制冷與低溫技術(shù)原理第3章蒸氣壓縮式制冷-單級蒸氣壓縮制冷循環(huán).ppt

制冷與低溫技術(shù)原理,第 3 章 蒸氣壓縮式制冷,第 3 章 蒸氣壓縮式制冷,主要內(nèi)容： 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán) 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán) 蒸氣壓縮式制冷中的制冷劑 多級蒸氣壓縮式制冷循環(huán) 復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷循環(huán),1. 系統(tǒng)組成： 壓縮機，節(jié)流閥，蒸發(fā)器和冷凝器等主要設(shè)備 及輔助設(shè)備（過濾器，油分離器，儲液器）。,3.1.1 特點及工作過程,3.1 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán),壓-焓圖 溫-熵圖,3.1.2 制冷劑的狀態(tài)圖,壓-焓圖： 1點，2線，3區(qū)，5態(tài)，6等參數(shù)線簇。,臨界點 (critical point),下臨界線 : 不同壓力下飽和液體狀態(tài) 上臨界線：不同壓力下干飽和蒸汽狀態(tài),液相區(qū) (liquid region) 汽液兩相區(qū)(liquid-vapor region) 汽相區(qū) (vapor region),未飽和液體，飽和液體，濕飽和蒸汽， 干飽和蒸汽，過熱蒸汽。,6等參數(shù)線簇(壓-焓圖）,高溫?zé)嵩碩H和低溫?zé)嵩碩L溫度恒定，制冷劑在相變過程 中與熱源之間沒有傳熱溫差， 蒸發(fā)溫度To=TL，冷凝溫度 TK=TH； 制冷劑除在蒸發(fā)器和冷凝器外，在整個循環(huán)的其它流動 過程中與外界不發(fā)生熱交換。 制冷劑離開蒸發(fā)器的狀態(tài)為飽和蒸氣， 離開冷凝器的狀態(tài)為飽和液體； 制冷劑除在壓縮機和膨脹閥處發(fā)生壓力升降外， 在整個循環(huán)的其它流動過程中沒有壓力損失； 壓縮機的壓縮過程為等熵壓縮過程； 制冷劑流過節(jié)流裝置時，速度變化小，可忽略不計； 制冷劑在設(shè)備的連接管道中不發(fā)生狀態(tài)變化。,1. 簡單的理論循環(huán)假設(shè),3.1.3 單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的理論循環(huán),2. 理想循環(huán)在坐標圖上的描述,工作過程,（1）1-2 壓縮機中干飽和蒸汽等熵壓縮過程；,（2）2-3 冷凝器中過熱蒸汽等壓冷卻及冷凝過程；,（3）3-4 節(jié)流閥中飽和液體絕熱節(jié)流過程；,（4）4-1 蒸發(fā)器中濕蒸汽等溫等壓汽化過程。,（2）2點：壓縮機壓縮后的排氣狀態(tài)， 對應(yīng)于冷凝壓力下的過熱蒸汽。,各點對應(yīng)狀態(tài),（1）1點：制冷劑進入壓縮機的狀態(tài)， 對應(yīng)于蒸發(fā)溫度To下的飽和蒸汽。,（3）3點：制冷劑在冷凝器出口處的狀態(tài)， 是與冷凝溫度TK對應(yīng)的飽和液體。,（4）4點：節(jié)流后流出節(jié)流閥，進入蒸發(fā)器的狀態(tài)， 為濕飽和蒸汽狀態(tài)。,坐標圖中的表示,課堂問題1：不可逆絕熱過程熵變?nèi)绾危?課堂問題2：理論循環(huán)是否是可逆循環(huán)？,理論依據(jù)： 熱力學(xué)第一定律 （開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動的能量守恒方程式）,3. 理想循環(huán)特性,（1）蒸發(fā)過程和單位制冷量,制冷量： 制冷劑通過蒸發(fā)器時從低溫?zé)嵩次盏臒崃俊?單位質(zhì)量制冷量： 1kg 制冷劑在蒸發(fā)器中從低溫?zé)嵩?吸收的熱量。,式中： qm制冷劑的質(zhì)量流量。