第2章 单级蒸气压缩制冷循环
蒸气压缩式制冷的理论循环
蒸气压缩式制冷的理论循环1. 单级蒸气压缩式制冷的理论循环的形式单级蒸气压缩式制冷的理论循环是在逆卡诺循环的基础上,作了如下变化:(1)节流阀代替膨胀机;(2)干压缩代替湿压缩。
循环的特点是制冷剂在压缩机的吸入状态和冷凝器的出口状态都是饱和状态,又将理论循环称为饱和循环。
当然,理论循环还保留逆卡诺循环的其它假定。
循环原理图和循环状态点在T-S图上的表示如图1-2、图1-3所示。
单级蒸气压缩式制冷循环由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器四大部件组成。
制冷剂在循环过程中各点的状态分别是:压缩机吸入口状态1为低温低压的饱和蒸气;压缩机压缩后状态2为高温高压的过热蒸气状态;冷凝器出口状态3为常温高压的饱和液体状态;节流阀图1-2 理论循环原理图图1-3理论循环在T-S图上的表示出口状态4为低温低压的湿蒸气状态(由大部分低温饱和液体和小部分低温饱和蒸气组成)。
将这四个状态点的特性列成表来表示,见表1-1。
单级蒸气压缩式制冷理论循环各状态点特性表1-1循环过程中,各设备的作用是:压缩机起到了压缩和输送制冷剂,并造成蒸发器的低压作用;冷凝器起到了将低温物体的热量和压缩功转变的热量传给环境的作用;蒸发器则起到了吸收被冷却物体的热量的作用;节流阀起到节流降压、调节流量的作用。
制冷压缩机和节流阀将制冷系统分成高低压两个部分,高压部分从压缩机出口到节流阀进口;低压部分从节流阀出口到压缩机进口。
通过制冷循环,制冷剂不断吸收被冷却物体的热量,使被冷却物体温度维持在所需较低温度的水平,达到制冷的目的。
2. 单级蒸气压缩式制冷的理论循环在压焓图上的表示制冷循环中各过程的功量与热量的变化在压焓图中均可用过程初、终态制冷剂的焓值变化来计算,制冷工程广泛应用压焓图分析计算制冷循环。
(1)压焓图压焓图的示意图见1-4。
压焓图是以绝对压力为纵坐标(为了缩小图面,用对数坐标,其上的压力数值不需换算),以比焓为横坐标来表示制冷剂的状态。
二线、三区域、五种状态、六条等参数线。
单级蒸汽压缩式制冷循环
h4 h5
(1-4)
(4)蒸发过程: w 0
q0 h1 h5 h1 h4 (1-5)
为了说明单级压缩蒸气制冷机理论循环 的性能, 采用下列一些性能指标。
(1)单位制冷量 q0
单位制冷量可按式(1-5)计算。单位制
冷量也可以表示成汽化潜热r0和节流后的干度 x5的关系:
q0 r0 (1 x5 )
(4)单位冷凝热
qk
单位(1kg)制冷剂蒸气在冷凝器中 放出的热量,称为单位冷凝热。单位冷凝 热包括显热和潜热两部分
qk h2 h3 h3 h4 h2 h4 (1-9)
比较式(1-5)、(1-8)和(1-9) 可以看出,对于单级压缩式蒸气制冷机理 论循环,存在着下列关系
无效过热循环
无效过热循环:过热过程中产生的冷量没有
被冷却介质所吸收。
(1)单位制冷量 q0
不变
q0 (h1 h5 )
(1-13)
(2)单位容积制冷量 qv 减小
qv
h1 h5 v1'
(3)理论比功 w0
增加
w0 h2' h1'
(4)单位冷凝热 qk 增加
qk h2' h4
w
h
h h
q
按照热力学第一定律,对于在控制容积中进行 的状态变化存在如下关系:
q h w
(1-1)
这里,把自外界传入的功作为负值。
(1)压缩过程: q 0 w h2 h1
(2)冷凝过程: w 0
(1-2)
qk h2 h4
(1-3)
(3) 节流过程: w 0, q 0
(h1 h5 ) (h5 h5)
单级蒸气压缩制冷理论循环讲解
w=0、? c ? 0、 q=0
故:? h ? 0 ,h4=h3
即这一过程的起点和终点处于同一等 焓线上。
蒸发过程4-0
在此过程中,制冷剂在t0、p0保持不 变的情况下气化,吸收气化潜热,而所 吸收的热量来自被冷却对象。
理论条件
理论循环是在理论条件下构造出的模型,这些理 论条件是:
1)制冷剂的冷凝温度等于高温热源的温度,蒸发 温度等于低温热源的温度,且冷凝温度与蒸发温度恒 定不变。
2)在制冷系统中,除节流膨胀产生压力降外,无 任何其他流动阻力损失。
3)压缩过程为等熵过程。 4)在节流过程中,流速变化可以忽略不计。 5)除换热设备外,与外界无任何热交换。 6)制冷剂是纯净的。
ε0=q0/w0 对于理论循环:
ε0=q0/w0 =(h0-h3)/(h2-h0) 制冷系数是制冷循环的一个重要指标。在给 定冷凝温度和蒸发温度的条件下,制冷系数越 大,就表示循环的经济性越好。由于 q0和w0都 随循环的工作温度而变,当冷凝温度越高、蒸 发温度越低,制冷系数就越小。
2)单位容积制冷量 qv 定义为按吸入状 态计压缩机每吸入单位容积的制冷剂蒸 气所能获得的制冷量。
qv=q0/v0=(h0-h3)/v0 (kJ/m3)
3)单位理论功 w0 w0表示在理论循环中 制冷压缩机每压缩并输送单位质量制冷 剂蒸气所消耗的功。由于在节流过程中 w=0,因此,压缩机所消耗的单位理论功 即为循环的单位理论功:
