第二章 容积型制冷压缩机的热力学基础

第二章容积型制冷压缩机的热力学基础第1页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity在蒸气压缩式制冷机中应用最广泛使用数量最多单机功率范围宽广结构型式众多最常用：往复式压缩机容积型制冷压缩机：第二章容积型制冷压缩机的热力学基础第2页，课件共46页，创作于2023年2月往复式压缩机有关名词术语外止点（上止点）内止点（下止点）活塞行程（S=2R）气缸直径（D）50，70，100，125，170mm余隙容积VcSchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity外止点内止点第3页，课件共46页，创作于2023年2月余隙容积:

由于压缩机结构、制造、装配、运转等方面的需要，气缸中某些部位留有一定的空间或间隙，将这部分空间或间隙称为余隙容积

存在的部位：

1.活塞运动排气行程终了时，其端面与气缸端面之间的间隙；

2.气缸镜面与活塞外圆（从端面到第一道活塞环）之间的间隙；

3.

由气阀至气缸容积的通道所形成的容积。气阀本身所具有的容积，如阀座的通道、弹簧孔等（通道容积所占比例最大，环形间隙其值甚微）SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第4页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第一节单级往复式压缩机的理论循环研究理论循环的目的找出循环基本热力参数间的关系；找出提高循环指标的基本途径；确定循环的极限指标，用于评价实际循环完善程度。第5页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity几个假设条件:压缩机没有余隙容积；吸、排气过程没有压力损失；吸、排气过程中与外界没有热量交换；没有泄漏；压缩机在工作中没有摩擦损失。第一节单级往复式压缩机的理论循环由于理想工作过程不存在任何容积和能量损失。因此，对给定的压缩机而言，它就能达到输气量最大，而耗功量最小的状态。第6页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity1.

压缩机的理想工作过程吸气过程（d-a）当活塞自左死点（上止点）向右移动时，进气阀打开，排气阀关闭，初态气体吸入汽缸。气缸容积逐渐增大。当活塞到达右死点（下止点）时，进气阀关闭，吸气过程结束。PVda第7页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity1.

压缩机的理想工作过程压缩过程（a-b）（可逆绝热、等熵过程）活塞在外力推动下向左回行，此时进、排气阀处于关闭状态，缸内工作容积逐渐减小。制冷剂蒸汽被压缩，温度和压力逐渐升高。dab第8页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity1.

压缩机的理想工作过程dabc排气过程（b-c）

活塞行至相应于b态位置，气体压力升高到略高于排气腔中制冷剂压力时，排气阀打开，活塞继续左行，将处于排气压力的气体不断推出气缸，直至活塞到达左死点，排气过程结束。第9页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity

(1)气缸工作容积

当余隙容积为零，按压缩机进口吸气状态（Ps0,Ts0）计算，活塞移动一个行程所扫过的气缸容积Vp，即每一循环从气缸中排出的气体容积。2.

往复式压缩机的理论输气量(m3)DS第10页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity(2)理论容积输气量qvt(理论排量)

压缩机按理论循环工作时，单位时间内所能供给的按进口吸气状态换算的气体容积，与压缩机结构参数有关。

i—气缸数；n—转速，r/min(3)理论质量输气量qmt

vs0—吸气状态下的比容,

m3/kg理论排量由压缩机结构参数和转速确定，与制冷剂种类和运行工况无关。(m3/h)(kg/h)第11页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity3.压缩机消耗的理论功率研究依据：稳定流动能量方程

对准静、稳流过程，有：流经压缩机的气体作间歇性周期变化，但由于转速高，这种间歇性周期所需时间极短，在讨论的时间段内，压缩机进、排气可近似看作是稳定连续的。第12页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity3.压缩机消耗的理论功率几点说明：

