第1章蒸气压缩式制冷的热力学原理

第4章制冷技术第一节蒸气压缩式制冷的热力学原理1、蒸气压缩式制冷的工作原理任何液体在沸腾过程中将要吸收热量，液体的沸腾温度（即饱和温度）和吸热量随液体所处的压力而变化，压力越低，沸腾温度也越低。而且不同液体的饱和压力、沸腾温度和吸热量也各不相同。只要根据所用制冷液体（称制冷剂）的热力性质，创造一定的压力条件，就可以在一定范围内获得所要求的低温。要实现制冷循环必须要有一定的设备，而且要以消耗能量作为补偿。蒸气压缩式制冷循环就是用压缩机等设备，以消耗机械功作为补偿，对制冷剂的状态进行循环变化，从而使用冷场合获得连续和稳定的冷量及低温。研究蒸气压缩式制冷循环的主要目的，是为了分析影响制冷循环的各种因素，寻求节省制冷能耗的途径。2、理想制冷循环——逆卡诺循环逆卡诺循环是使工质（制冷剂）在吸收低温热源的热量后通过制冷装置，并以外功作补偿，然后流向高温热源。逆向循环是一种消耗功的循环，制冷循环就是按逆向循环进行的，在温—熵或压—焓图上，循环的各个过程都是依次按逆时针方向变化的。逆卡诺循环由两个等温过程和两个绝热（等熵）过程组成，是一种理想循环。逆卡诺循环是可逆的理想制冷循环，它不考虑工质在流动和状态变化过程中的内部和外部不可逆损失。虽然逆卡诺循环无法实现，但是通过该循环的分析所得出的结论对实际制冷循环具有重要的指导意义。3、逆卡诺循环必须具备的条件利用液体气化制冷的逆卡诺循环必须具备的条件是：高、低温热源温度恒定；工质在冷凝器和蒸发器中与外界热源之间无传热温差；工质在流经各个设备时无内部不可逆损失；膨胀机输出的功为压缩机所利用。作为实现逆卡诺循环的必要设备是压缩机、冷凝器、膨胀机和蒸发器。4．制冷系数ε制冷循环常用制冷系数ε表示它的循环经济性能，制冷系数等于单位耗功量所制得的冷量。对于逆卡诺循环而言：)())(()(00000TTTSSTTSSTwqkbakbacc从公式可知，逆卡诺循环的制冷系数c仅与高、低温热源温度有关，而与制冷剂的热物理性能无关。当0T升高，kT降低时，c增大，这意味着单位耗功量所能制取的冷量增加，提高了制冷循环的节能型和经济性。0T与kT对制冷系数c的影响是不等价的，0T的影响大于kT。同时，也意味着要实现温度较低的制冷具有更高的难度。由于逆卡诺循环不考虑各种损失，而且压缩机利用了膨胀机对外输出的功，因此，在恒定的高、低温热源区间，逆卡诺循环的制冷系数c最大，在该温度区间进行的其它各种制冷循环的制冷系数均小于c，所以，逆卡诺循环制冷系数可用来评价其它制冷循环的热力完善度。5、具有传热温差的逆向可逆循环具有传热温差的制冷系数，总小于相同热源温度时的逆卡诺循环制冷系数，而且随传热温差kT和0T的增大而降低。1.1.4热泵的应用逆向循环以耗功作补偿，通过制冷剂的循环把从低温热源中吸收的热量（即制冷量）和耗功量一起在高温热源放出。因此，逆向循环可以用来制冷，也可以用来制冷，或者冷热共同使用。用来制冷的逆向循环装置，称为制冷装置，而用来供热时则称为热泵装置。在逆卡诺循环中已作了介绍，1kg制冷剂在每次循环中向高温热源放出的热量为wqqk'0'(kJ/kg)则进行逆卡诺循环的热泵供热系数为'0'''0'1TTTwqwwqkkcccckc（1.4）公式（）表示，热泵系数恒大于1，这说明热泵装置在高温热源的放热量始终大于耗功量。因此，热泵供热肯定比直接用电供热耗省能，它是一种省能的供热方法，目前，它的研究和发展正日益受到重视。但是，必须指出，热泵的供热系数和制冷系数有关，而制冷系数的大小随高、低温热源温度，传热温差等变化。当高、低温热源温差或传热温差增大时，制冷系数下降，热泵供热系数也相应降低。因此，热泵供热虽然比直接电热省能，但是否比其他供热方法（如燃料的直接燃烧、蒸气供热等）省能和经济，还应根据提供热泵运行的具体条件进行分析和比较，才能得出最后结论。目前，在我国，热泵供热主要在中、小型空调器上使用，在冬季为室内采暖提供热量，而大型热泵以及提高供热温度的热泵装置尚在研究阶段。