第二章单级蒸汽压缩制冷

第2章单级蒸气压缩式制冷循环•1.1单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理–引课–1.1.1制冷循环系统的基本组成–1.1.2制冷循环过程–1.1.3制冷系统各部件的主要用途–1.1.4制冷剂的变化过程–小结–作业制冷剂制冷剂在变为蒸气之后，需要对它进行压缩、冷凝、继而进行再次汽化吸热。对制冷剂蒸气只进行一次压缩，称为蒸气单级压缩。单级蒸气压缩式制冷单级蒸气压缩式制冷系统由压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器组成。1.1单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理1.1.1制冷循环系统的基本组成日常生活中我们都有这样的疑问:怎样才能制冷制热呢?利用制冷剂由液体状态汽化为蒸气状态过程中吸收热量，被冷却介质因失去热量而降低温度，达到制冷的目的。1.1单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理1.1单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理•1.1.1制冷循环系统的基本组成–制冷循环系统:»根据蒸气压缩式制冷原理构成的单级蒸气压缩式制冷循环系统，是由不同直径的管道和在其中制冷剂会发生不同状态变化的部件组成，串接成一个封闭的循环回路，在系统回路中装入制冷剂，制冷剂在这个循环回路中能够不停地循环流动–蒸气压缩式制冷循环系统图1.1单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理1.1.2制冷循环过程制冷剂蒸气压缩、冷凝成液体，放出热量1.1单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理1.1.2制冷循环过程冷凝后的制冷剂流经节流元件进入蒸发器。从入口端的高压pk降低到低压p0，从高温tk降低到t0，并出现少量液体汽化变为蒸气。1.1单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理1.1.2制冷循环过程制冷剂蒸汽回到压缩机中压缩1.1.3制冷系统各部件的主要用途压缩制冷剂蒸气，提高压力和温度放热，使高压高温制冷剂蒸气冷却、冷凝成高压常温的制冷剂液体得到低温低压制冷剂制冷剂液体吸热、蒸发、制冷1.1单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理1.1单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理•1.1.4制冷剂的变化过程–制冷剂在制冷压缩机中的变化•制冷剂蒸气由蒸发器的末端进入压缩机吸气口时，压力越高温度越高，压力越低温度越低。•制冷剂蒸气在压缩机中被压缩成过热蒸气，压力由蒸发压力p0升高到冷凝压力pk。为绝热压缩过程。外界的能量对制冷剂做功，使得制冷剂蒸气的温度再进一步升高，压缩机排出的蒸气温度高于冷凝温度。1.1单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理制冷剂的变化过程(flash)1.1单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理•1.1.4制冷剂的变化过程–制冷剂在冷凝器中的变化•过热蒸气进入冷凝器后，在压力不变的条件下，先是散发出一部分热量，使制冷剂过热蒸气冷却成饱和蒸气。•饱和蒸气在等温条件下，继续放出热量而冷凝产生了饱和液体。–制冷剂在节流元件中的变化•饱和液体制冷剂经过节流元件，由冷凝压力pk降至蒸发压力p0，温度由tk降至t0。为绝热膨胀过程。1.1单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理•1.1.4制冷剂的变化过程–制冷剂在蒸发器中的变化•以液体为主的的制冷剂，流入蒸发器不断汽化，全部汽化变时，又重新流回到压缩机的吸气口，再次被压缩机吸入、压缩、排出，进入下一次循环。