蒸汽压缩式制冷-热泵系统的压焓图与性能图课件

2023/2/61“制冷空调技术提高与创新”继续教育讲座

第二讲

蒸汽压缩式制冷/热泵系统的压焓图与性能图

2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系2提纲预备知识压焓图（lgp-h图）的应用制冷装置的性能图及其应用总结2023/2/63第一节预备知识2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系5（水泵）农田灌溉与（热泵）建筑采暖80℃80m田中俊六.省エネルギーシステム概論（ヒートポンプとヒートパイプはまったく別物なのか？）热泵装置制取热量制冷装置制取冷量2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系6制冷机与热泵的相互关系相同点热力学原理相同（如：蒸气压缩式制冷原理）结构相同（四大主要部件+制冷剂）不同点使用目的（功能）不同制冷机：吸收蒸发潜热，降温、除湿热泵：释放冷凝潜热，升温二者可以构成独立的机器；也可集成为一台机器，通过自动控制部件转换制冷剂流向，改变机器的功能2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系7制冷机与热泵的相互关系2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系9蒸气压缩式制冷的应用领域蒸气压缩式是目前广泛采用的制冷方法制冷机类：电冰箱、冷藏柜、陈列柜、冷库、工艺冷水设备等热泵类：房间空调器、商用中央空调、水源热泵、多联机等2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系10小结制冷机与热泵可以独立成为设备，也可成为集成设备中国称之为“热泵”的设备主要是指集成设备目前，制冷机与热泵广泛采用蒸气压缩式制冷技术制冷机与热泵的设计、控制、运行与管理的理论基础是“压焓图”和“性能图”2023/2/611第二节lgp-h图及其应用2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系13压焓图（lgp-h图）的功能压焓图（lgp-h图）是分析蒸气压缩式制冷（热泵）循环的重要工具循环设计：构造各种制冷循环循环计算：计算制冷（热泵）循环，选配各部件容量循环分析：对已知系统进行热力分析清华大学建筑学院建筑技术科学系143区：过冷液体区饱和区过热蒸气区lgph制冷剂压焓图（lgp-h图）1点：临界点CC2线：饱和液线ф=0

饱和气线ф=1ф=0ф=1t6线：等压线等温线等比焓线等比熵线等比容线等干度线xhpsv清华大学建筑学院建筑技术科学系15单质/共沸/近共沸制冷剂压焓图（R134a）清华大学建筑学院建筑技术科学系17hCompressorCondenserReceiverpEvaporator制冷循环在压焓图上表示qkqowcB1、实际制冷循环中，制冷剂流量不是1kg/s，而是mkg/s；2、实际制冷循环存在各种压力损失。2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系18lgp-h图的应用举例1两相区以外的制冷剂状态点必须由两个独立状态参数才能描述例如：具有一定过热度的压缩机吸气状态（点1）可由压缩机吸气管上的压力表（p1）以及温度计（t1）读数，经制冷剂物性方程或lgp-h图来确定如果吸气状态位于两相区（点6）时，则不能直接确定干度x6采用节流方法使之降压（6→1）成过热蒸气（点1）根据p1和t1的读数确定出点1的状态再根据h6=h1原理求解压力为p0、比焓为h1的湿蒸气（点6）的干度x61234h6=h16当压缩机出现回液时，也可采取同样方法，以保证压缩机的安全2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系19lgp-h图的应用举例2当从贮液器至膨胀阀之间的高压液体管存在较大压力损失时，制冷剂容易出现沿程闪发①高压液体上升立管高度过高（重力损失）②管道过细及局部阻力部件过多③沿程吸热量过大重力损失的计算方法

