蒸气压缩式制冷的热力学原理

T
Tk
3
T0 0 4'
qk 2'
Wc 4 1'
q0
Pk 2 P0
1
b' b
a' a s
➢（2）干压缩代替湿压缩
1kg制冷剂增加的制冷量
q0 (h1 h4 ) (h1' h4 ) h1 h1' 1aa'1'1
➢ 压缩功增加
Wc Wc Wc' (h2 h1) (h2'h1') 211'2'2
p0
4 q0
1 Wc
（3）制冷剂的制冷流量 Mr和体积流量Vr：
qk
Mr

0
q0
;kg/ s
Vr

0
qv
; m3
/
s
0
h4=h3
h1 h2 h
蒸汽压缩制冷理论循环p h图
式中：0为制冷系统的制冷功率/制冷量；kW。
二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
（4）冷凝器的冷凝负荷k ：制冷剂在冷凝器中冷 却、冷凝过程中放出的热量。
v4=v4´ + x4 (v1 - v4´ )
x4

h4 h1
h4' h4'

390.64 1466.4
218.55 218.55

0.138
v4 v4' x4 (v1 v4' ) 0.00158 0.138(0.25153 0.00158) 0.03605m3 / kg
第二节 蒸汽压缩式制冷的理论循环
➢逆卡诺循环的关键是两个等温过程，利 用纯工质或共沸工质的定压蒸发和冷凝实 现，循环在湿蒸气区进行。
➢实际循环却是两个定压、一个绝热压缩、 一个绝热节流过程
1、逆卡诺循环的局限
✓膨胀机的经济性 ➢液态制冷剂的比容变
化很小，因而可以利用 的膨胀功十分有限。
➢膨胀机的尺寸小，因
(2) 根据氨的热力性质表(p235) lgp 查处于饱和线上的有关参数值；
3 40℃
2
(3) 计算状态点4的参数值； (4) 根据压焓图确定状态点4的
4' 4 4℃ 1
参数值；
(5) 进行热力计算。
0
h
状态点4的参数值计算： h4=xh1+(1-x)h4´
x4

h4 h1
h4' h4'
v4=x4v1+(1-x4)v4´
第二节 蒸汽压缩式制冷的理论循环
• 为了便于应用热力学理论对蒸汽制冷机的 实际过程进行分析，提出了理论循环。
• 理论循环忽略了制冷机在实际运行中的一 些复杂因素，将循环加以简化抽象。
• 理论循环是今后研究实际制冷循环的基础。
理论循环是一些假设
（1）压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中不 存在任何不可逆损失； （2）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度 等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却介 质的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值；
压缩机
1
一、逆卡诺循环
1-2 ：等熵压缩 T0→Tk， 耗功wc
2-3： 等温压缩 放热 qk=Tk(sa-sb)
3-4： 等熵膨胀 Tk→T0， 做功we
4-1 ：等温膨胀 吸热 q0=T0(sa-sb)
T
3 qk 2
T'k
∑w
T'0 4
1
q0
0
b
as
T－S图
逆卡诺循环结果
T
每一制冷循环，1kg制冷剂： T'k
q0
Pk 2 P0
1
b' b
a' a s
✓湿压缩的缺点： ➢湿蒸气进入压缩机与壁面热交换后，占据容积， 使得制冷剂质量流量减少，制冷量下降； ➢过多液态制冷剂进入压缩机，造成液击，影响润 滑，损害压缩机。 ✓避免湿压缩的方法
➢在蒸发器出口增设气液分离器； ➢调节膨胀阀的开度，控制压缩机入口制冷剂蒸气
Tk T0 T0
;
二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
3、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算举例
例1、 某空气调节系统需制冷量20kW，采用氨压缩式制冷， 蒸发温度t0＝4ºC，冷凝温度tk＝40ºC，无再冷，并且压缩机入 口为饱和蒸气，试进行理论循环的的热力计算。
解： (1) 绘出理论循环的压焓图；
➢(1)节流阀代替膨胀机 1kg制冷剂损失的膨胀功
We h3 h4' 034 '0
➢ 节流过程的不可逆损失
q'0 h4 h4' 4bb'4'4
T
3
Tk
T0 0 4'
Pk
qk 2' 2
Wc
P0
4 1'
q0
1
b' b a' a s
蒸气压缩式制冷的理论循环的T－s图
➢采用节流阀代替了膨胀机，一方面损失了膨 胀功，另一方面产生了无益气化，降低了制冷 能力，导致制冷系数有所下降。 ➢其降低的程度，称为节流损失。
：1kg制冷剂 lgp
单位耗功量的制冷量。
pk
3 3'
2' 2
th

