蒸汽壓縮式制冷的原理和工況

1、第一節(jié)第一節(jié) 蒸汽壓縮式制冷的蒸汽壓縮式制冷的原理和原理和 工況工況 蒸汽壓縮式制冷的原理 1、液態(tài)與氣態(tài)互相轉(zhuǎn)換的規(guī)律 當液體汽化時，剩下液體會降溫降溫；當氣體 液化時要放熱放熱。當溫度衡定時，液面氣體壓力 達到既定值，汽化和液化達到動態(tài)平衡，液面 上的氣體達到飽和狀態(tài)，這時的氣體壓力稱為 該溫度所對應的飽和壓力飽和壓力，這時的溫度稱為該 壓力所對應的飽和溫度飽和溫度 溫度越高，飽和壓力也越高溫度越高，飽和壓力也越高，反之亦然 蒸汽壓縮式制冷的原理 1、液態(tài)與氣態(tài)互相轉(zhuǎn)換的規(guī)律 當液體溫度低于其壓力所對應的飽和溫度時， 汽化只在液面上液面上發(fā)生；當液體被加熱，溫度升 高到其壓力所對應的飽和溫

2、度時，內(nèi)部內(nèi)部也產(chǎn)生 許多氣泡，這種在液體內(nèi)部和表面同時進行較 劇烈的汽化現(xiàn)象稱為沸騰沸騰 蒸汽壓縮式制冷的原理 1、液態(tài)與氣態(tài)互相轉(zhuǎn)換的規(guī)律 汽化潛熱汽化潛熱單位質(zhì)量的某物質(zhì)在既定壓力下 全部汽化所吸收的熱量與液化所放出的熱量相 等 在沸騰或冷凝過程中，氣體稱為飽和蒸汽飽和蒸汽， 液體稱為飽和液體飽和液體，二者的混合物稱為濕蒸汽濕蒸汽 干度干度飽和蒸汽在濕蒸汽中所所占的質(zhì)量比 例稱為干度 干飽和蒸汽干飽和蒸汽液體全部氣化后，干度為1的干 飽和蒸汽 蒸汽壓縮式制冷的原理 1、液態(tài)與氣態(tài)互相轉(zhuǎn)換的規(guī)律 過熱蒸汽過熱蒸汽干飽和蒸汽溫度繼續(xù)升高即成為 過熱蒸汽 過熱度過熱度過熱蒸汽的溫度與其壓力所對

3、應的 飽和溫度之差 過冷液體過冷液體濕蒸汽在液化過程中干度為零的 飽和液體繼續(xù)冷卻而溫度下降即成為過冷液體， 其溫度稱為過冷溫度過冷溫度 過冷度過冷度液體所處壓力所對應的飽和溫度與 液體實際溫度之差稱為過冷度 蒸汽壓縮式制冷的原理 2、壓縮制冷的基本 循環(huán) 由由壓縮機，冷壓縮機，冷 凝器，膨脹閥凝器，膨脹閥和和蒸蒸 發(fā)器發(fā)器組成。用管道組成。用管道 將它們連接成一個將它們連接成一個 密封系統(tǒng)密封系統(tǒng) 液壓制冷的基本循環(huán) 基本元件的功用： 膨脹閥膨脹閥使流過的冷劑節(jié) 流降壓，控制冷劑的流 量 蒸發(fā)器蒸發(fā)器使流經(jīng)其中的冷 劑吸熱汽化 壓縮機壓縮機抽吸蒸發(fā)器產(chǎn)生 的冷劑蒸汽并將其壓送 到冷凝器中 冷

