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1、第二章 单级蒸气压缩式制冷循环,2-1 单级蒸气压缩式制冷理论循环,一与逆卡诺循环比较1逆卡诺循环系统组成： 压缩机、冷凝器、膨胀机、蒸发器。2.流程图：图2-1,1-压缩机 2-冷凝器 3-膨胀机 4-蒸发器 图2-1,各过程的热力过程：逆卡诺循环有两个等温过程、两个绝热过程（等熵过程）。,3.逆卡诺循环在TS图上的表示,图2-2 逆卡诺循环的TS图,12：等熵压缩过程；23：等温放热过程；34：等熵膨胀过程；41：等温吸热过程,4.对图2-2中的循环12341进行分析：,制冷剂向高温热源放出的热量为 q=T(s1-s4)制冷剂从被冷却对象所吸取的热量（称为制冷量）为 qo=To(s1-s4
2、)循环所消耗的功为 wo=(T-To)(s1-s4),制冷系数：在规定工况下，制冷机在单位时间内从低温物体中移去的热量与输入的能量之比。逆卡诺循环的制冷系数: 由公式可以看出：逆卡诺循环的制冷系数只与高温热源和低温热源的温度有关，而与制冷剂的性质无关。,1-2：压缩机的绝热压缩过程，1点是湿蒸气状态，所以该压缩过程为湿压缩。2-3：制冷剂在冷凝器中等温等压的凝结过程。3-4：制冷剂高压液体在膨胀机中的绝热膨胀过程。4-1：制冷剂在蒸发器中的等温等压蒸发过程。,图2-3 逆卡诺循环的TS图,干压缩问题： 湿压缩有何不足？ 液体膨胀机的工作过程是否有利？如为干压缩：1-2 压缩过程 2-2等温压缩
3、（无法实现）,图2-4 (干压缩）逆卡诺循环的TS图,二、理论循环的工作原理,单级蒸气压缩式制冷系统如图2-5所示。组成：压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。,1-压缩机 2-冷凝器 3-膨胀阀 4-蒸发器 图2-5 单级蒸气压缩式制冷系统,理论循环与逆卡诺循环的区别： 热力过程为绝热压缩（干压缩）； 凝结过程为等压过程； 节流过程为等焓过程； 蒸发过程为等压过程。,理论循环的假设条件： 压缩机吸入的是饱和蒸气； 节流前的液体是饱和液体； 压缩过程是等熵压缩； 制冷剂在蒸发和凝结过程及流动过程中没有阻力损失；,T-s图,工作过程： 蒸发器中的制冷剂液体在低压、低温下吸收了被冷却物体的热量而蒸发，产
4、生的低压制冷剂蒸气被压缩机吸入，经压缩后成为高压气体进入冷凝器，在冷凝器中制冷剂放出热量被凝结为液体，高压液体经膨胀阀节流降压，成为湿蒸气后进入蒸发器。,压缩机的作用：压缩和输送制冷剂蒸气并造成蒸发器中低压力、冷凝器中高压力的作用。节流阀的作用：对制冷剂起节流降压作用并调节进入蒸发器的制冷剂流量。蒸发器的作用：制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物体的热量从而达到制取冷量的目的。冷凝器的作用：将蒸发器中吸收的热量与压缩机中消耗的功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走,三循环表示在压焓图及温熵图上,1温熵图参数：t、p、v、h、s、x等，只要知道其中任意两个状态参数，就可以在图上确定过热蒸汽、过冷液体的状
