第三章 蒸汽压缩式制冷

1、蒸汽压缩式制冷蒸汽压缩式制冷第三章第三章本章内容本章内容n3.1 3.1 可逆可逆制冷循环制冷循环n3.2 3.2 单级蒸气压缩单级蒸气压缩理论理论制冷循环制冷循环n3.3 3.3 单级蒸气压缩单级蒸气压缩实际实际制冷循环制冷循环n3.4 3.4 制冷剂制冷剂n3.5 3.5 采用混合制冷剂的单级蒸气压缩式制采用混合制冷剂的单级蒸气压缩式制 冷循环冷循环n3.6 3.6 多级蒸气压缩制冷循环多级蒸气压缩制冷循环n3.7 3.7 复叠式制冷循环复叠式制冷循环n3.8 CO23.8 CO2超临界制冷循环超临界制冷循环3.1 3.1 可逆制冷循环可逆制冷循环（理想制冷循环）（理想制冷循环） 制冷循环

2、：制冷循环：是利用是利用逆向热力循环逆向热力循环的能量转换系的能量转换系统，通过一定的统，通过一定的能量补偿能量补偿，从，从低温热源低温热源吸收热吸收热量，向量，向高温热汇高温热汇排放热量。排放热量。热源（热源（heat source）：）：流出热量的对象，制冷剂流出热量的对象，制冷剂从中吸热。从中吸热。热汇（热汇（heat sink）：）：流入热量的对象，制冷剂流入热量的对象，制冷剂向其排热。向其排热。制冷循环的热力学本质：制冷循环的热力学本质： 用能量补偿的方式把热量从低温热源转移到高温热汇。用能量补偿的方式把热量从低温热源转移到高温热汇。3.1.13.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理蒸气压

3、缩制冷的热力学原理制冷循环可达到的效果制冷循环可达到的效果n制冷制冷制冷机制冷机n制冷与制热制冷与制热热泵热泵3.1.13.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理蒸气压缩制冷的热力学原理1 1 制冷机与热泵制冷机与热泵QH=Q0 +Wn性能系数性能系数(COP，Coefficient Of Performance)： COP=收益能量收益能量/补偿能量补偿能量 2 2 性能系数和热力完善度性能系数和热力完善度性能系数和热力完善度（或循环效率）是评价制冷性能系数和热力完善度（或循环效率）是评价制冷循环的循环的经济性指标经济性指标。3.1.13.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理蒸气压缩制冷的热力学原理无量纲

4、量无量纲量n制冷系数制冷系数W0QCOPRWQCOPHHQH=Q0 +WCOPH=COPR+1 n制热系数制热系数3.1.13.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理蒸气压缩制冷的热力学原理COPCOPR R的数值可能大于的数值可能大于1 1、小于、小于1 1或等于或等于1 1。COPCOPH H的数值恒大于的数值恒大于1 1n热力完善度热力完善度 ：表示一个制冷循环与相同工作温表示一个制冷循环与相同工作温度下可逆循环的接近程度。度下可逆循环的接近程度。越大，说明循环性能越大，说明循环性能越好，热力学不可逆损失越小；反之，越好，热力学不可逆损失越小；反之， 越小，越小，则说明循环中热力学不可逆损失越大

5、。则说明循环中热力学不可逆损失越大。 CCOPCOP103.1.13.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理蒸气压缩制冷的热力学原理无量纲量EER（Energy Efficiency Ratio）：能效比或能能效比或能源利用系数源利用系数.涵义上涵义上与与COP是一致的。是一致的。 由于计算时采用不同单位，因此所得数值也不由于计算时采用不同单位，因此所得数值也不相同。例如相同。例如： 制冷量制冷量 输入功率输入功率 kcal/h W EER=0.86 W W EER=1 BTU/h W EER=3.41来源：来源：采暖通风与空气调节术语标准采暖通风与空气调节术语标准 GB50158-92GB50158

6、-92 制冷量（制冷量（ BTU/h ）EER 总输入电功率（总输入电功率（ w ）3.1.13.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理蒸气压缩制冷的热力学原理有量纲量COP或或EER是指在标准工况下运行的能源利用系是指在标准工况下运行的能源利用系数，实际上制冷机大都是在非标准工况下运行，数，实际上制冷机大都是在非标准工况下运行，因此美国能源部因此美国能源部1977年提出了年提出了SEER（Seasonal Energy Efficiency Ratio季节能效比季节能效比）。SEER比比EER更合理。更合理。3.1.13.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理蒸气压缩制冷的热力学原理SEER-季节能效比季节

7、能效比空调季节的总制冷量空调季节的总制冷量SEER空调季节消耗的总能量空调季节消耗的总能量 蒸蒸 发发 温温 度度 标准制冷量标准制冷量 -15 v 不指出运行条件的制冷量是没有任何意义的。不指出运行条件的制冷量是没有任何意义的。v 1USRT(美国冷吨美国冷吨)3.517kw1冷吨是指冷吨是指1吨吨0的饱和水经过的饱和水经过24小时冷冻到小时冷冻到0的冰所需要的冷量的冰所需要的冷量 3.1.13.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理蒸气压缩制冷的热力学原理空调工况制冷量空调工况制冷量 5 5室内干室内干/ /湿球温度：湿球温度：27/19,27/19,室外干室外干/ /湿球温度：湿球温度：35/2

