蒸气压缩式制冷循环.ppt

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1、第一章 蒸气压缩式制冷循环,本章介绍单、双级蒸气制冷循环的特性及热力计算方法。着重分析理论循环，并讨论理论循环和实际循环的差别，此外还介绍了复叠式制冷循环的组成及其应用。,第一节 逆向卡诺循环制冷机的理想循环,正向循环、逆向循环 动力循环，即将热量转化成机械功的循环是正循环。在温熵图或压焓图上，循环的各个过程都是依此按顺时针方向变化的。逆向循环是一种消耗功的循环。在温熵图或压焓图上，循环的各个过程都是依此按逆时针方向变化的。可逆循环、不可逆循环 内部不可逆：制冷剂在流动或状态变化的过程中因摩擦、扰动及内部不平衡而引起的损失；外部不可逆：在蒸发器、冷凝器等热交换器中有温差的传热损失,一、逆向卡诺

2、循环,由热力学第二定律得：单热源的热机是不存在的，即利用一个热源是无法完成循环过程的；热量不可能自发地、不付代价地、从一个低温物体传到另一个高温物体，如果要实现这样一个反向的过程，就必须要有一个消耗能量的补偿过程。,制冷机 实现制冷所必需的机器和设备 低温热源被冷却物体 制冷剂 制冷机使用的工作介质 制冷循环制冷剂在制冷系统中所经历的 一系列热力过程,在一定的热源温度下，需要怎样来组织制冷机的工作循环，使获得单位冷量所消耗的能量为最小，这是制冷技术中一个很重要的问题。,研究逆向可逆循环的目的是为了寻找热力学上最完善的制冷循环，作为评价实际循环效率高低的标准。设被冷却物体的温度为T0，周围介质的

3、温度为T，在这个温度范围内，制冷机从被冷 却物体中取出热量q0，并将它传递给周围介质，为了完成这一循环所消耗的机械功为w，这部分功转变成热量后和取出的热量q0一起传递给周围介质。因此，根据力学第一定律，可写出制冷机的热平衡式：式中 q、q0和传递、取出的单位热量和消耗的单位机械功（kJkg）。,(11),逆向卡诺循环是理想的制冷循环，现将逆向卡诺循环表示在TS图上，如图11所示。它由二个可逆的等温过程和二个绝热等熵过程所组成的。,图11 逆向卡诺循环,式中为逆向卡诺循环所消耗的机械功，它等于压缩时所消耗的功减去膨胀时所作的 功，即=kp。因为按逆向卡诺循环工作的制冷机，它所消耗的功为最小功，由

4、式（12）可得：,（13）,（12）,根据热力系统，可逆变化过程中熵的变量等于零这一热力学原理，可以写出逆向卡诺循环的熵变公式：,二、有温差的制冷循环,在上面所讨论的逆向卡诺循环，是假定制冷剂与热源之间的热交换在无限小的温差下进行的，因此就需要热交换器的传热面积无限大，这在实际情况下是不现实的。而制冷剂与周围介质，制冷剂与被冷却物体之间总是存在着一定的温差，即有温差的制冷循环如图12所示。,很明显，由于温差T与T0的存在，制冷循环的温度范围将比图11中的温度范围扩大，即（TT0）（T T0）。从式13中可看出，在获得相同的冷量q0时，有温差的制冷循环将要多消耗功。在图12中，l-2-3-4为没

5、有温差的逆向卡诺循环。a-b-c-d为有温差的制冷循环，二者具有相同的制冷量q0（即面积4-1-f-e-4=面积d-a-g-e-d）。,图12 有温差的制冷循环,T循环中制冷剂的上限温度，K；T 周围介质的温度，K；T0被冷却物体的温度，K；T0 循环中制冷剂的下限温度，K。T=T-TT0=T0-T0,(14),在可逆情况下，制冷系统熵的变化为：,(15),在不可逆情况下，制冷系统熵的变化为：,（16）,由式（15）可得：,，代入式（26）可得：,（17）,比较式（14）和式（17）可得：,（18）,在逆向循环中，由于不可逆过程而多消耗的功，等于周围介质的绝对温度和系统中熵的增量的乘积,三、制

