制冷剂技术与原理212

1、 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 （一）简单单级蒸气压缩式制冷（一）简单单级蒸气压缩式制冷 的理论循环计算的理论循环计算 单级理论循环是建立在以下一些假设的基单级理论循环是建立在以下一些假设的基 础上的：础上的： （1 1）压缩过程为等熵过程，即在压缩）压缩过程为等熵过程，即在压缩 过程中不存在任何不可逆损失过程中不存在任何不可逆损失 （2 2）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂 的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发 温度等于被冷却介质的温度，且冷凝温温度等于被冷却介质的温度，且冷凝温 度和蒸发温度都是定值度和蒸发温度都是定值 制

2、 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 （4 4）制冷剂在管道内流动时，没有）制冷剂在管道内流动时，没有 流动阻力损失，忽略动能变化，除了蒸流动阻力损失，忽略动能变化，除了蒸 发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管 外介质之间没有热交换外介质之间没有热交换 （5 5）制冷剂在流过节流装置时，流速）制冷剂在流过节流装置时，流速 变化很小，可以忽略不计，且与外界环境变化很小，可以忽略不计，且与外界环境 没有热交换没有热交换 （3 3）离开蒸发器和进入压缩机的制冷）离开蒸发器和进入压缩机的制冷 剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷

3、凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的 饱和液体饱和液体 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 图图2-162-16理论循环在理论循环在T-sT-s图（图（a a）和）和lnplnp-h-h图（图（b b）上的表示）上的表示 按照热力学第一定律，对于在控制容积中进按照热力学第一定律，对于在控制容积中进 行的状态变化存在如下关系：行的状态变化存在如下关系： whqddd （2-1） 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 这里，把自外界传入的功作为负值。对上式积这里，把自外界传入的功作为负值。对上式积 分可以得到整个过程的表达式分可以得到整个过程的表达

4、式 ： whq （2-2） 按照式（按照式（2-12-1）和式（）和式（2-22-2），单级压缩蒸气制），单级压缩蒸气制 冷机循环的各个过程有如下关系：冷机循环的各个过程有如下关系： q q0 0称为单位制冷量，习惯上取为正值，称为单位制冷量，习惯上取为正值， 在在T-sT-s图上用面积图上用面积1-5-1-5-b b- -a a-1-1代表，而在代表，而在 lglg p-h p-h图上则用线段图上则用线段5-15-1表示。表示。 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 (2)(2)冷凝过程：冷凝过程： d dw w= =0 0 d dq q= =d dh h q qk k=h=h2 2-

5、h-h4 4 （2-42-4） (3) (3) 节流过程：节流过程： w=w=0 0 q= q=0 0 h=0h=0 h h4 4=h=h5 5 （2-52-5） （1 1）压缩过程）压缩过程: d: dq q= =0,0,因而因而 dw=dh w=h2 2-h1 1 （2-3） （4 4）蒸发过程：）蒸发过程： d dw w= =0 0因而因而 d dq q= =d dh h q q0 0=h=h1 1-h-h5 5=h=h1 1-h-h4 4 （2-6） 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 (1)(1)单位制冷量单位制冷量q q0 0 压缩蒸气制冷循环单位制冷量可按式（压缩蒸气制冷

6、循环单位制冷量可按式（2-2- 6 6）计算。单位制冷量也可以表示成汽化）计算。单位制冷量也可以表示成汽化 潜热潜热r r0 0和节流后的干度和节流后的干度x x5 5的关系：的关系： 为了说明单级压缩蒸气制冷机理论循环的为了说明单级压缩蒸气制冷机理论循环的 性能，性能， 采用下列一些性能指标，这些性采用下列一些性能指标，这些性 能指标均可通过循环各点的状态参数计算能指标均可通过循环各点的状态参数计算 出来。出来。 )x(rq 500 1 (2-7) 由式（由式（3-73-7）可知，制冷剂的汽化潜热越）可知，制冷剂的汽化潜热越 大，或节流所形成的蒸气越少（大，或节流所形成的蒸气越少（x x5

