制冷原理与装置课件第三章 单级压缩蒸汽制冷循环
蒸气压缩式制冷的理论循环
蒸气压缩式制冷的理论循环1. 单级蒸气压缩式制冷的理论循环的形式单级蒸气压缩式制冷的理论循环是在逆卡诺循环的基础上，作了如下变化：（1）节流阀代替膨胀机；（2）干压缩代替湿压缩。
循环的特点是制冷剂在压缩机的吸入状态和冷凝器的出口状态都是饱和状态，又将理论循环称为饱和循环。
当然，理论循环还保留逆卡诺循环的其它假定。
循环原理图和循环状态点在T－S图上的表示如图1-2、图1-3所示。
单级蒸气压缩式制冷循环由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器四大部件组成。
制冷剂在循环过程中各点的状态分别是：压缩机吸入口状态1为低温低压的饱和蒸气；压缩机压缩后状态2为高温高压的过热蒸气状态；冷凝器出口状态3为常温高压的饱和液体状态；节流阀图1-2 理论循环原理图图1-3理论循环在T-S图上的表示出口状态4为低温低压的湿蒸气状态（由大部分低温饱和液体和小部分低温饱和蒸气组成）。
将这四个状态点的特性列成表来表示，见表1-1。
单级蒸气压缩式制冷理论循环各状态点特性表1-1循环过程中，各设备的作用是：压缩机起到了压缩和输送制冷剂，并造成蒸发器的低压作用；冷凝器起到了将低温物体的热量和压缩功转变的热量传给环境的作用；蒸发器则起到了吸收被冷却物体的热量的作用；节流阀起到节流降压、调节流量的作用。
制冷压缩机和节流阀将制冷系统分成高低压两个部分，高压部分从压缩机出口到节流阀进口；低压部分从节流阀出口到压缩机进口。
通过制冷循环，制冷剂不断吸收被冷却物体的热量，使被冷却物体温度维持在所需较低温度的水平，达到制冷的目的。
2. 单级蒸气压缩式制冷的理论循环在压焓图上的表示制冷循环中各过程的功量与热量的变化在压焓图中均可用过程初、终态制冷剂的焓值变化来计算，制冷工程广泛应用压焓图分析计算制冷循环。
（1）压焓图压焓图的示意图见1-4。
压焓图是以绝对压力为纵坐标（为了缩小图面，用对数坐标，其上的压力数值不需换算），以比焓为横坐标来表示制冷剂的状态。
二线、三区域、五种状态、六条等参数线。
蒸气压缩式制冷循环
（3）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。
（4）节流过程（节流阀中进行）
• 压力、温度降低，焓值不变。
（5）蒸发过程（蒸发器中进行）
• 吸热蒸发，变成低温低压制冷剂气。
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
• 作业
1.蒸气压缩制冷循环系统主要由哪些部件组成， 各有何作用？ 2.蒸发器内制冷剂的汽化过程是蒸发吗？
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
– 引课 – 2.1.2.1 理论循环的假设条件和压焓图 – 2.1.2.2 理论循环的性能指标及其计算 – 小结 – 作业
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
• 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
• 单级蒸气压缩式制冷循环，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℃。单级蒸气压缩式制冷 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
液相区
•
气相区
两相区
•
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
3.理论循环过程在压焓图上的表示
1）压缩过程 2）冷凝过程 3）膨胀过程 4）蒸发过程
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
2.1.2.2 理论循环的性能指标及其计算 1.单位质量制冷量
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。
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
例1-1 假定循环为单级蒸气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。
单级蒸汽压缩式制冷循环PPT课件
若不计回热器与环境空气之间的热交换，则液 体过冷的热量等于使蒸气过热的热量，其热平 衡关系为
h4 h4 h1 h1
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(1-20)
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p
4’4 pk 3 2 2’ 5’ 5 p0 1 1’
q0 q0
h 回热循环在p-h图上的表示
回热循环中各性能指标的变化完全同于有效过热循环。
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无效过热循环
