第3章蒸气压缩式制冷

1、第3章 蒸气压缩式制冷（合计20学时）3.1 可逆制冷循环3.1.1 压缩式制冷的热力学原理概述热力学第二定律：热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。热力学循环包括正向循环和逆向循环；正向循环：热能转化为机械功；逆向循环：消耗功。从热力学角度说，制冷系统是利用逆向循环的能量转换系统，通过能量补偿，使制冷剂在循环中不断地从温度较低的被冷却对象中吸取热量，并向温度较高的冷却介质排放热量。按补偿能量的形式（或驱动方式），制冷方法主要归为两大类：以机械能或电能补偿的（如蒸气压缩式制冷机和热电式制冷机等）和以热能补偿的。热源：一般将流出热量的对象（制冷剂从中吸收热量）称为（heat sourc

2、e）;热汇：将流入热量的对象（制冷剂向其排放热量）称为（heat sink）。制冷循环的热力学本质是：用能量补偿的方式把热量从低温热源排到高温热汇。因此，制冷循环不但可以用于使物体降到环境温度以下的制冷目的，也可以用于使物体升到环境温度以上的加热的目的。（1）制冷机与热泵 制冷机以环境温度的水或空气作为高温热汇，利用逆向循环在低温下从低温热源吸热，收益是制冷量（有效吸热量）；热泵以环境温度的水或空气作为低温热源，利用逆向循环在高温下向高温热汇排热，收益是供热量。上述两种设备均为逆向循环，区别仅在于使用目的。同一台机器既可供热又可实现制冷，则为热泵型制冷机。（2）制冷循环的性能系数COP和循环效

3、率性能系数和循环效率是评价制冷循环的经济性指标。热力学关心的是能量转换的经济性，性能系数被用来反映消耗一定的补偿能可以获得多少收益能。即COP=收益能量/补偿能量制冷机的性能系数：COPR=Q0/E，其中：压缩式制冷机COPR=Q0/W，习惯上将压缩式制冷机的性能系数称之为制冷系数，用表示。吸收式制冷机COPR=Q0/Qg，习惯上将吸收式制冷机的性能系数称之为热力系数，用表示。 热泵的性能系数：COPH=QH/E，其中压缩式制冷机COPH=QH/W，吸收式制冷机COPH=QH/Qg， 习惯上称之为供热系数，用表示。对于热泵型制冷机，供热系数和制冷系数之间存在如下关系： COPH=1+COPR

4、由于本课程主要讲述的对象是制冷机，评价的是制冷机性能，故在后续章节中出现的COP即为制冷机的性能系数COPR 。循环效率（或热力完善度）用来评价实际制冷循环与可逆循环的接近程度。热力学上最为完善的是可逆循环。循环效率定义为：一个制冷循环的性能系数COP与相同低温热源、高温热汇温度下可逆制冷循环的性能系数COPc之比，即 实际制冷循环总会存在不可逆损失，故其循环效率介于01。愈接近1，则说明该循环的热力完善程度愈高，该循环的经济性能好。3.1.2 逆卡诺制冷循环在恒温热源和恒温热汇之间工作的可逆制冷循环是逆卡诺制冷循环。它由两个等温过程和两个等熵过程组成，如下图所示（参见PPT）。制冷工质在从低

5、温热源等温吸热（41），再等熵压缩到温度升至TH（12），又向高温热汇等温放热（23），然后等熵膨胀到温度降至TL（34），回到循环的初始状态。卡诺循环的吸热量：；卡诺循环的放热量：；卡诺循环的净输入功：；由能量守恒定律有：；卡诺循环的性能系数：；是相同低温热源和高温热汇条件下制冷循环性能系数在理论上的最高值。由计算式表明： 卡诺循环的性能系数只与热源和热汇的温度有关，而与制冷剂的性质无关； 大小随热源与热汇的温度比值改变，TH一定时，TL愈低则愈小。总结COP和作为制冷机经济性评价指标的意义： 制冷机的COP与热源和热汇的温度条件有关； 只有在同样的热源和热汇温度条件下，才可以用COP值来比

6、较两台或几台制冷机的循环经济性； 循环效率的定义本身已包含了相同热源和热汇条件下的比较，故可以根据值大小直接评价和比较各种制冷循环的经济性。3.1.3 劳伦茨循环针对变温热源和变温热汇条件，制冷剂变温吸热、变温排热的循环是劳伦茨循环。它由两个变温过程和两个等熵过程组成。参见PPT。循环的吸热量：；卡诺循环的放热量：；卡诺循环的净输入功：；由能量守恒定律有：；卡诺循环的性能系数：；相当于在TMT0M恒温热源恒温热汇条件下工作的卡诺制冷循环的性能系数，因此，可逆劳伦茨循环是变温热源和变温热汇条件下热力学上最理想的循环。3.2 单级蒸气压缩式制冷的理论循环3.2.1 特点及工作过程单级压缩的概念：来

