第2章 容積型制冷壓縮機的熱力學基礎

1、主要內容：主要內容：單級往復式制冷壓縮機的理論循環(huán)單級往復式制冷壓縮機的理論循環(huán)容積型壓縮機的實際性能容積型壓縮機的實際性能內容積比固定的壓縮機的內容積比效率內容積比固定的壓縮機的內容積比效率制冷壓縮機的基本性能參數制冷壓縮機的基本性能參數第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎活塞式壓縮機的理論循環(huán)的假設條件：活塞式壓縮機的理論循環(huán)的假設條件：2.1單級往復式制冷壓縮機的理論循環(huán)單級往復式制冷壓縮機的理論循環(huán)是指活塞在氣缸內往復運動一次，氣體經一系列狀態(tài)變化后又回到初始吸氣狀態(tài)的全部工作過程 工作循環(huán)

2、吸氣過程壓縮過程排氣過程往復式壓縮機的理論輸氣量往復式壓縮機的理論輸氣量1.輸氣量及輸氣系數 （1）理論輸氣量 假定壓縮機有i個氣缸，轉速為n，則壓縮機的理論容積輸氣量為：inSDVinqpvt60 （2）實際輸氣量： vtvaqq壓縮機在單位時間內經過壓縮并輸送到排氣管內的氣體，換算到吸氣狀態(tài)的容積 Vp氣缸工作容積（m3）；D氣缸直徑（m）；S活塞行程（m）。第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎壓縮機消耗的理論功率壓縮機消耗的理論功率壓縮機一個氣缸完成一個理論循環(huán)所消耗的理論功為Wt可從P-V示

3、功圖的面積1-2-3-4-1求得。等熵壓縮的理論循環(huán)功（制冷壓縮機的理論功） 1110pstsVpW假定壓縮機有i個氣缸，轉速為n，則壓縮機的理論循環(huán)所需的功率為：32vdpWt2.2容積型壓縮機的實際性能容積型壓縮機的實際性能 實際壓縮機由于結構上的需要，氣缸存在余隙容積 由于實際壓縮機吸氣過程中的氣閥阻力，流道阻力使氣缸的實際吸氣壓力低于名義吸氣壓力 壓縮機運轉一段時間后，氣缸、活塞、氣閥以及與之接近的氣管都將升溫。這使得吸入的新鮮氣體被加熱，體積膨脹，密度減小，吸入氣體的實際質量流量相對減少 實際壓縮機存在氣體泄漏。因為被壓縮后的氣體通過氣閥、活塞環(huán)、填料函等不嚴密之處都可能造成氣體向外

4、或級間的泄漏，所以實際壓縮機的排氣量不可能等于吸氣量由于壓縮和膨脹過程中存在不穩(wěn)定的熱交換，實際循環(huán)過程指數m不為常數 第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎壓縮機的余隙容積主要由三部分組成：為避免運動的活塞在氣缸內與氣缸端部發(fā)生碰撞，在活塞到達止點時其端面與氣缸蓋之間留有的間隙所占的容積；氣缸工作面與活塞外圓(從活塞端面到第一道活塞環(huán))之間存有的一個環(huán)形間隙所占的容積；氣缸端面至氣閥閥片間的整個通道容積。第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎當余隙容積比及多變指數一定時，壓力比愈大，則容積效率愈小，當壓力比達到某一值時，容積效率為零，此

5、時壓縮機的生產量也為零。 余隙容積余隙容積第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎2.3 內容積比固定的壓縮機的內容積內容積比固定的壓縮機的內容積附加功損失附加功損失21vVV內壓縮過程內壓縮過程:壓縮開始至壓縮結束（排氣開始）的中間過程。在那些具有固定內容積比的容積型壓縮機中，在工作中會發(fā)生過壓縮過壓縮和欠壓縮欠壓縮的壓縮過程。，相應的氣體壓力為吸氣壓力p1，相應的氣體壓力為內壓縮終了壓力p2。那么，吸氣終了時的最大容積V1，與內壓縮終了的容積V2的比值，稱為制冷壓縮機的內容積比v 第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎nnVpVp221

