蒸气压缩式制冷循环

第一章第一章蒸气压缩式制冷循环第一章本章介绍单、双级蒸气制冷循环的特性及热力计算方法。着重分析理论循环，并讨论理论循环和实际循环的差别，此外还介绍了复叠式制冷循环的组成及其应用。第一章第一节逆向卡诺循环——制冷机的理想循环•正向循环、逆向循环动力循环，即将热量转化成机械功的循环是正循环。在温—熵图或压—焓图上，循环的各个过程都是依此按顺时针方向变化的。逆向循环是一种消耗功的循环。在温—熵图或压—焓图上，循环的各个过程都是依此按逆时针方向变化的。•可逆循环、不可逆循环内部不可逆：制冷剂在流动或状态变化的过程中因摩擦、扰动及内部不平衡而引起的损失；外部不可逆：在蒸发器、冷凝器等热交换器中有温差的传热损失第一章一、逆向卡诺循环由热力学第二定律得：①单热源的热机是不存在的，即利用一个热源是无法完成循环过程的；②热量不可能自发地、不付代价地、从一个低温物体传到另一个高温物体，如果要实现这样一个反向的过程，就必须要有一个消耗能量的补偿过程。第一章制冷机——实现制冷所必需的机器和设备低温热源——被冷却物体制冷剂——制冷机使用的工作介质制冷循环——制冷剂在制冷系统中所经历的一系列热力过程第一章在一定的热源温度下，需要怎样来组织制冷机的工作循环，使获得单位冷量所消耗的能量为最小，这是制冷技术中一个很重要的问题。第一章研究逆向可逆循环的目的是为了寻找热力学上最完善的制冷循环，作为评价实际循环效率高低的标准。设被冷却物体的温度为T’0，周围介质的温度为T’，在这个温度范围内，制冷机从被冷却物体中取出热量q0，并将它传递给周围介质，为了完成这一循环所消耗的机械功为w，这部分功转变成热量后和取出的热量q0一起传递给周围介质。因此，根据力学第一定律，可写出制冷机的热平衡式：式中q、q0和——传递、取出的单位热量和消耗的单位机械功（kJ／kg）。wqq0wqq0wqq0wqq0wqq0(1—1)第一章逆向卡诺循环是理想的制冷循环，现将逆向卡诺循环表示在T—S图上，如图1—1所示。它由二个可逆的等温过程和二个绝热等熵过程所组成的。图1—1逆向卡诺循环第一章式中为逆向卡诺循环所消耗的机械功，它等于压缩时所消耗的功减去膨胀时所作的功，即=k—p。因为按逆向卡诺循环工作的制冷机，它所消耗的功为最小功，由式（1—2）可得：011'0'0''00'0'00'TTqTwTqTqwTqTqs系统1'0'0minTTqw（1—3）（1—2）根据热力系统，可逆变化过程中熵的变量等于零这一热力学原理，可以写出逆向卡诺循环的熵变公式：第一章二、有温差的制冷循环在上面所讨论的逆向卡诺循环，是假定制冷剂与热源之间的热交换在无限小的温差下进行的，因此就需要热交换器的传热面积无限大，这在实际情况下是不现实的。而制冷剂与周围介质，制冷剂与被冷却物体之间总是存在着一定的温差，即有温差的制冷循环如图1—2所示。第一章很明显，由于温差ΔT与ΔT0的存在，制冷循环的温度范围将比图1—1中的温度范围扩大，即（T—T0）（T’—T’0）。从式1—3中可看出，在获得相同的冷量q0时，有温差的制冷循环将要多消耗功。在图1—2中，l-2-3-4为没有温差的逆向卡诺循环。a-b-c-d为有温差的制冷循环，二者具有相同的制冷量q0（即面积4-1-f-e-4=面积d-a-g-e-d）。图1—2有温差的制冷循环T——循环中制冷剂的上限温度，K；T’——周围介质的温度，K；T’0——被冷却物体的温度，K；T0——循环中制冷剂的下限温度，K。