第三章 單級壓縮蒸氣制冷循環(huán)

上節(jié)課內(nèi)容制冷與低溫工質(zhì)載冷劑潤滑油第一節(jié)單級壓縮蒸氣制冷機的理論循環(huán)

單級理論循環(huán)

過冷循環(huán)

過熱循環(huán)

回熱循環(huán)

本節(jié)課教學內(nèi)容

第三章單級壓縮蒸汽制冷循環(huán)第一節(jié)單級壓縮蒸氣制冷機的理論循環(huán)

第二節(jié)單級壓縮蒸氣制冷實際循環(huán)

第四節(jié)單級壓縮蒸氣制冷特性分析

第五節(jié)制冷循環(huán)的熱力學第二定律分析大部分空調(diào)機采用蒸汽壓縮式制冷循環(huán)

液體蒸發(fā)制冷構(gòu)成循環(huán)的四個基本過程是：

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普通高壓蒸氣

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從而完成循環(huán)。

制冷循環(huán)就是通過一定的能量補償，從低溫熱源吸熱，向高溫熱源排熱。熱源的溫度決定制冷劑吸熱與排熱的溫度與壓力，相應地決定了制冷循環(huán)中的高低壓側(cè)的壓力比。第一節(jié)單級壓縮蒸氣制冷機的理論循環(huán)

單級壓縮蒸氣制冷機是指將制冷劑經(jīng)過一級壓縮從蒸發(fā)壓力壓縮到冷凝壓力的制冷機。空調(diào)器和電冰箱以及中央空調(diào)用的冷水機組大都采用單級制冷機。單級制冷機一般可用來制取-40℃以上的低溫。

1.理論循環(huán)

2.性能指標

3.液體過冷、吸氣過熱及回熱循環(huán)

4.非共沸混合制冷劑循環(huán)

5.跨臨界壓縮蒸氣制冷循環(huán)

1.理論循環(huán)

單級理論循環(huán)是建立在以下一些假設(shè)的基礎(chǔ)上的：

（1）壓縮過程為等熵過程，即在壓縮過程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)的溫度，蒸發(fā)溫度等于被冷卻介質(zhì)的溫度，且冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都是定值

（4）制冷劑在管道內(nèi)流動時，沒有流動阻力損失，忽略動能變化，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，流速變化很小，可以忽略不計，且與外界環(huán)境沒有熱交換

（3）離開蒸發(fā)器和進入壓縮機的制冷劑蒸氣為蒸發(fā)壓力下的飽和蒸氣，離開冷凝器和進入膨脹閥的液體為冷凝壓力下的飽和液體

T-s圖lgp-h圖1-2

制冷劑在壓縮機中的等熵壓縮過程2-3

冷凝器中的冷卻過程3-4

制冷劑冷凝過程

4-5

節(jié)流過程

5-1

蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程

加給工質(zhì)的熱量一部分用于增加工質(zhì)的熱力學能儲存于工質(zhì)內(nèi)部，余下一部分以作功的方式傳遞至外界。對微元過程，第一定律解析式的微分形式

(1-12a)進入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲存能量的增加(1-11)熱力學第一定律的解析式

按照熱力學第一定律，對于在控制容積中進行的狀態(tài)變化存在如下關(guān)系：（3-1）

這里，把自外界傳入的功作為負值。對上式積分可以得到整個過程的表達式：按照式（3-1）和式（3-2），單級壓縮蒸氣制冷機循環(huán)的各個過程有如下關(guān)系：（3-2）

