蒸气压缩式制冷循环原理

2
1
绝热 压缩
S a 等温 b
蒸发
逆卡诺循环的热量和功量
在每个制冷循环中，1kg的制冷剂：
从低温热源吸热 T
q0=T0(Sa－Sb)
面积4ab14 Tk
3 qk
2
向低温热源放热
qk=Tk(Sa－Sb) T0
0 we
4
wc q0
1
面积3ab23
压缩机的净功
S
b
a
wc=qk－q0 =(Tk－T0)(Sa－Sb) 面积12341
c ' 1 c
高、低温热源温度和传热温差对 制冷系数和热力完善度的影响
高温热 源温度
tk’ 30 40 40
40
低温热 源温度
t0’
-5
冷凝器 △tk
蒸发器 △t0
逆卡诺 循环
有温差 的逆卡 诺循环
热力完 善度
0
0
7.66 －
1
-5
0
0 5.96 －
1
+5
0
0
7.94 －
1
5
5
－ 6.07 0.76
0 0.498 405.4 433 249.7
5.64
C工况 40 1.53 －5 0.421 403.5 437 249.7
4.59
例1.2 过冷循环和吸气过热循环
A工况：tk＝40℃，t0＝0℃； B工况：tk＝40℃，t0＝0℃，
过冷温度t3＝35℃; C工况：tk＝40℃，t0＝0℃，
吸气过热温度t1＝5℃ 。
（Tk－T0）取决于制冷循环工况 饱和液体线的斜率取决于液态制冷剂的物性
比热
制冷剂节流后的干度取决于其潜热
用膨胀阀代替膨胀机后，增加了we，损失了 △q01，这使制冷系数和热力完善度下降。
二、用干压缩代替湿压缩后的饱和损失
为什么要用干压缩代替湿压缩
在制冷压缩机的实际运行中，若气缸吸入 湿蒸气，会引起液击现象，损坏压缩机的 阀片和其他零部件。
由于液体比热C总大 于气体比热C’，所以 液体温度的降低总小 于吸气温度的提高。
S
第四节 理论制冷循环的热力计算
一、制冷剂的压-焓图（lgP-h图）
lgP
t
过冷液 体区 P
饱和液 体线
x x=0
0
c s
湿蒸 气区
v
干饱和 蒸气线
过热蒸 气区
t x=1
h
等压线 等焓线 等温线 等比容线 等熵线 等干度线
过量的液体制冷剂进入高温的气缸后，会 发生强烈的热交换而迅速汽化，占有气缸 容积，使吸气量减少，制冷量下降。
干压缩代替湿压缩后的影响
T
Tk
3
T'k
3'
we
T0'
4'
T0 0 4" 4
2 Pk
2" 5
2'
wb
1'
P0
1
1"
q 01 cb
q02
da
S
饱和损失 面积522”5
增加制冷量 △q02=h1－h1” 面积1”1ad1
Mr

