蒸汽压缩式制冷的原理和工况

1、第一节第一节 蒸汽压缩式制冷的蒸汽压缩式制冷的原理和原理和 工况工况 蒸汽压缩式制冷的原理 1、液态与气态互相转换的规律 当液体汽化时，剩下液体会降温降温；当气体 液化时要放热放热。当温度衡定时，液面气体压力 达到既定值，汽化和液化达到动态平衡，液面 上的气体达到饱和状态，这时的气体压力称为 该温度所对应的饱和压力饱和压力，这时的温度称为该 压力所对应的饱和温度饱和温度 温度越高，饱和压力也越高温度越高，饱和压力也越高，反之亦然 蒸汽压缩式制冷的原理 1、液态与气态互相转换的规律 当液体温度低于其压力所对应的饱和温度时， 汽化只在液面上液面上发生；当液体被加热，温度升 高到其压力所对应的饱和温

2、度时，内部内部也产生 许多气泡，这种在液体内部和表面同时进行较 剧烈的汽化现象称为沸腾沸腾 蒸汽压缩式制冷的原理 1、液态与气态互相转换的规律 汽化潜热汽化潜热单位质量的某物质在既定压力下 全部汽化所吸收的热量与液化所放出的热量相 等 在沸腾或冷凝过程中，气体称为饱和蒸汽饱和蒸汽， 液体称为饱和液体饱和液体，二者的混合物称为湿蒸汽湿蒸汽 干度干度饱和蒸汽在湿蒸汽中所所占的质量比 例称为干度 干饱和蒸汽干饱和蒸汽液体全部气化后，干度为1的干 饱和蒸汽 蒸汽压缩式制冷的原理 1、液态与气态互相转换的规律 过热蒸汽过热蒸汽干饱和蒸汽温度继续升高即成为 过热蒸汽 过热度过热度过热蒸汽的温度与其压力所对

3、应的 饱和温度之差 过冷液体过冷液体湿蒸汽在液化过程中干度为零的 饱和液体继续冷却而温度下降即成为过冷液体， 其温度称为过冷温度过冷温度 过冷度过冷度液体所处压力所对应的饱和温度与 液体实际温度之差称为过冷度 蒸汽压缩式制冷的原理 2、压缩制冷的基本 循环 由由压缩机，冷压缩机，冷 凝器，膨胀阀凝器，膨胀阀和和蒸蒸 发器发器组成。用管道组成。用管道 将它们连接成一个将它们连接成一个 密封系统密封系统 液压制冷的基本循环 基本元件的功用： 膨胀阀膨胀阀使流过的冷剂节 流降压，控制冷剂的流 量 蒸发器蒸发器使流经其中的冷 剂吸热汽化 压缩机压缩机抽吸蒸发器产生 的冷剂蒸汽并将其压送 到冷凝器中 冷

4、凝器冷凝器使送来的冷剂气 体冷却并液化 液压制冷的基本循环 蒸气压缩式制冷选 择在常压时沸点很低沸点很低 的制冷剂的制冷剂，经膨胀阀 节流进入蒸发器盘管， 在较低的蒸发压力较低的蒸发压力下 吸热汽化，来实现制 冷。 液压制冷的基本循环 压缩机将蒸发器产 生的制冷剂低压过热 蒸汽不断抽出，压送 到冷凝器中去，冷凝 器中的冷凝压力及相 应的冷凝温度较高， 可以利用环境介质使 制冷剂的高压过热蒸 汽冷却，冷凝并降温 成过冷液体，然后经 膨胀阀等焓节流等焓节流进入 蒸发器。 液压制冷的基本循环 在压缩制冷循环中，从 膨胀阀到压缩机吸口为系 统的低压部分低压部分 制冷剂在蒸发器中流动因 流阻而蒸发压力和