无效过热循环：过热过程中产生的冷量没有被冷 却介质所吸收。
（1）单位制冷量 q0
不变
q0 (h1 h5 )
(1-13)
(2)单位容积制冷量 qv 减小
qv
h1 h5 v1'
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(3)理论比功 w0
增加
w0 h2' h1'
q h w
（1-1）
这里，把自外界传入的功作为负值。
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（1）压缩过程: q 0 w h2 h1
(2)冷凝过程： w 0
（1-2）
qk h2 h4
（1-3）
(3) 节流过程： w 0, q 0
h4 h5
（1-4）
（4）蒸发过程： w 0
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吸气管道中的热交换可视情况当作有效过热 或无效过热来分析。
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（2）排出管道
在压缩机的排出管道中，热量由高温制冷剂 蒸气传给周围空气，它不会引起性能的改变，仅 仅是减少了冷凝器中的热负荷。
排气管道中的压降会引起压缩机排气压力 升高。
制冷与低温技术原理第3章蒸气压缩式制冷单级蒸气压缩制冷循环
从蒸发器出来的低温 制冷剂蒸气，在通过吸 气管道进入压缩机之前 ，从周围环境中吸收热 量而过热，该过热对被 冷却物体不产生任何制 冷作用。
p
无效过热对循环性能的影响
3
pk, TK
2 2’
po, To
4
1 1’
0 有吸气过热的循环 h
单位制冷量
不变 q 0 h1 h4
给定压缩机
制冷量 减少
Q 0 q m q 0
➢ 蒸发温度越低，过冷使性能的相对提高越大。
（6）实现过冷的措施：
➢ 利用冷凝器直接过冷；
• 采用逆流管套式换热器最易获得过冷。 • 过冷度提高不多，一般可获得1-5℃过冷度。
➢ 利用再冷却器或过冷器获得过冷；
• 在冷凝器和膨胀阀之间增设一台过冷器，在过冷器 中通入温度更低的冷却介质（如深井水）；
各点对应状态
3
膨 胀 阀
4
冷却介质
冷凝器 蒸发器
2
压缩机
1
被冷却介质
蒸气压缩式制冷的基本系统图
（1）1点：制冷剂进入压缩机的状态， 对应于蒸发温度To下的饱和蒸汽。
（2）2点：压缩机压缩后的排气状态， 对应于冷凝压力下的过热蒸汽。
（3）3点：制冷剂在冷凝器出口处的状态， 是与冷凝温度TK对应的饱和液体。
循环比功 略增大
w
' 0
h
2'
h
1'
w 0 ( h 2 ' h 1' ) ( h 2 h1)
p
3 pk, TK 2 2’
po, To
4
1
1’
0 吸气过热பைடு நூலகம்比功变化 h
冷凝器的热负荷 增加
单级蒸气压缩制冷理论循环讲解
(kJ/m3)
单位功：
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)
=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。
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)制冷系数 ε0 制冷系数的物理意义为：在循 环中，每消耗单位功可获得的制冷量。其定义 式为：
因：w=0、 ? c ? 0
故：q ? ? h ，q0=h0-h4=h0-h3
制冷原理
第三章制冷循环与冷冻冷藏的基本概念目的：了解单级压缩循环、双级压缩循环的特点；了解冷冻冷藏的基本概念；合理的操作制冷系统、科学管理冷库。
第一节单级压缩蒸汽式制冷循环1、单级压缩制冷循环原理图：可以简单地用图1-9来表示。
制冷剂在制冷系统内相继经过压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程，便完成单级压缩制冷循环，即达到制冷的目的。
2、单级压缩制冷循环的主要设备：在制冷循环中，蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀是必不可少的四大部件：1）蒸发器：制冷剂在低压（蒸发压力）下以较低的温度（蒸发温度）蒸发，吸收被冷却物质的热量实现制冷，是向外输送冷量的设备。
2）压缩机：是系统的心脏，起到输送制冷剂蒸汽的作用，同时保证蒸发器在低压下运行、冷凝器在高压（冷凝压力）下运行。
是输入功的设备。
3）冷凝器：制冷剂蒸汽在高压下将从蒸发器吸收的热量以及压缩功转化的热量传递给冷却介质，冷凝成温度较高的（冷凝温度）液体。
是放出热量的设备。
4）节流阀：将从冷凝器冷凝的制冷剂液体节流降压（降到蒸发压力）后进入蒸发器，同时控制和调节制冷剂的流量，并将系统分为高压侧和低压侧两部分。
在实际的制冷系统中，为了提高运行的经济性、可靠性和安全性，还设有一些辅助设备，如气液分离器、油分离器、油冷却器、空气分离器、贮液器、集油器、过滤器以及安全附件、阀门等。
3、实际运行中的影响因素：1）液体过冷对循环性能（制冷效率）的影响获得液体过冷的方法很多，但可能增加设备或运行成本，所以通过提高过冷度来提高循环经济性应进行综合考虑。
