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2.单级蒸气压缩式制冷循环_图文

第二章 单级蒸气压缩式制冷循环

2. 1单级蒸气压缩式制冷的理论循环
2. 1.1系统与循环
蒸气压缩式制冷是以消耗机械 能(电能)作为补偿,完成将低温 热源的热量向高温热源传递的过程, 利用制冷剂液体在低压下气化产生 吸热效应来实现制冷的。 蒸气压缩式制冷系统主要由制

冷压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发
器四个主要设备组成,并用管道相 连接,构成一个封闭的循环系统。

2. 1 . 2 压烩图及温熵图

2. 1. 3 制冷循环过程在压烩图上的表示
蒸气压缩式制冷理论循环的T-s图和p-h图

1-2:等熵压缩过程; 2-3-4:等压冷却和冷凝过程 : 4-5:等焓节流过程; 5-1:等压吸热气化过程。

2.1.4单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
1kg制冷剂每完成一个理论制冷循环,所获得的制冷量 及耗功率: *单位质量制冷量q0 q0=h1-h5=h1-h4 (kJ/kg) *单位容积制冷量qv
qv ? q0 v1 ? ( h1 ? h 4 ) v1
(kJ/m3)

式中 v1—压缩机吸入蒸气的比容,m3/kg。 *制冷装置中制冷剂的质量流量GR和体积流量VR
GR ? Q0 q0
(kJ/s)

V R ? G R v1

(m3/s)

*单位冷凝负荷qk

qk=h2-h4 *冷凝器的热负荷Qk

(kJ/kg)

Qk= GR qk= GR(h2-h4) (kW) *单位理论压缩功wc wc=h2-h1 (kJ/kg *压缩机消耗的理论功率Nt Nt= GR wc = GR(h2-h1) (kW) *理论制冷系数ε0
?0 ?
Q0 Nt ? q0 wc ? h1 ? h 4 h 2 ? h1

*热力完善度η
通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数ε0 与
逆卡若循环的制冷系数εc 之比,称为这个制冷机循环的热力完 善度,用η表示,即 η =ε0/εc 热力完善度表示制冷机实际循环接近逆卡若循环的程度。η 数值越大,就说明循环的不可逆损失越小。 热力完善度与制冷系数意义不同。从数值上看,制冷系数 可以小于1,等于1或大于1;热力完善度则始终小于1。

蒸气压缩式制冷的理论循环与理想循环的区别:

1. 用节流阀代替了膨胀机——损失了膨胀功——称为节流损失; 2. 用干压缩代替了湿压缩——增加了部分制冷量,同时增加了部

分压缩功,制冷系数一般是减少了——称为过热损失;
3. 两个传热过程均为等压过程,并有传热温差。

2.2单级蒸气压缩式制冷的实际循环
实际上,理论循环与实际循环之间存在着许多 差别。例如:理论循环中没有考虑到制冷剂液体过 冷和蒸气过热的影响;也没有考虑冷凝器、蒸发器 和连接各设备的管道中因制冷剂的流动而产生的压 降;压缩机中的实际压缩过程也并非是等熵过程; 系统中存在着不凝性气体等。这些因素都影响到循 环的性能。

2. 2.1 液体过冷对循环性能的影晌
制冷剂液体的温度低于同一压力下饱和状态的 温度称为过冷,两者温度之差称为过冷度。 在实际制冷循环中,制冷剂液体离开冷凝器进 入流阀之前往往具有一定的过冷度,过冷度的大小 取决于冷凝系统的设计和制冷剂与冷却介质之间的 温差。

具有液体过冷的制冷循环
液体过冷后使
单位制冷量有所增 加,增加量可4′-4

的焓差来表示。

具有过冷循环单位制冷量为:

