制冷原理第4章

1、第四章 单级蒸气压缩式制冷循环胡凯2008.04.084.1 单级蒸气压缩式制冷的理论循环4.1.1 单级蒸气压缩式制冷系统与循环 蒸气压缩式制冷剂有单级、多级和复叠式等多种形式 . 压缩机所消耗的功（电能）起了补偿作用，使制冷剂不断从低温物体中吸热，并向高温物体放热，从而完成整个制冷循环 .蒸发器压缩机冷凝器节流阀流程图：1. 循环组成：压缩机：等熵压缩；冷凝器：等压放热；节流阀：绝热节流，等焓；蒸发器：等压吸热而制冷。2. “四大件”作用压缩机：“心脏”，压缩和输送制冷剂蒸汽；节流阀：节流降压，并调节进入蒸发器的制冷剂流量；蒸发器：吸收热量（输出冷量）从而制冷；冷凝器：输出热量。 4.1.

2、2 压焓图及温熵图一：压焓图 以绝对压力p为纵坐标以焓值h为横坐标 一点 :临界点K 两条状态线：左边的粗实线为饱和液体线，右边的粗实线为饱和蒸汽线 三区：饱和液体线的左边是过冷液体区，饱和蒸汽线的右边是过热蒸汽区， 六条参数线 ：等压线，等焓线，等温线，等熵线，等容线，等干度线 理论循环的压焓图压焓图的作用：确定状态参数表示热力过程分析能量变化二：温熵图 以熵为横坐标，温度为纵坐标。 一点 :临界点K 两条状态线：左边的粗实线为饱和液体线，右边的粗实线为饱和蒸汽线 三区：饱和液体线的左边是过冷液体区，饱和蒸汽线的右边是过热蒸汽区， 六条参数线 ：等压线，等焓线，等温线，等熵线，等容线，等干度

3、线 4.1.3 制冷循环过程在压焓图上的表示点1表示制冷剂进入压缩机的状态。 点2表示制冷剂出压缩机时的状态，也就是进冷凝器时的状态 。过程线1-2表示制冷剂蒸汽在压缩机中的等熵压缩过程 点3表示制冷剂出冷凝器时的状态 。过程线2-2-3表示制冷剂在冷凝器内的冷却（2-2）和冷凝（2-3）过程。 点4表示制冷剂流出节流阀时的状态，也就是进入蒸汽器时的状态。过程线3-4表示制冷剂在通过节流阀时的节流过程。 过程线4-1表示制冷剂在蒸发器中的气化过程。 4.1.4 单级蒸汽压缩式制冷理论循环的热力计算单位质量制冷量q0：1kg制冷剂在蒸发器内从被冷却物体吸收的热量 。 q0h1h5h1h4 单位容

4、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 。 qvq0 / v1（h1h5）/v1 单位冷凝负荷qk ：1kg制冷剂在冷却和冷凝过程中放出的热量 。 qkh2h4 单位理论压缩功w0 ：压缩机每压缩输送1kg制冷剂所消耗的压缩功 。 w0h2h1 4.1.4 单级蒸汽压缩式制冷理论循环的热力计算制冷系数0： 热力完善度 ： 4.1.4 单级蒸汽压缩式制冷理论循环的热力计算4.2 单级蒸气压缩式制冷的实际循环 4.2.1 实际循环与理论循环的差别 实际循环过程不是绝热过程 制冷剂气体在气缸中的压缩过程，存在着气体内部及气体与汽缸壁之间的摩擦、热交换

5、冷凝和蒸发过程都是在有传热温差下进行制冷剂通过管道、吸排气阀门和其它设备时存在压力损失。 实际循环的特点 压缩机内非绝热、可逆过程； 存在传热温差，过程不可逆； 改善循环：吸气过热和过冷节流、回热循环；系统存在节流损失 ；系统存在流动损失；系统存在不凝性气体。 4-1蒸发器 1-1蒸发器到压缩机 1-1压缩机吸气 1-2s压缩过程 2s-2s压缩机排气 2s-3冷凝器 3-4节流阀4.2.2 液体过冷对循环性能的影响1. 基本概念液体过冷：液体制冷剂的温度低于其压力所对应的饱和液体温度。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。 过冷循环：具有液体过冷的循环称为液体过冷循环。2.

