蒸气压压缩式系统的热力学原理.ppt

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1、单元12蒸气压缩式系统的热力学原理,目录,12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理,在日常生活中我们都经历过这样的事情：打针时，给皮肤涂上酒精液体，会有凉凉的感觉，并且酒精很快会干掉，这是因为酒精吸收了皮肤上的热量，由液体变成了气体。我们知道，液体气化时都要从周围物体吸收热量。蒸气压缩式制冷就是利用液体气化时要吸收热量这一特性来达到制冷的目的。在制冷装置中用来实现制冷循环的工作物质称为制冷工质或制冷剂。在电冰箱、空调器中就是利用氟利昂这种制冷剂来为我们创造低温环境。,热力学是研究热能与其他形式的能量之间相互转换的规律，以及热力系统内、外条件对能量转换的影响的学科。制冷技术服从热力学基本规律。热力学第

2、一定律指出，自然界的一切物质都具有能量，能量能够从一种形式转换为另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在转换与传递过程中数量不变。,12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理,热力学第二定律揭示了能量交换和转换的条件、深度和方向。热量总是自发地从高温物体传向低温物体，就像水总是从高处向低处流。但热量不能自发地从一个低温物体传向另一个高温物体，如果要使此过程能够进行，必须有一个能量补偿过程，需要消耗外界的能量（电能或热能），蒸气压缩式制冷循环就是用压缩机等设备，以消耗机械能作为补偿，借助制冷剂的状态变化将低温物体的热量传向高温物体。制冷剂在制冷系统中要经过怎样的热力循环才能实现人工制冷呢？经过哪种热力

3、过程所组成的制冷循环在理论上最为经济？下面我们就这些问题，借助于逆卡诺循环进行说明。,12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理,图12.1所示是逆卡诺循环的T-S图。制冷工质在恒温热源（被冷却物体）的温度T0和恒温热源（环境介质）的温度Tk间，按可逆循环进行工作。制冷工质在吸热过程中，其温度与被冷却物体的温度T0相等；在放热过程中，与环境介质温度Tk相等。也就是说在吸热和放热过程中，工质与被冷却物体及环境介质之间没有温差，传热是在等温下进行的，压缩过程与膨胀过程都是在没有任何热量损失的情况下进行的。逆卡诺循环过程中，34为,12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理,绝热膨胀过程，制冷工质沿绝热线34膨胀，

4、对外做功w2，温度从Tk下降到T0；41为等温吸热过程，制冷工质沿等温线4-1，在T0温度下，从被冷却物体吸收热量q0；12为绝热压缩过程，工质从状态1被绝热压缩至状态2，耗功w1，温度从T0升高至Tk；然后沿等温线23压缩。在23过程中，工质在Tk温度下向高温热源放出热量qc。这样，在每一循环过程中，1 kg工质从低温热源吸取q0热量，消耗循环净功为w0，向高温热源放出热量qc。,12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理,根据热力学第一定律，有qc=w0+q0（12.1）制冷循环的性能指标是制冷系数，它表示消耗单位热量所能获得的制冷量，用表示。=q0/w0（12.2）逆卡诺循环的制冷系数可从图12

5、.1推得：q0=T0（Sa-Sb）qc=Tk(Sa-Sb)w0=qc-q0=(Tk-T0)(Sa-Sb),12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理,所以逆卡诺循环的制冷系数为：c=q0/w0=T/(Tk-T0)（12.3）由式(12.3)看出：(1)c与制冷工质的性质无关，只与T0、Tk有关；(2)T0升高或Tk降低时，c增大，循环经济性越好。而且，T0对c的影响要比Tk大，这点可以从下面两个偏导数的绝对值看出。,12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理,|c/Tk|=T0/(Tk-T0)2|c/T0|=Tk/(Tk-T0)2由于TkT0，所以有|c/T0|c/Tk|（12.4）由式(12.4)可知，T0

6、与Tk对制冷系数的影响不是相等的，T0的影响要大于Tk。,12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理,12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理,图12.1 逆卡诺循环,前面讲过实现逆卡诺循环的一个重要条件是制冷剂与被冷却物体和冷却介质之间必须在无温差情况下相互传热，而实际的热交换过程总是在有温差的情况下进行的，理论上要求蒸发器和冷凝器具有无限大的传热面积，这当然是不可能的。所以，实际有传热温差的制冷循环的制冷系数，不仅与被冷却物体和冷却介质的温度有关，还与热交换过程的传热温差有关。由于热交换中存在温差，因而在吸热过程中，工质的温度T0应低于低温热源的温度T0，即T0T0；在放热过程中，工质的温度Tk应高于高

