空調(diào)制冷第一講制冷原理(壓焓圖)教程文件

第一(dìyī)講制冷原理（壓焓圖）第一頁，共60頁。單級(jí)蒸氣壓縮(yāsuō)制冷循環(huán)1單級(jí)壓縮制冷的理論循環(huán)(xúnhuán)2單級(jí)壓縮制冷的實(shí)際循環(huán)(xúnhuán)3工況與性能第二頁，共60頁。1單級(jí)蒸氣壓縮制冷(zhìlěng)的理論循環(huán)1.1系統(tǒng)與循環(huán)1.2壓焓圖1.3制冷循環(huán)過程在壓焓圖上的表示1.4單級(jí)蒸氣壓縮式制冷理論(lǐlùn)循環(huán)的熱力計(jì)算第三頁，共60頁。1.1系統(tǒng)(xìtǒng)與循環(huán)第四頁，共60頁。液體蒸發(fā)制冷構(gòu)成循環(huán)(xúnhuán)的四個(gè)基本過程是：①制冷劑液體在低壓（低溫）下蒸發(fā)，成為低壓蒸氣②將該低壓蒸氣提高壓力為高壓蒸氣③將高壓蒸氣冷凝，使之成為高壓液體④高壓液體降低壓力重新變?yōu)榈蛪阂后w，返回到①?gòu)亩瓿?wánchéng)循環(huán)。第五頁，共60頁。壓縮機(jī):壓縮和輸送制冷(zhìlěng)蒸汽，并造成蒸發(fā)器中低壓、冷凝器中高壓，是整個(gè)系統(tǒng)的心臟。冷凝器:輸出熱量(rèliàng)的設(shè)備，將制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量(rèliàng)和壓縮機(jī)消耗功所轉(zhuǎn)化的熱量(rèliàng)排放給冷卻介質(zhì)。節(jié)流閥:對(duì)制冷劑起節(jié)流降壓作用，并調(diào)節(jié)(tiáojié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量。蒸發(fā)器:輸出冷量的設(shè)備，制冷劑在蒸發(fā)器中吸收被冷卻對(duì)象的熱量，從而達(dá)到制冷的目的。第六頁，共60頁。1.2壓焓圖phThspx壓焓圖v第七頁，共60頁。第八頁，共60頁。等容線----向右上方傾斜(qīngxié)的虛線，比等熵線平坦；等溫線----液體區(qū)幾乎為垂直線。兩相區(qū)內(nèi)，因制冷劑狀態(tài)的變化(biànhuà)是在等壓、等溫下進(jìn)行，故等溫線與等壓線重合，是水平線。過熱蒸氣區(qū)為向右下方彎曲的傾斜線；等熵線----向右上方傾斜(qīngxié)的實(shí)線；等干度線----只存在于濕蒸氣區(qū)域內(nèi)，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。等焓線----垂直線；等壓線----水平線；第九頁，共60頁。1.3制冷循環(huán)(xúnhuán)過程在壓焓圖上的表示第十頁，共60頁。ph12345理論循環(huán)(xúnhuán)在p-h圖上的表示ABCD12345A—壓縮機(jī)；B—冷凝器；C—節(jié)流閥；D—蒸發(fā)器。單級(jí)蒸氣(zhēnɡqì)壓縮式制冷系統(tǒng)圖第十一頁，共60頁。1.4單級(jí)蒸氣壓縮(yāsuō)式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算（1）壓縮過程(guòchéng)為等熵過程(guòchéng)，即在壓縮過程(guòchéng)中不存在任何不可逆損失（2）在冷凝器和蒸發(fā)器中，制冷劑的冷凝溫度等于冷卻介質(zhì)(jièzhì)的溫度，蒸發(fā)溫度等于被冷卻介質(zhì)(jièzhì)的溫度，且冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都是定值單級(jí)理論循環(huán)是建立在以下一些假設(shè)的基礎(chǔ)上的：第十二頁，共60頁。（4）制冷劑在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，沒有流動(dòng)阻力(zǔlì)損失，忽略動(dòng)能變化，除了蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)的管子外，制冷劑與管外介質(zhì)之間沒有熱交換（5）制冷劑在流過節(jié)流裝置時(shí)，流速變化很小，可以(kěyǐ)忽略不計(jì)，且與外界環(huán)境沒有熱交換（3）離開蒸發(fā)器和進(jìn)入(jìnrù)壓縮機(jī)的制冷劑蒸氣為蒸發(fā)壓力下的飽和蒸氣，離開冷凝器和進(jìn)入(jìnrù)膨脹閥的液體為冷凝壓力下的飽和液體第十三頁，共60頁。hp12345理論(lǐlùn)循環(huán)在p-h圖上的表示第十四頁，共60頁。

