第四章 制冷原理

第四章主要內(nèi)容第一節(jié)單級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)第二節(jié)兩級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)第三節(jié)復(fù)疊式制冷循環(huán)基本要求:一、熟悉逆卡諾和具有溫差的逆卡諾循環(huán)的特殊性及其理論和實(shí)踐價值二、掌握變溫?zé)嵩茨嫦蜓h(huán)的特點(diǎn)及其制冷工質(zhì)的要求三、熟悉影響理論制冷循環(huán)性能的各種因素四、牢固掌握理論制冷循環(huán)熱力計算方法本章重點(diǎn)：單一工質(zhì)的單級制冷循環(huán)2.簡介：

多級制冷及復(fù)疊式制冷（采用兩種性質(zhì)不同的制冷劑，可獲得更低的制冷溫度）第一節(jié)單級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)單級蒸汽壓縮式制冷原理及特點(diǎn)理想的制冷循環(huán)單級蒸汽壓縮式制冷的理論循環(huán)蒸汽壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)一、單級蒸汽壓縮式制冷原理及特點(diǎn)（一）原理利用某些低沸點(diǎn)的物質(zhì)（相變工質(zhì)或制冷劑）的液體在汽化時能保持溫度不變而吸收熱量的性質(zhì)而實(shí)現(xiàn)制冷密閉箱中的氨的蒸發(fā)吸熱存在的缺點(diǎn)：不能連續(xù)工作氨汽化后直接進(jìn)入大氣，浪費(fèi)又污染環(huán)境容器壓力無法低于大氣壓力，無法得到低于沸點(diǎn)的溫度最簡單的制冷系統(tǒng)圖由四大部件組成，用管道連接成一封閉系統(tǒng)，工質(zhì)在系統(tǒng)中循環(huán)流動，發(fā)生狀態(tài)變化并與外界發(fā)生熱交換在實(shí)際制冷系統(tǒng)中，還有其他的輔助設(shè)備，才能使制冷系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效地工作高溫高壓過熱蒸汽高溫高壓濕蒸汽高溫高壓液體低溫低壓液體（部分閃發(fā)蒸汽）低溫低壓蒸汽低溫低壓濕蒸汽簡單的蒸汽壓縮制冷原理圖（二）蒸汽壓縮式制冷機(jī)的特點(diǎn)1.設(shè)備緊湊2.型式多可制成大、中、小型制冷機(jī)3.適應(yīng)性強(qiáng)能適應(yīng)不同的場合的需要；制冷溫度范圍從稍低于環(huán)境溫度到-150℃（三）蒸汽壓縮式制冷機(jī)的種類

單級、雙級和復(fù)疊式（四）所用的制冷工質(zhì)單一工質(zhì)、混合工質(zhì)二、理想的制冷循環(huán)（一）理想的制冷循環(huán)

指由兩個等溫過程和兩個等熵過程組成的制冷循環(huán)（逆卡諾循環(huán)）逆卡諾循環(huán)的假設(shè)條件：

1.被冷卻物體的溫度T2

，環(huán)境介質(zhì)溫度T1均為常數(shù)

2.工質(zhì)的放熱和吸熱溫度分別等于高溫?zé)嵩礈囟萒1和低溫?zé)嵩礈囟萒2

，無傳熱溫差

3.壓縮過程、膨脹過程都是在理想絕熱情況下進(jìn)行的，無任何損失（二）逆卡諾循環(huán)在溫-熵圖上的表示在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，逆卡諾循環(huán)由下列四個過程組成：過程1—2絕熱等熵壓縮過程；外界對工質(zhì)做壓縮功，制冷劑溫度從T1

升高到T2過程2—3等溫放熱過程；制冷劑放出熱量q1過程3—4絕熱等熵膨脹過程；制冷劑對外界做膨脹功，工質(zhì)溫度從T2降低到T1過程4—1等溫吸熱過程，工質(zhì)吸收熱量q2無傳熱溫差的逆卡諾循環(huán)圖（三）逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)的計算

