制冷原理与技术(热泵理论教程)

1、 单级蒸气压缩式制冷的基本原理单级蒸气压缩式制冷的基本原理一、热力学基本定律一、热力学基本定律o热力学第一定律：能量守恒和转换定律热力学第一定律：能量守恒和转换定律o 热力学第二定律：能量贬值原理热力学第二定律：能量贬值原理 不可能把热从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。不可能把热从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。 高温物体外界补偿热量低温物体人工制冷：二、完成制冷循环的二、完成制冷循环的设备组成设备组成及其工作及其工作o蒸发器：蒸发器：介质气化，吸收外界热量，实现对外制冷的换热设备。o冷凝器冷凝器:介质由气态冷凝为液态，使介质可以再次气化制冷的换热设备。o压缩机压缩机:为使介质在自

2、然环境下冷凝，而改变介质状态的动力设备。（实现了热量从低温物体向高温环境转移）o节流机构节流机构:维持系统高低压共存的设备。三、理想制冷循环三、理想制冷循环 1-2 等熵压缩 T0Tk 耗功w12-3 等温放热qk=Tk（sa-sb）3-4 等熵膨胀 TkT0 做功w24-1 等温膨胀吸热q0=T0（sa-sb）1.逆卡诺循环逆卡诺循环两个恒温热源两个等温过程两个等熵过程T TS ST TK KT TO O1 12 23 34 4恒温热源理想循环恒温热源理想循环2. 循环结果循环结果 o从被冷却介质吸热从被冷却介质吸热q0（单位制冷量）；（单位制冷量）；o向冷却介质放热向冷却介质放热qk；o循

3、环净耗功循环净耗功 w0qkq0 3. 制冷系数制冷系数 o大小只取决于两个热源的温度；大小只取决于两个热源的温度；oT0 或或Tk 000TTTwqkoc a-b 等熵压缩 b-c 变温放热(可逆多变压缩)c-d 等熵膨胀 d-a 变温吸热(可逆多变膨胀)劳仑兹循环劳仑兹循环两个变温热源两个变温过程两个等熵过程变温热源理想循环变温热源理想循环劳仑兹循环劳仑兹循环劳仑兹循环的制冷系数等于一个以放热平均温劳仑兹循环的制冷系数等于一个以放热平均温度和吸热平均温度为高、低温热源温度的等效度和吸热平均温度为高、低温热源温度的等效逆卡诺循环的制冷系数，仅取决于被冷却物和逆卡诺循环的制冷系数，仅取决于被冷

4、却物和冷却剂的温度状况，而与制冷剂性质无关。冷却剂的温度状况，而与制冷剂性质无关。四、逆卡诺循环难以实现：四、逆卡诺循环难以实现： o湿蒸气区域内进行湿蒸气区域内进行 湿压缩湿压缩o设备：蒸发器设备：蒸发器 无传热温差无传热温差 冷凝器冷凝器 无传热温差无传热温差 压缩机压缩机 无摩擦运动无摩擦运动 膨胀机膨胀机 不经济，且难以加工不经济，且难以加工 五、五、有传热温差的制冷循环有传热温差的制冷循环 T0TsTkTkT0T033442211ba0Tk图 1-2 有 传 热 温 差 的 制 冷 循 环Tk 冷却介质的温度冷却介质的温度T0 被冷却介质的温度被冷却介质的温度逆卡诺循环：逆卡诺循环：

5、1-2-3-4-1Tk 冷凝器中制冷剂的温度冷凝器中制冷剂的温度T0 蒸发器中制冷剂的温度蒸发器中制冷剂的温度有传热温差的循环：有传热温差的循环：1-2-3-4-1耗功量增加：阴影面积耗功量增加：阴影面积制冷量减少：制冷量减少：1-1-4-4-1 热力完善度：工作于相同温度间的实际制冷循热力完善度：工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数与逆卡诺循环制冷系数的比值。环的制冷系数与逆卡诺循环制冷系数的比值。11的大小反映了实际制冷循环接近逆卡诺循环的程度。的大小反映了实际制冷循环接近逆卡诺循环的程度。 六、有传热温差的制冷循环的制冷系数小于逆六、有传热温差的制冷循环的制冷系数小于逆卡诺循环的制冷

