蒸氣壓壓縮式系統(tǒng)的熱力學(xué)原理《建筑設(shè)備熱源與冷源》課件

1、單元12蒸氣壓縮式系統(tǒng)的熱力學(xué)原理目錄蒸氣壓縮式制冷的基本原理1蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)2蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)4壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力學(xué)計(jì)算33節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)3512.1 蒸氣壓縮式制冷的基本原理在日常生活中我們都經(jīng)歷過這樣的事情：打針時(shí)，給皮膚涂上酒精液體，會(huì)有涼涼的感覺，并且酒精很快會(huì)干掉，這是因?yàn)榫凭樟似つw上的熱量，由液體變成了氣體。我們知道，液體氣化時(shí)都要從周圍物體吸收熱量。蒸氣壓縮式制冷就是利用液體氣化時(shí)要吸收熱量這一特性來達(dá)到制冷的目的。在制冷裝置中用來實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)的工作物質(zhì)稱為制冷工質(zhì)或制冷劑。在電冰箱、空調(diào)器中就是利用氟利昂這種制冷劑來為我們創(chuàng)造低溫環(huán)境

2、。熱力學(xué)是研究熱能與其他形式的能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律，以及熱力系統(tǒng)內(nèi)、外條件對能量轉(zhuǎn)換的影響的學(xué)科。制冷技術(shù)服從熱力學(xué)基本規(guī)律。熱力學(xué)第一定律指出，自然界的一切物質(zhì)都具有能量，能量能夠從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)換與傳遞過程中數(shù)量不變。12.1 蒸氣壓縮式制冷的基本原理12.1.1 熱力學(xué)基本定律在制冷技術(shù)中的應(yīng)用熱力學(xué)第二定律揭示了能量交換和轉(zhuǎn)換的條件、深度和方向。熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，就像水總是從高處向低處流。但熱量不能自發(fā)地從一個(gè)低溫物體傳向另一個(gè)高溫物體，如果要使此過程能夠進(jìn)行，必須有一個(gè)能量補(bǔ)償過程，需要消耗外界的能量（電能或熱能），蒸

3、氣壓縮式制冷循環(huán)就是用壓縮機(jī)等設(shè)備，以消耗機(jī)械能作為補(bǔ)償，借助制冷劑的狀態(tài)變化將低溫物體的熱量傳向高溫物體。制冷劑在制冷系統(tǒng)中要經(jīng)過怎樣的熱力循環(huán)才能實(shí)現(xiàn)人工制冷呢？經(jīng)過哪種熱力過程所組成的制冷循環(huán)在理論上最為經(jīng)濟(jì)？下面我們就這些問題，借助于逆卡諾循環(huán)進(jìn)行說明。12.1 蒸氣壓縮式制冷的基本原理圖12.1所示是逆卡諾循環(huán)的T-S圖。制冷工質(zhì)在恒溫?zé)嵩矗ū焕鋮s物體）的溫度T0和恒溫?zé)嵩矗ōh(huán)境介質(zhì)）的溫度Tk間，按可逆循環(huán)進(jìn)行工作。制冷工質(zhì)在吸熱過程中，其溫度與被冷卻物體的溫度T0相等；在放熱過程中，與環(huán)境介質(zhì)溫度Tk相等。也就是說在吸熱和放熱過程中，工質(zhì)與被冷卻物體及環(huán)境介質(zhì)之間沒有溫差，傳熱是

4、在等溫下進(jìn)行的，壓縮過程與膨脹過程都是在沒有任何熱量損失的情況下進(jìn)行的。逆卡諾循環(huán)過程中， 34為 12.1 蒸氣壓縮式制冷的基本原理12.1.2 逆卡諾循環(huán)絕熱膨脹過程，制冷工質(zhì)沿絕熱線34膨脹，對外做功w2，溫度從Tk下降到T0；41為等溫吸熱過程，制冷工質(zhì)沿等溫線4-1，在T0溫度下，從被冷卻物體吸收熱量q0；12為絕熱壓縮過程，工質(zhì)從狀態(tài)1被絕熱壓縮至狀態(tài)2，耗功w1，溫度從T0升高至Tk；然后沿等溫線23壓縮。在23過程中，工質(zhì)在Tk溫度下向高溫?zé)嵩捶懦鰺崃縬c。這樣，在每一循環(huán)過程中，1 kg工質(zhì)從低溫?zé)嵩次0熱量，消耗循環(huán)凈功為w0，向高溫?zé)嵩捶懦鰺崃縬c。12.1 蒸氣壓縮

5、式制冷的基本原理根據(jù)熱力學(xué)第一定律，有qc=w0+q0（12.1） 制冷循環(huán)的性能指標(biāo)是制冷系數(shù)，它表示消耗單位熱量所能獲得的制冷量，用表示。=q0/w0 （12.2）逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)可從圖12.1推得：q0=T0（Sa-Sb）qc=Tk (Sa-Sb)w0=qc-q0=(Tk-T0)(Sa-Sb)12.1 蒸氣壓縮式制冷的基本原理所以逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)為：c=q0/w0=T/(Tk-T0) （12.3）由式(12.3)看出：(1)c與制冷工質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)，只與T0、Tk有關(guān)；(2) T0升高或Tk降低時(shí)，c增大，循環(huán)經(jīng)濟(jì)性越好。而且，T0對c的影響要比Tk大，這點(diǎn)可以從下面兩個(gè)偏導(dǎo)數(shù)的絕