據(jù)溫-熵圖可知，逆卡諾循環(huán)中，每千克制冷劑從被冷物體吸取的熱量為：q2=T2（s1－s4)每千克制冷劑向環(huán)境放出的熱量為：q1=T1（s2－s3)每千克制冷劑循環(huán)消耗的功為：W=q1－q2=（T1－T2）（s2－s1)逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)為：無傳熱溫差的逆卡諾循環(huán)圖從計算可知，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅是熱源溫度的函數(shù)，與工質(zhì)種類無關(guān)，且從公式看出，高溫?zé)嵩礈囟萒1越低，制冷系數(shù)越大；低溫?zé)嵩吹臏囟萒2越高，制冷系數(shù)也越大，即兩者都影響制冷系數(shù)，但低溫?zé)嵩磳χ评湎禂?shù)的影響更顯著（四）有傳熱溫差的逆卡諾循環(huán)在溫-熵圖上的表示及其制冷系數(shù)的計算實(shí)際的制冷循環(huán)高溫放熱和低溫吸熱過程都存在溫差其制冷系數(shù)總是小于相同熱源溫度間工作的可逆循環(huán)的制冷系數(shù)逆卡諾循環(huán)是相同高低溫?zé)嵩撮g工作的制冷循環(huán)中制冷系數(shù)最高考慮了傳熱溫差后，其循環(huán)與逆卡諾循環(huán)在溫-熵圖上的表示如圖所示從圖可知，工質(zhì)的放熱溫度Tk=T1+△T1高于環(huán)境介質(zhì)溫度T1；工質(zhì)的吸熱（蒸發(fā)）溫度T0=T2－△T2低于被冷介質(zhì)的溫度T2有傳熱溫差的逆卡諾循環(huán)圖（五）逆卡諾循環(huán)無法實(shí)現(xiàn)濕蒸汽區(qū)內(nèi)蒸汽壓縮制冷的逆卡諾循環(huán)從圖中可知，逆卡諾循環(huán)的兩個等溫過程可以在濕蒸氣區(qū)實(shí)現(xiàn)，但兩個絕熱過程無法實(shí)現(xiàn)過冷液體區(qū)濕蒸汽區(qū)過熱蒸汽區(qū)理想循環(huán)的兩個絕熱過程難于實(shí)現(xiàn)的原因2.濕壓縮比較危險

1.液體膨脹機(jī)難以制造理想循環(huán)要實(shí)現(xiàn)的絕熱膨脹過程必須有一臺液體膨脹機(jī)，技術(shù)上很困難，目前的制冷設(shè)備均是用節(jié)流裝置代替膨脹機(jī)，節(jié)流裝置完成的等焓過程而不是絕熱過程；功耗增加且制冷量減少了；壓縮機(jī)的壓縮過程也不是可逆絕熱過程，而是等熵過程結(jié)論無論是可逆的逆卡諾循環(huán)還是考慮傳熱溫差的逆卡諾循環(huán)，在實(shí)際中都是無法實(shí)現(xiàn)的。但熱力學(xué)中研究理想制冷循環(huán)的目的是：為了尋找熱力學(xué)上最完善的制冷循環(huán)，并以此作為評價實(shí)際制冷循環(huán)效率高低的標(biāo)準(zhǔn)三、單級蒸汽壓縮式制冷的理論循環(huán)1.單級蒸汽壓縮式制冷指制冷劑蒸汽經(jīng)過一次壓縮從蒸發(fā)壓力直接壓縮到冷凝壓力的制冷（一般用于制取-40℃以上的低溫）（一）系統(tǒng)的組成與工作過程單級蒸汽壓縮式制冷機(jī)的系統(tǒng)圖2.基本組成t0的工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸熱汽化——壓縮機(jī)抽走蒸汽并在壓縮機(jī)中將其壓縮成冷凝壓力pk的蒸汽送往冷凝器——冷凝器中工質(zhì)與周圍介質(zhì)發(fā)生熱交換凝結(jié)成液體——工質(zhì)再經(jīng)節(jié)流裝置變成蒸發(fā)壓力p0和蒸發(fā)溫度t0下的制冷劑液體，并產(chǎn)生一定的閃發(fā)蒸氣再次進(jìn)入蒸發(fā)器完成一個循環(huán)閃發(fā)蒸氣——指節(jié)流過程產(chǎn)生的蒸氣3.工作過程（二）理論制冷循環(huán)

1.理論循環(huán)——即簡單的飽和循環(huán)，指離開蒸發(fā)器進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑蒸氣為飽和蒸氣，離開冷凝器進(jìn)入節(jié)流裝置的制冷劑為飽和液體的循環(huán)理論制冷循環(huán)過程及其在T-S圖上的表示單級蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)的T-S圖與lgp-h圖2.理論循環(huán)是建立在以下假設(shè)的基礎(chǔ)上1）壓縮過程為等熵過程：2）節(jié)流前后焓值不變：忽略了工質(zhì)在通過節(jié)流閥前后流速的變化和熱交換

3）制冷劑的冷凝溫度等于冷卻介質(zhì)的溫度，蒸發(fā)溫度等于被冷卻物體的溫度，且冷凝溫度和蒸發(fā)溫度均為定值

4）制冷劑在冷凝器、蒸發(fā)器和管道內(nèi)流動時，無流動阻力損失5）制冷劑在管道中與外界無熱交換3.理論循環(huán)過程的組成1）等熵壓縮過程1—2點(diǎn)1表示工質(zhì)蒸氣進(jìn)入壓縮機(jī)的狀態(tài)，位于p0等壓線與飽和蒸氣線的交點(diǎn)上；點(diǎn)2表示工質(zhì)蒸氣離開壓縮機(jī)的狀態(tài)，處于過1點(diǎn)的等熵線與pk等壓線的交點(diǎn)上2）等壓冷卻（2—3）冷凝過程（3—4）3）等焓節(jié)流過程4—5點(diǎn)5表示工質(zhì)離開節(jié)流裝置進(jìn)入蒸發(fā)器的狀態(tài)，位于點(diǎn)4的等焓線與p0等壓線的交點(diǎn)上4）等壓蒸發(fā)過程5—1三種制冷循環(huán)在T-S圖上的表示（三）單級蒸氣壓縮式制冷