(2)冷凝過程：dw=0dq=dhqk=h2-h4

（3-4）

（1）壓縮過程:dq=0,因而

dw=dhw=h2-h1

（3-3）

T-s圖上為面積1-2-3-4-c-b-5-1，在lg

p-h圖上為橫坐標軸上的線段1'-2'的長度qk為單位冷凝熱，T-s圖上為面積a-2-3-4-c-a，在lgp-h圖上是以線段長度2-4表示

T-s圖lgp-h圖3、節(jié)流過程

w=0,q=0

因而

h=0,h4=h5

節(jié)流過程前后焓值相等，4、5兩點在等焓線上

4、蒸發(fā)過程

因而

q0=h1-h5=h1-h4

q0稱為單位制冷量,在T-s圖上為面積1-5-b-a-1，在lg

p-h圖上則用線段5-1表示

T-s圖lgp-h圖為了說明單級壓縮蒸氣制冷機理論循環(huán)的性能，采用下列一些性能指標，這些性能指標均可通過循環(huán)各點的狀態(tài)參數(shù)計算出來。

2.性能指標1、單位制冷量2、單位容積制冷量3、理論比功W04、單位冷凝熱

5、制冷系數(shù)

6、熱力完善度

1、單位制冷量2、單位容積制冷量

3、理論比功W0

T-s圖lgp-h圖4、單位冷凝熱

5、制冷系數(shù)

T-s圖lgp-h圖制冷系數(shù)愈大經(jīng)濟性愈好冷凝溫度越高制冷系數(shù)越小蒸發(fā)溫度越低6、熱力完善度制冷系數(shù)和熱力完善度區(qū)別制冷系數(shù)是隨循環(huán)的工作溫度而變的，因此只能用來評定相同熱源溫度下循環(huán)的經(jīng)濟性

。對于在不同溫度下工作的制冷循環(huán)，需要通過熱力完善度的數(shù)值大?。ń咏?的程度）來判斷循環(huán)的經(jīng)濟性制冷系數(shù)和熱力完善度都是用來評價循環(huán)經(jīng)濟性的指標，但是它們的意義是不同的。

例3-1一臺單級壓縮蒸氣制冷機工作在高溫熱源溫度為400C，低溫熱源溫度為-200C下，試求分別用R134a、R22和R717工作時理論循環(huán)的性能指標。解：循環(huán)的T-S和lgp-h圖見圖3-1，各點參數(shù)根據(jù)附錄D查圖或用計算機計算得到，下表為用計算機計算得到的結(jié)果：狀態(tài)點參數(shù)單位R134aR22R7171p1kPa132.7244.9190.1t10C-20-20-20v1m3/kg0.14720.092130.6232h1kJ/kg384.70396.461437.122t20C48.467.6135.2p2kPa1016.41533.61555.5h2kJ/kg427.31443.061757.034t40C404040p4kPa1016.41533.61555.5h4kJ/kg256.2249.44393.995h5kJ/kg256.2249.44393.99項目計算公式單位R134aR22R717單位制冷量kJ/kg128.5147.01043.1單位容積制冷量kJ/m3872.91595.91673.9單位理論功kJ/kg42.6046.59319.90單位冷凝熱kJ/kg171.10193.621363.03制冷系數(shù)－3.0163.1553.261卡諾循環(huán)制冷系數(shù)－4.2194.2194.219熱力完善度－0.7150.7480.773

分析計算結(jié)果可以看出：在相同工作條件下：R22和R717的單位容積制冷量很相近，而R134a的單位容積制冷量則小得多(約小45％)；②三種制冷劑的制冷系數(shù)及熱力完善度相差不大。3.液體過冷、吸氣過熱及回熱循環(huán)

1、液體過冷

將節(jié)流前的制冷劑液體冷卻到低于冷凝溫度的狀態(tài)，稱為液體過冷。

帶有過冷的循環(huán)，叫做過冷循環(huán)。采用液體過冷對提高制冷量和制冷系數(shù)都是有利的冷凝器入口飽和出口放熱30℃45℃氣體45℃液體放熱30℃40℃液體過冷度４５ー４０＝５℃過冷過熱與過冷

T-s圖lgp-h圖4-4'

