單蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

1、3. 1單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)3. 1. 1制冷系統(tǒng)與循環(huán)過(guò)程單級(jí)蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器四大部件組成，如圖3-1所示。對(duì)制冷劑蒸氣只進(jìn)行一次壓縮，稱(chēng)為蒸氣單級(jí)壓縮。整個(gè)循環(huán)過(guò)程主要由壓縮過(guò)程、冷凝過(guò)程、節(jié)流過(guò)程以及蒸發(fā)過(guò)程四個(gè)過(guò)程組成，每個(gè)過(guò)程在不同的部件中完成，制冷劑在每個(gè)過(guò)程中的狀態(tài)又各不相同，具體情況如下。圖3- 1單級(jí)蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)1壓縮機(jī)2冷凝器3膨脹閥4蒸發(fā)器壓縮過(guò)程：整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，壓縮機(jī)起著壓縮和輸送制冷劑蒸氣并造成蒸發(fā)器中低壓和 冷凝器中高壓的作用， 是整個(gè)系統(tǒng)的心臟。 制冷循環(huán)的壓縮過(guò)程是在壓縮機(jī)中完成的：壓縮機(jī)不斷抽吸從蒸發(fā)器中產(chǎn)

2、生的壓力為P。、溫度為to的制冷劑蒸氣，將它壓縮成壓力為Pk、溫度為tk的過(guò)熱蒸氣，并輸送到冷凝器中。在這個(gè)過(guò)程中，壓縮機(jī)需要做功。冷凝過(guò)程：冷凝器是制冷系統(tǒng)中輸出熱量的設(shè)備，冷凝過(guò)程是在該部件中完成的。在壓力Pk下，來(lái)自于壓縮機(jī)的制冷劑過(guò)熱蒸氣在冷凝器中首先被冷卻成飽和蒸氣，然后再逐漸 被冷凝成液體，制冷劑冷卻和冷凝時(shí)放出的熱量傳給冷卻介質(zhì)（通常是水或空氣）。在冷凝過(guò)程中，與冷凝壓力 Pk相對(duì)應(yīng)的冷凝溫度 tk 一定要高于冷卻介質(zhì)的溫度，冷凝后的液體通 過(guò)膨脹閥或其它節(jié)流元件進(jìn)入蒸發(fā)器。節(jié)流過(guò)程：節(jié)流過(guò)程是在膨脹閥中完成的。當(dāng)制冷劑液體經(jīng)過(guò)膨脹閥時(shí)，壓力由Pk降至Po,溫度由tk降至to,部

3、分液體氣化。所以離開(kāi)膨脹閥的制冷劑為溫度為to的兩相混合物，該兩相混合物進(jìn)入蒸發(fā)器。蒸發(fā)過(guò)程：蒸發(fā)器是制冷系統(tǒng)中冷量輸出設(shè)備，蒸發(fā)過(guò)程是在蒸發(fā)器中完成的。 在蒸發(fā)器中，來(lái)自膨脹閥的兩相混合物在壓力P0和溫度to下蒸發(fā)，從被冷卻介質(zhì)中吸取它所需要的氣化潛熱，從而達(dá)到制取冷量的目的。在蒸發(fā)過(guò)程中，與蒸發(fā)壓力P0相對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度to 定要低于被冷卻介質(zhì)的溫度。3. 1. 2壓焓圖和溫熵圖在制冷循環(huán)的分析和計(jì)算中，通常要用到兩種工具，即壓焓圖和溫熵圖。1壓焓圖壓焓圖以絕對(duì)壓力（MPa）為縱坐標(biāo)，以焓值（KJ/Kg ）為橫坐標(biāo)，如圖3-2所示。為 了提高低壓區(qū)域的精度，通?？v坐標(biāo)取對(duì)數(shù)坐標(biāo)。所以，壓焓圖