6、系数卡诺循环的制冷系数c制 冷 技 术 单级蒸气压缩式制冷的理论循环单级蒸气压缩式制冷的理论循环一、一、理论制冷循环理论制冷循环o压缩机压缩机： 制冷系统的心脏，压缩和输送制冷剂蒸气；等熵制冷系统的心脏，压缩和输送制冷剂蒸气；等熵压缩；压缩；o冷凝器冷凝器：输出热量；等压放热；：输出热量；等压放热；o节流阀节流阀：节流降压，并调节进入蒸发器的制冷剂流量；等焓：节流降压，并调节进入蒸发器的制冷剂流量；等焓节流；节流；o蒸发器蒸发器：吸收热量（输出冷量）从而制冷；等压吸热。：吸收热量（输出冷量）从而制冷；等压吸热。 o干压缩代替了湿压缩：干压缩代替了湿压缩：压缩机吸气状态为干饱和蒸气压缩机吸气状态

7、为干饱和蒸气 o节流阀代替了膨胀机：节流阀代替了膨胀机：简化了设备，但会造成节流损失简化了设备，但会造成节流损失o热交换过程为等压过程，而非等温过程热交换过程为等压过程，而非等温过程 二、理论制冷循环的特点二、理论制冷循环的特点（对比理想制冷循环）对比理想制冷循环）三、压焓图三、压焓图（一点两线三区五状态）（一点两线三区五状态）o等压线等压线 水平线水平线o等焓线等焓线 垂直线垂直线o等干度线等干度线 湿蒸气区域内曲线湿蒸气区域内曲线o等熵线等熵线 向右上方大斜率曲线向右上方大斜率曲线o等容线等容线 向右上方小斜率曲线向右上方小斜率曲线o等温线等温线 垂直线（液相区）垂直线（液相区）水平线（两

8、相区）水平线（两相区） 向右下方弯曲（过热蒸气区）向右下方弯曲（过热蒸气区）四、理论制冷循环的压焓图四、理论制冷循环的压焓图压焓图的作用：压焓图的作用：o确定状态参数确定状态参数o表示热力过程表示热力过程o分析能量变化分析能量变化3h2ph021pkp0h1蒸 气 压 缩 制 冷 理 论 循 环p h图4h3=h4五、五、状态点的确定状态点的确定o1点：点：Po等压线与等压线与x=1蒸气干饱和线交点蒸气干饱和线交点o3点：点： Pk等压线与等压线与x=0液态饱和线交点液态饱和线交点o2点点: Pk等压线与等压线与s1等熵线交点等熵线交点o4点：点： Po等压线与等压线与h3等焓线交点等焓线交点

9、六、六、理论制冷循环的热力计算理论制冷循环的热力计算o单位质量制冷量单位质量制冷量q0：1kg制冷剂在蒸发器内从被冷却物制冷剂在蒸发器内从被冷却物体吸收的热量体吸收的热量 。 q0h1h4 o单位体积制冷量单位体积制冷量qv ：压缩机每吸入压缩机每吸入1m3制冷剂蒸气（按制冷剂蒸气（按吸气状态计），在蒸发器中所产生的制冷量吸气状态计），在蒸发器中所产生的制冷量 。 qvq0 / v1（h1h4）/v1o制冷剂质量流量制冷剂质量流量MR： MR=Qo / q0o制冷剂体积流量制冷剂体积流量VR: VR=MR*v1 o单位冷凝负荷单位冷凝负荷qk ：1kg制冷剂在冷却和冷凝过程中放出制冷剂在冷却和