2）吸气过热对循环性能的影响有一定的吸气过热度是压缩机安全运行的条件。
吸气过热度过大会引起排气温度过高。
增加压缩机耗电、增加冷凝器热负荷。
3）热交换及压力损失对循环性能的影响减少管道、阀门的压力损失；减少低温管道、低温设备的冷量损失（保温）；4）不凝性气体对循环性能的影响一般来说，空气等不凝性气体都存积在冷凝器的上部，占据一定的冷凝空间，减小换热面积，同时，使冷凝压力提高，压缩机功耗增加，冷量减小。
制冷原理
2.危害性及替代品
R12是最早使用且性能优秀的氟里昂类制冷 剂。但因为对环境有危害，正被逐步限制使用。替 代R12的工质有R123a、R600a等。
简单空气压缩式制冷系统示意图
回热式空气压缩制冷系统
为了克服简单压缩空气制冷循环上述 缺点，在空气冷却器和膨胀机之间加入一 个回热器。如图所示。 回热器加热后的空气再进入压缩机可以 使压缩机的压比降低，小压比空气压缩可采 用叶轮式压缩机，其空气排量远大于活塞式 压缩机，从而提高了循环的制冷能力。 斯特林制冷机是另一种更先进的压缩 空气制冷循环，其理想循环是由两个定熵过 程和两个定容过程组成的逆向循环。
1.组成
蒸气喷射式制冷机是用喷射器取代压缩式制冷 机中的压缩机，如图所示
2.工作原理
高温、高压的工作蒸气进入喷射器中的喷嘴 后高速喷出形成低压气化环境，蒸发器中的 液体制冷剂在此环境中气化制冷，产生的低 压蒸气与高速喷射气流会合后进入喷射器的 扩压室，并使流速降低，压力升高，然后经 过冷凝器、膨胀阀返回蒸发器。
R600（异丁烷，C4H10）和R407C
1.R600（异丁烷，C4H10）
R600a也是R12的一种替代工质，标准沸点为11.7摄氏度，它的热力性质与R12并不相似，但它是一 种自然工质，对环境无破坏作用，它与R12热力性质差 异较大，其制冷系统需要重新设计。
2.R407C
R407C是R32、R125、R134a按质量成分23：25： 52配置成的非共沸混合物。R407C很有可能代替R22作 为新的制冷剂，不过正处于开发阶段。
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第一节 单级压缩蒸汽制冷机的理论 循环
• 单级压缩蒸汽制冷机是指将制冷剂从P0压 缩到PK经过一级压缩。
• 一、理论循环—作为研究制冷机实际循环 的基础。
• 定义：为了能应用热力学理论对蒸汽制冷 机的实际过程进行分析，我们先提出一种 简化的循环，称为理论循环。
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6、热力完善度η
例3-1 e1D
1(0.2150.81310.20510.21280.804)97
0.42343.23%3
课件\例题3－1表1.tif 课件\例题3－1表2.tif
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• 例3-1计算结果分析： 在相同工作条件下，
①R22、R717的qv值很接近，但R134a小的 多（约小45%）。
• 压缩机吸入前的制冷剂蒸汽的温度高于吸气压力 所对应的饱和温度时，称为吸气过热。具有吸气 过热过程的循环，称为吸气过热循环。
• 1、循环的压-焓图及温-熵图
qv qv
0 0
1 cp0tR 1 tR
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q0
T0
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过热包括
有效过热
无效过热—氨系统一般属于
对有效过热循环，循环的ε′与无过热循环的ε0 比较大小取决于△q0/ △w0的大小。 如△q0/ △w0＞ ε0，则过热有利；
q0=h1-h5=r0（1-x5）kJ/kg；
• 2、单位容积制冷量qv
定义：压缩机每输送1m3以吸气状态计的制冷剂 蒸汽经循环从低温热源所吸收的热量。
qv=q0/v1=（h1-h5）/v1 kJ/m3；
• 3、理论比功w0
定义：理论循环中制冷压缩机输送1Kg制冷剂所 消耗的功。
w0=h2-h1 Kj/Kg；
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• 循环的T-S图及P-h图如下：
• （1）1-2—等熵压缩过程，消耗外功。 w=h2-h1，在T-S图上可用面积1-2-3-4-c-b-5-1表示；源自2020/8/24
• （2）2-3-4： 2-3：等压冷却过程；
3-4：等压冷凝过程；
过程对外放出热量，qK=h2-h4，在T-S图上可 用面积a-2-3-4-c-a表示；
• 1、循环的系统图及p-h图
T1T1tRT0tR
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• 2、回热循环的热力计算 • ⑴回热器内的热交换量
q R h 4 h 4 h 1 h 1 k j/k g
• ⑵单位质量制冷量
qoRh 1h 5 kj/kg
• ⑶单位容积制冷量
qvRqvo1R h1v1h5
kj/m3
