第2章 单级蒸汽压缩式制冷循环

第2章单级蒸气压缩制冷循环2.1单级压缩制冷的理论循环2.2单级压缩制冷的实际循环2.3工况与性能2.1单级蒸气压缩制冷的理论循环2.1.1系统与循环2.1.2压焓图及温熵图2.1.3制冷循环过程在压焓图和温熵图上的表示2.1.4单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算2.1.1系统与循环液体蒸发制冷构成循环的四个基本过程是：①制冷剂液体在低压（低温）下蒸发，成为低压蒸气②将该低压蒸气提高压在普通高压蒸气③将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体④高压液体降低压力重新变为低压液体，返回到①从而完成循环。压缩机:压缩和输送制冷蒸汽，并造成蒸发器中低压、冷凝器中高压，是整个系统的心脏。冷凝器:输出热量的设备，将制冷剂在蒸发器中吸收的热量和压缩机消耗功所转化的热量排放给冷却介质。节流阀:对制冷剂起节流降压作用，并调节进入蒸发器的制冷剂流量。蒸发器:输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却对象的热量，从而达到制冷的目的。2.1.2压焓图及温熵图phhvTspxx压焓图等容线----向右上方倾斜的虚线，比等熵线平坦；等温线----液体区几乎为垂直线。两相区内，因制冷剂状态的变化是在等压、等温下进行，故等温线与等压线重合，是水线。过热蒸气区为向右下方弯曲的倾斜线；等熵线----向右上方倾斜的实线；等干度线----只存在于湿蒸气区域内，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近，视干度大小而定。等焓线----垂直线；等压线----水平线；TShvTspxx温熵图等容线----向右上方倾斜的虚线；等压线----液体区向左下方的直线。两相区内是水平线。过热蒸气区为向右上方弯曲的倾斜线；等焓线----过热区和两相区内为向右下方倾斜的实线；过冷液体区可近似用同温度下的饱和液体的焓值代替；等干度线----只存在于湿蒸气区域内，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近，视干度大小而定。等熵线----垂直线；等温线----水平线；2.1.3制冷循环过程在压焓图和温熵图上的表示ph12345kp0p0qw理论循环在p-h图上的表示ABCD12345A—压缩机；B—冷凝器；C—节流阀；D—蒸发器。单级蒸气压缩式制冷系统图ABCDABCD12345单级蒸气压缩式制冷系统图A—压缩机；B—冷凝器；C—节流阀；D—蒸发器Ts12345kT0T0q理论循环在T-s图上的表示2.1.4单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算（1）压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中不存在任何不可逆损失（2）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值单级理论循环是建立在以下一些假设的基础上的：（4）制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力损失，忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管外介质之间没有热交换（5）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小，可以忽略不计，且与外界环境没有热交换（3）离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体Ts12345kT0T0qhp12345kp0p0qw理论循环在p-h图和T-s图上的表示ab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：这里，把自外界传入的功作为负值。whq（2-1）qhhhw压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器都可以单独作为一个控制体进行分析。(2)冷凝过程：（2-3）(3)节流过程：（2-4）（1）压缩过程:（2-2）（4）蒸发过程：（2-5）0q12hhw0w41510hhhhq0,0qw54hh0w42hhqk单位制冷量可按式（2-5）计算。单位制冷量也可以表示成汽化潜热r0和节流后的干度x5的关系：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。)1(500xrq(2-6)由式（2-6）可知，制冷剂的汽化潜热越大，或节流所形成的蒸气越少（x5越小）则单位制冷量就越大。(1)单位制冷量0q(2)单位容积制冷量14110vhhvqqv(2-7)对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说，理论比功可表示为120hhw(2-8)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。vq(3)理论比功0w(4)单位冷凝热单位（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qhhhhhhk233424(2-9)比较式（2-5）、（2-8）和（2-9）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(2-10)qqwk00kq(5)制冷系数0对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，制冷系数为(2-11)0001421qwhhhh制冷系数愈大经济性愈好在蒸发温度和冷凝温度相同的条件下：(6)压缩终温2t影响到制冷剂的分解和润滑油结炭。(7)热力完善度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00124101241011TTThhhhTThhhhkkc(2-12)这里εc为在蒸发温度（T0）和冷凝温度（Tk）之间工作的逆卡诺循环的制冷系数。热力完善度愈大，说明该循环接近可逆循环的程度愈大。