制冷劑液體在過冷器中的過冷過程4‘-5‘節(jié)流過程

與無過冷的循環(huán)1-2-3-4-5-1相比，過冷循環(huán)的單位制冷量的增加量為制冷系數(shù)過冷循環(huán)吸氣過熱循環(huán)

壓縮機吸入前的制冷劑蒸氣的溫度高于吸氣壓力下制冷劑的飽和溫度時，稱為過熱。具有吸氣過熱的循環(huán)，稱為過熱循環(huán)。過熱入口蒸發(fā)器飽和出口吸熱30℃5℃液體5℃氣體吸熱30℃10℃氣體過熱度１０ー５＝５℃

T-s圖lgp-h圖1-1‘

吸氣的過熱過程

對無過冷的循環(huán)1-2-3-4-5-1，有效過熱循環(huán)的單位制冷量的增加量為理論比功增加量為制冷系數(shù)

吸氣過熱循環(huán)由制冷劑的lgp-h圖我們可以得到，在過熱區(qū)，過熱度越大，其等熵線的斜率越小，得

有效過熱的過熱度對制冷系數(shù)的影響

在過熱區(qū)，過熱度越大，等熵線的斜率越小

過熱有利

過熱不利

過熱優(yōu)點：不管是有效過熱還是無效過熱，一定的過熱度對容積式壓縮機的吸氣效果會有所改善，也可避免吸入氣體可能帶液所導致的不利后果.缺點：過熱都將引起壓縮機排氣溫度的增加，這一點對壓縮機的工作是不利的。在實際操作過程中，即使采用像R502這樣的制冷劑，也不要使過熱度太大。表3—1結(jié)出了蒸發(fā)溫度為00C、冷凝溫度為400C時，不同制冷劑在過熱度分別為00C和300C時壓縮機的排氣溫度計算結(jié)果?；責嵫h(huán)

利用回熱使節(jié)流前的制冷劑液體與壓縮機吸入前的制冷劑蒸氣進行熱交換，使液體過冷、蒸氣過熱，稱之為回熱。單級壓縮蒸氣制冷回熱循環(huán)流程圖不計回熱器與外界環(huán)境之間的熱交換，則液體過冷的熱量等于使蒸氣過熱的熱量，其熱平衡關(guān)系為

液體通過回熱器不可能冷卻到蒸發(fā)溫度

T-s圖lgp-h圖1-1‘

蒸汽過熱過程4-4‘液體的過冷過程1‘-2’-3-4-4‘-5’-1-1‘為回熱循環(huán),單位質(zhì)量制冷量單位容積制冷量制冷系數(shù)

回熱循環(huán)的性能指標如下：單位制冷量：單位功

制冷系數(shù)

（3-26）與無回熱循環(huán)1-2-3-4-5-1相比較，回熱循環(huán)的單位制冷量增大了：（3-27）（3-25）但單位功也增大了（3-28）

循環(huán)的單位功可近似地表示成（3-29）但單位功也增大了

(3-31)單位容積制冷量和制冷系數(shù)可表示成即（3-32）如果要使回熱循環(huán)的單位容積制冷量及制冷系數(shù)比無回熱循環(huán)高，其條件應是第二節(jié)單級壓縮蒸氣制冷實際循環(huán)

實際循環(huán)與理論循環(huán)有以下不同:1、流動過程阻力，有壓力損失。2、制冷劑流經(jīng)管道及閥門時同環(huán)境介質(zhì)間有熱交換3、熱交換器中存在溫差

4、壓縮機中的工作過程不同

1.實際循環(huán)特性

2.實際循環(huán)的性能指標及熱力計算

3.計算舉例1.實際循環(huán)特性（阻力和漏熱）流動過程阻力影響

1、吸入管道蒸發(fā)器出口到壓縮機吸氣入口之間的吸入管道存在流動阻力,它引起的壓力降會直接造成壓縮機吸氣壓力降低。壓縮機吸入口吸氣比體積增大，壓縮機壓比增大，單位容積制冷量減小，壓縮機容積效率降低，比壓縮功增大，制冷系數(shù)下降。