在温熵图上, 0点是饱和蒸气, 0-2是等熵 线;2点是过热蒸气(高压排气温度), 3点冷 凝温度,压力处在饱和液体线上; 4点四处于
第2章单级蒸气压缩制冷循环09
5)压缩机消耗的理论功率 P0=qmw0=0.347133.645=11.68kW
7)冷凝器单位热负荷 qk=h2-h3 =435.2-243.114=192.086kJ/kg
8)冷凝器热负荷 Qk=qmqk=0.3471192.086=66.67kW
八线:
– 等压线p(水平线) – 等焓线h(垂直线) – 饱和液体线x=0, – 饱和蒸气线x=1, – 无数条等干度线x – 等熵线s – 等容线v – 等温线t
2.1.2压焓图
六种等参数线: 等压线—水平 等焓线—垂直 等温线—过冷液体区:垂直线; 两相区:水平; 过热蒸汽区:右下弯曲。 等熵线—右上倾斜。 等容线—右上倾斜虚线,较等熵线平坦。 等干度线—位于两相区,与饱和液体线和饱和蒸 汽线相近。 (t、p、v、h、s、x)中两个独立变量,两相区仅 一个独立变量。
降压并调节入蒸发器的流量
制冷剂液体吸热、蒸发、制冷
思考
1、蒸气压缩制冷循环系统主要由哪些部件 组成,各有何作用?
2、蒸发器内制冷剂的汽化过程是h—p)
液相区
气相区 两相区
一点:
– 临界点C
三区: – 过冷液体区、 – 两相区、 – 过热蒸气区。
五态: – 过冷液体状态、 – 饱和液体状态、 – 湿蒸气状态、 – 饱和蒸气状态、 – 过热蒸气状态。
2.系统组成及部件的作用
1)组成 制冷压缩机 冷凝器 节流器 蒸发器 单级蒸气压缩式制冷循环,是指制冷剂在 一次循环中只经过一次压缩,最低蒸发温度可 达-40~-30℃。单级蒸气压缩式制冷广泛用于 制冷、冷藏、工业生产过程的冷却,以及空气 调节等各种低温要求不太高的制冷工程。
单级蒸气压缩式制冷的理论循环
3. 1单级蒸气压缩式制冷的理论循环3. 1. 1制冷系统与循环过程单级蒸气压缩式制冷系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四大部件组成,如图3-1所示。
对制冷剂蒸气只进行一次压缩,称为蒸气单级压缩。
整个循环过程主要由压缩过程、冷凝过程、节流过程以及蒸发过程四个过程组成,每个过程在不同的部件中完成,制冷剂在每个过程中的状态又各不相同,具体情况如下。
图3- 1单级蒸气压缩式制冷系统1压缩机2冷凝器3膨胀阀4蒸发器压缩过程:整个循环过程中,压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸气并造成蒸发器中低压和冷凝器中高压的作用,是整个系统的心脏。
制冷循环的压缩过程是在压缩机中完成的:压缩机不断抽吸从蒸发器中产生的压力为P。
、温度为t。
的制冷剂蒸气,将它压缩成压力为p k、温度为t k的过热蒸气,并输送到冷凝器中。
在这个过程中,压缩机需要做功。
冷凝过程:冷凝器是制冷系统中输出热量的设备,冷凝过程是在该部件中完成的。
在压力P k下,来自于压缩机的制冷剂过热蒸气在冷凝器中首先被冷却成饱和蒸气,然后再逐渐被冷凝成液体,制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质(通常是水或空气)。
在冷凝过程中,与冷凝压力P k相对应的冷凝温度t k一定要高于冷却介质的温度,冷凝后的液体通过膨胀阀或其它节流元件进入蒸发器。
节流过程:节流过程是在膨胀阀中完成的。
当制冷剂液体经过膨胀阀时,压力由P k降至P。
,温度由t k降至t。
,部分液体气化。
所以离开膨胀阀的制冷剂为温度为t。
的两相混合物,该两相混合物进入蒸发器。
蒸发过程:蒸发器是制冷系统中冷量输出设备,蒸发过程是在蒸发器中完成的。
在蒸发器中,来自膨胀阀的两相混合物在压力P0和温度t0下蒸发,从被冷却介质中吸取它所需要的气化潜热,从而达到制取冷量的目的。
在蒸发过程中,与蒸发压力P0相对应的蒸发温度t o —定要低于被冷却介质的温度。
3. 1. 2压焓图和温熵图在制冷循环的分析和计算中,通常要用到两种工具,即压焓图和温熵图。
单级蒸汽压缩式制冷循环
制冷系统各部件的主要用途
放热,使高压高温制冷剂蒸汽冷却 、冷凝成高压常温的制冷剂液体
压缩制冷剂蒸汽,提高 压力和温度
得到低温低压制冷剂
制冷剂液体吸热、蒸发、制冷
单级蒸汽压缩式制冷循环
容积式压缩机的单级压比受压 缩机容积效率和压缩终了温 度的制约 通常被限制在8~10
离心式压缩机的单级压缩比受 工质分子量大小与叶轮的周 边速度制约 通常被限制在 2~4
➢ “冷”相对于环境温度而言, 一般是指环境温度至绝对零 度。
通过123K来分界温区
制冷温区 123K以上
低温温区 123K以下
低温温度范围
蒸汽压缩式制冷循环
“冷源”指需冷却的空间 “热源”则指制冷机放热的
对象 制冷循环就是通过一定的