Q0 q0
(kg/s)
压缩机的吸气体积流量：
Vr

M r v1

Q0 qv
(m3/s)
冷凝器的热负荷：
Qk = Mrqk (kW) 压缩机的理论耗功量：
N = Mrw (kW) 理论制冷系数：
Q0 q0 h1 h4 N w h2 h1
例1.1 理论循环
A工况：tk＝35℃，t0＝0℃； B工况：tk＝40℃，t0＝0℃； C工况：tk＝40℃，t0＝－5℃。
二、热力计算
T
Tk
3
Pk 2
w
P0
T0
04
1
q0
lgP
tk
2
3 Pk
tk
t2
t0
P0
4
v1
t0 1
q0
w
qk
b
a
S
h3= h4
h1
h2
h
1－2为绝热压缩过程，2－3为等压冷凝过程，
3－4为绝热节流过程，4－1为等压蒸发过程。
lgP
tk
3 Pk
tk
t0
P0
4
t0
q0 qk
h3= h 4
2 t2
1 w
5.64
B工况 40 1.53
0 0.498 405.4 433 243.1
5.87
C工况 40 1.53
0 0.498 411.1 440.4 249.7
5.51
例1.3 回热循环
工况： tk＝30℃，t0＝－15℃， t1’＝5℃；
制冷剂：R12、R717。
tk＝30℃，t0＝－15℃， t1’＝5℃
具有温差的逆 卡诺循环 1”2”34”1”
理论制冷循环 12341
S
理论制冷循环与逆卡诺循环（理想制冷 循环）的区别：
1．在冷凝器和蒸发器中，制冷剂按等压过 程循环，而且具有传热温差；
2．制冷剂用膨胀阀绝热节流，而非膨胀机 绝热膨胀；
3．压缩机吸入饱和蒸气，而不是湿蒸气。
一、用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失
ε＝3.11 qk=4230W，μc=4.11
第二节 理论制冷循环
T
Tk
3
w
T0
04
q0 b
2 Pk
P0 1
a
S
三种制冷循环过程在T-S图上的表示
T
Tk
3
T'k
3'
we
T0'
4'
T0 0 4" 4
q 01 cb
2 Pk
2" 5
2'
wb
1'
P0
1 1"
q02 da
逆卡诺循环 1’2’3’4’1’
tk＝35℃，t0＝0℃
3
2
4
1
冷凝
参数
tk (℃)
Pk (MPa)
蒸发
t0
Pk
(℃) (MPa)
h1 (kJ/kg)
h2 (kJ/kg)
h3=h4 (kJ/kg)
制冷系数
h h 1 4
h h
2
1
A工况 35 1.35
0 0.498 405.4 430 243.1
6.60
B工况 40 1.53
T0 )
c
表明具有传热温差的不可逆循环的制冷 系数，总小于相同冷热源温度时的逆卡 诺循环制冷系数，而且随传热温差△T0和 △Tk的增大而降低。
蒸发器传热温差△T0对制冷系数的影响大 于冷凝器传热温差△Tk 。
相同冷热源温度时，实际循环和逆卡诺 循环制冷系数的比值，可用来表示实际 循环的热力完善度。
+5
10
10
－ 4.87 0.61
10
5
－ 5.46 0.69
二、变温热源的逆向循环
冷却介质 被冷却介质
图1.4 恒温热源逆向循环
冷却介质 被冷却介质
图1.5 变温热源逆向循环
单一物质制冷剂无法实现变温逆向循环， 非共沸混合制冷剂可以实现。
三、热泵的应用
逆向循环可以用来制冷，也可以用来供 热，或者冷、热同时使用。
h1
h2
制冷剂在蒸发器中 的单位质量制冷量 q0＝h1－h4 (kJ/kg)
压缩机的单位质量
v1
绝热压缩耗功量
w＝h2－h1 (kJ/kg)
制冷剂在冷凝器中 的单位质量放热量 h qk＝h2－h3 (kJ/kg)
制冷剂的单位容积制冷量：
qv

q0 v1
(kJ/m3)
若已知总制冷量为Q0(kW)，则制冷剂的质量循环量：
h3 = h4
所以
we = △q01
这表明制冷剂在绝热膨胀中的作功能力全部
用来克服绝热节流过程中的各种阻力损失，而这
些损失最终转化为热量，被流过膨胀阀的制冷剂
吸收，使部分制冷剂汽化，增加了干度，降低了
湿蒸气中的液体含量，减少了其制冷能力，此损
失称为制冷剂通过膨胀阀的节流损失。
影响节流损失大小的因素
两者相等
绝热压缩过程 外界输入功w 面积123041
绝热膨胀过程 膨胀机输出功we
面积3043
外界输给压缩机的 净功wc＝w －we 面积12341
衡量制冷循环经济性能的指标： 制冷系数（COP）
c

q0 wc

T0 Tk T0
制冷系数仅与高、低温热源的温度有关，而 与制冷剂的热物理性能无关。
一、逆卡诺循环
实现逆卡诺循环必须具备的条件：
（1）高、低温热源温度恒定； （2）工质在冷凝器和蒸发器中与外界热源之间
无传热温差； （3）工质流经各个设备时无内部不可逆损失； （4）作为实现逆卡诺循环的必要设备是压缩机、
冷凝器、膨胀机和蒸发器。
逆卡诺循环示意图
T 绝热
膨胀 3 Tk
T0
4
等温 冷凝
三、回热制冷循环
制冷剂液体过冷和吸气过热，是利用流出蒸发器的 低温饱和蒸气与流出冷凝器的饱和液体通过热交换器 的传热过程而产生的。
T
Tk
3'
3
w
0
T0
4 4' q0
2 Pk 2'
P0 1' 1
q 0 ba
q0
dc
S
回热循环特别适用于增加吸气过热度能提 高其循环制冷系数、以及绝热指数较小， 绝热压缩后排气温度较低的制冷剂，如R12 （K = 1.136）、R22、R502。
增加耗功量△wb 面积122”1”1
第三节 液体过冷和吸气过热 对制冷循环的影响
一、液体过冷对制冷循环的影响
T3称为过冷温度；
T
Pk
（Tk － T3）称为过冷度；
Tk
增加制冷量△q03，其随T3
的降低而增加；
T0
压缩机耗功量不变；
3'
3
w
0 4 4' q0
q03
2' P0
1'
制冷系数增加。
cb
a
S
3’ 3
4’ 4
2 2’
q0
1 1’
qk
例1.4 过冷过热循环
总制冷量 Q0＝40kW 工况： tk＝40℃，t0＝5℃，
tu＝40℃，t1＝0℃； 制冷剂：R12、R22、R717。
tk＝40℃，t0＝5℃， tu＝35℃， t1＝10℃
2 3
4
q0
1
qk
第五节 制冷剂和载冷剂
基本要求：
1．制冷剂对蒸气压缩式制冷系统的组成及运行经济 性有很大的影响，应从热力学、物理化学、安全性 等方面了解对制冷剂的要求。
用来制冷的逆向循环装置，称为制冷装 置；用来供热时则称为热泵装置。
供热系数：
c