7、温热源的温度Tk，即TkTk。将具有传热温差的制冷循环画在T-S图上，如图12.2所示。,12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理,逆卡诺循环用图12.2中的12341表示，有传热温差的制冷循环用图12.2中的12341表示，所消耗的功量为面积12341，比逆卡诺循环多消耗的功为22332和11441，减少的制冷量为面积11441。具有传热温差的制冷循环的制冷系数为：c=T0/(Tk-T0)=1/(Tk/T0-1)（12.5）将它与逆卡诺循环的制冷系数相比，由于TkTk，T0T0，所以cc。,12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理,由此可见，具有传热温差的制冷循环的制冷系数总是小于逆卡诺循环的制冷系数，

8、一切实际制冷循环均为不可逆循环，因此，实际循环的制冷系数总是小于工作在相同热源温度时的逆卡诺循环的制冷系数。因为逆卡诺循环是在没有传热温差的情况下进行的，没有任何不可逆损失，所以它是具有恒温热源的理想制冷循环，实际上是无法实现的。但是，逆卡诺循环从理论上指出了提高制冷装置经济性的方向，同时也可用作评价实际制冷循环完善程度的指标。,12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理,实际制冷循环中，制冷工质在流动或状态变化过程中，因摩擦、扰动及内部不平衡等因素而引起一定的损失，在换热器中，因存在传热温差而引起传热损失。所以，实际制冷循环是不可逆的，其不可逆程度用热力完善度衡量，为制冷系数与逆卡诺循环的制冷系数c

9、之比，即=/c（12.6）热力完善度越接近于1，表明实际循环不可逆程度越小，循环的经济性越好，其大小反映了实际制冷循环接近逆卡诺循环的程度。,12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理,12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理,图12.2 有传热温差的制冷循环,12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理,图12.2 有传热温差的制冷循环,12.2 蒸气压缩式制冷的理论循环,蒸气压缩式制冷的理论循环是由两个定压过程、一个绝热压缩过程和一个绝热节流过程组成。它与逆卡诺循环所不同的是：（1）蒸气压缩采用干压缩代替湿压缩。压缩机吸入的是饱和蒸气而不是湿蒸气。（2）用节流阀代替膨胀机。（3）制冷剂在冷凝器和蒸发器中的传热过程

10、均为定压过程，并且具有传热温差。,如图12.3所示为蒸气压缩式制冷理论循环图。它由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四大设备组成，这些设备之间用管道连成一个封闭的系统。它的工作过程是：压缩机将蒸发器内所产生的低温低压制冷剂蒸气吸入汽缸内，经过压缩机压缩后使制冷剂蒸气的压力、温度升高，然后将高温高压的制冷剂蒸气排入冷凝器；在冷凝器内，高压、高温的制冷剂蒸气与温度较低的冷却介质进行热量交换，把热量传给冷却介质，而制冷剂本身放出热量后由气体冷凝为液体，这种高压的制冷剂液体经过节流阀节流降压、降温后进入蒸发器；在蒸发器内，低温低压的制冷剂,12.2 蒸气压缩式制冷的理论循环,液体，吸收被冷却物体的热量而汽

11、化，使被冷却物体得到冷却，蒸发器中所产生的制冷剂蒸气又被压缩机吸走。这样，制冷剂在系统中要经过压缩、冷凝、节流、汽化四个过程，完成一个制冷循环。综上所述，蒸气压缩式制冷的理论循环可归纳为以下四点：（1）低温低压的制冷剂液体（含少量散发蒸气）在蒸发器中定压气化吸热过程。在该过程中压力不变，制冷剂从低温物体中吸取热量，由液体汽化为气体。,12.2 蒸气压缩式制冷的理论循环,（2）低温低压制冷剂蒸气在压缩机中的绝热压缩过程。在该过程中，压缩机消耗外界能量，抽取蒸发器中低温低压的制冷剂气体，并将其压缩至冷凝压力。（3）高温高压的制冷剂气体在冷凝器中的定压冷却冷凝过程。在该过程中，制冷剂将从被冷却物体（