可见,采用过冷循环理论上总是有利的,而且过冷度越大,对循 环越有利 。

2. 2. 2蒸气过热对循环性能的影响
制冷剂蒸气的温度高于同一压力饱和蒸气的温度

称为过热,两者温度之差称为过热度。 实际循环中,为了不将液滴带入压缩机,通常制 冷剂液体在蒸发器中完全蒸发后仍然要继续吸收一部 分热量,以便在它到达压缩机之前已处于过热状态。 吸入过热蒸气对制冷量和制冷系数的影响取决于 吸收的热量是否产生有用的制冷效果以及过热度的大 小。

具有蒸汽过热的制冷循环
(1) 过热没有产生有用的制冷效果 由于蒸气比容增加,单位容积 制冷量减少,导致循环制冷量降低; 且由于循环比功增加,使得循环的 制冷系数下降,称为“无效”过热。 (2)过热本身产生有用的制冷效果 如果蒸气过热发生在蒸发器的后部,或者发生在空调室内,因而 产生了有用的制冷效果,则称为“有效”过热。 有效过热使循环的单位制冷量有所增加,但由于吸入蒸气的比容 也随之增加,故单位容积制冷量可能增加,也可能减少,这与制冷剂 本身的特性有关。

各种制冷剂在过热区内 单位容积制冷量的变化情况

各种制冷剂在过热区内 制冷系数的变化情况

单位容积制冷量随过热度的变化规律 与制冷系数的变化规律 是一致的。对于氨、R11和R22而言,吸人蒸气过热使单位容积 制冷量下降,制冷系数降低;但对于R12、R502、CO2和丙烷而 言, 正好相反。

2.2.3气一液热交换器对循环性能的影响
在系统中增加一个气一液热交换器—又 称回热器,使节流前的液体和来自蒸发器的 低温蒸气进行内部热交换。热交换的结果使

制冷剂液体过冷,低温蒸气有效过热。这样,
不仅增加了单位制冷量,而且减少了蒸气有 害过热。 单位制冷量的增加量: 循环的比功增加量:

采用回热循环后制冷系数可能增加,也可能减少,它的变化规律与前面所
分析的有效过热对单位容积制冷量及制冷系数的变化规律完全一致。即R12、 R502、CO2及丙烷采用回热循环有利;氨、R11和R22则不利。 但在工程实践中,为了防止液击发生,一般都采用回热循环。

单级压缩实际制冷循环的压-焓图

再加上热交换及压力损失对循环性能的影响、不凝性气体的存在对循环性 能的影响等因素,单级压缩实际制冷循环如图所示。

结论:
实际循环与理论循环的差别在于: (1)实际循环过程不是绝热过程;

(2)冷凝和蒸发过程都是在有传热温差下进行;
(3)制冷剂通过管道、换热器、吸排气阀门机其他设备

时存在压力损失。

2.3 单级蒸气压缩式制冷机的性能
2. 3. 1 蒸发温度对循环性能的影响
制冷压缩机的性能随蒸发温度 和冷凝温度的变化而变化,其中蒸 发温度的变化对性能具有更大的影 响。 显然,当蒸发温度to降低时, 单位容积制冷量下降,单位耗功 率增加,制冷系数下降;反之亦 然。

2. 3. 2 冷凝温度对循环性能的影响
如图所示,随着冷凝温度的 升高,单位容积制冷量下降,单 位耗功率增加,制冷系数下降; 反之亦然。
综上所述,随着冷凝温度的升 高、蒸发温度的降低,循环的制冷量 及制冷系数均明显下降。

2.4 制冷工况
2. 4. 1 制冷压缩机工况
制冷压缩机工况是比较制冷压缩机性能的先决条件。 根据我国
的实际情况规定了所谓的“名义工况” 等,见表2-5~2-8。 压缩机出厂时,机器铭牌上标出的制冷量一般是名义工况下的 制冷量,对全封闭压缩而言,铭牌上标出的制冷量是标准工况下的 制冷量,如果是专门为空调配用的压缩机,则铭牌上的制冷量为空 调工况下的制冷量。

