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1、实用制冷空调讲座设计、维护人员都适用的从书（制冷编）举例解释P-h图与制冷系统2002年9月12日13日（社）日本冷冻空调学会 近畿地区事业推进委员会第1章 蒸气压缩式制冷循环基础11冷冻装置与制冷循环在制冷方法上,现在应用最多的是蒸气压缩式制冷法，即利用液体的汽化热进行制冷的方法。图1.1表示了蒸气压缩式制冷循环。在蒸发器内冷媒从被冷却物吸收热量，变成蒸气，从而产生了冷却效果。蒸发形成的蒸气被压缩机吸入、压缩成为高温高压的过热蒸气，然后流进冷凝器。在冷凝器被空气或冷却水冷却，产生冷凝液化，然后流进接液器（一般冷冻机上都配有，但空调上几乎不用）。通过膨胀阀时被逐步膨胀，压力降低，然后再次进入蒸
2、发器蒸发，冷却被冷却物。所以膨胀阀在起调节作用的同时还要保持冷凝压力处于所设定的数值。即冷媒在流经膨胀阀时，由于阻力作用，冷凝器与蒸发器间保持着压差。就这样冷媒通过反复的蒸发、压缩、冷凝、膨胀，将蒸发器吸收的热量通过冷凝器排到大气或冷却水中，从而将热量由低温部传到高温部。将这种冷媒流动一周称为制冷循环。热泵时的循环同图1.1完全相同，只是冷凝压力和蒸发压力同作为冷冻机工作时不一样。即冷凝压力必须提高到所需加热温度水平。另外蒸发压力是这样定下来的，即对应于能够从大气、排热、排水、井水等热源吸收热量的蒸发温度下的压力。1. 2压缩行程压缩机压缩冷媒蒸气时,蒸气压力增大,同时温度升高。假如压缩过程中
3、不对外散热，冷媒蒸气具有的能量比压缩前多增加了压缩功。把这种压缩称为绝热压缩。在理想的制冷循环中压缩是当作绝热压缩处理的。 现设绝热压缩前的冷媒蒸气比焓为h1（kJkg），绝热压缩后的冷媒蒸气比焓为h2（kJkg），冷媒流量为qm（kgh），压缩功为P（kJh）图1.1蒸气压缩式制冷循环Pqm（h2h1）（1）(1) 式中的能量就是每小时所需的。下面以KW单位来表示（1）式，则为Pqm（h2h1）3600（kW）（2） 实际压缩时压缩机的效率不是100%，所以所需的输入功大于计计算出来的值。另外，绝热压缩时压力P与比容V的关系表示如下 式中K称为绝热指数。根据以上，可以求出压缩机所做的压缩功。
4、对1Kg冷媒所做的压缩功为式中：P 1 ：吸气压力（Pa） P 2 ：排气压力（Pa） V1 ：进口蒸气比容（m3/Kg） 温度上升用下式表示： 式中：T 2 ：排气温度（K） T 2 ：吸气温度（K） K值增大，在同一吸气温度下， 排气温度升高。空气、氨气的温升较大，而冷媒的温升一般较少。K值是定压比热与定容比热之比：与绝热压缩相反,实际上压缩机气缸被水或空气所冷却,所以称为非绝热压缩。压力与比容的关系如下式所示：所以，压缩行程所做的功与（4）式相对，最终为： （n称为非绝热系数）1 3冷凝行程压缩行程中成高温高压状态的冷媒气流进冷凝器，在此被空气或水冷却，放出冷凝热，变成液体。冷凝器所放出
5、的热量包括冷媒在蒸发器内吸收的蒸发热和压缩机的压缩功。即冷凝热FK（KW）等于制冷量（蒸发器内吸收的热量）FO（KW）加上压缩机所需动力P（KW），按下式求得：FK= FO + P .(9)还可通过冷媒焓差和冷媒流量求出: qr: 冷媒流量(kg/s) h2: 冷凝器入口冷媒蒸气比焓(KJ/Kg) h3 冷凝器出口冷媒蒸气比焓(KJ/Kg) 另外,对于水冷式冷凝器可通过冷却水流量和冷却水出入口水温求出: qw: 冷却水流量(m3/s) VW: 比容(m3/Kg) CW : 比热(KJ/KgK) TO: 出水温度(K) Ti: 进水温度(K)对于空气冷却式冷凝器可通过冷却空气量(风量)冷却空气进
