第3章蒸氣壓縮式制冷

1、第3章 蒸氣壓縮式制冷（合計20學時）3.1 可逆制冷循環(huán)3.1.1 壓縮式制冷的熱力學原理概述熱力學第二定律：熱不能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體。熱力學循環(huán)包括正向循環(huán)和逆向循環(huán)；正向循環(huán)：熱能轉化為機械功；逆向循環(huán)：消耗功。從熱力學角度說，制冷系統(tǒng)是利用逆向循環(huán)的能量轉換系統(tǒng)，通過能量補償，使制冷劑在循環(huán)中不斷地從溫度較低的被冷卻對象中吸取熱量，并向溫度較高的冷卻介質排放熱量。按補償能量的形式（或驅動方式），制冷方法主要歸為兩大類：以機械能或電能補償?shù)模ㄈ缯魵鈮嚎s式制冷機和熱電式制冷機等）和以熱能補償?shù)?。熱源：一般將流出熱量的對象（制冷劑從中吸收熱量）稱為（heat sourc

2、e）;熱匯：將流入熱量的對象（制冷劑向其排放熱量）稱為（heat sink）。制冷循環(huán)的熱力學本質是：用能量補償?shù)姆绞桨褵崃繌牡蜏責嵩磁诺礁邷責釁R。因此，制冷循環(huán)不但可以用于使物體降到環(huán)境溫度以下的制冷目的，也可以用于使物體升到環(huán)境溫度以上的加熱的目的。（1）制冷機與熱泵 制冷機以環(huán)境溫度的水或空氣作為高溫熱匯，利用逆向循環(huán)在低溫下從低溫熱源吸熱，收益是制冷量（有效吸熱量）；熱泵以環(huán)境溫度的水或空氣作為低溫熱源，利用逆向循環(huán)在高溫下向高溫熱匯排熱，收益是供熱量。上述兩種設備均為逆向循環(huán)，區(qū)別僅在于使用目的。同一臺機器既可供熱又可實現(xiàn)制冷，則為熱泵型制冷機。（2）制冷循環(huán)的性能系數(shù)COP和循環(huán)效

3、率性能系數(shù)和循環(huán)效率是評價制冷循環(huán)的經(jīng)濟性指標。熱力學關心的是能量轉換的經(jīng)濟性，性能系數(shù)被用來反映消耗一定的補償能可以獲得多少收益能。即COP=收益能量/補償能量制冷機的性能系數(shù)：COPR=Q0/E，其中：壓縮式制冷機COPR=Q0/W，習慣上將壓縮式制冷機的性能系數(shù)稱之為制冷系數(shù)，用表示。吸收式制冷機COPR=Q0/Qg，習慣上將吸收式制冷機的性能系數(shù)稱之為熱力系數(shù)，用表示。 熱泵的性能系數(shù)：COPH=QH/E，其中壓縮式制冷機COPH=QH/W，吸收式制冷機COPH=QH/Qg， 習慣上稱之為供熱系數(shù)，用表示。對于熱泵型制冷機，供熱系數(shù)和制冷系數(shù)之間存在如下關系： COPH=1+COPR

4、由于本課程主要講述的對象是制冷機，評價的是制冷機性能，故在后續(xù)章節(jié)中出現(xiàn)的COP即為制冷機的性能系數(shù)COPR 。循環(huán)效率（或熱力完善度）用來評價實際制冷循環(huán)與可逆循環(huán)的接近程度。熱力學上最為完善的是可逆循環(huán)。循環(huán)效率定義為：一個制冷循環(huán)的性能系數(shù)COP與相同低溫熱源、高溫熱匯溫度下可逆制冷循環(huán)的性能系數(shù)COPc之比，即 實際制冷循環(huán)總會存在不可逆損失，故其循環(huán)效率介于01。愈接近1，則說明該循環(huán)的熱力完善程度愈高，該循環(huán)的經(jīng)濟性能好。3.1.2 逆卡諾制冷循環(huán)在恒溫熱源和恒溫熱匯之間工作的可逆制冷循環(huán)是逆卡諾制冷循環(huán)。它由兩個等溫過程和兩個等熵過程組成，如下圖所示（參見PPT）。制冷工質在從低