5、态点，饱和蒸气及饱和液体只需知道一个状态参数就能确定其状态。K临界点，x=0是饱和液体线，x=1是饱和蒸气线。,T-S图,2压焓图lgp-h图 图的纵坐标是对数坐标。其目的是为了缩小图的尺寸，及提高低压区域的精度。,等压线水平线； 等焓线垂直线； 等温线液体区近似为垂直线， 两相区是水平线，过热蒸气区为向右下方弯曲的倾斜线； 等熵线向右上方倾斜的实线； 等容线向右上方倾斜的虚线； 等干度线饱和液体线的干度为0，饱和蒸气线的干度为1，两相区内的等干度线其方向大致与饱和液体线和饱和蒸气线相近。,LgP-h图,3理论循环在压焓图及温熵图熵的表示,理论循环.swf,点1：制冷剂出蒸发器、进压缩机的状态
6、，是蒸发压力下的饱和蒸气。点2：制冷剂出压缩机、进冷凝器的状态，压力为与冷凝温度tk对应的饱和压力，且s1=s2。1-2是压缩机的压缩过程（等熵）。点4：制冷剂出冷凝器、进膨胀阀的状态，是冷凝压力下的饱和液体，pk与饱和液体线的交点。2-3-4是制冷剂在冷凝器中的等压（Pk）冷却冷凝过程。点5：制冷剂出膨胀阀的状态。4-5表示制冷剂通过膨胀阀的节流过程。压力有PkP0，温度由 tkt0，进入两相区。5-1表示制冷剂在蒸发器中的等压（P0）蒸发过程。,例：一台氨压缩机，其吸入的是-20的饱和蒸气，压缩终了绝对压力为1169Kpa,试求： 吸气状态的压力、焓、熵和比容； 压缩终了的焓、温度。,22
7、 单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算,由热力学第一定律，并忽略位能和动能的变化，稳定流动的能量方程可表示为：,一循环的性能指标：1单位制冷量q0：每公斤制冷剂在蒸发器中从被冷却物体中吸气的热量。q0=h1-h4 kJ/kg 或： q0=r0(1-x5) kJ/kg 式中：r0蒸发温度t0时制冷剂的蒸发潜热，kJ/kg。 X5节流后湿蒸气的干度。,Q +P=qm (h2-h1) KW,2单位容积制冷量qv： 压缩机每输送1立方米（按吸气状态计算）工质的蒸气所能制得的冷量。 qv=q0/v1 kJ/m3 v1吸气状态时制冷剂蒸气的比容，m3/kg。 Q0=qmq0=Vqv kw V压缩机吸入的容
8、积流量，V=qmv13理论比功w0：表示压缩机每压缩并输送1公斤制冷机所消耗的功。 w0=h2-h1 kJ/kg 因为节流过程不对外作功，所以循环单位功与压缩机的压缩功相等。,4冷凝器单位热负荷qk： 表示每公斤蒸气在冷凝器中放出的热量。 qk=(h2-h3)+(h3-h4)=h2-h4 kJ/kg 根据循环的能量平衡： qk=q0+w0=(h1-h4)+(h2-h1)=h2-h4,5制冷系数： 循环的单位制冷量与单位功之比。即：消耗一个单位功所能制得的冷量。 0=q0/w0=(h1-h4)/(h2-h1) 因为q0、w0都是随着循环的工作温度而变的，所以制冷系数也随着工作温度而变。,6热力完
9、善度：将工作于相同温度之间的制冷剂循环的制冷系数与逆卡诺循环的制冷系数之比，称为这个制冷剂循环的热力完善度。 =0/c,二.理论循环的热力计算,例：假定循环为单级压缩蒸气制冷的理论循环，蒸发温度t0=-10,冷凝温度tk=35，制冷剂为R22，循环的制冷量Q0=55kw,试对该循环进行热力计算。解：1.将循环表示在lgp-h图上，并确定各状态参数,2.热力计算,单位制冷量 q0=h1-h5=158.441 kJ/kg 单位容积制冷量 qv=q0/v1=2426 kJ/m3 制冷剂循环量 qm =Q0/q0=0.3471 kg/s 理论比功 w0=h2-h1=33.645 kJ/kg 压缩机消耗