1.1单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理•小结–单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成：制冷压缩机冷凝器节流器蒸发器–压缩过程（压缩机中进行）•通过压缩使制冷剂由低温低压的蒸汽变为高温高压气体。–冷却冷凝过程（冷凝器中进行）•在冷凝器中冷却冷凝成制冷剂液体。–节流过程（节流阀中进行）•压力、温度降低，焓值不变–蒸发过程（蒸发器中进行）•吸热蒸发，变成低温低压制冷剂气1.1单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理•作业–蒸气压缩制冷循环系统主要由哪些部件组成，各有何作用？–蒸发器内制冷剂的汽化过程是蒸发吗？1.2单级蒸气压缩式制冷理论循环–引课–1.2.1理论循环的假设条件和压焓图–1.2.2理论循环的性能指标及其计算–小结–作业1.2单级蒸气压缩式制冷理论循环•单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成：–制冷压缩机–冷凝器–节流器–蒸发器•单级蒸气压缩式制冷循环，是指制冷剂在一次循环中只经过一次压缩，最低蒸发温度可达-40～-30℃。单级蒸气压缩式制冷广泛用于制冷、冷藏、工业生产过程的冷却，以及空气调节等各种低温要求不太高的制冷工程。1.2单级蒸气压缩式制冷理论循环•1.2.1理论循环的假设条件和压焓图–1.理论循环的假设条件–压缩过程为等熵过程；–冷凝和蒸发是与冷、热源换热；–出蒸发器的为饱和蒸气，出冷凝器的为饱和液体；–制冷剂流动过程中没有流动阻力损失；–节流过程中与外界没有热量交换。•一点：–临界点C•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（水平线）–等焓线h（垂直线）–饱和液线x=0，–饱和蒸气线x=1，–无数条等干度线x–等熵线s–等比体积线v–等温线t液相区两相区气相区1.2单级蒸气压缩式制冷理论循环1）制冷压缩机压缩过程2）制冷压缩机冷凝过程3）制冷压缩机膨胀过程4）制冷压缩机蒸发过程1.2单级蒸气压缩式制冷理论循环3.理论循环过程在压焓图上的表示1.2.2理论循环的性能指标及其计算1.单位质量制冷量制冷压缩机每输送1kg制冷剂经循环从被冷却介质中制取的冷量称为单位质量制冷量，用q0表示。式中q0单位质量制冷量（kJ/kg）；h1与吸气状态对应的比焓值（kJ/kg）；h4节流后湿蒸气的比焓值（kJ/kg）；r0蒸发温度下制冷剂的汽化潜热（kJ/kg）；x4节流后气液两相制冷剂的干度。q0=h1-h4=r0（1-x4）（1-1）1.2单级蒸气压缩式制冷理论循环2.单位容积制冷量制冷压缩机每吸入1m3制冷剂蒸气（按吸气状态计）经循环从被冷却介质中制取的冷量，称为单位容积制冷量，用qv表示。式中qv单位容积制冷量（kJ/m3）；v1制冷剂在吸气状态时的比体积（m3/kg）3.理论比功制冷压缩机按等熵压缩时每压缩输送1kg制冷剂蒸气所消耗的功，称为理论比功，用w0表示。w0=h2-h1式中w0理论比功（kJ/kg）；h2压缩机排气状态制冷剂的比焓值（kJ/kg）；h1压缩机吸气状态制冷剂的比焓值（kJ/kg）1.2单级蒸气压缩式制冷理论循环4.单位冷凝热负荷制冷压缩机每输送1kg制冷剂在冷凝器中放出的热量，称为单位冷凝热负荷，用qk表示。qk=（h2-h2）+（h2-h3）=h2-h3式中qk单位冷凝热负荷（kJ/kg）；h2与冷凝压力对应的干饱和蒸气状态所具有的比焓值（kJ/kg）；h3与冷凝压力对应的饱和液状态所具有的比焓值（kJ/kg）；对于单级蒸气压缩式制冷理论循环，存在着下列关系qk=q0+w05.制冷系数单位质量制冷量与理论比功之比，即理论循环的收益和代价之比，称为理论循环制冷系数，用0表示，1.2单级蒸气压缩式制冷理论循环例1-1假定循环为单级蒸气压缩式制冷的理论循环，蒸发温度t0=-10℃，冷凝温度tk=35℃，工质为R22，循环的制冷量Q0=55kW，试对该循环进行热力计算。