6、對值看出。12.1 蒸氣壓縮式制冷的基本原理|c/ Tk|=T0/(Tk-T0)2| c/ T0 | =Tk/(Tk-T0)2由于TkT0，所以有 |c/ T0 | | c/ Tk | （12.4）由式(12.4)可知，T0與Tk對制冷系數(shù)的影響不是相等的，T0的影響要大于Tk。12.1 蒸氣壓縮式制冷的基本原理12.1 蒸氣壓縮式制冷的基本原理圖12.1 逆卡諾循環(huán)前面講過實(shí)現(xiàn)逆卡諾循環(huán)的一個(gè)重要條件是制冷劑與被冷卻物體和冷卻介質(zhì)之間必須在無溫差情況下相互傳熱，而實(shí)際的熱交換過程總是在有溫差的情況下進(jìn)行的，理論上要求蒸發(fā)器和冷凝器具有無限大的傳熱面積，這當(dāng)然是不可能的。所以，實(shí)際有傳熱溫差的

7、制冷循環(huán)的制冷系數(shù)，不僅與被冷卻物體和冷卻介質(zhì)的溫度有關(guān)，還與熱交換過程的傳熱溫差有關(guān)。由于熱交換中存在溫差，因而在吸熱過程中，工質(zhì)的溫度T0應(yīng)低于低溫?zé)嵩吹臏囟萒0，即T0T0；在放熱過程中，工質(zhì)的溫度Tk應(yīng)高于高溫?zé)嵩吹臏囟萒k，即TkTk。將具有傳熱溫差的制冷循環(huán)畫在T-S圖上，如圖12.2所示。12.1 蒸氣壓縮式制冷的基本原理12.1.3 有傳熱溫差的制冷循環(huán)逆卡諾循環(huán)用圖12.2中的12341表示，有傳熱溫差的制冷循環(huán)用圖12.2中的12341表示，所消耗的功量為面積12341，比逆卡諾循環(huán)多消耗的功為22332和11441，減少的制冷量為面積11441。具有傳熱溫差的制冷循環(huán)的制

8、冷系數(shù)為：c=T0/(Tk-T0)=1/(Tk/T0-1) （12.5）將它與逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)相比，由于TkTk，T0T0，所以cc。12.1 蒸氣壓縮式制冷的基本原理由此可見，具有傳熱溫差的制冷循環(huán)的制冷系數(shù)總是小于逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)，一切實(shí)際制冷循環(huán)均為不可逆循環(huán)，因此，實(shí)際循環(huán)的制冷系數(shù)總是小于工作在相同熱源溫度時(shí)的逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)。因?yàn)槟婵ㄖZ循環(huán)是在沒有傳熱溫差的情況下進(jìn)行的，沒有任何不可逆損失，所以它是具有恒溫?zé)嵩吹睦硐胫评溲h(huán)，實(shí)際上是無法實(shí)現(xiàn)的。但是，逆卡諾循環(huán)從理論上指出了提高制冷裝置經(jīng)濟(jì)性的方向，同時(shí)也可用作評價(jià)實(shí)際制冷循環(huán)完善程度的指標(biāo)。12.1 蒸氣壓縮式制冷的

9、基本原理實(shí)際制冷循環(huán)中，制冷工質(zhì)在流動(dòng)或狀態(tài)變化過程中，因摩擦、擾動(dòng)及內(nèi)部不平衡等因素而引起一定的損失，在換熱器中，因存在傳熱溫差而引起傳熱損失。所以，實(shí)際制冷循環(huán)是不可逆的，其不可逆程度用熱力完善度衡量，為制冷系數(shù)與逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)c之比，即=/c （12.6）熱力完善度越接近于1，表明實(shí)際循環(huán)不可逆程度越小，循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性越好，其大小反映了實(shí)際制冷循環(huán)接近逆卡諾循環(huán)的程度。12.1 蒸氣壓縮式制冷的基本原理12.1 蒸氣壓縮式制冷的基本原理圖12.2 有傳熱溫差的制冷循環(huán)12.1 蒸氣壓縮式制冷的基本原理圖12.2 有傳熱溫差的制冷循環(huán)12.2 蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)蒸氣壓縮式制冷的理

10、論循環(huán)是由兩個(gè)定壓過程、一個(gè)絕熱壓縮過程和一個(gè)絕熱節(jié)流過程組成。它與逆卡諾循環(huán)所不同的是：（1）蒸氣壓縮采用干壓縮代替濕壓縮。壓縮機(jī)吸入的是飽和蒸氣而不是濕蒸氣。（2）用節(jié)流閥代替膨脹機(jī)。（3）制冷劑在冷凝器和蒸發(fā)器中的傳熱過程均為定壓過程，并且具有傳熱溫差。如圖12.3所示為蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)圖。它由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器四大設(shè)備組成，這些設(shè)備之間用管道連成一個(gè)封閉的系統(tǒng)。它的工作過程是：壓縮機(jī)將蒸發(fā)器內(nèi)所產(chǎn)生的低溫低壓制冷劑蒸氣吸入汽缸內(nèi)，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后使制冷劑蒸氣的壓力、溫度升高，然后將高溫高壓的制冷劑蒸氣排入冷凝器；在冷凝器內(nèi)，高壓、高溫的制冷劑蒸氣與溫度較低的冷卻介質(zhì)進(jìn)

