制冷与低温技术原理第3章蒸气压缩式制冷-单级蒸气压缩制冷循环.ppt

制冷与低温技术原理,第 3 章 蒸气压缩式制冷,第 3 章 蒸气压缩式制冷,主要内容： 单级蒸气压缩式制冷的理论循环 单级蒸气压缩式制冷的实际循环 蒸气压缩式制冷中的制冷剂 多级蒸气压缩式制冷循环 复叠式蒸气压缩制冷循环,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 单级蒸气压缩式制冷的理论循环,压-焓图 温-熵图,3.1.2 制冷剂的状态图,压-焓图： 1点，2线，3区，5态，6等参数线簇。,临界点 (critical point),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 (liquid region) 汽液两相区(liquid-vapor region) 汽相区 (vapor region),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）,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。,（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,（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？,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）,3. 理想循环特性,（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。,式中： qm制冷剂的质量流量。,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,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。,制冷剂的质量流量：,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：,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。,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。,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。,（4）节流过程,节流过程特点,节流后4状态点,焓值,干度,比体积,（6）循环效率（热力完善度）：,（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。,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,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,（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,制冷系数 增加,（4）过冷对制冷循环的影响,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。,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,（3）过热循环的坐标图表示,（4）过热对制冷循环的影响,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。,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。,单位容积制冷量如何变化？,给定压缩机,单位容积制冷量qv：与制冷剂的性质有关,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,（3）回热循环坐标图,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）回热循环分析,即；,式中：c：液体的比热容， cp0：低压蒸气的比热容。,循环比功 略增加,单位制冷量 增加,比同有效过热分析,（5）回热循环的应用,从单位容积制冷量和制冷系数角度看： R502，R290，R134a 采用回热循环有利； R22，R717 采用回热循环不利。,为防止压缩过程产生液击现象，采用回热循环； R113，R114，RC318等类制冷剂 T-S图上饱和蒸气曲线向左下方倾斜，当压缩机吸入 的是饱和气体时，等熵压缩后进入湿蒸气区，不利于 压缩机工作。必须采用回热循环。,蒸发温度较高的制冷机一般不用回热器。,对小型制冷机来说，通常把冷凝后的液体管道 （或毛细管）与压缩机前的吸气管道包扎在一起 ， 形成一个简单的回热器。