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变差。
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• 蒸发温度越低，无效过热的影响越大。
• 另外，过热使机器的排气温度升高，对压 缩机不利。
• 实际循环中，即使用R502这样的制冷剂也 不要使过热度太大。
• 表3-1为t0=0℃ ，tk=40℃ 时，过热度对排 气温度的影响。
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• 对R717系统，压缩机允许的最高吸气温 度见下表：
• （3）4-5—节流过程，温度及压力均降低。 h4=h5；
• （4）5-1—等压汽化过程，从被冷却介质吸收 热量。
q0=h1-h5，在T-S图上可用面积a-1-5-b-a表示；
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• （二）性能指标
• 1、单位质量制冷量q0
定义：压缩机每输送1Kg制冷剂经循环从低温热 源所吸收的热量。
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2、过冷循环与饱和循环的比较
循环
饱和循环 12341
qOKJ/Kg
qvKJ/m3
W0 KJ/Kg
h1-h4 qO/v1 h2-h1
ε0
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qO/w0
过冷循环 123′4′1 h1-h4′ qO ′/v1 h2-h1
qO ′/ w0 ′
比较
qO ′＞ qO qv ′＞ qv w 0′=w0 ε0 ′ ＞ ε0
△q0/ △w0＜ ε0 ，则过热不利。
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图3-4为t0=0℃ ，tk=40℃ 时计算的结果。
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• 无效过热（有害过热）：
• q0′=q0=h1-h5 • w0′=h2′- h1′；w0 =h2-h1 • w0′＞w0 • ε0′＜ ε0 • 无效过热使循环的制冷系数减小，经济性
t0 ℃
5
0
t吸 ℃
10
1
-5 -10 -15 -20 -25 -28 -30 -33 -40 -45 -4 -7 -10 -13 -16 -18 -19 -21 -25 -28
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• （三）回热循环
• 定义：利用回热器，使节流阀前的高压液 体与蒸发器回气之间进行热交换，使液体 制冷剂过冷，并消除或减少有害过热，这 种循环称为回热循环。
②三种制冷剂的ε0及η相差不大。
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三、液体过冷、气体过热及回热循环
• （一）液体过冷 将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温 度的状态，称为液体过冷。带有液体过冷 过程的循环，叫做液体过冷循环。
1、循环的温-熵图和压-焓图 饱和循环：1-2-3-4-1 液体过冷循环：1-2-3′-4′-1
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• ⑷理论比功
w 0Rh 2 h 1 kj/kg
• ⑸单位冷凝热
q kRh 2 h 4 kj/kg
12
• 结论：节流阀前液体过冷，提高了循环的 制冷系数，即提高了循环的经济性。
• △q0=h4-h4′=C′△tS.C与制冷剂的性质有关。 • ε′= ε+ C′△t/（h2-h1） • △t越大， △ ε越大。
• 具体循环是否采用液体过冷，要经过技术 经济分析。
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（二）吸气过热
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• 4、单位冷凝热qK • 定义：单位（1kg）制冷剂蒸汽在冷凝器中冷凝所
放出的热量。
•
显热（2-3过程放出的热量）
• 包括
•
潜热（3-4过程放出的热量）两部分。
• qK=（h2-h3）+（h3-h4）=h2-h4kJ/kg • qK=q0+w0 • 5、制冷系数ε0
0 h1h5 Tk T0 c h2h1 T0
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• 单级理论循环是建立在以下一些假设的基础 上的：
• 1、压缩过程为等熵过程；
• 2、在冷凝器和蒸发器中无换热温差，蒸发、 冷凝温度为定值；
• 3、压缩机吸气为饱和气体，节流阀前为饱和 液体；
• 4、制冷剂在管道内流动时无阻力损失，与外 界无热交换；
• 5、节流过程为绝热节流，节流前后焓值相等。