11、行熱量交換，把熱量傳給冷卻介質(zhì)，而制冷劑本身放出熱量后由氣體冷凝為液體，這種高壓的制冷劑液體經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓、降溫后進(jìn)入蒸發(fā)器；在蒸發(fā)器內(nèi)，低溫低壓的制冷劑12.2 蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)液體，吸收被冷卻物體的熱量而汽化，使被冷卻物體得到冷卻，蒸發(fā)器中所產(chǎn)生的制冷劑蒸氣又被壓縮機(jī)吸走。這樣，制冷劑在系統(tǒng)中要經(jīng)過壓縮、冷凝、節(jié)流、汽化四個(gè)過程，完成一個(gè)制冷循環(huán)。綜上所述，蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)可歸納為以下四點(diǎn)：（1）低溫低壓的制冷劑液體（含少量散發(fā)蒸氣）在蒸發(fā)器中定壓氣化吸熱過程。在該過程中壓力不變，制冷劑從低溫物體中吸取熱量，由液體汽化為氣體。12.2 蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)（2）低溫

12、低壓制冷劑蒸氣在壓縮機(jī)中的絕熱壓縮過程。在該過程中，壓縮機(jī)消耗外界能量，抽取蒸發(fā)器中低溫低壓的制冷劑氣體，并將其壓縮至冷凝壓力。（3）高溫高壓的制冷劑氣體在冷凝器中的定壓冷卻冷凝過程。在該過程中，制冷劑將從被冷卻物體（低溫物體）中奪取的熱量連同壓縮機(jī)所消耗的功轉(zhuǎn)化成的熱量一起，全部傳遞給冷卻介質(zhì)，并在定壓下由氣體冷卻、冷凝為液體。（4）高溫高壓制冷劑液體經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓降溫后，進(jìn)入蒸發(fā)器，繼續(xù)下一個(gè)制冷循環(huán)。12.2 蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)12.2 蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)圖12.3蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)12.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算熱力學(xué)課程里我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了制冷劑的熱力性質(zhì)圖即l

13、gp-h圖，如圖12.4所示。在制冷與空調(diào)工程中，lgp-h圖的使用非常普遍。因?yàn)槭褂胠gp-h圖可以簡便地確定制冷劑的狀態(tài)參數(shù)，而且能直觀地表示出循環(huán)及其過程中參數(shù)和能量的變化。我們可以借助它來分析、計(jì)算制冷循環(huán)。Lgp-h圖以絕對壓力p為縱坐標(biāo)（MPa），為了使低壓部分表示得清楚及縮小圖的尺寸，采用對數(shù)坐標(biāo)，即lgp；焓值h為橫坐標(biāo)，所以通常稱為lgp-h圖。它的內(nèi)容包括：12.3.1 壓焓圖的構(gòu)成及應(yīng)用一點(diǎn)：臨界點(diǎn)K；三區(qū)：液相區(qū)、兩相區(qū)、氣相區(qū)；五態(tài)：過冷液狀態(tài)、飽和液狀態(tài)、濕蒸氣狀態(tài)、飽和蒸氣狀態(tài)、過熱蒸氣狀態(tài)；八線：等壓線p，等焓線h，飽和液線x=0，飽和氣線x=1，等干度線x，等

14、容線v，等熵線s，等溫線t。12.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算在溫度（t）、壓力（p）、比體積（v）、比焓（h）、比熵（s）、干度（x）等參數(shù)中，只要知道其中任何兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)，就可以在lgp-h圖上確定過熱蒸氣或過冷液體的狀態(tài)點(diǎn)，從而該狀態(tài)下的其他參數(shù)便可直接從圖中讀出。對于飽和蒸氣和液體，只需要知道一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，就能在圖中確定其狀態(tài)。此外， lgp-h圖還能夠明確地表達(dá)出制冷循環(huán)狀態(tài)的變化過程以及這些變化對于制冷循環(huán)的影響，反映出制冷循環(huán)狀態(tài)變化過程中熱量與功率的變化，從而便于我們對制冷循環(huán)的分析和計(jì)算。12.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算12.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算

15、圖12.4lgp-h圖的結(jié)構(gòu)根據(jù)理論循環(huán)的假設(shè)條件，將單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)工作過程在壓焓圖上表示出來，如圖12.5所示。（1）制冷壓縮機(jī)從蒸發(fā)器吸取蒸發(fā)壓力為p0的飽和制冷劑蒸氣（狀態(tài)點(diǎn)1），沿等熵線壓縮至冷凝壓力pk（狀態(tài)點(diǎn)2），壓縮過程完成。（2）狀態(tài)點(diǎn)2的高溫高壓制冷劑蒸氣進(jìn)入冷凝器，經(jīng)冷凝器與環(huán)境介質(zhì)空氣或水進(jìn)行熱交換，放出熱量qk后，沿等壓線pk冷卻至飽和蒸氣狀態(tài)點(diǎn)3，然后冷凝至飽和液狀態(tài)點(diǎn)4，冷凝過程完成。在冷卻過程23中制冷劑與環(huán)境介質(zhì)有溫差，在冷凝過程34中制冷劑與環(huán)境介質(zhì)無溫差。12.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算12.3.2 理論循環(huán)過程在壓焓圖上的表示（3）狀態(tài)