7、5越小）越小） 则循环的单位制冷量就越大。则循环的单位制冷量就越大。 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 (2)(2)单位容积制冷量单位容积制冷量q qv v 1 41 1 0 v hh v q qv (2-8) (3)(3)理论比功理论比功w w0 0 对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说，理对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说，理 论比功可表示为论比功可表示为 120 hhw(2-9) 单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随制冷单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随制冷 剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的。剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的。 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术

8、 (4)(4)单位冷凝热单位冷凝热q qk k 单位（单位（1kg1kg）制冷剂蒸气在冷凝器中放出的）制冷剂蒸气在冷凝器中放出的 热量，称为单位冷凝热。单位冷凝热包括热量，称为单位冷凝热。单位冷凝热包括 显热和潜热两部分显热和潜热两部分 qhhhhhh k 233424 (2-10) 比较式（比较式（2-62-6）、（）、（2-92-9）和（）和（2-102-10）可以）可以 看出，对于单级压缩式蒸气制冷机理论循看出，对于单级压缩式蒸气制冷机理论循 环，存在着下列关系环，存在着下列关系 (2-11) qqw k 00 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 (5)(5)制冷系数制冷系数 0

9、 对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，对于单级压缩蒸气制冷机理论循环， 制冷系数为制冷系数为 (2-12) 0 0 0 14 21 q w hh hh 制冷系数愈大制冷系数愈大经济性愈好经济性愈好 冷凝温度越高冷凝温度越高 制冷系数越小制冷系数越小 蒸发温度越低蒸发温度越低 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 (6)(6)热力完善度热力完善度 单级压缩蒸气制冷机理论循环的热力完单级压缩蒸气制冷机理论循环的热力完 善度按定义可表示为善度按定义可表示为 0 04 12 410 T TT hh hh c (2-13) 这里这里c c为在蒸发温度（为在蒸发温度（T T0 0）和压缩机）和压缩机 排

10、气温度（排气温度（T T2 2）之间工作的逆卡诺循环）之间工作的逆卡诺循环 的制冷系数。热力完善度愈大，说明该的制冷系数。热力完善度愈大，说明该 循环接近可逆循环的程度愈大。循环接近可逆循环的程度愈大。 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 （二）液体过冷、气体过热及回热对（二）液体过冷、气体过热及回热对 理想循环性能的影响理想循环性能的影响 上面所述的循环，是单级压缩蒸气制冷机上面所述的循环，是单级压缩蒸气制冷机 的基本循环，也是最简单的循环。在实用的基本循环，也是最简单的循环。在实用 上，根据实际条件对循环往往要作一些改上，根据实际条件对循环往往要作一些改 进，以便提高循环的热力完善

11、度。在单级进，以便提高循环的热力完善度。在单级 制冷机循环中，这一改进主要有液体过冷、制冷机循环中，这一改进主要有液体过冷、 吸气过热及由此而产生的回热循环。吸气过热及由此而产生的回热循环。 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝 温度的状态，称为过冷。温度的状态，称为过冷。 1. 1. 液体过冷液体过冷 带有过冷的循环，叫做过冷循环。带有过冷的循环，叫做过冷循环。 采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数 都是有利的都是有利的 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 图图2-17 2-1

12、7 过冷循环在过冷循环在T-sT-s图（图（a a）和）和lglgp p-h-h图（图（b b）上的表示）上的表示 qhhhh 05544 (2-14) 与无过冷的循环与无过冷的循环1-2-3-4-5-11-2-3-4-5-1相比，过相比，过 冷循环的单位制冷量的增加量为冷循环的单位制冷量的增加量为 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 在图2-17（a）中，q0以面积5-5- b-c表示，在图2-17（b）中，q0以线 段5-5表示。因两个循环的理论比功 w 0相同，过冷循环的制冷系数 比无过冷循环的制冷系数要大。 hhhh hh c t hh 1444 21 0 21 (2-15)