实际运行中,如果工况 发生改变,制冷机的性能可 以直接从制造厂提供的性能 曲线中查取。 如果没有性能曲线可查, 可根据转速不变时压缩机的 理论输气量不变这一条件加 以换算。

式中Ki称为压缩机制冷量的换算 系数,它与制冷剂种类、压缩机 的类型、冷凝温度、蒸发温度等 因素有关,在作粗略估算时,Ki 值可查制冷工程设计手册。

2. 4. 2 制冷机工况
制冷机的制冷量、功率消耗及其它特性均与制冷工况tk、to
的高低有关。 同样,制冷机工况是比较制冷机性能的先决条件。 根据我国的

实际情况规定了所谓的“名义工况”、“实验工况”等见表2-9~
2-11。 为了便于对制冷剂的性能进行比较,我国又规定了“标准工况”、 “空调工况”等,参见制冷工程设计手册。

2.5 CO2跨临界循环
CO2作为制冷工质的历史可以追朔至100多年以前,早在1866 年,美国的Thaddeus S.C.Lowe首先利用CO2 进行了制冰。CO2 虽然并不是早期唯一的制冷工质,但由于其无毒性和不可燃性,在 食品行业和民用建筑空调制冷领域,占据了主要的地位。 优点: 废气利用;无毒不燃,化学性能稳定;单位面积制冷量 大,导热系数高。 缺点:临界温度低,排气压力高;循环的COP值低于R22、R134。 目前应用:制冰、 汽车空调、 制热水、热泵工质

1.CO2跨临界循环
CO2制冷循环如图所示,系统由制冷压缩机、高压换热器、节

流阀及低压换热器组成。
冷 却 介 质

高 压 换 热 器
制 节 流 阀 冷 压 缩 机

低 压 换 热 器

冷 媒

24

CO2跨临界循环介于空气制冷循环与

蒸气压缩式制冷循之间,其循环过程如图
所示。压缩机的吸气压力低于临界压力, 蒸发温度也低于临界温度,换热过程主要
T pk 3 p0 4 1 2

依靠潜热来完成。压缩机的排气压力高于
临界压力,换热过程依靠显热来完成。在 这里高压换热器称为气体冷却器,低压换

热器仍称为蒸发器。
CO2 跨临界循环T-S如图所示。由于CO2 临界温度低,工质的放热过程在超临界区 进行,整个放热过程没有相变产生,是一 个变温过程,压缩机排气温度在100℃以 上。

S

25

2.带回热器的CO2跨临临界制冷循环
为了提高CO2 跨临界循环效率,
T pk 3 4 5 6

2

一般应采用回热循环的方式, 采用回
热循环,利用蒸发器出来的低温低压 制冷剂蒸气,进一步冷却气体冷却器

1

出来的高压气体,可以CO2 使产生一
定的过冷度(过程3-4),有利于减 少节流损失;同时提高了压缩机入口

CO2的过热度(过程6-1),避免了液
击。

S

26

2.带回热器的CO2跨临临界制冷循环
为了提高CO2跨临界循环效率,一般应采用回热循环

的方式, 采用回热循环,利用蒸发器出来的低温低压制
冷剂蒸气,进一步冷却气体冷却器出来的高压气体,可 以CO2使产生一定的过冷度,有利于减少节流损失;同时 提高了压缩机入口CO2的过热度,避免了液击。

带回热器的CO2跨临临界制冷循环流程图

带回热器的CO2跨临临界制冷循热力过程图

T 5 6

4

2

3.提高CO2跨临界循
环的COP值
1.采用膨胀机代替节流装置, 以回收膨胀功;
T

3

1

1’
S

2.改善循环方式:
1) 采用双级压缩回热循环 2) 复叠式制冷循环(CO2 为低 压级,NH3或R134a为高压级)