16、點(diǎn)4的飽和制冷劑液體經(jīng)節(jié)流元件節(jié)流降壓，沿等焓線（節(jié)流過程中焓值保持不變）由冷凝壓力pk降至蒸發(fā)壓力p0，到達(dá)濕蒸氣狀態(tài)點(diǎn)5，膨脹過程完成。（4）狀態(tài)點(diǎn)5的制冷劑濕蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)吸收被冷卻介質(zhì)的熱量沿等壓線p0汽化，到達(dá)飽和蒸氣狀態(tài)點(diǎn)1，蒸發(fā)過程完成。制冷劑的蒸發(fā)溫度與被冷卻介質(zhì)間無溫差。12.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算12.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算圖12.5蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的lgp-h圖單級蒸氣壓縮式理論循環(huán)的性能指標(biāo)有單位質(zhì)量制冷量、單位容積制冷量、單位功、單位冷凝負(fù)荷、制冷系數(shù)及熱力完善度等。根據(jù)圖12.5可以計(jì)算有關(guān)性能指標(biāo)。（1）單位質(zhì)量制冷量q0

17、它表示1 kg制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)從被冷卻物體吸收的熱量，單位為kJ/kg。從工質(zhì)的lgph圖和穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式，可得：q0h1h5h1h4（12.7）亦可表示為：q0r0（1x5）（12.8）12.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算12.3.3 制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算（2）單位容積制冷量qv它表示壓縮機(jī)每吸入1 m3制冷劑蒸氣（按吸氣狀態(tài)計(jì)），在蒸發(fā)器中所產(chǎn)生的制冷量，單位為kJ/ m3。qvq0/v1（h1h5）/v1（12.9）（3）制冷劑的質(zhì)量流量和體積流量它是指壓縮機(jī)每秒吸入制冷劑的質(zhì)量和體積。質(zhì)量流量物理符號為MR ，單位為kg/s；體積流量物理符號為VR，單位為m3/s。MRQ0/

18、q0（12.10） 12.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算（4）單位冷凝負(fù)荷qk它表示1 kg制冷劑在冷卻和冷凝過程中放出的熱量，單位為kJ/kg。它可用制冷劑進(jìn)出冷凝器時(shí)的比焓差表示，即qkh2h4（12.12）（5）冷凝器熱負(fù)荷Qk它表示制冷劑在冷凝器中放給冷卻介質(zhì)的熱量，即QkMRqkMR（h2h4）（12.13）12.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算（6）單位理論壓縮功w0 它表示壓縮機(jī)每壓縮并輸送1 kg制冷劑所消耗的理論功，單位為kJ/kg。它可用制冷劑進(jìn)、出壓縮機(jī)時(shí)的比焓差來表示，即w0h2h1（12.14）壓縮機(jī)理論耗功率ptMRw0MR（h2h1）（12.15）12.3

19、壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算（7）制冷系數(shù)0它表示循環(huán)的單位制冷量與單位功之比，即0=q0/w0=(h1-h5)/(h2-h1) （12.16）（8）熱力完善度蒸氣壓縮式理論循環(huán)仍然是一個(gè)不可逆循環(huán)，它在制冷劑的冷卻過程和節(jié)流過程中都存在不可逆損失，因此制冷循環(huán)的制冷系數(shù)就一定小于逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)，其不可逆程度用熱力完善度來表示，即=0/c=(h1-h5)/(h2-h1)(Tk-T0)/T0（12.17）12.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算【例12.1】假定某一制冷循環(huán)為單級壓縮蒸氣制冷的理論循環(huán)，蒸發(fā)溫度t0-10，冷凝溫度為tk35，工質(zhì)為R22，循環(huán)的制冷量Q055 kW，試對

20、該循環(huán)進(jìn)行熱力計(jì)算。 【解】該循環(huán)在壓焓圖上可表示為圖12.5。根據(jù)R22的熱力性質(zhì)表，查出處于飽和線上各點(diǎn)的參數(shù)值：h1401.18 kJ/kg，v10.0654m3/kg，h3242.93 kJ/kg，p0355.0 kPa，pk1349.8 kPa。在lgp-h圖上（見圖12.5），點(diǎn)1由等p0線和干飽和蒸氣線相交確定，由點(diǎn)1作等熵線，與等pk線相交確定點(diǎn)2。 12.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算由圖12.5知，t257，h2435.2kJ/kg。節(jié)流前后焓值不變，故h4h3242.93 kJ/kg。 （1）單位質(zhì)量制冷量q0h1h4158.25 kJ/kg （2）單位容積制冷量qv

21、q0/v12420 kJ/m3（3）制冷劑質(zhì)量流量MRQ0/q00.3476 kg/s（4）制冷劑體積流量VRMRv10.0227 m3/s 12.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算（5）單位理論壓縮功w0h2h134.02 kJ/kg （6）壓縮機(jī)理論耗功率ptMRw011.83 kW （7）冷凝器單位熱負(fù)荷qkh2h3192.27 kJ/kg （8）冷凝器熱負(fù)荷QkMRqk66.83 kJ（9）制冷系數(shù)0q0/w04.6512.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算（10）逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)cT0/(Tk-T0)5.85（11） 熱力完善度=0/c0.79512.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力