12、低温物体）中夺取的热量连同压缩机所消耗的功转化成的热量一起，全部传递给冷却介质，并在定压下由气体冷却、冷凝为液体。（4）高温高压制冷剂液体经膨胀阀节流降压降温后，进入蒸发器，继续下一个制冷循环。,12.2 蒸气压缩式制冷的理论循环,12.2 蒸气压缩式制冷的理论循环,图12.3蒸气压缩式制冷理论循环,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,热力学课程里我们已经学习了制冷剂的热力性质图即lgp-h图，如图12.4所示。在制冷与空调工程中，lgp-h图的使用非常普遍。因为使用lgp-h图可以简便地确定制冷剂的状态参数，而且能直观地表示出循环及其过程中参数和能量的变化。我们可以借助它来分析、计算制

13、冷循环。Lgp-h图以绝对压力p为纵坐标（MPa），为了使低压部分表示得清楚及缩小图的尺寸，采用对数坐标，即lgp；焓值h为横坐标，所以通常称为lgp-h图。它的内容包括：,一点：临界点K；三区：液相区、两相区、气相区；五态：过冷液状态、饱和液状态、湿蒸气状态、饱和蒸气状态、过热蒸气状态；八线：等压线p，等焓线h，饱和液线x=0，饱和气线x=1，等干度线x，等容线v，等熵线s，等温线t。,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,在温度（t）、压力（p）、比体积（v）、比焓（h）、比熵（s）、干度（x）等参数中，只要知道其中任何两个状态参数，就可以在lgp-h图上确定过热蒸气或过冷液体的状态点

14、，从而该状态下的其他参数便可直接从图中读出。对于饱和蒸气和液体，只需要知道一个状态参数，就能在图中确定其状态。此外，lgp-h图还能够明确地表达出制冷循环状态的变化过程以及这些变化对于制冷循环的影响，反映出制冷循环状态变化过程中热量与功率的变化，从而便于我们对制冷循环的分析和计算。,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,图12.4lgp-h图的结构,根据理论循环的假设条件，将单级蒸气压缩式制冷理论循环工作过程在压焓图上表示出来，如图12.5所示。（1）制冷压缩机从蒸发器吸取蒸发压力为p0的饱和制冷剂蒸气（状态点1），沿等熵线压缩至冷凝压力pk（状态

15、点2），压缩过程完成。（2）状态点2的高温高压制冷剂蒸气进入冷凝器，经冷凝器与环境介质空气或水进行热交换，放出热量qk后，沿等压线pk冷却至饱和蒸气状态点3，然后冷凝至饱和液状态点4，冷凝过程完成。在冷却过程23中制冷剂与环境介质有温差，在冷凝过程34中制冷剂与环境介质无温差。,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,（3）状态点4的饱和制冷剂液体经节流元件节流降压，沿等焓线（节流过程中焓值保持不变）由冷凝压力pk降至蒸发压力p0，到达湿蒸气状态点5，膨胀过程完成。（4）状态点5的制冷剂湿蒸气进入蒸发器，在蒸发器内吸收被冷却介质的热量沿等压线p0汽化，到达饱和蒸气状态点1，蒸发过程完成。制冷

16、剂的蒸发温度与被冷却介质间无温差。,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,图12.5蒸气压缩式制冷理论循环的lgp-h图,单级蒸气压缩式理论循环的性能指标有单位质量制冷量、单位容积制冷量、单位功、单位冷凝负荷、制冷系数及热力完善度等。根据图12.5可以计算有关性能指标。（1）单位质量制冷量q0它表示1 kg制冷剂在蒸发器内从被冷却物体吸收的热量，单位为kJ/kg。从工质的lgph图和稳定流动能量方程式，可得：q0h1h5h1h4（12.7）亦可表示为：q0r0（1x5）（12.8）,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,（2）单位容积制冷量qv

17、它表示压缩机每吸入1 m3制冷剂蒸气（按吸气状态计），在蒸发器中所产生的制冷量，单位为kJ/m3。qvq0/v1（h1h5）/v1（12.9）（3）制冷剂的质量流量和体积流量它是指压缩机每秒吸入制冷剂的质量和体积。质量流量物理符号为MR，单位为kg/s；体积流量物理符号为VR，单位为m3/s。MRQ0/q0（12.10）,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,（4）单位冷凝负荷qk它表示1 kg制冷剂在冷却和冷凝过程中放出的热量，单位为kJ/kg。它可用制冷剂进出冷凝器时的比焓差表示，即qkh2h4（12.12）（5）冷凝器热负荷Qk它表示制冷剂在冷凝器中放给冷却介质的热量，即QkMRqk