6、冷系数,在制冷循环中，制冷剂从被冷却物体中所制取的冷量q0与所消耗的机械功之比值称为制冷系数，用代号表示：制冷系数是衡量制冷循环经济性的一个重要技术指标。国外习惯上将制冷系数称为制冷机的性能系数COP（Coefficient of Performance）。在给定的温度条件下，制冷系数越大，则循环的经济性越高。,（19）,如果在制冷机内实现的是可逆的循环，则制冷系数又可写成：,(110),从式（110）中可以看出：按照逆向卡诺循环工作的制冷机，其制冷系数与制冷剂的性质无关，而只是工作温度T和T0的函数，即周围介质的温度T越高。被冷却物体的温度T0越低，则循环的制冷系数越小。,这里还应说明，T0

7、变化1度对的影响比T变化1度的影响要大。,在理论上分析比较制冷循环经济性好坏时，仅将逆向卡诺循环作为比较的最高 标准。通常是将工作于相同温度范围的制冷循环的制冷系数与逆向卡诺循环的制冷系数 c 之比，称为这个制冷循环的热力完善度，亦称制冷效率，用代号表示：,（111）,式中,表示相同热源温度范围内的逆向卡诺循环的制冷系数。,热力完善度与制冷系数的意义不同,制冷系数是与循环的工作温度、制冷剂 的性质等因素有关，对于工作温度不同的制冷循环，就无法按照制冷系数的大小来判断循环 经济性的好坏，在这种情况下，只能根据热力完善度的大小来判断。,例11 见P10。,四、热能驱动的制冷循环,以热能直接驱动的制

8、冷循环，例如吸收制冷循环，实际上为三热源循环，如图15所示。热量q0取自低温的温度为T0的被冷却物体，qH来自高温蒸气、燃烧气体或其他热源，qk是系统在Ta温度下（通常是环境温度）放出的热量。,按热力学第一定律：,（115）,对于可逆制冷机，按热力学第二定律，在一个循环中熵增为零，即：,（116）,（117）,通过输入热量制冷的制冷机，其经济性是以热力系数作为评价指标的。热力系数是指获得的制冷量与消耗的热量之比，用表示。,对于可逆制冷机，热力系数用0表示：,（118）,根据式（117），得：,（119）,五、压缩蒸气制冷循环,在图115中，从压缩机出来的高压高温制冷剂气体（D）进入冷凝器被冷却

9、去过热，并进一步冷凝成液体（A）后，进入节流装置如膨胀阀减压，部分液体闪发成蒸气，这些气液两相的混合物（B）进入蒸发器，在里面吸热蒸发成蒸气（C）后回到压缩机重新被压缩，从而完成一个循环。,图115 单级压缩蒸气制冷机的流程图,制冷系数：,（120）,W（kW）压缩机耗功；Q0（kW）蒸发器吸热量；Q0称为制冷量。,（121）,q0单位质量制冷量（简称单位制冷量）压缩机压缩单位质量的制冷剂所消耗的功，称为比功，用（kJ/kg）表示。,制冷量Q0：,kW,（122）,gm为流经压缩机的制冷剂质量流量（kg/s），V为压缩机吸入口处的制冷剂体积流量（m3/s）。,单位容积制冷量qv：,kJ/m3,

10、（123）,qv称为单位容积制冷量（kJ/m3），v1表示制冷剂按吸气状态计的比体积（m3/kg）,六、热泵循环,逆向循环不仅可以用来制冷，还可以把热能释放给某物体或空间，使其温度升高。作这一用途的逆向循环系统称为热泵。热泵与制冷机在热力学原理上是完全相同的，它们的区别主要有两点：两者的目的不同。两者的工作温区往往有所不同。,用于 表示热泵效率的指标称为热泵系数或供热系数，用表示，其定义为：,QH热泵向高温热源的输送热量（kW），W热泵机组消耗的外功（kW）。,由式（121）可得：,（124）,（125）,第二节 单级蒸气压缩式制冷机的理论循环,一、干压缩行程代替湿压缩行程，节流阀代替膨胀机,