13、制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 2.2.吸入蒸气的过热吸入蒸气的过热 压缩机吸入前的制冷剂蒸气的温度高于压缩机吸入前的制冷剂蒸气的温度高于 吸气压力下制冷剂的饱和温度时，称为吸气压力下制冷剂的饱和温度时，称为 过热。具有吸气过热的循环，称为过热过热。具有吸气过热的循环，称为过热 循环。循环。 图图2-18示出了过热循环示出了过热循环1-1-2-3-4-5-1的的 T-s图和图和lg p-h图。图中图。图中1-1是吸气的过热是吸气的过热 过程，其余与基本循环相同。过程，其余与基本循环相同。 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 图图2-182-18过热循环在过热循环在T-sT-

14、s图（图（a a）和）和lglgp p-h-h图（图（b b）上的表示）上的表示 110 hhq (2-16) 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 )hh()hh(w 12120 (2-17) 有效过热循环的制冷系数可表示为有效过热循环的制冷系数可表示为 00 000 ww qq w q (2-18) 由制冷剂的由制冷剂的T-sT-s图我们可以得到，在过热图我们可以得到，在过热 区，过热度越大，其等熵线的斜率越大，区，过热度越大，其等熵线的斜率越大， 根据式（根据式（2-172-17），得），得 0 0 w （2-19） 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 图图2-192-19

15、有效过热的过热度对制冷系数的影响有效过热的过热度对制冷系数的影响 过热度过热度 R502R502 R600aR600a R290R290 R134aR134aR22R22NHNH3 3 0 045.345.337.437.444.444.444.144.155.955.993.093.0 303073.973.965.765.772.172.172.972.986.386.3 131.5131.5 表表2-22-2过热度对排气温度的影响过热度对排气温度的影响 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 hhhh 4411 (2-20) 若不计回热器与环境空气之间的热交换，若不计回热器与环境空气

16、之间的热交换， 则液体过冷的热量等于使蒸气过热的热则液体过冷的热量等于使蒸气过热的热 量，其热平衡关系为量，其热平衡关系为 3.3.回热循环回热循环 利用回把热使节流前的制冷剂液体与压利用回把热使节流前的制冷剂液体与压 缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换，缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换， 使液体过冷、蒸气过热，称之为回热。使液体过冷、蒸气过热，称之为回热。 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 图图2-21 2-21 回热循环在回热循环在T-sT-s图（图（a a）和）和lglgp p-h-h图（图（b b）上的表示）上的表示 c ttctt

17、kp4010 （2-21） 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 由式（由式（2-212-21）可以求出）可以求出 tt c c tt k p 4 0 10 （2-22） 回热循环的性能指标如下：回热循环的性能指标如下： 单位制冷量单位制冷量 41410 hhhh q （2-23） 单位容积制冷量单位容积制冷量 v v q q 1 0 （2-24） 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 单位功单位功 12 hh w 制冷系数制冷系数 12 410 hh hh w q （2-26） 由图（由图（2-212-21）可知，与无回热循环）可知，与无回热循环1-2-1-2- 3-4-5-13

18、-4-5-1相比较，回热循环的单位制冷相比较，回热循环的单位制冷 量增大了量增大了 Rp tchhhhq 011440 （2-27） （2-25） 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 Rp tcq q 000 循环的单位功可近似地表示成循环的单位功可近似地表示成 0 0 0 1 0 1 T t w T T w w R （2-29） 但单位功也增大了但单位功也增大了 )hh()hh(w ww 121200 （2-28） 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 单位容积制冷量和制冷系数可表示成单位容积制冷量和制冷系数可表示成 0 0 0 0 1 00 1 0 1 1 1 T t t q

19、 c q T t v tcq v q q R R p v R Rp v （2-302-30） 0 0 0 0 0 0 00 1 1 1 T t t q c T t w qq R R p R (2-31)(2-31) 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 11 0 00 c q t t T p R R 即即 c Tq p000 （2-32） 如果要使回热循环的单位容积制冷如果要使回热循环的单位容积制冷 量及制冷系数比无回热循环高，其量及制冷系数比无回热循环高，其 条件应是条件应是 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 （三）单级蒸气压缩式制冷实际循环计算（三）单级蒸气压缩式制冷实际循