理論循環(huán)的熱力計算為了分析單級壓縮制冷的理論循環(huán)，采用了一些性能指標(biāo)以判斷循環(huán)性能的好壞，各指標(biāo)可通過狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行計算，其熱力計算內(nèi)容有：

1.單位質(zhì)量制冷量（單位制冷量）q0

指1kg制冷劑在一次循環(huán)中所制取的冷量q0=h1－h(huán)5=h1－h(huán)4

(kJ/kg)2.單位容積制冷量qv

指壓縮機(jī)吸入狀態(tài)下吸入單位容積制冷劑蒸氣所能獲得的冷量。若吸入狀態(tài)下制冷劑蒸氣的比容為v1，則為qv：

qv=q0/v1=h1－h(huán)5/v1(kJ/m3)3.單位理論功w0

壓縮機(jī)壓縮并輸送單位質(zhì)量制冷劑所消耗的功

w0=h2－h(huán)1=（kJ/kg）4.單位冷凝負(fù)荷qk

包括顯熱（h2－h(huán)3）和潛熱（h3－h(huán)4），根據(jù)制冷機(jī)熱平衡關(guān)系qk應(yīng)為：

qk=q0+

w0=

h2－h(huán)4

（kJ/kg）5.制冷系數(shù)ε

指制冷循環(huán)中每消耗單位功所獲得的制冷量ε=q0/w0對于理論循環(huán)ε0=q0/w0=h1－h(huán)4/h2－h(huán)1

6.熱力完善度η

η=ε0/εc=(Tk－T0/T0)·(h1－h(huán)4/h2－h(huán)1)例題1：一臺按理論循環(huán)工作的單級蒸氣壓縮制冷機(jī)，冷凝溫度tk=30℃，蒸發(fā)溫度t0=-15℃，工質(zhì)為R22，試進(jìn)行熱力計算解：據(jù)已知條件在lg-p作出循環(huán)路線圖，由R22的lg-p查出各狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)（也可查性質(zhì)表）點(diǎn)號t/℃P/105PaV/m3·kg-1h/kJ·kg-1S/kJ·kg-1·K-11245-1553.5530-152.97511.91911.9192.9750.077625399.546434.49236.664236.6641.775411.77541（四）制冷壓縮機(jī)的工況

從以上分析可知，一臺制冷機(jī)的制冷量和壓縮消耗的功是隨蒸發(fā)溫度t0和冷凝溫度tk的改變而改變的，離開工作溫度條件談制冷量和功耗無實(shí)際意義，要準(zhǔn)確說明一臺制冷機(jī)的制冷量、功耗的大小，必須同時指明工作溫度條件，為了便于對制冷機(jī)的性能進(jìn)行比較，必須規(guī)定一個共同的溫度作為比較的基準(zhǔn)，此溫度基準(zhǔn)即為制冷機(jī)的工況工況——即制冷壓縮機(jī)工作的溫度和工作條件標(biāo)準(zhǔn)工況制冷劑工作溫度/℃R717R22R12蒸發(fā)溫度t0-15-15-15冷凝溫度tk303030吸入溫度t1-10-15-15過冷溫度tu252525空調(diào)工況制冷劑工作溫度/℃R717R22R12蒸發(fā)溫度t05（0）55冷凝溫度tk40（35）4040吸入溫度t110（5）1515過冷溫度tu35（30）3535為了考核壓縮機(jī)部零件的機(jī)械強(qiáng)度和確保壓縮機(jī)能正常工作，機(jī)械工業(yè)部對于中小型活塞式單級壓縮機(jī)規(guī)定了最大壓差工況和最大功率工況最大壓差工況和最大功率工況

制冷劑工作溫度/℃R717R22R12最大壓差最大功率最大壓差最大功率最大壓差最大功率蒸發(fā)溫度t0-205-3010-305冷凝溫度tk404050504040吸入溫度t1縮機(jī)的電機(jī)一般按最大功率工況下計算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行選配，以保證啟動過程中滿足壓縮機(jī)負(fù)荷要求，但若在固定工況下運(yùn)行，也可按實(shí)際工況選配，但啟動時要采用部分卸載啟動或進(jìn)氣節(jié)流等措施

