蒸汽压缩式制冷设备课件

po, To
4
1
0
理论循环p-h图
h
（1）热源的温度； （2）制冷剂的性质。
理论循环的意义：
（1）是实际循环的基准和参照，用于分析研究实际循环 的各种不完善因素和作出相应改进。
（2）用于评价制冷剂。相同Tk，To条件下，通过不同 制冷剂的理论循环特性比较，可以评价它们在热力 性质方面的适宜程度。
3.2 单级蒸气压缩式制冷的实际循环
3.2.1 各种实际因素对循环的影响
1. 高压液体过冷的影响
（1）过冷：制冷剂液体的温度低于同一压力下 饱和状态的温度。
过冷度：两者温度之差。
（2）液体过冷循环： 在一定的冷凝温度和蒸发温度下，采用使
制冷剂离开冷凝器，进入节流阀之前具有一定 过冷度的循环。
（3）过冷循环的坐标图表示
p
3’ 3 pk, TK 2’ 2
单位容积制冷量：
压缩机每吸入 1m3 制冷剂蒸气 （按压缩机吸气状态）所制取的冷量。
式中： v1—压缩机入口处状态点1的比体积。
制冷剂的质量流量：
式中： qvh—压缩机的理论输气量，m3/s。
（2）压缩过程和比功
与制冷剂的种类和
理论比功：
工作条件有关
压缩机每压缩和输送 1kg 制冷剂所 消耗的压缩功。
h4 h3
节流后4状态点 焓值
干度
比体积
（5）制冷系数：
q0 h1 h4
w h2 h1
（6）循环效率（热力完善度）：
h1 h4 TK T0
c h2 h1
T0
总结
制冷机的性能
p
制冷量Ф0
0
压缩机功率P
循环的性能系数COP
3
pk, TK 2’ 2
po, To
4
1
理论循环p-h图
2. 理想循环在坐标图上的描述 工作过程
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）1-2 压缩机中干饱和蒸汽等熵压缩过程； （2）2-3 冷凝器中过热蒸汽等压冷却及冷凝过程； （3）3-4 节流阀中饱和液体绝热节流过程； （4）4-1 蒸发器中湿蒸汽等温等压汽化过程。
压-焓图 温-熵图
p
hT
c
s
v
x p
0
压力-比焓图
h
Ts c
p v
h T
x来自百度文库
0
温度-比熵图
s
压-焓图： 1点，2线，3区，5态，6等参数线簇。
1点
临界点 (critical point)
2线
下临界线 : 不同压力下饱和液体状态 上临界线：不同压力下干饱和蒸汽状态
液相区 (liquid region)
压缩机
——
取决于过热是有效过热，还胀 阀是无效蒸过发器热。
4
1
被冷却介质
蒸气压缩式制冷的基本系统图
有效过热
无效过热
若压缩机吸入蒸气的 过热发生在蒸发器本身 ，或者发生在安装于被 冷却空间内部的吸气管 道上，或两者皆有，该 过热所吸收的热量来自 于被冷却物体，因而产 生有效的制冷作用。
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。
无效过热对循环性能的影响
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
制冷系数 降低
q0
w0
单位容积制冷量
结论 无效过热为有害过热。 如何变化？
措施 在吸气管道上敷设隔热材料。 但不能完全消除。
有效过热对循环性能的影响
单位制冷量q0
增加
单位容积制冷量qv：与制冷剂的性质有关
w 0 h 2 h 1 kJ / kg
容积比功：
压缩机每压缩和输送 1m3 制冷剂 （按压缩机吸气状态）所消耗的压缩功。
wv
w v1
h 2 h1 v1
kJ / m3
压缩机功率： P 0 q m ( h 2 h 1) kw
压缩机的压力比：
循环中压缩机的排气压力 与吸气压力之比。
p2 pk
3区
汽液两相区(liquid-vapor region)
汽相区 (vapor region)
5态
未饱和液体，饱和液体，湿饱和蒸汽，
干饱和蒸汽，过热蒸汽。
6等参数线簇(压-焓图）
等压线--- 水平线； 等焓线--- 垂直线；
p
hT
c
s
T
s
c
p
v
v h
T
x p x
0
压力-比焓图
h
0
温度-比熵图
s