20、环计算 实际循环和理论循环有许多不同之处，实际循环和理论循环有许多不同之处， 除了压缩机中的工作过程以外，主要还有下除了压缩机中的工作过程以外，主要还有下 列一些差别：列一些差别： 1 1流动过程有压力损失。流动过程有压力损失。 2 2制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热 交换。交换。 3 3热交换器中存在温差。热交换器中存在温差。 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 图图2-22 2-22 实际循环在实际循环在T-sT-s图（图（a a）和）和lglg p-hp-h图（图（b b）上的表示）上的表示 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术

21、图图2-23 2-23 简化后的实际循环在简化后的实际循环在lglg p-h p-h图上的表示图上的表示 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 下面是按照这样简化后的循环的性能指标下面是按照这样简化后的循环的性能指标 的表达式，各下标对应于图的表达式，各下标对应于图2-232-23所示的状所示的状 态点。态点。 120 1 0 41510 hhw v q q hhhhq s v （2-33） 这些同理论循环的计算完全一致。这些同理论循环的计算完全一致。 1 1单位制冷量、单位容积制冷量及单位制冷量、单位容积制冷量及 单位理论功单位理论功 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 2 2

22、单位冷凝热单位冷凝热 qhh k 24 （2-34） 上式中点上式中点2 2状态的焓值用下式计算状态的焓值用下式计算 1122 )(hhhh is （2-35） 式中i 为压缩机的指示效率，它被定 义为等熵压缩过程耗功量与实际压缩过程 耗功量之比。 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 3 3制冷剂的循环流量制冷剂的循环流量 00 qQqm 式中Q 0为制冷量，通常由设计任务给出。 （2-36） 4 4压缩机的理论功率和指示功率分别为压缩机的理论功率和指示功率分别为 00 wqN m i i N N 0 （2-37） （2-38） 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 5 5实际制

23、冷系数实际制冷系数 )/( 0 ei s N Q （2-39） 6 6冷凝器的热负荷冷凝器的热负荷 kmk qqQ （2-40） 式中 e 为压缩机的机械效率。 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 （四）两级压缩制冷循环计算（四）两级压缩制冷循环计算 在图在图2-5 2-5 图图2-92-9所示的二级压缩制冷循环中，所示的二级压缩制冷循环中， 制取冷量的都是低压部分的蒸发过程，其单位制制取冷量的都是低压部分的蒸发过程，其单位制 冷量：冷量： q0=h1-h4 低压压缩机的单位理论功：低压压缩机的单位理论功： wd=h2-h1 当制冷机的冷负荷为当制冷机的冷负荷为Q Q0 0时，低压级制

24、冷剂循时，低压级制冷剂循 环量：环量： o o q Q = 41 hh Q o (2-41) 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 从而可算出低压压缩机消耗的理论功率：从而可算出低压压缩机消耗的理论功率： （2-42） dmd wq 41 12 hh hh o Q Ptd= = 对于中间完全冷却的两级循环：对于中间完全冷却的两级循环： q qmg mgh h9 9+q +qmd mdh h2 2=q =qmg mgh h3 3+q +qmd mdh h4 4 qmg =qmd(h2-h4) /( h3- h9) （2-43） 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 高压压缩机的单位理

25、论功为高压压缩机的单位理论功为 w wg g=h=h7 7-h-h3 3 由此可得高压压缩机的理论功率：由此可得高压压缩机的理论功率： Ptg= gmgw q= )( 37 93 42 41 hh hh hh hh Q o (2-44) 根据制冷系数的定义，两级压缩制冷循根据制冷系数的定义，两级压缩制冷循 环的理论制冷系数为环的理论制冷系数为 dmdgmg o wqwq Q （2-45） 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 )( 37 93 42 12 41 hh hh hh hh hh （2-46） 对于中间不完全冷却的两级循环，根据中间对于中间不完全冷却的两级循环，根据中间 冷却器

26、的热平衡关系冷却器的热平衡关系 q qmg mg h h9 9= =（q qmg mg-q -qmd md） ）h h3 3+q+qmd mdh h4 4 可得到流经高压级压缩机的制冷剂流量：可得到流经高压级压缩机的制冷剂流量： q qmg mg =q =qmd md(h (h3 3-h-h4 4) /( h) /( h3 3- h- h9 9) ) (2-47) 高压压缩机的单位理论功为高压压缩机的单位理论功为 w wg g=h=h7 7-h-h6 6 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 qmg h6=( qmg qmd) h3 + qmd h2 h6= mg mdmg q hhqh

