蒸氣壓縮式制冷的熱力學(xué)原理

第一章蒸氣壓縮式制冷的熱力學(xué)原理制冷段液化段保持低壓氣體液化第一節(jié)理想制冷循環(huán)

一、逆卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)（CarnotCycle）是在兩個溫度不相同的定溫?zé)嵩粗g進行的理想熱力循環(huán)。二、勞侖茲循環(huán)勞侖茲循環(huán)（LorenzCycle）是由兩個等熵絕熱過程和兩個可逆多變過程組成的理想制冷循環(huán)。水的定壓加熱汽化過程t<tst=tst=tst=tst>tsv<v’v=v’v=v’’v’<v<v’’v>v’’未飽和水飽和水飽和濕蒸汽飽和干蒸汽過熱蒸汽h<h’h=h’h=h’’h’<h<h’’h>h’’s<s’s=s’s=s’’s’<s<s’’s>s’’水預(yù)熱汽化過熱第二節(jié)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)水的定壓加熱汽化過程水預(yù)熱汽化過熱第二節(jié)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)第二節(jié)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)一點、三區(qū)、五種狀態(tài)第二節(jié)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)第二節(jié)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)一、蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)兩個等壓過程一個絕熱壓縮過程一個絕熱節(jié)流過程與理想循環(huán)區(qū)別？與理想制冷循環(huán)相比，有以下三個特點：1用膨脹閥代替膨脹機；2蒸氣的壓縮在過熱區(qū)進行，而不是在濕蒸氣區(qū)內(nèi)進行；3兩個傳熱過程均為等壓過程，并且具有傳熱溫差。(一)膨脹閥代替膨脹機

兩部分損失：(1)節(jié)流過程3—4是不可逆過程，制冷劑吸收摩擦熱，產(chǎn)生無益氣化，降低有效制冷能力。(2)損失了膨脹功。(一)膨脹閥代替膨脹機節(jié)流損失大小有關(guān)因素：1.與Tk-To有關(guān)，隨其增大而增大；2.與制冷劑的物理性質(zhì)有關(guān)。比潛熱r越小，液態(tài)制冷劑比熱Cx越大節(jié)流損失越大。r/Cx

3.Pk/Pkr越大過熱損失越大。(二)干壓縮過程濕壓縮過程壓縮機吸入的是濕蒸氣，兩個缺點：

(1)濕蒸氣迅速蒸發(fā)，占據(jù)氣缸的有效空間，制冷量顯著降低。(2)液珠既破壞壓縮機的潤滑，又會造成液擊，使壓縮機遭到破壞。

嚴(yán)禁發(fā)生濕壓縮現(xiàn)象！(二)干壓縮過程

實現(xiàn)干壓縮，兩種措施：

(1)采用可調(diào)節(jié)制冷劑流量的節(jié)流裝置。(2)在蒸發(fā)器出口設(shè)置氣液分離器。

過熱損失大小與制冷劑物理性質(zhì)有關(guān)，一般來說:1.節(jié)流損失大的制冷劑，過熱損失較小

;2.Pk/Pkr越大過熱損失越大。TST'K11'

2'

2

3

3'4'4

TKT'0T0△TK△T0ab0(三)有關(guān)換熱過程的傳熱溫差逆卡諾循環(huán)：1’-2’-3’-4’-1’有傳熱溫差的循環(huán)：1-2-3-4-1耗功量增加：陰影面積制冷量減少：1-1’-4’-4-1—冷卻介質(zhì)的溫度；—被冷卻介質(zhì)的溫度；—冷凝器中制冷劑的溫度；—蒸發(fā)器中制冷劑的溫度。(三)有關(guān)換熱過程的傳熱溫差○有傳熱溫差的制冷循環(huán)的制冷系數(shù)小于逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)?！评湫剩豪碚撗h(huán)的制冷系數(shù)與有溫差傳熱的理想循環(huán)制冷系數(shù)的比值。

ηR的數(shù)值反映了節(jié)流損失和過熱損失的程度。四個基本過程是：

①制冷劑液體在低壓（低溫）下蒸發(fā)，成為低壓低溫蒸氣(蒸發(fā)器)②將該低壓低溫蒸氣提高壓力、溫度成為高壓高溫蒸氣(壓縮機)四個基本過程是：

③將高壓高溫蒸氣冷凝，使之成為高壓常溫液體(冷凝器)④高壓常溫液體降低壓力、溫度重新變?yōu)榈蛪旱蜏匾后w，返回到蒸發(fā)器從而完成循環(huán)。(節(jié)流閥)二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計算