能量补偿,从低温热源 吸热,向高温热源排热。 热源的温度决定制冷剂 吸热与排热的温度与压 力,相应地决定了制冷 循环中的高低压侧的压 力比。
4.单位冷凝热负荷 qk • 制冷压缩机每输送1kg制冷剂在冷凝器中放出的热
量,称为单位冷凝热负荷,用qk表示。 • qk=(h2-h2)+(h2-h3)=h2-h3 • 式中: • qk单位冷凝热负荷(kJ/kg); • h2与冷凝压力对应的干饱和蒸汽状态所具有的
比焓值(kJ/kg); • h3与冷凝压力对应的饱和液状态所具有的比焓
4-1表示制冷剂在蒸发器汽化和压降 过程;
1-1表示制冷剂蒸汽的过热(有益或 有害)和压降过程;
节流机构、管道
节流机构 控制进入蒸发器的制冷剂质 流率;对制冷剂的流动起扼制作用; 使来自冷凝器的高压液态制冷剂压 力降低。
管道 用管道将制冷机各组成部件连接 成一个完整的制冷系统,使制冷剂 在封闭的系统中循环。
单级压缩式制冷理论循环
得到低温低压制冷剂
制冷剂液体吸热、蒸发、制冷
21
1.1 单级蒸气压缩式制冷循环 的基本工作原理
制冷剂的变化过程(flash)
22
制冷剂的变化过程
制冷剂在制冷压缩机中的变化
制冷剂蒸气由蒸发器的末端进入 压缩机吸气口时,压力越高温度 越高,压力越低温度越低。
制冷剂蒸气在压缩机中被压缩成
5
T0
1
TL
44
3) 制冷剂液体在节流前无过冷,为饱 和液体。
4) 制冷剂在管路中流动时无任何状态 变化,即无流阻压降,无传热。
5) 节流为绝热过程,节流前后焓值相 等。
45
qK
P
4
2
w0
5
1
q0
单级蒸汽压缩制冷循环
ht 液相区
C 气相区 s
两相区
v
x=0 x
x
p
x=1 t
h
46
3、理论循环的热力状态图 p-h 图
吸热蒸发,变成低温低压制冷剂气
26
作业:
简单描述单级蒸汽压缩式制冷循环。 蒸气压缩制冷循环系统主要由哪些部件
组成,各有何作用?
27
二、理论的单级蒸气压缩式制冷循环及 热力计算
28
单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成:
制冷压缩机 冷凝器 节流器 蒸发器
单级蒸气压缩式制冷循环,是指制冷剂在一 次循环中只经过一次压缩,最低蒸发温度可 达-40~-30℃。单级蒸气压缩式制冷广泛用 于制冷、冷藏、工业生产过程的冷却,以及 空气调节等各种低温要求不太高的制冷工程。
饱和蒸气在等温条件下,继续放出热 量而冷凝产生了饱和液体。
制冷剂在节流元件中的变化
单级蒸汽压缩式制冷循环
qvh = qvs λ =13.67*10-3(m3/s)
=12.87 指示热力学完善度: 指示热力学完善度: ηei = εi εc =0.42
εc = (273.15 +10) (32 -10)
12
解: 绘制制冷循环的压绘制制冷循环的压-焓图
查氨的热力性质图、 查氨的热力性质图、表,得
点 号 0 1 P (MPa) 0.517 0.517 1.557 1.557 35 T (℃) ℃ 5 10 h (kJ/kg) 1461.693 1475.243 0.2494 1635.953 366.691 V (m3/kg)
2 单级蒸汽压缩式制冷循环
2.1 2.2 2.3 2.4 单级蒸汽压缩式制冷的理论循环 单级蒸汽压缩式制冷的实际循环 单级蒸汽压缩式制冷机的性能与工况 单级蒸汽压缩混合工质制冷循环
1
2.1 单级蒸汽压缩式制冷的理论循环
一.系统与循环 1.系统组成 1.系统组成 在主要由压缩机、冷凝器、 在主要由压缩机、冷凝器、 节流(膨胀) 节流(膨胀)阀和蒸发器四个基 本部件组成。 本部件组成。 图与p-h图 二. T-s图与 图 图与 (1)T-s图——温熵图 温熵图
带来的后果: (1)单位质量制冷量上升 单位质量制冷量上升: (1)单位质量制冷量上升:
→
(2)制冷系数增大: (2)制冷系数增大: 制冷系数增大 (3)在总制冷量一定时, (3)在总制冷量一定时,采 在总制冷量一定时 用过冷可减小制冷剂流量: 用过冷可减小制冷剂流量:
三.举例 6.某空调用制冷系统 工质为氨,需要制冷量Q =48KW, 某空调用制冷系统, 例2-6.某空调用制冷系统,工质为氨,需要制冷量Q0=48KW,空调用冷水温 =10℃,冷却水温度t =32℃,蒸发器端部的传热温差取△ ℃,冷凝器端 度tc=10℃,冷却水温度tw=32℃,蒸发器端部的传热温差取△t0=5 ℃,冷凝器端 部的传热温差取△ ℃,试作制冷机的热力计算 部的传热温差取△tk=8℃,试作制冷机的热力计算。计算中取液体过冷度△tg=5 ℃,试作制冷机的热力计算。计算中取液体过冷度△ 吸气管路有害过热度△ 压缩机的输气系数=0.8 指示效率=0.8 =0.8, =0.8。 ℃,吸气管路有害过热度△tr=5 ℃,压缩机的输气系数=0.8,指示效率=0.8。
第2章- §4 单级蒸气压缩式制冷机的性能及工况
定数值。
F 0 qm q0 hv qvh qzv
