制冷与低温技术原理—第3章 蒸气压缩式制冷-单级蒸气压缩制冷循环综述

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1、制冷与低温技术原理 第 3 章 蒸气压缩式制冷 第 3 章 蒸气压缩式制冷 主要内容： 单级蒸气压缩式制冷的理论循环； 单级蒸气压缩式制冷的实际循环； 蒸气压缩式制冷中的制冷剂； 多级蒸气压缩式制冷循环； 复叠式蒸气压缩制冷循环。 1. 系统组成： 压缩机，节流阀，蒸发器和冷凝器等主要设备 及辅助设备（过滤器，油分离器，储液器）。 3.1.1 特点及工作过程 3.1 单级蒸气压缩式制冷的理论循环 压-焓图 温-熵图 3.1.2 制冷剂的状态图 压-焓图： 1点，2线，3区，5态，6等参数线簇。 2线 3区 5态 1点 临界点 (critical point) 下临界线 : 不同压力下饱和液体状

2、态 上临界线：不同压力下干饱和蒸汽状态 液相区 (liquid region) 汽液两相区(liquid-vapor region) 汽相区 (vapor region) 未饱和液体，饱和液体，湿饱和蒸汽， 干饱和蒸汽，过热蒸汽。 6等参数线簇(压-焓图） 等压线- 水平线； 等焓线- 垂直线； 等温线- 液相区：几乎为垂直线， 两相区：水平线， 气相区：向下方弯曲的倾斜线； 等熵线- 向右上方倾斜的实线； 等容线- 向右上方倾斜的虚线，比等熵线平坦； 等干度线- 只存在于湿蒸气区。 高温热源TH和低温热源TL温度恒定，制冷剂在相变过程 中与热源之间没有传热温差， 蒸发温度To=TL，冷凝温度

3、 TK=TH； 制冷剂除在蒸发器和冷凝器外，在整个循环的其它流动 过程中与外界不发生热交换。 制冷剂离开蒸发器的状态为饱和蒸气， 离开冷凝器的状态为饱和液体； 制冷剂除在压缩机和膨胀阀处发生压力升降外， 在整个循环的其它流动过程中没有压力损失； 压缩机的压缩过程为等熵压缩过程； 制冷剂流过节流装置时，速度变化小，可忽略不计； 制冷剂在设备的连接管道中不发生状态变化。 1. 简单的理论循环假设 3.3.1.31.3 单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环 2. 理想循环在坐标图上的描述 工作过程 （1）1-2 压缩机中干饱和蒸汽等熵压缩过程； （2）2-3 冷凝器中过热

4、蒸汽等压冷却及冷凝过程； （3）3-4 节流阀中饱和液体绝热节流过程； （4）4-1 蒸发器中湿蒸汽等温等压汽化过程。 （2）2点：压缩机压缩后的排气状态， 对应于冷凝压力下的过热蒸汽。 各点对应状态 （1）1点：制冷剂进入压缩机的状态， 对应于蒸发温度To下的饱和蒸汽。 （3）3点：制冷剂在冷凝器出口处的状态， 是与冷凝温度TK对应的饱和液体。 （4）4点：节流后流出节流阀，进入蒸发器的状态， 为湿饱和蒸汽状态。 坐标图中的表示 课堂问题1：不可逆 绝热过程熵变如何？ 课堂问题2：理论循 环是否是可逆循环？ 理论依据： 热力学第一定律 （开口系统稳定流动的能量守恒方程式） 3. 理想循环特性

5、 （1）蒸发过程和单位制冷量 制冷量： 制冷剂通过蒸发器时从低温热源吸收的热量。 单位质量制冷量： 1kg 制冷剂在蒸发器中从低温热源 吸收的热量。 式中： qm制冷剂的质量流量。 说 明 制冷量 制冷剂的质量流量 制冷剂进出蒸发器的焓差 与压缩机的尺寸 和转速有关 与制冷剂的种类和 工作条件有关 单位容积制冷量： 压缩机每吸入 1m3 制冷剂蒸气 （按压缩机吸气状态）所制取的冷量。 制冷剂的质量流量： 式中： v1压缩机入口处状态点1的比体积。 式中： qvh压缩机的理论输气量，m3/s。 （2）压缩过程和比功 理论比功： 压缩机每压缩和输送 1kg 制冷剂所 消耗的压缩功。 压缩机功率：