,與壓縮機的尺寸 和轉(zhuǎn)速有關(guān),與制冷劑的種類和工作條件有關(guān),單位容積制冷量： 壓縮機每吸入 1m3 制冷劑蒸氣 （按壓縮機吸氣狀態(tài)）所制取的冷量。,制冷劑的質(zhì)量流量：,式中： v1壓縮機入口處狀態(tài)點1的比體積。,式中： qvh壓縮機的理論輸氣量，m3/s。,（2）壓縮過程和比功,理論比功： 壓縮機每壓縮和輸送 1kg 制冷劑所 消耗的壓縮功。,壓縮機功率：,容積比功： 壓縮機每壓縮和輸送 1m3 制冷劑 （按壓縮機吸氣狀態(tài)）所消耗的壓縮功。,與制冷劑的種類和工作條件有關(guān),壓縮機的壓力比： 循環(huán)中壓縮機的排氣壓力 與吸氣壓力之比。,壓縮機的排氣溫度 T2 ： 制冷劑氣體壓縮終了的溫度。,（3）冷凝過程和冷凝器的熱負荷,冷凝器單位熱負荷： 1kg 制冷劑蒸汽在冷凝器中放出的熱量。,（4）節(jié)流過程,節(jié)流過程特點,節(jié)流后4狀態(tài)點,焓值,干度,比體積,（6）循環(huán)效率（熱力完善度）：,（5）制冷系數(shù)：,總結(jié),運用某種制冷劑時： 蒸發(fā)壓力po ，冷凝壓力pk 反映系統(tǒng)的壓力水平； 壓力比，壓力差和排氣溫度反映壓縮機的工作條件； 單位制冷量，單位容積制冷量反映制冷能力， COP 反映制冷循環(huán)的經(jīng)濟性。,影響理論循環(huán)特性的因素： （1）熱源的溫度； （2）制冷劑的性質(zhì)。,理論循環(huán)的意義： （1）是實際循環(huán)的基準和參照，用于分析研究實際循環(huán) 的各種不完善因素和作出相應(yīng)改進。 （2）用于評價制冷劑。相同Tk，To條件下，通過不同 制冷劑的理論循環(huán)特性比較，可以評價它們在熱力 性質(zhì)方面的適宜程度。,理論循環(huán)是不可逆循環(huán)。,4. 理想循環(huán)的意義,影響實際循環(huán)的因素,3.2 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán),（1）過冷：制冷劑液體的溫度低于同一壓力下 飽和狀態(tài)的溫度。 過冷度：兩者溫度之差。,（2）液體過冷循環(huán)： 在一定的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度下，采用使 制冷劑離開冷凝器，進入節(jié)流閥之前具有一定 過冷度的循環(huán)。,3.2.1 各種實際因素對循環(huán)的影響,1. 高壓液體過冷的影響,（3）過冷循環(huán)的坐標圖表示,制冷系數(shù) 增加,（4）過冷對制冷循環(huán)的影響,相同過冷度下，制冷量和制冷系數(shù)提高的百分數(shù)取決于 制冷劑的熱力性質(zhì)，即與制冷劑液體的比熱容和蒸發(fā)溫 度下的汽化潛熱有關(guān)。,（5）結(jié)論：,采用液體過冷循環(huán)，理論上總是有利的，可以提高循環(huán) 的經(jīng)濟性。且過冷度越大，對循環(huán)越有利；,使進入節(jié)流裝置前的制冷劑液體不會因流動阻力產(chǎn)生 氣化現(xiàn)象，從而保證了制冷劑流動的穩(wěn)定性。,蒸發(fā)溫度越低，過冷使性能的相對提高越大。,利用再冷卻器或過冷器獲得過冷；,（6）實現(xiàn)過冷的措施：,利用冷凝器直接過冷；,過冷度提高不多，一般可獲得1-5過冷度。,采用逆流管套式換熱器最易獲得過冷。,在冷凝器和膨脹閥之間增設(shè)一臺過冷器，在過冷器 中通入溫度更低的冷卻介質(zhì)（如深井水）； 或?qū)⒗鋮s介質(zhì)先通過再冷卻器，然后再進入冷凝器。,采用氣-液熱交換器（回?zé)崞鳎?（2）蒸氣過熱循環(huán)： 制冷劑蒸氣在蒸發(fā)器中完全蒸發(fā)后仍然要 繼續(xù)吸收一部分熱量，這樣，當它到達壓縮機 之前已處于過熱狀態(tài)。,（1）過熱：制冷劑蒸氣的溫度高于同 一壓力下飽和蒸氣的溫度。 過熱度：兩者溫度之差。,2. 