蒸气压缩式制冷循环原理教程

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1、蒸气压缩式蒸气压缩式 制冷循环原理制冷循环原理 第一节 逆向可逆循环 正向循环 动力循环 逆向循环 制冷循环 u可逆循环：是一种理想循环，它不考虑 工质在流动和状态变化过程中的各种损 失。 u不可逆循环：在工质循环过程中考虑了 上述各种损失。 不可逆损失主要是指制冷剂在流动和 状态变化时因内部摩擦、不平衡等因素引 起的内部不可逆损失，以及冷凝器、蒸发 器等换热器存在传热温差的外部不可逆损 失。 一、逆卡诺循环 u实现逆卡诺循环必须具备的条件： （1）高、低温热源温度恒定； （2）工质在冷凝器和蒸发器中与外界热源之间 无传热温差； （3）工质流经各个设备时无内部不可逆损失； （4）作为实现逆卡诺

2、循环的必要设备是压缩机 、冷凝器、膨胀机和蒸发器。 逆卡诺循环示意图 绝热 压缩 等温 冷凝 绝热 膨胀 等温 蒸发 逆卡诺循环的热量和功量 在每个制冷循环中，1kg的制冷剂： 从低温热源吸热 q0=T0(SaSb) 面积4ab14 向低温热源放热 qk=Tk(SaSb) 面积3ab23 压缩机的净功 wc=qkq0 =(TkT0)(Sa Sb) 面积12341 绝热压缩过程 外界输入功w 面积123041 绝热膨胀过程 膨胀机输出功we 面积3043 外界输给压缩机的 净功wcw we 面积12341 两者相等 q0 qk wc 0 we u衡量制冷循环经济性能的指标： 制冷系数（COP）

3、u制冷系数仅与高、低温热源的温度有关，而 与制冷剂的热物理性能无关。 u通过对c分别求T0和Tk的偏导数，可以得 知T0和Tk对c的影响是不等价的，并且T0 的影响大于Tk 。 冷凝器和蒸发器的传热温差分别Tk和T0时 u表明具有传热温差的不可逆循环的制冷 系数，总小于相同冷热源温度时的逆卡 诺循环制冷系数，而且随传热温差T0 和Tk的增大而降低。 u蒸发器传热温差T0对制冷系数的影响 大于冷凝器传热温差Tk 。 u相同冷热源温度时，实际循环和逆卡诺 循环制冷系数的比值，可用来表示实际 循环的热力完善度。 高、低温热源温度和传热温差对 制冷系数和热力完善度的影响 高温热热 源温度 tk 低温热

4、热 源温度 t0 冷凝器 tk 蒸发发器 t0 逆卡诺诺 循环环 有温差 的逆卡 诺诺循 环环 热热力完 善度 30-5007.661 40-5005.961 40+5007.941 40+5 556.070.76 10104.870.61 1055.460.69 二、变温热源的逆向循环 单一物质制冷剂无法实现变温逆向循环， 非共沸混合制冷剂可以实现。 三、热泵的应用 u逆向循环可以用来制冷，也可以用来供 热，或者冷、热同时使用。 u用来制冷的逆向循环装置，称为制冷装 置；用来供热时则称为热泵装置。 u供热系数： 例： n有一台冷暖两用的热泵型空调器，假设 其按照逆卡诺循环运行，压缩机的净功

5、率是1030W，夏季的制冷量为3200W，问 制冷系数为多少？在冬季运行时，制热 量和供热系数各为多少？ n3.11 nqk=4230W，c=4.11 第二节 理论制冷循环 三种制冷循环过程在T-S图上的表示 逆卡诺循环 12341 具有温差的逆 卡诺循环 1”2”34”1” 理论制冷循环 12341 u理论制冷循环与逆卡诺循环（理想制冷 循环）的区别： 1在冷凝器和蒸发器中，制冷剂按等压过 程循环，而且具有传热温差； 2制冷剂用膨胀阀绝热节流，而非膨胀机 绝热膨胀； 3压缩机吸入饱和蒸气，而不是湿蒸气。 一、用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失 u为什么要用膨胀阀代替膨胀机？ u代替之后有什么影响