4、凝器冷凝器使送來的冷劑氣 體冷卻并液化 液壓制冷的基本循環(huán) 蒸氣壓縮式制冷選 擇在常壓時沸點很低沸點很低 的制冷劑的制冷劑，經(jīng)膨脹閥 節(jié)流進入蒸發(fā)器盤管， 在較低的蒸發(fā)壓力較低的蒸發(fā)壓力下 吸熱汽化，來實現(xiàn)制 冷。 液壓制冷的基本循環(huán) 壓縮機將蒸發(fā)器產(chǎn) 生的制冷劑低壓過熱 蒸汽不斷抽出，壓送 到冷凝器中去，冷凝 器中的冷凝壓力及相 應的冷凝溫度較高， 可以利用環(huán)境介質(zhì)使 制冷劑的高壓過熱蒸 汽冷卻，冷凝并降溫 成過冷液體，然后經(jīng) 膨脹閥等焓節(jié)流等焓節(jié)流進入 蒸發(fā)器。 液壓制冷的基本循環(huán) 在壓縮制冷循環(huán)中，從 膨脹閥到壓縮機吸口為系 統(tǒng)的低壓部分低壓部分 制冷劑在蒸發(fā)器中流動因 流阻而蒸發(fā)壓力和

5、溫度略 有下降，干度和焓值因吸 熱而不斷增加，在出口略 有過熱。在蒸發(fā)器至壓縮 機的吸氣管中制冷劑壓力 略降，管外要包隔熱層， 減少制冷劑溫度和過熱度 因有害吸熱的增加。 液壓制冷的基本循環(huán) 從壓縮機排出口至膨脹 閥進口為系統(tǒng)的高壓部分高壓部分。 壓縮機至冷凝器的排出 管無須隔熱，冷凝器一般 無明顯壓降，在冷凝器至 膨脹閥的液管中要避免吸 熱壓降過多，防止過冷度 提前消失閃發(fā)汽化。 在此循環(huán)中，冷劑在蒸 發(fā)器中吸收的熱量+壓縮機 壓縮耗功熱，經(jīng)冷凝器傳 給冷卻介質(zhì) 單級制冷壓縮機的工況和性能曲線 制冷壓縮機的工況是指其所參加制冷循環(huán)的 主要溫度條件： 制冷劑的蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度 冷凝溫度冷凝溫度

6、 吸氣過熱度過熱度 膨脹閥前的液體過冷度過冷度 影響最大的是蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度和冷凝溫度冷凝溫度 焓 焓的表達式：H=U+PV 物理意義：工質(zhì)所處工質(zhì)所處 狀態(tài)具有的總能量狀態(tài)具有的總能量。 根據(jù)它的表達式，可 以知道是焓是一個狀態(tài)參數(shù)。 在熱力設備在熱力設備 中，工質(zhì)總是不斷地從一個地方流到另一中，工質(zhì)總是不斷地從一個地方流到另一 個地方，隨著工質(zhì)不斷地流動，所轉(zhuǎn)移的個地方，隨著工質(zhì)不斷地流動，所轉(zhuǎn)移的 能量就是焓能量就是焓。這就是為什么引入焓這個概 念的原因，因為每次計算的時候總是要寫 U+PV。所以后來干脆就把U+PV定義為焓。 簡而言之，引入焓就是為了方便分析，簡 化計算 壓焓圖的結(jié)構(gòu)如

7、下圖所示。以絕對壓力為縱坐標（為了縮小圖的尺寸，提高低壓壓焓圖的結(jié)構(gòu)如下圖所示。以絕對壓力為縱坐標（為了縮小圖的尺寸，提高低壓 區(qū)域的精度，區(qū)域的精度， 通?？v坐標取對數(shù)坐標），以焓值為橫坐標。通?？v坐標取對數(shù)坐標），以焓值為橫坐標。 臨界點臨界點K左邊的粗實線為左邊的粗實線為飽和液體線飽和液體線，線上的任，線上的任 何一點代表一個飽和液體狀態(tài)，干度何一點代表一個飽和液體狀態(tài)，干度 x=0。 臨界點臨界點K右邊的粗實線為右邊的粗實線為飽和蒸氣線飽和蒸氣線，線上任何，線上任何 一點代表一個飽和蒸氣狀態(tài)，干度一點代表一個飽和蒸氣狀態(tài)，干度 x=1。 這兩條粗實線將圖分這兩條粗實線將圖分 為三個區(qū)域

