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1、蒸汽压缩式制冷,第三章,本章内容,3.1 可逆制冷循环 3.2 单级蒸气压缩理论制冷循环 3.3 单级蒸气压缩实际制冷循环 3.4 制冷剂 3.5 采用混合制冷剂的单级蒸气压缩式制 冷循环 3.6 多级蒸气压缩制冷循环 3.7 复叠式制冷循环 3.8 CO2超临界制冷循环,3.1.1 压缩式制冷的热力学原理概述 3.1.2 逆卡诺制冷循环 3.1.3 劳伦茨循环,3.1 可逆制冷循环,制冷循环是利用逆向热力循环的能量转换系统，通过一定的能量补偿，从低温热源吸收热量，向高温热汇排放热量。,热源（heat source）： 流出热量的对象，制冷剂从中吸热。,热汇（heat sink）： 流入热量的
2、对象，制冷剂向其排热。,制冷循环的热力学本质： 用能量补偿的方式把热量从低温热源转移到高温热汇。,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,制冷循环可达到的效果 制冷制冷机 制热热泵,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,1 制冷机与热泵,性能系数(COP，Coefficient Of Performance)： COP=收益能量/补偿能量 COP的数值可能大于1、小于1或等于1。,2 性能系数和热力完善度,性能系数和热力完善度（或循环效率）是评价制冷 循环的经济性指标。,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,无量纲量,制冷系数,QH=Q0 +W COPH=COPR+1,供热系数,3.1.1蒸气压缩制冷
3、的热力学原理,热力完善度 ： 制冷循环与相同工作温度下可逆循环的接近程度 越大，循环性能越好，热力学不可逆损失越小； 越小，循环中热力学不可逆损失越大。,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,无量纲量,EER（Energy Efficiency Ratio）：能效比或能源利用系数. 与COP的区别在哪里？ 由于计算时采用不同单位，因此所得数值也不相同。例如： 制冷量 输入功率 kcal/h W EER=0.86 W W EER=1 BTU/h W EER=3.41 来源：采暖通风与空气调节术语标准 GB50158-92,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,COP或EER是指在标准条件下运行的能源
4、利用系数，实际上制冷机大都是在非标准条件下运行，因此美国能源部1977年提出了SEER（Seasonal Energy Efficiency Ratio季节能效比）。SEER比EER更合理。,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,SEER-季节能效比,蒸 发 温 度 冷凝温度 标准制冷量 -15 ？ 空调工况制冷量 5 ？ 房间空调器压缩机 ？ ？ 不指出运行条件的制冷量是没有任何意义的。 1USRT(美国冷吨)3.517kw 1日本冷吨3.861kW 1冷吨是指1吨0的饱和水在24小时冷冻到0的冰所需要的冷量（1吨（日本2000kg），美国2000磅）,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,室内
5、干/湿球温度：27/19,室外干/湿球温度：35/24,Carnot 循环,逆Carnot 循环,从高温热源吸取热量而实现对外做功：热机循环,将热量从低温热源中取出，并排放到高温热源：制冷循环,3.1.2 逆卡诺制冷循环,逆卡诺循环组成：,两个等温过程（无温差） 两个等熵过程（无摩擦）,2,3,1,4,q0,逆卡诺循环,TH,TL,S3,S1,S,T,过程名称、温度、吸放热方向 热量、功、COP,3.1.2 逆卡诺制冷循环,12 绝热压缩；温度从TLTH； 23 等温放热：温度保持TH ；向 高温热源放热QH； 34 绝热膨胀：温度从TH TL 41 等温吸热：温度保持T0；从 低温热源吸收热