11、“湿压行程”在生产中不受欢迎是因为：采用湿压缩行程时，湿蒸气进入气缸，热的气缸壁与冷的湿蒸气进行强烈的热交换。使压缩机的工作效率大大降低。采用湿压行程时，大量液态制冷剂进入压缩机气缸，可能引起“液击”现象，而使压缩机发生事故。故实际蒸气制冷机都要求压缩机在干压缩行程下运转,为了保证干蒸气进入压缩机，一般在节流阀与蒸发器之间加装一个液体分离器（图116）由于液体膨胀机制造比较复杂，且液体的膨胀功又很小，因此可以采用结构简单的节流阀代替结构复杂的膨胀机。,两点原因,图116 具有液体分离器的单级蒸气压缩式制冷循环a）原理图 b）TS图 c）lgPh图1压缩机 2冷凝器 3蒸发器 4液体分离器 5节

12、流阀,二、蒸气制冷机理论循环的热力计算步骤,1单位质量制冷量q0与单位容积制冷量qv,kJ/kg,（126）,kJ/m3,（127）,2单位压缩功,kJkg,（128）,3单位冷凝热量qk,kJkg,（129）,4制冷系数,（130）,5压缩机每小时吸入制冷剂质量(制冷剂质量流量),kg/s,（131）,式中 Q0压缩机的制冷量（kW）,kW,（132）,6压缩机每小时吸入制冷剂蒸气容积,m3/s,（133）,7冷凝器的热负荷,kW,（134）,8压缩机所需理论功率(绝热功率),kW,（135）,图117 例13图,例13 已知tk=30，t0=-15,计算制冷剂为NH3和R22时，理论循环的

13、制冷系数与热力完善度。假设压缩机吸入蒸气为干饱和状态。,解：理论循环的压焓图如图14,各有关点的参数及数值列表11中。,逆向卡诺循环制冷系数,2.循环的热力完善度,例14 上例中若两种制冷剂的制冷量均为11.63kW，计算所需的理论功率各为多少?,解：1制冷剂循环量各为,kg/s,kg/s,所需理论功率各为,kW,kW,三、节流阀前液态制冷剂的再冷却,图118 节流阀前的液体制冷剂再冷却的循环图,没有再冷却的循环：,单位制冷量：,kJ/kg,单位压缩功：,kJ/kg,经再冷却后的循环：,单位制冷量：,kJ/kg,kJ/kg,单位压缩功：,很明显，经再冷却后，循环的单位制冷量增加了,kJ/kg,

14、（140）,式中 c液体制冷剂的比热容，kJ/kg；t7称为再冷却温度或过冷温度tg,而单位压缩功没有变化，故循环的制冷系数提高了,（141）,根据计算，在通常的工作强度范围内，每再冷却1各种制冷剂的制冷系数增加的百分数如下，氨约为0.45%，R22约为0.85%，丙烷约为0.9%,四、吸入蒸气的过热及蒸气制冷机的回热循环,从蒸发器出来的低温低压蒸气，在流经吸气管道时要吸收周围空气中的热量使制冷剂蒸气的温度升高，这一现象称为管路过热。由于制冷剂在吸气管道上过热时消耗的冷量是损失掉的，对制冷循环是不利的，故称为有害过热。为了使压缩机在干蒸气区域内工作，并且要使节流阀前液态制冷剂的温度进一步再冷却

15、，一般可采用蒸气回热循环来实现，即在压缩机的吸入管道侧安装个回热器（图119）。,图119 蒸气压缩式制冷的回热循环,从蒸发器出来的蒸气(状态1)在回热器中等压吸热到状态1，然后被压缩机吸入，液态制冷剂经再 冷却器后进入回热器，进一步被再冷却，从状态7等压冷却到状态9，最后经节流阀送入蒸发器去制冷。,从图119中可明显地看出：单位时间内经回热器的液态制冷剂与蒸气制冷剂的质量G kgs都是相等的。因此，在没有冷量损失的情况下，液态制冷剂放出的热量应等于蒸气制冷剂吸收的热量，即回热器的热平衡式是：,kW,kW,（142）,（143）,或,采用回热循环的好处：循环的单位制冷量q0增大了，当制冷量Q0