18、MR（h2h4）（12.13）,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,（6）单位理论压缩功w0 它表示压缩机每压缩并输送1 kg制冷剂所消耗的理论功，单位为kJ/kg。它可用制冷剂进、出压缩机时的比焓差来表示，即w0h2h1（12.14）压缩机理论耗功率ptMRw0MR（h2h1）（12.15）,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,（7）制冷系数0它表示循环的单位制冷量与单位功之比，即0=q0/w0=(h1-h5)/(h2-h1)（12.16）（8）热力完善度蒸气压缩式理论循环仍然是一个不可逆循环，它在制冷剂的冷却过程和节流过程中都存在不可逆损失，因此制冷循环的制冷系数就一定小于逆卡

19、诺循环的制冷系数，其不可逆程度用热力完善度来表示，即=0/c=(h1-h5)/(h2-h1)(Tk-T0)/T0（12.17）,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,【例12.1】假定某一制冷循环为单级压缩蒸气制冷的理论循环，蒸发温度t0-10，冷凝温度为tk35，工质为R22，循环的制冷量Q055 kW，试对该循环进行热力计算。【解】该循环在压焓图上可表示为图12.5。根据R22的热力性质表，查出处于饱和线上各点的参数值：h1401.18 kJ/kg，v10.0654m3/kg，h3242.93 kJ/kg，p0355.0 kPa，pk1349.8 kPa。在lgp-h图上（见图12.5

20、），点1由等p0线和干饱和蒸气线相交确定，由点1作等熵线，与等pk线相交确定点2。,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,由图12.5知，t257，h2435.2kJ/kg。节流前后焓值不变，故h4h3242.93 kJ/kg。（1）单位质量制冷量q0h1h4158.25 kJ/kg（2）单位容积制冷量qvq0/v12420 kJ/m3（3）制冷剂质量流量MRQ0/q00.3476 kg/s（4）制冷剂体积流量VRMRv10.0227 m3/s,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,（5）单位理论压缩功w0h2h134.02 kJ/kg（6）压缩机理论耗功率ptMRw011.83 kW

21、（7）冷凝器单位热负荷qkh2h3192.27 kJ/kg（8）冷凝器热负荷QkMRqk66.83 kJ（9）制冷系数0q0/w04.65,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,（10）逆卡诺循环制冷系数cT0/(Tk-T0)5.85（11）热力完善度=0/c0.795,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,图12.5蒸气压缩式制冷理论循环的lgp-h图,12.3 压焓图及制冷理论循环的热力计算,图12.5蒸气压缩式制冷理论循环的lgp-h图,12.4 蒸气压缩式制冷的实际循环,（1）实际循环过程不是绝热过程制冷剂气体在气缸中的压缩过程，存在着

22、气体内部及气体与气缸壁之间的摩擦、热交换，存在着气体与外部的热交换。例如，在压缩过程的初始阶段，气体的温度低于气缸壁的温度，气体吸收气缸壁的热量；在压缩过程的终了阶段，制冷剂蒸气的温度高于气缸壁的温度，气体又向气缸壁放热。所以实际的压缩过程是一个不断变化的多变过程，是一个不可逆过程，实际循环过程都存在热量损失,（2）冷凝和蒸发过程都是在有传热温差下进行在实际的热交换过程中，都存在着传热温差。在冷凝器中，制冷剂放热过程的冷凝温度，高于环境介质或冷却介质的温度；制冷剂在蒸发器内的吸热过程中，蒸发温度低于被冷却物体的温度。由于存在传热温差，所以冷凝和蒸发过程的传热都是不可逆的。（3）制冷剂通过管道、

