第二章 容積型制冷壓縮機(jī)的熱力學(xué)基礎(chǔ)

第二章容積型制冷壓縮機(jī)的熱力學(xué)基礎(chǔ)第1頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity在蒸氣壓縮式制冷機(jī)中應(yīng)用最廣泛使用數(shù)量最多單機(jī)功率范圍寬廣結(jié)構(gòu)型式眾多最常用：往復(fù)式壓縮機(jī)容積型制冷壓縮機(jī)：第二章容積型制冷壓縮機(jī)的熱力學(xué)基礎(chǔ)第2頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三往復(fù)式壓縮機(jī)有關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)外止點(diǎn)（上止點(diǎn)）內(nèi)止點(diǎn)（下止點(diǎn)）活塞行程（S=2R）氣缸直徑（D）50，70，100，125，170mm余隙容積VcSchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity外止點(diǎn)內(nèi)止點(diǎn)第3頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三余隙容積:

由于壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)、制造、裝配、運(yùn)轉(zhuǎn)等方面的需要，氣缸中某些部位留有一定的空間或間隙，將這部分空間或間隙稱為余隙容積

存在的部位：

1.活塞運(yùn)動(dòng)排氣行程終了時(shí)，其端面與氣缸端面之間的間隙；

2.氣缸鏡面與活塞外圓（從端面到第一道活塞環(huán)）之間的間隙；

3.

由氣閥至氣缸容積的通道所形成的容積。氣閥本身所具有的容積，如閥座的通道、彈簧孔等（通道容積所占比例最大，環(huán)形間隙其值甚微）SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第4頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第一節(jié)單級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)的理論循環(huán)研究理論循環(huán)的目的找出循環(huán)基本熱力參數(shù)間的關(guān)系；找出提高循環(huán)指標(biāo)的基本途徑；確定循環(huán)的極限指標(biāo)，用于評(píng)價(jià)實(shí)際循環(huán)完善程度。第5頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity幾個(gè)假設(shè)條件:壓縮機(jī)沒(méi)有余隙容積；吸、排氣過(guò)程沒(méi)有壓力損失；吸、排氣過(guò)程中與外界沒(méi)有熱量交換；沒(méi)有泄漏；壓縮機(jī)在工作中沒(méi)有摩擦損失。第一節(jié)單級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)的理論循環(huán)由于理想工作過(guò)程不存在任何容積和能量損失。因此，對(duì)給定的壓縮機(jī)而言，它就能達(dá)到輸氣量最大，而耗功量最小的狀態(tài)。第6頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity1.

壓縮機(jī)的理想工作過(guò)程吸氣過(guò)程（d-a）當(dāng)活塞自左死點(diǎn)（上止點(diǎn)）向右移動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣閥打開(kāi)，排氣閥關(guān)閉，初態(tài)氣體吸入汽缸。氣缸容積逐漸增大。當(dāng)活塞到達(dá)右死點(diǎn)（下止點(diǎn)）時(shí)，進(jìn)氣閥關(guān)閉，吸氣過(guò)程結(jié)束。PVda第7頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity1.

壓縮機(jī)的理想工作過(guò)程壓縮過(guò)程（a-b）（可逆絕熱、等熵過(guò)程）活塞在外力推動(dòng)下向左回行，此時(shí)進(jìn)、排氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，缸內(nèi)工作容積逐漸減小。制冷劑蒸汽被壓縮，溫度和壓力逐漸升高。dab第8頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity1.

壓縮機(jī)的理想工作過(guò)程dabc排氣過(guò)程（b-c）

活塞行至相應(yīng)于b態(tài)位置，氣體壓力升高到略高于排氣腔中制冷劑壓力時(shí)，排氣閥打開(kāi)，活塞繼續(xù)左行，將處于排氣壓力的氣體不斷推出氣缸，直至活塞到達(dá)左死點(diǎn)，排氣過(guò)程結(jié)束。第9頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity

(1)氣缸工作容積

當(dāng)余隙容積為零，按壓縮機(jī)進(jìn)口吸氣狀態(tài)（Ps0,Ts0）計(jì)算，活塞移動(dòng)一個(gè)行程所掃過(guò)的氣缸容積Vp，即每一循環(huán)從氣缸中排出的氣體容積。2.