5、溫熱源等溫吸熱（41），再等熵壓縮到溫度升至TH（12），又向高溫熱匯等溫放熱（23），然后等熵膨脹到溫度降至TL（34），回到循環(huán)的初始狀態(tài)?？ㄖZ循環(huán)的吸熱量：；卡諾循環(huán)的放熱量：；卡諾循環(huán)的凈輸入功：；由能量守恒定律有：；卡諾循環(huán)的性能系數(shù)：；是相同低溫熱源和高溫熱匯條件下制冷循環(huán)性能系數(shù)在理論上的最高值。由計算式表明： 卡諾循環(huán)的性能系數(shù)只與熱源和熱匯的溫度有關，而與制冷劑的性質無關； 大小隨熱源與熱匯的溫度比值改變，TH一定時，TL愈低則愈小?？偨YCOP和作為制冷機經(jīng)濟性評價指標的意義： 制冷機的COP與熱源和熱匯的溫度條件有關； 只有在同樣的熱源和熱匯溫度條件下，才可以用COP值來比

6、較兩臺或幾臺制冷機的循環(huán)經(jīng)濟性； 循環(huán)效率的定義本身已包含了相同熱源和熱匯條件下的比較，故可以根據(jù)值大小直接評價和比較各種制冷循環(huán)的經(jīng)濟性。3.1.3 勞倫茨循環(huán)針對變溫熱源和變溫熱匯條件，制冷劑變溫吸熱、變溫排熱的循環(huán)是勞倫茨循環(huán)。它由兩個變溫過程和兩個等熵過程組成。參見PPT。循環(huán)的吸熱量：；卡諾循環(huán)的放熱量：；卡諾循環(huán)的凈輸入功：；由能量守恒定律有：；卡諾循環(huán)的性能系數(shù)：；相當于在TMT0M恒溫熱源恒溫熱匯條件下工作的卡諾制冷循環(huán)的性能系數(shù)，因此，可逆勞倫茨循環(huán)是變溫熱源和變溫熱匯條件下熱力學上最理想的循環(huán)。3.2 單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)3.2.1 特點及工作過程單級壓縮的概念：來

7、自蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸氣在循環(huán)過程中只經(jīng)過一次壓縮。單級蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器四個基本部件組成，并用管道將它們串連成一個封閉的系統(tǒng)，制冷劑在這個封閉的系統(tǒng)中循環(huán)。如圖：工作過程：參見書P67. 講解！閃發(fā)的概念：制冷劑瞬時蒸發(fā)的現(xiàn)象。這部分蒸氣稱之為閃蒸氣。在蒸發(fā)器中由于已經(jīng)是氣體，故幾乎不產(chǎn)生制冷作用。3.2.2 制冷劑的狀態(tài)圖制冷劑的熱力狀態(tài)是由兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)確定的，因此利用狀態(tài)圖可以描述熱力狀態(tài)的變化過程，以及由各種過程所組成的循環(huán)，并能直觀地描述循環(huán)中各狀態(tài)變化和分析這些變化對循環(huán)的影響。在制冷循環(huán)的分析與計算中，通常借助于TS圖和PH 圖。由于循環(huán)過程中

8、熱量和功的變化均可以用比焓的變化計算，因此，壓焓圖在制冷工程計算中得到更為廣泛的應用。參見下圖（PPT）。 講解!3.2.3 理論循環(huán) 理論循環(huán)的假定 基于以下5點假定建立的理論循環(huán)：見書P69 （PPT）。 理論循環(huán)的壓焓圖表示：結合壓焓圖描述制冷劑在理論循環(huán)中的各個熱力過程。 理論循環(huán)特性 （工作過程涉及的相關計算） 單位質量制冷量，單位容積制冷量，制冷量，比功，容積比功，功率，單位冷凝熱負荷，冷凝熱負荷，壓力比，性能系數(shù)，循環(huán)效率。（書P71）計算舉例。 見書P73中表3-1. 理論循環(huán)的意義理論循環(huán)盡管做了上述5點假定，忽略了蒸發(fā)器中相變傳熱部分的不可逆、壓縮過程的不可逆和冷凝器中相變

9、傳熱部分的不可逆；但仍存在以下兩部分不可逆損失：一是冷凝器中過熱氣體非相變傳熱部分存在傳熱溫差；二是絕熱節(jié)流過程為不可逆過程；因此，理論循環(huán)并非可逆循環(huán)。理論循環(huán)的作用和意義在于： 它是實際循環(huán)的基準和參照（在給定熱源和熱匯溫度情況下，理論循環(huán)是蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的基準），用于分析研究實際循環(huán)的各種不完善因素和應作出的改進； 用于評價制冷劑?？梢栽u價它們在熱力性質方面的適宜程度。作業(yè)1： 請畫出蒸氣吸收式制冷系統(tǒng)的工作原理圖，并結合圖簡要敘述溴化鋰水吸收式制冷系統(tǒng)的工作過程。作業(yè)2： 一臺單級蒸氣壓縮式制冷機工作在高溫熱源溫度為40，低溫熱源溫度為-20之間，試求分別用制冷劑R134a與R71