壓縮機(jī)出廠時，機(jī)器銘牌上標(biāo)出的制冷量一般為標(biāo)準(zhǔn)工況下的制冷量，實(shí)際運(yùn)行工況改變時，制冷機(jī)的性能可以從其性能曲線選取，也可根據(jù)轉(zhuǎn)速不變時壓縮機(jī)理論輸氣量是定值這一條件加以換算方法如下：

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)工況的制冷量為Q0（A），任意工況下的制冷量為Q0（B），則有：Q0（A)=Vhλ（A)qv（A），Q0（B)=Vhλ（B)qv（B）

轉(zhuǎn)換后得到：Q0（B)=λ（B)qv（B）/λ（A)qv（A）×Q0（A)=KiQ0（A)。式中的Ki——壓縮機(jī)制冷量的換算系數(shù)制冷壓縮機(jī)的工況可根據(jù)需要而改變，但改變是有限度的，變化范圍必須符合國家有關(guān)部門規(guī)定的制冷壓縮機(jī)的設(shè)計及使用條件的要求制冷壓縮機(jī)的設(shè)計及使用條件制冷劑冷凝溫度/℃最大壓差（pk-p0）×105Pa蒸發(fā)溫度℃最高排氣溫度℃R717R12R2240504013.7211.7611.765105150130150例題2：計算氟里昂R22制冷劑在下列工況下循環(huán)的理論制冷系數(shù)ε，并進(jìn)行比較和討論A工況：tk=35℃，t0=0℃B工況：tk=40℃，t0=0℃C工況：tk=35℃，t0=-5℃解：根據(jù)已知條件把各工況的狀態(tài)點(diǎn)在R22的lg-p圖上表示后查得各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)并計算結(jié)果如表所示參數(shù)工況冷凝蒸發(fā)H1kJ/kgH1kJ/kgH1kJ/kg制冷系數(shù)溫度tk℃壓力×105Pa溫度t0℃壓力×105PaA工況3513.504.98405.4430243.16.60B工況4015.304.98405.4433249.75.64C工況4015.3-54.21403.5437249.74.59從上表可知，A、B工況蒸發(fā)溫度相同，但B工況的tk比A工況的tk高5℃，則制冷系數(shù)下降，下降的百分?jǐn)?shù)為：[（6.60-5.64）/6.60]×100%=14.5%B、C工況的冷凝溫度相同，但C工況的t0比B工況的t0降低了5℃，則制冷系數(shù)下降，下降的百分?jǐn)?shù)為：[（5.64-4.59）/5.64]×100%=18.6%

從上計算可知，蒸發(fā)溫度的變化對制冷系數(shù)的影響大于冷凝溫度變化的影響（五）冷凝溫度和蒸發(fā)溫度變化時循環(huán)性能的變化冷凝溫度變化時循環(huán)的變化從圖中可知，當(dāng)冷凝溫度升高時，循環(huán)的單位制冷量下降；單位理論功增加；單位容積制冷量減少；單位熱負(fù)荷增大；制冷系數(shù)下降蒸發(fā)溫度變化時循環(huán)的變化從圖中可知，當(dāng)蒸發(fā)溫度下降時，循環(huán)的單位制冷量下降；單位理論功增加；單位容積制冷量減少；單位熱負(fù)荷增大；制冷系數(shù)下降結(jié)論

從上分析可知，當(dāng)冷凝溫度越低，蒸發(fā)溫度越高時，制冷系數(shù)越大。在冷凝溫度和蒸發(fā)溫度給定的情況下，制冷系數(shù)越大則循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性越好但對于工作在不同溫度區(qū)間的制冷循環(huán)，用制冷系數(shù)對循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較是沒有意義的，此時應(yīng)用熱力完善度來衡量循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性（六）單級蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)的修正1.蒸氣壓縮制冷的過冷循環(huán)——指使節(jié)流前制冷劑的溫度低于相應(yīng)壓力所對應(yīng)的飽和溫度的循環(huán)。（即具有液體過冷的循環(huán)）過冷循環(huán)的T-S圖lgp-h圖實(shí)現(xiàn)過冷的方法