措施：在實際工程中，我們可以通過降低流速的辦法來降低阻力，即通過增大管徑來降低壓力降。但考慮到有些場合，為了確保潤滑油能順利地從蒸發(fā)器返回壓縮機，這一流速又不能太低。此外，應盡量減少設(shè)置在吸入管道上的閥門、彎頭等阻力部件，以減少吸入管道的阻力。2、排出管道從壓縮機出口到冷凝器入口之間的排出管道上的壓力降會使壓縮機的排氣壓力升高，從而使壓縮機的壓比增大，容積效率降低，制冷系數(shù)下降。由于這一阻力降相對于壓縮機的吸排氣壓力差要小得多，它對系統(tǒng)性能的影響要比吸氣管道阻力的影響要小。

3、液體管道冷凝器出口到節(jié)流裝置入口之間的管路稱為液體管道。液體流速較氣體要小得多，其阻力相對較小。冷凝器出口比節(jié)流裝置入口位置低，由于靜液柱的存在，高度差要導致壓力降。

該壓力降對于具有足夠過冷度的制冷系統(tǒng)，則系統(tǒng)性能不會受其影響。但如果從冷凝器里出來的制冷劑為飽和狀態(tài)或過冷度不大，則液體管道的壓力降將導致管路內(nèi)部的制冷劑氣化，從而使進入節(jié)流裝置的制冷別處于兩相狀態(tài)，這將增加節(jié)流過程的壓力降，對系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利的影響，同時，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行也產(chǎn)生不利影響。為了避免這些影響，我們在設(shè)計制冷系統(tǒng)時，要注意冷凝器與節(jié)流裝置的相對位置。同時；要降低節(jié)流前管路的阻力損失。4、兩相管道從節(jié)流裝置到蒸發(fā)器之間的管道中流動著兩相的制冷劑，我們稱之為兩相管道。

通常這一管道的距離是較短的，由它引起的阻力降對系統(tǒng)性能幾乎沒有影響。但是，如果系統(tǒng)中有多個蒸發(fā)器共用一個節(jié)流裝置，則要盡量保證從液體分配器到各個蒸發(fā)器之間的阻力降相等，否則將出現(xiàn)分液不均勻現(xiàn)象，影響制冷效果。

5、蒸發(fā)器若不改變蒸發(fā)過程中的平均傳熱溫差，出蒸發(fā)器時的制冷劑壓力稍有降低，其結(jié)果與吸入管道阻力引起的結(jié)果一樣。為了克服蒸發(fā)器中的流動阻力，必須提高制冷劑進蒸發(fā)器時的壓力，即提高開始蒸發(fā)時的溫度。由于節(jié)流前后焓值相等，又因為壓縮機的吸人狀態(tài)沒有變化，故制冷系統(tǒng)的性能沒受到什么影響

6、冷凝器若冷凝器的壓力不變，為克服冷凝器中的流動阻力，必須提高進冷凝器時的壓力，與排氣管道阻力引起的結(jié)果一樣。漏熱的影響

制冷系統(tǒng)的高溫部分和低溫部分與環(huán)境之間總存在溫差，不可避免地要與環(huán)境進行熱交換，產(chǎn)生漏熱。除壓縮機、排氣管道、冷凝器和液體管道這些高溫部分的漏熱對于制冷系統(tǒng)無壞的影響外（對于熱泵系統(tǒng)，這些漏熱也是損失），其余漏熱對系統(tǒng)性能都將產(chǎn)生不利的影響。顯然，兩相管道和蒸發(fā)器的漏熱是制冷量的直接損失，使系統(tǒng)的制冷量降低，能耗提高，而吸入管道的漏熱產(chǎn)生的后果與第一節(jié)討論過的無效過熱的后果一樣。在實際系統(tǒng)中，我們應該盡量減小這些漏熱。