8、435/24逆逆 向向1234TSQHQ0高温热源（恒温热汇）高温热源（恒温热汇） 低温低温热源（恒温热源）热源（恒温热源） 逆逆Carnot 循环循环从高温热源吸取热量实现对外做功：从高温热源吸取热量实现对外做功：热机循环热机循环将热量从低温热源中取出，并排放到高温将热量从低温热源中取出，并排放到高温热源：制冷循环热源：制冷循环 3.1.2 3.1.2 逆卡诺制冷循环逆卡诺制冷循环 Carnot 循环循环T1234SQQ低温热源低温热源高温热源高温热源低温低温低压低压汽液汽液混合混合物物可逆制冷循环可逆制冷循环逆卡诺循环的组成：逆卡诺循环的组成：n两个等温过程（而且无传热温差）两个等温过程（

9、而且无传热温差）n两个等熵过程（无摩擦）两个等熵过程（无摩擦）逆卡诺循环逆卡诺循环逆卡诺循环工作示意图逆卡诺循环工作示意图Q0QHTLTH34膨胀机压缩机12蒸发器冷凝器3.1.2 3.1.2 逆卡诺制冷循环逆卡诺制冷循环 23 14Q0THTLS3S1ST W工作在两相区的制冷循工作在两相区的制冷循环，其等压过程也是等环，其等压过程也是等温过程。温过程。We高温高温高压高压蒸汽蒸汽高温高温高压高压液体液体低温低温低压低压蒸汽蒸汽5n压缩机：压缩机：n压缩并输送制冷剂蒸气压缩并输送制冷剂蒸气n维持蒸发器低压和冷凝器高压维持蒸发器低压和冷凝器高压n冷凝器冷凝器n输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热

10、量连同压缩输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗的功转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走。机消耗的功转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走。n膨胀机膨胀机n使制冷剂等熵膨胀，并输出膨胀功。使制冷剂等熵膨胀，并输出膨胀功。n蒸发器蒸发器n输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物体的热量，从而达到制取冷量的目的体的热量，从而达到制取冷量的目的;制冷系统各部件的功能制冷系统各部件的功能3.1.2 3.1.2 逆卡诺制冷循环逆卡诺制冷循环n12 等熵压缩等熵压缩：温度从：温度从TL THn23 等温放热等温放热：温度保持：温度保持TH,向高温热向高

11、温热源放热源放热QHn34 等熵膨胀等熵膨胀：温度从：温度从TH TLn41 等温吸热等温吸热：温度保持：温度保持TL ,从低温热从低温热源吸收热量源吸收热量Q03.1.2 3.1.2 逆卡诺制冷循环逆卡诺制冷循环逆卡诺循环的热力计算逆卡诺循环的热力计算n吸热量：吸热量： Q0TL（S1S4）TLSn排热量：排热量： QHTH（S2S3）THSn净输入功：净输入功：W WC-We QHQ0 ( (TH - -TL) )Sn制冷系数：制冷系数：3.1.2 3.1.2 逆卡诺制冷循环逆卡诺制冷循环110LHLHLCTTTTTWQCOPWC-压缩功压缩功We-膨胀功膨胀功3.1.2 3.1.2 逆卡

12、诺制冷循环逆卡诺制冷循环逆卡诺循环逆卡诺循环COPc与热源热汇温度之间关系与热源热汇温度之间关系3.1.2 3.1.2 逆卡诺制冷循环逆卡诺制冷循环LHLCTTTCOPTL、 TH 对对COPCOP的影响程度的影响程度 3.1.2 3.1.2 逆卡诺制冷循环逆卡诺制冷循环()2LLTTTTHH COPc()2LKTTTTHL COPc TL COPcTH COPcQHQLp p COPC = f (TH, TL) ,与制冷剂无关与制冷剂无关p 用膨胀机完成等熵膨胀过程用膨胀机完成等熵膨胀过程 p 两个等温、两个等熵过程两个等温、两个等熵过程 p COPC =COP max逆卡诺循环的特点逆卡诺

13、循环的特点3.1.2 3.1.2 逆卡诺制冷循环逆卡诺制冷循环p 湿压缩湿压缩 1.1.降低了吸气量；降低了吸气量；2.2.液态制冷剂影响润滑，液击。液态制冷剂影响润滑，液击。 逆逆Carnot 循环很难实现循环很难实现 3.1.2 3.1.2 逆卡诺制冷循环逆卡诺制冷循环 性能系数性能系数COPCOP和热力完善度和热力完善度都是反映制冷循环经济都是反映制冷循环经济性的指标。但二者的含义不同，性的指标。但二者的含义不同，COPCOP反映制冷循环中收益反映制冷循环中收益能与补偿能在数量上的比值。不涉及二者的能量品位。能与补偿能在数量上的比值。不涉及二者的能量品位。COPCOP的数值可能大于的数值