6、容积比功： 压缩机每压缩和输送 1m3 制冷剂 （按压缩机吸气状态）所消耗的压缩功 。 与制冷剂的种类和 工作条件有关 压缩机的压力比： 循环中压缩机的排气压力 与吸气压力之比。 压缩机的排气温度 T2 ： 制冷剂气体压缩终了的温度。 （3）冷凝过程和冷凝器的热负荷 冷凝器单位热负荷： 1kg 制冷剂蒸汽在冷凝器中放出的热量。 （4）节流过程 节流过程特点 节流前后焓值不变；但节流过程非等焓过程。 节流过程是不可逆过程。 节流时绝热膨胀，对外不作功。 整个循环比功与压缩机的理论比功相等。 节流后4状态点 焓值 干度 比体积 （6）循环效率（热力完善度）： （5）制冷系数： 总结 运用某种制冷剂

7、时： 蒸发压力po ，冷凝压力pk 反映系统的压力水平； 压力比，压力差和排气温度反映压缩机的工作条件； 单位制冷量，单位容积制冷量反映制冷能力， COP 反映制冷循环的经济性。 制冷机的性能 制冷量0 压缩机功率P 循环的性能系数COP 影响理论循环特性的因素： （1）热源的温度； （2）制冷剂的性质。 理论循环的意义： （1）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作出相应改进。 （2）用于评价制冷剂。相同Tk，To条件下，通过不同 制冷剂的理论循环特性比较，可以评价它们在热力 性质方面的适宜程度。 理论循环是不可逆循环。 4. 理想循环的意义 影响实际循环的因素

8、3.2 单级蒸气压缩式制冷的实际循环 高温热源和低温热源为变温热源， 热源与制冷剂的传热为有限温差传热。 外部条件 内部条件 制冷剂液体过冷和蒸气过热的影响； 冷凝器，蒸发器和连接各设备的管道中因制冷剂流动 而产生压降，制冷剂通过管道与外界有热交换； 压缩机中的实际压缩过程为非等熵过程； 系统中存在不凝性气体等。 （1）过冷：制冷剂液体的温度低于同一压力下 饱和状态的温度。 过冷度：两者温度之差。 （2）液体过冷循环： 在一定的冷凝温度和蒸发温度下，采用使 制冷剂离开冷凝器，进入节流阀之前具有一定 过冷度的循环。 3.3.2.12.1 各种实际因素对循环的影响各种实际因素对循环的影响 1. 高

9、压液体过冷的影响 （3）过冷循环的坐标图表示 单位容积制冷量 增大 循环比功 不变 过冷前后压缩机进出口状态不变，比功不变。 制冷系数 增加 （4）过冷对制冷循环的影响 单位制冷量 增大 相同过冷度下，制冷量和制冷系数提高的百分数取决于 制冷剂的热力性质，即与制冷剂液体的比热容和蒸发温 度下的汽化潜热有关。 （5）结论： 采用液体过冷循环，理论上总是有利的，可以提高循环 的经济性。且过冷度越大，对循环越有利； 使进入节流装置前的制冷剂液体不会因流动阻力产生 气化现象，从而保证了制冷剂流动的稳定性。 蒸发温度越低，过冷使性能的相对提高越大。 利用再冷却器或过冷器获得过冷； （6）实现过冷的措施：

10、 利用冷凝器直接过冷； 过冷度提高不多，一般可获得1-5过冷度。 采用逆流管套式换热器最易获得过冷。 在冷凝器和膨胀阀之间增设一台过冷器，在过冷器 中通入温度更低的冷却介质（如深井水）； 或将冷却介质先通过再冷却器，然后再进入冷凝器。 采用气-液热交换器（回热器）。 （2）蒸气过热循环： 制冷剂蒸气在蒸发器中完全蒸发后仍然要 继续吸收一部分热量，这样，当它到达压缩机 之前已处于过热状态。 （1）过热：制冷剂蒸气的温度高于同 一压力下饱和蒸气的温度。 过热度：两者温度之差。 2. 压缩机吸气过热的影响 不将液滴带入压缩机，避免液击现象。 目的 （3）过热循环的坐标图表示 （4）过热对制冷循环的影

