单级蒸气压缩制冷理论循环讲解

Δtsc=t3-t3'
(℃)
单位制冷量：
q0sc=h0-h3'＞q0=h0-h3 单位制冷量的增加值：
(kJ/kg)
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)
单位功：
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 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。
a)lgp-h图
b)T-s图
图2-4 单级蒸气压缩制冷理论循环
理论循环的工作过程
w0sc=h2-h0=w0 单位冷凝负荷：
(kJ/kg)
qksc=(h2-h3’)＞qk=(h2-h3’) 单位过冷负荷:
(kJ/kg)
qsc=h3-h3' 制冷系数:
(kJ/kg)
εsc=(q0+Δqsc)/w0＞ε0=q0/w0 即： εsc=(h0-h3')/(h2-h0) =(h0-h3)/(h2-h0)+(h3-h3')/(h2-h0)
2 单级蒸气压缩制冷理论循环
2.1 单级蒸气压缩制冷机的基本组成 2.2 理论循环及其工作过程 2.3 理论循环的热力计算
2.1单级蒸气压缩制冷机的基本组成
单级蒸气压缩制冷机是指制冷剂蒸气由蒸发压力经过一次 压缩，压力即升高到冷凝压力的制冷机。
单级蒸气压缩制冷机由以下四个基本部件所组成，其系统 流程见图2-3 所示。
在分析制冷循环时，一定要符合热力学第 一定律，对于在控制容积内工质的状态变化有：
q h c2 w 式中：q-热量(kJ/kg)； 2
h-比焓(kJ/kg)； c-流速(m/s)； w-比功(kJ/kg)。 w前的负号表示外界向系统输入功。
压缩过程0-2
0-2表示制冷剂在压缩机中的压缩过程， 对于理论循环为等熵过程，点 0为吸入的低 压饱和蒸气状态点，点2为排出的过热蒸气 状态点。
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 大随， 循就 环表 的示 工循 作环温的度经而济变性，越当好冷。凝由温于度q越0和高w、0都蒸 发温度越低，制冷系数就越小。
6)热力完善度η 热力完善度的定义为： η=ε/εc
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。
量来自被冷却空间或被冷却物体时，产生了有用的制冷效果，称
为有效过热。如过热发生在被冷却空间之外，即过热时制冷剂蒸
气所吸收的热量来自环境，没有产生制冷效果，称为无效过热。
有效过热和无效过热对循环性能产生的影响不同。
图2-6 过热循环
无效过热对循环性能的影响
无效过热时，过热循环与理论循环相比，性能变化如下。
图2-5 为过冷循环在lgp-h图和t-s图上的表示，图中33‘为液体制冷剂的过冷过程，3’-4‘为节液过程，其余 过程与理论循环相同。图中0-2-3’-4‘-0为过冷循环， 而0-2-3-4-0 为与之对照的理论循环。
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。
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节流前液体温度：t3'＜t3 液体过冷度：
w0=h2-h0=434.487-399.546=34.941 (kJ/kg)
4) 单位冷凝负荷：
qk=h2-h3=434.487-236.664=197.823 (kJ/kg)
5) 制冷系数：
ε0=q0/w0=162.882/34.941=4.66163
6) 热力完善度：
η=ε0/εc=ε0(Tk-T0)/T0=4.66163×(30+15)/(273.15-
在冷凝器中也可以实现液体过冷。在工程中，常使 冷凝器最下面的部分充满制冷剂，使制冷剂液体有一 定过冷度。当然，在此时冷却介质进入冷凝器的温度 必须低于冷凝温度，循环的条件与理论循环的条件存 在偏差。
2.3.3 过热循环
吸入蒸气过热 在压缩机吸入之前制冷剂蒸气的温度高于
吸入压力所对应的制冷剂饱和温度，称为吸入蒸气过热，简称过 热。具有过热的循环称为过热循环。
图2-6 为过热循环在lgp-h图及T-s图上的表示。图中1-2‘-3-40-1为过热循环，其中0-1为吸入蒸气的过热过程，其余各过程与 理论循环的对应过程相同。图中的0-2-3-4-0 为与之对照的理论循 环。
压缩机吸入温度与蒸发温度之差称为过热度：
Δ tsh=t1-t0
(℃)
当过热发生在被冷却空间内部，即制冷剂蒸气过热所吸收的热
4)蒸发器 在其中制冷剂液体气化成为蒸气，其作用是 将低压制冷剂液体与低温热源进行热交换。蒸发器是吸收热量， 为被冷却对象提供冷量的设备。
这四个部件是蒸气压缩制冷机的基本部件，缺其中任何一 个制冷机都不能正常工作。
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
q 0=r 0 (1-x 4) 由上式可知，制冷剂的气化潜热越大，节
流后的干度越小，即节流后形成的蒸气 越少，循环的单位制冷量越大。
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：
2
53.5 11.919 434.487
3
30 11.919 236.664
3. 计算
1) 单位制冷量：
