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1、第一章 蒸气压缩式制冷的热力学原理,液体气化制冷原理,气化：液体转变为气体的物态变化称为气化（蒸发和沸腾），气化时需吸收气化潜热。 气化潜热：1kg液体气化时所吸收的热量。,液体气化制冷原理,液体的压力不同，其饱和温度（即沸点）也不同（压力越低，沸点越低，如氨在0.1MPa压力下，其沸点为33.4；0.5MPa压力下，其沸点为4 ）。 只要创造一定的低压条件，利用液体的气化就可能获得所需要的低温。,液体气化制冷的工作过程,四大部件： 压缩机：蒸气压缩 冷凝器：放热冷凝 节流阀：节流降压 蒸发器：吸热蒸发,一、逆卡诺循环 逆卡诺循环：在两个恒温热源之间进行的理想循环。,第一节 理想制冷循环,一、
2、逆卡诺循环,TS图,1-2 ：等熵压缩 T0Tk， 耗功wc 2-3： 等温压缩 放热 qk=Tk(sa-sb) 3-4： 等熵膨胀 TkT0， 做功we 4-1 ：等温膨胀 吸热 q0=T0(sa-sb),逆卡诺循环结果 每一制冷循环，1kg制冷剂： 循环净耗功量为：,制冷循环性能指标：制冷系数,的定义：单位耗功量所获取的冷量,制冷循环性能指标,对于逆卡诺循环，制冷系数c :,大小只取决于两个热源的温度； T0或T k ， c ,在实际制冷系统中，制冷系数又称为性能系数，用符号COP表示,制冷循环的热力完善度,热力完善度是表征实际制冷循环接近理想循环的程度 蒸气压缩式：,计算制冷效率或热力完
3、善度时，必须： (1)计算实际制冷循环的制冷系数或热力系数 (2)计算理想循环的制冷系数或热力系数 (3)计算制冷效率或热力完善度,制冷系数与热力完善度比较,制冷系数和热力完善度都是反映实际制冷循环经济性的指标。但二者的含义不同。 只是从能量转换的角度，反映制冷循环中收益能与补偿能在数量上的比值，不涉及二者的能量品位。 同时考虑了能量转换的数量关系和实际循环中的不可逆程度的影响。 的数值可能大于1、小于1或等于1。始终小于1。,制冷系数与热力完善度比较,用值的大小来比较两台实际制冷机的循环经济性时，必须是同类制冷机，并以相同热源条件为前提才具有可比性。 用作评价指标，使任意两台制冷机在循环的热
4、力学经济性方面具有可比性，无论它们是否同类机，也无论它们的热源条件相同或是不同。,有温差传热的逆卡诺循环,逆卡诺循环热泵,用于供热，性能指标为供热系数。 供热系数：单位耗功量所获取的热量，,用于供热，供热量永远大于所消耗的功量。,二、劳仑兹循环,在实际的制冷系统中，制冷过程中冷热源的温度通常是变化的。 劳仑兹循环（Lorenz Cycle）是在两个变温热源之间进行的理想循环。,ab：等熵压缩 bc：变温压缩 cd： 等熵膨胀 da ：变温膨胀,TS图,二、劳仑兹循环,1kg制冷剂： 从被冷却介质吸收的热量为：,向热源放出的热量为：,制冷系数为：,劳仑兹循环可以处理为平均放热温度、平均吸热温度的
5、逆卡诺循环。,变温热源时的逆向可逆循环 洛伦兹循环,第二节 蒸汽压缩式制冷的理论循环,为了便于应用热力学理论对蒸汽制冷机的实际过程进行分析，提出了理论循环。 理论循环忽略了制冷机在实际运行中的一些复杂因素，将循环加以简化抽象。 理论循环是今后研究实际制冷循环的基础。,（1）压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中不存在任何不可逆损失； （2）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值；,理论循环是一些假设,（3）离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体； （4）
6、制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力损失，忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管外介质之间没有热交换； （5）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小，可以忽略不计，且与外界环境没有热交换,第二节 蒸汽压缩式制冷的理论循环,逆卡诺循环的关键是两个等温过程，利用纯工质或共沸工质的定压蒸发和冷凝实现，循环在湿蒸气区进行。 实际循环却是两个定压、一个绝热压缩、一个绝热节流过程,1、逆卡诺循环的局限,膨胀机的经济性 液态制冷剂的比容变化很小，因而可以利用的膨胀功十分有限。 膨胀机的尺寸小，因而摩擦损失相对较大。,干压缩代替了湿压缩: 压缩机吸气状态为干饱和或过热蒸汽。 节流阀代替了膨胀机 简