14、可能大于1 1、小于、小于1 1或等于或等于1 1。COPCOP的大小，对于的大小，对于实际制冷机来说，与工作温度、制冷剂性质和制冷机各实际制冷机来说，与工作温度、制冷剂性质和制冷机各组成部件的效率有关；对于理想（可逆）制冷机来说，组成部件的效率有关；对于理想（可逆）制冷机来说，只与热源温度有关。所以用只与热源温度有关。所以用COPCOP值的大小来比较两台实际值的大小来比较两台实际制冷机的循环经济性时，必须是制冷机的循环经济性时，必须是同类制冷机，并以相同同类制冷机，并以相同热源条件热源条件为前提才具有可比性。为前提才具有可比性。 而而则反映制冷循环臻于热力学完善（可逆循环）则反映制冷循环臻于

15、热力学完善（可逆循环）的程度。用的程度。用作评价指标，使作评价指标，使任意两台制冷机任意两台制冷机在循环的在循环的热力学经济性方面具有可比性，无论它们是否同类机。热力学经济性方面具有可比性，无论它们是否同类机。制冷系数制冷系数COPCOP与与热力完善度热力完善度的的区别区别3.1.2 3.1.2 逆卡诺制冷循环逆卡诺制冷循环n热源、热汇是变温的热源、热汇是变温的n制冷剂吸、放过程也是变温的制冷剂吸、放过程也是变温的n循环构成：循环构成：n等熵压缩等熵压缩1-2n变温放热变温放热2-3n等熵膨胀等熵膨胀3-4n变温吸热变温吸热4-13.1.3 3.1.3 劳伦茨循环劳伦茨循环可逆劳伦茨制冷循环可

16、逆劳伦茨制冷循环 n吸吸-放热过程中制冷剂与热源或热汇之间无传热温差放热过程中制冷剂与热源或热汇之间无传热温差可逆劳化茨循环的热力计算：可逆劳化茨循环的热力计算：n单位质量的放热量：单位质量的放热量：n单位质量的吸热量单位质量的吸热量： T0m、Tm吸放热过程的平均当量温度吸放热过程的平均当量温度n单位质量输入功单位质量输入功：w=q- q0 n性能系数：性能系数：)(32m23SSTTdsq)(41m0140SSTTdsq ommomTTTwqCOP03.1.3 3.1.3 劳伦茨循环劳伦茨循环可逆劳伦茨制冷循环可逆劳伦茨制冷循环 3.1.3 3.1.3 劳伦茨循环劳伦茨循环1.可逆劳仑兹循

17、环的制冷系数等于一个以放热可逆劳仑兹循环的制冷系数等于一个以放热平平 均温度均温度Tm和吸热平均温度和吸热平均温度T0m为高、低温为高、低温热源温度的等效逆卡诺循环的制冷系数；热源温度的等效逆卡诺循环的制冷系数；2.其制冷系数取决于被冷却物体和冷却剂的温其制冷系数取决于被冷却物体和冷却剂的温度状况，而与制冷剂性质无关。度状况，而与制冷剂性质无关。算例算例某蒸汽压缩制冷过程，制冷剂在某蒸汽压缩制冷过程，制冷剂在5K吸收热量吸收热量Q0，在在00K放出热放出热量量QH，压缩和膨胀过程是绝热的，向制冷机输入的净功为压缩和膨胀过程是绝热的，向制冷机输入的净功为W ，判断下判断下列情况是：列情况是： A

18、.可逆的可逆的 B. 不可逆的不可逆的 C .不可能的不可能的 （1） Q0 =2000kJ W =400kJ （2） Q0=1000kJ QH=1500kJ （3） W=100kJ QH=700kJ 该制冷过程是可逆的，选该制冷过程是可逆的，选A （1） 解：解： W + Q0 = QHQ0 W3.1.2 3.1.2 逆卡诺制冷循环逆卡诺制冷循环COP=250=5300-250 COPCCOP= COPCCOPCOPC ,该制冷过程是不可能的，选该制冷过程是不可能的，选C （2） Q0=1000kJ QH=1500kJ （3） W=100kJ QH=700kJ Q0 QH Q0 QH W W

19、Q0W WQ0 WCOP=COP=3.1.2 3.1.2 逆卡诺制冷循环逆卡诺制冷循环3.2 单级蒸汽压缩式制冷的单级蒸汽压缩式制冷的理论循环理论循环组成：组成：压缩机，冷凝器，压缩机，冷凝器，膨胀阀膨胀阀，蒸发器，蒸发器用膨胀阀代替膨胀机用膨胀阀代替膨胀机单级蒸气压缩式制冷系统单级蒸气压缩式制冷系统3.2.1 3.2.1 特点及工作过程特点及工作过程qk膨膨胀胀阀阀Tk压压缩缩机机冷凝器冷凝器q0T0蒸发器蒸发器1.饱和液体或两相混合物膨胀饱和液体或两相混合物膨胀 系数小，可做功有限系数小，可做功有限；2.膨胀机结构复杂膨胀机结构复杂，加工难加工难；3.膨胀膨胀机机价格贵。价格贵。膨胀阀的作

20、用：膨胀阀的作用：使制冷剂节流降压；使制冷剂节流降压；调节进入蒸发器的制冷剂流量。调节进入蒸发器的制冷剂流量。n两个传热过程均为两个传热过程均为等压等压过程；过程；n用膨胀阀代替膨胀机，理论循环用膨胀阀代替膨胀机，理论循环不是等熵膨胀不是等熵膨胀过程；过程；n蒸气压缩为蒸气压缩为干压缩干压缩，而不是在湿蒸气区内进行（，而不是在湿蒸气区内进行（湿湿压缩压缩）。）。3.2.1 3.2.1 特点及工作过程特点及工作过程理论循环与理想循环（逆卡诺循环）的区别：理论循环与理想循环（逆卡诺循环）的区别：1234TS 逆逆Carnot 循环循环n六条等值线六条等值线 n二条饱和线二条饱和线 n三个状态区三个