ΔT=T-T’ΔT0=T’0-T0第一章wqq0'0'wqqqq''(1—4)在可逆情况下，制冷系统熵的变化为：0'00'21TqTqsss制冷系统0'00''2'1''TqTqsss制冷系统)(1''''''qqTTqTqs制冷系统制冷系统‘sTw'(1—5)在不可逆情况下，制冷系统熵的变化为：（1—6）由式（1—5）可得：''00TqTq，代入式（2—6）可得：（1—7）比较式（1—4）和式（1—7）可得：（1—8）在逆向循环中，由于不可逆过程而多消耗的功，等于周围介质的绝对温度和系统中熵的增量的乘积第一章三、制冷系数在制冷循环中，制冷剂从被冷却物体中所制取的冷量q0与所消耗的机械功之比值称为制冷系数，用代号ε表示：制冷系数是衡量制冷循环经济性的一个重要技术指标。国外习惯上将制冷系数称为制冷机的性能系数COP（CoefficientofPerformance）。在给定的温度条件下，制冷系数越大，则循环的经济性越高。wq0（1—9）第一章如果在制冷机内实现的是可逆的循环，则制冷系数又可写成：''0'00CTTTwq2'0''0')('0TTTTT2'0'''0)('TTTTT(1—10)从式（1—10）中可以看出：按照逆向卡诺循环工作的制冷机，其制冷系数与制冷剂的性质无关，而只是工作温度T’和T’0的函数，即周围介质的温度T’越高。被冷却物体的温度T’0越低，则循环的制冷系数越小。这里还应说明，T’0变化1度对ε的影响比T’变化1度的影响要大。''0'0'TTTT'0'TT第一章在理论上分析比较制冷循环经济性好坏时，仅将逆向卡诺循环作为比较的最高标准。通常是将工作于相同温度范围的制冷循环的制冷系数ε与逆向卡诺循环的制冷系数ε’c之比，称为这个制冷循环的热力完善度，亦称制冷效率，用代号η表示：'c（1—11）式中'c——表示相同热源温度范围内的逆向卡诺循环的制冷系数。热力完善度与制冷系数的意义不同制冷系数是与循环的工作温度、制冷剂的性质等因素有关，对于工作温度不同的制冷循环，就无法按照制冷系数的大小来判断循环经济性的好坏，在这种情况下，只能根据热力完善度的大小来判断。[例1—1]见P10。第一章四、热能驱动的制冷循环•以热能直接驱动的制冷循环，例如吸收制冷循环，实际上为三热源循环，如图1—5所示。•热量q0取自低温的温度为T0的被冷却物体，qH来自高温蒸气、燃烧气体或其他热源，qk是系统在Ta温度下（通常是环境温度）放出的热量。第一章0qqqHk00TqTqTqHHakHaHaHTTTTTTqq000Hqq00HaHaTTTTTT000按热力学第一定律：（1－15）对于可逆制冷机，按热力学第二定律，在一个循环中熵增为零，即：（1－16）（1－17）通过输入热量制冷的制冷机，其经济性是以热力系数作为评价指标的。热力系数是指获得的制冷量与消耗的热量之比，用ξ表示。对于可逆制冷机，热力系数用ξ0表示：（1－18）根据式（1－17），得：（1－19）第一章五、压缩蒸气制冷循环在图1—15中，从压缩机出来的高压高温制冷剂气体（D）进入冷凝器被冷却去过热，并进一步冷凝成液体（A）后，进入节流装置如膨胀阀减压，部分液体闪发成蒸气，这些气液两相的混合物（B）进入蒸发器，在里面吸热蒸发成蒸气（C）后回到压缩机重新被压缩，从而完成一个循环。图1－15单级压缩蒸气制冷机的流程图第一章制冷系数：WQ0wq0（1－20）W（kW）——压缩机耗功；Q0（kW）——蒸发器吸热量；Q0称为制冷量。（1－21）q0——单位质量制冷量（简称单位制冷量）——压缩机压缩单位质量的制冷剂所消耗的功，称为比功，用（kJ/kg）表示。w第一章制冷量Q0：VqqgQvm0010vqqvkW（1－22）gm为流经压缩机的制冷剂质量流量（kg/s），V为压缩机吸入口处的制冷剂体积流量（m3/s）。单位容积制冷量qv：kJ/m3（1－23）qv称为单位容积制冷量（kJ/m3），v1表示制冷剂按吸气状态计的比体积（m3/kg）第一章六、热泵循环•逆向循环不仅可以用来制冷，还可以把热能释放给某物体或空间，使其温度升高。