1.在冷凝器中過冷：當(dāng)冷凝器的面積足夠大，冷卻水溫較低時，制冷劑在冷凝器中可得到一定程度的過冷

2.用過冷器過冷：在冷凝器或貯液器后串接一個采用深井水做冷卻介質(zhì)的過冷器，使液體制冷劑過冷，有較好效果，用于大型制冷系統(tǒng)；如圖

3.用直接蒸發(fā)的過冷器過冷：當(dāng)需要較大的過冷度時，可在供液管通道上裝一個直接蒸發(fā)的液體過冷器，但要消耗一定的冷量，在必要時用

4.在回?zé)崞髦羞^冷：

在回氣管上安裝一個回?zé)崞鳎庖航粨Q器），用來自蒸發(fā)器的低溫蒸氣冷卻節(jié)流前的液體制冷劑，R12系統(tǒng)常用應(yīng)用液體過冷器的制冷系統(tǒng)圖R12的回?zé)嵝问揭后w流液體流液體流液體流蒸氣流蒸氣流蒸氣流蒸氣流從上可知，采用過冷循環(huán)后制冷系數(shù)提高了，且過冷度越大，提高越多，但制冷劑的過冷是依靠冷卻介質(zhì)的冷卻作用獲得的，過冷后的制冷劑溫度越低，所需的冷卻介質(zhì)的溫度越低，所以受到冷卻介質(zhì)的限制，制冷劑的過冷溫度不可能太低另外采用過冷后設(shè)備的投資費(fèi)、折舊費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)相應(yīng)增加，在實(shí)際使用中應(yīng)考慮具體情況和運(yùn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后再確定是否采用2.蒸氣壓縮制冷的過熱循環(huán)——指具有吸氣過熱的循環(huán)。（即壓縮機(jī)吸入蒸氣的溫度高于吸氣壓力所對應(yīng)的飽和溫度）過熱循環(huán)的T-S圖和lgp-h圖圖中△tsh為吸氣過熱度從過熱循環(huán)的T-S圖和lgp-h圖可知，與理論循環(huán)相比，壓縮機(jī)的排氣溫度升高；單位理論功增大；單位冷負(fù)荷增大；過熱循環(huán)的制冷量和制冷系數(shù)是增大還是減少，取決于過熱的形式過熱的形式：

無效過熱：

指過熱發(fā)生在被冷卻空間之外無效過熱的單位制冷量不變；單位容積制冷量減少；制冷系數(shù)下降

因此無效過熱對制冷循環(huán)不利（對壓縮機(jī)工作有利），為有害過熱，蒸發(fā)溫度越低，對循環(huán)影響越大，在實(shí)際工作中為減少有害過熱，可在吸氣管上包扎隔熱材料，但有害過熱不能完全消除2.有效過熱

指過熱發(fā)生在被冷空間內(nèi)。因蒸氣吸收的熱量來自于被冷空間，對被冷物體產(chǎn)生制冷作用，所以為有利過熱有效過熱單位制冷量增大；單位理論功增大；單位容積制冷量和制冷系數(shù)是增大還是減少取決于制冷劑的種類單位體積制冷量隨吸氣過熱度的變化因受排氣溫度的限制，過熱度一般控制在20~40℃，另外因R717和R22排氣溫度較高，因此使用中不宜采用過高的過熱度制冷系數(shù)與吸氣過熱度的關(guān)系

結(jié)論R502和R12采用過熱循環(huán)對制冷系統(tǒng)是有利的，而R717和R22采用過熱循環(huán)會使制冷系數(shù)和單位容積制冷量下降，所以在實(shí)際生產(chǎn)中，R502和R12通常采用過熱循環(huán)且有較大的過熱度，R717和R22可根據(jù)具體而定且通常過熱度較小實(shí)際工作的制冷機(jī)，有效過熱和無效過熱總是同時存在，可根據(jù)具體情況考慮各自所占的比例3.回?zé)嵫h(huán)——指既具有液體過冷又具有蒸氣過熱的循環(huán)。其流程是利用一臺換熱器使節(jié)流前的高溫液體與壓縮機(jī)吸氣前的低溫蒸氣進(jìn)行熱交換，使液體得到過冷，而蒸氣得到過熱回?zé)嵫h(huán)的系統(tǒng)圖和lgp-h圖回?zé)嶂评溲h(huán)回?zé)嵫h(huán)的單位制冷量提高；單位理論功增大；單位容積制冷量和制冷系數(shù)是增大還是減少取決于制冷劑的種類其影響情況與有效過熱基本一樣；即對R502和R12采用回?zé)嵫h(huán)對制冷系統(tǒng)有利；而R22和R717采用回?zé)嵫h(huán)對系統(tǒng)不利

但是否采用回?zé)嵫h(huán)還應(yīng)考慮多方面的因素三種修正后的理論制冷循環(huán)在lgp-h圖上的比較回?zé)嵫h(huán)的lgp-h圖過熱循環(huán)的lgp-h圖過冷循環(huán)的lgp-h圖四、蒸汽壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)（一）理論循環(huán)與實(shí)際循環(huán)的區(qū)別

1.壓縮機(jī)的實(shí)際工作過程為多變壓縮過程，而不是等熵過程2.實(shí)際循環(huán)在換熱器中存在傳熱溫差

冷凝溫度高于環(huán)境介質(zhì)的溫度，蒸發(fā)溫度低于被冷物體的溫度；且冷卻介質(zhì)和被冷物體的溫度是變化的3.制冷劑流動存在流動阻力

壓縮機(jī)的排氣壓力上升，蒸發(fā)器的吸氣壓力下降；造成冷凝溫度和蒸發(fā)溫度將不是定值4.制冷劑在流經(jīng)系統(tǒng)的各個設(shè)備和管道時與環(huán)境有熱交換5.系統(tǒng)存在一定的滲漏

