制冷技术讲座_五_第四讲蒸气压缩式制冷机的工作原理

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1、制冷技术讲座?五? 第四讲蒸气压缩式制冷机的工作原理 尉迟斌 第一节蒸 气压缩式制 冷机的基本构成部件 蒸气压缩式制冷机是由压缩机 、 蒸发器 、 冷凝 器和节流阀四个主要部件构成的 。 这些部 件通过管路联接成一个封 闭的回路 , 制冷工质一制冷剂在其中循环流动 , 不断产 生状态的变 化 , 从而达到制 冷的 目的 。 压缩机是从外界输入能量以完成将制冷剂从低压 压缩至高压的机器 , 按其结构型式和工 作原理来划分有活塞式 、 离心式 、 螺杆式 、 旋转式等类 型 。 图 是单级蒸气压缩式制冷循环 的 示意图 。 蒸发器 、 冷凝器是齐 种 型式 的热交换设备 , 前者 的功 能是使制

2、冷剂从低 温 热 源一冷 盐水 、 冷藏或 冷冻物品以及 冷库 等 取出热量 ! 后者 则是将经 过压 缩机压缩后提高了温度 的制 冷剂 中的热量排送 到 高 温 热 源一冷 却水 或 大气 中去 。 节流阀或称膨 胀 阀 , 其功 能是 将高压高温的制 冷剂减压降温 , 以维持压 缩 机前 后制冷剂 的压力差和温度差 , 使 制 冷循环能不断进行 。 仪措 气” 之 ,心 # 千于何 % % % 。, 可用,一图中蒸发过程线下 的面积 。 二 。? 一戈 。? 千卡公斤 千卡公斤 ? ? ?(? 计算 在蒸发温度, 。时制冷剂的蒸 发潜热 千卡公 斤 。一节流后湿 蒸气的干度 公斤公 斤 另

3、一个经常被引用的概念一单位容积制冷量 是表示每 米 , ?按压缩机吸气状态点 ?制冷剂蒸气所产 生的制冷量 , 它可以很方便地 由 换算得到 0 。 幻一 0 甘,一一一 千 卡 米 “ ?5? 式中 0 制 冷剂蒸气在吸气状态点 的比容米 “ 公 斤 由? ? 、 ?5?式可以看出 , 同一种制冷剂其 及叭与蒸发温度, 。 和节流前液态制冷 剂的温度, 有关, 当, 降低时 , 。 ! 值增大 , 则减小 。 由于各种制冷剂在 同一, 。 下 的。 , 值 不相 同 , 其单位 容积制冷量 , 因而也不 同 。 。、 可以根据制冷剂的热力性质表或图查 得的数值计算出来 。 在有些资料中还 可

4、以直 接读出不 同温度范围内的 值 , 那就更方便了 。 ( 制冷剂蒸气在压缩机中的绝热压缩过程 理想 的 一可逆 绝热 压缩 过程是一个等嫡过程 , 如 图 ( 中的过程线 一 ( 所示 0 压缩机吸入 的是干饱和蒸气 , 经过绝热压站到终点时已成为过热燕气 ( 。 压缩 公斤制冷剂蒸气所消 耗的功称为单位功 , 用符号 。 ?公斤 米公斤 ?表 示 。 当循环 中是通过节流 阀以降低制冷剂 的压力 、 温度时 , 由于节流过程中制冷剂不 对外作功 , 因而循环 的单位功 和压缩机的单位功 是相等的 。 在犷一图中可用面积 一 ( 一5一理一一 表示 , 在 勺夕一图 !, 则可用 、 (

5、两点 的横座标差来示 。 并且可以看出 0 循 环 的单位功随冷凝温度, 和蒸发 温度, 而定 , 对于不同 的制冷剂在工作温度相同的条件下 其单位功也 不相同 。 单位功 可根据压缩的起 、 终两点的始差进行计算 0 月? 。 二+0 一+, 千卡公斤 ?6? 式 中 0 月 功 的热 当量 , 为 6 ( 千卡公 斤 米 。 + , 、 ( 的数值可在,一图或勺一+图 3三查得 。 5 制冷剂蒸气在冷凝 器 , % , 定压冷凝放热过程 制冷剂 的过热蒸气 ?点(?在冷凝 器 %, 先除去 过热量冷却成干 饱和燕气 , 然后继续冷凝 为饱和液体 。 这 一 过程 如 图 之中的(一5一6