lgph4'43pkp01'25'5注意：高压液体管有上升立管与下降立管，二者有何区别？2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系21请看广告——①L=120m,Z=50m,H=15m②L=100m,Z=50m③L=150m,Z=50m,H=15m①②③2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系22多联机具有作用域(or作用半径)?多联机的作用域作用域是指保证室内舒适性、同时保证多联机系统安全、稳定、高效运行的室内、外机组之间以及室内机组之间的最大管长L与最大高差Z安全性作用域舒适性作用域经济性作用域调节性作用域多联机作用域问题是四种作用域的交集多联机作用域问题是指导多联机系统设计、安装的重要理论基础LZ＋0－∆Z2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系23安全性作用域安全性作用域是指防止垂直液管内因重力作用而影响系统安全运行的室内、外机之间连接管的最大高差导致压力过高（超出设计允许压力）下降液管（例）导致制冷剂闪发上升液管与制冷剂种类有关与机组和连接管的耐压程度有关2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系25经济性作用域经济性作用域是指为防止由于吸、排气管摩擦阻力损失引起系统性能出现严重衰减而确定的室内、外机之间连接管的最大长度必须选定参考机组考察多联机EER、COP与参考机组的TEER、TCOP（包含水泵、风机盘管的耗功），确定经济性作用域与参考机组的能效水平和连接管的保温效果有关2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系26经济性作用域12341’2’2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系27调节性作用域调节性作用域是指为防止因管内摩擦阻力和液体重力作用的影响导致室内、外机调节能力下降所确定的并联蒸发器或并联冷凝器之间连接管的最大长度与高差换热器＋电子膨胀阀电子膨胀阀容量调节范围有限2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系29舒适性作用域舒适性作用域是指为防止室内蒸发器的蒸发温度超高或室内冷凝器的冷凝温度超低，以保证室内蒸发器除湿、冷凝器出风温度不致过低所确定的室内、外机组之间的最大长度和高差与经济性、安全性作用域密切相关2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系30舒适性作用域1234制冷运行制热运行2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系31多联机的作用域（计算结果）多联机类型作用域（m）连接管之间的关系R22多联机R410A多联机单冷型室内、外机组之间管长应L<100<200室内机与室外机之间的高差Z[-90，36][-140，64]室内机组之间的高差ΔZ<50<100热泵型室内、外机组之间管长应L<100<200室内机与室外机之间的高差Z[-33，36][-56，64]室内机组之间的高差ΔZ<20<25产品很少2023/2/6323.各种实用制冷装置的制冷循环——以采用开启式压缩机的一些实用制冷装置为例，介绍如何利用lgp-h图分析制冷循环2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系33预备知识制冷系统的COP=Qe/Pin封闭式压缩机为Pin；开启式压缩机Pin=Pe(轴功率)输入功率Pin电机损失电机效率ηe输出功率Pout轴功率Pe传动损失传动效率ηd压缩机摩擦损失、油泵耗功指示功率Pi摩擦效率ηm制冷剂泄漏、漏热指示效率ηi等熵压缩功率Pi等熵压缩功率Pth过/欠压缩损失有效压缩功率Pε内压缩效率ηε2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系34预备知识制冷量Qe输入功率PinCOP1234(当Mrev=Mrcom时)2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系35回热循环特点可提高压缩机回气过热度，防止液击、以利于提高带油速度高压液体得到再冷，可防止制冷剂沿程闪发对于某些制冷剂而言，回热是减小节流损失的重要措施膨胀阀蒸发器压缩机冷凝器回热器油分离器高压贮液器16254312738Δh6tkt045Δh回热器2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系36带蒸发压力调节阀的制冷循环应用场合利用一套制冷装置对不同库温要求的冷间进行降温此时，库温较高的冷间要求蒸发温度（或蒸发压力）高，以降低贮藏物的干耗28345tkt02,Mr276t01,Mr11pkp01p02膨胀阀2蒸发器2压缩机冷凝器蒸发压力调节阀高压贮液器132657膨胀阀1蒸发器148油分离器单向阀2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系37热气旁通制冷循环是小型制冷装置的容量控制方法之一，但性能较差可以将压缩机排气经热气旁通阀直接旁通到压缩机吸气管如果将热气旁通阀的出口接至蒸发器入口，即可解决旁通导致的吸气过热问题25341tkt06pkp0αMrMrMr(1-α)膨胀阀蒸发器冷凝器高压贮液器12654油分离器压缩机热气旁通阀αMrMrMrMr(1-α)32023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系38采用满液式蒸发器的制冷循环冷库用重力供液盘管式蒸发器空调用冷水机组的满液式蒸发器

25341tkt06pkp0x4x77膨胀阀蒸发器冷凝器高压贮液器12674油分离器压缩机气液分离器35H高压液体回热器浮球阀去压缩机水、载冷剂传热管液态制冷剂2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系39液泵供液制冷循环具有可实现远程输送制冷剂、蒸发器安装位置不受限制、强化管内换热、有利于顺利带油等优点2

6451tkt07pkp0x5x10109812113冷凝器高压贮液器114低压循环贮液器38579液泵自动旁通阀调节阀6121102膨胀阀蒸发器油分离器压缩机回热器2023/2/640第三节性能图及其应用2023/2/6411.制冷系统性能图理论基础2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系42简单制冷系统室内机室外机连接管压缩机气液分离器四通阀冷凝器蒸发器节流装置制冷系统主要设备（四大基本部件）2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系43制冷系统的性能？制冷系统设计根据系统的使用目的和给定的使用环境参数（实际使用地域或相关标准），确定设计工况，并根据设计工况选择和设计最佳的部件和自动控制设备制冷系统运行调节在实际使用中，外部因素与设计工况并不相同，需要对制冷系统进行调节、其性能将如何变化？什么是制冷系统性能？定义：制冷量、耗功率与外界参数、调控参数之间的关系制冷系统的性能2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系44制冷系统性能分析的理论基础压缩机冷凝器蒸发器节流装置采用图形法进行性能分析，简单、直观性能分析方法：