qvh F0 =常数 hv qzv
a 工况F0a、hva、qzva, b工况F0b、hvb、
qzvb,则:
F 0 a hv a qzva F 0 b hv b qzvb
如果a 工况为已知,则b工况的制冷量:
室外侧 湿球温度 24 19 24 6 1 -8
T1:温带气候,43℃; T2:低温气候,35 ℃; T3:高温气候,52 ℃。
10:15 14
BACK
例: 实际循环的热力计算
Tianjin University of Commerce
某单位欲建一冷库,室内温度要求 ta= -5℃,现利
用已有的一台4AV12.5制冷压缩机进行配套,压缩 机活塞行程100mm, 转速960rpm,冷却水出水温度 为 tw=30℃,冷凝器端部传热温差Dtk=5℃,过冷器 用深井水,过冷度为 Dtg=5℃;蒸发器端部传热温 差Dt0=10℃,管路有害过热 Dtr= 5℃。hv= 0.68, ηi=0.83,ηm=0.90。 试进行该制冷机的热力计算。
(3)理论比功
w0 h2 h1 1710 1451.87 258.13 kJ / kg
(4)理论循环性能系数
q0 COP0 4.25 w0
10:15 19
BACK
Tianjin University of Commerce
(5)冷凝器单位热负荷
qk h2 s h3 1762.84 366.691 1396.149 kJ / kg
o
h
tk tw Dtk 30 5 35 oC t4 tk Dt g 35 5 30 oC t1 t0 Dtr 15 5 10 oC
2.单级蒸气压缩式制冷循环
2.6 单级蒸气压缩混合工质制冷循环
2. 6.1 劳仑兹循环
由两个变温热源与两个绝热 压缩、绝热膨胀过程组成的逆卡 诺循环,就称为劳伦兹循环。 这样,对于外部为变温热源 时,降低制冷工质在吸热或放热 过程中的传热温差,使制冷工质 的温度变化趋势与冷、热源温度 的变化趋势完全一样,从而提高 循环的制冷系数。所以,劳伦兹 循环是外部具有变温热源的理想 制冷循环。
非共沸混合制冷剂单级蒸气压缩制冷循环的
T-S图及p-h图
采用非共沸混合工质与纯制冷剂循环的区别仅在于制冷剂在冷凝和 蒸发时温度在不断地变化。这样不仅可以达到节能,而且可以扩大温度 使用范围。
第二章 习题
问答题:
1.什么叫热力完善度?它与制冷系数有何区别? 2.为什么蒸气压缩式制冷机不能完全按照逆卡若循环来工作?蒸气压缩 式制冷的理论循环与理想循环有哪些主要区别?实际循环与理论循环又 有哪些只要区别? 3.在蒸气压缩式制冷循环的热力计算中,为什么多采用压—焓(lgp-h) 图?试说明压—焓图的组成。
55
3.120 5.569
由上面的表可以看出,对于CO2跨临界制冷循环,
即使采用双级压缩,其循环的COP也低于常规工质的
蒸气压缩式循环,然而采用膨胀机循环,COP则比较 高,与常规工质的蒸气压缩式循环相当。所以利用膨 胀机回收膨胀功,是提高CO2制冷循环效率的根本途 径,也是CO2制冷技术推广和应用的关键。
具有蒸汽过热的制冷循环
(1) 过热没有产生有用的制冷效果 由于蒸气比容增加,单位容积 制冷量减少,导致循环制冷量降低; 且由于循环比功增加,使得循环的 制冷系数下降,称为“无效”过热。 (2)过热本身产生有用的制冷效果 如果蒸气过热发生在蒸发器的后部,或者发生在空调室内,因而 产生了有用的制冷效果,则称为“有效”过热。 有效过热使循环的单位制冷量有所增加,但由于吸入蒸气的比容 也随之增加,故单位容积制冷量可能增加,也可能减少,这与制冷剂 本身的特性有关。
2.单级蒸气压缩式制冷循环解析
2. 2.1 液体过冷对循环性能的影晌
制冷剂液体的温度低于同一压力下饱和状态的 温度称为过冷,两者温度之差称为过冷度。 在实际制冷循环中,制冷剂液体离开冷凝器进 入流阀之前往往具有一定的过冷度,过冷度的大小 取决于冷凝系统的设计和制冷剂与冷却介质之间的 温差。
具有液体过冷的制冷循环
液体过冷后使
单位制冷量有所增 加,增加量可4′-4
在系统中增加一个气一液热交换器—又 称回热器,使节流前的液体和来自蒸发器的 低温蒸气进行内部热交换。热交换的结果使
制冷剂液体过冷,低温蒸气有效过热。这样,
不仅增加了单位制冷量,而且减少了蒸气有 害过热。 单位制冷量的增加量: 循环的比功增加量:
采用回热循环后制冷系数可能增加,也可能减少,它的变化规律与前面所
各种制冷剂在过热区内 单位容积制冷量的变化情况
各种制冷剂在过热区内 制冷系数的变化情况
单位容积制冷量随过热度的变化规律 与制冷系数的变化规律 是一致的。对于氨、R11和R22而言,吸人蒸气过热使单位容积 制冷量下降,制冷系数降低;但对于R12、R502、CO2和丙烷而 言, 正好相反。
2.2.3气一液热交换器对循环性能的影响
2. 1 . 2 压烩图及温熵图
2. 1. 3 制冷循环过程在压烩图上的表示
蒸气压缩式制冷理论循环的T-s图和p-h图
1-2:等熵压缩过程; 2-3-4:等压冷却和冷凝过程 : 4-5:等焓节流过程; 5-1:等压吸热气化过程。