6、所示 。 一 公斤制冷剂在冷凝器中放出的热量 , 称 为单 位冷凝 热量 , 用吼表示 。 在,一图中可用 面积 一起向高温热源转移 。 6 液态 制 冷剂的节 流 过程 高压液态制冷剂的减压降温过程6一 : 是一个节流过程 。 由热力学原理知道蒸汽节流前 后 的烩值不变 , 即 一 9 ? 在已知节流前制冷剂的压力 和始+以及节流 后的压力。时, 即可由+ 。 等大 含线与 夕 。 等压线的交点 : 确定制冷 剂节 流后的状态点 。 由于节流过程进行得很快 , 制冷剂与外界来不 及进行热量 的交换 , 因此 可看成是绝热过程 。 但是制冷剂流过突然缩小 的阀门通道 时 , 产生 摩擦 、 涡

7、流等阻力损失 , 压力下降 , 因此是一个不可逆的嫡增过程 , 而阻力损失 产生的热量 使得一部分 液态制 冷剂气化 , 因而节 流后的制冷剂成为具有一定干度的湿 后的状态点是在湿蒸气区的原 因 。 另外 , 由于节流过程制冷剂液流发生扰 , 这就是节 流 其热力状态 不 稳定 , 因此这个过程不能在热力图上明确表示出来 , 只好用一条虚线6一:表明其始 、 终状 态 。 这里顺便讲一下力 什么杰气压缩制冷循环要采用等烩节流来减压降温 , 而不采% # 等嫡膨 胀来减压降温的问题 。 如图5所示 0 高压液态制冷剂进入膨胀机的气缸内绝热膨胀?过程6一 ? , 也能达到 渗 认卜 七 叱半 月

8、灯 , 引勺 左 一 # 图 5 减 压降温的目的 , 而且制冷剂膨胀时还能推动活塞 , 产生膨胀功 。 若将膨胀机的活塞与压缩 机的活 塞用一根活塞杆连 接起来 , 这部分能量还能用 于压缩气体 , 就是说可以籍此回收一部 分能量 。 同 时由于 绝热膨胀终点的蒸气干度小于等焙膨胀终点的干度 , 因而制冷剂从 点开始蒸发到 点的制冷量比从: 点开始蒸发到 点的制冷量大面积 7一 = 一:一所表示 的热 量 。 因此 , 采用绝热膨胀的循环可获得较大的制冷系数 , 其经济性能优于等始膨胀的循环 。 但是 由于?液体的膨胀率很有限 , 而活塞及其他运动零件运行时摩阻却很大 , 因而膨胀功还 不

9、足以补偿摩阻所耗的功 , 何况绝热膨胀过程实际上也是不能实现的 , 理论上 的效益并无现 实意义 ? 微小的膨胀 机结构复杂 , 制造 困难 。 因此 , 结构简单 、 调节方便的节流阀 虽然经 济性能较差 , 却被广泛地使用于蒸气压缩制冷循环中 。 二 、 循环 的效率 对各种动力机械 , 为 了考核其技术经济性能 , 总 是 将 消 耗的能量与所作出的功进行比 较 , 通常以各种 “效率” 来表示 。 制冷 机 也一样 , 但是有它 独特 的性能指标制冷 系数 君和 热力完善度 。 以下分别加以阐述 0 , 制冷系数 制冷机从低温热源向高温热源转 移 的热量 。 与压 缩 机消耗的能 量

10、月 ? 。 之比称为制冷系 数 ! 理论循环的制 冷系数用 。, 表示 0 ,毛一一一二一犷一 一 五 洛 忍皿一 一 )一) ? 在给定的温度条件下 , 制冷系数越大则循环的经济性越好 。 由于 。 和 。 都是随着循环的 工作温度而变的 , 因此制冷系数也随工作温度而变化 。 冷凝温度几越高 、 蒸发温度, 越低 则循环的制冷系数越小 。 制冷系数是评定制冷循环的重要技术经济指标 , 可以看成是消耗单位能量所获 得的 冷 量 。 有时也用单位功率制冷量 这样一个指标 , 它与 的区别是专指消耗一千瓦功率所获得 的制冷量 , 即 0 。 。 /) 盯 、下一一 0山 千卡 千 瓦 时 ?8?

