单级蒸汽压缩式制冷循环

理论循环的性能指标及其计算
• 1.单位质量制冷量 q0 • 制冷压缩机每输送1kg制冷剂经循环从被冷却介质
中制取的冷量称为单位质量制冷量，用q0表示。 • q0=h1-h4=r0（1-x4） • 式中 ：
– q0单位质量制冷量（kJ/kg）； – h1与吸气状态对应的比焓值（kJ/kg）； – h4节流后湿蒸汽的比焓值（kJ/kg）； – r0蒸发温度下制冷剂的汽化潜热（kJ/kg）； – x4节流后气液两相制冷剂的干度。
理论循环的热力图
1-2 压缩机: 压缩和输送制冷蒸汽。 2-2`-3 冷凝器: 将制冷剂的热量排放给冷却介 质。 3-4 节流阀: 对制冷剂节流降压。 4-1 蒸发器: 制冷剂吸收被冷却对象的热量。
各部件的作用
• 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，是整个系统的心脏。
3、热交换过程存在传热温差。 4、节流过程不完全是绝热过 程。
5、管道内有流动阻力损失。 6、系统存在不凝性气体。
（二）单级蒸汽压缩式制冷实际循环的 过程
1）制冷压缩机的压缩过程不是等熵过程，且有摩擦损失。
2）实际制冷循环中压缩机吸入的制冷剂往往是过热蒸汽，节流前往 往是过冷液体，即存在气体过热、液体过冷现象。
1）单位质量制冷量 q0=h1-h4= h1-h3=401.555-243.114=158.441kJ/kg
2）单位容积制冷量
qv= q0/v1=158.411/0.0653=2426kJ/m3
3）制冷剂质量流量
qm= Q0/q0=55/158.443=0.3741kg/s
4）理论比功
w0=h2-h1=435.2-401.555=33.645kJ/kg
设条件和热力图 • （三）单级蒸汽压缩式制冷理论循环的热
力性能及分析
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•（一）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
• 单级蒸汽压缩式制冷循环，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℃。单级蒸汽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。
3）热交换过程中，存在着传热温差，被冷却介质温度高于制冷剂的 蒸发温度，环境冷却介质温度低于制冷剂冷凝温度。
4）制冷剂在设备及管道内流动时，存在着流动阻力损失，且与外界 有热量交换。
5）实际节流过程不完全是绝热的等焓过程，节流后的焓值有所增加。
6）制冷系统中存在着不凝性气体。
单级实际循环的热力状态图
➢ “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。
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
理论循环T-s图和lgp-h图
理论循环T-s图（a）和lgp-h图（b）
（三）单级蒸汽压缩式制冷理论循 环的热力性能及分析
• 单位制冷量； • 单位容积制冷量； • 单位理论功； • 单位冷凝； • 单级理论循环制冷系数； • 单级理论循环热力完善度。
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（一）单级实际制冷循环与理论
制冷循环的区别
• 理论
• 1、压缩过程为定熵过程。
• 2、冷凝、蒸发过程为定压 过程，没有传热温差。
• 3、压缩机吸入的是饱和蒸 汽，冷凝器出口为饱和液 体。
• 4、制冷管道内无流动阻力 损失。
• 5、节流过程为绝热过程。
实际
1、压缩过程不是定熵过程。 2、热交换过程中，存在气体 过热、液体过冷现象。
5）压缩机消耗的理论功率
P0=qmw0=0.347133.645=11.68kW
6）制冷系数
ε0=q0 / w0=158.411/33.645=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 Qk=qmqk=0.3471192.086=66.67kW
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。
节流动画
第二节 单级蒸汽压缩式制冷理 论循环及其热力计算
• （一）单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成 • （二）单级蒸汽压缩式制冷理论循环的假
蒸汽压力来完成压缩功能。
速度型压缩机 由旋转部件连续将角动量转换给蒸汽，再将该动
量转为压力。
热交换设备
制冷系统的热交换设备主要是冷凝器和蒸发器， 它们是制冷剂与外部热源介质之间发生热交换 的设备。
⒈ 冷凝器 用冷凝器将制冷剂从低温热源吸收的热 量及压缩后增加的热焓排放到高温热源。
⒉ 蒸发器 蒸发器是制冷机中的冷量输出设备。制 冷剂在蒸发器中蒸发，吸收低温热源介质（水 或空气）的热量，达到制冷的目的。
（二）单级蒸汽压缩式制冷循环
单级循 环原理 图动画
单级蒸汽压缩式制冷系统由压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器组成。 制冷剂蒸汽压缩、冷凝成液体，放出热量 冷凝后的制冷剂流经节流元件进入蒸发器。从入口端的高压pk降低到 低压p0，从高温tk降低到t0，并出现少量液体汽化变为蒸汽。 制冷剂液体在低压（低温）下蒸发吸热 制冷剂蒸汽回到压缩机中压缩
• 冷凝器: 是输出热量的设备，将制冷剂在蒸发器中 吸收的热量和压缩机消耗功所转化的热量排放给 冷却介质。
• 节流阀: 对制冷剂起节流降压作用，并调节进入蒸 发器的制冷剂流量。
• 蒸发器: 是输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸 收被冷却对象的热量，从而达到制冷的目的。