按照熱力學(xué)第一定律，對(duì)于在控制容積中進(jìn)行的狀態(tài)變化(biànhuà)存在如下關(guān)系：這里，把自外界傳入的功作為(zuòwéi)負(fù)值。（1-1）

壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器都可以單獨(dú)作為一個(gè)(yīɡè)控制體進(jìn)行分析。第十五頁，共60頁。(2)冷凝(lěngníng)過程：（1-3）

(3)節(jié)流過程：（1-4）

（1）壓縮(yāsuō)過程:（1-2）

（4）蒸發(fā)(zhēngfā)過程：（1-5）第十六頁，共60頁。單位(dānwèi)制冷量可按式（2-5）計(jì)算。單位(dānwèi)制冷量也可以表示成汽化潛熱r0和節(jié)流后的干度x5的關(guān)系：為了說明單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)的性能，采用下列(xiàliè)一些性能指標(biāo)。

(1-6)

由式（1-6）可知，制冷劑的汽化潛熱越大，或節(jié)流所形成(xíngchéng)的蒸氣越少（x5越?。﹦t單位制冷量就越大。單位制冷量第十七頁，共60頁。(2)單位(dānwèi)容積制冷量(1-7)對(duì)于單級(jí)蒸氣壓縮制冷機(jī)的理論循環(huán)(xúnhuán)來說，理論比功可表示為(1-8)單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)的理論(lǐlùn)比功也是隨制冷劑的種類和制冷機(jī)循環(huán)的工作溫度而變的。(3)理論比功第十八頁，共60頁。(4)單位(dānwèi)冷凝熱單位（1kg）制冷劑蒸氣在冷凝器中放出的熱量，稱為(chēnɡwéi)單位冷凝熱。單位冷凝熱包括顯熱和潛熱兩部分

(1-9)

比較式（1-5）、（1-8）和（1-9）可以看出，對(duì)于單級(jí)壓縮(yāsuō)式蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)，存在著下列關(guān)系(1-10)第十九頁，共60頁。(5)制冷(zhìlěng)系數(shù)對(duì)于單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)(xúnhuán)，制冷系數(shù)為

(1-11)

制冷(zhìlěng)系數(shù)愈大經(jīng)濟(jì)性愈好

在蒸發(fā)溫度和冷凝溫度相同的條件下：(6)壓縮終溫影響到制冷劑的分解和潤(rùn)滑油結(jié)炭。第二十頁，共60頁。(7)熱力(rèlì)完善度單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)的熱力完善度按定義(dìngyì)可表示為(1-12)這里εc為在蒸發(fā)溫度（T0）和冷凝溫度（Tk）之間工作的逆卡諾循環(huán)的制冷(zhìlěng)系數(shù)。熱力完善度愈大，說明該循環(huán)接近可逆循環(huán)的程度愈大。第二十一頁，共60頁。2單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際(shíjì)循環(huán)2.1液體過冷對(duì)循環(huán)(xúnhuán)性能的影響2.2蒸氣過熱對(duì)循環(huán)(xúnhuán)性能的影響2.3氣-液熱交換器對(duì)循環(huán)(xúnhuán)性能的影響2.4不凝性氣體的存在對(duì)循環(huán)(xúnhuán)性能的影響2.5單級(jí)壓縮實(shí)際制冷循環(huán)(xúnhuán)的熱力計(jì)算第二十二頁，共60頁。上面所述的循環(huán)，是單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)的基本循環(huán)，也是最簡(jiǎn)單的循環(huán)。在實(shí)用上，根據(jù)實(shí)際條件對(duì)循環(huán)往往(wǎngwǎng)要作一些改進(jìn)，以便提高循環(huán)的熱力完善度。在單級(jí)制冷機(jī)循環(huán)中，這一改進(jìn)主要有液體過冷、吸氣過熱及由此而產(chǎn)生的回?zé)嵫h(huán)。第二十三頁，共60頁。2.1液體過冷對(duì)循環(huán)性能(xìngnéng)的影響將節(jié)流前的制冷劑液體冷卻到低于冷凝溫度的狀態(tài)(zhuàngtài)，稱為過冷。帶有過冷的循環(huán)(xúnhuán)，叫做過冷循環(huán)(xúnhuán)。采用液體過冷對(duì)提高制冷量和制冷系數(shù)都是有利的第二十四頁，共60頁。ph12345過冷循環(huán)(xúnhuán)在p-h圖上的表示4’5’第二十五頁，共60頁。(1-13)(2)單位容積制冷量(3)理論比功（1）單位制冷量不變?cè)黾?zēngjiā)增加(zēngjiā)第二十六頁，共60頁。(4)單位冷凝熱(5)制冷系數(shù)(6)壓縮終溫不變?cè)黾?zēngjiā)增加(zēngjiā)(1-15)(1-14)第二十七頁，共60頁。2.2蒸氣(zhēnɡqì)過熱對(duì)循環(huán)性能的影響壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣的溫度高于吸氣壓力(yālì)下制冷劑的飽和溫度時(shí)，稱為過熱。具有吸氣過熱的循環(huán)，稱為過熱循環(huán)。下圖示出了過熱循環(huán)1-1’-2’-3-4-5-1的lgp-h圖。圖中1-1’是吸氣的過熱過程，其余與基本(jīběn)循環(huán)相同。第二十八頁，共60頁。ph12345過熱循環(huán)(xúnhuán)在p-h圖上的表示1’2’過熱(ɡuòrè)循環(huán)分有效過熱(ɡuòrè)和無效過熱(ɡuòrè)兩種情況第二十九頁，共60頁。(1-13)(2)單位容積制冷量（1）單位制冷量增加(zēngjiā)有效(yǒuxiào)過熱循環(huán)有效過熱循環(huán)：過熱過程中產(chǎn)生的冷量也為被冷卻(lěngquè)介質(zhì)所吸收。？第三十頁，共60頁。(4)單位冷凝熱(5)制冷系數(shù)？增加(zēngjiā)(1-15)(1-14)(3)理論比功(1-14)增加(zēngjiā)第三十一頁，共60頁。(6)壓縮終溫升高(shēnɡɡāo)圖2-19有效過熱的過熱度對(duì)制冷(zhìlěng)系數(shù)的影響過熱度R502R600aR290R134aR22NH3045.337.444.444.155.993.03073.965.772.172.986.3131.5第三十二頁，共60頁。(1-13)(2)單位容積制冷量（1）單位制冷量不變無效過熱(ɡuòrè)循環(huán)無效過熱循環(huán)：過熱過程中產(chǎn)生的冷量沒有被冷卻介質(zhì)(jièzhì)所吸收。減小第三十三頁，共60頁。(4)單位冷凝熱(5)制冷系數(shù)減小增加(zēngjiā)(1-15)(1-14)(3)理論比功(1-14)增加(zēngjiā)第三十四頁，共60頁。2.3回?zé)崞鲗?duì)循環(huán)性能(xìngnéng)的影響