解点1：t1=t0=10℃，p1=p0=0.3543MPa，h1=401.555kJ/kg，v1=0.0653m3/kg点3：t3=tk=35℃，p3=pk=1.3548MPa，h3=243.114kJ/kg，由图可知，h2=435.2kJ/kg，t2=57℃1.2单级蒸气压缩式制冷理论循环1.2单级蒸气压缩式制冷理论循环1）单位质量制冷量q0=h1-h4=h1-h3=401.555-243.114=158.441kJ/kg4）理论比功w0=h2-h1=435.2-401.555=33.645kJ/kg5）压缩机消耗的理论功率P0=qmw0=0.347133.645=11.68kW7）冷凝器单位热负荷qk=h2-h3=435.2-243.114=192.086kJ/kg8）冷凝器热负荷Qk=qmqk=0.3471192.086=66.67kW1.2单级蒸气压缩式制冷理论循环1.2单级蒸气压缩式制冷理论循环•作业–3.制冷剂在蒸气压缩制冷循环中，热力状态是如何变化的？–4.制冷剂在通过节流元件时压力降低，温度也大幅下降，可以认为节流过程近似为绝热过程，那么制冷剂降温时的热量传给了谁？–5单级蒸气压缩式制冷理论循环有哪些假设条件？1.3单级蒸气压缩式制冷实际循环•1.3.1单级蒸气压缩式制冷实际循环与理论循环的区别•1.3.2液体过冷、吸气过热及回热循环•1.3.3热交换及压力损失对制冷循环的影响•1.3.4不凝性气体对制冷循环的影响•1.3.5冷凝、蒸发过程传热温差对循环性能的影响•1.3.6实际制冷循环在压焓图上的表示及性能指标1.3单级蒸气压缩式制冷实际循环•1.3.1单级蒸气压缩式制冷实际循环与理论循环的区别–1）制冷压缩机的压缩过程不是等熵过程，且有摩擦损失。–2）实际制冷循环中压缩机吸入的制冷剂往往是过热蒸气，节流前往往是过冷液体，即存在气体过热、液体过冷现象。–3）热交换过程中，存在着传热温差，被冷却介质温度高于制冷剂的蒸发温度，环境冷却介质温度低于制冷剂冷凝温度。–4）制冷剂在设备及管道内流动时，存在着流动阻力损失，且与外界有热量交换。–5）实际节流过程不完全是绝热的等焓过程，节流后的焓值有所增加。–6）制冷系统中存在着不凝性气体。液体过冷对循环性能的影响•1.3.1液体过冷对循环性能的影响1.3.1基本概念•液体过冷：液体制冷剂的温度低于其压力所对应的饱和液体温度。•过冷度：液体过冷温度和其压力所对应的饱和液体温度之差。•过冷循环：具有液体过冷的循环称为液体过冷循环•冷凝器后装过冷器；•设计，选型时，适当增大冷凝器面积；•制冷系统中设置回热器，采用回热循环。实现方法二次冷却回路下图为具有液体过冷的循环和理论循环的对比图，1-2-3-4-1为理论循环，1-2-3'-4'-1表示过冷循环。两个循环的比功相同，过冷循环中单位制冷量增加，从而导致过冷循环的制冷系数增加。1.3单级蒸气压缩式制冷实际循环1.3.2液体过冷、吸气过热及回热循环1.3单级蒸气压缩式制冷实际循环理论循环1-2-3-4-1过冷循环1-2-3-4-1q0=h1-h4q0=h1-h4=（h1-h4）+（h4-h4）=q0+q0w0=h2-h1w0=h2-h1从制冷系数变化的角度对比如下：2.吸气过热制冷压缩机吸入前的制冷剂蒸气温度高于蒸发压力下的饱和温度时，称为吸气过热，两者温度之差称为过热度。具有吸气过热的循环，称为过热循环。1.3单级蒸气压缩式制冷实际循环1.3单级蒸气压缩式制冷实际循环•过热分为有效过热和有害过热两种–实际循环中，形成制冷循环中吸气过热现象的原因很多，主要有：•1）蒸发器的蒸发面积的选择大于设计所需的蒸发面积，制冷剂在蒸发器内吸收被冷却介质的热量而过热，属有效过热。•2）制冷剂蒸气在压缩机的吸气管路中吸收外界环境的热量而过热，属有害过热。•3）在半封闭、全封闭制冷压缩机中，低压制冷剂蒸气进入压缩以前，吸收电动机绕组和运转时所产生的热量而过热，属有害过热，但是必须的。•4）制冷系统设置了回热器，制冷剂蒸气在回热器中吸收制冷剂液体的热量而过热，属有害过热，但有过冷过程伴随。1.3单级蒸气压缩式制冷实际循环理论循环1-2-3-4-1过热循环1-2-3-4-1有效过热有害过热q0=h1-h4q0=h1-h4=（h1-h4）+（h1-h1）=q0+q0q0=h1-h4=q0w0=h2-h1w0=h2-h1=w0+w0w0=h2-h1=w0+w0从制冷量和制冷系数变化角度对比来说明有效过热对循环是否有益与制冷剂本身的特性有关。如图所示，该图是在蒸发温度为0℃、冷凝温度为40℃的条件下计算所得的结果1.3单级蒸气压缩式制冷实际循环1.3单级蒸气压缩式制冷实际循环1.3单级蒸气压缩式制冷实际循环理论循环1-2-3-4-1回热循环1-2-3-4-1q0=h1-h4q