23、吸排气阀门和其他设备时存在压力损失制冷剂流经压缩机吸气阀和排气阀时，以及通过管道、冷凝器、蒸发器等设备时，由于制冷剂与管壁或器壁之间存在摩擦阻力，都会产生压力降。,12.4 蒸气压缩式制冷的实际循环,由上述可知，实际循环过程中的压缩、冷凝、节流和蒸发过程都是不可逆过程。由于存在摩擦、涡流等内部不可逆损失，而且与外部有热量交换和存在不可逆损失，所以蒸气压缩式制冷的实际循环与理论循环相比，制冷量减小，消耗的功量增大，制冷系数下降。,12.4 蒸气压缩式制冷的实际循环,单级蒸气压缩式制冷实际循环如图12.6所示。41表示制冷剂在蒸发器中的汽化和降压过程；11表示蒸气在回热器或吸气管道中的加热和降压过

24、程；11表示蒸气经过吸气阀的加热和压降过程；12s表示实际多变压缩过程；2s2s表示蒸气经过排气阀的降压过程；2s3表示气体经过排气管、冷凝器的冷却、凝结和降压过程；33表示制冷剂液体在回热器或管道中的降温降压过程；34表示制冷剂液体经节流阀时的降温降压过程，而且焓是增加的。为了便于进行比较，图12.6中也画出了理论循环12341。,12.4 蒸气压缩式制冷的实际循环,由于蒸气压缩式制冷的实际循环比较复杂，难以细致计算，所以一般均以理论循环作为计算基准。在选择或设计制冷压缩机及确定其配用电动机功率，计算冷凝器和蒸发器的传热面积，确定制冷系统的管路直径及进行制冷机房设计时，通常引入一系列系数和效

25、率，以此来考虑各种不可逆因素及其损失的影响。,12.4 蒸气压缩式制冷的实际循环,12.4 蒸气压缩式制冷的实际循环,图12.6单级蒸气压缩式制冷实际循环的lgp-h图,液体过冷：制冷剂液体的温度低于同一压力下饱和液体的温度称为过冷。两者温度之差称为过冷度，用tgl表示。如压力为1atm(0.1 MPa)时，水对应的饱和温度是100，而通常自来水温度只有20，自来水即为过冷液体，过冷度为80。制冷理论循环中，我们认为冷凝完毕的制冷剂液体正好是饱和液状态，没有考虑制冷剂流动时的热交换，制冷剂到达节流阀前仍为饱和液状态，如图12.7所示的4点。实际制冷循环中，由于下列原因会使节流阀前液体过冷，而液

26、体过冷会直接影响制冷装置的循环性能。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,（1）冷凝器中冷凝面积的选择往往大于设计所需的冷凝面积。（2）冷凝器选择条件是根据最热天气、最高环境介质温度。而在使用中的绝大多数时间内冷凝器是在低于上述条件的情况下工作，从而使冷凝面积过剩，为制冷剂过冷创造了条件。（3）制冷系统中设置专门的过冷器。（4）制冷系统中设置了回热器。（5）在设计过程中，人为设计一些过冷度，如通常单级蒸气压缩式制冷循环中设35的过冷度。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,现在我们来分析液体过冷对单级蒸气压缩式制冷循环是否有益。在图12.7中，同时给出了理论制冷循环123451和具有节流阀

27、前液体过冷的过冷循环123451。从制冷系数变化的角度对比如下：理论循环123451过冷循环123451q0=h1-h5q0=h1-h5=(h1-h5)+(h5-h5)=q0+q0w0=h2-h1w0=h2-h10=q0/w0 0=q0/w0=(q0+q0)/w0=0+0,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,理论分析显示，有过冷的制冷循环，其制冷系数提高了，因此，过冷循环对单级蒸气压缩式理论循环有益，且过冷度越大，对制冷循环越有益。同时，从图12.7可以看出，过冷循环的节流点5与理论循环的节流点5相比较，更靠近饱和液线，即过冷循环节流后制冷剂的干度减小，散发性气体减少，这对制冷循环也是有益的

28、。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,【例12.2】两个单级蒸气压缩式制冷循环用于水果保鲜，使用工质为R22，需制冷量Q0=55 kW。两个循环的冷凝温度tk均为40，蒸发温度t0均为-10。其中一制冷循环为理论循环，另一制冷循环为过冷循环，过冷度tgl=5，试比较两个制冷循环的性能。【解】根据制冷循环工作温度，在工质R22的lgp-h图上绘出制冷循环，如图12.7所示。由工质R22的热力性质表，查出各状态点的参数如下：h1=401.555 kJ/kg；v1=0.06534m3/kg；h2=439.5 kJ/kg；h4=h5=249.686 kJ/kg；h4=h5=243.5 kJ/kg。