%仿真模拟

%图形法分析调节变量扰动因素2023/2/6452.定速压缩机制冷系统的性能图2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系46压缩机工作特性（1）2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系47压缩机工作特性（2）2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系48压缩机工作特性（3）＋2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系49冷凝器工作特性（1）根据能量守恒方程（冷却介质得热量＝冷凝器与制冷剂的换热量）当冷凝器结构确定后，冷凝负荷可描述为2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系50冷凝器工作特性（2）2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系51蒸发器工作特性（1）对于干工况而言，蒸发器的工作特性与冷凝器相似由此可见，水冷蒸发器与干工况运行时，其工作特性公式与冷凝器类似2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系52蒸发器工作特性（2）对于湿工况而言：同时发生能量和质量交换，推动力为比焓差（或湿球温度差）结构确定后，传热系数Kew变化大，故制冷量2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系53蒸发器工作特性（3）2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系54压缩冷凝机组（压缩机＋冷凝器）的工作特性由压缩机性能曲线和冷凝器性能曲线消去冷凝温度tc（内部参数）2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系55风冷式压缩冷凝机组的性能冷凝温度（℃）

(a)

70

60

50

40

30

20

冷凝温度（℃）

35

40

45

50

55

60

10℃

5

0

-5

冷凝器排热量（KW）

(b)

蒸发温度

A

制冷量（KW）

35

40

45

50

55

60

10℃

5

0

-5

60

50

40

30

20

10

蒸发温度

13

12

11

10

9

8

冷凝温度（℃）

35

40

45

50

55

60

10℃

5

0

-5

输入功率（KW）

(c)

蒸发温度

14

303025℃

35

40

进口空气温度25℃

35

40

进口空气温度25℃

35

30

40

进口空气温度

AA’A”aa’a”消去tc消去tcA’a’A”a”2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系56压缩冷凝机组工作特性相关结论1压缩冷凝机组的性能取决于压缩机和冷凝器的性能对于结构一定的压缩冷凝机组，其性能与冷却介质的流量、入口温度以及蒸发温度有关（性能标定时，必须规定冷却介质的入口温度和系统的蒸发温度）冷凝器性能曲线的斜率Qc/(tca-te)与FRAcKc三者乘积成正比，故设计时，传热面积与冷却流量介质取得过小，性能曲线平坦，制冷能力不能充分发挥2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系57压缩冷凝机组工作特性相关结论2在使用过程中，因下列因素造成冷凝器传热面积与传热系数降低，均使性能曲线变得平坦，机组冷凝温度升高，性能下降传热系数减小集尘、结垢、油膜；冷却介质流量减小等传热面积减小制冷剂充注量过多；存在不凝性气体等2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系58制冷系统[（压缩机＋冷凝器）＋蒸发器]的工作特性由（压缩机+冷凝器性能曲线）＋蒸发器性能曲线消去蒸发温度te

（内部参数）2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系59制冷系统[（压缩机＋冷凝器）＋蒸发器]的工作特性

蒸发器进口空气湿球温度蒸发器风量一定(6800m3/h)24

22

20

18

16

2422

1816℃消去te消去te20℃蒸发器风量一定(6800m3/h)蒸发器进口空气湿球温度=

2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系60制冷系统[（压缩机＋冷凝器）＋蒸发器]的工作特性2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系61制冷系统工作特性相关结论制冷系统（制冷机组）的性能取决于压缩机、冷凝器和蒸发器的性能对于给定的制冷机组，其性能取决于冷却介质与被冷却介质入口温度（或湿球温度）和流量（性能标定时，必须规定上述介质的温度）影响压缩冷凝机组性能的因素直接影响制冷机组性能，规律也相同2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系62制冷系统工作特性相关结论蒸发器性能曲线的斜率Qe/(teaw-te)与FRAeKew三者乘积成正比，故设计时，传热面积或被冷却介质流量取得过小，性能曲线平坦，制冷能力不能充分发挥运行过程中，如果蒸发器因下列原因造成传热面积与传热系数减小，蒸发器的性能曲线将变得平缓，系统的蒸发温度必定降低，制冷能力得不到充分发挥传热系数减小结垢、油膜；结冰、结霜；被冷却介质流量减小等传热面积减小节流装置：毛细管过长、膨胀阀过小，造成过热度过大；冰堵、脏堵；存油等2023/2/6633.变容制冷系统的性能图2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系64变容量制冷系统的工作特性变容量制冷系统最基本的特征是压缩机的排气量Vh可以调节（简称变容量压缩机）变容量压缩机：变速（如变频f）或变行程等压缩机的性能描述2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系65蒸发温度（℃）冷凝温度（℃）f1f2f3f1f2f3tc1tc2tc3te3te2te1性能图分析方法1c1

e1

e2c2

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e1’e

Eb

Bd

Dc

Cf

Fa

A2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系66性能图分析方法2f3f2f1TQee11

teaw

te12’e22

te2’e1+e233’3”

te3’2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系67性能图分析方法3Qee1+e23BAC3’3”Tteaw2

te1f3f2f1e1e221

teaw12’2023/2/6清华大学建筑学院建筑技术科学系68例如：多联机的经济性作用域分析方法配管长度影响—室内机能力降低制冷量蒸发温度t0tet′t″压缩机性能曲线室内机（总和）室内机1（最近）室内机2（最远）吸气管阻力QeQ0q1q2p122023/2/6清华大学建筑学院