16、给定时，制冷剂的循环量G可以减少。吸入蒸气的温度提高了，可减少蒸气在吸气管中的有害过热。减少了吸入蒸气与气缸壁之间热交换的温差，使压缩机的输气系数得到提高。同时还改善了在低温下工作的压缩机的润滑条件。,采用回热循环后，对制冷循环性能指标的影响还有下列两点：由于压缩机吸气过热，使循环的单位压缩功增加了，因此回热循环制冷系数是否提高，必须对于具体情况进行具体分析 采用回热循环后，制冷剂的单位容积制冷量q0是否增加还是减少?这也是一个很重要的问题，因为qv的数值直接影响压缩机的制冷量Q0。,采用回热循环后，单位制冷量及压缩功分别为:,kJkg,（144）,式中,与,是没有回热循环时的单位制冷量和压缩

17、功。,为：,故回热循环的制冷系数,（145）,从上式中可以看出，回热循环制冷系数提高的条件是：,（146）,kW,（147）,式中 Vh压缩机的理论输气量，m3/s压缩机的输气系数。,采用回热循环，单位容积制冷量为：,kJ/m3,对回热循环，单位容积制冷量提高的条件应当是：,或,（148）,式中：qv无回热循环时制冷剂的单位容积制冷量（kJm3），q0无回热循环时制冷剂的单位制冷量（kJkg）。,回热循环的制冷系数k和单位容积制冷量qvR是否增加，这是回热循环的经济性是否提高的两个主要标志，它们分别表示在采用回热循环以后，压缩机的能量消耗及容量是否减少。从式（146）和式（148）中可看出，主

18、要与各种制冷剂的性质有关。,为了便于进一步分析，可近似地将来自蒸发器的低压蒸气当作理想气体来进行分析：,将以上三式代入式（146）和式（148）可得：,（149）,结论,理论分析的结果表明，只有满足这一条件，回热循环的制冷系数及单位容积制冷量才能提高。即从单位容积制冷量和制冷系数角度看，R502、R290、R600a、R134a等制冷剂采用回热循环有利，而R717采用回热循环不利。此外，回热循环还具有由于制冷剂液体过冷所带来的优点。,还应考虑下列一些因素：采用回热后，使节流前制冷剂成为过冷状态，可以在节流过程中减少气化，使节流机构工作稳定；采用回热后，自蒸发器出来的气体流过回热器时压力有所降低

19、。因而增大了压缩机的压比，引起压缩功的增大。,对于像R113、R114和RC318等制冷剂，在Ts图上的饱和蒸气曲线向左下方倾斜，当压缩机吸入的是饱和蒸气时其等熵压缩过程线将进入两相区内，而压缩机在湿压缩区通常是不能正常工作的，因此，应该提高压缩机吸气温度或采用回热循环。,例15 见P24。,第四节 两级压缩制冷循环,一、采用两级压缩制冷循环的原因,对于更低温度的要求，单级压缩将会遇到很大困难，主要原因为：在冷凝温度tk一定的条件下（四季的影响不是很 大），蒸发温度t0越低，其循环的压缩比pk/p0越大，压缩比的增大会给制冷循环的运行带来一系列的问题。具体如下：循环的压缩比pk/p0越大，压缩

20、机输气系数越小，压缩机的制冷量也越小；循环的压缩比pk/p0越大，则会使实际压缩过程更偏离等熵压缩过程，不可逆损失增大；循环的压缩比pk/p0越大，引起压缩机排温升高、效率降低、功耗增大；循环的压缩比pk/p0越大，甚至会造成系统内制冷剂和润滑油分解，运转条件恶化，危害压缩机的正常工作。,单级压缩蒸气制冷循环压缩比一般不超过810。氨因为绝热指数比氟利昂要大，我国规定氨的单级压缩比最大不允许超过8，而氟利昂不允许超过10。因此，不同冷凝温度下，在允许压缩比范围的最大值时，常用的中温制冷剂一般只能获得-20-40的低温。,二、两级压缩制冷循环的组成,一次节流：一次节流循环是将冷凝压力pk下的制冷