■

压缩机消耗的理论压缩功为技术功；

■

过程无能量损失时（忽略），有：

■

对不同压缩过程，轴功的计算公式不同。可能进行的压缩过程：等温过程、等熵过程、多变过程。

第13页，课件共46页，创作于2023年2月三种压缩过程：SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第14页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity设活塞对气体所做的功为正值，压缩机一个气缸完成一个理论循环所消耗的理论功可用P-V图面积a-b-c-d-a求得；被压缩工质为过热蒸气，可将其视为理想气体；a-b为等熵压缩过程（绝热、可逆）。理论功计算第15页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity取等熵压缩过程的理论循环功为制冷压缩机的理论功Wts：对理想气体和实际气体：对理想气体：第16页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity压缩机消耗的理论功率制冷剂R717R22R502R134aR744k1.321.1941.1331.111.295*参考：吴业正，小型制冷装置设计指导，机械工业出版社

常用制冷剂的等熵指数：压缩机消耗的理论功率：(kW)第17页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第二节容积型压缩机的实际性能第18页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity

压缩机中的压力降

通过吸、排气截止阀的压力降；通过吸气过滤器的压力降；通过内置电动机的压力降（封闭式压缩机）；流过吸、排气管道和室腔的压力降；通过吸、排气阀和阀孔的压力降；通过内部消声器的压力降；通过内部分油器的压力降；通过单向阀的压力降等。

制冷剂的受热从内置电动机吸热（封闭式压缩机）；与压缩机中各种零部件的热交换；吸收从摩擦损耗所转换的热量，如润滑油等。

影响容积型压缩机性能的因素第19页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity气阀运动规律不完善带来的效率下降；制冷剂泄漏的影响；再膨胀的影响（余隙容积的影响）；压缩过程偏离等熵过程（由于压缩机内部阻力、机械摩擦和热交换，实际压缩过程为多变过程）；影响容积型压缩机性能的因素第20页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity压缩过程的过压缩和欠压缩（发生在具有固定内容积比的容积型压缩机中，如滑片式、螺杆式和涡旋式压缩机）；润滑油循环量的影响；压缩机的机械摩擦损失和内置电动机（封闭式压缩机）的电动机损失。影响容积型压缩机性能的因素第21页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第三节内容积比固定的压缩机

的内容积比效率第22页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity类型螺杆式压缩机涡旋式压缩机滑片式压缩机特点无吸、排气阀，属强制性吸排气；压缩终了压力取决于吸、排气孔口位置，与排气管中的压力无关；产生过压缩和欠压缩，导致功耗增加。1.内容积比固定的压缩机无气阀，吸排气孔口的启闭完全为几何结构所定，对于固定内容积比压缩机，由于其结构已定，就具有固定的内容积比，这与活塞式压缩机有很大区别。第23页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity内容积比Vi

指压缩机吸气终了、压缩刚要开始时的工作容积，与压缩终了刚要开始打开排气口时的工作容积间的几何比例关系，即吸气容积与压缩终了时的容积之比。内压力比εi—吸气终了和压缩终了时的工作容积；—吸气终了和压缩终了时汽缸中的压力；—压缩过程的多变指数。2.内容积比和内压力比第24页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity过压缩当压缩终了时气缸中的压力Pcyc大于制冷系统中排气压力Pdk，此时压缩机的内压力比ɛi大于系统运行中的压力比ɛ，即ɛi

>ɛ。此时,压缩机中的压缩过程发生过压缩(图2-2a)，产生等容膨胀额外功耗。欠压缩当Pcyc小于Pdk时，此时内压力比ɛ小于系统压力比ɛi，即ɛi<ɛ，压缩机中的压缩过程发生欠压缩(图2-2a)

，产生等容压缩额外功耗。3.过压缩和欠压缩第25页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity等容膨胀等容压缩2121第26页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity过压缩或欠压缩消耗的指示功：

不存在过压缩或欠压缩（εi=ε），指示功：4.内容积比效率ηvi第27页，课件共46页，创作于2023年2月内容积比效率ηVi

衡量具有固定内容积比的压缩机，在其内压力比不等于系统压力比情况下工作时，额外功耗损失的程度(2-10)（不存在过压缩和欠压缩的情况下所消耗的指示功,与出现过压缩和欠压缩的情况下每一循环所消耗的指示功之比。）SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第28页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第29页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity由于压缩机在运行中工况发生变化，系统压比ε总是等于εi是不可能的。对于具有固定内容积比的压缩机，选用一内容积比Vi，使其内压力比εi

略低于系统运行的平均压力比是比较合适的。第30页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity涡旋式压缩机