使系統(tǒng)內(nèi)有不凝性氣體，造成冷凝器壓力升高，壓縮機(jī)壓縮比增大，吸氣系數(shù)下降（二）實(shí)際循環(huán)的簡化

1.忽略冷凝器和蒸發(fā)器中制冷劑的壓力變化

即以壓縮機(jī)的排氣壓力為冷凝壓力，以壓縮機(jī)的吸氣壓力為蒸發(fā)壓力，冷凝溫度和蒸發(fā)溫度為定值，但考慮傳熱溫差

2.實(shí)際壓縮過程簡化為等熵過程后進(jìn)行效率修正3.節(jié)流前后焓值不變

經(jīng)過簡化后的實(shí)際循環(huán)可直接利用lgp-h圖進(jìn)行熱力計算，而產(chǎn)生的誤差不大，可滿足工程需要實(shí)際循環(huán)（1abc2defg1)簡化后的實(shí)際循環(huán)（1234561)簡化后的實(shí)際循環(huán)（三）單級蒸汽壓縮式制冷

實(shí)際循環(huán)的熱力計算

1.熱力計算1）計算的目的

得到實(shí)際循環(huán)的性能指標(biāo)、壓縮機(jī)的容量、功率、蒸發(fā)器、冷凝器的熱負(fù)荷等，為壓縮機(jī)和熱交換器的設(shè)計和選配提供數(shù)據(jù)2）計算步驟

（1）確定制冷循環(huán)工作參數(shù)即確定制冷劑的工作溫度和壓力。工作溫度取決于冷卻介質(zhì)與被冷物體的溫度及傳熱溫差。而冷卻介質(zhì)的溫度根據(jù)當(dāng)?shù)厮春蜌庀筚Y料確定，被冷卻物的溫度由用戶或食品冷凍加工工藝和空調(diào)要求確定。傳熱溫差由具體條件確定，水冷式換熱器取5℃，空冷式換熱器取10℃（2）在壓-焓圖上繪制出循環(huán)圖，查出各主要點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)（3）根據(jù)步驟（2）的數(shù)據(jù)進(jìn)行熱力計算3）計算內(nèi)容

（1）單位質(zhì)量制冷量q0

（2）單位容積制冷量qv（3）單位理論功w0（4）單位熱負(fù)荷qkqk=h2s－h(huán)4h2s為壓縮機(jī)的排氣狀態(tài)點(diǎn)，其焓值為：h2s=h1+（h2－h(huán)1）/ηi簡化后的實(shí)際循環(huán)（5）制冷劑的循環(huán)流量mm=Q0/q0（kg/s）（6）冷凝器的熱負(fù)荷Qk

Qk=mqk=（kW)(7)壓縮機(jī)的實(shí)際輸氣量為Vs=mv1（m3/s）（8）壓縮機(jī)的理論輸氣量Vh為Vh=Vs/λ（m3/s）λ——壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)（9）壓縮機(jī)的功率P(kW)計算：理論功率Pt=mw0

指示功率Pi=Pt/ηi軸功率Pc=Pi/ηm=Pt/ηmηi壓縮機(jī)電機(jī)的輸入功率：Pe=Pc/ηe

(10)實(shí)際循環(huán)制冷系數(shù)ε0；逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)εc（11）熱力完善度η（12）能效比EER（單位軸功率制冷量）EER=

Q0/Pc_Pc——壓縮機(jī)消耗的軸功率(13)過冷器熱負(fù)荷；回?zé)崞鳠嶝?fù)荷等（四）計算實(shí)例1.例題1一個小型冷藏庫，庫內(nèi)溫度為-10℃，冷卻水的溫度為28℃，利用一臺2F10型壓縮機(jī)配套組成一個R12的回?zé)嵫h(huán)制冷系統(tǒng)。已確定低壓蒸氣經(jīng)回?zé)崞鞯綁嚎s機(jī)吸入口的溫度為0℃，管道無有害過熱，壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)λ=0.65，指示效率ηi=0.8，機(jī)械效率ηm=0.9，試進(jìn)行制冷系統(tǒng)的熱力計算解：查2F10型壓縮機(jī)可知其汽缸直徑為D=100mm，活塞行程s=75mm，轉(zhuǎn)速n=24r/s，汽缸數(shù)Z=2，假定：冷凝器冷凝水溫升△t=4℃；冷凝溫度較冷凝器出水溫度高3℃；蒸發(fā)溫度較庫內(nèi)溫度低10℃熱力計算：