5、温度略 有下降，干度和焓值因吸 热而不断增加，在出口略 有过热。在蒸发器至压缩 机的吸气管中制冷剂压力 略降，管外要包隔热层， 减少制冷剂温度和过热度 因有害吸热的增加。 液压制冷的基本循环 从压缩机排出口至膨胀 阀进口为系统的高压部分高压部分。 压缩机至冷凝器的排出 管无须隔热，冷凝器一般 无明显压降，在冷凝器至 膨胀阀的液管中要避免吸 热压降过多，防止过冷度 提前消失闪发汽化。 在此循环中，冷剂在蒸 发器中吸收的热量+压缩机 压缩耗功热，经冷凝器传 给冷却介质 单级制冷压缩机的工况和性能曲线 制冷压缩机的工况是指其所参加制冷循环的 主要温度条件： 制冷剂的蒸发温度蒸发温度 冷凝温度冷凝温度

6、 吸气过热度过热度 膨胀阀前的液体过冷度过冷度 影响最大的是蒸发温度蒸发温度和冷凝温度冷凝温度 焓 焓的表达式：H=U+PV 物理意义：工质所处工质所处 状态具有的总能量状态具有的总能量。 根据它的表达式，可 以知道是焓是一个状态参数。 在热力设备在热力设备 中，工质总是不断地从一个地方流到另一中，工质总是不断地从一个地方流到另一 个地方，随着工质不断地流动，所转移的个地方，随着工质不断地流动，所转移的 能量就是焓能量就是焓。这就是为什么引入焓这个概 念的原因，因为每次计算的时候总是要写 U+PV。所以后来干脆就把U+PV定义为焓。 简而言之，引入焓就是为了方便分析，简 化计算 压焓图的结构如

7、下图所示。以绝对压力为纵坐标（为了缩小图的尺寸，提高低压压焓图的结构如下图所示。以绝对压力为纵坐标（为了缩小图的尺寸，提高低压 区域的精度，区域的精度， 通常纵坐标取对数坐标），以焓值为横坐标。通常纵坐标取对数坐标），以焓值为横坐标。 临界点临界点K左边的粗实线为左边的粗实线为饱和液体线饱和液体线，线上的任，线上的任 何一点代表一个饱和液体状态，干度何一点代表一个饱和液体状态，干度 x=0。 临界点临界点K右边的粗实线为右边的粗实线为饱和蒸气线饱和蒸气线，线上任何，线上任何 一点代表一个饱和蒸气状态，干度一点代表一个饱和蒸气状态，干度 x=1。 这两条粗实线将图分这两条粗实线将图分 为三个区域

8、：为三个区域： 1. 饱和液体线的左边为饱和液体线的左边为过冷液体区过冷液体区，过冷液体，过冷液体 的温度低于相同压力下饱和液体的温度；的温度低于相同压力下饱和液体的温度； 2. 饱和蒸气线的饱和蒸气线的 右边是右边是过热蒸气区过热蒸气区，该区域内，该区域内 的蒸气称为过热蒸气，它的温度高于同一压的蒸气称为过热蒸气，它的温度高于同一压 力下饱和蒸气的温度；力下饱和蒸气的温度； 3. 两条线之间的区域为两相区，制冷剂在该区两条线之间的区域为两相区，制冷剂在该区 域内处于域内处于气、液混合状态（湿蒸气区）气、液混合状态（湿蒸气区）。 过程线过程线1-2表示制冷剂蒸气在压缩机中的等熵压缩过程表示制冷

9、剂蒸气在压缩机中的等熵压缩过程 ，压力由蒸发压力，压力由蒸发压力 升高升高 到冷凝压力到冷凝压力 。因此该点可通过。因此该点可通过1点的等熵线和压力为冷凝压力的等压线的交点点的等熵线和压力为冷凝压力的等压线的交点 来确定。来确定。由于压缩过程中外界对制冷剂作功，制冷剂温度升高，因此点由于压缩过程中外界对制冷剂作功，制冷剂温度升高，因此点2表示表示 过热蒸气状态。过热蒸气状态。 点点2表示制冷剂出压缩机时的状态，表示制冷剂出压缩机时的状态， 也就是进冷凝器时的状态。也就是进冷凝器时的状态。 点点1表示制冷剂进入压缩机的状态。表示制冷剂进入压缩机的状态。 过程线过程线2-2-3表示制冷剂在冷凝器内