往復(fù)式壓縮機(jī)的理論輸氣量(m3)DS第10頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity(2)理論容積輸氣量qvt(理論排量)

壓縮機(jī)按理論循環(huán)工作時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)所能供給的按進(jìn)口吸氣狀態(tài)換算的氣體容積，與壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。

i—?dú)飧讛?shù)；n—轉(zhuǎn)速，r/min(3)理論質(zhì)量輸氣量qmt

vs0—吸氣狀態(tài)下的比容,

m3/kg理論排量由壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)速確定，與制冷劑種類和運(yùn)行工況無(wú)關(guān)。(m3/h)(kg/h)第11頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity3.壓縮機(jī)消耗的理論功率研究依據(jù)：穩(wěn)定流動(dòng)能量方程

對(duì)準(zhǔn)靜、穩(wěn)流過(guò)程，有：流經(jīng)壓縮機(jī)的氣體作間歇性周期變化，但由于轉(zhuǎn)速高，這種間歇性周期所需時(shí)間極短，在討論的時(shí)間段內(nèi)，壓縮機(jī)進(jìn)、排氣可近似看作是穩(wěn)定連續(xù)的。第12頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity3.壓縮機(jī)消耗的理論功率幾點(diǎn)說(shuō)明：

■

壓縮機(jī)消耗的理論壓縮功為技術(shù)功；

■

過(guò)程無(wú)能量損失時(shí)（忽略），有：

■

對(duì)不同壓縮過(guò)程，軸功的計(jì)算公式不同?？赡苓M(jìn)行的壓縮過(guò)程：等溫過(guò)程、等熵過(guò)程、多變過(guò)程。

第13頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三種壓縮過(guò)程：SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第14頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity設(shè)活塞對(duì)氣體所做的功為正值，壓縮機(jī)一個(gè)氣缸完成一個(gè)理論循環(huán)所消耗的理論功可用P-V圖面積a-b-c-d-a求得；被壓縮工質(zhì)為過(guò)熱蒸氣，可將其視為理想氣體；a-b為等熵壓縮過(guò)程（絕熱、可逆）。理論功計(jì)算第15頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity取等熵壓縮過(guò)程的理論循環(huán)功為制冷壓縮機(jī)的理論功Wts：對(duì)理想氣體和實(shí)際氣體：對(duì)理想氣體：第16頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity壓縮機(jī)消耗的理論功率制冷劑R717R22R502R134aR744k1.321.1941.1331.111.295*參考：吳業(yè)正，小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)，機(jī)械工業(yè)出版社

常用制冷劑的等熵指數(shù)：壓縮機(jī)消耗的理論功率：(kW)第17頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第二節(jié)容積型壓縮機(jī)的實(shí)際性能第18頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity

壓縮機(jī)中的壓力降

通過(guò)吸、排氣截止閥的壓力降；通過(guò)吸氣過(guò)濾器的壓力降；通過(guò)內(nèi)置電動(dòng)機(jī)的壓力降（封閉式壓縮機(jī)）；流過(guò)吸、排氣管道和室腔的壓力降；通過(guò)吸、排氣閥和閥孔的壓力降；通過(guò)內(nèi)部消聲器的壓力降；通過(guò)內(nèi)部分油器的壓力降；通過(guò)單向閥的壓力降等。

制冷劑的受熱從內(nèi)置電動(dòng)機(jī)吸熱（封閉式壓縮機(jī)）；與壓縮機(jī)中各種零部件的熱交換；吸收從摩擦損耗所轉(zhuǎn)換的熱量，如潤(rùn)滑油等。

影響容積型壓縮機(jī)性能的因素第19頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity氣閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律不完善帶來(lái)的效率下降；制冷劑泄漏的影響；再膨脹的影響（余隙容積的影響）；壓縮過(guò)程偏離等熵過(guò)程（由于壓縮機(jī)內(nèi)部阻力、機(jī)械摩擦和熱交換，實(shí)際壓縮過(guò)程為多變過(guò)程）；影響容積型壓縮機(jī)性能的因素第20頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity壓縮過(guò)程的過(guò)壓縮和欠壓縮（發(fā)生在具有固定內(nèi)容積比的容積型壓縮機(jī)中，如滑片式、螺桿式和渦旋式壓縮機(jī)）；潤(rùn)滑油循環(huán)量的影響；壓縮機(jī)的機(jī)械摩擦損失和內(nèi)置電動(dòng)機(jī)（封閉式壓縮機(jī)）的電動(dòng)機(jī)損失。影響容積型壓縮機(jī)性能的因素第21頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第三節(jié)內(nèi)容積比固定的壓縮機(jī)