6、出口温度求出: FK=（qa/Va）Ca（TO- Ti） (12)qa : 冷却空气量(m3/S) Va : 比容(m3/Kg) Ca : 空气比热(KJ/KgK) TO : 出口空气温度(K) Ti : 进口空气温度(K)所以,空气、水被加热，温度升高，冷媒在此时的压力及对应温度下（饱和状态）冷凝。冷凝温度除冷凝器入口附近外（入口附近是过热气体）几乎一样。实际上在冷凝器出口附近的冷媒一般处于少许过冷却状态。 这样，压缩机输送的冷媒量与冷却水或空气的冷却作用取得平衡后，就会在一定的冷凝温度下运行。被液化的冷媒通常成5K左右的过冷液流出冷凝器。热泵时就是利用这种冷凝器内冷媒所放出的热量。14膨胀
7、行程膨胀行程就时在上述冷凝行程中被液化的高压冷媒输送到蒸发器之前的行程。在这一行程中需要降低冷媒压力。这个过程称为调压膨胀。膨胀阀、毛细管起这种作用。膨胀阀的膨过程是不可逆变化，冷媒不做任何功，也没有热量进出，所以也被称为绝热膨胀（几乎是等焓的）。此时压力、容积、温度变化较大。在图1.2中，对于基准温度为t0（）的饱和液，其比容为V0（m3/Kg），比焓为h0（KJ/Kg），设膨胀阀入口温度为t2（），比容为V2（m3/Kg），压力P2力（MPa），比热为CP(KJ/KgK)。在等压条件下，冷媒液的比焓为：h2=t0t2Cpdt+AP2(V2 V0)+ h0 (13)设干度为X，潜热为r(KJ
8、/Kg)，温度为t1（），则膨胀阀出口湿蒸气比焓为：h2, = X r+t0t1Cpdt+AP1(V1 V0)+ h0 (14)由于是等比焓变化，所以h2= h2, (15)进而得出 C p2(t 1 - t 2 )+AP1(V2- V1)=X r .(16)由于上式左边第2项可以忽然不计，于是从式（16）中就可以看出靠汽化热提供的冷媒的显热量。即冷媒液通过膨胀阀时压力下降，如图1.2所示一部分成为蒸气。由于失去部分蒸发热，冷媒液被冷却到压力P1下的饱和温度T1。其结果是膨胀阀出口的冷媒成为液体与气体共存的湿蒸气（干度X），然后输送到蒸发器。另膨胀阀作用是调节，因此蒸发器提供的膨胀阀所需的冷媒
9、量不能过少，以使膨胀阀兼有自动调节流量的作用。 图1.2膨胀行程冷媒状态1. 5蒸发行程蒸发器通过低温冷媒蒸发而起到冷却作用。因此，从膨胀阀输送过来的冷媒量、从外部进入蒸发器的热量及压缩机吸入量三者取得平衡后，即进入稳定运行状态。如果由外部吸收的热量较少，这时冷媒的蒸发量减少，压缩机的吸气压力下降。压力一变低，则吸入的冷媒蒸气比容变大，进入压缩机的冷媒质量减少。所以，制冷负荷（必要的冷冻能力）一变小，低压压力自动下降，压缩机能力（必需的压缩动力）也相应减少，于是在新的状态下重新取得平衡。正常作用的膨胀阀能适用制冷负荷的变化，供给适量的冷媒。所以，制冷装置会自动地保持平衡，进行运转。这样，将可自
10、动保持平衡的作用称为具有自行控制性。热泵时，冷凝器放出的热量是蒸发器从外部的吸热和压缩机耗费的能量之合。一旦蒸发器正常工作，但不戏收外部热量，那么，冷凝器的放热就不充分。这样，将向蒸发器供热的周围空气、水称为热泵的热源。蒸发器的制冷量可通过冷媒流量和蒸发器出入口焓差求得：qm: 流经蒸发器的冷媒流量(Kg) h4: 膨胀阀入口冷媒的焓(KJ/Kg) h1: 蒸发器出口冷媒的焓(KJ/Kg) 由于蒸发器内冷媒温度等于蒸发温度,假定入口温度与出口温度相同，制冷能力可通过下式求出:F0=KA(Tm- Te) .(16)A: 蒸发器传热面积(m2) K: 蒸发器热流密度(W/m2K) Tm: 被冷却流