壓縮機吸氣過熱的影響,（3）過熱循環(huán)的坐標圖表示,（4）過熱對制冷循環(huán)的影響,由于過熱循環(huán)在1-1過程中吸收了一部分熱量， 再加上比功又略有增加，則冷凝器的熱負荷增加。,單位制冷量和制冷系數(shù)的變化 取決于過熱是有效過熱，還是無效過熱。,單位容積制冷量如何變化？,給定壓縮機,單位容積制冷量qv：與制冷劑的性質(zhì)有關(guān),制冷系數(shù)：與制冷劑的性質(zhì)有關(guān) 制冷系數(shù)下降： NH3，R22； 制冷系數(shù)增加： R502，丙烷。,（1）回?zé)幔菏构?jié)流前的制冷劑液體和壓縮機吸入 前的制冷劑蒸氣進行熱交換，同時達到 液體過冷和吸氣過熱的目的。,（2）回?zé)嵫h(huán)制冷系統(tǒng)圖,3. 氣-液熱交換器（回?zé)幔ρh(huán)性能的影響,（3）回?zé)嵫h(huán)坐標圖,回?zé)崞鞯哪芰科胶怅P(guān)系 不計回?zé)崞髋c外界環(huán)境之間的能量交換， 回?zé)崞髦兄评鋭┮后w放出的熱量應(yīng)等于 制冷劑蒸氣吸收的熱量。,（4）回?zé)嵫h(huán)分析,即；,式中：c：液體的比熱容， cp0：低壓蒸氣的比熱容。,循環(huán)比功 略增加,單位制冷量 增加,比同有效過熱分析,（5）回?zé)嵫h(huán)的應(yīng)用,從單位容積制冷量和制冷系數(shù)角度看： R502，R290，R134a 采用回?zé)嵫h(huán)有利； R22，R717 采用回?zé)嵫h(huán)不利。,為防止壓縮過程產(chǎn)生液擊現(xiàn)象，采用回?zé)嵫h(huán)； R113，R114，RC318等類制冷劑 T-S圖上飽和蒸氣曲線向左下方傾斜，當壓縮機吸入 的是飽和氣體時，等熵壓縮后進入濕蒸氣區(qū)，不利于 壓縮機工作。必須采用回?zé)嵫h(huán)。,蒸發(fā)溫度較高的制冷機一般不用回?zé)崞鳌?對小型制冷機來說，通常把冷凝后的液體管道 （或毛細管）與壓縮機前的吸氣管道包扎在一起 ， 形成一個簡單的回?zé)崞鳌?蒸發(fā)溫度低的制冷機用回?zé)崞饔兄匾饬x： 低溫制冷裝置中，吸氣溫度過低會使壓縮機汽缸外壁 結(jié)霜，潤滑條件惡化，應(yīng)設(shè)法提高吸氣溫度。 同時高壓液體因回?zé)岫玫竭^冷。,對較大型制冷機，需用一個專門的回?zé)崞鳌?壓縮機吸氣比體積增加， 壓力比增加； 循環(huán)比功增大； 容積效率降低； 制冷系數(shù)降低。,（1）吸氣管道,壓縮機吸氣比體積增大； 單位容積制冷量減?。?排氣溫度上升； 循環(huán)性能系數(shù)下降。,增大管徑，降低流速。,4. 管道壓力損失和熱交換對循環(huán)性能的影響,熱交換無效過熱,壓力降有害,采取措施,增加了壓縮機的排氣壓力； 增加了壓縮機的壓力比，比功； 增加了壓縮機排氣溫度； 容積效率降低； 制冷系數(shù)下降。,冷卻高壓氣體； 減小冷凝器的熱負荷。,排氣管道中制冷劑的流速也必須加以控制。 該壓力降相對于壓縮機的壓力比而言，要小得多， 對系統(tǒng)的影響較小。,（2）排氣管道,熱交換有利,壓力降有害,采取措施,（3）高壓液體管道,熱交換：考慮兩種可能情況,產(chǎn)生的原因： 液體管路中的壓力降； 高度差導(dǎo)致壓力降。 產(chǎn)生的影響： 使膨脹閥前的制冷劑壓力降低； 閥前后的壓力差減??； 高壓液管的壓力損失將使閥前液體出現(xiàn)閃蒸氣； 影響膨脹閥的通流能力及其工作的穩(wěn)定性。,設(shè)計時，注意冷凝器和節(jié)流裝置的相對位置； 同時，降低節(jié)流前管路的阻力損失。,壓力降有害,采取措施,a：管道安裝在被冷卻空間，有效制冷； b：管道安裝在室外，無效制冷。,兩相管道的壓力降，使膨脹閥出口壓力升高， 閥前后壓差減小，略削弱膨脹閥通流能力； 通常這一管道的距離是較短的，壓力降對系統(tǒng)性能 幾乎沒有影響。,（4）低壓（兩相）管道,熱交換兩種情況,壓力降幾乎無影響,5. 