6、量Q0；,3.1.2 逆卡诺制冷循环,2,3,1,4,q0,TH,TL,S3,S1,S,T,Q0TL（S1S4）TLS QHTH（S2S3）THS W= QH - Q0 =(TH -TL)S,室内温度：27,室外温度：35， 计算逆卡诺循环制冷系数 空调 逆卡诺循环制冷系数 （蒸发温度，冷凝温度确定方法）,循环效率COP,3.1.2 逆卡诺制冷循环,逆卡诺制冷循环性能系数特点,相同热源热汇温度下的制冷循环中最高 只与热源、热汇温度有关 随 变化， 越大，COP越小,用逆卡诺制冷循环评价制冷循环经济性的意义： 制冷循环的COP与热源、热汇温度有关 用COP评价制冷循环的经济性时，只有指明热源热汇
7、温度才有意义 循环效率可以直接评价各种制冷循环的经济性,3.1.2 逆卡诺制冷循环,例,某蒸汽压缩制冷过程，制冷剂在5K吸收热量Q0，在00K放出热量Qk，压缩和膨胀过程是绝热的，向制冷机输入的净功为 ，判断下列情况是： A.可逆的 B. 不可逆的 C .不可能的 （1） Q0 =2000kJ =400kJ （2） Q0=1000kJ Qk=1500kJ （3） =100kJ Qk=700kJ,该制冷过程是可逆的，选A,（1）,解：, + Q0 = Qk,3.1.2 逆卡诺制冷循环,该制冷过程是不可逆的，选B,该制冷过程是不可能的，选C,（2） Q0=1000kJ Qk=1500kJ,（3）
8、WN=100kJ Qk=700kJ,3.1.2 逆卡诺制冷循环,逆卡诺循环COP与热源热汇温度之间关系,此图如何作出的？,3.1.2 逆卡诺制冷循环,热源热汇是变温的 制冷剂吸、放过程也是变温的 循环构成： 等熵压缩 变温放热（无温差） 等熵膨胀 变温吸热（无温差）,可逆劳伦茨循环 变温热源热汇条件下热力学最理想的循环,3.1.3 劳伦茨制冷循环,可逆劳化茨循环的性能系数： 放热量： 吸热量： Tm、Tom吸放热过程的平均当量温差 输入功：w=q-q0 性能系数,3.1.3 劳伦茨制冷循环,小结 第一节 可逆制冷循环,制冷循环 如何评价制冷循环 逆卡诺循环 性能系数 性能系数与热源热汇温度关系
9、 劳论茨制冷循环,3.2.1 单级蒸汽压缩式制冷循环的特点及工作过程 3.2.2 制冷剂的状态图 3.2.3 单级蒸汽压缩式制冷理论循环,3.2 单级蒸汽压缩式制冷理论循环,组成特点 压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器 各自的作用 工作过程 冷凝温度冷却介质温度 蒸发温度被冷却介质温度 闪发蒸汽,3.2.1 单级蒸汽压缩式制冷循环的特点及工作过程,制冷剂状态图压力-比焓图,六条等值线 二条饱和线 三个状态区 一个临界点,h,3.2.2 制冷剂状态图,压焓图的构成,六条等值线 ： 等压线、等温线、等比焓线、 等比熵线、等比容线、等干度线 二条饱和线： 饱和蒸气线、饱和液体线 三个状态区： 液体区、湿
10、蒸气区、过热蒸气区 一个临界点：临界压力和临界温度,3.2.2 制冷剂状态图,温度-比熵图,五条等值线 二条饱和线 三个状态区 一个临界点,3.2.2 制冷剂状态图,逆Carnot 循环特点（蒸汽式）,COP = f (Tk, T0) 与制冷剂无关,用膨胀机完成绝热膨胀过程,两个等温两个绝热过程,COP逆Carnot =COP max,3.2.3 理论循环,热汇和热源的温度恒定，且制冷剂在相变过程中与热源（热汇）之间没有传热温差（蒸发温度为热源温度、冷凝温度为热汇温度） 制冷剂在蒸发器出口为饱和蒸汽、冷凝器出口为饱和液体； 制冷剂除了在压缩机和膨胀阀处发生压力变化外，整个循环的其它流动过程没有