10、的理论功率 P0= qm w0=11.68 kw 压缩机吸入的容积流量 V= qm v1=0.0227 m3/s 理论循环制冷系数 0=q0/w0=4.71 冷凝器单位热负荷 qk=h2-h4=192.086 kJ/kg 冷凝器热负荷 Qk= qm qk=66.67 kw 热力完善度 =0/c=0.806,2.3 单级蒸气压缩式制冷的实际循环,实际循环中： 制冷剂进入压缩机不一定是饱和蒸气，在管路流动中及进入压缩机中吸热使之成为过热蒸气； 出冷凝器的制冷剂状态不一定是饱和液体，会有过冷； 制冷剂在流动过程中会有阻力损失； 实际压缩过程不是等熵过程，而是多变过程； 系统中会存在不凝性气体等。,一
11、液体过冷对制冷循环性能的影响,制冷剂液体在离开冷凝器进入节流阀之前具有一定的过冷度。冷凝器中制冷剂与冷却介质进行热交换，其温度变化情况如图所示。,图2-6表示冷却介质和制冷剂在逆流式冷凝器中各自的温度变化情况。如果冷却水量足够大，它的出口温度就几乎等于进口温度，如图中水平线所示。实际上不采用这样大的冷却水流量，因为它将增加水及水泵的费用。如果水量受到限制，冷却水出口温度可能超过制冷剂的冷凝温度，如图中另一虚线所示。这同样也是不经济的，因为它降低了冷凝器热端的传热温差，为了传递给定的热量就必须增大传热面积。,在通常情况下，假定冷凝器出水温度比冷凝温度低23K，冷却水在冷凝器中的温升为310K，因
12、而冷却水的进水温度比冷凝温度低513K，这就足以使制冷剂出口温度达到一定的过冷度。在壳管式冷凝器中，如果冷凝后的液体不立即从冷凝器的底部全部排出，而是积存在冷凝器内部，这部分液体将继续把热量传给管内的冷却水和周围环境，等自身被排出时也可达到一定的过冷度。,具有液体过冷的循环在压焓图上的表示如图示。图中1-2-4-5-1是理论循环，1-2-4-5-1是过冷循环。,过冷循环流程图.swf,q0g=h5-h5=h4-h4=ctgw0不变，而q0，所以0。0g=q0g/w0=0+q0g/w0,例2-2试比较理论循环和过冷循环的性能。假定两个循环的冷凝温度tk均为40，蒸发温度t0均为5，过冷循环的过冷
13、度为5，压缩机吸入的均为饱和气体。制冷剂为R22，制冷量 解：在lgp-h图上表示循环：1-2-3-4-1是理论循环，1-3-3-4-1是过冷循环。查R-22的热力性质图表，确定各状态点的热力性质。,结论： 采用过冷循环在理论上是有利的，且tg越大，越有利； 过冷度获得的方法：a.利用冷凝器本身，过冷度有一定限制； b.采用再冷却器，可加大tg，但需要温度低的冷却介质；c.采用回热器。 过冷循环一般不单独采用。,采用过冷循环理论上总是有利的，而且过冷度越大，对循环越有利。依靠冷凝器本身来使液体过冷，其过冷度是有一定限度的，如果要求获得更大的过冷度，通常需要增加一个单独的热交换设备，称为再冷却器
14、。在再冷却器中单独通入温度更低的冷却介质(如深井水)或将冷却介质先通过该再冷却器，然后再进入冷凝器。,二、蒸气过热对循环性能的影响,为了防止压缩机液击，一般希望制冷剂出蒸发器后有一些过热，使制冷剂成为过热蒸气。循环1-2-3-4-1表示蒸气过热循环。压缩机吸入状态为1，如果忽略制冷剂在管路的流动阻力损失，则1-1的过热过程为等压过程。,过热循环流程图.swf,过热循环的影响：, 排气温度t2高于理论循环的排气温度t2； 循环比功 w0r=h2-h1高于理论循环的循环比功w0； qkrqk。因为过热过程吸入了一部分热量，同时循环比功增加了。 v1v1 。对每公斤制冷剂，将需要更大的压缩机容积；或对给定压缩机而言，过热循环的制冷剂循环量小于理论循环的制冷剂循环量。,