T-s圖lgp-h圖實際循環(huán)的T-s圖和lg

p-h圖

5-6實際蒸發(fā)過程6-1s蒸發(fā)器至壓縮機開始壓縮前的壓力和溫度變化

1s-2s氣缸內(nèi)壓縮過程2s-b排氣過程冷卻情況

b-c排氣管道中的壓降

c-3冷凝器中冷卻過程

3-4冷凝器的冷凝過程

4-5實際的節(jié)流過程

0122s2v345ppk0Lgph實際循環(huán)可表示為圖中的0-1-2-3-4-5-0

0-1表示蒸氣的過熱過程

1-2表示實際增熵壓縮過程

2--3表示制冷劑在冷凝壓力pk下的等壓冷卻、冷凝過程

3-4表示制冷劑在冷凝壓力下的過冷過程

4-5表示制冷劑在等焓下的節(jié)流過程5-0表示制冷劑在蒸發(fā)壓力p0下的等壓汽化過程

單級蒸氣壓縮式制冷實際循環(huán)將實際循環(huán)簡化：1、以壓縮機出口壓力為冷凝壓力,冷凝溫度和蒸發(fā)溫度為定值2、壓縮機內(nèi)部過程為吸氣壓力到排氣壓力有損失簡單壓縮過程3、節(jié)流過程仍認為是前后焓相等的過程

2.實際循環(huán)的性能指標簡化后實際循環(huán)可表示為圖3-14中的0-1-2-3-4-5-0，其中1-2是實際的壓縮過程。經(jīng)過這樣的簡化之后，即可直接利用lg

p-h圖進行循環(huán)的性能指標的計算，且由此而產(chǎn)生的誤差也不會很大。0122s2v345ppk0Lgph實際循環(huán)可表示為圖中的0-1-2-3-4-5-0

0-1表示蒸氣的過熱過程

1-2表示實際增熵壓縮過程

2--3表示制冷劑在冷凝壓力pk下的等壓冷卻、冷凝過程

3-4表示制冷劑在冷凝壓力下的過冷過程

4-5表示制冷劑在等焓下的節(jié)流過程5-0表示制冷劑在蒸發(fā)壓力p0下的等壓汽化過程

1、單位制冷量、單位容積制冷量和單位理論功2、單位冷凝熱和2點的焓值3、制冷劑循環(huán)流量4、壓縮機的理論功率和指示功率2.實際循環(huán)的性能指標0122s2v345ppk0Lgph5、實際制冷系數(shù)6、冷凝器的熱負荷0122s2v345ppk0Lgph.例3-2一臺制冷量為50kW的往復活塞式制冷機，工作在高溫熱源溫度Ta為32℃，低溫熱源溫度為-18℃，制冷劑為R134a，采用回熱循環(huán)，壓縮機的吸氣溫度為0℃，試進行循環(huán)的熱力計算。解：循環(huán)的lg

p-h圖如圖3-14，取冷凝溫度比高溫熱源高8℃，蒸發(fā)溫度比低溫熱源低5℃，壓縮機的指示效率為0.75，壓縮機的機械效率為0.92，可確定循環(huán)各點的狀態(tài)參數(shù)如下表。

.狀態(tài)點參數(shù)單位數(shù)值注p0kPa1160t0℃-23t0=t0'-5=-18-5=-23h0kJ/kg382.9p1kPa1161t1℃0v1m3/kg0.185h1kJ/kg401.6p2kPa10162st2s℃71.5由圖查得h2skJ/kg452.1.p3kPa10163t3℃40t3=ta+8=32+8=40h3kJ/kg256.2p4kPa10164t4℃27.3根據(jù)p4、h4查圖由熱平衡式算出h4kJ/kg237.5第一節(jié)單級壓縮蒸氣制冷機的理論循環(huán)

單級理論循環(huán)