11、 ( 热力完兽度刀 热 力完善度是指制冷循环 的制冷系 数与相同的工作 温度?, 。、 , 。 ?之间的逆向卡诺循环 的制冷系数 之比 , 即 0 一二 己 ?4? 由哎制冷技术讲座?二?已知 , 在相 同的工作温度 之间 , 逆向卡诺循环 的制 冷 系数最 大 , 并且可 写成 0 七二 , 。 ,一, 。 因此 6 一 4 式也可以写成 0 0 十, 二 一 瞥 二 贵 件厂 , 一 , 。 , 。? 2? 蒸气压缩制冷理论循环之所以不如逆卡诺制冷循环 , 就是 因为 它存在着过程 ( 一 5 的传 热温差 和节 流过程 6 一 : 是不 可逆的等不可逆损失 。 因此 , 热力完善度是评价

12、任一制冷循环 接近逆向卡诺循环的 程度 , 显然 , ”, 越 接近 2 2拓越好 。 0 和的用途不 一样 。 制冷系数只能对制冷循环 当工作温度 相同时评价其经济性能 , 而对 工 作温度不同的制 冷循环只能用热 力完善度”作为判断的根据 。 不过 , 在设计工作 中 , 当工 作温度确定时 , 制冷系数的最大值和热力完善度的最大值是一致的 。 三 、 具有 节流阎前液体过冷 的循环 采用节 流阀 虽使制冷装置简化了 , 但等始节流后所产 生 的蒸气使单位制冷量 。减少。 当 ) 一定时 , 宵流后形成 的蒸气干度 。越 大, 则 及 越 小 。 为了减小这种影响 , 可降低节流 前液体的

13、温度 。 如图 6 、 图 : 所示 0 制 冷刊的饱和液体?点 6?在去节流 阀之前先使其流经 过 冷器 , 使液体温度 继续降低到)“ , 然 后通过节流 阀 。 在犷图 、 勺一+图上 的节 流过程为 尽 勺 令 尸 爪 一几 泪 乙 对 。 刁; 。 “ 一+一 式 6 一 ( 可 写成 0 。心 一 。0 、 一!一; 孚(一孟 及/ ) 成正比 。 而比值 ? 5? 召一/ 是与制冷 。 一 一 与 值数 的 提高数 系 八 了 制 出 看以 式 可此 由 剂的性质有关的 ! 刀) 则是与外部冷却介质有关 , 如果过冷是在 冷凝器中实现或者过冷器 是 用冷却水来冷却的 , 则刁)

14、受到冷却水温的限制 。 当 为一 定 时 , 采用 液体制冷剂过 冷 , 由于 。、 0 0 的增 大 , 可使 制 冷剂流量 、 压 缩 机的输气量 。 , 及消耗功率减小 , 能提高经济性能 。 四 、 蒸气的过热及回热循环 从蒸发器引出的低压蒸气 , 在进入压缩机之前会在吸 气管中吸收周围空气的热量 , 使温 度升高 , 这一 现象称为过热 。 图表示有吸气过热循环的,一图 。 在循环中 一 为蒸气进 入 压 缩 机前 的过热 过程 , 一( 为绝热压缩过程 。 试比较有过 热的循环 一 一( ,一5一 6一:一 与 无 过热 的循环 一三一5 一 生一毛一 , 两者的单位 制冷量 相同

15、 , 而 有过热循 环的吸气比容 , 增大 , 故单位 容 积 制 冷 量 , 减小 , 即 压缩机 的制冷量减小 , 但单位压缩 功却增 大 , 制冷 系数减 小 。 因此蒸气的过热是不 利 的 , 一般 称为有害过热 。 消除有害过热可用 吸气 管包扎 绝热层 的 方 法来实现 。 蒸气在蒸发器 中的过热是制冷量 的一部 分 , 不算有 害过热 。 另 外 , 稍许的过热可避 免液态制冷剂进 入气缸 , 造成液击 , 损坏压 缩机 , 因此适 当的过 热度是必需的 。 为 了减 轻吸气管道中的 过热 度才) , , 可 采用一补 热交换 器 , 使 节流 前的 液体和蒸发 器 出 来的低温蒸气进行热交换 , 让液体过冷 , 蒸气过热 。 匕一一二一一一一匕一一一 : 图吸 气过热循环的, 图 具有这 种过程的循环称为回热循环 。 图 、 图 8 示回热循环的原理 图 和,一图 、 ; 一图 。 在系统中进行热交换的设备称 回热器 。 在大型制冷装置中 , 回热器常采用盘管 型式 , 在小 型装置 是将吸气管与液体管紧靠并排敷设 , 使管壁贴紧而产生热交换作用 。 广一一一 一一一一一气 日日日 一 一 一一一夕祖 , 姜 麒 7 忆己 : 图