27、q)( 323 = )( 32 43 42 3 hh hh hh h （2-48） 高压压缩机消耗的理论功率高压压缩机消耗的理论功率： P tg=qmgwg=)( 67 93 43 41 hh hh hh hh Q o （2-49） 中间不完全冷却的两级循环的理论制冷系数为中间不完全冷却的两级循环的理论制冷系数为 )()( 67 93 43 12 41 hh hh hh hh hh （2-50） 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 于前述两级节流、具有中温蒸发器的中间完全于前述两级节流、具有中温蒸发器的中间完全 冷却两级压缩制冷循环进行高压级压缩机制冷冷却两级压缩制冷循环进行高压级压缩

28、机制冷 剂流量计算时，应该加上流经中温蒸发器的制剂流量计算时，应该加上流经中温蒸发器的制 冷剂流量冷剂流量q qmm。 qmm= 43 hh Qm 式中式中,Q,Qm m为中温蒸发器的制冷量。为中温蒸发器的制冷量。 对于这一制冷系统，流经高压级压缩机的制对于这一制冷系统，流经高压级压缩机的制 冷剂流量和低压级压缩机的制冷剂流量之间冷剂流量和低压级压缩机的制冷剂流量之间 有下列关系有下列关系 qmg= qmd + qmm 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 根据中间冷却器的热平衡关系可求得高压压缩根据中间冷却器的热平衡关系可求得高压压缩 机和低压压缩机的制冷剂流量比机和低压压缩机的制冷剂

29、流量比 循环理论制冷系数为循环理论制冷系数为 )()( )()( 1237 4341 hhqhhq hhqhhq mdmg mmmd （2-52） qmdh2+qmgh9+qmmh3 )( )( 93 43 93 42 hh hh q q hh hh q q md mm md mg （2-51） =qmdh4+qmgh3+qmmh4 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 压缩机实际过程的排气焓值为压缩机实际过程的排气焓值为 id s hh hh 12 12 （2-53） 高压压缩机实际过程的排气焓值（中间完高压压缩机实际过程的排气焓值（中间完 全冷却）为全冷却）为 ig s hh hh

30、37 37 （2-54） 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 一些文献曾给出了确定中间压力（或中一些文献曾给出了确定中间压力（或中 间温度）的经验公式或图线。下面列间温度）的经验公式或图线。下面列 举几个推荐应用的公式：举几个推荐应用的公式： 按压力的比例中项确定中间压力按压力的比例中项确定中间压力 kom ppp (2-55) 式中式中P Pm m ,P ,Po o和和P Pk k分别为中间压力、蒸发压分别为中间压力、蒸发压 力和冷凝压力力和冷凝压力, ,单位单位MPaMPa。 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 按式求出的中间压力和制冷循环的最佳按式求出的中间压力和制冷循环

31、的最佳 中间压力有一定的偏差。但公式很简单，中间压力有一定的偏差。但公式很简单， 可用于初步估算。可用于初步估算。 按温度的比例中项确定中间压力按温度的比例中项确定中间压力 kom TTT (2-56) 式中式中T Tm m , ,T To o和和T Tk k分别为中间温度，蒸发温分别为中间温度，蒸发温 度和冷凝温度度和冷凝温度, ,单位均为单位均为K K。 制 制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 用经验公式直接计算最佳中间压力用经验公式直接计算最佳中间压力 对于两级氨制冷循环，拉赛对于两级氨制冷循环，拉赛(A.Rasi(A.Rasi) )提提 出了较为简单的最佳中间温度计算式：出了较为简单的最佳中间温度计算式： tm=0.4tk+ 0.6to+3 (2-57) 式中，式中，t tm m , , t tk k和和t to o分别表示中间温度，分别表示中间温度， 冷凝温度和蒸发温度，单位均为冷凝温度和蒸发温度，单位均为。 上式不只适用于氨，在上式不只适用于氨，在40404040温度温度 范围内，