7、自蒸发器的低压制冷剂蒸气在循环过程中只经过一次压缩。单级蒸汽压缩制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四个基本部件组成，并用管道将它们串连成一个封闭的系统，制冷剂在这个封闭的系统中循环。如图：工作过程：参见书P67. 讲解！闪发的概念：制冷剂瞬时蒸发的现象。这部分蒸气称之为闪蒸气。在蒸发器中由于已经是气体，故几乎不产生制冷作用。3.2.2 制冷剂的状态图制冷剂的热力状态是由两个独立的状态参数确定的，因此利用状态图可以描述热力状态的变化过程，以及由各种过程所组成的循环，并能直观地描述循环中各状态变化和分析这些变化对循环的影响。在制冷循环的分析与计算中，通常借助于TS图和PH 图。由于循环过程中

8、热量和功的变化均可以用比焓的变化计算，因此，压焓图在制冷工程计算中得到更为广泛的应用。参见下图（PPT）。 讲解!3.2.3 理论循环 理论循环的假定 基于以下5点假定建立的理论循环：见书P69 （PPT）。 理论循环的压焓图表示：结合压焓图描述制冷剂在理论循环中的各个热力过程。 理论循环特性 （工作过程涉及的相关计算） 单位质量制冷量，单位容积制冷量，制冷量，比功，容积比功，功率，单位冷凝热负荷，冷凝热负荷，压力比，性能系数，循环效率。（书P71）计算举例。 见书P73中表3-1. 理论循环的意义理论循环尽管做了上述5点假定，忽略了蒸发器中相变传热部分的不可逆、压缩过程的不可逆和冷凝器中相变

9、传热部分的不可逆；但仍存在以下两部分不可逆损失：一是冷凝器中过热气体非相变传热部分存在传热温差；二是绝热节流过程为不可逆过程；因此，理论循环并非可逆循环。理论循环的作用和意义在于： 它是实际循环的基准和参照（在给定热源和热汇温度情况下，理论循环是蒸气压缩式制冷循环的基准），用于分析研究实际循环的各种不完善因素和应作出的改进； 用于评价制冷剂。可以评价它们在热力性质方面的适宜程度。作业1： 请画出蒸气吸收式制冷系统的工作原理图，并结合图简要叙述溴化锂水吸收式制冷系统的工作过程。作业2： 一台单级蒸气压缩式制冷机工作在高温热源温度为40，低温热源温度为-20之间，试求分别用制冷剂R134a与R71

10、7工作时简单理论循环的性能指标。（ ）3.3 单级蒸气压缩式制冷的实际循环3.3.1 特点及工作过程理论循环的5点假定均不符合实际。参见书P74中的图3-9.按书中内容讲解实际循环的工作过程情况。3.3.2 各种实际因素对循环的影响 高压液体过冷的影响过冷液体 制冷剂液体的温度低于它所处压力（即冷凝压力）下的饱和温度（即冷凝温度）。其温度差值称为过冷度。过冷度：；液体过冷使循环的制冷量增大，COP增大，压缩机的制冷能力提高，而压缩机的功率不变。因此，过冷对循环总是有利的。获得过冷的几种方法： 利用冷凝器直接得到过冷；如逆流套管式水冷冷凝器，但受总传热温差的限制。 利用过冷器获得过冷； 用气 液

11、热交换器获得过冷。在冷凝器和膨胀阀之间增设一台热交换器，使来自冷凝器的高压液体与来自蒸发器的低温制冷剂气体发生热交换。 压缩机吸气过热的影响吸气过热：指压缩机吸入的制冷剂蒸气的温度高于该压力下的饱和温度，则该蒸汽为过热蒸汽，其温度差称为过热度。过热分为两种情形：产生制冷作用的过热为有效过热或有用过热，如蒸发器内出现的制冷剂过热；不产生制冷作用的为无用过热或有害过热。如吸气管道上发生的过热一般认为是有害过热。对于有害过热，单位制冷量不变，单位容积制冷量减小，功率消耗增大，COP减小。实际系统设计中应尽量减少，例如吸气管道外敷隔热层，防止外界环境对吸气管道的加热作用，其目的就是为了减少有害过热。避

12、免大量无用过热的方法还可以采用气液热交换器（回热器）的办法。对于有用过热，单位制冷量增大，单位容积制冷量变化不定，比功增大，COP变化不定。COP的变化趋势取决于制冷剂的性质。参见书P78中图3-14. 采用气液热交换器的单级蒸汽压缩式制冷循环根据气液热交换器的能量平衡关系：单位制冷量：可见，回热循环相当于有用过热循环。但并非所有的制冷剂采用回热循环均是有利的，这取决于制冷剂的性质，情况与有用过热的分析相同。采用回热循环不利的制冷剂典型代表：氨；另外，氨绝热指数大，排气温度高，危害压缩机的安全和可靠性。氨的吸气过热度被控制在5以内。采用回热循环有利的制冷剂典型代表：丙烷R290、CO2等；R2