4、又稱(chēng)為Igp - h圖。圖3-2壓焓圖壓焓圖可以用一點(diǎn)（臨界點(diǎn)）、三區(qū)（液相區(qū)、兩相區(qū)、氣相區(qū)）、五態(tài)（過(guò)冷液狀態(tài)、飽和液狀態(tài)、飽和蒸氣狀態(tài)、過(guò)熱蒸氣狀態(tài)、濕蒸氣狀態(tài)）和八線（定壓線、定焓線、飽和 液線、飽和蒸氣線、定干度線、定熵線、定比體積線、定溫線）來(lái)概括。如圖3-2中所示，臨界點(diǎn)K的左包絡(luò)線為飽和液體線，線上任意一點(diǎn)代表一個(gè)飽和液 體狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的干度 X=0 ;臨界點(diǎn)K的右包絡(luò)線為飽和蒸氣線，線上任意一點(diǎn)代表一個(gè)飽 和蒸氣狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的干度X=1。飽和液體線和飽和蒸氣線將整個(gè)區(qū)域分為三個(gè)區(qū)：飽和液體線左邊的是液相區(qū)， 該區(qū)的液體稱(chēng)為過(guò)冷液體； 飽和蒸氣右邊的是氣相區(qū)，該區(qū)的蒸氣成為過(guò)熱蒸氣

5、；由飽和液體線和飽和氣體線包圍的區(qū)域?yàn)閮上鄥^(qū)，制冷劑在該區(qū)域內(nèi)處于濕蒸氣狀態(tài)。定壓線即為水平線， 定焓線即為垂直線； 定溫線在液體區(qū)幾乎為垂直線， 兩相區(qū)內(nèi)是水 平線，在氣相區(qū)為向右下方彎曲的傾斜線； 定熵線為向右上方彎曲的傾斜線； 定比體積線為 向右上方彎曲的傾斜線， 比定熵線平坦；定干度線只存在于兩相區(qū)， 其方向大致與飽和液體 線或飽和蒸氣線相近，視干度大小而定。2.溫熵圖溫熵圖以溫度（K）為縱坐標(biāo)，以熵（KJ/Kg ?K）為橫坐標(biāo)，如圖 3- 3所示。溫熵圖 又稱(chēng)為T(mén)- S圖。溫熵圖同樣可以用一點(diǎn)（臨界點(diǎn)）、三區(qū)（液相區(qū)、兩相區(qū)、氣相區(qū)）、五 態(tài)(過(guò)冷液狀態(tài)、飽和液狀態(tài)、飽和蒸氣狀態(tài)、過(guò)

6、熱蒸氣狀態(tài)、濕蒸氣狀態(tài))和八線(定壓 線、定焓線、飽和液線、飽和蒸氣線、定干度線、定熵線、定比體積線、定溫線)來(lái)概括。圖3-3溫熵圖如圖3-3中所示，臨界點(diǎn)K的左包絡(luò)線為飽和液體線，線上任意一點(diǎn)代表一個(gè)飽和液 體狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的干度 X=0 ;臨界點(diǎn)K的右包絡(luò)線為飽和蒸氣線，線上任意一點(diǎn)代表一個(gè)飽 和蒸氣狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的干度X=1。飽和液體線和飽和蒸氣線將整個(gè)區(qū)域分為三個(gè)區(qū)：飽和液體線左邊的是液相區(qū)， 該區(qū)的液體稱(chēng)為過(guò)冷液體； 飽和蒸氣右邊的是氣相區(qū)，該區(qū)的蒸氣成為過(guò)熱蒸氣；由飽和液體線和飽和氣體線包圍的區(qū)域?yàn)閮上鄥^(qū)，制冷劑在該區(qū)域內(nèi)處于濕蒸氣狀態(tài)。定溫線即為水平線， 定熵線即為垂直線； 定壓線在液體

