第三章蒸汽压缩式制冷设备

第三章蒸汽压缩式制冷设备济宁市技师学院钟元振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蒸气压缩式制冷的理论循环压缩机蒸发器冷凝器膨胀阀1234被冷却介质冷却介质蒸气压缩式制冷的基本系统图压缩机蒸发器冷凝器膨胀阀1234被冷却介质冷却介质蒸气压缩式制冷的基本系统图压-焓图温-熵图3.1.2制冷剂的状态图hp0chTpxsv压力-比焓图hp0chTpxsv压力-比焓图sT0chTpxsv温度-比熵图sT0chTpxsv温度-比熵图压-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(criticalpoint)下临界线:不同压力下饱和液体状态上临界线：不同压力下干饱和蒸汽状态液相区(liquidregion)汽液两相区(liquid-vaporregion)汽相区(vaporregion)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。hp0chTpxsv压力-比焓图hp0chTpxsv压力-比焓图sT0chTpxsv温度-比熵图sT0chTpxsv温度-比熵图高温热源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3.1.3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。压缩机蒸发器冷凝器膨胀阀1234被冷却介质冷却介质蒸气压缩式制冷的基本系统图压缩机蒸发器冷凝器膨胀阀1234被冷却介质冷却介质蒸气压缩式制冷的基本系统图（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。各点对应状态压缩机蒸发器冷凝器膨胀阀1234被冷却介质冷却介质蒸气压缩式制冷的基本系统图压缩机蒸发器冷凝器膨胀阀1234被冷却介质冷却介质蒸气压缩式制冷的基本系统图（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？hp01234pk,TKpo,To2’理论循环p-h图hp01234pk,TKpo,To2’理论循环p-h图TS4‘243102’理论循环T-s图pk,TKpo,ToTS4‘243102’理论循环T-s图pk,TKpo,To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）sfWzmgcmhmQ2213.理想循环特性sfwzgchq221（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。kwhhqhhqmm)()(31410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kgkJhhhhq/31410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。314110/mkJvhhvqqvz制冷剂的质量流量：skgvqqvhm/1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：kwhhqPm)(120kgkJhhw/120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。31121/mkJvhhvwwv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。012ppppk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。kgkJhhqk/32（4）节流过程34hh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04044)1(gfhxhxh干度00044fgfhhhhx比体积04044)1(gfvxvxv（6）循环效率（热力完善度）：001241TTThhhhKc12410hhhhwq（5）制冷系数：总结运用某种制冷剂时：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。hp01234pk,TKpo,To2’理论循环p-h图hp01234pk,TKpo,To2’理论循环p-h图制冷机的性能制冷量Ф0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hp01234pk,TKpo,To2’理论循环p-h图hp01234pk,TKpo,To2’理论循环p-h图影响实际循环的因素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。3.2.1各种实际因素对循环的影响1.高压液体过冷的影响（3）过冷循环的坐标图表示hp01234pk,TKpo,To2’4’3’高压液体过冷的循环hp01234pk,TKpo,To2’4’3’高压液体过冷的循环TS4’243102’3’高压液体过冷的循环TS4’243102’3’高压液体过冷的循环131'vhhqvz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。12hhw制冷系数增加wq0（4）过冷对制冷循环的影响3131410''hhhhhhq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。12124441)()(hhtchhhhhh利用再冷却器或过冷器获得过冷；（6）实现过冷的措施：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hp01234pk,TKpo,To2’1’有吸气过热的循环hp01234pk,TKpo,To2’1’有吸气过热的循环TS243102’1’有吸气过热的循环TS243102’1’有吸气过热的循环（4）过热对制冷循环的影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)()(1212012'0''''hhhhwhhw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32'hhqk若给定压缩机，制冷剂的质量流量qm减小'1vqqvhm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过热，该过热对被冷却物体不产生任何制冷作用。无效过热压缩机蒸发器冷凝器膨胀阀1234被冷却介质冷却介质蒸气压缩式制冷的基本系统图压缩机蒸发器冷凝器膨胀阀1234被冷却介质冷却介质蒸气压缩式制冷的基本系统图410hhq00wq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00qqQm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℃过热度。•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）对循环性能的影响蒸发器冷凝器节流阀回热器压缩机11’2’33’4’有回热循环系统图蒸发器冷凝器节流阀回热器压缩机11’2’33’4’有回热循环系统图hp01’234pk,TKpo,To2’4’3’1回热循环图hp01’234pk,TKpo,To2’4’3’1回热循环图（3）回热循环坐标图hp01’234pk,TKpo,To2’4’3’1回热循环图hp01’234pk,TKpo,To2’4’3’1回热循环图TS4’243102‘3’1’回热循环图TS4’243102‘3’1’回热循环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）