4 冷热源工程 第四章 蒸气压缩式制冷循环的性能

冷热源工程（第4版）普通高等教育建筑环境与能源应用工程系列教材重庆大学出版社主编：龙恩深

蒋星池

第四章蒸气压缩式制冷循环的性能心系人间冷暖、服务国家战略蒸气压缩式制冷循环的性能1、理解蒸气压缩式制冷循环的改善方法及实际循环。2、了解多级压缩式制冷循环及复叠式循环。3、掌握蒸气压缩式制冷压缩系统的性能评价。4、掌握影响蒸气压缩式制冷系统性能的内在参数。5、了解影响蒸气压缩式制冷系统性能的外在因素。本章学习目标：在前面的循环分析中做了一些假定，构成了蒸气压缩的“理论循环”。事实上，它与实际循环之间存在着许多差别。例如，理论循环没有考虑制冷剂液体过冷和蒸气过热的影响；压缩机中的实际压缩过程并非等熵过程；冷凝和蒸发过程中存在着传热温差等。4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环1、液体过冷制冷剂节流后湿蒸气干度的大小直接影响到单位质量制冷量的大小。在冷凝压力一定的情况下，若能进一步降低节流前液体的温度，使其低于冷凝温度而处于过冷液体状态，则可减少节流后产生的闪发蒸气量，提高单位质量制冷量。

具有液体过冷的制冷循环1—压缩机;2—冷凝器;3—贮液筒;4—过冷器;5—节流阀;6—蒸发器4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环

由图可看出：此式说明过冷循环增加的制冷量等于液态制冷剂放出的热量。过冷度越大，单位质量制冷量也越大，而循环的压缩功并未增加，故液体过冷的制冷循环的制冷系数提高了。但必须增加工程初投资和设备运行费用。1、液体过冷4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环1、液体过冷液体过冷实现方式有三种：①对于冷冻冷藏等（蒸发温度较低）的制冷系统，单独设置再冷却器②对于空调用制冷系统（蒸发温度较高）适当增大冷凝器面积，使冷却介质与制冷剂呈逆流换热，以实现再冷。③采用回热循环。在制冷循环中，压缩机吸入蒸气处于过热状态，如图：具有蒸气过热的制冷循环4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环2、蒸气过热及回热循环在相同压力下，蒸气过热后的温度与饱和温度之差称为过热度。由图可知，蒸气过热循环在单位质量制冷量相同情况下会使单位压缩功增加，从而导致冷凝器的单位负荷增加，进入压缩机蒸气的比容增大，单位容积制冷量减少，制冷装置的制冷能力和制冷系数都将降低。分析说明，吸入蒸气在管道内过热是不利的，称为有害过热。蒸发温度越低，蒸气与周围环境空气间的温差越大，有害过热也就越大。利用气-液热交换器（又称回热器）使节流前的常温液态工质与蒸发器出来的低温蒸气进行热交换，这样不仅可以增加节流前的液体过冷度提高单位质量制冷量，同时保证压缩机吸入一定过热度的蒸气。回热循环1—压缩机;2—冷凝器;3—回热器;4—节流阀;5—蒸发器4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环2、蒸气过热及回热循环常采用的循环称为回热循环，如图：

在无冷量损失的情况下液体放出的热量应等于蒸气所吸收的热量，即为回热器的单位热负荷：

4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环2、蒸气过热及回热循环回热循环的单位制冷量和单位压缩功都比理论循环增大，因而不能直接判断制冷系数是否提高。小型氟利昂空调装置一般不单独设回热器，而是将高压液体管与低压回气管包扎在一起，以起到回热的效果。不同种类的制冷剂在压力比增大后的节流损失和过热损失。为了改善大压力比对制冷循环带来的不利影响，采用双级或多级压缩的循环是有效的措施。多级压缩制冷循环4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环3、多级压缩制冷循环多级压缩制冷循环虽然可以提高循环的制冷系数，却要增加压缩机等设备的投资和系统的复杂程度，一般在压缩比pk/p0大于8时采用，且多采用双级压缩。1）采用中间冷却器的双级压缩制冷循环4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环完全中间冷却不完全中间冷却2）采用闪发蒸气分离器的双级压缩制冷循环4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环为了降低冷凝压力，就必须附设人造冷源，使这种制冷剂冷凝，这就是所谓的复叠式蒸气压缩制冷。1）复叠式制冷循环4、复叠式制冷循环4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环2）内复叠式制冷循环实际循环与理论循环的差异，主要表现在设备与管道中均有流动阻力，与外界的热交换。5、蒸气压缩式制冷的实际循环4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环吸入管道中的热交换和压力降直接影响到压缩机的吸入状态。压力降使得吸气比容增大、单位容积制冷量减少、压缩机的实际输气量降低、压缩功增大、制冷系数下降。1）吸入管道压缩机的排气温度均高于环境温度，向环境空气传热能减少冷凝器热负荷。管道中的压力降增加了压缩机的排气压力及功耗，使得实际输气量降低、制冷系数下降。