6、11ppd活塞式制冷壓縮機壓縮終了時的氣體壓力取決于排氣腔內的氣體壓力和排氣閥的阻力損失。如果略去氣閥的阻力損失，可近似地認為活塞式制冷壓縮機壓縮終了時的壓力等于排氣腔內氣體壓力。內壓力比內容積固定的制冷壓縮機內壓縮終了壓力p2與轉子幾何形狀、排氣孔口位置、吸氣壓力p1及氣體種類有關，而與排氣腔內氣體壓力pd無關，內壓縮終了壓力p2與吸氣壓力p1之比稱為內壓力比i 。即外壓力比外壓力比與內壓力比可以相等，也可能不等，這完全取決于壓縮機的運行工況與設計工況是否相同。一般應力求內壓力比與外壓力比相等或接近，以使壓縮機獲得較高效率。nnVVppv2112i第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型

7、制冷壓縮機的熱力學基礎在排氣管內氣體壓力Pd高于壓縮終了壓力P2的情況下，氣體在容積內由狀態(tài)B壓縮至狀態(tài)C，達到內壓縮終了壓力P2時，工作容積與排氣孔口相連通，排氣管中的氣體倒流，使工作容積中的氣體由狀態(tài)C定容壓縮到狀態(tài)G，氣體壓力迅速升高到排氣壓力Pd，然后進行排氣過程。這就比氣體由狀態(tài)B（壓力為P1）直接壓縮到狀態(tài)E（壓力為Pd）時多耗功，這部分多消耗的功即為附加功損失，相當于面積ECG。 2.附加功損失（1）p2pd工作容積內壓縮終了壓力P2與吸氣壓力P1的比值，稱為內壓力比；而排氣管內的氣體壓力（背壓力或稱外壓力）Pd與吸氣壓力P1的比值則稱為外壓力比。若壓縮機內壓縮終了壓力P2與排氣

8、管內氣體壓力Pd 不相等，工作容積與排氣孔口連通時，工作容積中的氣體將進行定容壓縮或定容膨脹，使氣體壓力P2均衡到Pd，從而產生附加功損失。第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎在排氣管內的氣體壓力Pd低于內壓縮終了壓力P2的情況下氣體在工作容積內由狀態(tài)B壓縮到狀態(tài)C，再由狀態(tài)C定容膨脹到狀態(tài)G（壓力為Pd），然后再進行排氣過程。此時，多耗的功相當于面積ECG。 在排氣管內的氣體壓力Pd等于內壓縮終了壓力P2的情況下，只有在這種情況下，壓縮機無額外功消耗，運行的效率最高 因此，為了使運行效率最高，必須使內容積比能自動調節(jié)。從而使p2始終與pd相等。 2.附加功損失（

9、3）p2pd（2）p2pd第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎1.輸氣量 假定壓縮機有i個氣缸，轉速為n，則壓縮機的理論容積輸氣量為：inSDVinqpvt60 壓縮機在單位時間內經過壓縮并輸送到排氣管內的氣體量 Vp氣缸工作容積（m3）；D氣缸直徑（m）；S活塞行程（m）。第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎2.4制冷壓縮機的基本性能參數制冷壓縮機的基本性能參數容積效率：容積效率：也稱壓縮機的輸氣系數。用于衡量容積型壓縮機氣缸工作容積的有效利用程度 ,其大小是實際輸氣量與理論輸氣量之比值。第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型

10、制冷壓縮機的熱力學基礎vtvavqq通?？捎萌莘e系數v、壓力系數p、溫度系數T、泄漏系數L的乘積來表示，即lpTvv第第5章章 活塞式制冷壓縮機活塞式制冷壓縮機1）容積系數v它反映壓縮機氣缸容積的有效利用程度它反映壓縮機氣缸容積的有效利用程度,容積效率總小于容積效率總小于1，影響它的主要因素有四個：，影響它的主要因素有四個：（1）氣缸余隙容積的大?。?）吸、排氣壓力以及吸、排氣閥片阻力（3）吸入氣缸的低溫制冷劑蒸汽遇到熱的氣缸壁所引起 的熱膨脹 （4）氣缸內部的泄漏第第5章章 活塞式制冷壓縮機活塞式制冷壓縮機1）容積系數）容積系數 v 1110kkP1PvmpppcVVV式中 c相對余隙容積，