21、状态区 n一个临界点一个临界点3.2.2 3.2.2 制冷剂的状态图制冷剂的状态图1.1.压压- -焓图焓图hxx=0TvSlgPx=1hpC （Critical point）相界线0由于单位质量制冷剂循环的各个过程中功与热量的变化均可以用焓的变由于单位质量制冷剂循环的各个过程中功与热量的变化均可以用焓的变化来计算，因此，压化来计算，因此，压- -焓图在制冷热力计算中被广泛应用。焓图在制冷热力计算中被广泛应用。压焓图的构成压焓图的构成 n六条等值线六条等值线 ： 等压线、等温线、等比焓线、等压线、等温线、等比焓线、 等熵线、等容线、等干度线等熵线、等容线、等干度线n二条饱和线二条饱和线： 饱和

22、蒸气线、饱和液体线饱和蒸气线、饱和液体线n三个状态区三个状态区： 过冷液体区、湿蒸气区、过热蒸气区过冷液体区、湿蒸气区、过热蒸气区n一个临界点一个临界点：临界压力和临界温度：临界压力和临界温度3.2.2 3.2.2 制冷剂的状态图制冷剂的状态图3.2.2 3.2.2 制冷剂的状态图制冷剂的状态图n确定状态参数确定状态参数n表示热力过程表示热力过程n分析能量变化分析能量变化wcq0qk24321 hlgP理论制冷循环的压焓图理论制冷循环的压焓图pkp03.2.2 3.2.2 制冷剂的状态图制冷剂的状态图压焓图的作用压焓图的作用理论制冷循环理论制冷循环状态点的确定状态点的确定n1点：点：Po等压线

23、与等压线与x=1干饱和蒸气线交点干饱和蒸气线交点n2点点: Pk等压线与等压线与s1等熵线交点等熵线交点n3点：点： Pk等压线与等压线与x=0饱和液体线交点饱和液体线交点n4点：点： Po等压线与等压线与h3等焓线交点等焓线交点3.2.2 3.2.2 制冷剂的状态图制冷剂的状态图2.温温熵图熵图3.2.2 3.2.2 制冷剂的状态图制冷剂的状态图STCpvTsx=0 x=10n热汇和热源的温度恒定热汇和热源的温度恒定，且制冷剂在相变过程中与热源或，且制冷剂在相变过程中与热源或热汇之间没有传热温差（热汇之间没有传热温差（蒸发温度为热源温度、冷凝温度蒸发温度为热源温度、冷凝温度为热汇温度）；为热

24、汇温度）；n制冷剂在蒸发器出口为制冷剂在蒸发器出口为饱和蒸汽饱和蒸汽、冷凝器出口为、冷凝器出口为饱和液体；饱和液体；n制冷剂除了在压缩机和膨胀阀处发生压力变化外，整个循制冷剂除了在压缩机和膨胀阀处发生压力变化外，整个循环的其它环的其它流动过程没有压力损失；流动过程没有压力损失；n除换热器外，制冷剂在整个循环的其他流动过程中与外界除换热器外，制冷剂在整个循环的其他流动过程中与外界无热交换无热交换；n压缩过程为压缩过程为等熵过程；等熵过程；n节流过程为节流过程为绝热节流绝热节流过程。过程。1.1.理论循环的假定理论循环的假定3.2.3 3.2.3 理论循环理论循环3.2.3 3.2.3 理论循环理

25、论循环2.2.理论循环在状态图上的描述理论循环在状态图上的描述u两个等压过程两个等压过程u一个等熵压缩过程一个等熵压缩过程u一个绝热节流（非一个绝热节流（非等熵膨胀）过程等熵膨胀）过程3.2.3 3.2.3 理论循环理论循环2.2.理论循环在状态图上的描述理论循环在状态图上的描述 点点1代表制冷剂进入压缩机的状态，它是对应于蒸发温度代表制冷剂进入压缩机的状态，它是对应于蒸发温度(压力压力)下的饱和蒸气。下的饱和蒸气。点点1位于位于p0等压线等压线(或或T0等温线等温线)与饱和蒸气线与饱和蒸气线(等干度线等干度线x=1)的交点上。的交点上。 点点2表示经压缩机压缩后排出的制冷剂状态，也是制冷剂在

26、冷凝器入口处的状态。表示经压缩机压缩后排出的制冷剂状态，也是制冷剂在冷凝器入口处的状态。过程线过程线1-2表示制冷剂气体在压缩机中的等熵压缩过程，有表示制冷剂气体在压缩机中的等熵压缩过程，有s1=s2。所以点。所以点2位于等位于等熵线熵线s1与等压线与等压线pk的交点上。大多数制冷剂饱和蒸气经等熵压缩后成为过热蒸气，的交点上。大多数制冷剂饱和蒸气经等熵压缩后成为过热蒸气，点点2为过热蒸气状态。为过热蒸气状态。3.2.3 3.2.3 理论循环理论循环2.2.理论循环在状态图上的描述理论循环在状态图上的描述 点点3表示制冷剂在冷凝器出口处的状态，也是制冷剂节流前的状态。点表示制冷剂在冷凝器出口处的