11、压力损失 除热交换器外，制冷剂在整个循环的其他流动过程中与外界无热交换； 压缩过程为等熵过程； 节流过程为绝热节流过程。,蒸气压缩式制冷理论循环的假定,过热气体传热？,3.2.3 理论循环,3.2.3 理论循环,2.理论循环在状态图上的描述,两个等压过程 一个绝热压缩过程 一个绝热节流（非膨胀）过程,3.2.3 理论循环,2.理论循环在状态图上的描述,点1代表制冷剂进入压缩机的状态，它是对应于蒸发温度(压力)下的饱和蒸气。点1位于p0等压线(或T0等温线)与饱和蒸气线(等干度线x=1)的交点上。 点2表示经压缩机压缩后排出的制冷剂状态，也是制冷剂在冷凝器入口处的状态。过程线1-2表示制冷剂气体
12、在压缩机中的等熵压缩过程，有s1=s2。所以点2位于等熵线s1与等压线pk的交点上。大多数制冷剂饱和蒸气经等熵压缩后成为过热蒸气，点2为过热蒸气状态。,3.2.3 理论循环,2.理论循环在状态图上的描述,点3表示制冷剂在冷凝器出口处的状态，也是制冷剂节流前的状态。点3为饱和液体状态。冷凝器中的过程2-2-3是定压过程，过程2-2表示过热蒸气定压冷却到饱和蒸气的过程；过程2-3表示从饱和蒸气定压凝结到饱和 液体的过程。点2位于等压线pk与等干度线x=1的交点上；点3位于等压线 pk与等干度线x=0的交点上。,3.2.3 理论循环,2.理论循环在状态图上的描述,点4表示节流后的制冷剂状态，也是制冷
13、剂在蒸发器入口处的状态。点4为低压两相状态。3-4为节流过程，因为节流过程是绝热的，所以h3=h4；节流后压力达到蒸发压力，点4位于p0等压线与h3等焓线的交点上。,3.2.3 理论循环,2.理论循环在状态图上的描述,过程4-1表示发生在蒸发器中的定压蒸发过程。至此，完成一个理论循环过程。,理论循环各状态点和各过程特点,1：制冷剂进入压缩机状态（低温低压饱和气体） 2：压缩机排出的制冷剂状态（大部分为高温高压过热气体） 3：冷凝器出口制冷剂状态（常温高压饱和液体） 4：节流后制冷剂状态（低温低压湿蒸汽）,1-2：压缩机中 等熵压缩 2-3：冷凝器中 等压放热 3-4：节流阀 绝热节流 4-1：
14、蒸发器中 等压吸热,循环特性,已知条件： 制冷剂类型 蒸发温度，冷凝温度 求解量： 单位质量制冷剂制冷量 单位容积制冷剂制冷量 单位质量制冷剂消耗功率（比功） 单位容积制冷剂消耗功率（容积比功） 单位质量制冷剂冷凝热负荷 压力比 排气温度 循环性能系数（COP） 循环的热力完善度（或循环效率） 求解工具 ：压焓图,理论循环的制冷机性能计算,已知条件： 循环特性 压缩机的理论输气量 求解量： 制冷剂循环质量 制冷量 压缩机功率 压缩机性能系数,开口系统稳定流动热力学第一定律：,3.2.3 理论循环,3.理论循环的性能指标,q单位质量换热量 Wt技术功 Wu有用功,循环的性能特性,单位质量制冷量
15、单位容积制冷量 比功 容积比功 单位冷凝热负荷 压力比 排气温度 循环的性能系数 循环效率,q0=h1-h4 qzv=qk/v1 w=h2-h1 wv=w/v1 qk=h2-h3 =p2/p1=pk/p0 COP = qz/w =COP/COPc,3.2.3 理论循环,理论循环的制冷机性能指标,注意： 压焓图上的制冷剂是1kg ； 实际制冷系统关心的是，一定制冷剂流量 (m kg/s)下，能够制取的制冷量（kW）。,制冷压缩机性能,制冷剂的质量流量 制冷量 压缩机功率 压缩机的性能系数,qm=qvh/v1 0 =q0qm =qvhqzv P= qmw COP= 0/P,理论循环与理想循环比较,用膨胀阀代替膨胀机 液态制冷剂体积变化不大 ，所获得的膨胀功不足以克服机器本身的摩擦阻力 简化系统，便于根据负荷变化调节制冷剂流量。 冷凝器中过热气非相变传热存在传热温差,理论循环的作用和意义,是实际循环的基准和参照，用于分析研究实际循环的各种不完善因素和应作出改进 用于评价制冷剂在相同循环时的热力性能。 P73表3-1不同制冷剂热力性能比较,排除了机器设备本身的不完善 热源热汇温度一定，理论循环特性唯一的取决于制冷剂的热力性质,3.2.3 理论循环,不同制冷剂热力性能比较,为