29、计算结果列入表12.1（见P171）。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,实例计算显示，液体过冷循环使制冷循环的制冷系数0增大，使制冷循环的单位质量制冷量q0增大，从而使制冷循环的质量流量MR减少，使制冷循环的单位体积制冷量qv增加，制冷压缩机的实际输气量Vs减少，从而使制冷循环所需要的制冷压缩机的尺寸可以减小。故液体过冷对单级蒸气压缩式制冷循环有益。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,实现过冷的方法：（1）设计、选型时，适当增大冷凝面积。（2）在制冷系统中设置过冷器（再冷却器）。可采用深井水或使冷却水先入过冷器，以获得较大的过冷度。（3）在制冷系统中设置回热器。获得一定的过冷度，在技

30、术上是切实可行的，但需要为此付出一定的经济代价。如冷凝面积增大，加装过冷器、回热器以及相关的深井、泵、管道和管件等附属设施，既增加了一次性设备投资,同时也增大了运行管理费用。因此，是否采用过冷系统，采用哪种过冷方式以及多大的过冷度都需要从技术、经济两方面综合考虑。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,实际运用中，采用第一种过冷方式较多，对第二种方式则应慎用。（1）通常情况下，在小型制冷循环，尤其是氟利昂制冷循环中，非常需要过冷，因为小型制冷系统通常未设置气液分离辅助设备，节流后的湿蒸气直接进入蒸发器。从图12.7可以看出，有过冷时比理论循环时节流后制冷剂的状态点散发性气体减少，从而减少了散发

31、性气体在蒸发器内占有的面积。另外，在制冷系统有多个蒸发器并联使用时，可减少供液不均的可能。（2）在大、中型双级压缩制冷循环中常利用中间冷却器进行过冷。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,图12.7理论循环与过冷循环的lgp-h图,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,图12.7理论循环与过冷循环的lgp-h图,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,图12.7理论循环与过冷循环的lgp-h图,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,图12.7理论循环与过冷循环的lgp-h图,制冷剂蒸气的温度高于同一压力下饱和蒸气的温度称为过热，两者温度之差称为过热度，用t

32、gr表示。如压力为1atm(0.1 MPa)时，水对应的饱和温度是100，当压力不变，对水蒸气继续加热，使水蒸气温度上升到120，则水蒸气过热，其过热度为20。过热分为有效过热和有害过热两种。过热吸收的热量来自被冷却对象，产生了有用的制冷效果，这种过热称为有效过热。反之，过热吸收的热量来自被冷却对象之外，没有产生有用的制冷效果，则称为有害过热。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,在理论制冷循环中，可以认为制冷剂在蒸发器中蒸发完毕时恰好是饱和蒸气状态，忽略制冷剂蒸气流动时与外界的热交换，因此，制冷压缩机吸入的制冷剂蒸气为饱和蒸气，如图12.8所示的1点。但在实际循环中，制冷压缩机吸入的制冷剂

33、蒸气往往是过热的蒸气。在实际循环中，由于下列原因会使制冷压缩机的吸气过热：（1）蒸发器蒸发面积的选择大于设计所需的蒸发面积，属有效过热。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,（2）为了保护制冷压缩机不会发生“湿冲程”（制冷压缩机吸入了制冷剂液体为“湿冲程”），设计时人为地增加了过热过程。（3）蒸发器与制冷压缩机之间的连接管道吸取外界环境的热量而过热，属有害过热。（4）蒸发器与制冷压缩机之间的连接管道吸取被冷却对象的热量而过热，属有效过热。（5）制冷系统中设置了回热器，属有害过热，但有过冷过程伴随。（6）半封闭、全封闭制冷压缩机中，制冷压缩机吸气需要冷却电动机而过热，属有害过热，但是必需的。,

34、12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,下面分析蒸气过热对单级蒸气压缩式制冷循环是否有益。在图12.8中，同时给出了理论制冷循环123451和具有吸气过热的制冷循环123451。从制冷系数变化的角度对比如下：理论循环123451过热循环123451q0=h1-h5有效过热q0=h1-h5=q0+q0有害过热q0=h1-h5w0=h2-h1有效过热w0=h2-h1=w0+w0有害过热w0=h2-h1=w0+w0=q0/w0有效过热0=q0/w0=(q0+q0)/(w0+w0)有害过热0=q0/w0=q0/(w0+w0)=0-0,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,理论分析显示，有害过热使制冷循环