過冷循環(huán)

過熱循環(huán)

回熱循環(huán)

上節(jié)課教學內(nèi)容

第二節(jié)單級壓縮蒸氣制冷實際循環(huán)本節(jié)課教學內(nèi)容第四節(jié)單級壓縮蒸氣制冷特性分析

第四章兩級壓縮和復疊制冷循環(huán)

其他制冷思考

1.蒸氣壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)主要由哪些部件組成，各有何作用？2.制冷劑在蒸氣壓縮制冷循環(huán)中，熱力狀態(tài)是如何變化的？3.制冷劑在通過節(jié)流元件時壓力降低，溫度也大幅下降，可以認為節(jié)流過程近似為絕熱過程，那么制冷劑降溫時的熱量傳給了誰？4不凝性氣體對制冷循環(huán)的影響系統(tǒng)中的不凝性氣體往往積存在冷凝器上部，因為它不能通過冷凝器的液封。不凝性氣體的存在將使冷凝器內(nèi)的壓力增加，從而導致壓縮機排氣壓力提高，比功增加制冷系數(shù)下降，壓縮機容積效率降低。應及時加以排除。

0122s2v345ppk0Lgph第四節(jié)單級壓縮蒸氣制冷特性分析

本節(jié)所要研究的問題，是對于一臺已經(jīng)在運行的制冷機，當它的運轉(zhuǎn)條件變化時，制冷機的性能發(fā)生怎樣的變化？討論的前提是制冷壓縮機的結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)速、制冷劑都已給定，而變化的條件是制冷機的蒸發(fā)溫度T0及冷凝溫度Tk。1.冷凝溫度變化時制冷機的性能2.蒸發(fā)溫度變化時制冷機的性能3.單級壓縮制冷機的工況冷凝溫度變化時制冷機的性能蒸發(fā)溫度T0不變,冷凝溫度Tk變化

其他條件不變，冷凝溫度tk變化(升高)的影響hp冷凝溫度tk時：1-2-3-4-1冷凝溫度升高為t′k時：1-2′-3′-4′

-11234tkt0t′k3′2′4′其他條件不變，冷凝溫度tk變化(升高)的影響hp1234tkt04t′k3′2′4′q′0q0不變單位制冷量q0吸氣比容v1

qvQ01.單位制冷量由q0減小到q0＇。2.吸入狀態(tài)的比體積v1不變。3.由于q0減小至q0＇，而v1不變，因此qv將減小到qv＇。其他條件不變，冷凝溫度tk變化(升高)的影響hp1234tkt0t′k3′2′4′w0w′0不變單位壓縮功w0

吸氣比容v1

wvP制冷系數(shù)4.單位壓縮功由w0增大到w0＇。

5.由于qm不變，q0減小到q0＇。w0增大到w0制冷機的制冷量由Q0減小到Q0＇，而理論功率將由P0增大到P0＇。Tk降低時,相反

2.蒸發(fā)溫度變化時制冷機的性能冷凝溫度Tk不變,蒸發(fā)溫度T0變化

其他條件不變，蒸發(fā)溫度t0變化(降低)的影響hlgp蒸發(fā)溫度t0時：1-2-3-4-1蒸發(fā)溫度降低為t′0時：1′-2′-2-3-4-1′1234tkt02′4′t′01′其他條件不變，蒸發(fā)溫度t0變化(降低)的影響lgph1234tkt02′4′t′01′單位制冷量q0