等温线--- 液相区：几乎为垂直线，
p1 p0
压缩机的排气温度 T2 ：
制冷剂气体压缩终了的温度。
（3）冷凝过程和冷凝器的热负荷 冷凝器单位热负荷：
1kg 制冷剂蒸汽在冷凝器中放出的热量。
q k h 2 h 3 kJ / kg
（4）节流过程
节流过程特点
➢ 节流过程是不可逆过程。。 ➢ 节流时绝热膨胀，对外不作功。。 ➢ 节流前后焓值不变；但节流过程非等焓过程。 ➢ 整个循环比功与压缩机的理论比功相等。
（5）回热循环的应用
从单位容积制冷量和制冷系数角度看：
• R502，R290，R134a 采用回热循环有利； • R22，R717 采用回热循环不利。
po, To
4’ 4
1
0 高压液体过冷的循环 h
T
3 3’
2 2’
4’ 4
1
0 高压液体过冷的循环 S
（4）过冷对制冷循环的影响
单位制冷量 增大 单位容积制冷量 增大
q0 h1 h4' h1 h3' h1 h3
循环比功
不变
w h2 h1
过冷前后压缩机进出口状态不变，比功不变。
制冷系数 增加
NH3
R502
• 单位容积制冷量下降； • 制冷量减少； • 压缩终了温度提高； • 对压缩机的寿命，可靠
性不利； • 希望有5℃的过热度。
• 单位容积制冷量增加； • 制冷量增加； • 容积效率提高； • 吸气过热度受最高允许
排气温度的限制； • R502 可允许有30-50℃过热度。
R22
• 单位容积制冷量减少，但变化较小； • 压缩机的容积效率增加，占优势； • 相同工作条件下，压缩机排气温度比R502高，
回热器的能量平衡关系
不计回热器与外界环境之间的能量交换，
回热器中制冷剂液体放出的热量应等于
制冷剂蒸气吸收的热量。
3 1’
即； h1 h1 h3 h3 h4 h4
3’
1
c(t3 t3 ) cp0 (t1 t1)
式中：c’：液体的比热容， cp0：低压蒸气的比热容。
回热器的能量守恒
3 冷凝器 2’
• 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）；
• 或将冷却介质先通过再冷却器，然后再进入冷凝器。
➢ 采用气-液热交换器（回热器）。
2. 压缩机吸气过热的影响 （1）过热：制冷剂蒸气的温度高于同
一压力下饱和蒸气的温度。 过热度：两者温度之差。
（2）蒸气过热循环： 制冷剂蒸气在蒸发器中完全蒸发后仍然要
h2 h1
➢ 使进入节流装置前的制冷剂液体不会因流动阻力产生 气化现象，从而保证了制冷剂流动的稳定性。
➢ 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；
影响实际循环的因素
外部条件 ➢ 高温热源和低温热源为变温热源， ➢ 热源与制冷剂的传热为有限温差传热。
内部条件
➢ 制冷剂液体过冷和蒸气过热的影响； ➢ 冷凝器，蒸发器和连接各设备的管道中因制冷剂流动
而产生压降，制冷剂通过管道与外界有热交换； ➢ 压缩机中的实际压缩过程为非等熵过程； ➢ 系统中存在不凝性气体等。
继续吸收一部分热量，这样，当它到达压缩机 之前已处于过热状态。
目的 不将液滴带入压缩机，避免液击现象。
（3）过热循环的坐标图表示
p 3 pk, TK 2 2’
po, To
4
1 1’
0 有吸气过热的循环 h
T 3
2’ 2
1’
4
1
0 有吸气过热的循环 S
（4）过热对制冷循环的影响
压缩机的排气温度
增加
过热循环中压缩机的排气温度比理论循环 压缩机的排气温度高；
两相区：水平线，
气相区：向下方弯曲的倾斜线；
等熵线--- 向右上方倾斜的实线；
等容线--- 向右上方倾斜的虚线，比等熵线平坦；
等干度线--- 只存在于湿蒸气区。
3.1.3 单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环
1. 简单的理论循环假设
高温热源TH和低温热源TL温度恒定，制冷剂在相变过程 中与热源之间没有传热温差， 蒸发温度To=TL，冷凝温度 TK=TH；
h
运用某种制冷剂时：