,蒸发温度低的制冷机用回热器有重要意义： 低温制冷装置中，吸气温度过低会使压缩机汽缸外壁 结霜，润滑条件恶化，应设法提高吸气温度。 同时高压液体因回热而得到过冷。,对较大型制冷机，需用一个专门的回热器。,压缩机吸气比体积增加， 压力比增加； 循环比功增大； 容积效率降低； 制冷系数降低。,（1）吸气管道,压缩机吸气比体积增大； 单位容积制冷量减小； 排气温度上升； 循环性能系数下降。,增大管径，降低流速。,4. 管道压力损失和热交换对循环性能的影响,热交换无效过热,压力降有害,采取措施,增加了压缩机的排气压力； 增加了压缩机的压力比，比功； 增加了压缩机排气温度； 容积效率降低； 制冷系数下降。,冷却高压气体； 减小冷凝器的热负荷。,排气管道中制冷剂的流速也必须加以控制。 该压力降相对于压缩机的压力比而言，要小得多， 对系统的影响较小。,（2）排气管道,热交换有利,压力降有害,采取措施,（3）高压液体管道,热交换：考虑两种可能情况,产生的原因： 液体管路中的压力降； 高度差导致压力降。 产生的影响： 使膨胀阀前的制冷剂压力降低； 阀前后的压力差减小； 高压液管的压力损失将使阀前液体出现闪蒸气； 影响膨胀阀的通流能力及其工作的稳定性。,设计时，注意冷凝器和节流装置的相对位置； 同时，降低节流前管路的阻力损失。,压力降有害,采取措施,a：管道安装在被冷却空间，有效制冷； b：管道安装在室外，无效制冷。,两相管道的压力降，使膨胀阀出口压力升高， 阀前后压差减小，略削弱膨胀阀通流能力； 通常这一管道的距离是较短的，压力降对系统性能 几乎没有影响。,（4）低压（两相）管道,热交换两种情况,压力降几乎无影响,5. 蒸发器,a：假设制冷剂流出蒸发器的状态不变： 则进入蒸发器的压力增加，温度增加，蒸发器中的 传热温差减小，要求换热面积增加。对系统性能无影响。 b：假设制冷剂进入蒸发器状态不变，不改变传热温差： 则结果与吸入管道压力降引起的结果相同。,比照吸气管道,压力降考虑两种情况,6. 冷凝器,假设冷凝器出口压力不变 则需提高冷凝器入口处压力， 要求压缩机排气压力升高，压力比增大；循环比功增加； 制冷系数减小。,压力降注意条件,7. 压缩机,热交换多变过程,初始阶段：汽缸壁面温度 吸入蒸气温度，由汽缸壁 向蒸气传热； 压缩到一定阶段：蒸气温度升高 汽缸壁面温度， 热量由蒸气传向汽缸壁面。,功率损失，容积损失,功率损失：使压缩机实际消耗功率增大； 容积损失：使压缩机输气量减小； 制冷量下降，性能系数下降。,（1）压缩机的指示效率,指示功：直接用于气体压缩所消耗的功。,指示效率：指示比功与理论比功的比值。,（2）压缩机的机械效率,机械效率：指示比功与压缩机实际 消耗的轴比功之比。,（3）电动机效率,电动机效率：作用在压缩机轴上的功 与压缩机实际输入的功之比。,（4）压缩机的容积效率,容积效率：压缩机实际输气量与理论输气量之比。,不凝性气体（如空气）积存在冷凝器上部，将使 冷凝器内压力增加，导致压缩机排气压力升高， 比功增大，制冷系数减小，应及时排出。,水分存在使制冷剂发生水化反应，对系统材料有 腐蚀作用。,润滑油与制冷剂直接接触，二者产生互溶性， 使制冷剂的热力性质偏移。,8. 不凝性气体的存在对循环性能的影响,1. 制冷系统管道中要特别注意吸气管道，高压液管。 2. 注意不同种类的制冷剂其热力性能的不同变化。,总结,3.2.2 实际循环,实际循环在坐标图中的表示,过程4- 1： 制冷剂在蒸发器中的蒸发，降压过程； 过程1- 1 ： 制冷剂蒸气在回热器及吸气管道中的加热 和降压过程； 过程1-1： 蒸气经过吸气阀时的加热和压降过程； 过程1”- 2： 压缩机内实际的压缩过程； 过程2 - 2： 压缩机排气经过排气阀的降压过程； 过程2- 3： 经排气阀管道进入冷凝器的冷却，冷凝及 压降过程； 过程3 -3： 制冷剂液体在回热器及管道中降温，降压 过程； 过程3- 4：节流过程。,实际循环中的热力过程,1. 热力计算的内容和步骤,热力计算的内容： 在设计工况下，计算实际循环特性，计算 制冷机的性能和各热交换设备的热负荷。,热力计算的方法： （1）进行设计计算时，首先按照制冷机的使用要求 和使用时的环境条件，选择制冷剂，规划制冷 系统流程。 （2）然后进行热力计算。,3.2.3 单级蒸气压缩式制冷机的热力计算,热力计算的步骤： （1）按已知系统流程绘制p-h图表示循环 （采取必要的简化）； （2）确定循环工况； （3）计算实际循环的特性； （4）计算制冷机性能以及各热交换设备的热负荷。,2. 热力计算举例：,设有单级蒸气压缩式制冷机，制冷过程中使用 过冷器和回热器。已知要求的制冷温度TL，环境 冷却介质温度TH ，压缩机的理论输气量qvh。 试进行热力计算。,（2）确定循环工况,冷凝温度和冷凝压力：,水冷式冷凝器： 风冷式冷凝器：,蒸发温度和蒸发压力：,冷却液体蒸发器： 冷却空气蒸发器：,（1）按已知系统流程绘制p-h图,（