4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环2）排气管道如果管路中部分液体气化，则会导致制冷量下降。冷凝温度低于环境空气温度，都引起液体气化。引起管路中压力降的主要因素在于液体流动高度的变化。因此希望出冷凝器的制冷剂液体带有一定的过冷度，避免因液位差而出现的气化现象。4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环3）冷凝器到膨胀阀之间的液体管道热量的传递将使制冷量减少。管道中的压力降对性能没有影响。因为压力的降低无论发生在节流机构本身，还是发生在管路中，是没有区别的。

4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环4）膨胀阀到蒸发器之间的管道改变蒸发过程中的平均温度，则出蒸发器时制冷剂的压力应稍有降低，吸气比容增大，压缩比提高，这样将导致制冷量减少、制冷系数下降。4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环5）蒸发器假定出冷凝器时制冷剂的压力不变，为了克服冷凝器中的流动阻力，必须提高进冷凝器时制冷剂的压力，必然导致压缩机排气压力升高，压缩比增大，压缩机耗功增大，制冷系数下降。4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环6）冷凝器冷凝器和蒸发器中传热温差的存在会使循环的制冷系数下降，但不会改变制冷剂状态变化的本质，只是使实际的冷凝压力比理论循环的冷凝压力高，蒸发压力则比理论循环的蒸发压力低。4.1蒸气压缩式制冷循环的改善和实际循环7）冷凝、蒸发过程单级蒸气压缩制冷实际循环1）蒸气压缩式制冷的工况由蒸气压缩式制冷循环构成的制冷系统，制冷机在确定的条件下运行时，其性能即确定，这个运行条件包括5个因素，即蒸发温度t0,冷凝温度tk,过冷温度tg,吸气温度tn，压缩机所在环境温度te，这样的一组参数常称为制冷机的运行工况。4.2蒸气式压缩机制冷的性能1、蒸气压缩式制冷的工况及性能参数

2）蒸气压缩式制冷的性能参数（1）制冷量

（2）耗功量1）性能系数COPc（CoefficientofPerformance）和EER（EnergyEfficiencyRatio）

4.2蒸气式压缩机制冷的性能2、评价性能的表征参数

2）综合部分负荷性能系数（IPLV,IntegratedPartLoadValue）

A—100%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度30℃/冷凝器进气干球温度35℃；B—75%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度26℃/冷凝器进气干球温度31.5℃；C—50%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度23℃/冷凝器进气干球温度28℃；D—25%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度19℃/冷凝器进气干球温度24.5℃；3）电冷源综合制冷性能系数（SCOP,SystemCoefficientofRefrigerationPerformance）对于采用冷却塔、风冷或蒸发冷却的空调冷源系统，评价整个冷源系统的能效水平时，引入电冷源综合制冷性能系数（SCOP），是指设计工况下，电驱动的制冷系统的制冷量与制冷机组、冷却水泵及冷却塔净输入能量之比（不包括冷水泵）。电冷源综合制冷性能系数考虑了机组和冷却水输送设备及冷却塔的匹配性，相对全面地反映了冷源系统中主要耗能设备选型的合理性。4.2蒸气式压缩机制冷的性能4）其他4.3影响蒸气压缩式制冷机组性能的运行工况1、运行工况及影响制冷机工作参数（即蒸发温度、冷凝温度、过冷温度、吸气温度）常称为制冷机的运行工况。压缩机的性能要随蒸发温度和冷凝温度的变化而变化，其中蒸发温度的变化对性能的影响更大。