q0 wc

h1 h4 h2 h1
p0
4
q0
1 Wc
qk
0
h4=h3
h1 h2 h
（7）制冷效率R：理论制冷循环制冷系数蒸汽与压缩理制想冷理制论循冷环p h图
循环制冷系数之比。
R

th 'c

h1 h4 h2 h1
的过热度。
制冷循环的分析工具
➢lgp-h图和T-s图
– 1点、2线、3区 – 6等值线 – 分析与计算工具
T-S图
一点、二 线、三区、 五态、六 等值线。
二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
1、压焓图(莫里尔图)的应用 1.1 压焓图作用
➢ 确定状态参数 ➢ 表示热力过程 ➢ 分析能量变化
二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
而摩擦损失相对较大。
2、蒸气压缩式制冷工作过程
➢干压缩代替了湿压缩: 压缩机吸气状态为干饱和或过热蒸汽。
➢节流阀代替了膨胀机 简化了设备，但损失了膨胀功，并造成节 流损失。
压缩制冷理论循环组成
➢压缩机：等熵压缩； ➢冷凝器：等压放热； ➢节流阀：绝热节流； ➢蒸发器：等压吸热。
3、理论循环与逆卡诺循环的对比分析
T0m
T0i
a
d q0
0
s
T－S图
二、劳仑兹循环
1kg制冷剂：
➢ 从被冷却介质吸收的热量为：
T Tkm
c
Tki
b
∑w
a
q0 Toids T0m (sa sb )
T0m
T0i
a
d q0
d
0
➢向热源放出的热量为：
s
c
qk Tkids Tkm (sa sb ) b
制冷系数为：
T
3
Tk
T0 0 4'
Pk
qk 2' 2
Wc
P0
4 1'
q0
1
b' b a' a s
蒸气压缩式制冷的理论循环的T－s图
➢采用干压缩代替了湿压缩，一方面增加了制冷量， 但另一方面压缩机功耗也增加，导致制冷系数亦 有所下降。 ➢其降低的程度，称为过热损失。
T
3
Tk
T0 0 4'
qk 2'
Wc 4 1'
第一章
蒸气压缩式制冷的热力学原理
液体气化制冷原理
➢气化：液体转变为气体的物态变化称 为气化（蒸发和沸腾），气化时需吸 收气化潜热。
➢气化潜热：1kg液体气化时所吸收的 热量。
液体气化制冷原理
✓液体的压力不同，其饱和温度（即沸点） 也不同（压力越低，沸点越低，如氨在 0.1MPa压力下，其沸点为－33.4℃； 0.5MPa压力下，其沸点为4℃ ）。
R600a的P-h图
理论循环在T-s图和lnP-h图上表示
理论循环在T-s图（a）和lnp-h图（b）上的表示
二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
1.3 蒸气压缩式制冷理论循环压焓图上的表示
➢根据确定的蒸发温度、 冷凝温度、压缩机的吸 气温度及液态制冷剂的 再冷度等已知条件，计 算以下各参数：
✓ 用η作评价指标，使任意两台制冷机在循环的 热力学经济性方面具有可比性，无论它们是否 同类机，也无论它们的热源条件相同或是不同。
有温差传热的逆卡诺循环

' c

q0 wc'

q0 wc
c
逆卡诺循环——热泵
➢用于供热，性能指标为供热系数。 ➢供热系数µ：单位耗功量所获取的热量，
qk (qk q0 ) q0 1
制冷循环的热力完善度
➢ 热力完善度是表征实际制冷循环接近理想循环
的程度
➢ 蒸气压缩式：
R