10、冷凝过程中放出的热量的热量 。 qkh2h3 o单位理论压缩功单位理论压缩功w0 ：压缩机每压缩输送压缩机每压缩输送1kg制冷剂所消制冷剂所消耗的压缩功耗的压缩功 。 w0h2h1 o制冷系数制冷系数0： o热力完善度热力完善度 ： 1241000hhhhwq 0012410TTThhhhkc 制 冷 技 术带液体过冷、蒸气过热、回热系统单级带液体过冷、蒸气过热、回热系统单级蒸气压缩式制冷循环蒸气压缩式制冷循环一、液体过冷一、液体过冷o什么是液体过冷？什么是液体过冷？ 制冷剂在冷凝器中液化后、进入节流机构之前，将制冷剂在冷凝器中液化后、进入节流机构之前，将液态制冷剂再降温成为过冷液体的做法。液

11、态制冷剂再降温成为过冷液体的做法。o为什么制冷系统带液体过冷？为什么制冷系统带液体过冷？ 带有液体过冷的制冷系统的制冷量会增加。带有液体过冷的制冷系统的制冷量会增加。1、几个基本概念、几个基本概念o过冷温度：过冷温度：制冷剂节流前被降温到低于饱和温制冷剂节流前被降温到低于饱和温度的过冷液体的温度。度的过冷液体的温度。o过冷度：过冷度：液体过冷温度和其压力所对应的饱和液体过冷温度和其压力所对应的饱和液体温度之差。液体温度之差。o 过冷循环：过冷循环：具有液体过冷的循环称为液体过冷具有液体过冷的循环称为液体过冷循环。循环。2. 过冷循环过冷循环o1-2 （压缩机）：等熵压缩；（压缩机）：等熵压缩；

12、o2-3 （冷凝器）：等压放热；（冷凝器）：等压放热；o3-3（过冷器）：等压传热；（过冷器）：等压传热；o3-4（节流阀）：等焓节流；（节流阀）：等焓节流；o4-1 （蒸发器）：等压吸热（蒸发器）：等压吸热 P Ph hP PK KP PO O1 12 23 3 4 43 3P Pk kP Po ot to ot tk kt tg gl l3. 实现方法实现方法o冷凝器后装冷凝器后装过冷器过冷器；o设计，选型时，适当增大冷凝器面积；设计，选型时，适当增大冷凝器面积；o制冷系统中设置回热器，采用回热循环。制冷系统中设置回热器，采用回热循环。4. 热力分析热力分析o单位制冷制冷量：单位制冷制冷量

13、：q0h1h4o单位理论压缩功：单位理论压缩功：w0h2h1 单位质量制冷量提高单位质量制冷量提高 耗功量不变耗功量不变 制冷系数增大制冷系数增大p0pkph021过 冷 循 环44 33 二、蒸气过热二、蒸气过热o什么是蒸气过热？什么是蒸气过热？ 制冷剂在蒸发器中气化后、继续吸热升温，使压缩制冷剂在蒸发器中气化后、继续吸热升温，使压缩机吸气温度高于其饱和温度的做法。机吸气温度高于其饱和温度的做法。o为什么制冷系统带蒸气过热？为什么制冷系统带蒸气过热？ 保证压缩机吸气是干蒸气。保证压缩机吸气是干蒸气。1. 1. 基本概念基本概念o过热温度：压缩机吸入的高于其压力对应饱和温度的过热制冷过热温度：

14、压缩机吸入的高于其压力对应饱和温度的过热制冷剂蒸气温度。剂蒸气温度。o过热度：蒸气过热后的温度和同压力下饱和温度的差值。过热度：蒸气过热后的温度和同压力下饱和温度的差值。o过热循环：具有蒸气过热的循环称为蒸气过热循环。过热循环：具有蒸气过热的循环称为蒸气过热循环。o有效过热：过热吸收热量来自被冷却介质，产生有用的制冷效有效过热：过热吸收热量来自被冷却介质，产生有用的制冷效果。果。o有害过热：过热吸收热量来自被冷却介质以外，无制冷效果。有害过热：过热吸收热量来自被冷却介质以外，无制冷效果。2. 过热循环过热循环o1-2 （压缩机）：等熵压缩；（压缩机）：等熵压缩；o2-3 （冷凝器）：等压放热；