27、状态，也是制冷剂节流前的状态。点3为饱和液体状态。冷凝器中的过程为饱和液体状态。冷凝器中的过程2-2-3是定压过程，过程是定压过程，过程2-2表示过热蒸表示过热蒸气定压气定压冷却冷却到饱和蒸气的过程；过程到饱和蒸气的过程；过程2-3表示从饱和蒸气定压表示从饱和蒸气定压冷凝冷凝到饱和到饱和液体的过程。点液体的过程。点2位于等压线位于等压线pk与等干度线与等干度线x=1的交点上；点的交点上；点3位于等压线位于等压线pk与等干度线与等干度线x=0的交点上。的交点上。3.2.3 3.2.3 理论循环理论循环2.2.理论循环在状态图上的描述理论循环在状态图上的描述 点点4表示节流后的制冷剂状态，也是制冷

28、剂在蒸发器入口处的状态。点表示节流后的制冷剂状态，也是制冷剂在蒸发器入口处的状态。点4为低压两相状态。为低压两相状态。3-4为节流过程，因为节流过程是绝热的，所以为节流过程，因为节流过程是绝热的，所以h3=h4；节流后压力达到蒸发压力，点节流后压力达到蒸发压力，点4位于位于p0等压线与等压线与h3等焓线的交点上。等焓线的交点上。3.2.3 3.2.3 理论循环理论循环2.2.理论循环在状态图上的描述理论循环在状态图上的描述 过程过程4-1表示发生在蒸发器中的定压蒸发过程。至此，完成表示发生在蒸发器中的定压蒸发过程。至此，完成一个理论循环过程。一个理论循环过程。开口系统稳定流动热力学第一定律：开

29、口系统稳定流动热力学第一定律：3.2.3 3.2.3 理论循环理论循环3.3.理论循环的性能指标理论循环的性能指标uttwzgcwwh221qq单位质量换热量单位质量换热量Wt技术功技术功Wu有用功有用功n单位质量制冷量单位质量制冷量q0：1kg制冷剂在制冷剂在蒸发器蒸发器内从低温内从低温热源吸收的热量热源吸收的热量 。单位。单位 kJ/kg。 q0h1h4n单位容积制冷量单位容积制冷量qzv ：压缩机压缩机每吸入每吸入1m3制冷剂蒸制冷剂蒸气（按气（按吸气状态吸气状态计），在蒸发器中所产生的制冷计），在蒸发器中所产生的制冷量量 。单位。单位 kJ/m3。 qzvq0 / v1（h1h4）/v

30、1n单位压缩功单位压缩功w ：压缩机每压缩输送：压缩机每压缩输送1kg制冷剂所制冷剂所消耗的功消耗的功 。单位。单位 kJ/kg。 wh2h1 n容积比功容积比功wv ：压缩机每压缩输送：压缩机每压缩输送1m3制冷剂所消制冷剂所消耗的功耗的功 （以压缩机（以压缩机吸气状态吸气状态计）。单位计）。单位 kJ/m3。 wv w/v13.2.3 3.2.3 理论循环理论循环3.3.理论循环的性能指标理论循环的性能指标 rh1h5气化潜热气化潜热n单位冷凝负荷单位冷凝负荷qk ：1kg制冷剂在制冷剂在冷凝器冷凝器中向中向高温热汇放出的热量高温热汇放出的热量 。单位。单位 kJ/kg。 qkh2h3n压

31、缩比压缩比 ：压缩机排气压力与吸气压力之比：压缩机排气压力与吸气压力之比 ,无量纲。无量纲。 p2/ p1 pk/ p0n排气温度排气温度T2：制冷剂气体压缩终了的温度。：制冷剂气体压缩终了的温度。n性能系数性能系数COP COP= q0/ wn热力完善度热力完善度 = COP / COPc3.2.3 3.2.3 理论循环理论循环3.3.理论循环的性能指标理论循环的性能指标3.2.3 3.2.3 理论循环理论循环理论循环的理论循环的制冷机制冷机性能指标性能指标注意注意： 压焓图上的制冷剂的质量是压焓图上的制冷剂的质量是1kg ； 实际制冷系统关心的是，一定制冷剂流量实际制冷系统关心的是，一定制

32、冷剂流量 (kg/s)下，能够制取的制冷量（下，能够制取的制冷量（kW）。）。n制冷剂的质量流量制冷剂的质量流量(kg/s): qm=qvh/v1 n制冷量制冷量(kw): 0 =q0qm =qvhqzvn压缩机功率压缩机功率(kw): P= qmwn压缩机的理论性能系数压缩机的理论性能系数: COP= 0/P3.2.3 3.2.3 理论循环理论循环理论循环的理论循环的制冷机制冷机性能指标性能指标已知条件：已知条件：压缩机的理论输气量压缩机的理论输气量qvh（ m3/s）n用膨胀阀节流存在用膨胀阀节流存在节流损失节流损失；n非相变传热部分存在传热温差；非相变传热部分存在传热温差；n存在存在过热