max

c
计算制冷效率或热力完善度时，必须： (1)计算实际制冷循环的制冷系数或热力系数 (2)计算理想循环的制冷系数或热力系数 (3)计算制冷效率或热力完善度
制冷系数与热力完善度比较
➢ 制冷系数ε和热力完善度η都是反映实际制冷循 环经济性的指标。但二者的含义不同。
✓只要创造一定的低压条件，利用液体的 气化就可能获得所需要的低温。
液体气化制冷的工作过程
四大部件： 压缩机：蒸气压缩 冷凝器：放热冷凝 节流阀：节流降压 蒸发器：吸热蒸发
第一节 理想制冷循环
一、逆卡诺循环 逆卡诺循环：在两个恒温热源之间进行的理想循环。
3 We
膨胀机
4
qk
冷凝器 蒸发器
q0
2 Wc
• 循环净耗功量为：
T'0
3 qk 2
∑w
4
1
q0
0
w wc we qk q0
b
as
Tk' sa sb T0' sa sb
Tk' T0' sa sb
制冷循环性能指标：制冷系数
的定义：单位耗功量所获取的冷量
q0
W
qk= h2－h3 k＝Mr(h2－h3 )
lgp
pk
3 3'
2' 2
（5）压缩机的理论耗功率Pth： p0
4
q0
1 Wc
w= h2－h1
qk
0
h4=h3
h1 h2 h
Pth M rWc M r (h2 h1)
蒸汽压缩制冷理论循环p h图
二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
（6）理论制冷系数th
lgp
pk
3 3'
2' 2
p0
4 q0
1 Wc
qk
0
h4=h3
h1 h2 h
蒸汽压缩制冷理论循环p h图
二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
（1）制冷剂单位质量制冷量q0：1kg制冷剂在蒸发器中 蒸发从被冷却介质吸收的热量。
q0＝h1－h4＝h1－h3 ；kJ/kg lgp
Biblioteka Baidu
pk
3 3'
2' 2
p0
4 q0
1 Wc
qk
0
h4=h3
h1 h2 h
蒸汽压缩制冷理论循环p h图
二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
（2）单位容积制冷量qv ：压缩机每吸入1m3制冷剂蒸汽（按
吸气状态计），在蒸发器中所产生的制冷量。
qv＝q0 / v1＝（h1－h4）/v1 ;kJ/m3
lgp
pk
3 3'
2' 2
v1为制冷剂的比容。
T
3 qk
2
T'k
∑w
T'0
4
1
q0
0
b
a
s
制冷循环性能指标
➢对于逆卡诺循环，制冷系数c' :
c
q0 q0 T0 W qk q0 Tk T 0
T T'k
3 qk
2
∑w
T'0
4
1
✓大小只取决于两个热源的温度； T0'↗或T k'↘ ， → c' ↗
0
q0
b
a
s
➢在实际制冷系统中，制冷系数又称为性能系数， 用符号COP表示
单位质量制冷能力：
q0 h1 h4 1466 .4 390 .64 1075 .76kJ/kg
单位容积制冷能力：
l
q0 W

q0 qk q0

T0m Tkm Tom
劳仑兹循环可以处理为平均放热温 度、平均吸热温度的逆卡诺循环。
变温热源时的逆向可逆循环 ——洛伦兹循环
T
3
2
Tm(高温热源平均温度) Ti
1
4
T0i
T0m(低温热源平均温度)
dq0
O
ds
S
L

T0m Tm T0m
L
1.2 怎样看压焓图
一点、2线、3区、6等值线
➢ 等压线 — 水平线
➢ 等焓线 — 垂直线 ➢ 等干度线 — 湿蒸气区域内 ➢ 等熵线 — 向右上方倾斜 ➢ 等容线 — 向右上方倾斜 ➢ 等温线 — 垂直线 （过冷区）→水平线（湿
蒸汽区）→向右下方弯曲（过热蒸气区）
R22的P-h图
R134a的P-h图
✓ ε只是从能量转换的角度，反映制冷循环中收 益能与补偿能在数量上的比值，不涉及二者的 能量品位。
✓ η同时考虑了能量转换的数量关系和实际循环 中的不可逆程度的影响。
✓ ε的数值可能大于1、小于1或等于1。η始终小 于1。
制冷系数与热力完善度比较
✓ 用ε值的大小来比较两台实际制冷机的循环经 济性时，必须是同类制冷机，并以相同热源条 件为前提才具有可比性。
➢（3）离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气为蒸 发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器和进入膨胀阀的液 体为冷凝压力下的饱和液体；
➢（4）制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力损失， 忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的管子外，制 冷剂与管外介质之间没有热交换；
➢（5）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小， 可以忽略不计，且与外界环境没有热交换
W W
用于供热，供热量永远大于所消耗的功量。
二、劳仑兹循环
➢在实际的制冷系统中，制冷过程中冷热源的温度
通常是变化的。
➢劳仑兹循环（Lorenz Cycle）是在两个变温热源
之间进行的理想循环。 a→b：等熵压缩 b→c：变温压缩 c→d： 等熵膨胀 d→a ：变温膨胀
T
Tki
b
Tkm c ∑w