q0=h0-h4=h0-h3=399.546-236.664=162.882 (kJ/kg) 2) 单位容积制冷量：
qv=q0/v0=(h0-h3)/v0=162.882/0.077625=2098.32 (kJ/m3) 3) 单位理论功：
w0=h2-h0 (kJ/kg)
4)单位冷凝负荷qk 指单位质量制冷剂 在一次循环中向高温热源放出 (即在冷凝 器中放出) 的热量，它包括显热和潜热两 部分：
qk=(h2-h3")+(h3"-h3)=h2-h3 (kJ/kg) 根据热力学第一定律，有：
qk=q0+w0
5)环制中冷，系每数消ε0 耗单制位冷功系可数获的得物的理制意冷义量为。：其在定循义 式为：
2.3 理论循环的热力计算
为了说明循环的性能，可通过对循 环各点的状态参数进行计算来得出性 能指标，这样的计算即为热计算。
1)单位制冷量q0 又称单位质量制冷量， 其定义为单位质量的制冷剂在一次循环 中所制取的冷量。
q0=h0-h4=h0-h3 (kJ/kg) 流后单的位干制度冷x量4的也关可系表：示为气化潜热r0和节
2.3.2 过冷循环
分析理论循环的lgp-h图，可以发现，当液体制冷剂 节流后产生的闪发蒸气越少，循环的单位制冷量就越 大。进一步分析理论循环的lgp-h图还可以发现，如能 进一步降低液体制冷剂节流前的温度，即可减小节流 后制冷剂的干度。
使节液前制冷剂的温度低于冷凝温度称为液体过冷， 简称过冷。具有过冷的循环称为过冷循环。
吸气温度：
t1=t1+Δtsh＞t0
排气温度：
t2'＞t2
吸气比容：
v1＞v0
单位制冷量：
q0sh=h0-h3=q0
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。
因：w=0、 c 0
故：q h ，q0=h0-h4=h0-h3
0-4q-0称b-为a-单0表位示制，冷在量lg，p-在h图T-上s图以上线用段面0-积4 的长度表示。
1)压缩机 其作用是压缩并输送制冷剂蒸气；将低压制 冷剂蒸气从蒸发器中抽出，升压后送入冷凝器，使制冷剂能在 常温下凝结成液体。
2)冷凝器 其作用是高压制冷剂蒸气与高温热源进行热 交换，使制冷剂凝结成液体。冷凝器是放出热量的设备。
3)节流机构 其作用是将制冷剂降压并调节制冷剂的循 环流量。由于节流机构的作用，制冷剂压力由冷凝压力下降到 蒸发压力，维持冷凝和蒸发所需的压力条件；并使制冷剂流量 受到限制，与压缩机输气量相平衡。
=ε0+Δεsc 制冷系数的增量可表示为：
Δεsc=ClΔtsc/w0 式中：Cl─液体制冷剂的平均比热(kJ/(kg℃))。
由此可知，采用液体过冷后可使循环的制冷系数提 高，过冷度越大，制冷系数的增量也越大。
实现液体过冷有二条途径，其一是增设过冷器，其 二是在冷凝器中过冷。如采用过冷器实现过冷，需增 加设备、需要温度低于冷凝温度的冷却介质、还要消 耗一定的机械功来输送冷却介质。因此，用这种途径 实现液体过冷，热力完善度和技术经济指标不一定能 提高。此时，应进行技术经济分析，来确定是否采用 过冷以及过冷度的大小。
对于理论循环，有： η=ε0/εc=(h0-h3)(Tk-h0)/[(h2-h0)T0] 数εc。是工作在T0和Tk之间的逆卡诺循环的制冷系
制冷系数和热力完善度都是用来评价循环经 济性的指标，但它们的物理意义不同，制冷系 数随循环的工作温度变化而变，用来比较相同 热源温度下循环的优劣。热力完善度则表示循 环接近可逆循环的程度，可以用来评价不同种 类、不同热源温度下的循环。
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。
例2-2(或作业) 单级蒸气压缩制冷理论循环，制冷剂为 R22，冷凝温度tk=30℃、蒸发温度t0= -15℃，进行热力 计算。
解：1. 将循环表示在lgp-h图上，见图2-4。
2. 各关节点的参数
点号 0
t (℃) -15
p (bar) h (kJ/kg) s (kJ/kgK) v (m3/kg) 2.9570 399.546 1.77541 0.077625
因：s 0、q=0、c 0
故：h w ，w0=h2-h0
2-3w-0c称-b为-4单-0位表理示论，功在，lg在p-Th-图s图上上为用线面段积a-0b的长度。
冷凝过程2-3
此过程由两段组成，压缩机排出的制冷剂过 热蒸气进入冷凝器后，首先被冷却成饱和蒸气， 即过程2-3" ，此时存在传热温差；然后饱和蒸气 被冷凝成饱和液体，即过程3"-3 ，此凝结过程无 传饱热和温压差 力；pk。制冷剂压力不变，始终是与Tk对应的
因： w=0、 c 0
故：q h ，qk=h2-h3
qk称为单位冷凝负荷，在T-s图上用面积a-2-3c-a表示，在lgp-h图上以线段2-3的长度表示。
节流过程3-4
t0，制压冷力剂由在p节k下流降过至程p中0，，焓温值度基由本tk不下变降，至 节流后制冷剂状态进入湿蒸气区，根据 理论循环的假定近似有：
15)=0.812602
◆
2.3.1 概述
单级压缩制冷理论循环是蒸气压缩式制冷机 最基本、最简单的循环。在工程实际中，为了 改善循环的运行性能，可对影响循环性能的主 要因素进行考虑，从而对理论循环进行修正。 这些修正主要有：节流前液体过冷、吸入蒸气 过热、采用回热等。在讨论这些循环时，对于 理论循环所用的理想条件，仅对修正所涉及的 部分条件进行修正，其它部分仍按理论循环的 理想条件进行分析。