21、剂液体，直接节流到蒸发压力p0，由于压差较大，易实现远距离和向高处供液，而且调节也很方便，故应用较广。两次节流：两次节流循环则是先将pk下的制冷剂液体节流到中间压力pm，然后再次节流到P0，实际工程应用并不多。,两级压缩一次节流中间不完全冷却循环,两级压缩一次节流中间不完全冷却循环由低压级压缩机、高压级压缩机、冷凝器、中间冷却器、节流阀、蒸发器和回热器组成。图126示出了两级压缩一次节流中间不完全冷却循环的系统图、lgp-h图和T-s图。,图126 两级压缩一次节流中间不完全冷却循环A高压级压缩机 B低压级压缩机 C冷凝器 D蒸发器E中间冷却器 F回热器,两级压缩一次节流中间完全冷却循环,两级

22、压缩一次节流中间完全冷却循环与不完全冷却循环的区别在于高压级压缩机吸入的制冷剂蒸气为饱和状态而非过热状态。它是将低压级压缩机的排气引入中间冷却器，引起中间冷却器中中压液体制冷剂蒸发而放出其过热量，变成饱和蒸气。这样，既可增加高压级压缩机制冷剂流量，又不致造成排气温度过高。图127示出了两级压缩一次节流中间完全冷却循环的系统图、1gp-h图和T-s图。,图127 两级压缩一次节流中间完全冷却循环A高压级压缩机 B低压级压缩机 C冷凝器D蒸发器 E中间冷却器,三、两级压缩一次节流制冷循环的热力计算,确定冷凝温度tk和蒸发温度t0，以及压缩机吸气温度t1和高压液体的过冷温度tb,在 lgp-h图上找

23、出相应的冷凝压力pk和蒸发压力p0，并按上述温度参数找到各相应的状态点，同时选择并确定中间压力pm和中间温度tm,按这些反映在lgp-h图（或T-s图）上的状态点，查出其状态参数；焓h及比体积1等就可以进行循环性能指标计算,一次节流中间不完全冷却循环性能指标计算,1蒸发器中的单位制冷量q0（kJkg）q0=h10-h8 kJkg（155）,2低压级压缩机单位理论功wd（kW）wd=h2-h1 kW（156）,3低压级压缩机流量qmd（kg/s）,kg/s（157）,4低压级压缩机容积流量qvd（m3s）,m3s（158）,式中，1为压缩机吸气状态比体积（m3kg）,5低压级压缩机所需的实际功率

24、p ed（kW）,kW（159）,式中，d为低压级压缩机绝热效率，d=idmd；其中id为低压级压缩机指示效率，md为低压级压缩机机械效率（详见第三章第二节）。,6低压级压缩机理论排气量Vhd（m3h）,m3h（160）,式中，d为低压级压缩机输气系数。在数值上可近似地按相同压比时的单级压缩制冷循环的压缩机输气系数的90计算。,为了得到高压级压缩机的流量，可利用中间冷却器的热平衡关系求出。由图126的系统可知，一次节流中间不完全冷却循环的中间冷却器热平衡关系为：,7由热平衡关系式得高压级压缩机流量qmg（kg/s）,kg/s（161）,确定h7时，可取t7比中间压力下的饱和温度高35,高温级压

25、缩机的吸气状态与中间冷却器出来的制冷剂蒸气状态以及低压级压缩机排气状态有关，这两部分蒸气混合过程的热平衡关系为：,则得混合点3的比焓h3（单位为kJkg）,kJkg（162）,8高压级压缩机单位理论功wg（单位为kJkg）,W g=h4-h3 kJkg（163）,9高压级压缩机所需的实际功率peg（kW）,kW（164）,式中，g为高压级压缩机绝热效率，g=Igmg。,10高压级压缩机理论排气量Vhg（单位为m3h）,（164）,kW,式中，g为高压级压缩机输气系数；3为高压级压缩机吸气状态的制冷剂蒸气比体积，单位为m3kg。,11循环的冷凝热负荷Qk（kW）,Qk=qmg(h4-h5)kW（