6、蒸气压缩式制冷理论循环理论制冷循环不同于逆卡诺循环之处是：（1）制冷剂在冷凝器和蒸发器中按等压过程循环，而且具有传热温差；（2）制冷剂用膨胀阀绝热节流，而不是用膨胀机绝热膨胀；（3）压缩机吸入饱和蒸气而不是湿蒸气。用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失：不但增加了制冷循环的耗功量，还损失了制冷量。这两部分损失必然使制冷系数和热力完善度有所下降。用干压缩代替湿压缩后的过热损失：在蒸气压缩式制冷循环中，要实现等温冷凝或等温蒸发过程，只有在湿蒸气区才有可能进行，因此，压缩机必然吸入湿蒸气。但是，在制冷压缩机的实际运行中，若气缸吸入湿蒸气，会因其中的液体而引起液击（即冲缸）现象，损坏压缩机的阀片和其它零部件。另外，过量的液体制冷剂进入气缸后，会与热的气缸壁产生强烈的热交换而迅速气化，占有气缸容积，使压缩机的吸气量减少，制冷量下降。为了避免产生上述现象，压缩机在实际运行中一定要吸入饱和蒸气或者过热蒸气。对于大多数制冷剂，采用用干压缩后，引起制冷系数和热力完善度的降低。过热损失和节流损失一样，不但与制冷循环工况有关，而且与制冷剂的物理性质也有关。1.2.2理论循环在lgP—h图上的表示在分析压缩式制冷循环时使用了制冷剂的温—熵图（即T—S图），因为温—熵图中热力过程线下面的面积表示该过程中传递的热量，十分直观，便于分析比较。在制冷循环的热力计算中，通常用制冷剂的lgP—h图。该图以制冷剂的比焓值h作横坐标，压力P做纵坐标，查阅更为方便（见图1.９）。为了缩小图面，纵坐标P采用lgP分格（注意，从图上查得的数值仍为绝对压力值，而不是压力的对数值）。图中的c点为制冷剂的临界状态，c点左侧的粗实线为各个压力下的饱和液体线，该线上任何点的干度x=0。c点右侧的粗实线为各个压力下的饱和蒸气线（或称干饱和蒸气线），该线上任何点的干度x=1。这两条饱和线将图面分成三个区域，饱和液体线的左侧为过冷液体区（液体温度低于同压力下的饱和温度），饱和蒸气线的右侧为过热蒸气区（蒸气温度高于同压力下的饱和温度），两条饱和线之间为湿蒸气区，制冷剂在湿蒸气区域内处于气液两相混合状态，它的温度等于所处压力下的饱和温度，各点的x值反映了湿蒸气在该状态下蒸气含量的百分比。图1.9制冷剂的lgP—h图lgP—h图中绘出了六种等状态线簇，即等压、等焓、等温、等比容、等熵和等干度线。其中，等压线和等比焓线是最简单的，分别为水平线和垂直线。纯物质的等温线在两相区为水平线，在过冷液体区为略向左上方延伸的上凹曲线，非常接近于垂直线。这是因为压力对过冷液体比焓值的影响很小的缘故。有些图在该区域没有标出等温线，这时就用垂直线代替，不会导致很大的误差。在过热蒸气区，等温线是向右下方延伸的下凹曲线。温度较高的等温线在压力较低也接近于垂直线，这是因为此时的制冷剂气体已接近于理想气体，因而比焓值与压力无关。在过热蒸气区，等比体积线和等比熵线都是向右上方延伸的下凹曲线，但等比熵线的斜率比等体积线大。利用压—焓图查取热力学参数是很方便的，线簇的详细分布和具体数值可参阅各制冷剂的lgP—h图。图1.10蒸气压缩式制冷循环在T-S图上的表示图1.11蒸气压缩式制冷循环在lgP—h图上的表示蒸气压缩式理论制冷循环在lgP—h图上的表示见图1.11。1—2为绝热压缩过程，2—3为等压冷凝过程，3—4为绝热节流过程，4—1为等压蒸发过程。按照热力学第一定律，对于在控制容积中进行的状态变化存在如下关系：wdhq（1.5）这里，把自外界传入的功作为负值。对上式积分可以得到整个过程的表达式：whq（1.6）按照公式（1.5）和公式（1.6），单击压缩蒸气制冷机循环的各个过程有如下关系：（1）压缩过程：0q因而dhw12hhw（1.7）w称为单位理论功，在lgP—h图上以横座标轴上的线段12hh的长度表示。（2）冷凝过程：0w因而dhq32hhqk（1.8）kq称为单位冷凝热，在lgP—h图上以横座标轴上的线段23hh的长度表示。