11、它等于余隙容積Vc與氣缸工作容積Vp之比， 即c=Vc/Vp；m膨脹過程指數；pk冷凝壓力（即名義排氣壓力）（MPa）；pk排氣壓力損失（MPa）；p0蒸發(fā)壓力（即名義吸氣壓力）（MPa）。相對余隙容積c值越大，v越小 壓力比pk/p0越大，v越小 膨脹過程指數m,一般對氨壓縮機，m=1.101.15，對氟利昂壓縮機，m=0.951.05。排氣壓力損失pk,對氨壓縮機，一般取pk =(0.050.07)pk，氟利昂壓縮機取pk =(0.10.15)pk。第第5章章 活塞式制冷壓縮機活塞式制冷壓縮機pk對v的影響較小，可以略去不計，則上式可簡化為1110kvmppc2）壓力系數p 00vp11p

12、pcp0 吸氣壓力損失，通常，氨壓縮機的p0=(0.030.05)p0，氟利昂壓縮機的p0=(0.050.10)p0。 反映了由于吸氣閥阻力的存在致使實際吸氣壓力小于吸氣管中的壓力，從而造成吸氣量減少的程度 對壓力系數p的影響較大 彈簧力過強，會使吸氣閥提前關閉；反之，彈簧力過弱，會使吸氣閥延遲關閉，將吸入氣缸的氣體又部分地回流至吸氣管內，造成p下降 第第5章章 活塞式制冷壓縮機活塞式制冷壓縮機740112TTT baTTk1T3）溫度系數T 中小型開啟式制冷壓縮機為小型封全閉式制冷壓縮機為表示吸氣過程中氣體從氣缸壁等部件吸收熱量造成體積膨脹，從而造成吸氣量減少的程度 吸入氣體與壁面的熱交換是

13、一個復雜的過程，與制冷劑的種類、壓力比、氣缸尺寸、壓縮機轉速、氣缸冷卻情況等因素有關。T的數值通常用經驗公式計算。T1吸氣溫度（K）；T2排氣溫度（K）。Tk冷凝溫度（K）；蒸氣在吸氣管中的過熱度（K），= T1T0，T0為蒸發(fā)溫度（K）；a壓縮機的溫度隨冷凝溫度而變化的系數，根據經驗，家用制冷壓縮機a1.15，商用制冷壓縮機a1.10；b表示吸氣量減少與壓縮機對周圍空氣散熱的關系系數第第5章章 活塞式制冷壓縮機活塞式制冷壓縮機4）泄漏系數L 反映壓縮機工作過程中因泄漏而對輸氣量的影響 泄漏的主要途徑是活塞環(huán)與氣缸壁之間不嚴密處；吸、排氣閥密封面不嚴密處或關閉不及時。造成制冷劑氣體從高壓側泄漏

14、到低壓側，從而引起輸氣量的下降。泄漏量的大小與壓縮機的制造質量、磨損程度、氣閥設計、壓力差大小等因素有關。由于現代加工技術和產品質量的提高，壓縮機的泄漏量是很小的，故L值一般都很高，推薦L=0.970.99。壓力系數p和泄漏系數L則因其數值較大（均接近于1）而且數值變化范圍較小，對輸氣系數的影響是比較小的。所以，可以把v和T看作影響壓縮機輸氣系數的主要因素。對于單級高速多缸壓縮機，轉速n大于720r/min，相對余隙容積c=3%4% 10.0850.9410knpp對于單級中速立式壓縮機，轉速n小于720r/min，相對余隙容積c=4%6% 10.06050.9410knpp對于雙級壓縮系統(tǒng)中

15、使用的高速多缸壓縮機，高壓級和低壓級的值可分別用下列公計算 10.0850.941mkgnpp101. 00.0850.9410mdnpppk冷凝壓力（MPa）；p0蒸發(fā)壓力（MPa）。n制冷劑的壓縮過程指數 第第5章章 活塞式制冷壓縮機活塞式制冷壓縮機第第5章章 活塞式制冷壓縮機活塞式制冷壓縮機制冷量制冷量 60vva60mma0103.6103.6qqqqQ制冷壓縮機的重要性能指標之一，是壓縮機工作能力的體現 第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎制冷工質在給定工況下的單位質量制冷量，單位J/kg；0mq制冷工質在給定工況下的單位容積制冷量，Jm3。0vq360