6、呢？ 损失膨胀功 we=h3h4 面积34”03 减少制冷量 q01=h4h4” 面积4”4bc4” 因为绝热节流过程前、后焓值不变，即 h3 = h4 所以 we = q01 这表明制冷剂在绝热膨胀中的作功能力全部 用来克服绝热节流过程中的各种阻力损失，而这 些损失最终转化为热量，被流过膨胀阀的制冷剂 吸收，使部分制冷剂汽化，增加了干度，降低了 湿蒸气中的液体含量，减少了其制冷能力，此损 失称为制冷剂通过膨胀阀的节流损失。 u影响节流损失大小的因素 u（TkT0）取决于制冷循环工况 u饱和液体线的斜率取决于液态制冷剂的物性 比热 u制冷剂节流后的干度取决于其潜热 u用膨胀阀代替膨胀机后，增加

7、了we，损失了 q01，这使制冷系数和热力完善度下降。 二、用干压缩代替湿压缩后的饱和损失 u为什么要用干压缩代替湿压缩 u在制冷压缩机的实际运行中，若气缸吸入 湿蒸气，会引起液击现象，损坏压缩机的 阀片和其他零部件。 u过量的液体制冷剂进入高温的气缸后，会 发生强烈的热交换而迅速汽化，占有气缸 容积，使吸气量减少，制冷量下降。 干压缩代替湿压缩后的影响 增加制冷量 q02=h1h1” 面积1”1ad1 增加耗功量wb 面积122”1”1 饱和损失 面积522”5 第三节 液体过冷和吸气过热 对制冷循环的影响 一、液体过冷对制冷循环的影响 T3称为过冷温度； （Tk T3）称为过冷度 ； 增加

8、制冷量q03，其随T3 的降低而增加； 压缩机耗功量不变； 制冷系数增加。 二、吸气过热对制冷循环的影响 T1称为吸气过热温度； （T1T0）称为过热度； 增加制冷量q04； 增加压缩机耗功量w； 制冷系数是否提高取决于 是否 。 u有效过热：在蒸发器中发生，其增加的制冷量 为有效制冷量； u有害过热：在压缩机吸气管中因吸收环境空气 中的热量而产生的吸气过热，其必使制冷系数 下降； u因此压缩机的吸气管应具有良好的隔热措施， 尽量减少制冷剂的有害过热。 u吸气过热度增加，排气温度也随之上升， 这将使润滑油的粘度变稀，影响摩擦件的 润滑，损坏机件，并使润滑油炭化，阀片 表面积炭，影响阀片的启闭和

9、压缩机的正 常运行。因此，吸气过热即使对制冷系数 有利的制冷剂，它的过热度也应控制在一 定范围之内。 u适当增加吸气过热度能使润滑油较顺利 地返回压缩机，并能进一步防止在气缸中 发生液击现象。因此，即使对于吸气过热 会降低制冷系数的制冷剂，仍然应保持一 定的过热度。 u对于增大吸气过热度会使制冷系数下降的 制冷剂，其过热度应控制在较小范围之内 ，如氨一般控制在35； u对于增大吸气过热度能提高制冷系数的制 冷剂，其过热度范围可以大一些，如R12 等一般控制在1040之内。 三、回热制冷循环 制冷剂液体过冷和吸气过热，是利用流出蒸发器的 低温饱和蒸气与流出冷凝器的饱和液体通过热交换器 的传热过程

10、而产生的。 u回热循环特别适用于增加吸气过热度能提 高其循环制冷系数、以及绝热指数较小， 绝热压缩后排气温度较低的制冷剂，如R12 （K = 1.136）、R22、R502。 u对氨（K = 1.310）、R11等，因为绝热指 数较大，提高过热度后会降低其制冷系数 ，所以不采用回热循环。 热交换器中的热量平衡 C(T3 T3)C(T1T1) 面积11cd1等于面积44ab4 由于液体比热C总大 于气体比热C，所以 液体温度的降低总小 于吸气温度的提高。 第四节 理论制冷循环的热力计算 一、制冷剂的压-焓图（lgP-h图） 过冷液 体区 湿蒸 气区 过热蒸 气区 饱和液 体线 干饱和 蒸气线 等