（3）节流过程：节流过程为一不可逆过程，不能用微分符号表示，但对整个节流过程前后可用积分式表示，即w=0，q=0因而0h43hh（1.9）这就是说节流过程前后焓值相等，3、4两点在等焓线上。（4）蒸发过程：0w因而dhq31410hhhhq(1.10)0q称为单位制冷量，习惯上取为正值，在lgP—h图上以横座标轴上的线段41hh的长度表示。1.2.3性能指标为了说明单级压缩蒸气制冷机理论循环的性能，采用下列一些性能指标，这些性能指标均可通过循环各点的状态参数计算出来。1．单位制冷量q0压缩蒸气制冷循环单位制冷量可按式（1.10）计算。单位制冷量也可以表示成汽化热r0和节流后的干度x4的函数：)1(400xrq(1.11)由式（1.11）制冷剂的汽化热越大，或节流所形成的蒸气越少，则循环的单位制冷量就越大。2．单位容积制冷量qv14110vhhvqqv（1.12）为了制取一定的制冷量，若选用qv大的制冷剂，则压缩机需要提供的输气量就小。我们已经知道，循环的单位容积制冷量不仅随制冷剂的种类而变，而且还随压缩机的吸气状态而变。对某一具体的制冷剂来说，理论循环的蒸气比体积v1随蒸发温度（或蒸发压力）的降低而增大，若冷凝温度已经确定，则单位容积制冷量qv将随蒸发温度的降低而变小。3．比理论功w0理论循环中制冷压缩机输送单位（1kg）制冷剂所消耗的功称为理论比功。由于制冷剂在节流过程中不作外功，因此，压缩机所消耗的理论比功即等于循环的理论比功。对于单级压缩蒸气制冷机的理论循环来说，理论比功可表示为：120hhw（1.13）单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随制冷剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的。4．单位冷凝热qk单位（1kg）制冷剂蒸气在冷凝器中放出的热量，称为单位冷凝热。单位冷凝热包括显热和潜热两部分4232hhhhqk（1.14）比较式（1.10）（1.13）和（1.14）可以看出，对于单级压缩式蒸气制冷机理论循环，存在着下列关系：00wqqk（1.15）这和热力学第一定律分析循环时得出的结论完全一致。5．制冷系数ε0对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，制冷系数为：1241000hhhhwq（1.16）在冷凝温度和蒸发温度给定的情况下，制冷系数越大，表示循环的经济性越好。由于q0和w0都随循环的工作温度而变，冷凝温度越高，蒸发温度越低，则制冷系数越小。6．热力完善度η单级压缩蒸气制冷机理论循环的热力完善度按定义可表示为：00312410TTThhhhc（1.17）这里εc为在蒸发温度（T0）和冷凝温度（T4）之间工作的逆卡诺循环的制冷系数。热力完善度越大，说明该循环接近可逆循环的程度越大。制冷系数和热力完善度都是用来评价循环经济性的指标，但是它们的意义是不同的。制冷系数是随循环的工作温度而变的，因此只能用来评价相同热源温度下循环的经济性；而对于在不同温度下工作的制冷循环，需要通过热力完善度的数值大小（接近1的程度）来判断循环的经济性。1.2.4液体过冷和吸气过热对制冷循环的影响上面所述的循环，是单级压缩蒸气制冷机的基本循环，也是最简单的循环。在实用上，根据实际条件对循环往往要做一些改进，以便提高循环的热力完善度。如使制冷剂在到达膨胀阀前已处于过冷状态（即液态制冷剂温度3t已低于冷凝温度kt），而压缩机吸入蒸气为过热蒸气（即吸气温度1t高于蒸发温度0t），液体过冷和吸气过热在T—S图上的表示如图1.12所示。图1.12液体过冷和吸气过热循环一、液体过冷对制冷循环的影响在图1.12中，温度3T称为制冷剂的过冷温度（或用uT表示），而（3TTk）称为制冷剂的过冷度。由图可知，过冷液体节流比饱和液体节流增加了制冷量03q，而且制冷量03q随过冷温度的降低而增加（或者随过冷度的增加而增加）。采用制冷剂液体过冷能增加制冷量，但并没有增加