22、計(jì)算12.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算圖12.5蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的lgp-h圖12.3 壓焓圖及制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算圖12.5蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的lgp-h圖12.4 蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)（1）實(shí)際循環(huán)過程不是絕熱過程制冷劑氣體在氣缸中的壓縮過程，存在著氣體內(nèi)部及氣體與氣缸壁之間的摩擦、熱交換，存在著氣體與外部的熱交換。例如，在壓縮過程的初始階段，氣體的溫度低于氣缸壁的溫度，氣體吸收氣缸壁的熱量；在壓縮過程的終了階段，制冷劑蒸氣的溫度高于氣缸壁的溫度，氣體又向氣缸壁放熱。所以實(shí)際的壓縮過程是一個(gè)不斷變化的多變過程，是一個(gè)不可逆過程，實(shí)際循環(huán)過程都存在熱量損失12.4.1

23、實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的差別（2）冷凝和蒸發(fā)過程都是在有傳熱溫差下進(jìn)行在實(shí)際的熱交換過程中，都存在著傳熱溫差。在冷凝器中，制冷劑放熱過程的冷凝溫度，高于環(huán)境介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的溫度；制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的吸熱過程中，蒸發(fā)溫度低于被冷卻物體的溫度。由于存在傳熱溫差，所以冷凝和蒸發(fā)過程的傳熱都是不可逆的。（3）制冷劑通過管道、吸排氣閥門和其他設(shè)備時(shí)存在壓力損失制冷劑流經(jīng)壓縮機(jī)吸氣閥和排氣閥時(shí)，以及通過管道、冷凝器、蒸發(fā)器等設(shè)備時(shí)，由于制冷劑與管壁或器壁之間存在摩擦阻力，都會(huì)產(chǎn)生壓力降。 12.4 蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)由上述可知，實(shí)際循環(huán)過程中的壓縮、冷凝、節(jié)流和蒸發(fā)過程都是不可逆過程。由于存在摩擦、渦流等

24、內(nèi)部不可逆損失，而且與外部有熱量交換和存在不可逆損失，所以蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)相比，制冷量減小，消耗的功量增大，制冷系數(shù)下降。12.4 蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)單級蒸氣壓縮式制冷實(shí)際循環(huán)如圖12.6所示。41表示制冷劑在蒸發(fā)器中的汽化和降壓過程；11表示蒸氣在回?zé)崞骰蛭鼩夤艿乐械募訜岷徒祲哼^程；11表示蒸氣經(jīng)過吸氣閥的加熱和壓降過程；12s表示實(shí)際多變壓縮過程；2s2s表示蒸氣經(jīng)過排氣閥的降壓過程；2s3表示氣體經(jīng)過排氣管、冷凝器的冷卻、凝結(jié)和降壓過程；33表示制冷劑液體在回?zé)崞骰蚬艿乐械慕禍亟祲哼^程；34表示制冷劑液體經(jīng)節(jié)流閥時(shí)的降溫降壓過程，而且焓是增加的。為了便于進(jìn)行比較，

25、圖12.6中也畫出了理論循環(huán)12341。12.4 蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)12.4.2 實(shí)際循環(huán)在lgP-h圖上的表示由于蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)比較復(fù)雜，難以細(xì)致計(jì)算，所以一般均以理論循環(huán)作為計(jì)算基準(zhǔn)。在選擇或設(shè)計(jì)制冷壓縮機(jī)及確定其配用電動(dòng)機(jī)功率，計(jì)算冷凝器和蒸發(fā)器的傳熱面積，確定制冷系統(tǒng)的管路直徑及進(jìn)行制冷機(jī)房設(shè)計(jì)時(shí)，通常引入一系列系數(shù)和效率，以此來考慮各種不可逆因素及其損失的影響。12.4 蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)12.4 蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)圖12.6單級蒸氣壓縮式制冷實(shí)際循環(huán)的lgp-h圖 液體過冷：制冷劑液體的溫度低于同一壓力下飽和液體的溫度稱為過冷。兩者溫度之差稱為過冷度，用

26、tgl表示。如壓力為1atm(0.1 MPa)時(shí)，水對應(yīng)的飽和溫度是100，而通常自來水溫度只有20，自來水即為過冷液體，過冷度為80。制冷理論循環(huán)中，我們認(rèn)為冷凝完畢的制冷劑液體正好是飽和液狀態(tài)，沒有考慮制冷劑流動(dòng)時(shí)的熱交換，制冷劑到達(dá)節(jié)流閥前仍為飽和液狀態(tài)，如圖12.7所示的4點(diǎn)。實(shí)際制冷循環(huán)中，由于下列原因會(huì)使節(jié)流閥前液體過冷，而液體過冷會(huì)直接影響制冷裝置的循環(huán)性能。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)12.5.1 液體過冷的制冷循環(huán)（1）冷凝器中冷凝面積的選擇往往大于設(shè)計(jì)所需的冷凝面積。（2）冷凝器選擇條件是根據(jù)最熱天氣、最高環(huán)境介質(zhì)溫度。而在使用中的絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)冷凝器是在低于上述條