10、的表示制冷剂在冷凝器内的 冷却（冷却（2-2）和冷凝（）和冷凝（2-3）的过程。）的过程。 由于这个过程是在由于这个过程是在冷凝压力冷凝压力 不变不变的情的情 况下进行的，进入冷凝器的过热蒸气况下进行的，进入冷凝器的过热蒸气 首先首先 将部分热量放给外界冷却介质，将部分热量放给外界冷却介质， 在等压下冷却成饱和蒸气（点在等压下冷却成饱和蒸气（点2），然），然 后再在后再在等压、等温等压、等温下继续放出热量，下继续放出热量， 直至最后冷凝成饱和液体（点直至最后冷凝成饱和液体（点3）。因）。因 此，冷凝压力的等压线和此，冷凝压力的等压线和x0的饱和的饱和 液体线的交点即为点液体线的交点即为点3的状

11、态。的状态。 点点3表示制冷剂出冷凝器时的状态。表示制冷剂出冷凝器时的状态。 点点4表示制冷剂出节流阀时的状态，也就是进入蒸发器时的状态。表示制冷剂出节流阀时的状态，也就是进入蒸发器时的状态。 过程线过程线3-4表示制冷剂在通过节流阀时的节流过程。在这一过程中，制冷剂的压表示制冷剂在通过节流阀时的节流过程。在这一过程中，制冷剂的压 力由冷凝压力降到力由冷凝压力降到 蒸发压力蒸发压力 ，温度由冷凝温度降到蒸发温度，温度由冷凝温度降到蒸发温度 ，并进入两相区，并进入两相区 。由于节流前后制冷剂的焓值不变。由于节流前后制冷剂的焓值不变，因此由点，因此由点3作等焓线与蒸发压力的等压线的作等焓线与蒸发压

12、力的等压线的 交点即为点交点即为点4的状态。由于节流过程是一个不可逆过程，所以用一虚线表示的状态。由于节流过程是一个不可逆过程，所以用一虚线表示3-4 过程。过程。 过程线过程线4-1表示制冷剂在表示制冷剂在 蒸发器中的气化过程。由蒸发器中的气化过程。由 于这一过程是在等温、等于这一过程是在等温、等 压下进行的压下进行的，液体制冷剂，液体制冷剂 吸取被冷却介质的热量（吸取被冷却介质的热量（ 即制冷）而不断气化，制即制冷）而不断气化，制 冷剂的状态沿蒸发压力的冷剂的状态沿蒸发压力的 等压线等压线 向干度增大的方向干度增大的方 向变化，直到全部变为饱向变化，直到全部变为饱 和蒸气为止。和蒸气为止。

13、这样，制冷这样，制冷 剂的状态又重新回到进入剂的状态又重新回到进入 压缩机前的状态点压缩机前的状态点1，从，从 而完成一个完整的理论制而完成一个完整的理论制 冷循环。冷循环。 单级制冷压缩机的工况和性能曲线 工况参数对制冷装置性能的影响工况参数对制冷装置性能的影响 制冷量制冷量= =压缩机的质量流量压缩机的质量流量单位（质量流量的）制单位（质量流量的）制 冷量冷量 即即Q Q0 0=G =G q q0 0 轴功率轴功率= =压缩机的质量流量压缩机的质量流量单位（质量流量的）理单位（质量流量的）理 论功论功 即即PePe=G =G w w0 0 制冷系数制冷系数 = q= q0 0 / w /