吸氣比容v1

制冷劑質(zhì)量流量GQ0q′0q0其他條件不變，蒸發(fā)溫度t0變化(降低)的影響ph1234tkt02′4t′01′w′0w0P單位壓縮功w0

制冷劑質(zhì)量流量G

時，P最大′制冷機的制冷量，制冷劑流量及制冷系數(shù)都是降低的，而壓縮機的功率是增大還是減小，與變化前后的壓比值有關(guān)。

T0升高時,相反

3.單級壓縮制冷機的工況

工況，是指制冷系統(tǒng)的工作條件。用來作為比較制冷機性能參考狀態(tài)的工況一般應包括制冷機的蒸發(fā)溫度、冷凝器溫度、過冷溫度、吸氣過熱溫度等。如果不是飽和狀態(tài)，有時稱吸氣溫度為過熱溫度，液體溫度為過冷溫度。機組型式分為全封閉、半封閉和開啟式。

壓縮機的制冷量和軸功率等參數(shù)隨工況條件變化，為了衡量、比較壓縮機性能，制定公認的溫度條件(名義工況)，作為壓縮機制冷量選用和比較的標準。銘牌上標示的制冷量和功率一般是在標準工況下的值，如為空調(diào)專用，則為空調(diào)工況。名義工況(舊)標準工況空調(diào)工況名義工況(新)高溫工況中溫工況低溫工況容積式制冷壓縮機及機組的名義工況

類別工況序號蒸發(fā)溫度/℃冷凝溫度/℃吸氣溫度/℃液體溫度/℃機組型式

高溫1（1A）7（7.2）55（55.4）18（18.3）50(46.1)所有形式

27431838

中溫3（3A）-7（-6.7）49（48.9）18(4.4）44(48.9)所有形式(全封閉)（3B）(18.3)(半封閉)(開啟式)4-7431838所有形式

低溫I5（5A）-23（-23.3）55（54.4）32(32.2)32(32.2)全封閉

6（6A）49（48.9）5(4.4)44(48.9)所有形式

7-2343538

低溫II8（8A）-4035（40.6）-10(4.4)30(40.6)所有形式(全封閉)（8B）(18.3)(半封閉)(開啟式)第五節(jié)制冷循環(huán)的熱力學第二定律分析熱力學第二定律不僅可以判斷過程的發(fā)展方向、能量的品位，而且還可以用來分析系統(tǒng)內(nèi)部的各種損失。實際過程或循環(huán)，總是存在著各種不可逆過程,從分析循環(huán)損失著手，可以知道一個實際循環(huán)偏離理想可逆循環(huán)的程度、循環(huán)各部分損失的大小，從而可以指明提高循環(huán)經(jīng)濟性的途徑。1.熵分析法2.火用分析法熵是表征工質(zhì)狀態(tài)變化時，與外界換熱程度的一個導出的熱力學狀態(tài)參數(shù)。kJ／kg.k定義式

qrev是可逆過程的換熱量，T為熱源溫度可逆過程1-2的熵增克勞修斯積分

=0絕熱等熵過程＜0工質(zhì)對外放熱＞0工質(zhì)從外界吸收熱量

1.熵分析法對于一個由制冷機及其環(huán)境（包括被冷卻物體及冷卻介質(zhì)）所構(gòu)成的孤立系統(tǒng)，當其中進行的過程完全可逆時系統(tǒng)的熵保持不變。若過程不可逆，則系統(tǒng)的熵要增大,即

。

逆向循環(huán)，不可逆過程將導致循環(huán)多消耗一部分附加功。多消耗的附加功為制冷循環(huán)所消耗的功為

實際循環(huán)的熱力完善度為

例3-3試用熵分析法分析例3-2循環(huán)的損失。解：循環(huán)的lg

p-h圖如圖3-14，取冷凝溫度比高溫熱源高8℃，蒸發(fā)溫度比低溫熱源低5℃，壓縮機的指示效率為0.75，壓縮機的機械效率為0.92，可確定循環(huán)各點的狀態(tài)參數(shù)如下表。