2.1.4单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
1kg制冷剂每完成一个理论制冷循环,所获得的制冷量 及耗功率: *单位质量制冷量q0 q0=h1-h5=h1-h4 (kJ/kg) *单位容积制冷量qv
Q0 q0 h1 h4 0 N t wc h2 h1
第二章单级蒸汽压缩制冷
二次冷却回路
1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环
1.3.2 液体过冷、吸气过热及回热循环 下图为具有液体过冷的循环和理论循环的对比图,1-2-3-4-1为理论循环,1-23'-4'-1表示过冷循环。 两个循环的比功相同,过冷循环中单位制冷量增加,从而导致过冷循环的制冷 系数增加。
1.3 单级蒸气压缩式制冷实际 循环
• 1.3.1 单级蒸气压缩式制冷实际循环与理论循 环的区别 • 1.3.2 液体过冷、吸气过热及回热循环 • 1.3.3 热交换及压力损失对制冷循环的影响 • 1.3.4 不凝性气体对制冷循环的影响 • 1.3.5 冷凝、蒸发过程传热温差对循环性能的 影响 • 1.3.6 实际制冷循环在压焓图上的表示及性能 指标
1.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环
7)冷凝器单位热负荷 qk=h2-h3 =435.2-243.114=192.086kJ/kg 8)冷凝器热负荷 Qk=qmqk=0.3471192.086=66.67kW
1.2 单级蒸气压缩式制冷理论 循环
• 作业
– 3. 制冷剂在蒸气压缩制冷循环中,热力状态 是如何变化的? – 4. 制冷剂在通过节流元件时压力降低,温度 也大幅下降,可以认为节流过程近似为绝热 过程,那么制冷剂降温时的热量传给了谁? – 5 单级蒸气压缩式制冷理论循环有哪些假设 条件?
1.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环
• 单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成:
– – – – 制冷压缩机 冷凝器 节流器 蒸发器
• 单级蒸气压缩式制冷循环,是指制冷剂在一次 循环中只经过一次压缩,最低蒸发温度可达40~-30℃。单级蒸气压缩式制冷广泛用于制冷、 冷藏、工业生产过程的冷却,以及空气调节等 各种低温要求不太高的制冷工程。
单级蒸汽压缩式制冷理论循环
2. 循环结果
单位质量制冷剂从被冷却介质(低温热源)吸热 单位质量制冷剂从被冷却介质((高温热源)放热 单位质量制冷剂向冷却介质(高温热源)放热Qk; 单位循环净耗功 wnet=Qk-Q0
3. 制冷系数
由T − S图得到逆卡诺循环吸热量Q0为
Q0 = TL ⋅ ( S b − S a ) = 面积(1 − 4 − a - b - 1)
T Tk T k' T 0' T0
Tk
3 3'
2 2'
T0
4' 4
1' 1
0
所以, 所以,有传热温差的制冷循 环的制冷系数小于逆卡诺循 环的制冷系数
冷源 图1-2 有传热温差的制冷循环 冷冻介质
b
a
s
劳仑斯循环—— 三、劳仑斯循环——变温热源间工作的可逆逆向循环
对于实际情况来说, 对于实际情况来说,在制 冷过程中冷源(被冷却物) 冷过程中冷源(被冷却物)的放热 过程和热源(冷却剂) 过程和热源(冷却剂)的吸热过程 一般都伴随温度的变化,这时, 一般都伴随温度的变化,这时, 不宜用逆卡诺循环作为衡量标准 而劳仑兹循环则是在两个变温 。而劳仑兹循环则是在两个变温 之间进行的理想制冷循环 热源之间进行的理想制冷循环, 热源之间进行的理想制冷循环, 如图所示。 如图所示。
蒸汽压缩式制冷循环有单级、多级、 蒸汽压缩式制冷循环有单级、多级、复叠式等循环之分 液体蒸发制冷的特征是:利用制冷剂液体在气化时(蒸发时) 液体蒸发制冷的特征是:利用制冷剂液体在气化时(蒸发时) 产生的吸热效应,达到制冷目的。 产生的吸热效应,达到制冷目的。
制冷循环就是通过一定的能量补偿, 制冷循环就是通过一定的能量补偿,从低温 热源吸热,向高温热源排热。热源的温度决定制 热源吸热,向高温热源排热。 冷剂吸热与排热的温度与压力, 冷剂吸热与排热的温度与压力,相应地决定了制 冷循环中的高低压侧的压力比。 冷循环中的高低压侧的压力比。 单级蒸气压缩式制冷循环, 单级蒸气压缩式制冷循环,是指制冷剂在一 次循环中只经过一次压缩, 次循环中只经过一次压缩,最低蒸发温度可达 -40~-30℃。单级蒸气压缩式制冷广泛用于制 40~ 30℃。 冷藏、工业生产过程的冷却, 冷、冷藏、工业生产过程的冷却,以及空气调节 等各种低温要求不太高的制冷工程。 等各种低温要求不太高的制冷工程。
单级蒸气压缩制冷理论循环
图2-3单级蒸气压缩制冷机基本组成
2.2 理论循环及其工作过程