14、w0 0 质量流量质量流量 G=G=V Vt t/v/v1 1 若压缩机转速、工作缸数不变，理 若压缩机转速、工作缸数不变，理 论流量是论流量是V Vt t是定值，则是定值，则G G随输气系数随输气系数和吸气比容和吸气比容v v1 1而变而变 实际生活中，各温度条件的变化是相互影响的实际生活中，各温度条件的变化是相互影响的 19 (1)其他条件不变，冷凝温度tk变化(升高)的影响 h p 1 2 5 6 tk t0 34 tk 5 43 2 6 q0 q0 不变 单位制冷量q0 输气系数 吸气比容v1 qv Q0 20 (1)其他条件不变，冷凝温度tk变化(升高)的影响 h p 1 2 5 6

15、 tk t0 34 tk 5 43 2 6 w0 w 0 不变 单位压缩功w0 吸气比容v1 wv P 制冷系数 0 0 w q 制冷机 轴功率 变化情 况：由 于单位 压缩功 w0的增 大率大 于输气 系数 减小率， 故当蒸 发温度 降低时 轴功率 升高。 21 问题：下列( )会使冷凝温度tk增高。 A. 冷却水流量减少 B. 空气进入系统 C. 制冷装置工作时间长 D. 冷凝器换热面脏污 E. 冷却水温度降低 F. 冷剂量过多 换热管浸于液体中 切记：使冷凝效果下降或压缩机排气量升 高的因素，都会使冷凝温度(压力)升高。 反之降低。 （1） 冷凝温度tk变化的影响 压缩机排出压力通常近似

16、等于冷凝压力，其对 应的饱和温度可近似的看做冷凝温度 冷凝压力的大小是由压缩机的质量流量与冷凝 器单位时间冷凝量的动态平衡关系所决定 压缩机吸气压力高，质量流量增大，则冷凝压 力会升高 冷凝器换能力差，或冷凝器聚集了不凝气体， 冷凝压力也会升高 调节冷凝压力的方法主要是调节冷却介质的流 量 23 (2)其他条件不变，蒸发温度t0变化(降低)的影响 h p 蒸发温度t0时： 1-2-3-4-5-6-1 蒸发温度降低为t0时： 1-2-2-3-4-5-6-6-1 1 25 6 tk t0 3 42 6 t0 1 24 (2)其他条件不变，蒸发温度t0变化(降低)的影响 p h 1 25 6 tk

17、t0 3 42 6 t0 1 单位制冷量q0 吸气比容v1 制冷剂质量流量G Q0 q0 q0 25 (2)其他条件不变，蒸发温度t0变化(降低)的影响 p h 1 25 6 tk t0 3 42 6 t0 1 w0 w0 P 单位压缩功w0 制冷剂质量流量G 时，P最大3/ 0 ppk 制冷系数 0 0 w q t0温度降低 PT Q0 制冷机轴功率变化情况：单位压缩功w0增大，但 制冷剂的比容v1也增大，而不能直接判断。热力学 分析表明：在达到某压力比pk/ p0时(一般3左右), 压缩机轴功率最大；通常制冷装置工作时压力比都 大于3，故当蒸发温度降低时轴功率降低 27 问题：下列( )会

18、使蒸发温度t0降低。 A. 冷库加入新食品 B. 蒸发器化霜 C. 膨胀阀开度调大 D. 压缩机工作缸数增加 E. 蒸发器风机转速降低 F. 蒸发器结霜加厚 G. 冷库库温降低 H. 压缩机皮带打滑 切记：使蒸发 器蒸发量下降 或压缩机抽气 量升高的因素， 都会使蒸发压 力下降。反之 升高。(假设 每一行程压缩 机抽气量不变） （2）蒸发温度t0变化的影响 蒸发温度对应于蒸发器中蒸发压力的饱和温 度，由于吸气管压降不大，压缩机吸入压力可 近似的看做是蒸发压力 蒸发压力的大小是由蒸发器的蒸发量和压缩机 质量流量间的动态平衡关系决定 如果冷却介质温度降低、蒸发器供液不足或传 热不良，则蒸发量减少，蒸发压力降低；反之， 若蒸发器蒸发量大，则蒸发压力就高 压缩机质量流量变化也会影响蒸发压力，容量 可调的压缩机可调节质量流量来