33、损失过热损失。3.2.3 3.2.3 理论循环理论循环4.4.理论制冷循环是不可逆循环理论制冷循环是不可逆循环理论制冷循环的循环特性取理论制冷循环的循环特性取决于：决于：n热源（汇）的温度热源（汇）的温度n制冷剂的性质制冷剂的性质可逆循环：可逆循环：1-1-3-4-1理论循环：理论循环：1-2-2 -3-4-141节流损失节流损失 n节流损失节流损失：由于用节流阀代替膨胀机，不可逆过由于用节流阀代替膨胀机，不可逆过程使制冷系数程使制冷系数，降低程度称为节流损失。，降低程度称为节流损失。 v节流阀不仅损失了膨胀功，而且将节流过程中的摩擦损节流阀不仅损失了膨胀功，而且将节流过程中的摩擦损失转化为热

34、能，使一部分液体气化（闪发蒸气），损失失转化为热能，使一部分液体气化（闪发蒸气），损失了部分制冷量。也就是说，采用膨胀阀后，所损失的功了部分制冷量。也就是说，采用膨胀阀后，所损失的功量都变成了热量，被制冷剂吸收，因而减少了制冷量。量都变成了热量，被制冷剂吸收，因而减少了制冷量。n影响节流损失因素影响节流损失因素v随随TkT0的增加而加大的增加而加大v与制冷剂的物理性质有关与制冷剂的物理性质有关:饱和液线越平缓（比热越大），饱和液线越平缓（比热越大），以及潜热越小，或者冷凝压力越接近临界压力，则节流以及潜热越小，或者冷凝压力越接近临界压力，则节流损失越大损失越大。3.2.3 3.2.3 理论循环

35、理论循环节流损失节流损失 3.2.3 3.2.3 理论循环理论循环45q q0 0h3-h4=面积面积34533453（膨胀功）（膨胀功）h4-h4=q0h3=h4膨胀功膨胀功= q0过热损失过热损失 表示采用干压缩后，制冷系数下降的程度。表示采用干压缩后，制冷系数下降的程度。n理论制冷循环中，蒸气的压缩过程采用干压缩代替湿压缩理论制冷循环中，蒸气的压缩过程采用干压缩代替湿压缩Z原因：防止液击原因：防止液击 Z方法：方法： 1.气液分离器气液分离器 2.膨胀阀控制压缩机吸气过热度膨胀阀控制压缩机吸气过热度 n影响过热损失的因素影响过热损失的因素v与制冷剂性质有关，制冷剂的节流损失大则过热损失小

36、与制冷剂性质有关，制冷剂的节流损失大则过热损失小v压缩比越大，过热损失越大压缩比越大，过热损失越大 。3.2.3 3.2.3 理论循环理论循环过热损失过热损失 3.2.3 3.2.3 理论循环理论循环41n (1)是实际循环的基准和参照是实际循环的基准和参照，用于分析研究实际循环的各，用于分析研究实际循环的各种不完善因素和应做出的改进。理论循环最大限度地排除了种不完善因素和应做出的改进。理论循环最大限度地排除了系统本身的不完善度，是在上述假设条件下性能最好的热力系统本身的不完善度，是在上述假设条件下性能最好的热力循环。循环。n (2)用于评价制冷剂用于评价制冷剂。理论循环的热力性能仅与。理论循

37、环的热力性能仅与TK、T0 和和制冷剂有关。相同制冷剂有关。相同TK、T0条件下，通过对不同制冷剂的理论条件下，通过对不同制冷剂的理论循环特性进行比较，可以评价它们在热力性质方面的适宜程循环特性进行比较，可以评价它们在热力性质方面的适宜程度。度。3.2.3 3.2.3 理论循环理论循环理论制冷循环的作用和意义理论制冷循环的作用和意义3.2.3 3.2.3 理论循环理论循环理论制冷循环的作用和意义理论制冷循环的作用和意义3.3 3.3 单级蒸汽压缩式制单级蒸汽压缩式制冷的冷的实际循环实际循环3.3.13.3.1实际制冷循环实际制冷循环实际循环存在的影响因素实际循环存在的影响因素 循环外部条件：循

38、环外部条件：循环内部条件：循环内部条件： 流动阻力及散热损失：流动阻力及散热损失：制冷剂在系统中循环流动，经过设备的连接管道制冷剂在系统中循环流动，经过设备的连接管道(包括管件、阀门等包括管件、阀门等)、热交换器管道时均存在流动阻力，造成压力损失，并且通过管道与外界热交换器管道时均存在流动阻力，造成压力损失，并且通过管道与外界存在热交换。存在热交换。 非等熵压缩：非等熵压缩：制冷剂被压缩时，存在摩擦与热交换等不可逆损失，压缩过程并非等熵制冷剂被压缩时，存在摩擦与热交换等不可逆损失，压缩过程并非等熵过程，而是熵值增加的多变过程。过程，而是熵值增加的多变过程。 制冷剂的状态：制冷剂的状态：制冷剂流