11、压线 等焓线 等温线 等比容线 等熵线 等干度线 二、热力计算 12为绝热压缩过程，23为等压冷凝过程， 34为绝热节流过程，41为等压蒸发过程。 制冷剂在蒸发器中 的单位质量制冷量 q0h1h4 (kJ/kg) 制冷剂在冷凝器中 的单位质量放热量 qkh2h3 (kJ/kg) 压缩机的单位质量 绝热压缩耗功量 wh2h1 (kJ/kg) 制冷剂的单位容积制冷量： (kJ/m3) 若已知总制冷量为Q0(kW)，则制冷剂的质量循环量： (kg/s) 压缩机的吸气体积流量： (m3/s) 冷凝器的热负荷： Qk = Mrqk (kW) 压缩机的理论耗功量： N = Mrw (kW) 理论制冷系数：

12、 例1.1 理论循环 A工况：tk35，t00； B工况：tk40，t00； C工况：tk40，t05。 1 2 3 4 tk35，t00 参 数 冷凝蒸发发 h1 (kJ/ kg) h2 (kJ/ kg) h3= h4 (kJ/ kg) 制冷 系数 tk ( ) Pk (MP a) t0 ( ) Pk (MP a) A工 况 351.350 0.49 8 405. 4 430 243. 1 6.60 B工 况 401.530 0.49 8 405. 4 433 249. 7 5.64 C工 况 401.53 5 0.42 1 403. 5 437 249. 7 4.59 例1.2 过冷循环和

13、吸气过热循环 A工况：tk40，t00； B工况：tk40，t00， 过冷温度t335; C工况：tk40，t00， 吸气过热温度t15 。 1 2 3 4 tk40，t00，t335 1 2 3 4 tk40，t00，t15 参 数 冷凝蒸发发 h1 (kJ/ kg) h2 (kJ/ kg) h3= h4 (kJ/ kg) 制冷 系数 tk ( ) Pk (MP a) t0 ( ) Pk (MP a) A工 况 401.530 0.49 8 405. 4 433 249. 7 5.64 B工 况 401.530 0.49 8 405. 4 433 243. 1 5.87 C工 况 401.5

14、30 0.49 8 411. 1 440. 4 249. 7 5.51 例1.3 回热循环 工况： tk30，t015， t15； 制冷剂：R12、R717。 1 2 3 4 tk30，t015， t15 q0 qk 1 3 2 4 例1.4 过冷过热循环 总制冷量 Q040kW 工况： tk40，t05， tu40，t10； 制冷剂：R12、R22、R717。 1 2 3 4 tk40，t05， tu35， t110 q0 qk 第五节 制冷剂和载冷剂 基本要求： 1制冷剂对蒸气压缩式制冷系统的组成及运行经济 性有很大的影响，应从热力学、物理化学、安全性 等方面了解对制冷剂的要求。 2目前常

15、用的制冷剂有R717、R22、R134a等，应熟 悉这些制冷剂的主要性质及使用时应注意的事项。 3了解载冷剂的种类、使用场合及选择方法。 蒸发器 冷凝器 冷却介质 压缩机 节流阀 空调末端 被冷却介质 被冷却介质 泵 直接 冷却 间接 冷却 制冷剂载冷剂 制 冷 剂 u制冷剂又称制冷工质，它是在制冷系统中 完成制冷循环的工作介质。 u制冷剂在蒸发器内汽化吸收被冷却介质的 热量而制冷，又在冷凝器中把热量放给周围 介质，重新成为液态制冷剂，不断进行制冷 循环。 一、对制冷剂的要求 （1）冷凝压力不太高，蒸发压力不低于大气压 力，冷凝压力和蒸发压力之比不要过大； （2）单位容积制冷量要大； （3）临

16、界温度要高，凝固温度要低； （4）粘度和密度要小； （5）导热系数大； （6）无腐蚀性，不起化学作用，高温下不分 解； （7）无害，不燃烧和爆炸； （8）易于取得，价廉。 二、制冷剂的种类 1无机化合物 u氨和水是目前常用的制冷剂。 u无机化合物类制冷剂的代号中，“R”后的第 一位数字为7，后面的数字是该物质分子量的 整数部分。 2氟利昂 u氟利昂是饱和碳氢化合物的卤族衍生物的总称 ，目前用作制冷剂的主要是甲烷和乙烷的衍生 物。 u在这些衍生物中用氟、氯和溴的原子代替原来 化合物中的全部或一部分氢原子，使化合物的 性质起了很大的变化。 u饱和碳氢化合物的分子通式为CmH2m2 ，氟利昂的化学分子式为Cm