10、7工作時簡單理論循環(huán)的性能指標。（ ）3.3 單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)3.3.1 特點及工作過程理論循環(huán)的5點假定均不符合實際。參見書P74中的圖3-9.按書中內(nèi)容講解實際循環(huán)的工作過程情況。3.3.2 各種實際因素對循環(huán)的影響 高壓液體過冷的影響過冷液體 制冷劑液體的溫度低于它所處壓力（即冷凝壓力）下的飽和溫度（即冷凝溫度）。其溫度差值稱為過冷度。過冷度：；液體過冷使循環(huán)的制冷量增大，COP增大，壓縮機的制冷能力提高，而壓縮機的功率不變。因此，過冷對循環(huán)總是有利的。獲得過冷的幾種方法： 利用冷凝器直接得到過冷；如逆流套管式水冷冷凝器，但受總傳熱溫差的限制。 利用過冷器獲得過冷； 用氣 液

11、熱交換器獲得過冷。在冷凝器和膨脹閥之間增設一臺熱交換器，使來自冷凝器的高壓液體與來自蒸發(fā)器的低溫制冷劑氣體發(fā)生熱交換。 壓縮機吸氣過熱的影響吸氣過熱：指壓縮機吸入的制冷劑蒸氣的溫度高于該壓力下的飽和溫度，則該蒸汽為過熱蒸汽，其溫度差稱為過熱度。過熱分為兩種情形：產(chǎn)生制冷作用的過熱為有效過熱或有用過熱，如蒸發(fā)器內(nèi)出現(xiàn)的制冷劑過熱；不產(chǎn)生制冷作用的為無用過熱或有害過熱。如吸氣管道上發(fā)生的過熱一般認為是有害過熱。對于有害過熱，單位制冷量不變，單位容積制冷量減小，功率消耗增大，COP減小。實際系統(tǒng)設計中應盡量減少，例如吸氣管道外敷隔熱層，防止外界環(huán)境對吸氣管道的加熱作用，其目的就是為了減少有害過熱。避

12、免大量無用過熱的方法還可以采用氣液熱交換器（回熱器）的辦法。對于有用過熱，單位制冷量增大，單位容積制冷量變化不定，比功增大，COP變化不定。COP的變化趨勢取決于制冷劑的性質。參見書P78中圖3-14. 采用氣液熱交換器的單級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)根據(jù)氣液熱交換器的能量平衡關系：單位制冷量：可見，回熱循環(huán)相當于有用過熱循環(huán)。但并非所有的制冷劑采用回熱循環(huán)均是有利的，這取決于制冷劑的性質，情況與有用過熱的分析相同。采用回熱循環(huán)不利的制冷劑典型代表：氨；另外，氨絕熱指數(shù)大，排氣溫度高，危害壓縮機的安全和可靠性。氨的吸氣過熱度被控制在5以內(nèi)。采用回熱循環(huán)有利的制冷劑典型代表：丙烷R290、CO2等；R2

13、2采用回熱循環(huán)影響不明顯。蒸發(fā)溫度低的制冷機采用回熱器有重要意義。任何制冷劑均要保持適當?shù)奈鼩膺^熱度，盡管吸氣過熱可能會降低循環(huán)的經(jīng)濟性能。因為吸氣溫度過低會導致壓縮機外壁結霜、潤滑油變粘甚至絮濁，必須保持較大的吸氣過熱。 管道壓力損失和熱交換的影響 吸氣管：連接蒸發(fā)器與壓縮機吸入側的管道。熱交換意味著環(huán)境有害熱量進入系統(tǒng)，為有害過熱，使吸氣比體積增大，容積制冷量減小，排氣溫度上升，循環(huán)的性能系數(shù)下降。吸氣管內(nèi)制冷劑流動壓力損失，使壓縮機吸氣壓力降低，吸氣比體積增大，容積制冷量下降，壓縮機工作壓力比增大，壓縮比功增大和排氣溫度升高，同時使循環(huán)的性能系數(shù)降低。 排氣管若排氣管存在熱交換，制冷劑向