7、區(qū)密集于飽和液體線附近，近似可用飽和液體線來(lái)代替；定壓線在兩相區(qū)內(nèi)是水平線，在氣相區(qū)為向右上方彎曲的傾斜線； 定焓線在液相區(qū)可以近似用同溫度下飽和液體的焓值來(lái)代替，在氣相區(qū)和兩相區(qū)，定焓線均為向右下方彎曲的傾斜線， 但在兩相區(qū)內(nèi)曲線的斜率更大；定比體積線為向右上方彎曲的傾斜線；定干度線只存在于兩相區(qū)， 其方向大致與飽和液體線或飽和蒸氣線相近，視干度大小而定。3單級(jí)蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)在壓焓圖和溫熵圖上的表示理論制冷循環(huán)與實(shí)際循環(huán)是存在偏差的，但由于理論循環(huán)可使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，便于對(duì)它們進(jìn)行分析研究，而且理論循環(huán)的各個(gè)過(guò)程均是實(shí)際循環(huán)的基礎(chǔ)，它可作為實(shí)際循環(huán)的比較標(biāo)準(zhǔn)，因此仍有必要對(duì)它加以詳細(xì)的

8、分析與討論。對(duì)于理論制冷循環(huán)，通常作出如下的假設(shè)：(1) 離開(kāi)蒸發(fā)器和進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑蒸氣是處于蒸發(fā)壓力下的飽和蒸氣；(2) 離開(kāi)冷凝器和進(jìn)入膨脹閥的液體是處于冷凝壓力下的飽和液體；(3) 壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程為等熵壓縮；(4) 制冷劑通過(guò)膨脹閥的節(jié)流過(guò)程為等焓過(guò)程；(5) 制冷劑在蒸發(fā)和冷凝過(guò)程中為定壓過(guò)程，且沒(méi)有傳熱溫差，即制冷劑的冷凝溫 度等于冷卻介質(zhì)溫度，蒸發(fā)溫度等于被冷卻介質(zhì)的溫度。(6) 制冷劑在各設(shè)備的連接管道中流動(dòng)沒(méi)有流動(dòng)損失，與外界不發(fā)生熱量交換。根據(jù)上述假設(shè)條件，單級(jí)蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)工作過(guò)程可清楚的表示在壓焓圖上,如圖3-4所示。制冷循環(huán)中的各狀態(tài)點(diǎn)及各個(gè)過(guò)程如下：圖3

9、 4單級(jí)理論循環(huán)壓焓圖過(guò)程線1 2表示等熵壓縮過(guò)程， 壓力由蒸發(fā)壓力po升高到冷凝壓力Pk。點(diǎn)1表示制冷 劑進(jìn)人壓縮機(jī)的狀態(tài)，它對(duì)應(yīng)于蒸發(fā)溫度的飽和蒸氣。根據(jù)壓力與飽和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，該點(diǎn)位于蒸發(fā)壓力 Po的等壓線與飽和蒸氣線的交點(diǎn)上；點(diǎn) 2表示制冷劑出壓縮機(jī)時(shí)的狀態(tài)， 也是進(jìn)冷凝器時(shí)的狀態(tài)。該點(diǎn)可通過(guò)1點(diǎn)的等熵線和冷凝壓力 Pk的等壓線的交點(diǎn)來(lái)確定。由于壓縮過(guò)程中外界對(duì)制冷劑作功，制冷劑溫度升高，因此點(diǎn)2表示過(guò)熱蒸氣狀態(tài)。過(guò)程線2 3表示制冷劑在冷凝器中的冷卻（2 2）和冷凝（2- 3）過(guò)程。點(diǎn)3表示制 冷劑出冷凝器時(shí)的狀態(tài)，它是與冷凝溫度tk所對(duì)應(yīng)的飽和液體。整個(gè)過(guò)程是在冷凝壓力不變 的情

