空调制冷第一讲制冷原理(压焓图)教程文件

第一(dìyī)讲制冷原理（压焓图）第一页，共60页。单级蒸气压缩(yāsuō)制冷循环1单级压缩制冷的理论循环(xúnhuán)2单级压缩制冷的实际循环(xúnhuán)3工况与性能第二页，共60页。1单级蒸气压缩制冷(zhìlěng)的理论循环1.1系统与循环1.2压焓图1.3制冷循环过程在压焓图上的表示1.4单级蒸气压缩式制冷理论(lǐlùn)循环的热力计算第三页，共60页。1.1系统(xìtǒng)与循环第四页，共60页。液体蒸发制冷构成循环(xúnhuán)的四个基本过程是：①制冷剂液体在低压（低温）下蒸发，成为低压蒸气②将该低压蒸气提高压力为高压蒸气③将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体④高压液体降低压力重新变为低压液体，返回到①从而完成(wánchéng)循环。第五页，共60页。压缩机:压缩和输送制冷(zhìlěng)蒸汽，并造成蒸发器中低压、冷凝器中高压，是整个系统的心脏。冷凝器:输出热量(rèliàng)的设备，将制冷剂在蒸发器中吸收的热量(rèliàng)和压缩机消耗功所转化的热量(rèliàng)排放给冷却介质。节流阀:对制冷剂起节流降压作用，并调节(tiáojié)进入蒸发器的制冷剂流量。蒸发器:输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却对象的热量，从而达到制冷的目的。第六页，共60页。1.2压焓图phThspx压焓图v第七页，共60页。第八页，共60页。等容线----向右上方倾斜(qīngxié)的虚线，比等熵线平坦；等温线----液体区几乎为垂直线。两相区内，因制冷剂状态的变化(biànhuà)是在等压、等温下进行，故等温线与等压线重合，是水平线。过热蒸气区为向右下方弯曲的倾斜线；等熵线----向右上方倾斜(qīngxié)的实线；等干度线----只存在于湿蒸气区域内，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近，视干度大小而定。等焓线----垂直线；等压线----水平线；第九页，共60页。1.3制冷循环(xúnhuán)过程在压焓图上的表示第十页，共60页。ph12345理论循环(xúnhuán)在p-h图上的表示ABCD12345A—压缩机；B—冷凝器；C—节流阀；D—蒸发器。单级蒸气(zhēnɡqì)压缩式制冷系统图第十一页，共60页。1.4单级蒸气压缩(yāsuō)式制冷理论循环的热力计算（1）压缩过程(guòchéng)为等熵过程(guòchéng)，即在压缩过程(guòchéng)中不存在任何不可逆损失（2）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度等于冷却介质(jièzhì)的温度，蒸发温度等于被冷却介质(jièzhì)的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值单级理论循环是建立在以下一些假设的基础上的：第十二页，共60页。（4）制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力(zǔlì)损失，忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管外介质之间没有热交换（5）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小，可以(kěyǐ)忽略不计，且与外界环境没有热交换（3）离开蒸发器和进入(jìnrù)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(jìnrù)膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体第十三页，共60页。hp12345理论(lǐlùn)循环在p-h图上的表示第十四页，共60页。

按照热力学第一定律，对于在控制容积中进行的状态变化(biànhuà)存在如下关系：这里，把自外界传入的功作为(zuòwéi)负值。（1-1）

压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器都可以单独作为一个(yīɡè)控制体进行分析。第十五页，共60页。(2)冷凝(lěngníng)过程：（1-3）

(3)节流过程：（1-4）

（1）压缩(yāsuō)过程:（1-2）

（4）蒸发(zhēngfā)过程：（1-5）第十六页，共60页。单位(dānwèi)制冷量可按式（2-5）计算。单位(dānwèi)制冷量也可以表示成汽化潜热r0和节流后的干度x5的关系：为了说明单级压缩蒸气制冷机理论循环的性能，采用下列(xiàliè)一些性能指标。

(1-6)