溫熵圖：直觀便于比較分析；定壓過程換熱量，以及絕熱過程壓縮機的耗功量都可以用過程初終狀態(tài)的比焓計算。二、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計算

（一）壓焓圖的應(yīng)用

圖2-1理論循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示1.單位質(zhì)量制冷量q0

q0=h1-h42.單位質(zhì)量冷負荷qk

q0=h2-h33.單位質(zhì)量耗功量ωc

ωc=h2-h1熱力計算條件：蒸發(fā)溫度；冷凝溫度；液態(tài)制冷劑的再冷度；壓縮機的吸氣溫度(二)蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計算

序號計算名稱計算符號計算公式1單位質(zhì)量制冷量

2單位容積制冷量3制冷劑的質(zhì)量流量4制冷劑的體積流量計算符號及公式序號計算名稱計算符號計算公式5單位冷凝熱負荷

6冷凝器熱負荷

7單位過冷負荷

8過冷總負荷

計算符號及公式序號計算名稱計算符號計算公式9單位理論壓縮功

10壓縮機理論耗功率

11制冷系數(shù)

12制冷效率

計算符號及公式【例題1-1】某空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)需冷量20kW，采用R22壓縮式制冷，蒸發(fā)溫度to=4℃，冷凝溫度tk=40℃，無再冷，而且壓縮機入口為飽和蒸氣，試進行制冷理論循環(huán)的熱力計算。飽和狀態(tài)下熱力性質(zhì)表上查得：ｈ1=406.5ｈ3=ｈ4=249.7v1=0.04159s1=1.745pc=0.5661【例題1-3】空氣源熱泵機組的制熱量為12kW，采用R410A為制冷劑。已知蒸發(fā)壓力為0.9MPa，冷凝壓力為2.7MPa，再冷度為3℃，過熱度為5℃，進行熱泵理論循環(huán)的熱力計算。例：蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的基本流程圖正確的是下列哪一項？（圖中箭頭為制冷劑流向）（2011年真題）第三節(jié)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的改善節(jié)流損失過熱損失再冷卻膨脹機多級壓縮一、膨脹閥前液態(tài)制冷劑再冷卻（一）設(shè)置再冷卻器液體過冷過冷循環(huán)Tsc—再冷溫度Δtsc—再冷度圖2-2過冷循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示定性分析：在1點一定時，若5點越靠近飽和液體線，即干度越接近于0，單位質(zhì)量的濕蒸氣所含的飽和液體越多，對制冷越有利。圖2-2過冷循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示Tk=30℃，To=-15℃時，每再冷1℃，ε提高：氨—0.46%R22—0.85%Δtsc越大Tsc越低越好？

NO1.受技術(shù)、經(jīng)濟條件限制Tsc不可能很低；2.膨脹閥前3℃—4℃再冷度，防止閃發(fā)。兩點說明：再冷溫度高于冷卻水進口溫度；2℃—3℃溫差。措施：1、單獨設(shè)置再冷卻器（增加設(shè)備費）；2、再冷卻器設(shè)置在水冷冷凝器內(nèi)；3、增加冷凝面積（5%—10%）；4、設(shè)置回?zé)崞鳌責(zé)嵫h(huán)。膨脹閥前制冷劑有較大制冷度（二）回?zé)嵫h(huán)一、膨脹閥前液態(tài)制冷劑再冷卻壓縮機吸入有一定過熱（液擊、潤滑條件）回?zé)嵫h(huán)回?zé)嵫h(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示若不計回?zé)崞髋c環(huán)境空氣之間的熱交換，則液體過冷的熱量等于使蒸氣過熱的熱量，其熱平衡關(guān)系為：