8、：為三個區(qū)域： 1. 飽和液體線的左邊為飽和液體線的左邊為過冷液體區(qū)過冷液體區(qū)，過冷液體，過冷液體 的溫度低于相同壓力下飽和液體的溫度；的溫度低于相同壓力下飽和液體的溫度； 2. 飽和蒸氣線的飽和蒸氣線的 右邊是右邊是過熱蒸氣區(qū)過熱蒸氣區(qū)，該區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域內(nèi) 的蒸氣稱為過熱蒸氣，它的溫度高于同一壓的蒸氣稱為過熱蒸氣，它的溫度高于同一壓 力下飽和蒸氣的溫度；力下飽和蒸氣的溫度； 3. 兩條線之間的區(qū)域為兩相區(qū)，制冷劑在該區(qū)兩條線之間的區(qū)域為兩相區(qū)，制冷劑在該區(qū) 域內(nèi)處于域內(nèi)處于氣、液混合狀態(tài)（濕蒸氣區(qū)）氣、液混合狀態(tài)（濕蒸氣區(qū)）。 過程線過程線1-2表示制冷劑蒸氣在壓縮機中的等熵壓縮過程表示制冷

9、劑蒸氣在壓縮機中的等熵壓縮過程 ，壓力由蒸發(fā)壓力，壓力由蒸發(fā)壓力 升高升高 到冷凝壓力到冷凝壓力 。因此該點可通過。因此該點可通過1點的等熵線和壓力為冷凝壓力的等壓線的交點點的等熵線和壓力為冷凝壓力的等壓線的交點 來確定。來確定。由于壓縮過程中外界對制冷劑作功，制冷劑溫度升高，因此點由于壓縮過程中外界對制冷劑作功，制冷劑溫度升高，因此點2表示表示 過熱蒸氣狀態(tài)。過熱蒸氣狀態(tài)。 點點2表示制冷劑出壓縮機時的狀態(tài)，表示制冷劑出壓縮機時的狀態(tài)， 也就是進冷凝器時的狀態(tài)。也就是進冷凝器時的狀態(tài)。 點點1表示制冷劑進入壓縮機的狀態(tài)。表示制冷劑進入壓縮機的狀態(tài)。 過程線過程線2-2-3表示制冷劑在冷凝器內(nèi)

10、的表示制冷劑在冷凝器內(nèi)的 冷卻（冷卻（2-2）和冷凝（）和冷凝（2-3）的過程。）的過程。 由于這個過程是在由于這個過程是在冷凝壓力冷凝壓力 不變不變的情的情 況下進行的，進入冷凝器的過熱蒸氣況下進行的，進入冷凝器的過熱蒸氣 首先首先 將部分熱量放給外界冷卻介質(zhì)，將部分熱量放給外界冷卻介質(zhì)， 在等壓下冷卻成飽和蒸氣（點在等壓下冷卻成飽和蒸氣（點2），然），然 后再在后再在等壓、等溫等壓、等溫下繼續(xù)放出熱量，下繼續(xù)放出熱量， 直至最后冷凝成飽和液體（點直至最后冷凝成飽和液體（點3）。因）。因 此，冷凝壓力的等壓線和此，冷凝壓力的等壓線和x0的飽和的飽和 液體線的交點即為點液體線的交點即為點3的狀