由式（1-6）可知，制冷剂的汽化潜热越大，或节流所形成(xíngchéng)的蒸气越少（x5越小）则单位制冷量就越大。单位制冷量第十七页，共60页。(2)单位(dānwèi)容积制冷量(1-7)对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环(xúnhuán)来说，理论比功可表示为(1-8)单级压缩蒸气制冷机的理论(lǐlùn)比功也是随制冷剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的。(3)理论比功第十八页，共60页。(4)单位(dānwèi)冷凝热单位（1kg）制冷剂蒸气在冷凝器中放出的热量，称为(chēnɡwéi)单位冷凝热。单位冷凝热包括显热和潜热两部分

(1-9)

比较式（1-5）、（1-8）和（1-9）可以看出，对于单级压缩(yāsuō)式蒸气制冷机理论循环，存在着下列关系(1-10)第十九页，共60页。(5)制冷(zhìlěng)系数对于单级压缩蒸气制冷机理论循环(xúnhuán)，制冷系数为

(1-11)

制冷(zhìlěng)系数愈大经济性愈好

在蒸发温度和冷凝温度相同的条件下：(6)压缩终温影响到制冷剂的分解和润滑油结炭。第二十页，共60页。(7)热力(rèlì)完善度单级压缩蒸气制冷机理论循环的热力完善度按定义(dìngyì)可表示为(1-12)这里εc为在蒸发温度（T0）和冷凝温度（Tk）之间工作的逆卡诺循环的制冷(zhìlěng)系数。热力完善度愈大，说明该循环接近可逆循环的程度愈大。第二十一页，共60页。2单级蒸气压缩式制冷的实际(shíjì)循环2.1液体过冷对循环(xúnhuán)性能的影响2.2蒸气过热对循环(xúnhuán)性能的影响2.3气-液热交换器对循环(xúnhuán)性能的影响2.4不凝性气体的存在对循环(xúnhuán)性能的影响2.5单级压缩实际制冷循环(xúnhuán)的热力计算第二十二页，共60页。上面所述的循环，是单级压缩蒸气制冷机的基本循环，也是最简单的循环。在实用上，根据实际条件对循环往往(wǎngwǎng)要作一些改进，以便提高循环的热力完善度。在单级制冷机循环中，这一改进主要有液体过冷、吸气过热及由此而产生的回热循环。第二十三页，共60页。2.1液体过冷对循环性能(xìngnéng)的影响将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温度的状态(zhuàngtài)，称为过冷。带有过冷的循环(xúnhuán)，叫做过冷循环(xúnhuán)。采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数都是有利的第二十四页，共60页。ph12345过冷循环(xúnhuán)在p-h图上的表示4’5’第二十五页，共60页。(1-13)(2)单位容积制冷量(3)理论比功（1）单位制冷量不变增加(zēngjiā)增加(zēngjiā)第二十六页，共60页。(4)单位冷凝热(5)制冷系数(6)压缩终温不变增加(zēngjiā)增加(zēngjiā)(1-15)(1-14)第二十七页，共60页。2.2蒸气(zhēnɡqì)过热对循环性能的影响压缩机吸入前的制冷剂蒸气的温度高于吸气压力(yālì)下制冷剂的饱和温度时，称为过热。具有吸气过热的循环，称为过热循环。下图示出了过热循环1-1’-2’-3-4-5-1的lgp-h图。图中1-1’是吸气的过热过程，其余与基本(jīběn)循环相同。第二十八页，共60页。ph12345过热循环(xúnhuán)在p-h图上的表示1’2’过热(ɡuòrè)循环分有效过热(ɡuòrè)和无效过热(ɡuòrè)两种情况第二十九页，共60页。(1-13)(2)单位容积制冷量（1）单位制冷量增加(zēngjiā)有效(yǒuxiào)过热循环有效过热循环：过热过程中产生的冷量也为被冷却(lěngquè)介质所吸收。？第三十页，共60页。(4)单位冷凝热(5)制冷系数？增加(zēngjiā)(1-15)(1-14)(3)理论比功(1-14)增加(zēngjiā)第三十一页，共60页。(6)压缩终温升高(shēnɡɡāo)图2-19有效过热的过热度对制冷(zhìlěng)系数的影响过热度R502R600aR290R134aR22NH3045.337.444.444.155.993.03073.965.772.172.986.3131.5第三十二页，共60页。(1-13)(2)单位容积制冷量（1）单位制冷量不变无效过热(ɡuòrè)循环无效过热循环：过热过程中产生的冷量没有被冷却介质(jièzhì)所吸收。减小第三十三页，共60页。(4)单位冷凝热(5)制冷系数减小增加(zēngjiā)(1-15)(1-14)(3)理论比功(1-14)增加(zēngjiā)第三十四页，共60页。2.3回热器对循环性能(xìngnéng)的影响

