制冷循环压焓图分析和制冷剂流程图

第二章制冷循环压焓图分析和制冷剂流程图Copy Right By:Thomas T.S. Wan( )Sept. 3, 2009All Rights Reserved工业冷冻系统设计从制冷循环压焓（P-H）图分析和制冷剂流程图开始：（1）制冷循环P-H图分析 (P-H Diagram Refrigeration Cycle Analysis)。

使用PH图计算制冷系统的热力学物性可以分析制冷循环的可行性。

通过PH图分析，可以很清楚的确定系统设计点的制冷剂流量和运行工况。

（2）制冷剂流程图 (Refrigerant Flow Diagram)制冷剂流程图给出了系统所用设备，设备间管道走向和尺寸，保温要求；还确定了压降、吸气过热度等等。

制冷剂流程图可能非常简易，如果有必要也可以推广到工艺仪表流程图中（P&I D）。

制冷剂流程图是要与P-H图一起阅读。

从制冷剂流程图和PH图中可以获悉完整的系统信息。

P-H (Pressure-Enthalpy)图分析:R22典型PH（压焓）图如图2-1所示。

利用P-H 图可以表达理论制冷循环，如图2-2所示。

图2-3为制冷循环图2-2简化版，但是只体现了与理论制冷循环相关的数据，省略了纵坐标（压力）和横坐标（比焓）。

与循环相关的压力和比焓值如PH图所示。

蒸发器- A-B-C对应蒸发温度，B点与C点比焓差为单位质量制冷量。

压缩机- C-D为等熵压缩过程。

压缩过程比焓差为H D-H C。

压缩过程（绝热过程）也可以用英尺表示为（H D-H C）×778。

对于实际压缩，不再遵循绝热过程，而是多变过程，如图2-3中C-D’所示。

冷凝- 冷凝（放热）过程为D-E（实际过程为D’-E）。

冷凝器总放热量等于蒸发器吸热量与系统输入功率之和。

膨胀- E-B代表膨胀过程。

PH图2-3中制冷系统（无损失）运行参数如下：冷凝温度（CT）：110℉蒸发温度（ET）：10℉冷凝压力：241.04 Psia蒸发压力：47.46 Psia压缩机吸气温度：10℉压缩机吸气压力：47.46 Psia压缩机排气压力：241.04 Psia压缩机吸气比焓：105.44 Btu/Lb压缩机排气比焓：123.25 Btu/Lb液态制冷剂比焓：42.45 Btu/Lb压缩机吸气熵：0.226对于更加精确计算，推荐从制冷剂物性表或者计算机软件中查询参数。

膨胀(Expansion) (节流过程)和气体闪发(Flash Gas)：从图2-3得出，高压高温的液态制冷剂在“E”点离开冷凝器。

通过膨胀阀，液体被节流到“B”点。

经过等焓节流，部分液体蒸发冷却剩余液体到蒸发压力A-C对应的温度。

气体闪发率可以根据下式计算：气体闪发率×100单位质量制冷量 (Net Refrigerant Effect):只有蒸发器中剩余制冷剂液体(不含闪发气体)才能有效制冷；C-B间比焓差为“单位质量制冷量”（NRE）如图2-3所示。

所以：NRE=“C”点比焓-“B”点比焓=H C-H B （Btu/Lb.）由于B-E为绝热节流过程，所以B点比焓等于E点比焓，所以：NRE=H C-H E （Btu/Lb.）制冷剂流量(Refrigerant Flow)确定：冷冻吨是指蒸发器吸收的单位热量，也就是从被冷却物体或工艺吸收12,000Btu/Hr(200 Btu/Min)热量。