(1-20)

若不計(jì)回?zé)崞髋c環(huán)境空氣之間的熱交換，則液體過冷的熱量(rèliàng)等于使蒸氣過熱的熱量(rèliàng)，其熱平衡關(guān)系為利用(lìyòng)回?zé)崾构?jié)流前的制冷劑液體與壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣進(jìn)行熱交換，使液體過冷、蒸氣過熱，稱之為回?zé)?。第三十五頁，?0頁。第三十六頁，共60頁。ph12345回?zé)嵫h(huán)在p-h圖上的表示(biǎoshì)1’2’4’5’回?zé)嵫h(huán)中各性能指標(biāo)的變化完全(wánquán)同于過冷和無效過熱循環(huán)。第三十七頁，共60頁。2.4不凝性氣體的存在(cúnzài)對(duì)循環(huán)性能的影響積存于冷凝器；冷凝壓力增加；壓縮機(jī)排氣壓力升高；比功增加；制冷系數(shù)下降；壓縮機(jī)容積(róngjī)效率降低；第三十八頁，共60頁。2.5單級(jí)壓縮實(shí)際制冷循環(huán)的熱力(rèlì)計(jì)算實(shí)際循環(huán)和理論循環(huán)有許多不同之處，除了壓縮機(jī)中的工作過程以外，主要還有下列(xiàliè)一些差別：

1．流動(dòng)(liúdòng)過程有壓力損失。2．制冷劑流經(jīng)管道及閥門時(shí)同環(huán)境介質(zhì)間有熱交換。3．熱交換器中存在溫差。第三十九頁，共60頁。熱交換及壓力(yālì)損失對(duì)循環(huán)性能的影響（1）吸入管道(guǎndào)吸入管道中的壓力降始終是有害的，它使得吸氣比容增大，壓縮機(jī)的壓力比增大，單位容積制冷量減少，壓縮機(jī)容積效率降低，壓力比增大，制冷系數(shù)(xìshù)下降。吸氣管道中的熱交換可視情況當(dāng)作有效過熱或無效過熱來分析。第四十頁，共60頁。（2）排出(páichū)管道在壓縮機(jī)的排出管道中，熱量由高溫制冷劑蒸氣傳給周圍空氣，它不會(huì)引起性能的改變(gǎibiàn)，僅僅是減少了冷凝器中的熱負(fù)荷。排氣管道中的壓降會(huì)引起壓縮機(jī)排氣壓力升高。第四十一頁，共60頁。（3）冷凝器到膨脹閥之間的液體(yètǐ)管道在冷凝器到膨脹閥這段管路中，熱量通常由液體制冷劑傳給周圍空氣，使液體制冷劑過冷，制冷量增大。然而，也可能水冷冷凝器中的冷卻水溫度很低，冷凝溫度低于環(huán)境溫度，熱量由空氣傳給液體制冷劑，可能導(dǎo)致(dǎozhì)部分液體氣化，這不僅使單位制冷量下降，而且使得膨脹閥不能正常工作。壓力降沒有關(guān)系，只要沒有氣化。第四十二頁，共60頁。通常膨脹閥是緊靠蒸發(fā)器安裝的。倘若將它安裝在被冷卻空間內(nèi)，傳給管道的熱量將產(chǎn)生有效(yǒuxiào)制冷量；若安裝在室外，熱量的傳遞使制冷減少，因而此段管道必須保溫。壓力降也沒關(guān)系。（4）膨脹閥到蒸發(fā)器之間的管道(guǎndào)第四十三頁，共60頁。（5）冷凝器