NH3

CO2

S
30

CO2跨临界循环与蒸气压缩式循环性能比较

制冷剂循环方式
冷凝温度/℃ 冷却器出口温度/℃

R22
53.81

R
54.90

CO2单机压缩

CO2双机压缩

43.1

40.45

当量冷凝温度/℃
节流阀循环COP 膨胀机循环COP

55
4.285 5.558

55
4.068 5.562

55
2.608 5.559

55
3.120 5.569

由上面的表可以看出,对于CO2跨临界制冷循环,

即使采用双级压缩,其循环的COP也低于常规工质的
蒸气压缩式循环,然而采用膨胀机循环,COP则比较 高,与常规工质的蒸气压缩式循环相当。所以利用膨 胀机回收膨胀功,是提高CO2制冷循环效率的根本途 径,也是CO2制冷技术推广和应用的关键。

2.6 单级蒸气压缩混合工质制冷循环
2. 6.1 劳仑兹循环
由两个变温热源与两个绝热 压缩、绝热膨胀过程组成的逆卡 诺循环,就称为劳伦兹循环。 这样,对于外部为变温热源 时,降低制冷工质在吸热或放热 过程中的传热温差,使制冷工质 的温度变化趋势与冷、热源温度 的变化趋势完全一样,从而提高 循环的制冷系数。所以,劳伦兹 循环是外部具有变温热源的理想 制冷循环。

循环制冷量:

T

2

QO=∫T4 ds= TOm(Sa- Sb)
循环制热量:

Tkm
3 1 4 S

Qk=∫T2 ds= Tkm(Sa- Sb)
不难证明,制冷系数:
Tom

ε h =Qo /Σ ω = T o m / (T k m - T o m )

Sb

Sa

2. 6.2 单级蒸气压缩混合工质制冷循环
非共沸混合制冷剂在等 压下冷凝或蒸发时温度均发 生变化,冷凝时温度逐渐降 低,蒸发时温度逐渐升高, 利用这一特性,采用非共沸 混合工质就可以达到减少传 热温差的目的。极限情况下 循环即变为劳仑兹循环。

非共沸混合制冷剂单级蒸气压缩制冷循环的
T-S图及p-h图

采用非共沸混合工质与纯制冷剂循环的区别仅在于制冷剂在冷凝和 蒸发时温度在不断地变化。这样不仅可以达到节能,而且可以扩大温度 使用范围。

第二章 习题
问答题:
1.什么叫热力完善度?它与制冷系数有何区别? 2.为什么蒸气压缩式制冷机不能完全按照逆卡若循环来工作?蒸气压缩 式制冷的理论循环与理想循环有哪些主要区别?实际循环与理论循环又 有哪些只要区别? 3.在蒸气压缩式制冷循环的热力计算中,为什么多采用压—焓(lgp-h) 图?试说明压—焓图的组成。

4.什么叫有害过热?为什么要采用回热循环?有些制冷剂不宜采用回热
循环,为什么?

习 题:
1. 一理想制冷循环,被冷却物温度恒为5℃,冷却介质温度恒为25℃, 两个传热过程的传热温差均为5℃。试求(1)理想制冷循环的制冷系数

εc为多少?(2)考虑温差时,两个等温过程和两个等熵过程组成的制
冷循环的制冷系数ε为多少?(3)热力完善度η为多少? 2. 试计算以下循环的制冷系数和热力完善度,并进行分析比较。工作条 件是:tk=30℃,t0=-15℃;制冷剂分别为:R717、R22和R134a。 (1)节流阀代替膨胀机的循环。(2)干压缩代替湿压缩的循环。 (3)基本理论制冷循环代替理想制冷循环。 3. R22制冷机按其基本理论循环工作时当tk=30℃,试计算t0在 0~15℃之间变化时的循环功、单位质量制冷量、单位容积制冷量、制 冷系数,并进行分析讨论(提示:按t0间隔5℃进行计算)。

谢谢大家 !


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