每通过蒸发器吸收一冷冻吨热量，需要的制冷剂流量可以通过下式确定：流量式中：流量：制冷剂流量，Lbs/Min。

200：转移热量，Btu/Min。

NRE：单位质量制冷量，Btu/Lb。

TR：冷吨数。

NRE= H C-H E，因此：流量吸气过热(Suction Gas Superheat)：在实际运行中，压缩机吸气口经常是过热的。

过热的原因可能是制冷剂从换热器内部、吸气管道、回热器（如果应用），或者压缩机壳体吸收热量。

吸气过热增加了吸气比熵和压缩机压头。

PH图2-4（A）中水平等压线表示吸气过热。

通常来讲，吸气过热不作为单位质量制冷量的一部分，除非吸气过热产生在蒸发器内，如图2-4（C）所示。

吸气过热度过大对于制冷系统是不利的，原因如下：（1）吸气比熵增大，压缩机功耗增加。

（2）吸气比容增加，致使压缩机机型变大。

（3）高排气温度。

在一些系统中，由于特殊设计换热器使得吸气过度极大，这种情况下可以使用液态制冷剂冷却吸气的方法来调节吸气过热度。

吸气压降(Suction Pressure Drop)：PH图2-5中竖直线表示吸气压降。

压缩机选型必须包含吸气压降。

蒸发器到压缩机吸气口存在压降，原因如下：（A）吸气管路包括阀门、接头和存气弯产生的压降。

（B）压缩机吸气阀，过滤器和止回阀。

（C）吸气加速器（D）蒸发器压降。

吸气压降过大会导致压缩机机型和功耗变大；另一方面，吸气压降太小会增大吸气管路、接头尺寸以及保温材料用量。

因此，吸气压降设计应该综合考虑这两方面因素。

吸气压降应该用压力（Psi）表示，而不要用与之相对应的饱和温度（℉或℃）表示，这一点非常重要。

例如，在低蒸发温度下2~3℉对应的△P要比高蒸发温度小得多。

吸气损失(Suction Penalties)：吸气损失是吸气过热和吸气压降综合作用的结果，如图2-6所示。

因此，在PH图上，吸气损失既不是水平线也不是竖直线，正确的表示方法如图2-6所示。

排气损失(Discharge Penalties)：为了克服排气管路阻力，压缩机排气压力会高于冷凝压力，压差△P如图2-7所示。

排气压降过大会导致压缩机功耗增大；另一方面，排气压降太小会增大排气管道和接头尺寸。

在任何情况下，压缩机选型必须包含排气压降，以确保系统正常运行。

对于螺杆压缩机系统，△P往往大于往复式和离心式压缩机。

空冷或蒸发冷冷凝器△P会大于水冷冷凝器。

压缩机吸排气损失影响：考虑了吸排气损失的制冷循环PH图如2-8所示。

考虑损失情况下的压头要高于不考虑损失情况下压头。

液体过冷(Liquid Subcooling):液体过冷如PH图2-10（A）所示。

如果需要较小的过冷度，可以用冷水冷却获得。

但是，如果需要较大过冷度，有必要使用过冷器。

液体过冷可以增加单位质量制冷量（NRE），如图2-10（B）所示。

同时，过冷可以保证蒸发器供液没有闪发，特别是当蒸发器高置时。

过冷式经济器(Subcooled Economizer)的螺杆压缩机系统(Screw System)的典型P-H图带过冷式经济器的螺杆压缩机系统的典型P-H图如图2-9所示，图中给出也包括了螺杆压缩机制冷系统常见的吸排气损失及液体过冷。

如何达到这些目的详见第三章。

吸排气损失在实际制冷系统中是存在的，所以设计过程中必须考虑。

如果压缩机选型时没有考虑损失（按照饱和冷凝温度和饱和蒸发温度），此时制冷量需要留有10~15%余量。

系：PH图2-11给出了如下几种工况：1.0当冷凝温度(Condensing Temperature)升高，单位质量制冷量减少而压头升高。

2.0当冷凝温度(Evaporative Temperature)降低，单位质量制冷量增加而压头降低。

系：PH图2-12给出了如下几种工况：1.0当蒸发温度升高，单位质量制冷量增加而压头降低。

2.0当蒸发温度降低，单位质量制冷量降低而压头升高。

单位质量制冷量（NRE）是随不的同操作工况下会随时变化，即使系统在满负荷条件下运行，单位质量制冷量也会随时变化。

闪发式中冷(Flash Intercooling) [自动制冷(Auto-Refrigeration)]：闪发式中间冷却也是一个“节流(Throttling)”过程。

饱和液体从高压点E’（如图2-13）经过等焓(ConstantEnthalpy)过程闪发，部分液体蒸发，将剩余液体冷却到饱和温度较低的B’点。

闪发式中冷也可以叫做自动制冷。

闪发率(Percent of Flash Gas)闪发率可以根据以下公式计算：气体闪发率×100举一个闪发式中冷的例子（见图2-13），制冷剂为R22，每个点比焓值如图所示。

假设流量为200Lbs/Min，温度为105℉的液态制冷剂经过浮球阀节流后温度降为10℉，此时气态和液态制冷剂流量分别为：气体流量= 60.10 Lbs/Min液体流量（10℉）=200-60.10=139.9 Lbs/Min功耗(Power Consumption)计算:在功耗计算时,压缩机吸气和排气点的比焓值应该考虑损失。

因此，压头应该是H2’H1’，而不是H2H1,如图2-8所示。

功耗计算中压头单位应为英尺（Ft），而不是Btu/Lb：Head= （H2’-H1’）×778=Ft压缩机功耗式中：Flow: 制冷剂流量，Lbs/MinHead: 压头，FtE ff：压缩机总效率制冷剂流程图(Refrigerant Flow Diagram):绘制制冷剂流程图可以得到如下信息：（a）系统制冷剂流量和工况。

（b）制冷系统主要设备之间管道连接。

（c）系统中主要设备（压缩机、冷凝器和蒸发器等）类型。

（d）系统中阀门和其它辅助设备。

（e）为保证系统正常运行的其它重要设备（如气液分离器、油分离器等）。

制冷剂流程图既可以简单的表示为主要设备之间管道布置，也可以像PID图一样复杂。

图2-14给出了系统制冷剂简易流程图和相应的PH图。

图2-14只给出了制冷循环部分工况下PH图。

A．系统为盐水机组。

B．压缩机为螺杆式，带有油分离器。

C．压缩机带有吸气截止阀，过滤器和止回阀。

D．系统应用了排气止回阀和截止阀。

E．系统采用卧式壳管式水冷冷凝器。

F．冷凝器带有船用水箱(Marine Water Boxes)。

G．直接膨胀式盐水机组应用了膨胀阀、电磁阀、过滤器和止回阀。

H．高压储罐带有覆盖全长的液位视镜。

I．储罐带有平衡管。

J．系统包含干燥过滤器和液位视镜。

K．系统包含充注阀、排空阀和安全阀。

本章小结图2-15为典型制冷剂流程图。

图2-16为典型制冷系统PH图。

制冷剂流程图给出的信息包括：螺杆压缩机盐水机组、水冷冷凝器、带经济器、带气液分离器的满液式蒸发器以及水冷油冷系统。

在实际应用中,PH图（图2-15）和制冷剂流程图（图2-16）完全可以满足系统设计需求。