11、体的平均温度(K) Te: 蒸发温度(K)另外，还可通过被冷介质的流量和温差求出:F0=Cqm (TW1- TW2) .(17)C: 被冷介质的比热(kJ/kgK ) qm : 被冷介质的流量(kg/S) TW1: 被冷介质入口温度 (K) TW2: 被冷介质出口温度 (K)将上述压缩、冷凝、膨胀、蒸发四行程称为制冷循环，归纳如图1.3所示。图1.3 制冷循环示意图1 6练习题（1）用公式表示出冷凝热量FK（kW）、制冷量F0（kW）、压缩机所需动力P（kW）三者之间的关系（2）设蒸发器冷媒流量为qm、膨胀阀入口冷媒焓为h1、蒸发器出口冷媒焓为h2，求蒸发器的制冷量，用公式表示（3）有一台制冷
12、能力为11.6KW的水冷式制冷装置，其耗电量为6KW，问冷凝器排出的热量是多少？另冷却水温度为25，流速为3000r/h，问冷凝器出口温度是多少？（答）（1） FK= F0+P（2） F0= qm（h2- h1）（3） 11.6+6=17.6kwW FK=( qw/Vw).Cw.(T0- Ti ) T0=( FKVw)/ (qwCw)+ Ti=(17.636001)/(30004.186)+25=30第2章 p-h图和制冷循环计算21 p-h图p-h图可以说是冷媒的地图，它表示了冷媒的热力学性质（压力、温度、热量等）。利用p-h图进行热计算，可以求得冷冻机的大小，制冷能力，冷凝热量。另外，通过
13、读取压焓图可以了解制冷装置的运行壮态。图2.1是p-h简图，纵座标表示压力，横座标表示比焓。这种p-h图由以下一些参数组成。组成图线有：等压线、等温线、等比焓线、等比熵线、饱和温度线、饱和蒸气线、饱和液线、等干度线，等比容线。有关p-h图组成，用图2.2的R22p-h图加以说明。（1）等压线等压线是与纵座标的压力刻度（对数刻度）成水平的线。位于等压线上的所有点，其压力是相等的（2）等温线等温线表示冷媒内处于同一温度的各点状态，位于等温线上的点其温度是相等的。在饱和液线和保和蒸气线之间的范围，冷媒压力与温度的关系是一定的。压力值确定后，温度值也就确定了。相反，温度确定的话，压力也就确定了。所以等
14、温线也就平行于等压线，因此等温线没有特别表示出来。但在饱和液线和饱和蒸气线上表示温度。图2.1 p-h图的组成图2.3 饱和液线和干饱和蒸气线图2.2 p-h图在图2.2左边液化冷媒区由饱和液线往上划等温线,就成了与等比焓线几乎平行的线。但在干饱和蒸气线的右侧，过热蒸气区域，等温线呈现少许弯曲状，向右下方延伸。（3） 等比焓线等比焓线是一条与图中横轴（比焓刻度线）成直角的垂直线。等比焓线上的所有点其比焓是相等的。0饱和液的比焓为200Kj/Kg。（4） 等比熵线在p-h图中从干饱和蒸气线向右的区域，有许多向右上严重倾斜的实线，这些线就是等比熵线。冷媒蒸气在绝热压缩时，其压力、温度、比容发生变化，该变化是沿等熵线进行的，称作等熵变化。（5） 饱和温度饱和温度表示在饱和液线和饱和蒸气线上，它表示了对应于饱和压力下的冷媒的饱和温度。例如1.564 Mpa的等压线与饱和液线或饱和蒸气线的交点就表示出该点的饱和温度为40。（6） 饱和蒸气线饱和蒸气线是p-h图中间偏右的曲线。它表示了冷媒由液态蒸发形成蒸气，即干饱和蒸气的状态。该线偏右的区域表示了所谓的过热蒸气，在同一压力下，过热蒸气