6、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；制冷系统中设置回热器，采用回热循环。3. 热力分析单位制冷制冷量：q0h1h5单位理论压缩功：w0h2h1例4-2 试比较理论循环与过冷循环的性能。假定两个循环的冷凝温度tc均为40。蒸发温度te均为5，过冷循环中液体的温度由40过冷到35；两个循环的压缩机吸入状态均为蒸发压力pe下的饱和蒸气状态，工质为R22,制冷量Q0=50kW.过冷度越大，对循环越有利。单位质量制冷量提高耗功量不变制冷系数增大4.2.3 蒸气过热对循环性能的影响1. 基本概念蒸气过热：制冷剂蒸汽温度高于其压力对应的饱和温度。过热度：蒸汽过热后的温度和同压力下饱和

7、温度的差值。过热循环：具有蒸汽过热的循环称为蒸汽过热循环。有效过热：过热吸收热量来自被冷却介质，产生有用的制冷效果。有害过热：过热吸收热量来自被冷却介质以外，无制冷效果。2. 过热循环组成1-2 （压缩机）：等熵压缩；2-3 （冷凝器）：等压放热；3-4 （节流阀）：等焓节流;4-1 （蒸发器）:等压吸热 ；1-1 （过热）：等压传热3. 实现方法蒸发器面积大于设计所需面积（有效）；蒸发器与压缩机间的连接管道吸取外界环境热量而过热（有害）；连接管道吸取被冷却对象的热量而过热（有效）；系统中设置回热器（有害过热，但有过冷过程伴随）。 4. 热力分析（1）有害过热分析：单位压缩功增加单位制冷量不变

8、单位冷凝负荷增大进入压缩机的制冷剂比容增大压缩机的排气温度升高4. 热力分析（2）有效过热分析： 对循环是否有益与制冷剂性质有关。（3）实际运行中： 希望有适当的过热度。氨过热度58，氟利昂一般取可采取较大的过热度。4.2.4 气液热交换器对循环性能的影响1.回热循环 冷凝后的制冷剂液体与蒸发后的制冷剂蒸气进行热交换，实现液体过冷蒸气过热的制冷循环。2.实现方法：系统中设回热器。 3. 循环过程1-2（压缩机）：等熵压缩；2-3（冷凝器）：等压放热冷凝；3-3（回热器）：等压放热过冷；3-4（节流阀）：等焓节流；4-1（蒸发器）：等压吸热制冷；1-1 （回热器）：等压吸热过热。4. 热力分析单

9、位压缩功增加；单位制冷量增加；回热循环不一定能提高制冷系数；氨不采用回热循环；回热适合在氟制冷系统中使用。5. 优点利于压缩机运行，防止液击；提高压缩机输气系数；改善低温下压缩机的润滑条件。 4.2.5 热交换及压力损失对循环性能的影响 吸入管道 管道中的压力降始终都是有害的，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。 排出管道 热量由高温制冷剂蒸汽传给周围空气，它不会引起制冷循环性能的改变，仅仅是减少了冷凝器中的热负荷 管道中的压力降是有害的，它增加了压缩机的排气压力，因而增加了压缩机的压力比及比功，使得压缩机的容积效率降低，制冷系数下降 冷凝器到膨胀阀

10、之间的液体管道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 液体管路中的压力降会引起部分饱和液体的气化，导致制冷量降低 例45 假定离开贮液器的氨液温度为34，压力为1.35Mpa,垂直向上绝热流动，试确定该氨液变为饱和液体时所允许上升到高度。膨胀阀到蒸发器之间的管道 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，热量的传递将使制冷量减少，因而此段管道必须保温。 由膨胀阀到蒸发器之间的管道中产生压降是无关紧要的 蒸发器 假定不改变制冷剂出蒸发器时的状态，蒸发器中的压力降对循环的性能没有什么影响。 不改变蒸发过程中的传热温差，那么出蒸发器时制冷剂的压力便稍有