回?zé)嵫h(huán)的性能指標(biāo)如下：單位質(zhì)量制冷量：單位功回?zé)嵫h(huán)的性能指標(biāo)如下：制冷系數(shù)：制冷量增加耗功量增加制冷系數(shù)？Tk=30℃；To=-15℃時；吸氣溫度15℃；過熱度30℃：幾種制冷劑回?zé)嵫褐评鋭㏑717R22R502ε增減率%-4.81-1.88+3.02t2'/t2（℃）140.3/10284.7/53.566.5/37.3好用可用絕不能用有關(guān)回?zé)嵫h(huán)壓縮制冷的描述，下列哪幾項是正確的？（2011年真題多選）A采用回?zé)嵫h(huán)，總會提高制冷系數(shù)；B采用回?zé)嵫h(huán)，單位質(zhì)量制冷劑的制冷量總會提高；C采用回?zé)嵫h(huán)，單位質(zhì)量制冷劑的壓縮功總會增加；D采用回?zé)嵫h(huán)，壓縮機的排氣溫度比不采用回?zé)嵫h(huán)的壓縮機排氣溫度高。例：某地緣熱泵機組采用R502制冷劑，冷凝溫度為40℃，蒸發(fā)溫度為-5℃。如圖所示采用回?zé)嵫h(huán)，求該理論循環(huán)制冷系數(shù)。h1=420kj/kgh2'=460kj/kgh5=276kj/kgh4'=270kj/kg4.412蒸汽過熱基本概念蒸氣過熱：制冷劑蒸汽溫度高于其壓力對應(yīng)的飽和溫度。過熱度：蒸汽過熱后的溫度和同壓力下飽和溫度的差值。過熱循環(huán)：具有蒸汽過熱的循環(huán)稱為蒸汽過熱循環(huán)。有效過熱：過熱吸收熱量來自被冷卻介質(zhì)，產(chǎn)生有用的制冷效果。有害過熱：過熱吸收熱量來自被冷卻介質(zhì)以外，無制冷效果。熱力分析（1）有害過熱分析：單位壓縮功增加單位制冷量不變單位冷凝負荷增大進入壓縮機的制冷劑比容增大壓縮機的排氣溫度升高熱力分析（2）有效過熱分析：對循環(huán)是否有益與制冷劑性質(zhì)有關(guān)。（3）實際運行中：希望有適當(dāng)?shù)倪^熱度。氨過熱度5～8℃，氟利昂一般取可采取較大的過熱度。有效過熱/有害過熱？蒸發(fā)器面積大于設(shè)計所需面積；蒸發(fā)器與壓縮機間的連接管道吸取外界環(huán)境熱量而過熱；連接管道吸取被冷卻對象的熱量而過熱；系統(tǒng)中設(shè)置回?zé)崞鳌＃ǖ羞^冷過程伴隨）

有效過熱的過熱度對制冷系數(shù)的影響過熱度℃R502R600aR290R134aR22NH3045.337.444.444.155.993.03073.965.772.172.986.3131.5過熱度對排氣溫度的影響大容量制冷裝置中采用：無加工制造的困難；對高壓液體膨脹降壓；回收膨脹功；提高制冷系數(shù)、節(jié)省能量消耗。二、回收膨脹功單位質(zhì)量制冷能力：壓縮機理論耗功率：理論制冷系數(shù)提高：二、回收膨脹功1.冷凝壓力?tk?環(huán)境溫度、冷卻介質(zhì)溫度；2.蒸發(fā)壓力?t0?用戶要求（制冷系統(tǒng)的用途）；