假定出冷凝器的壓力不變，為克服冷凝器中制冷劑的流動(dòng)阻力，必須提高(tígāo)進(jìn)冷凝器時(shí)制冷劑的壓力，這必須導(dǎo)致壓縮機(jī)的排氣壓力升高，壓力比增大，壓縮機(jī)耗功增加，制冷系數(shù)下降。第四十四頁，共60頁。（6）蒸發(fā)器若保證蒸發(fā)器的出口壓力不變，為克服蒸發(fā)器中制冷劑的流動(dòng)阻力，必須提高進(jìn)蒸發(fā)器時(shí)制冷劑的壓力，這必然導(dǎo)致(dǎozhì)平均蒸發(fā)溫度升高，傳熱溫差下降。若保證傳熱溫差不變，克服蒸發(fā)器中制冷劑的流動(dòng)阻力，這必然導(dǎo)致壓縮機(jī)的吸氣(xīqì)壓力下降，吸氣(xīqì)比容增大，壓力比增大，壓縮機(jī)耗功增加，制冷量減小，制冷系數(shù)下降。第四十五頁，共60頁。（7）壓縮機(jī)

在理論循環(huán)中，假設(shè)壓縮過程為等熵過程。而實(shí)際上，整個(gè)過程是一個(gè)壓縮指數(shù)在不斷變化的多變過程。另外，由于壓縮機(jī)氣缸中有余隙容積的存在，氣體經(jīng)過吸、排氣閥及通道出有熱量交換及流動(dòng)阻力，這些因素都會(huì)使壓縮機(jī)的輸氣量減少，制冷量下降，消耗的功率(gōnglǜ)增大。第四十六頁，共60頁。簡(jiǎn)化(jiǎnhuà)后的實(shí)際循環(huán)在p-h圖上的表示ph2s345120第四十七頁，共60頁。下面(xiàmian)是按照這樣簡(jiǎn)化后的循環(huán)的性能指標(biāo)的表達(dá)式，各下標(biāo)對(duì)應(yīng)于圖2-23所示的狀態(tài)點(diǎn)。

（1-33）

這些同理論(lǐlùn)循環(huán)的計(jì)算完全一致。1．單位制冷量、單位容積(róngjī)制冷量及單位理論功第四十八頁，共60頁。

（1-34）上式中點(diǎn)2狀態(tài)(zhuàngtài)的焓值用下式計(jì)算

（1-35）式中為壓縮機(jī)的指示效率，它被定義為等熵壓縮過程耗功量與實(shí)際壓縮過程耗功量之比。2．單位(dānwèi)冷凝熱第四十九頁，共60頁。3．制冷劑的循環(huán)(xúnhuán)流量

式中為制冷量，通常由設(shè)計(jì)任務(wù)給出。

（1-36）4．壓縮機(jī)的理論功率和指示(zhǐshì)功率分別為（1-38）第五十頁，共60頁。5．實(shí)際(shíjì)制冷系數(shù)（1-39）6．冷凝器的熱負(fù)荷(fùhè)

（1-40）式中為壓縮機(jī)的機(jī)械效率。第五十一頁，共60頁。3單級(jí)蒸氣壓縮(yāsuō)式制冷機(jī)的性能及工況3.1蒸發(fā)溫度(wēndù)對(duì)循環(huán)性能的影響3.2冷凝溫度(wēndù)對(duì)循環(huán)性能的影響3.3制冷機(jī)工況第五十二頁，共60頁。ph345125’1’2’3.1蒸發(fā)溫度對(duì)循環(huán)性能(xìngnéng)的影響當(dāng)蒸發(fā)(zhēngfā)溫度減小時(shí)：第五十三頁，共60頁。1、單位(dānw