13、2采用回热循环影响不明显。蒸发温度低的制冷机采用回热器有重要意义。任何制冷剂均要保持适当的吸气过热度，尽管吸气过热可能会降低循环的经济性能。因为吸气温度过低会导致压缩机外壁结霜、润滑油变粘甚至絮浊，必须保持较大的吸气过热。 管道压力损失和热交换的影响 吸气管：连接蒸发器与压缩机吸入侧的管道。热交换意味着环境有害热量进入系统，为有害过热，使吸气比体积增大，容积制冷量减小，排气温度上升，循环的性能系数下降。吸气管内制冷剂流动压力损失，使压缩机吸气压力降低，吸气比体积增大，容积制冷量下降，压缩机工作压力比增大，压缩比功增大和排气温度升高，同时使循环的性能系数降低。 排气管若排气管存在热交换，制冷剂向

14、环境散热，减少了冷凝器负荷，有利无害。通常排气管裸露处理。排气管存在压力损失，使压缩机排气压力增大，压缩机压力比增大，比功增大，排气温度升高。 高压液管存在两种情形下的热交换：一种是制冷剂温度高于环境温度，向环境散热，起到过冷作用，是有益的；另一种可能是制冷剂温度低于环境温度，被环境加热，于是部分高压液体汽化，大大降低节流阀的流通能力，并使阀的工作不稳定，造成对蒸发器供液量不足，制冷能力大大降低，甚至危及压缩机的安全。高压液管中的压力损失使膨胀阀前的制冷剂压力降低，使阀前压力差变小，造成膨胀阀的通流能力减小，另外，如果冷凝器出来的是制冷剂饱和液体，则压力损失使阀前液体出现闪蒸气，阀前液体汽化，

15、更是严重影响阀的能力，危害同上。高压液管最关键的问题是防止制冷剂液体汽化。足够的液体过冷度不仅可避免压降引起的闪蒸，还能避免液管因受环境加热而引起的制冷剂液体汽化。 低压液管低压液管发生热交换时，是制冷剂受环境加热，进入蒸发器的比焓值增大，会损失部分制冷量。低压液管中的压力损失，将使膨胀阀出口处压力抬高，阀前后压力差变小，会使膨胀阀能力有所削弱。实际上，制冷系统的低压液管一般很短，往往将膨胀阀紧靠蒸发器安装，因此这部分管道便不产生什么影响。因此，所有制冷系统管道中，要特别注意认真处理的是吸气管和高压液管。 压缩机与压缩过程不可逆的影响实际制冷系统中，压缩机存在功率损失和容积损失，前者使压缩机实

16、际功耗增大，后者使压缩机输气量减小，制冷能力减小，最终导致制冷循环性能系数下降。这些损失可以用效率来反映。介绍各压缩机效率之前，我们先了解一下各种结构的压缩机（见PPT）。指示效率压缩机中的气体压缩过程并非理论循环所假定的等熵过程。这将导致压缩功率增大，该功率直接用于气体压缩所消耗的功，为指示功；指示比功将大于理论比功。指示效率则为理论比功和指示比功的比值，即机械效率压缩机存在机械摩擦损失，输入到压缩机主轴上的比功，为轴比功，又比指示比功大，则机械效率电动机效率对于全封闭式压缩机，电动机与压缩机封闭在一个壳体中，电动机属于压缩机的一部分，所以要考虑电动机的损失。电动机效率等于作用在压缩机轴上的

17、比功与压缩机实际输入的电功之比。即对于开启式压缩机：轴效率为 ；对于封闭式压缩机（全封闭和半封闭）：电效率为压缩机的容积效率压缩机不可能达到按气缸行程容积计算的理论输气量，实际输气量总是小于理论输气量。容积效率又称为输气系数。；以活塞式压缩机为例，因此，实际循环的性能系数COP为：若采用的是开启式压缩机：；若为封闭式压缩机：能效比；即单位制冷量与电动机输入比功之比。 相变传热不可逆的影响 （书P83）理论循环中假定相变传热过程为无温差的可逆过程，因而制冷循环的工作温差TK-T0等于低温热源与高温热汇之间的温差TH-TL。实际循环相变传热有传热温差，冷凝温度必须高于热汇的温度，蒸发温度必须低于热

18、源温度，使循环的工作温差增大，导致循环的压力差和压力比增大，比功增大，单位质量制冷量和单位容积制冷量都变小，性能系数降低。画P-H图说明。 其他影响因素润滑油的影响：与制冷剂混合，会使制冷剂的热力性质有所偏移；水分与不凝性气体的影响：可能发生水化反应，对系统材料腐蚀；不凝性气体存在，使系统内压力升高，排气温度升高，造成机器运行异常。3.3.3 单级蒸气压缩式制冷机的热力计算热力计算是制冷机设计计算的第一步，热力计算的结果为制冷系统各部件的设计或选型提供基础数据。内容包括：在设计工况下，计算实际循环特性，计算制冷机性能和各热交换设备的热负荷。 热力计算的方法与步骤进行制冷机设计时，首先按制冷机的使用要求和使用时的环境条件，选择制冷剂、规划制冷系统流程，然后进行热力计算。具体步骤分为