设置排气阀螺杆式压缩机

设置内容积比调节机构由于工艺过程要求制冷压缩机适应变工况运转，但定容积比的涡旋式压缩机不能适应变工况要求，因此需要设置排气阀，以防止变工况时产生过压缩或欠压缩造成的附加损失。有排气阀的排气角大小取决于冷凝压力（即排气压力）和气阀弹簧力，即可根据已知的内容积比反算得出。螺杆式压缩机内压缩终了的压力往往同排气管道的压力不相等，带来等容压缩或等容膨胀的额外功耗。有必要进行内容积比调节来实现压缩终了压力等于排气管道压力，以适应压缩机在不同工况下的运行。特别对于工况变化范围大的机组，如热泵机组，有必要实现内容积比随工况变化进行无级自动调节，如滑阀无级内容积比调节机构等。第31页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第四节

制冷压缩机的基本性能参数第32页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity1.实际输气量2.容积效率3.制冷量4.排热量5.指示功率和指示效率6.轴功率、轴效率和机械效率7.电功率和电效率8.性能系数

主要性能参数第33页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity1.

实际输气量（输气量）质量输气量qma在一定工况下，单位时间内由吸气端输送到排气端的气体质量,单位kg/h。容积输气量qva

按吸气状态的容积计算,单位m3/h。

主要性能参数(2-11)第34页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity(m3/h)理论输气量由压缩机结构参数和转速确定，与制冷剂种类和运行工况无关。式中，D—气缸直径,m;S—活塞行程,m;i—气缸数;n—转速，r/min。理论容积输气量（理论排量）第35页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity2.容积效率ηv

实际输气量与理论输气量之比。反映了容积型压缩机的气缸工作容积的有效利用程度。

主要性能参数(2-12)第36页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity3.制冷量Q0主要性能参数q0m—制冷剂在给定制冷工况下的单位质量制冷量,J/kg;q0v—制冷剂在给定制冷工况下的单位容积制冷量,J/m3。(kW)输气量不能直观的反映压缩机的制冷效果。压缩机的制冷量，就是压缩机在一定的运行工况下，在单位时间内被它抽吸和压缩输送的制冷工质在蒸发制冷过程中从低温热源（被冷却的物体）中所吸取的热量。

(2-13)第37页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity4.排热量Qh

压缩机制冷量和部分压缩机输入功率的当量热量之和，通过冷凝器排出。

主要性能参数(kW)h1－压缩机工质进口处的比焓，J/kg；Pel－压缩机的输入功率，kW;h2－压缩机工质出口处的比焓，J/kg；Qr－压缩机向环境的散热量,kW。

f：考虑到压缩机散热量的系数f＝0.75（小型机组）f＝0.9（大型机组）由能量平衡：(2-14)第38页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity5.指示功率和指示效率指示功率Pi

单位时间内实际循环所消耗的指示功。

Wi—每个气缸或工作容积的实际循环指示功，J；i

—气缸数;

n

—转速，r/min。

(kW)主要性能参数(2-15)第39页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity指示效率ηi

压缩1kg工质所需的等熵循环理论功wts

(J/kg)与实际循环指示功wi

(J/kg)之比。用于评价压缩机气缸或工作容积内部热力过程的完善程度。(2-16)Pts—压缩机按等熵压缩理论循环工作所需功率，kW。

Pi

—指示功率。

主要性能参数第40页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity6.轴功率、轴效率和机械效率轴功率Pe

原动机传到压缩机主轴上的功率。包括直接用于完成压缩机工作循环过程的指示功率Pi，以及用于克服压缩机中各运动部件的摩擦阻力和驱动附属设备的摩擦功率Pm。

(kW)摩擦功率指示功率轴功率主要性能参数(2-17)第41页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity轴效率ηe

等熵压缩理论功率Pts与轴功率Pe之比。用于评价主轴输入功率的利用完善程度，较适用于开启式压缩机。

主要性能参数(2-18)第42页，课件共46页，创作于2023年2月SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity机械效率ηm

指示功率Pi与轴功率Pe之比。用于评定压缩机摩擦损耗的大小程度。

由式(2-16)、(2