的內(nèi)容積比效率第22頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity類型螺桿式壓縮機(jī)渦旋式壓縮機(jī)滑片式壓縮機(jī)特點(diǎn)無(wú)吸、排氣閥，屬?gòu)?qiáng)制性吸排氣；壓縮終了壓力取決于吸、排氣孔口位置，與排氣管中的壓力無(wú)關(guān)；產(chǎn)生過(guò)壓縮和欠壓縮，導(dǎo)致功耗增加。1.內(nèi)容積比固定的壓縮機(jī)無(wú)氣閥，吸排氣孔口的啟閉完全為幾何結(jié)構(gòu)所定，對(duì)于固定內(nèi)容積比壓縮機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)已定，就具有固定的內(nèi)容積比，這與活塞式壓縮機(jī)有很大區(qū)別。第23頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity內(nèi)容積比Vi

指壓縮機(jī)吸氣終了、壓縮剛要開(kāi)始時(shí)的工作容積，與壓縮終了剛要開(kāi)始打開(kāi)排氣口時(shí)的工作容積間的幾何比例關(guān)系，即吸氣容積與壓縮終了時(shí)的容積之比。內(nèi)壓力比εi—吸氣終了和壓縮終了時(shí)的工作容積；—吸氣終了和壓縮終了時(shí)汽缸中的壓力；—壓縮過(guò)程的多變指數(shù)。2.內(nèi)容積比和內(nèi)壓力比第24頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity過(guò)壓縮當(dāng)壓縮終了時(shí)氣缸中的壓力Pcyc大于制冷系統(tǒng)中排氣壓力Pdk，此時(shí)壓縮機(jī)的內(nèi)壓力比?i大于系統(tǒng)運(yùn)行中的壓力比?，即?i

>?。此時(shí),壓縮機(jī)中的壓縮過(guò)程發(fā)生過(guò)壓縮(圖2-2a)，產(chǎn)生等容膨脹額外功耗。欠壓縮當(dāng)Pcyc小于Pdk時(shí)，此時(shí)內(nèi)壓力比?小于系統(tǒng)壓力比?i，即?i<?，壓縮機(jī)中的壓縮過(guò)程發(fā)生欠壓縮(圖2-2a)

，產(chǎn)生等容壓縮額外功耗。3.過(guò)壓縮和欠壓縮第25頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity等容膨脹等容壓縮2121第26頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity過(guò)壓縮或欠壓縮消耗的指示功：

不存在過(guò)壓縮或欠壓縮（εi=ε），指示功：4.內(nèi)容積比效率ηvi第27頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三內(nèi)容積比效率ηVi

衡量具有固定內(nèi)容積比的壓縮機(jī)，在其內(nèi)壓力比不等于系統(tǒng)壓力比情況下工作時(shí)，額外功耗損失的程度(2-10)（不存在過(guò)壓縮和欠壓縮的情況下所消耗的指示功,與出現(xiàn)過(guò)壓縮和欠壓縮的情況下每一循環(huán)所消耗的指示功之比。）SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第28頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第29頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity由于壓縮機(jī)在運(yùn)行中工況發(fā)生變化，系統(tǒng)壓比ε總是等于εi是不可能的。對(duì)于具有固定內(nèi)容積比的壓縮機(jī)，選用一內(nèi)容積比Vi，使其內(nèi)壓力比εi

略低于系統(tǒng)運(yùn)行的平均壓力比是比較合適的。第30頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity渦旋式壓縮機(jī)

設(shè)置排氣閥螺桿式壓縮機(jī)

設(shè)置內(nèi)容積比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由于工藝過(guò)程要求制冷壓縮機(jī)適應(yīng)變工況運(yùn)轉(zhuǎn)，但定容積比的渦旋式壓縮機(jī)不能適應(yīng)變工況要求，因此需要設(shè)置排氣閥，以防止變工況時(shí)產(chǎn)生過(guò)壓縮或欠壓縮造成的附加損失。有排氣閥的排氣角大小取決于冷凝壓力（即排氣壓力）和氣閥彈簧力，即可根據(jù)已知的內(nèi)容積比反算得出。螺桿式壓縮機(jī)內(nèi)壓縮終了的壓力往往同排氣管道的壓力不相等，帶來(lái)等容壓縮或等容膨脹的額外功耗。有必要進(jìn)行內(nèi)容積比調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓縮終了壓力等于排氣管道壓力，以適應(yīng)壓縮機(jī)在不同工況下的運(yùn)行。特別對(duì)于工況變化范圍大的機(jī)組，如熱泵機(jī)組，有必要實(shí)現(xiàn)內(nèi)容積比隨工況變化進(jìn)行無(wú)級(jí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，如滑閥無(wú)級(jí)內(nèi)容積比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等。第31頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity第四節(jié)

制冷壓縮機(jī)的基本性能參數(shù)第32頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity1.實(shí)際輸氣量2.容積效率3.制冷量4.排熱量5.指示功率和指示效率6.軸功率、軸效率和機(jī)械效率7.電功率和電效率8.性能系數(shù)

主要性能參數(shù)第33頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity1.