11、降低，吸气比容有所增大，压力比增高，制冷量减少，制冷系数下降。 冷凝器 假定出冷凝器的压力不变，必然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。压缩机 整个压缩过程是一个压缩指数在不断变化的多变过程。 压缩机气缸中有余隙容积存在，气体经过吸、排气阀及通道处有热量交换及流动阻力，气体通过活塞与气缸壁间隙处会产生泄漏等，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。 输气系数定义为压缩机的实际输气量与理论输气量之比 实际循环的制冷系数可表示为 单位制冷量q0与电动机的输入比功weL之比称为能效比，用EER表示 。 4.2.6 不凝性气体的存在对循环性能的影响

12、 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。 4.2.7 单级压缩实际制冷循环 4-1表示制冷剂在蒸发器中的蒸发和压降过程；1-1表示蒸气在回热器及吸气阀时的加热和压降过程；1”-2s表示压缩机内实际的多变压缩过程，2s-2s表示排气经过排气阀时的压降过程；2s-3表示蒸气经排气管道入冷凝器的冷却、冷凝及压降过程；3-3表示液体在回热器及管道中的降温、降压过程；3-4表示节流过程。图中1-2-3-4-1表示单级压缩机理论制冷循环过程。 4.3 单级蒸气压缩式制冷机的性能及工况4.3.1 单级蒸气压缩式制冷机的性能 蒸发温度对

13、循环性能的影响 单位容积制冷量 由于te的降低使蒸发压力pe随之下降，因而压缩机的吸气比容v1增大，使分母有较大改变，qv随te的降低而迅速下降，如图4-15所示。它意味着对一台给定的压缩机而言，随te的下降，制冷量将迅速下降 比容积功 理论比功w0=h2-h1随te的降低而增加，这是因为压缩机的增压力比随te的下降而增加所至，但由于吸气比容v1也随te的降低而增加，故比容积功w0v可能增加，也可能减少，无法直接判断出制冷机功率的变化规律。 制冷系数 蒸发温度te降低时，制冷系数是下降的 冷凝温度对循环性能的影响 单位容积制冷量 制冷机的制冷量随冷凝温度的升高而降低的。比容积功 缩机消耗的功率

14、是随冷凝温度的升高而增加的。 制冷系数 tc升高时，q0降低，w0升高，因而制冷系数急剧下降 制冷机工况 制冷机的制冷量、功率消耗及其特性均与蒸发温度和冷凝温度的高低有关。 压缩机的电动机一般应按最大轴功率工况的计算结果选配，以保证启动过程中能满足压缩机的负荷要求。但如果使用单位的运行工况比较固定，启动时采取一定的措施（如卸载装置）也可按运行工况选配电机。压缩机出厂时，机器铭牌上标出的制冷量一般是名义工况下的制冷量。对全封闭式压缩机而言，铭牌上标出的制冷量是标准工况下的制冷量，如果是专门为空调选配的压缩机，则铭牌上的制冷量为空调工况下的制冷量。例4-6 某空调用制冷系统,工质为氨,需要制冷量Q0=48KW,空调用冷水温度t0=10,冷却水温度tw=32,蒸发器端部的传热温差取te=5.冷凝器端部的传热温差取tc=8,试作制冷机的热力计算.计算中取液体过冷度tg=5,吸气管路有害过热度tr=5,压缩机的输气系数=0.8,指示效率i=0.8。 例47 某单位现有一台106F（6FS100型制冷压缩机，欲用来配一座小型冷藏库，库温要求为t0=-10，水冷冷凝器的冷却水温tw=30，试作运行工况下制冷机的热力计算。已知压缩机参数：缸径D=100mm，行程S=70mm，汽缸数Z=6，转速n=1440r/min，蒸发器的端部传热温差取t0=10，冷凝器的端部传热温差取t