11、態(tài)。的狀態(tài)。 點點3表示制冷劑出冷凝器時的狀態(tài)。表示制冷劑出冷凝器時的狀態(tài)。 點點4表示制冷劑出節(jié)流閥時的狀態(tài)，也就是進入蒸發(fā)器時的狀態(tài)。表示制冷劑出節(jié)流閥時的狀態(tài)，也就是進入蒸發(fā)器時的狀態(tài)。 過程線過程線3-4表示制冷劑在通過節(jié)流閥時的節(jié)流過程。在這一過程中，制冷劑的壓表示制冷劑在通過節(jié)流閥時的節(jié)流過程。在這一過程中，制冷劑的壓 力由冷凝壓力降到力由冷凝壓力降到 蒸發(fā)壓力蒸發(fā)壓力 ，溫度由冷凝溫度降到蒸發(fā)溫度，溫度由冷凝溫度降到蒸發(fā)溫度 ，并進入兩相區(qū)，并進入兩相區(qū) 。由于節(jié)流前后制冷劑的焓值不變。由于節(jié)流前后制冷劑的焓值不變，因此由點，因此由點3作等焓線與蒸發(fā)壓力的等壓線的作等焓線與蒸發(fā)壓

12、力的等壓線的 交點即為點交點即為點4的狀態(tài)。由于節(jié)流過程是一個不可逆過程，所以用一虛線表示的狀態(tài)。由于節(jié)流過程是一個不可逆過程，所以用一虛線表示3-4 過程。過程。 過程線過程線4-1表示制冷劑在表示制冷劑在 蒸發(fā)器中的氣化過程。由蒸發(fā)器中的氣化過程。由 于這一過程是在等溫、等于這一過程是在等溫、等 壓下進行的壓下進行的，液體制冷劑，液體制冷劑 吸取被冷卻介質(zhì)的熱量（吸取被冷卻介質(zhì)的熱量（ 即制冷）而不斷氣化，制即制冷）而不斷氣化，制 冷劑的狀態(tài)沿蒸發(fā)壓力的冷劑的狀態(tài)沿蒸發(fā)壓力的 等壓線等壓線 向干度增大的方向干度增大的方 向變化，直到全部變?yōu)轱栂蜃兓?，直到全部變?yōu)轱?和蒸氣為止。和蒸氣為止。

13、這樣，制冷這樣，制冷 劑的狀態(tài)又重新回到進入劑的狀態(tài)又重新回到進入 壓縮機前的狀態(tài)點壓縮機前的狀態(tài)點1，從，從 而完成一個完整的理論制而完成一個完整的理論制 冷循環(huán)。冷循環(huán)。 單級制冷壓縮機的工況和性能曲線 工況參數(shù)對制冷裝置性能的影響工況參數(shù)對制冷裝置性能的影響 制冷量制冷量= =壓縮機的質(zhì)量流量壓縮機的質(zhì)量流量單位（質(zhì)量流量的）制單位（質(zhì)量流量的）制 冷量冷量 即即Q Q0 0=G =G q q0 0 軸功率軸功率= =壓縮機的質(zhì)量流量壓縮機的質(zhì)量流量單位（質(zhì)量流量的）理單位（質(zhì)量流量的）理 論功論功 即即PePe=G =G w w0 0 制冷系數(shù)制冷系數(shù) = q= q0 0 / w /

14、w0 0 質(zhì)量流量質(zhì)量流量 G=G=V Vt t/v/v1 1 若壓縮機轉(zhuǎn)速、工作缸數(shù)不變，理 若壓縮機轉(zhuǎn)速、工作缸數(shù)不變，理 論流量是論流量是V Vt t是定值，則是定值，則G G隨輸氣系數(shù)隨輸氣系數(shù)和吸氣比容和吸氣比容v v1 1而變而變 實際生活中，各溫度條件的變化是相互影響的實際生活中，各溫度條件的變化是相互影響的 19 (1)其他條件不變，冷凝溫度tk變化(升高)的影響 h p 1 2 5 6 tk t0 34 tk 5 43 2 6 q0 q0 不變 單位制冷量q0 輸氣系數(shù) 吸氣比容v1 qv Q0 20 (1)其他條件不變，冷凝溫度tk變化(升高)的影響 h p 1 2 5 6