27、件的情況下工作，從而使冷凝面積過剩，為制冷劑過冷創(chuàng)造了條件。（3）制冷系統(tǒng)中設(shè)置專門的過冷器。（4）制冷系統(tǒng)中設(shè)置了回?zé)崞?。?）在設(shè)計(jì)過程中，人為設(shè)計(jì)一些過冷度，如通常單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)中設(shè)35的過冷度。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)現(xiàn)在我們來分析液體過冷對單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)是否有益。在圖12.7中，同時(shí)給出了理論制冷循環(huán)123451和具有節(jié)流閥前液體過冷的過冷循環(huán)123451。從制冷系數(shù)變化的角度對比如下：理論循環(huán)123451過冷循環(huán)123451q0=h1-h5q0=h1-h5=(h1-h5)+(h5-h5)=q0+q0w0=h2-h1w0=h2-h10=q0/w0 0=q0

28、/w0=(q0+q0)/w0=0+012.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)理論分析顯示，有過冷的制冷循環(huán)，其制冷系數(shù)提高了，因此，過冷循環(huán)對單級蒸氣壓縮式理論循環(huán)有益，且過冷度越大，對制冷循環(huán)越有益。同時(shí)，從圖12.7可以看出，過冷循環(huán)的節(jié)流點(diǎn)5與理論循環(huán)的節(jié)流點(diǎn)5相比較，更靠近飽和液線，即過冷循環(huán)節(jié)流后制冷劑的干度減小，散發(fā)性氣體減少，這對制冷循環(huán)也是有益的。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)【例12.2】兩個(gè)單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)用于水果保鮮，使用工質(zhì)為R22，需制冷量Q0=55 kW。兩個(gè)循環(huán)的冷凝溫度tk均為40，蒸發(fā)溫度t0均為-10。其中一制冷循環(huán)為理論循環(huán)，另一制冷循環(huán)為過冷循環(huán)

29、，過冷度tgl=5，試比較兩個(gè)制冷循環(huán)的性能?！窘狻扛鶕?jù)制冷循環(huán)工作溫度，在工質(zhì)R22的lgp-h圖上繪出制冷循環(huán)，如圖12.7所示。由工質(zhì)R22的熱力性質(zhì)表，查出各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)如下：h1=401.555 kJ/kg；v1=0.06534m3/kg；h2=439.5 kJ/kg；h4=h5=249.686 kJ/kg；h4=h5=243.5 kJ/kg。計(jì)算結(jié)果列入表12.1（見P171）。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)實(shí)例計(jì)算顯示，液體過冷循環(huán)使制冷循環(huán)的制冷系數(shù)0增大，使制冷循環(huán)的單位質(zhì)量制冷量q0增大，從而使制冷循環(huán)的質(zhì)量流量MR減少，使制冷循環(huán)的單位體積制冷量qv增加，制冷壓縮機(jī)

30、的實(shí)際輸氣量Vs減少，從而使制冷循環(huán)所需要的制冷壓縮機(jī)的尺寸可以減小。故液體過冷對單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)有益。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)實(shí)現(xiàn)過冷的方法：（1）設(shè)計(jì)、選型時(shí)，適當(dāng)增大冷凝面積。（2）在制冷系統(tǒng)中設(shè)置過冷器（再冷卻器）?？刹捎蒙罹蚴估鋮s水先入過冷器，以獲得較大的過冷度。（3）在制冷系統(tǒng)中設(shè)置回?zé)崞?。獲得一定的過冷度，在技術(shù)上是切實(shí)可行的，但需要為此付出一定的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。如冷凝面積增大，加裝過冷器、回?zé)崞饕约跋嚓P(guān)的深井、泵、管道和管件等附屬設(shè)施，既增加了一次性設(shè)備投資,同時(shí)也增大了運(yùn)行管理費(fèi)用。因此，是否采用過冷系統(tǒng)，采用哪種過冷方式以及多大的過冷度都需要從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方

31、面綜合考慮。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)實(shí)際運(yùn)用中，采用第一種過冷方式較多，對第二種方式則應(yīng)慎用。（1）通常情況下，在小型制冷循環(huán)，尤其是氟利昂制冷循環(huán)中，非常需要過冷，因?yàn)樾⌒椭评湎到y(tǒng)通常未設(shè)置氣液分離輔助設(shè)備，節(jié)流后的濕蒸氣直接進(jìn)入蒸發(fā)器。從圖12.7可以看出，有過冷時(shí)比理論循環(huán)時(shí)節(jié)流后制冷劑的狀態(tài)點(diǎn)散發(fā)性氣體減少，從而減少了散發(fā)性氣體在蒸發(fā)器內(nèi)占有的面積。另外，在制冷系統(tǒng)有多個(gè)蒸發(fā)器并聯(lián)使用時(shí)，可減少供液不均的可能。（2）在大、中型雙級壓縮制冷循環(huán)中常利用中間冷卻器進(jìn)行過冷。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)圖12.7理論循環(huán)與過冷循環(huán)的lg