39、出蒸发器和进入压缩机的状态未必恰好是饱和蒸气，往往有一制冷剂流出蒸发器和进入压缩机的状态未必恰好是饱和蒸气，往往有一定的过热；制冷剂在膨胀阀前的状态也未必恰好是饱和液体。定的过热；制冷剂在膨胀阀前的状态也未必恰好是饱和液体。低温热源和高温热汇均为有限源低温热源和高温热汇均为有限源(汇汇)，它们是有限流量的空气、水或其，它们是有限流量的空气、水或其他流体。冷却流体流过冷凝器时吸收制冷剂的排热，其温度要升高；被他流体。冷却流体流过冷凝器时吸收制冷剂的排热，其温度要升高；被冷却流体流过蒸发器时其温度要降低；它们与制冷剂发生热交换时，存冷却流体流过蒸发器时其温度要降低；它们与制冷剂发生热交换时，存在传

40、热温差。在传热温差。3.3.13.3.1实际制冷循环实际制冷循环实际制冷循环的状态图实际制冷循环的状态图由于相变传热存在传热温差，所以制冷剂的蒸发过程线位于理由于相变传热存在传热温差，所以制冷剂的蒸发过程线位于理论循环的蒸发过程线下方；制冷剂的冷凝过程线位于理论循环论循环的蒸发过程线下方；制冷剂的冷凝过程线位于理论循环的冷凝过程线上方。的冷凝过程线上方。实际循环的工作过程实际循环的工作过程u蒸发过程：蒸发过程：401au吸气过程：吸气过程：1a1b1：过热，压降：过热，压降u压缩过程：压缩过程：1-2，吸热压缩（熵增），放热压缩，吸热压缩（熵增），放热压缩（熵减）（熵减）u排气过程：排气过程：

41、22au冷却凝结过程：冷却凝结过程：2a3：过冷：过冷u节流过程：节流过程：34：绝热：绝热3.3.13.3.1实际制冷循环实际制冷循环n高压液体高压液体过冷过冷的影响的影响n压缩机吸气压缩机吸气过热过热的影响的影响n管道管道压力损失压力损失和和热交换热交换的影响的影响n压缩机与压缩过程压缩机与压缩过程不可逆不可逆的影响的影响n相变相变传热不可逆传热不可逆的影响的影响n其他影响因素其他影响因素3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响n过冷过冷（subcooling）：）： 制冷剂在冷凝器中液化后、进入节流机制冷剂在冷凝器中液化后、进入节流机构之前，将饱和液态制冷剂再降温

42、成为过冷液体的做法。过冷可以构之前，将饱和液态制冷剂再降温成为过冷液体的做法。过冷可以减少减少节流损失。节流损失。n过冷液体过冷液体：制冷剂液体的温度若低于相同压力下的饱和温度，则称为制冷剂液体的温度若低于相同压力下的饱和温度，则称为过冷液体。过冷液体。n过冷温度过冷温度(temperature of subcooling) ：制冷剂节流前被降温到低于制冷剂节流前被降温到低于饱和温度的过冷液体的温度。饱和温度的过冷液体的温度。n过冷度过冷度(degree of subcooling) ：饱和温度与其过冷液体温度之差。饱和温度与其过冷液体温度之差。n过冷循环过冷循环：具有过冷的循环称为过冷循环。

43、具有过冷的循环称为过冷循环。基本概念基本概念3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响1.过冷的影响过冷的影响过冷循环过冷循环3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响1.过冷的影响过冷的影响3 过冷器过冷器qk膨胀阀Tk342压缩机1冷凝器q0T0蒸发器p0pklgp0214hS3b b0 4231q0TkT0Tc c过冷度443333gTTT循环特性指标理论循环过冷循环过冷的影响单位质量制冷量q0h1-h4h1-h4单位容积制冷量qzv(h1-h4)/v1(h1-h4)/v1比功wh2-h1h2-h1不变性能系数COP(h1-h4)/(h2-h1

44、)(h1-h4)/(h2-h1)3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响过冷循环与理论循环特性比较过冷循环与理论循环特性比较结论：过冷减少了节流损失，提高了结论：过冷减少了节流损失，提高了COPu 相同的过冷度下，制冷量和性能系数提高的比例相同的过冷度下，制冷量和性能系数提高的比例取决于制冷剂的取决于制冷剂的比热和汽化潜热比热和汽化潜热。液体比热容越大。液体比热容越大和汽化潜热越小的制冷剂，过冷的相对收益越大。和汽化潜热越小的制冷剂，过冷的相对收益越大。u 蒸发温度越低，采用过冷循环越有利于提高系统蒸发温度越低，采用过冷循环越有利于提高系统的性能。的性能。g33Tchh

45、33gTTT3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响1.过冷的影响过冷的影响n过冷状态点过冷状态点3比焓的确定：比焓的确定： )(33Thhs过冷液体的过冷液体的比容不易测比容不易测量或计算量或计算（1）利用冷凝器直接过冷）利用冷凝器直接过冷3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响实现过冷的方法实现过冷的方法n逆流套管式水冷凝器最易获逆流套管式水冷凝器最易获得过冷。得过冷。n翅片管式风冷凝器，通过管翅片管式风冷凝器，通过管程的合理布置也可以获得过程的合理布置也可以获得过冷。冷。n壳管式水冷凝器：壳体下部壳管式水冷凝器：壳体下部兼作高压贮液器使用，