7、化了设备，但损失了膨胀功，并造成节流损失。,2、蒸气压缩式制冷工作过程,压缩机：等熵压缩； 冷凝器：等压放热； 节流阀：绝热节流； 蒸发器：等压吸热。,压缩制冷理论循环组成,3、理论循环与逆卡诺循环的对比分析,蒸气压缩式制冷的理论循环的Ts图,(1)节流阀代替膨胀机 1kg制冷剂损失的膨胀功,节流过程的不可逆损失,采用节流阀代替了膨胀机，一方面损失了膨胀功，另一方面产生了无益气化，降低了制冷能力，导致制冷系数有所下降。 其降低的程度，称为节流损失。,蒸气压缩式制冷的理论循环的Ts图,（2）干压缩代替湿压缩 1kg制冷剂增加的制冷量,压缩功增加,采用干压缩代替了湿压缩，一方面增加了制冷量，但另一
8、方面压缩机功耗也增加，导致制冷系数亦有所下降。 其降低的程度，称为过热损失。,湿压缩的缺点： 湿蒸气进入压缩机与壁面热交换后，占据容积，使得制冷剂质量流量减少，制冷量下降； 过多液态制冷剂进入压缩机，造成液击，影响润滑，损害压缩机。 避免湿压缩的方法 在蒸发器出口增设气液分离器； 调节膨胀阀的开度，控制压缩机入口制冷剂蒸气的过热度。,制冷循环的分析工具,lgp-h图和T-s图 1点、2线、3区 6等值线 分析与计算工具,T-S图,一点、二线、三区、五态、六等值线。,二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算,1、压焓图(莫里尔图)的应用 1.1 压焓图作用 确定状态参数 表示热力过程 分析能量变化,
9、二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算,等压线 水平线 等焓线 垂直线 等干度线 湿蒸气区域内 等熵线 向右上方倾斜 等容线 向右上方倾斜 等温线 垂直线 （过冷区）水平线（湿蒸汽区）向右下方弯曲（过热蒸气区）,1.2 怎样看压焓图,一点、2线、3区、6等值线,R22的P-h图,R134a的P-h图,R600a的P-h图,理论循环在T-s图和lnP-h图上表示,理论循环在T-s图（a）和lnp-h图（b）上的表示,1.3 蒸气压缩式制冷理论循环压焓图上的表示,二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算,根据确定的蒸发温度、冷凝温度、压缩机的吸气温度及液态制冷剂的再冷度等已知条件，计算以下各参数：,二、
10、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算,（1）制冷剂单位质量制冷量q0：1kg制冷剂在蒸发器中蒸发从被冷却介质吸收的热量。 q0h1h4h1h3 ；kJ/kg,（2）单位容积制冷量qv ：压缩机每吸入1m3制冷剂蒸汽（按吸气状态计），在蒸发器中所产生的制冷量。 qvq0 / v1（h1h4）/v1 ;kJ/m3 v1为制冷剂的比容。 （3）制冷剂的制冷流量 Mr和体积流量Vr：,二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算,式中：0为制冷系统的制冷功率/制冷量；kW。,二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算,（4）冷凝器的冷凝负荷k ：制冷剂在冷凝器中冷却、冷凝过程中放出的热量。 qk= h2h3 kMr(h