狀態(tài)點參數(shù)單位數(shù)值注p0kPa1160t0℃-23t0=t0'-5=-18-5=-23h0kJ/kg382.9p1kPa1161t1℃0v1m3/kg0.185h1kJ/kg401.6p2kPa10162st2s℃71.5由圖查得h2skJ/kg452.1p3kPa10163t3℃40t3=ta+8=32+8=40h3kJ/kg256.2p4kPa10164t4℃27.3根據(jù)p4、h4查圖由熱平衡式算出h4kJ/kg237.5實際循環(huán)輸入功W為：逆卡諾循環(huán)消耗的功Wmin為：下面用熵增來計算多消耗的功。在制冷系統(tǒng)中，制冷劑經(jīng)過循環(huán)變化之后其熵值不變，因此，孤立系統(tǒng)的熵增可根據(jù)被冷卻物體及環(huán)境介質(zhì)熵的變化來計算。被冷卻物體熵的變化是：高溫熱源熵的變化是故實際循環(huán)比逆卡諾循環(huán)所多消耗的理論功孤立系統(tǒng)的熵增為制冷循環(huán)總的多消耗的功為：此值與上面算出的結(jié)果完全相符分析循環(huán)的各個過程因不可逆而引起的損失：壓縮過程的損失為：冷凝過程的損失為：節(jié)流過程的損失為：0122s2v345ppk0Lgph0122s2v345ppk0Lgph回熱過程的損失為：蒸發(fā)過程的損失為：0122s2v345ppk0Lgph循環(huán)熱力完善度為：和總的多消耗的功接近，1%的誤差是由數(shù)值計算誤差累積各部分損失之和：最大的損失發(fā)生在壓縮機

2.火用分析法

一種形式的能量并不總是可以完全轉(zhuǎn)換為功。從這一角度出發(fā)，可以把能量看成由兩個部分組成：可轉(zhuǎn)換的部分與不可轉(zhuǎn)換的部分，前者稱為火用，后者稱為火無。能量中火用比例越大，它能轉(zhuǎn)化為有用功(也叫技術(shù)功)的部分愈大，它的品位也就愈高。

機械能(動能、位能和機械功)、電能，由于它們原則上可以全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ虼巳珵榛鹩脙?nèi)能和熱能則既包含火用．又包含火無，只有環(huán)境狀態(tài)下的內(nèi)能和環(huán)境溫度下的熱能全為火無火用的概念

1.熱量（冷量）火用2.焓火用工程上常用：

熱源在放熱過程中溫度由T1降至T2，放出的熱量為Q，則Q的火用可表示為如果熱源放熱時溫度T保持不變，則

T>環(huán)境溫度Ta，表示從一定的熱量Q中可得到最大功Eq。

T<Ta，Eq為從低于環(huán)境溫度的熱源中取出熱量Q所需要消耗的最小功。

T=Ta時,Eq＝0，即環(huán)境溫度下熱量的火用為零，沒有作功能力1、熱量（冷量）火用熱源在溫度T時放出的dQ熱量中可轉(zhuǎn)換成有用功的部分就是它的火用,是過程量。2.焓火用的概念

流動的流體所具有的火用稱為焓火用單位質(zhì)量流體的焓火用稱為比焓火用

火用效率可用來衡量一個技術(shù)過程的熱力學完善程度處于某種給定狀態(tài)(p,t,v,s,h),流入穩(wěn)定開口系，流出時達到與環(huán)境相平衡狀態(tài)(pa,ta,va,sa,ha),0122s2v345ppk0Lgph

制冷循環(huán)中各個過程的火用分析

只要列出該過程的火用平衡方程1、壓縮過程(1-2)

火用平衡方程

火用損失

2、冷凝器中的冷卻冷凝過程（2-3）

火用平衡方程

火用損失

3、回熱過程（3-4，0-1）

火用平衡方程

火用損失0122s2v345ppk0Lgph火用平衡方程中，熱力系統(tǒng)保持平衡，火用值也應該保持平衡，系統(tǒng)提供的熱量火用與工質(zhì)焓火用之和等于系統(tǒng)完成技術(shù)功與火用損失之和4、節(jié)流過程