2.2单级蒸气压缩式制冷的实际循环2.2.1液体过冷对循环性能的影响2.2.2蒸气过热对循环性能的影响2.2.3气-液热交换器对循环性能的影响2.2.4不凝性气体的存在对循环性能的影响2.2.5单级压缩实际制冷循环的热力计算上面所述的循环，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作一些改进，以便提高循环的热力完善度。在单级制冷机循环中，这一改进主要有液体过冷、吸气过热及由此而产生的回热循环。2.2.1液体过冷对循环性能的影响将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温度的状态，称为过冷。带有过冷的循环，叫做过冷循环。采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数都是有利的ph12345kp0p0qw过冷循环在p-h图和T-s图上的表示Ts12345kT0T0qab4’5’0q4’5’0q)()(5551510hhhhhhq(2-13)(2)单位容积制冷量vq(3)理论比功0w0q（1）单位制冷量不变151'vhhqv增加增加(4)单位冷凝热kq(5)制冷系数(6)压缩终温2t不变增加增加120124441hhtchhhhhh(2-15))()('4442'42hhhhhhqk(2-14)2.2.2蒸气过热对循环性能的影响压缩机吸入前的制冷剂蒸气的温度高于吸气压力下制冷剂的饱和温度时，称为过热。具有吸气过热的循环，称为过热循环。下图示出了过热循环1-1’-2’-3-4-5-1的T-s图和lgp-h图。图中1-1’是吸气的过热过程，其余与基本循环相同。ph12345kp0p0q过热循环在p-h图和T-s图上的表示Ts12345kT0T0qab1’2’0q2’1’0q过热循环分有效过热和无效过热两种情况)()(5111510''hhhhhhq(2-13)(2)单位容积制冷量vq0q（1）单位制冷量''151vhhqv增加有效过热循环有效过热循环：过热过程中产生的冷量也为被冷却介质所吸收。？(4)单位冷凝热kq(5)制冷系数？增加'''125111hhhhhh(2-15))()(422242''hhhhhhqk(2-14)(3)理论比功0w''120hhw(2-14)增加(6)压缩终温2t升高图2-19有效过热的过热度对制冷系数的影响过热度R502R600aR290R134aR22NH3045.337.444.444.155.993.03073.965.772.172.986.3131.5)(510hhq(2-13)(2)单位容积制冷量vq0q（1）单位制冷量'151vhhqv不变无效过热循环无效过热循环：过热过程中产生的冷量没有被冷却介质所吸收。减小(4)单位冷凝热kq(5)制冷系数减小增加''1251hhhh(2-15))()(422242''hhhhhhqk(2-14)(3)理论比功0w''120hhw(2-14)增加2.2.3回热器对循环性能的影响hhhh4411(2-20)若不计回热器与环境空气之间的热交换，则液体过冷的热量等于使蒸气过热的热量，其热平衡关系为利用回热使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换，使液体过冷、蒸气过热，称之为回热。ph12345kp0p0q回热循环在p-h图和T-s图上的表示Ts12345kT0T0qab0q0q1’2’4’5’2’1’4’5’回热循环中各性能指标的变化完全同于有效过热循环。2.2.4不凝性气体的存在对循环性能的影响积存于冷凝器上部；冷凝压力增加；压缩机排起压力升高；比功增加；制冷系数下降；压缩机容积效率降低；2.2.5单级压缩实际制冷循环的热力计算实际循环和理论循环有许多不同之处，除了压缩机中的工作过程以外，主要还有下列一些差别：1．流动过程有压力损失。2．制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热交换。3．热交换器中存在温差。热交换及压力损失对循环性能的影响（1）吸入管道吸入管道中的压力降始终是有害的，它使得吸气比容增大，压缩机的压力比增大，单位容积制冷量减少，压缩机容积效率降低，比压力增大，制冷系数下降。（2）排出管道在压缩机的排出管道中，热量由高温制冷剂蒸气传给周围空气，它不会引起性能的改变，仅仅是减少了冷凝器中的热负荷。（3）冷凝器到膨胀阀之间的液体管道在冷凝器到膨胀阀这段管路中，热量通常由液体制冷剂传给周围空气，使液体制冷剂过冷，制冷量增大。然而，也可能水冷冷凝器中的冷却水温度很低，冷凝温度低于环境温度，热量由空气传给液体制冷剂，可能导致部分液体气化，这不仅使单位制冷量下降，而且使得膨胀阀不能正常工作。通常膨胀阀是紧靠蒸发器安装的。倘若将它安装在被冷却空间内，传给管道的热量将产生有效制冷量；若安装在室外，热量的传递使制冷减少，因而此段管道必须保温。（4）膨胀阀到蒸发器之间的管道（5）冷凝器假定出冷凝器的压力不变，为克服冷凝器中制冷剂的流动阻力，必须提高进冷凝器时制冷剂的压力，这必须导致压缩机的排气压力升高，压力比增大，压缩机耗功增加，制冷系数下降。（6）蒸发器若保证蒸发器的出口压力不变，为克服蒸发器中制冷剂的流动阻力，必须提高进蒸发器时制冷剂的压力，这必然导致平均蒸发温度升高，传热温差下降。若保证传热温差不变，克服蒸发器中制冷剂的流动阻力，这必然导致压缩机的吸气压力下降，吸气比容增大，压力比增大，压缩机耗功增加，制冷量减小，制冷系数下降。（7）压缩机在理论循环中，假设压缩过程为等熵过程。而实际上，整个过程是一个压缩指数在不断变化的多方过程。另外，由于压缩机气缸中有余隙容积的存在，气体经过吸、排气阀及通道出有热量交换及流动阻力，这些因素都会使压缩机的输气量减少，制冷量下降，消耗的功率增大。图2-22实际循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示简化后的实际循环在p-h图上的表示phkp0p2s345120下面是按照这样简化后的循环的性能指标的表达式，各下标对应于图2-23所示的状态点。1201041510hhwvqqhhhhqsv（2-33）这些同理论循环的计算完全一致。1．单位制冷量、单位容积制冷量及单位理论功qhhk24（2-34）上式中点2状态的焓值用下式计算1122)(hhhhis（2-35）式中i为压缩机的指示效率，它被定义为等熵压缩过程耗功量与实际压缩过程耗功量之比。2．单位冷凝热3．制冷剂的循环流量00qQqm式中Q0为制冷量，通常由设计任务给出。（2-36）4．压缩机的理论功率和指示功率分别为00wqNmiiNN0（2-38）5．实际制冷系数)/(0eis