35、的制冷系数减少，对制冷循环不利。因此，节流阀后、制冷压缩机前的低温管道和设备如果暴露在被冷却空间之外，均须包绝热材料，尽量避免产生有害过热。有效过热对制冷循环的影响不能轻易确定，根据研究人员的分析，有效过热对循环是否有益与制冷剂性质有关。图12.9所示是在蒸发温度为0、冷凝温度为40的条件下计算所得的结果。图12.9显示，有效过热循环中，制冷系数的变化与制冷剂的种类有关。蒸气有效过热对制冷剂R134a、R290、R502有益，使它们的制冷系数增加，且制冷系数的增加值与过热度成正比；蒸气有效过热对制冷剂R22、R717无益，使它们的制冷系数降低，且制冷系数的降低值与过热度成正比，制冷剂R717表

36、现更为突出。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,【例12.3】两个蒸气压缩式制冷循环用于禽蛋类保鲜，其中一制冷循环为理论循环，另一制冷循环为过热循环，过热度tgr=10。保鲜需制冷量Q0=50 kW。两个循环的冷凝温度tk均为40，蒸发温度t0均为-5。在使用工质氨（R717）或丙烷（R290）作制冷剂时，试比较两个制冷循环的性能。【解】根据制冷循环工作温度，分别在工质R717、R290的lgph图上绘出各自的理论循环和过热循环，如图12.8所示。分别由工质R717和R290的热力性质表查出各状态点的参数见表12.2，计算结果见表12.3、表12.4。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环

37、,实例计算显示：（1）在使用制冷剂R717、R290的制冷循环中，有害过热没有使制冷循环的单位质量制冷量q0、质量流量MR发生变化，使理论比功w0增大，制冷系数0减小，制冷压缩机的排气温度升高；使制冷循环的单位容积制冷量qv减小，制冷压缩机的实际输气量Vs增大，从而使制冷循环所需要的制冷压缩机的尺寸增大。因此，有害过热对制冷循环无益，应尽量避免和减少有害过热。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,（2）在使用制冷剂R717的制冷循环中，有效过热使制冷循环的单位质量制冷量q0增大，质量流量MR减小，使理论比功w0增大，且理论比功的增值高于单位质量制冷量的增值，故制冷系数0减小，制冷压缩机的排气

38、温度升高；同时有效过热使制冷循环的单位容积制冷量qv减少，从而使制冷循环所需要的制冷压缩机的尺寸增大。因此，有效过热对使用制冷剂R717的制冷循环无益。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,（3）在使用制冷剂R290的制冷循环中，有效过热使制冷循环的单位质量制冷量q0增大，质量流量MR减少，理论比功w0增大，但理论比功的增值低于单位质量制冷量的增值，故制冷系数0稍有增大；同时有效过热使制冷循环的单位容积制冷量qv增大，制冷压缩机的实际输气量Vs减小，从而使制冷循环所需要的制冷压缩机的尺寸减小。因此，有效过热对使用制冷剂R290的制冷循环有益。（4）有效过热对制冷循环的影响根据制冷剂不同而不同

39、。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,通常实现过热的方法是：（1）设计时，考虑适当的过热度，增大蒸发面积。（2）大、中型氟制冷系统增加回热器，可以获得较大的过热度，同时获得较大的过冷度。实际应用中，采用第一种过热方法较多，第二种过热方法只在氟制冷系统中采用。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,氨制冷剂一般应用于大、中型制冷系统。图12.9所示氨制冷循环随着制冷剂蒸气过热度的增大，制冷系数快速下降。另外，从氨的绝热指数高（排气温度高）这一特性分析，过热将使氨制冷循环压缩机的排气温度更高，从而导致制冷压缩机过热。制冷压缩机过热会降低其容积效率，增加能耗，并对其运行的可靠性及寿命不利。且过高