➢ 蒸发压力po ，冷凝压力pk 反映系统的压力水平； ➢ 压力比，压力差和排气温度反映压缩机的工作条件； ➢ 单位制冷量，单位容积制冷量反映制冷能力， ➢ COP 反映制冷循环的经济性。
4. 理想循环的意义 理论循环是不可逆循环。 影响理论循环特性的因素：
p
3
pk, TK 2’ 2
3 冷凝器 2’
回热器
1’ 压缩机
3’ 节流阀
4’
1
蒸发器
有回热循环系统图
p
3’ 3 pk, TK
2 2’
po, To
4’ 4
1 1’
0
回热循环图
h
（3）回热循环坐标图
p
3’ 3 pk, TK
2 2’
po, To
4’ 4
1 1’
0
回热循环图
h
T
3
2 2‘
3’ 4’ 4
1’ 1
0
回热循环图
S
（4）回热循环分析
第三章 蒸汽压缩式制冷设备
济宁市技师学院 钟元振
3.1 蒸气压缩式制冷的理论循环 3.1.1 特点及工作过程
1. 系统组成： 压缩机，节流阀，蒸发器和冷凝器等主要设备
及辅助设备（过滤器，油分离器，储液器）。
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
3.1.2 制冷剂的状态图
循环比功 略增大
w
' 0
h
2'
h
1'
w 0 ( h 2 ' h )1' ( h 2 h1)
冷凝器的热负荷 增加
由于过热循环在1-1’过程中吸收了一部分热量， 再加上比功又略有增加，则冷凝器的热负荷增加。
若给定压缩机，制冷剂的质量流量qm
减小
冷却介质
单位制冷量和制冷系数的变化
3
膨
冷凝器
2
（4）4点：节流后流出节流阀，进入蒸发器的状态， 为湿饱和蒸汽状态。
坐标图中的表示
p
3 pk, TK 2’ 2
po, To
4
1
0
理论循环p-h图
h
T
2
3 pk, TK 2’
po, To
4‘ 4
1
0
理论循环T-s 图 S
课堂问题1：不可逆 绝热过程熵变如何？
课堂问题2：理论循 环是否是可逆循环？
3. 理想循环特性 理论依据： 热力学第一定律 （开口系统稳定流动的能量守恒方程式）
q
h
1 2
c
2 f
gz
ws
（1）蒸发过程和单位制冷量 单位质量制冷量：
1kg 制冷剂在蒸发器中从低温热源 吸收的热量。
制冷量：
制冷剂通过蒸发器时从低温热源吸收的热量。
式中： qm—制冷剂的质量流量。 与压缩机的尺寸
说 明
制冷量 制冷剂的质量流量
和转速有关
制冷剂进出蒸发器的焓差 与制冷剂的种类和
工作条件有关
因而限制了有效过热度允许采用的数值。
制冷系数：与制冷剂的性质有关
• 制冷系数下降： NH3，R22；
• 制冷系数增加： R502，丙烷。
3. 气-液热交换器（回热）对循环性能的影响
（1）回热：使节流前的制冷剂液体和压缩机吸入 前的制冷剂蒸气进行热交换，同时达到 液体过冷和吸气过热的目的。
（2）回热循环制冷系统图
q0
w
（5）结论：
➢ 采用液体过冷循环，理论上总是有利的，可以提高循环 的经济性。且过冷度越大，对循环越有利；
➢ 相同过冷度下，制冷量和制冷系数提高的百分数取决于 制冷剂的热力性质，即与制冷剂液体的比热容和蒸发温 度下的汽化潜热有关。
(h1 h4 ) (h4 h4 ) ct
h2 h1
制冷剂除在蒸发器和冷凝器外，在整个循环的其它流动 过程中与外界不发生热交换。
制冷剂离开蒸发器的状态为饱和蒸气， 离开冷凝器的状态为饱和液体；
制冷剂除在压缩机和膨胀阀处发生压力升降外， 在整个循环的其它流动过程中没有压力损失；
压缩机的压缩过程为等熵压缩过程； 制冷剂流过节流装置时，速度变化小，可忽略不计； 制冷剂在设备的连接管道中不发生状态变化。
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。
回热器
1’ 压缩机
3’ 节流阀
4’
1
蒸发器
有回热循环系统图
单位制冷量 增加 q0 h1 h4 h1 h4
说明 回热循环等价于没有过冷的有效过热循环。
循环比功 略增加
w0 h2' h1' w0 ( h2' h1' ) ( h2 h1)
制冷系数
可增加或减小
与制冷剂的性质有关。
比同有效过热分析