蒸發(fā)器,a：假設(shè)制冷劑流出蒸發(fā)器的狀態(tài)不變： 則進入蒸發(fā)器的壓力增加，溫度增加，蒸發(fā)器中的 傳熱溫差減小，要求換熱面積增加。對系統(tǒng)性能無影響。 b：假設(shè)制冷劑進入蒸發(fā)器狀態(tài)不變，不改變傳熱溫差： 則結(jié)果與吸入管道壓力降引起的結(jié)果相同。,比照吸氣管道,壓力降考慮兩種情況,6. 冷凝器,假設(shè)冷凝器出口壓力不變 則需提高冷凝器入口處壓力， 要求壓縮機排氣壓力升高，壓力比增大；循環(huán)比功增加； 制冷系數(shù)減小。,壓力降注意條件,7. 壓縮機,熱交換多變過程,初始階段：汽缸壁面溫度 吸入蒸氣溫度，由汽缸壁 向蒸氣傳熱； 壓縮到一定階段：蒸氣溫度升高 汽缸壁面溫度， 熱量由蒸氣傳向汽缸壁面。,功率損失，容積損失,功率損失：使壓縮機實際消耗功率增大； 容積損失：使壓縮機輸氣量減?。?制冷量下降，性能系數(shù)下降。,（1）壓縮機的指示效率,指示功：直接用于氣體壓縮所消耗的功。,指示效率：指示比功與理論比功的比值。,（2）壓縮機的機械效率,機械效率：指示比功與壓縮機實際 消耗的軸比功之比。,（3）電動機效率,電動機效率：作用在壓縮機軸上的功 與壓縮機實際輸入的功之比。,（4）壓縮機的容積效率,容積效率：壓縮機實際輸氣量與理論輸氣量之比。,不凝性氣體（如空氣）積存在冷凝器上部，將使 冷凝器內(nèi)壓力增加，導(dǎo)致壓縮機排氣壓力升高， 比功增大，制冷系數(shù)減小，應(yīng)及時排出。,水分存在使制冷劑發(fā)生水化反應(yīng)，對系統(tǒng)材料有 腐蝕作用。,潤滑油與制冷劑直接接觸，二者產(chǎn)生互溶性， 使制冷劑的熱力性質(zhì)偏移。,8. 不凝性氣體的存在對循環(huán)性能的影響,1. 制冷系統(tǒng)管道中要特別注意吸氣管道，高壓液管。 2. 注意不同種類的制冷劑其熱力性能的不同變化。,總結(jié),3.2.2 實際循環(huán),實際循環(huán)在坐標圖中的表示,過程4- 1： 制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)，降壓過程； 過程1- 1 ： 制冷劑蒸氣在回?zé)崞骷拔鼩夤艿乐械募訜?和降壓過程； 過程1-1： 蒸氣經(jīng)過吸氣閥時的加熱和壓降過程； 過程1”- 2： 壓縮機內(nèi)實際的壓縮過程； 過程2 - 2： 壓縮機排氣經(jīng)過排氣閥的降壓過程； 過程2- 3： 經(jīng)排氣閥管道進入冷凝器的冷卻，冷凝及 壓降過程； 過程3 -3： 制冷劑液體在回?zé)崞骷肮艿乐薪禍?，降?過程； 過程3- 4：節(jié)流過程。,實際循環(huán)中的熱力過程,1. 熱力計算的內(nèi)容和步驟,熱力計算的內(nèi)容： 在設(shè)計工況下，計算實際循環(huán)特性，計算 制冷機的性能和各熱交換設(shè)備的熱負荷。,熱力計算的方法： （1）進行設(shè)計計算時，首先按照制冷機的使用要求 和使用時的環(huán)境條件，選擇制冷劑，規(guī)劃制冷 系統(tǒng)流程。 （2）然后進行熱力計算。,3.2.3 單級蒸氣壓縮式制冷機的熱力計算,熱力計算的步驟： （1）按已知系統(tǒng)流程繪制p-h圖表示循環(huán) （采取必要的簡化）； （2）確定循環(huán)工況； （3）計算實際循環(huán)的特性； （4）計算制冷機性能以及各熱交換設(shè)備的熱負荷。,2. 熱力計算舉例：,設(shè)有單級蒸氣壓縮式制冷機，制冷過程中使用 過冷器和回?zé)崞鳌Ｒ阎蟮闹评錅囟萒L，環(huán)境 冷卻介質(zhì)溫度TH ，壓縮機的理論輸氣量qvh。 試進行熱力計算。,（2）確定循環(huán)工況,冷凝溫度和冷凝壓力：,水冷式冷凝器： 風(fēng)冷式冷凝器：,蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力：,冷卻液體蒸發(fā)器： 冷卻空氣蒸發(fā)器：,（1）按已知系統(tǒng)流程繪制p-h圖,（