qk wc

wc q0 wc
1 c

Tk Tk T0
1
例：
有一台冷暖两用的热泵型空调器，假设 其按照逆卡诺循环运行，压缩机的净功 率是1030W，夏季的制冷量为3200W， 问制冷系数为多少？在冬季运行时，制 热量和供热系数各为多少？
为什么要用膨胀阀代替膨胀机？ 代替之后有什么影响呢？
损失膨胀功 we=h3－h4’’ 面积34”03
减少制冷量 △q01=h4－h4” 面积4”4bc4”
T
Tk
3
T'k
3'
we
T0'
4'
T0 0 4" 4
q 01 cb
2 Pk
2" 5
2'
wb
1'
P0
1
1"
q02
da
S
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
因为绝热节流过程前、后焓值不变，即
通过对εc分别求T0和Tk的偏导数，可以得 知T0和Tk对εc的影响是不等价的，并且T0 的影响大于Tk 。
冷凝器和蒸发器的传热温差分别△Tk和△T0时
T
Tk
Tk 3
2
Tk'
3'
2'
T0'
4'
T0
T0 4
b
1' 1
a
S
c
'
T0 Tk T0

(Tk
T0 ' T0 ' T0 ') (Tk
二、吸气过热对制冷循环的影响
T
Pk 2' 2 T2
Tk
3'
w
w
P0
T0
0 4' q0
1' 1 T1
q04
b
ad
S
T1称为吸气过热温度； （T1－T0）称为过热度；
增加制冷量△q04； 增加压缩机耗功量△w；
制冷系数是否提高取决于 是否 q04 。q0
w w
有效过热：在蒸发器中发生，其增加的制冷量 为有效制冷量；
蒸气压缩式 制冷循环原理
第一节 逆向可逆循环
正
逆
向
向
循
循
环
环
—— ——
动
制
力
冷
循
循
环
环
可逆循环：是一种理想循环，它不考虑 工质在流动和状态变化过程中的各种损 失。
不可逆循环：在工质循环过程中考虑了 上述各种损失。
不可逆损失主要是指制冷剂在流动和 状态变化时因内部摩擦、不平衡等因素引 起的内部不可逆损失，以及冷凝器、蒸发 器等换热器存在传热温差的外部不可逆损 失。
tk＝40℃，t0＝0℃，t3＝35℃
2 3
4
1
tk＝40℃，t0＝0℃，t1＝5℃
2 3
4
1
冷凝
参数
tk (℃)
Pk (MPa)
蒸发
t0
Pk
(℃) (MPa)
h1 (kJ/kg)
h2 (kJ/kg)
h3=h4 (kJ/kg)
制冷系数
h h 1 4
h h
2
1
A工况 40 1.53
0 0.498 405.4 433 249.7
对氨（K = 1.310）、R11等，因为绝热指数 较大，提高过热度后会降低其制冷系数， 所以不采用回热循环。
T
Tk
3'
3
w
0
T0
4 4' q0
q 0
ba
2'2 Pk
热交换器中的热量平衡 C(T3’ －T3)＝C’(T1－T1’) 面积1’1cd1’等于面积44’ab4
P0 1' 1
q0 dc
有害过热：在压缩机吸气管中因吸收环境空气 中的热量而产生的吸气过热，其必使制冷系数 下降；
因此压缩机的吸气管应具有良好的隔热措施， 尽量减少制冷剂的有害过热。
吸气过热度增加，排气温度也随之上升， 这将使润滑油的粘度变稀，影响摩擦件的 润滑，损坏机件，并使润滑油炭化，阀片 表面积炭，影响阀片的启闭和压缩机的正 常运行。因此，吸气过热即使对制冷系数 有利的制冷剂，它的过热度也应控制在一 定范围之内。
适当增加吸气过热度能使润滑油较顺利地 返回压缩机，并能进一步防止在气缸中发 生液击现象。因此，即使对于吸气过热会 降低制冷系数的制冷剂，仍然应保持一定 的过热度。
对于增大吸气过热度会使制冷系数下降的 制冷剂，其过热度应控制在较小范围之内， 如氨一般控制在3～5℃；
对于增大吸气过热度能提高制冷系数的制 冷剂，其过热度范围可以大一些，如R12 等一般控制在10～40℃之内。