1)理论条件 2)循环在lgp-h图及T-s图上的表示 3)理论循环的工作过程 4)理论循环的热力计算
理论条件
理论循环是在理论条件下构造出的模型,这些理 论条件是: 1)制冷剂的冷凝温度等于高温热源的温度,蒸发 温度等于低温热源的温度,且冷凝温度与蒸发温度恒 定不变。 2)在制冷系统中,除节流膨胀产生压力降外,无 任何其他流动阻力损失。 3)压缩过程为等熵过程。 4)在节流过程中,流速变化可以忽略不计。 5)除换热设备外,与外界无任何热交换。 6)制冷剂是纯净的。
图2-5
过冷循环
与理论循环相比,过冷循环的性能变化及其计算如 下。 节流前液体温度:t3'<t3 液体过冷度: Δtsc=t3-t3' (℃) 单位制冷量: q0sc=h0-h3'>q0=h0-h3 (kJ/kg) 单位制冷量的增加值: Δq0sc=h3-h3' (kJ/kg) 单位容积制冷量: qvsc=q0sc/v0>qv=q0/v0 (kJ/m3) 单位容积制冷量增加值: Δqvsc=(h3-h3')/v0 (kJ/m3)
循环在lgp-h图及T-s图上的表示
单级蒸气压缩制冷理论循环在lgp-h 图及T-s图上的表示见图2-4。其冷 凝温度和蒸发温度分别为tk和t0 ,冷 凝压力和蒸发压力分别为pk和p0 。
在压焓图上,0点是饱和蒸气,0-2是过0 点的等熵线与等压线的交点,2-3是等压线, 3-4节流过程,认为焓值不变,但该过程是一 个不可逆过程,所以用虚线表示,沿等焓线画 出。 在温熵图上,0点是饱和蒸气,0-2是等熵 线;2点是过热蒸气(高压排气温度),3点冷 凝温度,压力处在饱和液体线上;4点四处于 平均状态,一部分四饱和液体,一部分是闪发 蒸气,可用干度表示;3-4是非等熵过程,用虚 线表示。
《制冷技术与原理》——第2章 单级蒸汽压缩式制冷循环
的。
(4)单位冷凝热
qk
单位(1kg)制冷剂蒸气在冷凝器中 放出的热量,称为单位冷凝热。单位冷凝 热包括显热和潜热两部分
q k h 2 h 3 h 3 h 4 h 2 h 4(2-9)
比较式(2-5)、(2-8)和(2-9) 可以看出,对于单级压缩式蒸气制冷机理 论循环,存在着下列关系
2.1.1系统与循环
液体蒸发制冷构成循环的四个基本过程是:
①制冷剂液体在低压(低温)下蒸发, 成为低压蒸气
②将该低压蒸气提高压力为高压蒸气 ③将高压蒸气冷凝,使之成为高压液体 ④高压液体降低压力重新变为低压液体, 返回到①从而完成循环。
压缩机:
压缩和输送制冷蒸汽,并造成蒸发 器中低压、冷凝器中高压,是整个
等容线----向右上方倾斜的虚线;
等干度线----只存在于湿蒸气区域内,其方向 大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近,视干度 大小而定。
2.1.3 制冷循环过程在压焓图 和温熵图上的表示
3 4
B C
5D
p
2 1A
单级蒸气压缩 式制冷系统图
A—压缩机; B—冷凝器; C—节流阀; D—蒸发器。
4
pk 3 2
上面所述的循环,是单级压缩蒸气制 冷机的基本循环,也是最简单的循环。在 实用上,根据实际条件对循环往往要作一 些改进,以便提高循环的热力完善度。在 单级制冷机循环中,这一改进主要有液体 过冷、吸气过热及由此而产生的回热循环。
2.2.1 液体过冷对循环性能的影响
将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝 温度的状态,称为过冷。 带有过冷的循环,叫做过冷循环。
qkq0w 0
(2-10)
(5)制冷系数 0
对于单级压缩蒸气制冷机理论循环,
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3.理想制冷循环: 3.理想制冷循环:逆卡诺循环 理想制冷循环 4.实际采用的制冷理论循环 4.实际采用的制冷理论循环
两个定压过程;一个绝热压缩过程;一个绝热节流过程。 两个定压过程;一个绝热压缩过程;一个绝热节流过程。
5.特点 5.特点
①用节流阀代替膨胀机: 用节流阀代替膨胀机: ②损失膨胀功、产生“闪发气体”;但简化装置、便于调节, 损失膨胀功、产生“闪发气体” 但简化装置、便于调节, 产生节流损失。 产生节流损失。 ③用干压缩代替湿压缩;实现“干冲程”;但耗功量、制冷量 用干压缩代替湿压缩;实现“干冲程” 但耗功量、 均增加,制冷系数下降。 均增加,制冷系数下降。
6)性能系数 )
COP0 =
ω0
q0
= 4.71
7)冷凝器单位热负荷 ) qk=h2-h3 =435.2-243.114=192.086kJ/kg 8)冷凝器热负荷 ) Φk=qmqk=0.3471×192.086=66.67kW
思考
–1. 制冷剂在蒸气压缩制冷循环中,热力状 1. 制冷剂在蒸气压缩制冷循环中, 态是如何变化的? 态是如何变化的? –2 单级蒸气压缩式制冷理论循环有哪些假 2 设条件? 设条件?
