14、温度高于蒸发温度，载冷剂或冷库的温度也是变化的（入口温度高、出发温度，载冷剂或冷库的温度也是变化的（入口温度高、出口温度低）。口温度低）。（1 1）传热温差的存在）传热温差的存在19（2）吸入压缩机的蒸汽并非绝热压缩。）吸入压缩机的蒸汽并非绝热压缩。（3）流动阻力的存在）流动阻力的存在 蒸汽首先被汽缸壁加热，压缩后的蒸蒸汽首先被汽缸壁加热，压缩后的蒸汽温度高于汽缸壁，又通过缸壁放热，压汽温度高于汽缸壁，又通过缸壁放热，压缩中蒸汽温度与缸壁温差较小，近乎绝热。缩中蒸汽温度与缸壁温差较小，近乎绝热。压力下降，使压力下降，使23线、线、41成为斜线，并非完全定温过程。成为斜线，并非完全定温过程。 压

15、缩机进气阀、排气阀处气阀阻力的存在，导致压力下压缩机进气阀、排气阀处气阀阻力的存在，导致压力下降；蒸发器、冷凝器中流动阻力的存在，也导致压降，使降；蒸发器、冷凝器中流动阻力的存在，也导致压降，使2 23 3线、线、4 41 1线成为斜线，并非完全定温过程。线成为斜线，并非完全定温过程。例3-1：制冷工质为R22，试对该理论循环进行热力计算。解： 基本思路为： 首先由tk得到：Pk、h3、h4 由t0得到：P0、h1、v1 由pk、p0得到：h2 然后按热力计算公式进行计算0000103555ktCtCQkW 三、单级蒸汽压缩制冷循环热力计算三、单级蒸汽压缩制冷循环热力计算01401000210

16、01000230/vmmVmkkmkcqhhqqvqQqwhhPq wqq vQPqhhQq q单位质量制冷量： 单位容积制冷量： 质量流量： 理论比功： 理论功率： 容积流量： 制冷系数： 单位热负荷： 热负荷： 热力完善度： 例32 :某空调用制冷系统，制冷工质为R22，所需制冷量Q0为50kW，空调用冷水温度tc10，冷却水温度tw=32，蒸发器端部传热温差取t05，冷凝器端部传热温差取tk8，试进行循环的热力计算。计算中取液体过冷度tg5，吸气管路有害过热度tr5，压缩机的输气系数0.8，指示效率i0.8。 lgp0h1132s24压缩机的指示功压缩机的指示功Ni :直接用于气体压缩消

17、耗的功，直接用于气体压缩消耗的功， 可用仪器测得的压缩机示功图计算得到。可用仪器测得的压缩机示功图计算得到。压缩机的理论功压缩机的理论功N : 按等熵压缩过程消耗的功。按等熵压缩过程消耗的功。压缩机的指示效率压缩机的指示效率i ：补充概念：指示功（率）理论功（率）iNNi 指示效率指示效率 和机械效率和机械效率 的乘积通常称为压缩机的总效率的乘积通常称为压缩机的总效率，它能反映压缩机在某工况下运行时的各种损失。它能反映压缩机在某工况下运行时的各种损失。 轴功率轴功率 Shaft PowerShaft Power ， ： 压缩机的传动机构存在各种机械摩擦损失，如轴承、连杆压缩机的传动机构存在各种

18、机械摩擦损失，如轴承、连杆、活塞环等各摩擦件所消耗的功率、曲轴驱动油泵工作也需要、活塞环等各摩擦件所消耗的功率、曲轴驱动油泵工作也需要消耗功率，这些耗功率损失可用机械效率消耗功率，这些耗功率损失可用机械效率 来表示，相应的来表示，相应的功率为压缩机的轴功率。功率为压缩机的轴功率。bNmmimibNNNkWim补充概念：23lg p0h11 32 s24014010002102100/vmsiiimqhhqqvqQqwhhwwhhwPq w单位质量制冷量： 单位容积制冷量： 质量流量： 理论比功： 指示比动： 理论功率： 01000023/iiVmVVhiikkmkicccwcPPqq vqqQ

19、PQPqhhQq qttt指示功率： 容积流量： 理论容积流量： 制冷系数： 单位热负荷： 热负荷： 热力完善度： 例33:某单位现有一台106F型制冷压缩机，欲用来配一座小型冷库，库温要求为tc10，水冷冷凝器的冷却水温tw=30，试对循环进行热力计算。已知压缩机参数：缸径D100mm，行程S70mm，气缸数Z6，转速n1440r/min，蒸发器传热温差取t010，冷凝器传热温差取tk5，制冷工质为R22，蒸发器出口的过热度为5，管路过热为5，液体过冷温度为32，压缩机的输气系数0.6，指示效率i0.65，机械效率m0.9。lgp0h132s2410140102100000/vsiiiiqh

20、hqqvwhhwwqwqwk0循环特性： 压力比： p /p 单位质量制冷量： 单位容积制冷量： 理论比功： 指示比动： 制冷系数： 实际制冷系数： 10000/hVsVmVsmmimieimqqqqvq qq wq wPh2V2s121ik制冷机特性参数： 理论输气量： q =D SnZ 4 实际输气量： 制冷剂质量流量： 制冷量： Q 理论功率： P 指示功率： P 轴功率： Ph -h 冷凝器热负荷： h =h + Q =qm23(h -h )chapter 3 The Essense of Thermodynamics27三、单级蒸汽压缩制冷循环热力计算三、单级蒸汽压缩制冷循环热力计算1. 一台以一台以R134a 为工质的单级蒸汽压缩制冷为工质的单级蒸汽压缩制冷系统，蒸发温度为系统，蒸发温度为-20，冷凝温度为，冷凝温度为40，过热度过热度10 ，过冷度，过冷度5 ，试进行理论循环，试进行理论循环的热力计算。的热力计算。27chapter 3 The Essense of Thermodynamics28 2. 一台以一台以R134a 为工质的单级蒸汽压缩制冷为工质的单级蒸汽压缩制冷