實(shí)際輸氣量（輸氣量）質(zhì)量輸氣量qma在一定工況下，單位時(shí)間內(nèi)由吸氣端輸送到排氣端的氣體質(zhì)量,單位kg/h。容積輸氣量qva

按吸氣狀態(tài)的容積計(jì)算,單位m3/h。

主要性能參數(shù)(2-11)第34頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity(m3/h)理論輸氣量由壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)速確定，與制冷劑種類和運(yùn)行工況無(wú)關(guān)。式中，D—?dú)飧字睆?m;S—活塞行程,m;i—?dú)飧讛?shù);n—轉(zhuǎn)速，r/min。理論容積輸氣量（理論排量）第35頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity2.容積效率ηv

實(shí)際輸氣量與理論輸氣量之比。反映了容積型壓縮機(jī)的氣缸工作容積的有效利用程度。

主要性能參數(shù)(2-12)第36頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity3.制冷量Q0主要性能參數(shù)q0m—制冷劑在給定制冷工況下的單位質(zhì)量制冷量,J/kg;q0v—制冷劑在給定制冷工況下的單位容積制冷量,J/m3。(kW)輸氣量不能直觀的反映壓縮機(jī)的制冷效果。壓縮機(jī)的制冷量，就是壓縮機(jī)在一定的運(yùn)行工況下，在單位時(shí)間內(nèi)被它抽吸和壓縮輸送的制冷工質(zhì)在蒸發(fā)制冷過(guò)程中從低溫?zé)嵩矗ū焕鋮s的物體）中所吸取的熱量。

(2-13)第37頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity4.排熱量Qh

壓縮機(jī)制冷量和部分壓縮機(jī)輸入功率的當(dāng)量熱量之和，通過(guò)冷凝器排出。

主要性能參數(shù)(kW)h1－壓縮機(jī)工質(zhì)進(jìn)口處的比焓，J/kg；Pel－壓縮機(jī)的輸入功率，kW;h2－壓縮機(jī)工質(zhì)出口處的比焓，J/kg；Qr－壓縮機(jī)向環(huán)境的散熱量,kW。

f：考慮到壓縮機(jī)散熱量的系數(shù)f＝0.75（小型機(jī)組）f＝0.9（大型機(jī)組）由能量平衡：(2-14)第38頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity5.指示功率和指示效率指示功率Pi

單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際循環(huán)所消耗的指示功。

Wi—每個(gè)氣缸或工作容積的實(shí)際循環(huán)指示功，J；i

—?dú)飧讛?shù);

n

—轉(zhuǎn)速，r/min。

(kW)主要性能參數(shù)(2-15)第39頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity指示效率ηi

壓縮1kg工質(zhì)所需的等熵循環(huán)理論功wts

(J/kg)與實(shí)際循環(huán)指示功wi

(J/kg)之比。用于評(píng)價(jià)壓縮機(jī)氣缸或工作容積內(nèi)部熱力過(guò)程的完善程度。(2-16)Pts—壓縮機(jī)按等熵壓縮理論循環(huán)工作所需功率，kW。

Pi

—指示功率。

主要性能參數(shù)第40頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity6.軸功率、軸效率和機(jī)械效率軸功率Pe

原動(dòng)機(jī)傳到壓縮機(jī)主軸上的功率。包括直接用于完成壓縮機(jī)工作循環(huán)過(guò)程的指示功率Pi，以及用于克服壓縮機(jī)中各運(yùn)動(dòng)部件的摩擦阻力和驅(qū)動(dòng)附屬設(shè)備的摩擦功率Pm。

(kW)摩擦功率指示功率軸功率主要性能參數(shù)(2-17)第41頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity軸效率ηe

等熵壓縮理論功率Pts與軸功率Pe之比。用于評(píng)價(jià)主軸輸入功率的利用完善程度，較適用于開(kāi)啟式壓縮機(jī)。

主要性能參數(shù)(2-18)第42頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SchoolofPowerEngineeringChongqingUniversity機(jī)械效率ηm

指示功率Pi與軸功率Pe之比。用于評(píng)定壓縮機(jī)摩擦損耗的大小程度。

由式(2-16)、