六种等参数线: 六种等参数线: 等压线—水平 等压线 水平 等焓线-—垂直 等焓线 垂直 等温线—过冷液体区 垂直线; 两相区: 水平; 过冷液体区: 等温线 — 过冷液体区 : 垂直线 ; 两相区 : 水平 ; 过热蒸汽区:右下弯曲。 过热蒸汽区:右下弯曲。 等熵线—右上倾斜 右上倾斜。 等熵线 右上倾斜。 等容线—右上倾斜虚线 较等熵线平坦。 右上倾斜虚线, 等容线 右上倾斜虚线,较等熵线平坦。 等干度线—位于两相区,与饱和液体线和饱和蒸 等干度线 位于两相区, 位于两相区 汽线相近。 汽线相近。 (t、 x)中两个独立变量 中两个独立变量, (t、p、v、h、s、x)中两个独立变量,两相区仅 一个独立变量。 一个独立变量。
2)四个部件的作用 压缩机:压缩、 压缩机:压缩、输送 节流阀: 节流阀:降压并调节入蒸发器的流量 冷凝器: 冷凝器:输出热量 蒸发器:输出冷量。吸收被冷却物的热量。 蒸发器:输出冷量。吸收被冷却物的热量。
2.循环过程
等熵压缩( 1→2 等熵压缩(Pk), 等压冷却、 2→2/→3 等压冷却、冷凝 ( P k, t k) 等焓节流( 3→4等焓节流(P0,t0), 等压等温蒸发( 3→4等压等温蒸发(P0,t0)
2.2.2蒸汽过热对循环性能的影响 2.2.2蒸汽过热对循环性能的影响
蒸汽过热t>t 1)蒸汽过热t>t饱 形成制冷循环中吸气过热现象的原因主要有: 形成制冷循环中吸气过热现象的原因主要有: 1)蒸发器的蒸发面积的选择大于设计所需的 蒸发面积, 蒸发面积,制冷剂在蒸发器内吸收被冷却介质 的热量而过热,属有效过热。 的热量而过热,属有效过热。 2)制冷剂蒸气在压缩机的吸气管路中吸收外 界环境的热量而过热, 界环境的热量而过热,属无效过热。
理论循环过程在压焓图上的表示
1)制冷压缩机压缩过程 ) 2)制冷压缩机冷凝过程 ) 3)制冷压缩机膨胀过程 ) 4)制冷压缩机蒸发过程 )
2.1.4 单级蒸汽压缩式制冷的理论循环的热力计算
1.制冷剂单位质量的制冷能力q0? 2.制冷剂单位容积制冷量qv?
X=0
Ρk
4 3
X=1
2
3.制冷剂的质量流量MR? 4.压缩机压缩每kg制冷剂的耗功量W ? 5.压缩机理论耗功率Pth?
第二章 单级蒸气 压缩式制冷循环
目的、 目的、要求
掌握蒸气压缩式制冷的理论循环过程及热力计算 掌握单级蒸汽制冷循环的热力特性分析 掌握液体制冷剂的过冷和回气过热 掌握蒸气压缩式制冷的实际循环过程
2.1 单级蒸汽压缩式制冷的理论循环
2.1.1 系统与循环
1.循环过程 液体蒸发( 压缩( 高压气体冷凝( 液体蒸发(P0,t0)→压缩(P k)→高压气体冷凝(P k,tk) 节流( →节流(P0ห้องสมุดไป่ตู้t0)
(2)有效过热: q0=h1′-h4 有效过热: 压缩机容积q 不变: 压缩机容积qv不变: 增加, 增加, v1增加,q0增加, Φ0=qv q0/v1 增加,COP 增加。 CO2,R290 — Φ0增加,COP0增加。 22, 717— 减小, 减小。 R22,R717— Φ0减小,COP0减小。
2.系统组成及部件的作用
1)组成 制冷压缩机 冷凝器 节流器 蒸发器 单级蒸气压缩式制冷循环是制冷剂在一次循 环中只经过一次压缩,最低蒸发温度可达-40~ 环中只经过一次压缩,最低蒸发温度可达-40~30℃。单级蒸气压缩式制冷广泛用于制冷、冷藏、 30℃。单级蒸气压缩式制冷广泛用于制冷、冷藏、 工业生产过程的冷却, 工业生产过程的冷却,以及空气调节等各种低温 要求不太高的制冷工程。 要求不太高的制冷工程。
5
Ρo qo
h5
1
w
1’
2’
h
6. 冷凝器对单位质量制冷剂的热负荷 qk? 7.冷凝器的总热负荷Qk? 8.理论性能系数εth?