15、 tk t0 34 tk 5 43 2 6 w0 w 0 不變 單位壓縮功w0 吸氣比容v1 wv P 制冷系數(shù) 0 0 w q 制冷機 軸功率 變化情 況：由 于單位 壓縮功 w0的增 大率大 于輸氣 系數(shù) 減小率， 故當蒸 發(fā)溫度 降低時 軸功率 升高。 21 問題：下列( )會使冷凝溫度tk增高。 A. 冷卻水流量減少 B. 空氣進入系統(tǒng) C. 制冷裝置工作時間長 D. 冷凝器換熱面臟污 E. 冷卻水溫度降低 F. 冷劑量過多 換熱管浸于液體中 切記：使冷凝效果下降或壓縮機排氣量升 高的因素，都會使冷凝溫度(壓力)升高。 反之降低。 （1） 冷凝溫度tk變化的影響 壓縮機排出壓力通常近似

16、等于冷凝壓力，其對 應的飽和溫度可近似的看做冷凝溫度 冷凝壓力的大小是由壓縮機的質(zhì)量流量與冷凝 器單位時間冷凝量的動態(tài)平衡關系所決定 壓縮機吸氣壓力高，質(zhì)量流量增大，則冷凝壓 力會升高 冷凝器換能力差，或冷凝器聚集了不凝氣體， 冷凝壓力也會升高 調(diào)節(jié)冷凝壓力的方法主要是調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的流 量 23 (2)其他條件不變，蒸發(fā)溫度t0變化(降低)的影響 h p 蒸發(fā)溫度t0時： 1-2-3-4-5-6-1 蒸發(fā)溫度降低為t0時： 1-2-2-3-4-5-6-6-1 1 25 6 tk t0 3 42 6 t0 1 24 (2)其他條件不變，蒸發(fā)溫度t0變化(降低)的影響 p h 1 25 6 tk

17、t0 3 42 6 t0 1 單位制冷量q0 吸氣比容v1 制冷劑質(zhì)量流量G Q0 q0 q0 25 (2)其他條件不變，蒸發(fā)溫度t0變化(降低)的影響 p h 1 25 6 tk t0 3 42 6 t0 1 w0 w0 P 單位壓縮功w0 制冷劑質(zhì)量流量G 時，P最大3/ 0 ppk 制冷系數(shù) 0 0 w q t0溫度降低 PT Q0 制冷機軸功率變化情況：單位壓縮功w0增大，但 制冷劑的比容v1也增大，而不能直接判斷。熱力學 分析表明：在達到某壓力比pk/ p0時(一般3左右), 壓縮機軸功率最大；通常制冷裝置工作時壓力比都 大于3，故當蒸發(fā)溫度降低時軸功率降低 27 問題：下列( )會

18、使蒸發(fā)溫度t0降低。 A. 冷庫加入新食品 B. 蒸發(fā)器化霜 C. 膨脹閥開度調(diào)大 D. 壓縮機工作缸數(shù)增加 E. 蒸發(fā)器風機轉(zhuǎn)速降低 F. 蒸發(fā)器結(jié)霜加厚 G. 冷庫庫溫降低 H. 壓縮機皮帶打滑 切記：使蒸發(fā) 器蒸發(fā)量下降 或壓縮機抽氣 量升高的因素， 都會使蒸發(fā)壓 力下降。反之 升高。(假設 每一行程壓縮 機抽氣量不變） （2）蒸發(fā)溫度t0變化的影響 蒸發(fā)溫度對應于蒸發(fā)器中蒸發(fā)壓力的飽和溫 度，由于吸氣管壓降不大，壓縮機吸入壓力可 近似的看做是蒸發(fā)壓力 蒸發(fā)壓力的大小是由蒸發(fā)器的蒸發(fā)量和壓縮機 質(zhì)量流量間的動態(tài)平衡關系決定 如果冷卻介質(zhì)溫度降低、蒸發(fā)器供液不足或傳 熱不良，則蒸發(fā)量減少，蒸發(fā)壓力降低；反之， 若蒸發(fā)器蒸發(fā)量大，則蒸發(fā)壓力就高 壓縮機質(zhì)量流量變化也會影響蒸發(fā)壓力，容量 可調(diào)的壓縮機可調(diào)節(jié)質(zhì)量流量來