1.確定循環(huán)的工作參數(shù)1）冷凝溫度tk=28+4+3=35℃，查R12的熱力性質(zhì)表或lgp-h圖得到冷凝壓力為Pk=8.4775MPabar（絕對）2）蒸發(fā)溫度t0=-10-10=-20℃；查得蒸發(fā)壓力P0=1.5093MPa（絕對）在壓-焓圖上繪出循環(huán)路線圖2s3.在壓-焓圖上查出主要狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)如下點(diǎn)號t/℃P/105PaV/m3·kg-1h/kJ·kg-1S/kJ·kg-1·K-101245-200351.50931.50938.47758.47750.120343355388233.52s

4.熱力計算

1）根據(jù)回?zé)崞鳠崞胶怅P(guān)系得h5h4－h(huán)5=h1－h(huán)0h5=h4－（h1－h(huán)0）=233.5－（335－343）=221.5（kJ/kg）2)確定2s點(diǎn)的焓值h2s=h1+（h2－h(huán)1）/ηi=355+(388-355)/0.8=396.25kJ/kg2s2s2s例題2：某一臺制冷機(jī)，制冷量為2kW，環(huán)境溫度為th=35℃，被冷空間溫度為te=-20℃，制冷劑為R12，采用回?zé)嵫h(huán)；且已知壓縮機(jī)吸氣溫度為t1=0℃，壓縮機(jī)的指效率為ηi=0.8；機(jī)械效率ηm=0.94，電機(jī)效率ηe=0.8，試進(jìn)行熱力計算解：取冷凝溫度比環(huán)境溫度高10℃，蒸發(fā)溫度比被冷空間低5℃，則冷凝溫度tk=35+10=45℃蒸發(fā)溫度t0=-20-5=-25℃蒸氣的過熱度為：△tsh=25℃循環(huán)系統(tǒng)的的lgp-h圖如下：由R12的性質(zhì)表和lgp-h確定個主要狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)如表：點(diǎn)號t/℃P/105PaV/m3·kg-1h/kJ·kg-1S/kJ·kg-1·K-101234-25083.7451.23681.236810.83410.83410.8340.14666340.42335.26398.63243.661.6271.627

4.熱力計算

1）根據(jù)熱平衡關(guān)系得h4：h3－h(huán)4=h1－h(huán)0h4=h3－（h1－h(huán)0）=243.66－（335.26－340.22）=228.62（kJ/kg）根據(jù)Pk和h4可查的t4=30℃，相應(yīng)的過冷度為△tsc=15℃第二節(jié)兩級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)采用兩級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的原因兩級壓縮制冷循環(huán)兩級壓縮制冷循環(huán)的熱力計算兩級壓縮制冷循環(huán)的計算實(shí)例一、采用兩級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的原因單級蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)一般采用終溫中壓的制冷劑，其蒸發(fā)溫度一般在-20~-40℃。若想得到更低的溫度很難。原因是：單級壓縮制冷不能在高壓縮比Pk/P0下工作在高壓縮比下工作的不良后果：（一）壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)大大降低，實(shí)際壓縮過程與理論等熵壓縮壓縮過程偏離程度太大，制冷系數(shù)下降，當(dāng)壓縮比達(dá)20時，輸氣系數(shù)接近零（二）壓縮機(jī)排氣溫度很高，潤滑油變稀，潤滑條件下降，甚至引起潤滑油碳化而拉缸、閥片上結(jié)碳等現(xiàn)象，過多的油蒸氣進(jìn)入系統(tǒng)，使換熱設(shè)備性能下降（三）液體制冷劑節(jié)流時損失增加，單位質(zhì)量制冷量和單位容積制冷量下降因此單級壓縮制冷循環(huán)不宜在高壓縮比下工作。一般單級氨制冷壓縮機(jī)最大壓縮比<8；氟里昂壓縮機(jī)最大壓縮比<10制冷劑冷凝溫度℃3035404550R717-25.8-22.6-19.5－－R22-37.2-34.2-31.5-28.6-25.7R12-36.8-33.8-31.1-28.3-25.4R502-40-37.2-34.4-36.6-28.9單級壓縮最低蒸發(fā)溫度為了要獲得比較低的蒸發(fā)溫度，又要使壓縮機(jī)的壓縮比控制在一個合適的范圍內(nèi)，則必須采用兩級壓縮制冷循環(huán)，甚至多級制冷壓縮循環(huán)，采用兩級壓縮循環(huán)可獲得-70℃的低溫二、兩級壓縮制冷循環(huán)（一）兩級壓縮制冷循環(huán)指來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣（壓力為p0）先進(jìn)入低壓級汽缸壓縮到中間壓力（pm），經(jīng)過中間冷卻后再進(jìn)入高壓級汽缸，壓縮到冷凝壓力（pk）后排入冷凝器的循環(huán)（二）兩級壓縮制冷系統(tǒng)的組成方式

1.由兩臺壓縮機(jī)組成雙級雙機(jī)系統(tǒng)