16、0vAvtA0AqqQ3600vBvtB0BqqQ一臺壓縮機在已知工況A和B時的制冷量分別為Q0A和Q0B，即有：vAAvBB0A0BqqQQ，一臺壓縮機在不同的運行工況下，每小時產生的冷量是不相同的。通常在壓縮機銘牌上標出的制冷量，是指該機名義工況下的制冷量。當制冷劑和轉速不變時，對于同一臺制冷壓縮機，不同工況下的制冷量可根據其理論輸氣量qvt等于定值的條件按以下方法換算。第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎有機制冷劑壓縮機名義工況有機制冷劑壓縮機名義工況 (單位：單位：)類型吸入壓力飽和溫度排出壓力飽和溫度吸入溫度環(huán)境溫度高溫7.254.1(1)18.3357

17、.218.9(2)18.335中溫-6.748.918.335低溫-31.710.618.335(1)為高冷凝壓力工況(2)為低冷凝壓力工況表中工況制冷劑液體的過冷度為0無機制冷劑壓縮機名義工況無機制冷劑壓縮機名義工況 (單位：單位：) 類型吸入壓力飽和溫度排出壓力飽和溫度吸入溫度制冷劑液體溫度環(huán)境溫度低溫-1330-102532為了便于比較和選用，有必要根據其不同的使用條件規(guī)定統(tǒng)一的工況來表示壓縮機的制冷量.第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎制制(排排)熱量熱量 是壓縮機的制冷量和部分壓縮機輸入功率的當量熱量之和，它是通過系統(tǒng)中的冷凝器排出的。 在一定工況下的

18、排熱量Qh為： Qh = qma（h2h3）= qma (h1h4) +(h2h1) = qmaq0 + qma(h2h1) = QO + qma(h2h1) 從圖b的壓縮機的能量平衡關系圖上不難發(fā)現 qma（h2h1）PelQr第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎于是可得 Qh = Q0 + PelQr = Q0 + f Pelh1壓縮機進口處的工質比焓；h2壓縮機出口處的工質比焓；Pel壓縮機的輸入功率；Qr壓縮機向環(huán)境的散熱量；f考慮到壓縮機散熱量的系數。對于小型機組取 0.75，對于大型機組取0.9 第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的

19、熱力學基礎指示功率和指示效率指示功率和指示效率開啟式壓縮機中的開啟式壓縮機中的 i的經驗計算公式的經驗計算公式小型氟利昂壓縮機為小型氟利昂壓縮機為0.650.80；家用全封閉式壓縮機為；家用全封閉式壓縮機為0.600.852730k0iTbTT直接用于氣缸中壓縮制冷工質所消耗的功稱為。單位時間內實際循環(huán)所消耗的指示功，稱為壓縮機的。理論循環(huán)中壓縮1kg制冷劑所消耗的等熵理論功w0，與實際循環(huán)中所消耗的功wi的比值，稱為壓縮機的 壓縮機實際工作過程與理論工作過程有很大的區(qū)別，這影響到它的功耗。如吸、排氣時的壓力損失、運動機械的摩擦、壓縮過程偏離等熵過程等，均使壓縮機的功耗增大 P0壓縮機按等熵壓

20、縮理論循環(huán)工作所需的理論功率（kW）；Pi指示功率（kW）。第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎100060iiinWP指示功率指示功率i0im0mi0iPPwqwqww指示效率指示效率壓縮機的指示效率也可由圖表查取 第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎軸功率、軸效率和機械效率軸功率、軸效率和機械效率 兩者之比值稱為機械效率，用m表示 由原動機傳到曲軸上的功率稱為軸功率Pe一部分直接用于壓縮氣體稱為指示功率用Pi表示另一部分用于克服曲柄連桿機構等的摩擦阻力，稱為摩擦功率，用Pm表示miieimPPPPP評定壓縮機摩擦損耗的大小程度 第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎冷凝溫度一定時，壓縮機的機械效率m具有隨著壓力比的增長而下降的趨勢，這是因為增大，指示功率減少而摩擦功率幾乎保持不變的緣故。第第2章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎章容積型制冷壓縮機的熱力學基礎指示效率i與機械效率m的乘積，稱為壓縮機的軸效率，用e表示。 一般在0.