10、況下進(jìn)行的，進(jìn)入冷凝器的過(guò)熱蒸氣首先將部分熱量放給冷卻介質(zhì)，在等壓下冷卻成飽和蒸氣（點(diǎn)2）然后再在等壓、等溫條件下繼續(xù)放出熱量，直至最后冷凝成飽和液體（點(diǎn) 3）。因此，壓力為pk的等壓線和飽和液體線的交點(diǎn)即為點(diǎn)3。過(guò)程線34表示制冷劑在節(jié)流閥中的節(jié)流過(guò)程。點(diǎn)4表示制冷劑出節(jié)流閥時(shí)的狀態(tài)，也是進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)的狀態(tài)。在該過(guò)程中，制冷劑的壓力由冷凝壓力Pk降至蒸發(fā)壓力Po,溫度由冷凝溫度tk降到蒸發(fā)溫度to,并進(jìn)入兩相區(qū)。由于節(jié)流前后制冷劑的焓值不變，因此由 點(diǎn)3作等焓線與壓力為 Po的等壓線的交點(diǎn)即為點(diǎn) 4。由于節(jié)流過(guò)程是一個(gè)不可逆過(guò)程，所以通常用虛線表示34過(guò)程。過(guò)程線41表示制冷劑在蒸發(fā)器中的氣

11、化過(guò)程。該過(guò)程是在等溫、等壓下進(jìn)行的，液 體制冷劑吸取被冷卻介質(zhì)的熱量而不斷氣化，制冷劑的狀態(tài)沿等壓線Po向干度增大的方向變化，直到全部變?yōu)轱柡驼魵鉃橹埂＿@樣，制冷劑的狀態(tài)又重新回到進(jìn)入壓縮機(jī)前的狀態(tài)點(diǎn)1,從而完成一個(gè)完整的理論制冷循環(huán)。同樣單級(jí)蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)工作過(guò)程可清楚的表示在溫熵圖上，如圖3 5所示。制冷循環(huán)中的各狀態(tài)點(diǎn)及各個(gè)過(guò)程如下：圖3-5單級(jí)理論循環(huán)溫熵圖過(guò)程線1 - 2表示等熵壓縮過(guò)程，溫度由蒸發(fā)溫度t。升高到冷凝溫度tk。點(diǎn)1表示制冷劑進(jìn)人壓縮機(jī)的狀態(tài)，它對(duì)應(yīng)于蒸發(fā)溫度的飽和蒸氣，所以該點(diǎn)位于溫度為蒸發(fā)溫度 to的等溫線與飽和蒸氣線的交點(diǎn)上；點(diǎn)2表示制冷劑出壓縮機(jī)時(shí)的狀

12、態(tài)，也是進(jìn)冷凝器時(shí)的狀態(tài)。該點(diǎn)可通過(guò)1點(diǎn)的等嫡線和壓力 Pk的等壓線的交點(diǎn)來(lái)確定。由于壓縮過(guò)程中外界對(duì)制冷劑 作功，制冷劑溫度升高，因此點(diǎn)2表示過(guò)熱蒸氣狀態(tài)。過(guò)程線2 3表示制冷劑在冷凝器中的冷卻（2- 2）和冷凝（2- 3）過(guò)程。點(diǎn)3表示制 冷劑出冷凝器時(shí)的狀態(tài)，它是與冷凝溫度tk所對(duì)應(yīng)的飽和液體。整個(gè)過(guò)程是在冷凝壓力不變 的情況下進(jìn)行的，進(jìn)入冷凝器的過(guò)熱蒸氣首先將部分熱量放給冷卻介質(zhì)，在等壓下冷卻成飽和蒸氣（點(diǎn)2）然后再在等壓、等溫下繼續(xù)放出熱量，直至最后冷凝成飽和液體（點(diǎn)3）。因此，溫度為tk的等溫線和飽和液體線的交點(diǎn)即為點(diǎn)3。過(guò)程線3-4表示制冷劑在節(jié)流閥中的節(jié)流過(guò)程。點(diǎn)4表示制冷劑出節(jié)流閥時(shí)的狀態(tài)，也是進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)的狀態(tài)。在該過(guò)程中，制冷劑的溫度由冷凝溫度tk降到蒸發(fā)溫度to,壓力由冷凝壓力Pk降至蒸發(fā)壓力Po,并進(jìn)入兩相區(qū)。由于節(jié)流前后制冷劑的焓值不變，因此由