14、環(huán)境散熱，減少了冷凝器負荷，有利無害。通常排氣管裸露處理。排氣管存在壓力損失，使壓縮機排氣壓力增大，壓縮機壓力比增大，比功增大，排氣溫度升高。 高壓液管存在兩種情形下的熱交換：一種是制冷劑溫度高于環(huán)境溫度，向環(huán)境散熱，起到過冷作用，是有益的；另一種可能是制冷劑溫度低于環(huán)境溫度，被環(huán)境加熱，于是部分高壓液體汽化，大大降低節(jié)流閥的流通能力，并使閥的工作不穩(wěn)定，造成對蒸發(fā)器供液量不足，制冷能力大大降低，甚至危及壓縮機的安全。高壓液管中的壓力損失使膨脹閥前的制冷劑壓力降低，使閥前壓力差變小，造成膨脹閥的通流能力減小，另外，如果冷凝器出來的是制冷劑飽和液體，則壓力損失使閥前液體出現(xiàn)閃蒸氣，閥前液體汽化，

15、更是嚴重影響閥的能力，危害同上。高壓液管最關鍵的問題是防止制冷劑液體汽化。足夠的液體過冷度不僅可避免壓降引起的閃蒸，還能避免液管因受環(huán)境加熱而引起的制冷劑液體汽化。 低壓液管低壓液管發(fā)生熱交換時，是制冷劑受環(huán)境加熱，進入蒸發(fā)器的比焓值增大，會損失部分制冷量。低壓液管中的壓力損失，將使膨脹閥出口處壓力抬高，閥前后壓力差變小，會使膨脹閥能力有所削弱。實際上，制冷系統(tǒng)的低壓液管一般很短，往往將膨脹閥緊靠蒸發(fā)器安裝，因此這部分管道便不產(chǎn)生什么影響。因此，所有制冷系統(tǒng)管道中，要特別注意認真處理的是吸氣管和高壓液管。 壓縮機與壓縮過程不可逆的影響實際制冷系統(tǒng)中，壓縮機存在功率損失和容積損失，前者使壓縮機實

16、際功耗增大，后者使壓縮機輸氣量減小，制冷能力減小，最終導致制冷循環(huán)性能系數(shù)下降。這些損失可以用效率來反映。介紹各壓縮機效率之前，我們先了解一下各種結構的壓縮機（見PPT）。指示效率壓縮機中的氣體壓縮過程并非理論循環(huán)所假定的等熵過程。這將導致壓縮功率增大，該功率直接用于氣體壓縮所消耗的功，為指示功；指示比功將大于理論比功。指示效率則為理論比功和指示比功的比值，即機械效率壓縮機存在機械摩擦損失，輸入到壓縮機主軸上的比功，為軸比功，又比指示比功大，則機械效率電動機效率對于全封閉式壓縮機，電動機與壓縮機封閉在一個殼體中，電動機屬于壓縮機的一部分，所以要考慮電動機的損失。電動機效率等于作用在壓縮機軸上的

17、比功與壓縮機實際輸入的電功之比。即對于開啟式壓縮機：軸效率為 ；對于封閉式壓縮機（全封閉和半封閉）：電效率為壓縮機的容積效率壓縮機不可能達到按氣缸行程容積計算的理論輸氣量，實際輸氣量總是小于理論輸氣量。容積效率又稱為輸氣系數(shù)。；以活塞式壓縮機為例，因此，實際循環(huán)的性能系數(shù)COP為：若采用的是開啟式壓縮機：；若為封閉式壓縮機：能效比；即單位制冷量與電動機輸入比功之比。 相變傳熱不可逆的影響 （書P83）理論循環(huán)中假定相變傳熱過程為無溫差的可逆過程，因而制冷循環(huán)的工作溫差TK-T0等于低溫熱源與高溫熱匯之間的溫差TH-TL。實際循環(huán)相變傳熱有傳熱溫差，冷凝溫度必須高于熱匯的溫度，蒸發(fā)溫度必須低于熱

18、源溫度，使循環(huán)的工作溫差增大，導致循環(huán)的壓力差和壓力比增大，比功增大，單位質量制冷量和單位容積制冷量都變小，性能系數(shù)降低。畫P-H圖說明。 其他影響因素潤滑油的影響：與制冷劑混合，會使制冷劑的熱力性質有所偏移；水分與不凝性氣體的影響：可能發(fā)生水化反應，對系統(tǒng)材料腐蝕；不凝性氣體存在，使系統(tǒng)內(nèi)壓力升高，排氣溫度升高，造成機器運行異常。3.3.3 單級蒸氣壓縮式制冷機的熱力計算熱力計算是制冷機設計計算的第一步，熱力計算的結果為制冷系統(tǒng)各部件的設計或選型提供基礎數(shù)據(jù)。內(nèi)容包括：在設計工況下，計算實際循環(huán)特性，計算制冷機性能和各熱交換設備的熱負荷。 熱力計算的方法與步驟進行制冷機設計時，首先按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，然后進行熱力計算。具體步驟分為