11、响 过热循环中压缩机的排气温度比理论循环 压缩机的排气温度高； 压缩机的排气温度 增加 循环比功 略增大 由于过热循环在1-1过程中吸收了一部分热量， 再加上比功又略有增加，则冷凝器的热负荷增加。 冷凝器的热负荷 增加 若给定压缩机，制冷剂的质量流量qm 减小 单位制冷量和制冷系数的变化 取决于过热是有效过热，还是无效过热。 若压缩机吸入蒸气的 过热发生在蒸发器本身 ，或者发生在安装于被 冷却空间内部的吸气管 道上，或两者皆有，该 过热所吸收的热量来自 于被冷却物体，因而产 生有效的制冷作用。 有效过热 从蒸发器出来的低温 制冷剂蒸气，在通过吸 气管道进入压缩机之前 ，从周围环境中吸收热 量而

12、过热，该过热对被 冷却物体不产生任何制 冷作用。 无效过热 无效过热为有害过热。结论 在吸气管道上敷设隔热材料。 但不能完全消除。 措施 单位容积制冷量 如何变化？ 无效过热对循环性能的影响 单位制冷量 不变 制冷量 减少 制冷系数 降低 给定压缩机 单位容积制冷量qv：与制冷剂的性质有关 有效过热对循环性能的影响 单位制冷量q0 增加 NH3 单位容积制冷量下降； 制冷量减少； 压缩终了温度提高； 对压缩机的寿命，可靠 性不利； 希望有5的过热度。 R502 单位容积制冷量增加； 制冷量增加； 容积效率提高； 吸气过热度受最高允许 排气温度的限制； R502 可允许有30-50过热过热度。

13、单位容积制冷量减少，但变化较小； 压缩机的容积效率增加，占优势； 相同工作条件下，压缩机排气温度比R502高， 因而限制了有效过热度允许采用的数值。 R22 制冷系数：与制冷剂的性质有关 制冷系数下降： NH3，R22； 制冷系数增加： R502，丙烷。 （1）回热：使节流前的制冷剂液体和压缩机吸入 前的制冷剂蒸气进行热交换，同时达到 液体过冷和吸气过热的目的。 （2）回热循环制冷系统图 3. 气-液热交换器（回热）对循环性能的影响 （3）回热循环坐标图 回热器的能量平衡关系 不计回热器与外界环境之间的能量交换， 回热器中制冷剂液体放出的热量应等于 制冷剂蒸气吸收的热量。 （4）回热循环分析

14、即； 式中：c：液体的比热容， cp0：低压蒸气的比热容。 循环比功 略增加 单位制冷量 增加 比同有效过热分析 回热循环等价于没有过冷的有效过热循环。 说明 制冷系数 可增加或减小 与制冷剂的性质有关。 （5）回热循环的应用 从单位容积制冷量和制冷系数角度看： R502，R290，R134a 采用回热循环有利； R22，R717 采用回热循环不利。 为防止压缩过程产生液击现象，采用回热循环； R113，R114，RC318等类制冷剂 T-S图上饱和蒸气曲线向左下方倾斜，当压缩机吸入 的是饱和气体时，等熵压缩后进入湿蒸气区，不利于 压缩机工作。必须采用回热循环。 蒸发温度较高的制冷机一般不用回

15、热器。 对小型制冷机来说，通常把冷凝后的液体管道 （或毛细管）与压缩机前的吸气管道包扎在一起 ， 形成一个简单的回热器。 蒸发温度低的制冷机用回热器有重要意义： 低温制冷装置中，吸气温度过低会使压缩机汽缸外壁 结霜，润滑条件恶化，应设法提高吸气温度。 同时高压液体因回热而得到过冷。 对较大型制冷机，需用一个专门的回热器。 压缩机吸气比体积增加， 压力比增加； 循环比功增大； 容积效率降低； 制冷系数降低。 （1）吸气管道 压缩机吸气比体积增大； 单位容积制冷量减小； 排气温度上升； 循环性能系数下降。 增大管径，降低流速。 4. 管道压力损失和热交换对循环性能的影响 热交换无效过热压力降有害 采取措施 增加了压缩机的排气压力； 增加了压缩机的压力比，比功； 增加了压缩机排气温度； 容积效率降低； 制冷系数下降。 冷却高压气体； 减小冷凝器的热负荷。 排气管道中制冷剂的流速也必须加以控制。 该压力降相对于压缩机的压力比而言，要小得多， 对系统的影响较小。 （2）排气管道 热交换有利压力降有害 采取措施 （3）高压液体管道 热交换：考虑两种可能情况 a: 热交换有利 若制冷剂液体温度 高于环境温度，高压 制冷剂液体散热，起 到过冷作用，对循环