3.用戶蒸發(fā)溫度↘?冷凝壓力↘?壓縮比（Pk/P0）↗。Pk/P0

增大導(dǎo)致：

a.壓縮機排氣溫度升高，潤滑油被碳化，導(dǎo)致潤滑不良；b.耗功增加，制冷量下降，制冷系數(shù)降低。

1.氨制冷系統(tǒng)：Pk/P0≤8；最低蒸發(fā)溫度＝-25℃。2.氟利昂制冷系統(tǒng)：Pk/P0≤10；最低蒸發(fā)溫度＝-37℃。分體空調(diào)器在室外環(huán)境溫度比較低的條件下，不能進行制熱工況運行，其主要原因是下列哪一項？（2006年真題單選）A潤滑油粘度太大，致使壓縮機不能正常運行；B壓縮機排氣溫度過高，致使壓縮機不能正常運行；C不能保證室內(nèi)空氣溫度要求；D制熱效率太低，經(jīng)濟不合理。三、多級壓縮制冷循環(huán)降低排氣溫度，減少過熱損失和耗功量；高低壓（高低溫）差越大，節(jié)能效果越明顯。初投資增加Pk/P0>8采用兩種形式：閃發(fā)蒸汽分離器中間冷卻器（一）閃發(fā)蒸氣分離器離心式或螺桿式常用；減少一級壓縮制冷劑流量，降低二級壓縮機進口的蒸汽溫度和比容，從而降低壓縮機功耗；（一）閃發(fā)蒸氣分離器也稱為經(jīng)濟器（或節(jié)能器）；稱為二次節(jié)流、不完全中間冷卻雙級壓縮制冷循環(huán)不完全中間冷卻不適用于氨制冷劑系統(tǒng)（二）中間冷卻器一次節(jié)流、完全中間冷卻冷卻盤管—再冷—節(jié)能、穩(wěn)定運行圖1-14一次節(jié)流完全中間冷卻的雙級壓縮制冷循環(huán)（a）工作流程；（b）理論循環(huán)（二）中間冷卻器一次節(jié)流、不完全中間冷卻中間壓力選擇/流經(jīng)各設(shè)備的制冷劑流量不等圖1-15

一次節(jié)流不完全中間冷卻的雙級壓縮制冷循環(huán)（a）工作流程；（b）理論循環(huán)1.中間壓力（1）制冷系數(shù)最大原則（最佳）

適用于氨和R22

（2）按壓縮比相等原則例：某一次節(jié)流完全中間冷卻的氨雙級壓縮制冷理論循環(huán)冷凝溫度38℃，蒸發(fā)溫度-35℃。按制冷系數(shù)最大為原則確定中間壓力，對應(yīng)的中間溫度接近下列何相？（2011年真題）

2.制冷劑質(zhì)量流量進入低壓級壓縮機制冷劑流量圖1-14

一次節(jié)流完全中間冷卻的雙級壓縮制冷循環(huán)（a）工作流程；（b）理論循環(huán)2.制冷劑質(zhì)量流量中間冷卻器的熱平衡方程圖1-14

一次節(jié)流完全中間冷卻的雙級壓縮制冷循環(huán)（a）工作流程；（b）理論循環(huán)2.制冷劑質(zhì)量流量中間冷卻器的熱平衡方程圖1-15

一次節(jié)流不完全中間冷卻的雙級壓縮制冷循環(huán)（a）工作流程；（b）理論循環(huán)例：與單機壓縮制冷循環(huán)相比，關(guān)于帶節(jié)能器的多級蒸汽壓縮制冷循環(huán)的描述中，哪一項是錯誤的？（2012年真題單選）A.節(jié)流損失減??；B.過熱損失減小；

C.排氣溫度升高；D.制冷系數(shù)提高；

【例題1-4】如圖1-13所示，制冷劑采用R134a，冷凝溫度為40℃，蒸發(fā)溫度為4℃，制冷量為20KW，試進行理論循環(huán)熱力計算。例：下圖為閃發(fā)蒸汽分離器的R134a雙級壓縮制冷循環(huán)，問流經(jīng)蒸發(fā)器與流經(jīng)冷凝器的質(zhì)量流量之比，應(yīng)為何值？該循環(huán)主要狀態(tài)點制冷劑比焓（kj/kg）