15、（冷凝器）：等压放热；o3-4 （节流阀）：等焓节流（节流阀）：等焓节流;o4-1 （蒸发器）（蒸发器）:等压吸热等压吸热 ；o1-1 （过热）：等压传热（过热）：等压传热P Ph hP PK KP PO O1 12 24 41 1 3 3P Pk kP Po ot tg gr rt to ot tk k3. 实现方法实现方法o蒸发器面积大于设计所需面积（有效）；蒸发器面积大于设计所需面积（有效）；o蒸发器与压缩机间的连接管道吸取外界环境蒸发器与压缩机间的连接管道吸取外界环境热量而过热（有害）；热量而过热（有害）；o系统中设置回热器（有害过热，但有过冷过系统中设置回热器（有害过热，但有过冷过程

16、伴随）。程伴随）。 4. 热力分析热力分析（1）有害过热分析：）有害过热分析：o单位压缩功增加单位压缩功增加o单位制冷量不变单位制冷量不变o单位冷凝负荷增大单位冷凝负荷增大o进入压缩机的制冷剂比容增大进入压缩机的制冷剂比容增大o压缩机的排气温度升高压缩机的排气温度升高（2）有效过热分析：）有效过热分析： 单位压缩功增加单位压缩功增加 单位制冷量增加单位制冷量增加 单位冷凝负荷增大单位冷凝负荷增大 进入压缩机的制冷剂比容增大进入压缩机的制冷剂比容增大 压缩机的排气温度升高压缩机的排气温度升高v氨过热度氨过热度5v氟利昂一般取可采取较大的过热度氟利昂一般取可采取较大的过热度,过热温度不超过过热温度

17、不超过15 5.实际运行中过热度选择实际运行中过热度选择三、回热循环三、回热循环1.1.回热循环回热循环 冷凝后的制冷剂液体与蒸发后的制冷剂蒸气进冷凝后的制冷剂液体与蒸发后的制冷剂蒸气进行热交换，实现液体过冷、蒸气过热的制冷循行热交换，实现液体过冷、蒸气过热的制冷循环。环。2.2.实现方法：实现方法：系统中设回热器系统中设回热器吸气管与供液管绑扎吸气管与供液管绑扎 3. 循环过程循环过程o1-2（压缩机）：等熵压缩；（压缩机）：等熵压缩；o2-3（冷凝器）：等压放热冷凝；（冷凝器）：等压放热冷凝；o3-3（回热器）：等压放热过冷；（回热器）：等压放热过冷；o3-4（节流阀）：等焓节流；（节流阀

18、）：等焓节流；o4-1（蒸发器）：等压吸热制冷；（蒸发器）：等压吸热制冷；o1-1 （回热器）：等压吸热过热。（回热器）：等压吸热过热。P Ph hP PK KP PO O1 12 2334 4113 3P Pk kP Po ot tgrgrt to ot tk kt tglgl4. 热力分析热力分析o单位压缩功增加；单位压缩功增加；o单位制冷量增加；单位制冷量增加；o回热循环不一定能提高制冷系数；回热循环不一定能提高制冷系数；o氨不采用回热循环；氨不采用回热循环；o回热适合在氟制冷系统中使用。回热适合在氟制冷系统中使用。单级蒸气压缩式制冷实际循环单级蒸气压缩式制冷实际循环一、实际循环的特点一

