蒸气压缩式制冷的热力学原理优秀课件
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蒸气压缩式制冷的 热力学原理
液体气化制冷原理
Ø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。
Ø气化潜热：1kg液体气化时所吸收的 热量。
液体气化制冷原理
ü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℃ ）。
c
q0 q0 T0 Wqkq0 TkT0
T T'k
3 qk
2
∑w
T'0
4
1
ü大小只取决于两个热源的温度； T0'↗或T k'↘ ， → c' ↗
0
q0
b
a
s
Ø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
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：
d
0
Ø向热源放出的热量为：
s
c
qk TkidsTkm(sasb)
b
制冷系数为：
l
q0 q0 W qkq0
T0m TkmTom
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)
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。
✓ 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。
Ø（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；
Ø（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；
Ø（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
✓ 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。
✓ 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。
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
ü膨胀机的经济性 Ø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。
Ø膨胀机的尺寸小，因
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
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
Tki
b
Tkm
c
∑w
a
q0 ToidsT0m(sa sb)
T0m
T0i
a
d q0
dq0
O
ds
S
L
T0m Tm T0m
L
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；
ü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
有温差传热的逆卡诺循环
c'
q0 wc'
q0 wc
c
逆卡诺循环——热泵
Ø用于供热，性能指标为供热系数。 Ø供热系数µ：单位耗功量所获取的热量，
qk (qkq0)q01
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
Ø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。
Ø劳仑兹循环（Lorenz Cycle）是在两个变温热源
Ø(1)节流阀代替膨胀机 1kg制冷剂损失的膨胀功
W eh3h4' 03'04
Ø 节流过程的不可逆损失
q '0h 4 h 4 ' 4 b'4 b '4
T
Pk
3 qk 2' 2
Tk
Wc
P0
T0 0 4' 4 1'
q0
1
b' b a' a s
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
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 每一制冷循环，1kg制冷剂：
T T'k
3 qk 2
∑w
• 循环净耗功量为：
T'0 4
1
q0
0
wwc we qk q0
bຫໍສະໝຸດ Baidu
as
Tk' sasbT0'sasb
Tk' T0' sasb
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
T T'k
3 qk 2
∑w
T'0
4
1
q0
0
b
as
制冷循环性能指标
Ø对于逆卡诺循环，制冷系数c' :
液体气化制冷原理
Ø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。
Ø气化潜热：1kg液体气化时所吸收的 热量。
液体气化制冷原理
ü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℃ ）。
c
q0 q0 T0 Wqkq0 TkT0
T T'k
3 qk
2
∑w
T'0
4
1
ü大小只取决于两个热源的温度； T0'↗或T k'↘ ， → c' ↗
0
q0
b
a
s
Ø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
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：
d
0
Ø向热源放出的热量为：
s
c
qk TkidsTkm(sasb)
b
制冷系数为：
l
q0 q0 W qkq0
T0m TkmTom
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)
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。
✓ 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。
Ø（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；
Ø（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；
Ø（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
✓ 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。
✓ 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。
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
ü膨胀机的经济性 Ø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。
Ø膨胀机的尺寸小，因
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
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
Tki
b
Tkm
c
∑w
a
q0 ToidsT0m(sa sb)
T0m
T0i
a
d q0
dq0
O
ds
S
L
T0m Tm T0m
L
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；
ü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
有温差传热的逆卡诺循环
c'
q0 wc'
q0 wc
c
逆卡诺循环——热泵
Ø用于供热，性能指标为供热系数。 Ø供热系数µ：单位耗功量所获取的热量，
qk (qkq0)q01
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
Ø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。
Ø劳仑兹循环（Lorenz Cycle）是在两个变温热源
Ø(1)节流阀代替膨胀机 1kg制冷剂损失的膨胀功
W eh3h4' 03'04
Ø 节流过程的不可逆损失
q '0h 4 h 4 ' 4 b'4 b '4
T
Pk
3 qk 2' 2
Tk
Wc
P0
T0 0 4' 4 1'
q0
1
b' b a' a s
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
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 每一制冷循环，1kg制冷剂：
T T'k
3 qk 2
∑w
• 循环净耗功量为：
T'0 4
1
q0
0
wwc we qk q0
bຫໍສະໝຸດ Baidu
as
Tk' sasbT0'sasb
Tk' T0' sasb
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
T T'k
3 qk 2
∑w
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4
1
q0
0
b
as
制冷循环性能指标
Ø对于逆卡诺循环，制冷系数c' :