X=0
Ρk
X=1
Φ0: 循环制冷量, 循环制冷量,
3
2
压缩机功率, P0:压缩机功率, 制冷系数: 制冷系数:ε0= Φ0 /P0 Φ0 +P=qm (h2-h1) kW
单位制冷量: 单位制冷量:q0= h1-h4 单位容积制冷量: 单位容积制冷量:qv=(h1-h4)/v1 性能系数: ⑸性能系数: ε0= Φ0 /P0= q0/ω0 =(h1-h4)/(h2-h1 )
注意: 注意: 熵基准,英制单位、工程单位、 焓、熵基准,英制单位、工程单位、国 际单位不同。 际单位不同。
lgP
X=0 干度线 X=1
等熵线
比容线 饱和液线
等压线 等温线 湿蒸气区 干蒸气线
h
压焓图
温度温度-比熵图
一点: – 临界点C 三区: – 过冷液体区、 – 两相区、 – 过热蒸气区。 五态: – 过冷液体状态、 – 饱和液体状态、 – 湿蒸气状态、 – 饱和蒸气状态、 – 过热蒸气状态。 八线: – 等温线t(水平线) – 等比熵线s(垂直线) – 饱和液体线x=0, – 饱和蒸气线x=1, – 无数条等干度线x – 等比焓线h – 等容线v – 等温线t
具有液体过冷的循环
3)对循环性能的影响 q0 =( h1-h4/) 增加 a)对固定的压缩机 a)对固定的压缩机 因压缩机容积q 不变, Φ0 =qv( h1-h4/)/v1 因压缩机容积qv不变, 增加.循环比功ω 不变, 不变. 增加. Φ0增加.循环比功ω0不变,P0不变. ε0增加. (ε0= Φ0 / P0= q0 /ω0) b)对确定的 b)对确定的Φ0 可选较小容积q 压缩机,循环比功ω 不变, 可选较小容积qv压缩机,循环比功ω0不变,P0减 增加. 小,COP0增加.
减小,冷凝热q 增加,循环比功ω 增加, 所以 Φ0减小,冷凝热qk增加,循环比功ω0增加,
Φ 0 0=
q0/ω0,
Φ0 0减小。
b)对确定的 b)对确定的Φ0
可选较大容积q 压缩机, 不变。 可选较大容积qv压缩机,使qm不变。 循环比功ω 增加, 增加, 减小. 循环比功ω0增加,P0增加,COP0减小.
例1-1
假定循环为单级蒸气压缩式制冷的理论循环, 假定循环为单级蒸气压缩式制冷的理论循环,蒸发温度 t0=-10℃,冷凝温度tk=35℃,工质为R22,循环的制冷量 10℃, =35℃,工质为R22 R22, Q0=55kW,试对该循环进行热力计算。 =55kW,试对该循环进行热力计算。 解 10℃, 点1:t1=t0= −10℃, p1=p0=0.3543MPa, =0.3543MPa, h1=401.555kJ/kg, =401.555kJ/kg, v1=0.0653m3/kg =35℃, 点3:t3=tk=35℃, =1.3548MPa, p3=pk=1.3548MPa, h3=243.114 kJ/kg, kJ/kg, 由图可知, kJ/kg, 由图可知,h2=435.2 kJ/kg,t2=57℃
2.2.2蒸汽过热对循环性能的影响 2.2.2蒸汽过热对循环性能的影响
实现过热的方法:蒸发器设计, 2)实现过热的方法:蒸发器设计,设回热器 3)在p-h图上表示
4)对循环性能的影响 (1)无效过热: q0 =h1-h4 无效过热: a)压缩机容积q 不变: a)压缩机容积qv不变: 压缩机容积 v1增加,q0不变, Φ0 =qvq0/v1, 增加,q 不变,
在半封闭、全封闭制冷压缩机中, 3)在半封闭、全封闭制冷压缩机中,低 压制冷剂蒸气进入压缩以前, 压制冷剂蒸气进入压缩以前,吸收电动机 绕组和运转时所产生的热量而过热, 绕组和运转时所产生的热量而过热,属无 效过热,但是必须的。 效过热,但是必须的。 制冷系统设置了回热器, 4)制冷系统设置了回热器,制冷剂蒸气 在回热器中吸收制冷剂液体的热量而过热, 在回热器中吸收制冷剂液体的热量而过热, 属无效过热,但有过冷过程伴随。 属无效过热,但有过冷过程伴随。
T-S图
LgP-h图
1.1.3 制冷系统各部件的主要用途
放热,使高压高温制冷剂蒸气冷却、 冷凝成高压常温的制冷剂液体
压缩、输送制冷剂蒸气,提高压力 和温度
降压并调节入蒸发器的流量
制冷剂液体吸热、蒸发、制冷
思考 1、蒸气压缩制冷循环系统主要由哪些部件 组成,各有何作用? 组成,各有何作用? 2、蒸发器内制冷剂的汽化过程是蒸发吗? 蒸发器内制冷剂的汽化过程是蒸发吗?
1)单位质量制冷量 q0=h1-h4= h1-h3=401.555-243.114=158.441kJ/kg
Φ0 qm = = 0.3471 q0
4)理论比功 w0=h2-h1=435.2-401.555=33.645kJ/kg
kJ / s