26、166）,12循环的理论制冷系数a,（167）,13循环的实际制冷系数pr,（168）,一次节流中间完全冷却循环的性能指标计算,中间完全冷却循环性能指标的计算方法，与中间不完全冷却循环基本相同。但由于中间冷却器结构有所不同，引起高压级流量及其吸气状态的计算方法存在一定差异。,高压级流量由完全冷却中间冷却器的热平衡关系确定，根据图127可得：,式中，h2pr为低压级压缩机实际排气比焓值（kJ/kg），因此，高压级压缩机所需的实际功率peg为：,kW（170）,高压级压缩机理论排气量Vhg为（单位为m3h）：,m3h（171）,式中，g为高压级压缩机输气系数；3为高压级压缩机吸气状态的制冷剂蒸气比

27、体积，单位为m3kg。循环的冷凝热负荷Qk（kW）：Qk=qmg(h4-h5)kW（172）,四、两级压缩制冷循环运行特性分析,中间压力的确定 两级压缩制冷循环的中间压力，是两级压缩制冷系统优化设计的重要参数。一般情况下，将制冷系数最大的两级压缩制冷循环所具有的中间压力，称做最佳中间压力。它可由以下方法确定：1利用热力图表取数法 2计算法 3经验公式法,1.根据已知制冷剂的pk、p0，按求得一个中间压力近似值。并在饱和蒸气表中查出对应的中间温 度tm。2.在tm值的上方和下方，按12的间隔取若干个（一般取56个）中间温度值，并根据各温度值在lgp-h图（或T-s图）上查出其对应的两级压缩循环各

28、主要状态点物性参数。3.按热力计算中计算制冷系数的公式，代入所需要的各参数进行制冷系数的计算。4.将制冷系数的计算结果绘制成-tm曲线，其曲线的顶点所对应的中间温度即为最佳中间温度tmopt，与它对应的中间压力称之为最佳中间压力pmopt。,要得到精确的最佳中间压力tmopt，可由电子计算机计算不同中间温度设定值时的制冷系数。经过比较自动地取最大制冷系数时所对应的循环的中间压力为设计所需要的最佳中间压力pmopt。一级节流中间不完全冷却的两级压缩循环的最佳中间压力确定，可由下式计算其实际制冷系数的最大值，最大实际制冷系数所对应的即为最佳中间压力pmopt：,（177）,有的学者在对两级压缩制冷

29、循环的研究中，总结出了在一定范围内具有足够精确性的经验公式，来进行最佳中间温度计算，大大简化了热力计算过程。拉塞提出的R717两级压缩制冷循环的最佳中间温度tm（单位为）的经验公式是：tm=0.4tk+0.6t0+3（178）其所对应的pm，即为所要求的pmopt。,实际工程建设中，由于制冷压缩机生产的系列化，往往是通过在已有的系列压缩机产品中进行选配来组成两级压缩制冷循环。一般有以下两种情况：从现有系列产品中选配合适的高压级和低压级制冷压缩机，这种称为多台压缩机配打双级；用一台多缸制冷压缩机配成两级压缩制冷循环，确定高压级和低压级应有的气缸数目，这种压缩机通常称做单机双级制冷压缩机。,第五节

30、 复叠式制冷循环,一、采用复叠式制冷循环的原因,当需要获取-60以下的低温时，由于制冷剂热物理特性的限制，对于前面一直在用的中温制冷剂就会遇到凝固温度、吸气压力过低、吸气比体积过大等的限制。若采用低温制冷剂，tk一般在3060之间，在这种情况下势必会造成R23超临界循环，其制冷系统内压力将远远超过允许的1.6MPa安全压力。这种采用低温制冷剂的单级压缩蒸气制冷循环是根本无法运行。因此，当需要获取-60以下的低温时，应采用中温制冷剂与低温制冷剂复叠的制冷循环。,二、低温箱复叠压缩式制冷系统的组成与类型,复叠压缩式制冷循环的组成 复叠式制冷循环通常是由两个（或多个）采用不同制冷剂的单级（也可以是多级）制冷系统组成，分为高温系统和低温系统。通常在高温系统里使用沸点较高的制冷剂（中温中压制冷剂），在低温系统里使用沸点较低的制冷剂（低温高压制冷剂）。高温系统的蒸发器和低温系统的冷凝器合成一个设备，称为冷凝蒸发器或蒸发冷凝器。复叠压缩式制冷循环的类型 复叠式循环也有多种型式，如两个单级压缩循环复叠、两级压缩循环的复叠、三个单级压缩循环的复叠等。,