40、的压缩机排气温度将可能促使制冷剂和润滑油分解，生成对制冷压缩机有害的游离碳、酸类和水分，腐蚀、堵塞、危害制冷系统。因此，氨制冷循环中不适合采用过热循环。一般规定，在使用R717制冷剂时，制冷压缩机的最高排气温度不能超过125；在使用R22制冷剂时，制冷压缩机的最高排气温度不能超过145。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,实际氨制冷循环中为了避免制冷压缩机的“湿冲程”，氨制冷压缩机仍采用适度过热，过热度规定见表12.5。回热器能使制冷压缩机产生较大的过热度，因此氨制冷系统中不采用回热器。对于氟制冷循环，尽管图12.9显示R22在过热循环中，制冷系数0有下降趋势，但氟制冷系统仍普遍采用较大的

41、过热度，一方面是过热循环普遍可以改变制冷循环的性能参数，另一方面是为了保护制冷压缩机。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,图12.8理论循环与过热循环的lgp-h图,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,图12.8理论循环与过热循环的lgp-h图,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,图12.9有效过热的过热度对制冷系数的影响,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,图12.9有效过热的过热度对制冷系数的影响,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,图12.9有效过热的过热度对制冷系数的影响,回热循环如图12.10所示。由图可知，回热循环实质是在普通的制冷

42、循环系统中增加了一个回热器。回热器又称气液热交换器，是一个热交换设备。它使冷凝器冷凝后的制冷剂液体先通过回热器再进入节流阀；蒸发器吸热汽化的制冷剂蒸气先通过回热器再进入制冷压缩机，从而使节流阀前常温下的制冷剂液体与制冷压缩机吸入口前低温的制冷剂蒸气进行热交换，达到节流前的制冷剂液体过冷、制冷压缩机吸气过热的目的，如图12.11的线段33和11所示。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,由图12.11所示,12341与理论循环12341相比，多了蒸气过热段11和液体过冷段33。若不计回热器与外界环境之间的热交换，则回热器内液体过冷放出的热量应等于蒸气过热吸收的热量，其热平衡关系为：Q=MR(h

43、4-h4)=MR（h1-h1）即h4-h4=h1-h1根据图12.11也可以表示为：c(t3-t3)=cp(t1-t1),12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,由于制冷剂液体的比热容始终大于制冷剂过热蒸气的比定压热容，即ccp，因此t3-t3t1-t1可以得出结论，在回热器内进行的气、液热交换过程中，蒸气温度的升高值t1-t1始终大于液体温度的降低值t3-t3。换句话说，经过回热器的热交换，制冷剂蒸气的过热度大于制冷剂液体的过冷度。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,由于制冷剂液体的回热循环的过冷、过热过程均在自己系统内部完成。过热过程因为不是在被冷却空间进行，因而没有产生制冷效果，属于有

44、害过热，对循环不利。但它同时置换了一定的过冷度，又对制冷循环有益。因此，回热循环对实际制冷循环是否有益，取决于过热和过冷过程对制冷循环的影响程度。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,回热循环对实际制冷循环的影响随制冷剂的不同而不同。在单位容积制冷量、制冷系数等方面，它的变化规律与前面分析的有效过热的变化规律完全一致。根据回热循环中制冷剂蒸气的过热度大于制冷剂液体的过冷度结论，也可以推理出对过热度敏感的制冷剂，回热循环对其无益，例如用氨作制冷剂的制冷系统就不采用回热循环。在实际应用中：,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,（1）氟制冷循环适合使用回热器。因为氟制冷系统一般采用直接膨胀供液方

45、式给蒸发器供液，为简化系统，一般不设气液分离装置。回热循环的过冷可使节流降压后的散发性气体减少，从而使节流机构工作稳定、蒸发器的供液均匀。同时回热循环的过热又可使制冷压缩机避免“湿冲程”，可保护压缩机。（2）在低温制冷装置中也使用回热器。这样做是为了避免吸气温度过低致使制冷压缩机汽缸外壁结霜，润滑条件恶化，同时减少节流后的散发性气体。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,（3）对于制冷剂R113、R114等，由于其热力性质图的特殊性，制冷压缩机吸入饱和蒸气进行压缩，其压缩过程线将进入两相区，为了保护制冷压缩机，宜采用过热或回热循环。（4）在小型氟冷库中，也可以采用将制冷压缩机的吸气管与节流阀前的供液管捆绑在一起的简易做法，同样起到了回热器的作用。,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,图12.10单级蒸气压缩式制冷回热循环系统图,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,图12.11理论循环与回热循环的lgp-h图,12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环,图12.11理论循环与回热循环的lgp-h图,Thank You!,