32、p-h圖12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)圖12.7理論循環(huán)與過冷循環(huán)的lgp-h圖12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)圖12.7理論循環(huán)與過冷循環(huán)的lgp-h圖12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)圖12.7理論循環(huán)與過冷循環(huán)的lgp-h圖制冷劑蒸氣的溫度高于同一壓力下飽和蒸氣的溫度稱為過熱，兩者溫度之差稱為過熱度，用tgr表示。如壓力為1atm(0.1 MPa)時(shí)，水對應(yīng)的飽和溫度是100，當(dāng)壓力不變，對水蒸氣繼續(xù)加熱，使水蒸氣溫度上升到120，則水蒸氣過熱，其過熱度為20。過熱分為有效過熱和有害過熱兩種。過熱吸收的熱量來自被冷卻對象，產(chǎn)生了有用的制冷效果，這種過熱稱為有效過熱。反之，過熱

33、吸收的熱量來自被冷卻對象之外，沒有產(chǎn)生有用的制冷效果，則稱為有害過熱。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)12.5.2 吸氣過熱的制冷循環(huán)在理論制冷循環(huán)中，可以認(rèn)為制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)完畢時(shí)恰好是飽和蒸氣狀態(tài)，忽略制冷劑蒸氣流動(dòng)時(shí)與外界的熱交換，因此，制冷壓縮機(jī)吸入的制冷劑蒸氣為飽和蒸氣，如圖12.8所示的1點(diǎn)。但在實(shí)際循環(huán)中，制冷壓縮機(jī)吸入的制冷劑蒸氣往往是過熱的蒸氣。在實(shí)際循環(huán)中，由于下列原因會(huì)使制冷壓縮機(jī)的吸氣過熱：（1）蒸發(fā)器蒸發(fā)面積的選擇大于設(shè)計(jì)所需的蒸發(fā)面積，屬有效過熱。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)（2）為了保護(hù)制冷壓縮機(jī)不會(huì)發(fā)生“濕沖程”（制冷壓縮機(jī)吸入了制冷劑液體為“濕

34、沖程”），設(shè)計(jì)時(shí)人為地增加了過熱過程。（3）蒸發(fā)器與制冷壓縮機(jī)之間的連接管道吸取外界環(huán)境的熱量而過熱，屬有害過熱。（4）蒸發(fā)器與制冷壓縮機(jī)之間的連接管道吸取被冷卻對象的熱量而過熱，屬有效過熱。（5）制冷系統(tǒng)中設(shè)置了回?zé)崞?，屬有害過熱，但有過冷過程伴隨。（6）半封閉、全封閉制冷壓縮機(jī)中，制冷壓縮機(jī)吸氣需要冷卻電動(dòng)機(jī)而過熱，屬有害過熱，但是必需的。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)下面分析蒸氣過熱對單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)是否有益。在圖12.8中，同時(shí)給出了理論制冷循環(huán)123451和具有吸氣過熱的制冷循環(huán)123451。從制冷系數(shù)變化的角度對比如下：理論循環(huán)123451過熱循環(huán)123451q0=h1

35、-h5有效過熱q0=h1-h5=q0+q0有害過熱q0=h1-h5w0=h2-h1有效過熱w0=h2-h1=w0+w0有害過熱w0=h2-h1=w0+w0=q0/w0有效過熱0=q0/w0=(q0+q0)/(w0+w0) 有害過熱0=q0/w0=q0/(w0+w0)=0-012.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)理論分析顯示，有害過熱使制冷循環(huán)的制冷系數(shù)減少，對制冷循環(huán)不利。因此，節(jié)流閥后、制冷壓縮機(jī)前的低溫管道和設(shè)備如果暴露在被冷卻空間之外，均須包絕熱材料，盡量避免產(chǎn)生有害過熱。有效過熱對制冷循環(huán)的影響不能輕易確定，根據(jù)研究人員的分析，有效過熱對循環(huán)是否有益與制冷劑性質(zhì)有關(guān)。圖12.9所示是在蒸

36、發(fā)溫度為0、冷凝溫度為40的條件下計(jì)算所得的結(jié)果。圖12.9顯示，有效過熱循環(huán)中，制冷系數(shù)的變化與制冷劑的種類有關(guān)。蒸氣有效過熱對制冷劑R134a、R290、R502有益，使它們的制冷系數(shù)增加，且制冷系數(shù)的增加值與過熱度成正比；蒸氣有效過熱對制冷劑R22、R717無益，使它們的制冷系數(shù)降低，且制冷系數(shù)的降低值與過熱度成正比，制冷劑R717表現(xiàn)更為突出。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)【例12.3】兩個(gè)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)用于禽蛋類保鮮，其中一制冷循環(huán)為理論循環(huán)，另一制冷循環(huán)為過熱循環(huán)，過熱度tgr=10。保鮮需制冷量Q0=50 kW。兩個(gè)循環(huán)的冷凝溫度tk均為40，蒸發(fā)溫度t0均為-5。在使