作这一用途的逆向循环系统称为热泵。•热泵与制冷机在热力学原理上是完全相同的，它们的区别主要有两点：1.两者的目的不同。2.两者的工作温区往往有所不同。第一章WQH用于表示热泵效率的指标称为热泵系数或供热系数，用表示，其定义为：1WQHQH——热泵向高温热源的输送热量（kW），W——热泵机组消耗的外功（kW）。由式（1－21）可得：（1－24）（1－25）第一章第二节单级蒸气压缩式制冷机的理论循环第一章一、干压缩行程代替湿压缩行程，节流阀代替膨胀机•“湿压行程”在生产中不受欢迎是因为：1.采用湿压缩行程时，湿蒸气进入气缸，热的气缸壁与冷的湿蒸气进行强烈的热交换。使压缩机的工作效率大大降低。2.采用湿压行程时，大量液态制冷剂进入压缩机气缸，可能引起“液击”现象，而使压缩机发生事故。故实际蒸气制冷机都要求压缩机在干压缩行程下运转第一章•为了保证干蒸气进入压缩机，一般在节流阀与蒸发器之间加装一个液体分离器（图1—16）•由于液体膨胀机制造比较复杂，且液体的膨胀功又很小，因此可以采用结构简单的节流阀代替结构复杂的膨胀机。两点原因第一章图1—16具有液体分离器的单级蒸气压缩式制冷循环a）原理图b）T—S图c）lgP—h图1—压缩机2—冷凝器3—蒸发器4—液体分离器5—节流阀第一章二、蒸气制冷机理论循环的热力计算步骤4151hhhhqv14110vhhvqqv12hhwkkw424332)()(hhhhhhqk1．单位质量制冷量q0与单位容积制冷量qvkJ/kg（1—26）kJ/m3（1—27）2．单位压缩功kJ／kg（1—28）3．单位冷凝热量qkkJ／kg（1—29）第一章1GvVs00qQGkawGP12410hhhhwqkkkGqQsvVqQ04．制冷系数（1—30）5．压缩机每小时吸入制冷剂质量(制冷剂质量流量)kg/s（1—31）式中Q0——压缩机的制冷量（kW）kW（1—32）6．压缩机每小时吸入制冷剂蒸气容积m3/s（1—33）7．冷凝器的热负荷kW（1—34）8．压缩机所需理论功率(绝热功率)kW（1—35）第一章图1—17例1—3图[例1—3]已知tk=30℃，t0=-15℃,计算制冷剂为NH3和R22时，理论循环的制冷系数与热力完善度。假设压缩机吸入蒸气为干饱和状态。解：理论循环的压焓图如图1—4,各有关点的参数及数值列表1—1中。73.525830325800TTTkc1.逆向卡诺循环制冷系数82.037.567.43NH77.073.542.422R2.循环的热力完善度第一章[例1—4]上例中若两种制冷剂的制冷量均为11.63kW，计算所需的理论功率各为多少?解：1．制冷剂循环量各为0105.05.110463.1100)(3qQGNH0715.05.16263.1100)22(qQGR48.25.2360105.0)(3kNHwGPkg/s63.28.360715.0)22(kRwGPkg/s２．所需理论功率各为kWkW第一章三、节流阀前液态制冷剂的再冷却图1—18节流阀前的液体制冷剂再冷却的循环图第一章410hhq12hhwk710hhq12hhwk没有再冷却的循环：单位制冷量：kJ/kg单位压缩功：kJ/kg经再冷却后的循环：单位制冷量：kJ/kgkJ/kg单位压缩功：第一章很明显，经再冷却后，循环的单位制冷量增加了0q)(74'740ttchhqkJ/kg（1—40）式中c’——液体制冷剂的比热容，kJ/kg；t7——称为再冷却温度或过冷温度tg而单位压缩功没有变化，故循环的制冷系数提高了kggwtchhhhhhhhhh'1274411271)()(（1—41）根据计算，在通常的工作强度范围内，每再冷却1℃各种制冷剂的制冷系数增加的百分数如下，氨