h3=410.25，h6=256.41，h7=228.50（2007年真題）0.846例：下圖為閃發(fā)蒸汽分離器的R134a雙級壓縮制冷循環(huán),該循環(huán)主要狀態(tài)點制冷劑比焓（kj/kg）h3=410.25，h7=228.50，當(dāng)流經(jīng)蒸發(fā)器與流經(jīng)閃發(fā)蒸汽分離器的質(zhì)量流量之比為5.5時，h3應(yīng)為何值？（2012年真題）256.5例：某氨壓縮式制冷機組，冷凝溫度為40℃、蒸發(fā)溫度為-5℃，圖示為其理論循環(huán)。點2為蒸發(fā)器制冷劑出口狀態(tài)，該循環(huán)的理論制冷系數(shù)應(yīng)是下列何項？（2010年真題）例：某地源熱泵供熱量為823KW，性能系數(shù)是4.58，地源管道循環(huán)水泵耗功率18.7KW，供回水溫度為15/7℃。計算地埋管從土壤吸熱量和循環(huán)水量。5、復(fù)疊式蒸氣壓縮式制冷循環(huán)1)蒸發(fā)溫度必須高于制冷劑的凝固點。如：氨的凝固點為-77.7℃，不能制取更低的溫度。2)制冷劑的蒸發(fā)溫度過低時．其相應(yīng)的蒸發(fā)壓力也非常低，空氣容易滲入系統(tǒng)(0.1-0.15bar)，嚴(yán)重影響制冷循環(huán)的正常運行。3)蒸發(fā)溫度很低時，氣態(tài)制冷劑的比容很大，單位容積制冷能力大為降低，勢必要求壓縮機的體積流量很大。5、復(fù)疊式蒸氣壓縮式制冷循環(huán)為獲得低于-70～-60℃的低溫不宜采用氨等中溫制冷劑；低溫制冷劑：R23的凝固點為-155℃，沸點為-82.1℃(常壓)；to=-80℃,R23Po=1.14bar;但臨界溫度低，壓力高；R23臨界溫度26.13℃；R23臨界壓力48.273bar。人造冷源—復(fù)疊式制冷循環(huán)復(fù)疊式制冷循環(huán)

復(fù)疊式制冷循環(huán)內(nèi)復(fù)疊式制冷循環(huán)復(fù)疊式制冷循環(huán)復(fù)疊式制冷循環(huán)機

圖1-16復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷循環(huán)(a)工作過程；(b)理論循環(huán)的lgp-h圖Po=1.14barPk=1.94barPo'=1.64barPk'=11.92bar內(nèi)復(fù)疊式制冷循環(huán)機

第四節(jié)跨臨界制冷循環(huán)亞臨界循環(huán)：制冷循環(huán)的冷凝壓力遠離制冷劑的臨界壓力；跨臨界循環(huán)：壓縮機的排氣壓力位于制冷劑臨界壓力之上，而蒸發(fā)壓力位于臨界壓力之下。第四節(jié)跨臨界制冷循環(huán)亞臨界循環(huán)：制冷循環(huán)的冷凝壓力遠離制冷劑的臨界壓力；跨臨界循環(huán)：壓縮機的排氣壓力位于制冷劑臨界壓力之上，而蒸發(fā)壓力位于臨界壓力之下。第五節(jié)蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)理論循環(huán)與實際循環(huán)相比忽略了以下三方面：在壓縮機中，氣體內(nèi)部和氣體與汽缸壁之間的摩擦，以及氣體與外部的熱交換；制冷劑流經(jīng)壓縮機進排氣閥的損失；制冷劑流經(jīng)管道、冷凝器和蒸發(fā)器等設(shè)備時，制冷劑與管壁或器壁之間的摩擦，以及與外部的熱交換。（1）1’→1’’：進入壓縮機前，由于沿途摩擦阻力、局部阻力以及吸收外界的熱量制冷劑壓力稍有降低、溫度升高。（2）1’’→a：低壓氣態(tài)制冷劑進入壓縮機，被節(jié)流，壓力降至Pa。（3）a→b：低壓氣態(tài)制冷劑進入氣缸，吸收氣缸熱量，溫度有所上升，壓力仍為Pa。（5）c→d：制冷劑流經(jīng)壓縮機排氣閥，被節(jié)流，比焓基本不變，壓力有所降低。（4）b→c'：實際壓縮過程線，初期吸熱熵增，后期放熱熵減。c'→c氣缸頭部冷卻。（6）d→2’：制冷劑從壓縮機經(jīng)管道至冷凝器的過程，由于阻力和熱交換的存在，制冷劑壓力與溫度均有所降低。（7）2’→3→3’：制冷劑在冷凝器中由于有摩擦和漩渦的存在，冷凝過程不等壓，壓力有不同程度降低。出口有再冷度3→3’。（8）3’→4’：制冷劑節(jié)流過程。溫度不斷降低，在進入蒸發(fā)器前，從外界吸收一些熱量，比焓略有增加。（9）4’→1’：蒸發(fā)過程也不是等壓過程，壓力有所降低。一、實際循環(huán)過程分析第五節(jié)蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)二、實際循環(huán)的制冷性能實際壓縮過程是指數(shù)不斷變化的多變過程；二、實際循環(huán)的制冷性能余隙容積、換熱、流動阻力、泄露—輸氣量減少