(1-20)

若不计回热器与环境空气之间的热交换，则液体过冷的热量(rèliàng)等于使蒸气过热的热量(rèliàng)，其热平衡关系为利用(lìyòng)回热使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换，使液体过冷、蒸气过热，称之为回热。第三十五页，共60页。第三十六页，共60页。ph12345回热循环在p-h图上的表示(biǎoshì)1’2’4’5’回热循环中各性能指标的变化完全(wánquán)同于过冷和无效过热循环。第三十七页，共60页。2.4不凝性气体的存在(cúnzài)对循环性能的影响积存于冷凝器；冷凝压力增加；压缩机排气压力升高；比功增加；制冷系数下降；压缩机容积(róngjī)效率降低；第三十八页，共60页。2.5单级压缩实际制冷循环的热力(rèlì)计算实际循环和理论循环有许多不同之处，除了压缩机中的工作过程以外，主要还有下列(xiàliè)一些差别：

1．流动(liúdòng)过程有压力损失。2．制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热交换。3．热交换器中存在温差。第三十九页，共60页。热交换及压力(yālì)损失对循环性能的影响（1）吸入管道(guǎndào)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，压力比增大，制冷系数(xìshù)下降。吸气管道中的热交换可视情况当作有效过热或无效过热来分析。第四十页，共60页。（2）排出(páichū)管道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(gǎibiàn)，仅仅是减少了冷凝器中的热负荷。排气管道中的压降会引起压缩机排气压力升高。第四十一页，共60页。（3）冷凝器到膨胀阀之间的液体(yètǐ)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，也可能水冷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(dǎozhì)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。压力降没有关系，只要没有气化。第四十二页，共60页。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(yǒuxiào)制冷量；若安装在室外，热量的传递使制冷减少，因而此段管道必须保温。压力降也没关系。（4）膨胀阀到蒸发器之间的管道(guǎndào)第四十三页，共60页。（5）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(tígāo)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。第四十四页，共60页。（6）蒸发器若保证蒸发器的出口压力不变，为克服蒸发器中制冷剂的流动阻力，必须提高进蒸发器时制冷剂的压力，这必然导致(dǎozhì)平均蒸发温度升高，传热温差下降。若保证传热温差不变，克服蒸发器中制冷剂的流动阻力，这必然导致压缩机的吸气(xīqì)压力下降，吸气(xīqì)比容增大，压力比增大，压缩机耗功增加，制冷量减小，制冷系数下降。第四十五页，共60页。（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变过程。另外，由于压缩机气缸中有余隙容积的存在，气体经过吸、排气阀及通道出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(gōnglǜ)增大。第四十六页，共60页。简化(jiǎnhuà)后的实际循环在p-h图上的表示ph2s345120第四十七页，共60页。下面(xiàmian)是按照这样简化后的循环的性能指标的表达式，各下标对应于图2-23所示的状态点。

（1-33）

这些同理论(lǐlùn)循环的计算完全一致。1．单位制冷量、单位容积(róngjī)制冷量及单位理论功第四十八页，共60页。

（1-34）上式中点2状态(zhuàngtài)的焓值用下式计算

（1-35）式中为压缩机的指示效率，它被定义为等熵压缩过程耗功量与实际压缩过程耗功量之比。2．单位(dānwèi)冷凝热第四十九页，共60页。3．制冷剂的循环(xúnhuán)流量

式中为制冷量，通常由设计任务给出。

（1-36）4．压缩机的理论功率和指示(zhǐshì)功率分别为（1-38）第五十页，共60页。5．实际(shíjì)制冷系数（1-39）6．冷凝器的热负荷(fùhè)

（1-40）式中为压缩机的机械效率。第五十一页，共60页。3单级蒸气压缩(yāsuō)式制冷机的性能及工况3.1蒸发温度(wēndù)对循环性能的影响3.2冷凝温度(wēndù)对循环性能的影响3.3制冷机工况第五十二页，共60页。ph345125’1’2’3.1蒸发温度对循环性能(xìngnéng)的影响当蒸发(zhēngfā)温度减小时：第五十三页，共60页。1、单位(dānw