19、、实际循环的特点 o 压缩非等熵、可逆过程压缩非等熵、可逆过程-压缩过程伴有吸热和压缩过程伴有吸热和放热；放热；o 存在传热温差，过程不可逆；存在传热温差，过程不可逆；o 改善循环：吸气过热和过冷节流、回热循环；改善循环：吸气过热和过冷节流、回热循环；o系统存在节流损失系统存在节流损失 ；o系统存在流动损失；系统存在流动损失；o系统存在不凝性气体。系统存在不凝性气体。 二、实际循环的热力计算二、实际循环的热力计算 1. 确定工作参数确定工作参数o蒸发温度蒸发温度t0： (直冷式蒸发器直冷式蒸发器)空气：空气： t0t空气空气2（810） (间冷式蒸发器间冷式蒸发器)水或盐水：水或盐水： t0t

20、水水2（46）o冷凝温度冷凝温度tk： (风冷式冷凝器风冷式冷凝器)空气：空气： tkt空气空气115 (水冷式冷凝器水冷式冷凝器)水：水： tkt平均水温平均水温（57） (蒸发式冷凝器蒸发式冷凝器) 湿空气湿空气:tk夏季室外计算湿球温度夏季室外计算湿球温度(815) o过冷温度过冷温度tgl： tgltk（35） o压缩机吸气温度压缩机吸气温度tgr： 氨：氨： tgr=t0（58） 氟利昂：氟利昂： tgr15 2. 在压焓图上确定各状态点，并绘制制冷循环在压焓图上确定各状态点，并绘制制冷循环P Ph hP PK KP PO O1 12 2334 4113 3t tgrgrt to o

21、t tk kt tglgl223. 进行热力计算进行热力计算o单位质量制冷量：单位质量制冷量： q0h1h4 o单位体积制冷量单位体积制冷量 ：qvq0 / v1o制冷剂质量流量：制冷剂质量流量： MR=Qo / q0o制冷剂体积流量制冷剂体积流量: VR=MR*v1o单位理论压缩功单位理论压缩功 ：w0h2h1o单位轴功：单位轴功：we=wo/ = h2 h1得出得出h2值值P Ph hP PK KP PO O1 12 23 3 4 41 1 3 3t tg gr rt to ot tk kt tg gl l2 2 o冷凝负荷冷凝负荷 ： QkMR(h2h3 )o过冷负荷：过冷负荷：Qgl=

22、 MR(h3h3 )o过热负荷：过热负荷：Qgr= MR(h1h1 )o制冷系数制冷系数：o热力完善度热力完善度： 1 2410hhhhwqe00 1 241TTThhhhkc三、实际制冷过程描述三、实际制冷过程描述o1-1吸气管过热吸气管过热o1-a吸气阀节流吸气阀节流oa-b制冷剂进入气缸吸热制冷剂进入气缸吸热ob-c先吸热压缩，后放热压缩先吸热压缩，后放热压缩oc-d制冷剂在排气腔放热制冷剂在排气腔放热od-e排气阀节流排气阀节流oe-2排气管放热冷却排气管放热冷却o2-3冷凝放热冷凝放热o3-3液体过冷液体过冷o3-4节流过程中，制冷剂降温降压对外吸热增焓节流过程中，制冷剂降温降压对外

23、吸热增焓o4-1蒸发制冷蒸发制冷ph11abcde2334四、实际制冷系统的耗能评价指标四、实际制冷系统的耗能评价指标o性能系数性能系数COP: :消耗单位压缩机轴功产生的制冷量消耗单位压缩机轴功产生的制冷量o能效比能效比EER：单位电动机输入功所产生的制冷量单位电动机输入功所产生的制冷量 1 2410hhhhwqCOPeinwqEER0实际制冷循环热力计算举例实际制冷循环热力计算举例 1. 冷凝温度的影响冷凝温度的影响 当提高冷凝温度：当提高冷凝温度：压缩比增加，导致压缩机效率降低压缩比增加，导致压缩机效率降低单位制冷量减少；单位制冷量减少；单位压缩功增大；单位压缩功增大；制冷系统性能系数降低，运行经济指标变劣