一臺為低壓級，另一臺為高壓級

2.由一臺壓縮機(jī)組成單機(jī)雙級系統(tǒng)

其中一個或兩個汽缸為高壓缸，其余作為低壓缸，高低壓缸缸數(shù)比一般為1：2或1：3（三）兩級壓縮的節(jié)流方式

1.兩級節(jié)流

指制冷劑從冷凝器出來后經(jīng)過兩個節(jié)流閥再進(jìn)入蒸發(fā)器的循環(huán)。即先由pk節(jié)流到中間壓力pm，再由pm節(jié)流到p0

2.一次節(jié)流

指制冷劑只經(jīng)過一個節(jié)流閥，壓力從pk直接節(jié)流到蒸發(fā)壓力p0；因兩者壓差較大，可利用其壓差實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離或高層冷庫的供液，可減少潤滑油進(jìn)入蒸發(fā)器的機(jī)會且調(diào)節(jié)方便（常用）（四）兩級壓縮的冷卻方式

1.中間完全冷卻

指低壓機(jī)排出的蒸氣被冷卻成中間壓力pm下的飽和蒸氣（氨用）2.中間不完全冷卻

指低壓機(jī)排出的蒸氣只降低了溫度，但未達(dá)到干飽和狀態(tài)（氟里昂用）（五）兩級壓縮的冷卻和節(jié)流的組合方式

1.兩級節(jié)流中間完全冷卻2.兩級節(jié)流中間不完全冷卻3.一級節(jié)流中間完全冷卻（氨用）4.一級節(jié)流中間不完全冷卻（氟里昂用）（六）典型的兩級壓縮循環(huán)兩級壓縮一級節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)系統(tǒng)原理圖兩級壓縮一級節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)系統(tǒng)原理圖兩級壓縮一級節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)的lgp-h圖兩級壓縮一級節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)系統(tǒng)原理圖兩級壓縮一級節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)lgp-h圖兩種循環(huán)的壓焓圖比較（三）兩級壓縮制冷循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)

1.各級壓縮比減小，壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)大大提高2.采用中間冷卻，降低了高壓級排氣溫度，改善壓縮機(jī)的潤滑條件3.功耗降低。如在t0=-30℃，tk=30℃，采用兩級壓縮的功耗要比單級減少12%

但因兩級壓縮需增加一臺壓縮機(jī)，一個中間冷卻器和一只節(jié)流閥，初投資較大，所以只要在蒸發(fā)溫度要求較低時采用三、兩級壓縮制冷循環(huán)的熱力計算（一）首先選擇好制冷劑、循環(huán)形式及確定循環(huán)的工作參數(shù)兩級壓縮循環(huán)必須使用中溫制冷劑；中間冷卻方式取決于制冷劑的種類；循環(huán)工作參數(shù)的選擇原則與單級相同（二）確定中間壓力（中間溫度）

1.若已選配好壓縮機(jī)可通過計算確定中間壓力（依據(jù)是確定的壓縮機(jī)的理論輸氣量之比為定值）

1）按一定間隔選擇若干個中間溫度，按所選的中間溫度分別進(jìn)行熱力計算，求出不同中間溫度下的理論輸氣量的比值ξ2）繪制ξ=f（tm）曲線，在此曲線上找到已選定的兩級壓縮機(jī)的理論時期量之比值ξ所對應(yīng)的中間溫度，然后查出對應(yīng)的中間壓力2.從計算確定中間壓力的數(shù)值，以便選配壓縮機(jī)（三）計算內(nèi)容

1.單位制冷量q02.低壓級消耗的單位理論功w0d3.低壓級的質(zhì)量的循環(huán)量md若制冷機(jī)的冷負(fù)荷為Q0；則m0d=Q0/q0

4.低壓級的軸功率Pcd

5.低壓級的實(shí)際輸氣量Vsd

6.低壓級的理論輸氣量Vhd

7.高壓級壓縮機(jī)的單位理論功wgd

8.高壓級壓縮機(jī)的制冷劑流量mg

四、兩級壓縮制冷循環(huán)的計算實(shí)例例題：某冷庫在擴(kuò)建中需要增加一套兩級壓縮制冷壓縮機(jī)，其工作條件為：制冷量：Q0=543724kJ/kg制冷劑：R717冷凝溫度：tk=40℃，無過冷蒸發(fā)溫度：t0=-40℃管道有有害過熱△t=5℃試進(jìn)行熱力計算，并選配適宜的壓縮機(jī)解：因制冷劑為R717，所以選用一級節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)，其壓焓圖如下：根據(jù)已知條件，可確定以下參數(shù)：Pk=15.54bar；P0=0.7178bar；h9=6.09kJ/kg；h0=1624.6kJ/kg；h1=1636.7kJ/kg；v1=1.58m3/kg；按制冷系數(shù)最大原則確定中間壓力和中間溫度tm℃Pmbarh3kJ·k