11、2h3 ) （5）压缩机的理论耗功率Pth： w= h2h1,二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算,（6）理论制冷系数th ：1kg制冷剂 单位耗功量的制冷量。,（7）制冷效率R：理论制冷循环制冷系数与理想制冷循环制冷系数之比。,二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算,3、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算举例,例1、 某空气调节系统需制冷量20kW，采用氨压缩式制冷，蒸发温度t04C，冷凝温度tk40C，无再冷，并且压缩机入口为饱和蒸气，试进行理论循环的的热力计算。,解： (1) 绘出理论循环的压焓图； (2) 根据氨的热力性质表(p235)查处于饱和线上的有关参数值； (3) 计算状态点4的参
12、数值； (4) 根据压焓图确定状态点4的参数值； (5) 进行热力计算。,状态点4的参数值计算： h4=xh1+(1-x)h4,v4=x4v1+(1-x4)v4,v4=v4 + x4 (v1 - v4 ),单位质量制冷能力：,单位容积制冷能力：,制冷剂质量流量：,制冷剂体积流量：,冷凝器热负荷：,压缩机理论耗功率：,理论制冷系数：,制冷效率：,例1-1、1-2、1-3 P9-11,第三节 蒸气压缩式制冷循环的改善,制冷循环演变思想,理想循环：逆卡诺循环、劳仑兹循环 两个等温过程两个等压过程 循环位于气液两相区 理论循环 膨胀机膨胀阀 湿压缩干压缩 无温差传热温差传热 循环的改善 根据不同的目的
13、改善制冷循环 实际循环：存在各种损失,节流过程带来的节流损失； 干压缩所产生的过热损失。,蒸气压缩式制冷理论循环的两种损失,一、膨胀阀前液态制冷剂再冷却,液体再（过）冷：从冷凝器出来的液态制冷剂的温度低于其压力对应的饱和温度。 再（过）冷度：液体过冷后的温度与其压力对应的饱和温度的差值。 再（过）冷循环：具有液体过冷的制冷循环称之为再（过）冷循环。,改善制冷循环的措施,过冷的手段： 设置过冷器,增大冷凝器面积（程度有限） 回热循环:注意回热不一定能改善制冷循环COP，与制冷剂种类有关,一、膨胀阀前液态制冷剂再冷却,1、设置再冷却器的蒸气压缩式制冷循环,理论循环,节流前制冷剂饱和液体的过冷,节流
14、后5点的干度大小直接影响了q0的大小。 改进方法： （1）改善节流过程，使之更接近等熵过程。 （2）液体过冷,(2)、回热对蒸气压缩式制冷性能的影响 利用回热使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换，使液体过冷、蒸气过热，称之为回热。,一、膨胀阀前液态制冷剂再冷却,采用回热循环，一方面可使液态制冷剂再冷，单位质量制冷功率增加( q0= h4-h4= 4bb44); 压缩机的压缩功增加（Wc= (h2 -h1)-(h2-h1) = 21122); 制冷系数是否提高，取决与制冷剂的热物理性质。,一般说来，对于节流损失大的制冷剂，如氟利昂R12、R134a等回热有利，而对于制冷剂氨则
15、不利。,有效过热和有害过热,蒸发器出来的低温制冷剂蒸气，在通过吸入管道进入压缩机前从周围环境吸取热量而过热，但它并没有对被冷却物体产生任何制冷效应，这种过热称为有害过热或无效过热。 吸入蒸气的过热过程发生在蒸发器本身的后部，或者发生在安装于被冷却室内的吸气管道上，或者发生在二者皆有的情况下，那么过热而吸收的热量来自被冷却空间，因而产生了有用的制冷效果，这种过热称为有效过热。,过热度对排气温度的影响,有效过热的过热度对制冷系数的影响,二、回收膨胀功,1、使用膨胀机的蒸气压缩式制冷循环 对于大容量制冷装置: 一方面，由于膨胀机的容量较大，不会出现因机件过小导致加工方面的困难； 另一方面，可回收的膨
16、胀功相对较大； 因此，采用膨胀机回收膨胀功可节省常规能源，提高制冷系数。,二、回收膨胀功,工作流程,理论循环,二、回收膨胀功,输出有用的膨胀功，压缩机压缩功减少,单位质量制冷量增加,理论制冷系数提高,三、多级压缩式制冷循环,当压缩机的压缩比较大时，压缩机的排气温度相应较高，因而过热损失及压缩机功耗均较大。,为减少过热损失及降低压缩机功耗，可采用具有中间冷却的多级压缩制冷循环。,三、多级压缩式制冷循环,多级压缩式制冷循环的应用场合: 压缩比较高（通常 pk/p0 大于8）； 离心式或螺杆式制冷压缩机（可以比较方便的进行中间抽气，如空调用螺杆冷水机组） 多级压缩式制冷循环的两种形式 闪发蒸气分离器（经济器）； 中间冷却器。,1、带闪发蒸气分离器的双级压缩制冷,工作流程,理论循