当工作温度发生变化时，循环的单位质量制冷量、单位压缩功、制冷剂的循环量都将变化，从而制冷机的制冷量、功率消耗等也相应改变。在给定冷凝温度及蒸发温度的情况下，制冷量及理论功率可分别由下式求出。分析蒸发温度对循环性能的影响时，假定冷凝温度不变，这种情况相当于制冷机在环境条件一定时用于不同目的或制冷机启动运行阶段。

蒸发温度对循环性能的影响

4.3影响蒸气压缩式制冷机组性能的运行工况2、蒸发温度对循环性能的影响蒸发温度降低：1）单位质量制冷量减小(q'0<q0)；2）压缩机吸气比容增大了(v'1>v1)，因而单位容积制冷量及制冷系数都在减小;3）单位压缩功增大了(w'0>w0)。以上分析可知，当冷凝温度为定值，随着蒸发温度下降，制冷机的制冷量减小，功率变化则与压缩比有关。

4.3影响蒸气压缩式制冷机组性能的运行工况在分析冷凝温度对循环性能的影响时，假定蒸发温度不变，这种情况属于用途既定的制冷机在不同地区和季节条件下运行。4.3影响蒸气压缩式制冷机组性能的运行工况3、冷凝温度对循环性能的影响冷凝温度对循环性能的影响

蒸发温度不变，冷凝温度上升。当冷凝温度提高：1）循环的单位质量制冷量减少了(q'0<q0)；2）单位压缩功增大了(w'0>w0)；3）虽然进入压缩机的蒸气比容v1没有变化,但由于q0减小为q'0，单位容积制冷量qv也减少了，制冷系数下降。综上所述，随着蒸发温度的降低，制冷循环的制冷量、制冷系数均明显下降。因此，在运行中只要能满足被冷却物质的温度要求，总希望制冷机保持较高的蒸发温度，以获得较大的制冷量和较好的经济性。由于冷凝温度的升高会使制冷循环的制冷量及制冷系数下降，故运行中要尽量选用温度较低的冷却介质以降低冷凝温度，提高循环的经济性和安全性。4.3影响蒸气压缩式制冷机组性能的运行工况制冷机的性能曲线：不同温度下制冷量和功率消耗的变化曲线。工程中常利用这种性能曲线作为选择制冷压缩机的依据。

4.3影响蒸气压缩式制冷机组性能的运行工况节流机构可将冷凝器或贮液器中冷凝压力下的饱和液体（或过冷液体）节流降至蒸发压力和蒸发温度；同时，可调节流量的节流机构如热力膨胀阀、电子膨胀阀等具备调节流量的能力，来适应负荷变化。这种调节流量的反应速度及调节原理，影响制冷系统的循环性能。

4、节流机构对循环性能的影响4.3影响蒸气压缩式制冷机组性能的运行工况在空调中应用的制冷机主要有：一种由空气带走热量排放到外界空气环境中，另外一种由水带走热量，并以循环的方式排放到大气、水体或者土壤中等。从制冷机组的运行性能角度，接收这些排热的环境状态会影响制冷机组的性能。4.4影响性能的环境因素1、空气干球温度对于风冷式冷水机组及其他以空气为直接换热介质的制冷机组，室外环境空气干球温度是影响制冷机组性能的因素。对于利用冷却塔排放冷凝热的空调用制冷机组，冷却塔所在环境的空气湿球温度是影响冷却水出水温度的一个因素。省份城市湿球温度干球温度出水温度陕西延安22.127.228.97甘肃兰州19.327.227.35甘肃酒泉1827.225.69甘肃武都21.928.528.81宁夏中宁20.928.228.06内蒙古赤峰21.927.628.83宁夏银川21.227.328.37甘肃天水21.327.128.62四川西昌21.127.128.26甘肃民勤18.427.126.49冷却塔的出水温度受到干湿球温度的影响，当干球温度一定时，湿球温度越低，冷却塔出水温度越低；当湿球温度一定时，干球温度越低，其出水温度也相对较低。4.4影