Fra Baidu bibliotek
lgP
压焓图
过冷液体区 X=0
热源温度不变时的逆向可逆循环——逆卡诺循环
当高温热源和低温热源随着过程的进行温度不变时，具有两
个可逆的等温过程和两个等熵过程组成的逆向循环。
➢ 在相同温度范围内，它是消耗功最小的循环，即热力学效 率最高的制冷循环，因为它没有任何不可逆损失。
制冷与低温温区 的划分
制冷 通过一定的方式将物体冷却到环
境温度以下。
• 例1-1 假定循环为单级蒸汽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Q0=55kW，试 对该循环进行热力计算。
解 点1：t1=t0= 10℃， p1=p0=0.3543MPa， h1=401.555kJ/kg， v1=0.0653m3/kg 点3：t3=tk=35℃， p3=pk=1.3548MPa， h3=243.114 kJ/kg， 由图可知，h2=435.2 kJ/kg， t2=57℃
单级蒸汽压缩式制冷循环
（一）制冷方法、原理
• 蒸汽压缩式制冷的热力学原理
• 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。
能量的传递和转化
能量从一个物体传递到另一个物体有两种方式 ➢ 作功借作功来传递能量总和物体宏观位移有关。 ➢ 传热借传热来传递能量无需物体的宏观移动。 • 1.热力学第一定律 • 自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被
• 3.理论比功w0
– 制冷压缩机按等熵压缩时每压缩输送1kg制冷剂 蒸汽所消耗的功，称为理论比功，用w0表示。 – w0=h2-h1 – 式中： – w0理论比功（kJ/kg）； – h2压缩机排气状态制冷剂的比焓值（kJ/kg）； – h1压缩机吸气状态制冷剂的比焓值（kJ/kg）
理论循环的性能指标及其计算
➢ 五态：
➢ 过冷液状态、 ➢ 饱和液状态、 ➢ 湿蒸汽状态、 ➢ 饱和蒸汽状态、 ➢ 过热蒸汽状态。
➢ 八线：
➢ 等压线p（水平线） ➢ 等焓线h（垂直线） ➢ 饱和液线x=0， ➢ 饱和蒸汽线x=1， ➢ 无数条等干度线x ➢ 等熵线s ➢ 等比体积线v ➢ 等温线t
理论循环过程在压焓图上的表示
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
饱和液线
湿蒸汽两相区
临界点Tc
等熵线 X=1
等比容线 过热气体区 等压线 等温线
干蒸汽线 等焓线
h
压焓图 压焓图的结构如图所示。以绝对压力为纵坐标（为了缩小图的尺寸， 提高低压区域的精度， 通常纵坐标取对数坐标），以焓值为横坐标。
压焓图
➢ 一点：
➢ 临界点C
➢ 三区：
➢ 液相区、 ➢ 两相区、 ➢ 气相区。
蒸发过程（蒸发器中进行） 吸热蒸发，变成低温低压制冷剂气
（二）单级蒸汽压缩式制冷理论 循环的假设条件和热力图
• 理论循环的假设条件
– 1、压缩过程为定熵过程
– 2、冷凝、蒸发过程为定压过程，没有传热温 差
– 3、压缩机吸入的是饱和蒸汽，冷凝器出口为 饱和液体。
– 4、制冷管道内无流动阻力损失
– 5、节流过程为绝热过程
（一）单级蒸汽压缩式制冷理论 循环组成
制冷剂的变化过程
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
压缩过程（压缩机中进行） 通过压缩使制冷剂由低温低压的蒸汽变为高温高压气体。
冷却冷凝过程（冷凝器中进行） 在冷凝器中冷却冷凝成制冷剂液体。
节流过程（节流阀中进行） 压力、温度降低，焓值不变
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
值（kJ/kg）； • 对于单级蒸汽压缩式制冷理论循环，存在着下列关
系 • qk = q0 +w0 5.制冷系数 0 单位质量制冷量与理论比功之比，即理论循环的收益和
代价之比，称为理论循环制冷系数，用0表示， • ε0=q0 / w0 =（h1-h4）/（h2-h1）
理论循环的性能指标及其计算
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；
创造，也不可能被消灭；但能量可以从一种形态 转变为另一种形态，且在能量的转化过程中能量 的总量保持不变。 • 能量守恒与转换定律是自然界基本规律之一。
能量的传递和转化
➢ 2.热力学第二定律
➢ 热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体. 制冷循环的热力学分析
热力学循环 正向循环
逆向循环
热能转化为机械功 消耗功
蒸汽压缩式制冷系统的构成 压缩机
蒸汽 压缩 式制 冷系 统的 构成
不可 缺少
四个主 要部件
管道
各种控制阀 辅助部件
冷凝器 节流件 蒸发器
净化 贮集
分离设备
压缩机
压缩机 称为 主机 压缩式制冷系统的心脏 有用能的输入、制冷剂在系统中的循环流动
压缩机按压缩原理有两大类： 容积型
速度型
容积型压缩机 通过对运动机构作功，以减少压缩式容积，提高
理论循环的性能指标及其计算
• 2.单位容积制冷量 qv
– 制冷压缩机每吸入1m3制冷剂蒸汽（按吸气状态计）经循环从被冷却介 质中制取的冷量，称为单位容积制冷量，用qv表示。
– qv= q0/v1 – 式中： – qv单位容积制冷量（kJ/m3）； – v1制冷剂在吸气状态时的比体积（m3/kg）
第三节 单级蒸汽压缩式制冷实 际循环
• （一）单级实际制冷循环与理论制冷循环的区别
• （二）单级蒸汽压缩式制冷实际循环的过程及其 热力状态图
• （三）单级蒸汽压缩式制冷实际循环的热力性能 及分析
• （四）实际工况及制冷剂的变化对循环的影响
• （五）其他变化对实际制冷循环的影响
• （六）实际制冷循环的热力计算