37、用工質(zhì)氨（R717）或丙烷（R290）作制冷劑時(shí)，試比較兩個(gè)制冷循環(huán)的性能?！窘狻扛鶕?jù)制冷循環(huán)工作溫度，分別在工質(zhì)R717、R290的lgph圖上繪出各自的理論循環(huán)和過熱循環(huán)，如圖12.8所示。分別由工質(zhì)R717和R290的熱力性質(zhì)表查出各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)見表12.2，計(jì)算結(jié)果見表12.3、表12.4。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)實(shí)例計(jì)算顯示：（1）在使用制冷劑R717、R290的制冷循環(huán)中，有害過熱沒有使制冷循環(huán)的單位質(zhì)量制冷量q0、質(zhì)量流量MR發(fā)生變化，使理論比功w0增大，制冷系數(shù)0減小，制冷壓縮機(jī)的排氣溫度升高；使制冷循環(huán)的單位容積制冷量qv減小，制冷壓縮機(jī)的實(shí)際輸氣量Vs增大，從而

38、使制冷循環(huán)所需要的制冷壓縮機(jī)的尺寸增大。因此，有害過熱對制冷循環(huán)無益，應(yīng)盡量避免和減少有害過熱。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)（2）在使用制冷劑R717的制冷循環(huán)中，有效過熱使制冷循環(huán)的單位質(zhì)量制冷量q0增大，質(zhì)量流量MR減小，使理論比功w0增大，且理論比功的增值高于單位質(zhì)量制冷量的增值，故制冷系數(shù)0減小，制冷壓縮機(jī)的排氣溫度升高；同時(shí)有效過熱使制冷循環(huán)的單位容積制冷量qv減少，從而使制冷循環(huán)所需要的制冷壓縮機(jī)的尺寸增大。因此，有效過熱對使用制冷劑R717的制冷循環(huán)無益。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)（3）在使用制冷劑R290的制冷循環(huán)中，有效過熱使制冷循環(huán)的單位質(zhì)量制冷量q0增大

39、，質(zhì)量流量MR減少，理論比功w0增大，但理論比功的增值低于單位質(zhì)量制冷量的增值，故制冷系數(shù)0稍有增大；同時(shí)有效過熱使制冷循環(huán)的單位容積制冷量qv增大，制冷壓縮機(jī)的實(shí)際輸氣量Vs減小，從而使制冷循環(huán)所需要的制冷壓縮機(jī)的尺寸減小。因此，有效過熱對使用制冷劑R290的制冷循環(huán)有益。（4）有效過熱對制冷循環(huán)的影響根據(jù)制冷劑不同而不同。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)通常實(shí)現(xiàn)過熱的方法是：（1）設(shè)計(jì)時(shí)，考慮適當(dāng)?shù)倪^熱度，增大蒸發(fā)面積。（2）大、中型氟制冷系統(tǒng)增加回?zé)崞?，可以獲得較大的過熱度，同時(shí)獲得較大的過冷度。實(shí)際應(yīng)用中，采用第一種過熱方法較多，第二種過熱方法只在氟制冷系統(tǒng)中采用。12.5 節(jié)流閥

40、前過冷及吸氣過熱循環(huán)氨制冷劑一般應(yīng)用于大、中型制冷系統(tǒng)。圖12.9所示氨制冷循環(huán)隨著制冷劑蒸氣過熱度的增大，制冷系數(shù)快速下降。另外，從氨的絕熱指數(shù)高（排氣溫度高）這一特性分析，過熱將使氨制冷循環(huán)壓縮機(jī)的排氣溫度更高，從而導(dǎo)致制冷壓縮機(jī)過熱。制冷壓縮機(jī)過熱會(huì)降低其容積效率，增加能耗，并對其運(yùn)行的可靠性及壽命不利。且過高的壓縮機(jī)排氣溫度將可能促使制冷劑和潤滑油分解，生成對制冷壓縮機(jī)有害的游離碳、酸類和水分，腐蝕、堵塞、危害制冷系統(tǒng)。因此，氨制冷循環(huán)中不適合采用過熱循環(huán)。一般規(guī)定，在使用R717制冷劑時(shí)，制冷壓縮機(jī)的最高排氣溫度不能超過125；在使用R22制冷劑時(shí)，制冷壓縮機(jī)的最高排氣溫度不能超過1

41、45。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)實(shí)際氨制冷循環(huán)中為了避免制冷壓縮機(jī)的“濕沖程”，氨制冷壓縮機(jī)仍采用適度過熱，過熱度規(guī)定見表12.5?；?zé)崞髂苁怪评鋲嚎s機(jī)產(chǎn)生較大的過熱度，因此氨制冷系統(tǒng)中不采用回?zé)崞?。對于氟制冷循環(huán)，盡管圖12.9顯示R22在過熱循環(huán)中，制冷系數(shù)0有下降趨勢，但氟制冷系統(tǒng)仍普遍采用較大的過熱度，一方面是過熱循環(huán)普遍可以改變制冷循環(huán)的性能參數(shù)，另一方面是為了保護(hù)制冷壓縮機(jī)。12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)圖12.8理論循環(huán)與過熱循環(huán)的lgp-h圖12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)圖12.8理論循環(huán)與過熱循環(huán)的lgp-h圖12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)圖12.9有效過熱的過熱度對制冷系數(shù)的影響12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)圖12.9有效過熱的過熱度對制冷系數(shù)的影響12.5 節(jié)流閥前過冷及吸氣過熱循環(huán)圖12.9有效過熱的過熱度對制冷系數(shù)的影響回?zé)嵫h(huán)如圖12.10所示。由圖可知，回?zé)嵫h(huán)實(shí)質(zhì)是在普通的制冷循環(huán)系統(tǒng)中增