46、并布兼作高压贮液器使用，并布置有冷却水管，使冷却水自置有冷却水管，使冷却水自下而上流过，也可以在冷凝下而上流过，也可以在冷凝器中得到过冷液体。器中得到过冷液体。设计、选型时，适当增大冷凝设计、选型时，适当增大冷凝器面积，可以得到器面积，可以得到15的过冷度。的过冷度。(2)利用过冷器获得过冷利用过冷器获得过冷3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响实现过冷的方法实现过冷的方法在冷凝器与膨胀阀之间增设一台热在冷凝器与膨胀阀之间增设一台热交换器交换器-过冷器，使来自冷凝器的过冷器，使来自冷凝器的制冷剂液体在过冷器中进一步被冷制冷剂液体在过冷器中进一步被冷却。却。l冷凝器用常

47、温水冷却，过冷器则冷凝器用常温水冷却，过冷器则用温度更低的深井水冷却。用温度更低的深井水冷却。l用常温冷却水，使它先流过过冷用常温冷却水，使它先流过过冷器，再流过冷凝器。器，再流过冷凝器。用过冷器获得的过冷度一般也不大。用过冷器获得的过冷度一般也不大。3 过冷器过冷器qk膨膨胀胀阀阀Tk342压压缩缩机机1冷凝器冷凝器q0T0蒸发器蒸发器(3)用气用气-液热交换器获得过冷液热交换器获得过冷3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响实现过冷的方法实现过冷的方法采用制冷剂自身回热的办法，采用制冷剂自身回热的办法，可以得到很大的过冷度。可以得到很大的过冷度。回热循环回热循环冷凝

48、后的高压制冷剂液体与蒸冷凝后的高压制冷剂液体与蒸发后的低温制冷剂蒸气进行热发后的低温制冷剂蒸气进行热交换，实现液体过冷、蒸气过交换，实现液体过冷、蒸气过热的制冷循环。热的制冷循环。回回热热器器14qk膨膨胀胀阀阀Tk332压压缩缩机机1冷凝器冷凝器q0T0蒸发器蒸发器蒸气回热循环蒸气回热循环2.压缩机吸气过热的影响压缩机吸气过热的影响n什么是什么是吸气过热吸气过热？ 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现象。于其饱和温度的现象。n为什么制冷系统要吸气过热？为什么制冷系统要吸气过热？ （1）保证压缩机吸气是

49、干蒸气，避免湿压缩；保证压缩机吸气是干蒸气，避免湿压缩； （2）防止吸气温度过低导致压缩机外壁结霜、润滑油变粘。防止吸气温度过低导致压缩机外壁结霜、润滑油变粘。n过热温度（过热温度（temperature of superheat） ：相同压力下，过热相同压力下，过热制冷剂蒸气的温度。制冷剂蒸气的温度。n过热度（过热度（degree of superheat） ：过热蒸气的温度和相同压力过热蒸气的温度和相同压力下饱和蒸气温度的差值。下饱和蒸气温度的差值。n吸气过热循环吸气过热循环：具有吸气过热的循环称为吸气过热循环。具有吸气过热的循环称为吸气过热循环。基本概念基本概念3.3.2 3.3.2 实

50、际因素对循环的影响实际因素对循环的影响n理论循环：理论循环：1-2-3-4-1n吸气过热循环：吸气过热循环：1 -2 -2-3-4-1-13.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响2.压缩机吸气过热的影响压缩机吸气过热的影响21S31 4TkT0T过过热热度度211rTTT吸气过热循环吸气过热循环lgPlgPh hP Pk kP P0 01 12 24 41 1 3 3t t0 0t tk k2 20 0吸入过热蒸气对制冷量和制冷系数的影响取决于蒸气过热时吸入过热蒸气对制冷量和制冷系数的影响取决于蒸气过热时吸收的热量是否产生有用的制冷效果以及过热度的大小。吸收的热量是否产

51、生有用的制冷效果以及过热度的大小。 由蒸发器出来的低温制冷剂蒸气，在通过吸气管道进入压缩由蒸发器出来的低温制冷剂蒸气，在通过吸气管道进入压缩机之前，从周围环境中吸取热量而过热，但它并没有对被冷机之前，从周围环境中吸取热量而过热，但它并没有对被冷却物质产生任何制冷效应，这种过热称为却物质产生任何制冷效应，这种过热称为“无用无用”过热过热。由。由于循环的单位质量制冷量是相等的，但蒸气比容的增加使单于循环的单位质量制冷量是相等的，但蒸气比容的增加使单位容积制冷量减少，对给定压缩机而言它将导致循环制冷量位容积制冷量减少，对给定压缩机而言它将导致循环制冷量的降低。的降低。 3.3.2 3.3.2 实际因

52、素对循环的影响实际因素对循环的影响（1）无用过热（有害过热）无用过热（有害过热）循环特性指标循环特性指标理论循环理论循环无用过热循环无用过热循环无用过无用过热影响热影响单位质量制冷量单位质量制冷量q0h1-h4h1-h4不变不变单位容积制冷量单位容积制冷量qzv(h1-h4)/v1(h1-h4) /v1 比功比功wh2-h1h2 - h1 性能系数性能系数COP(h1-h4)/(h2-h1) (h1-h4)/(h2 -h1) 压缩机排气温度压缩机排气温度 3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响无用过热循环与理论循环的比较无用过热循环与理论循环的比较结论：无用过热增加了

53、过热损失，降低了结论：无用过热增加了过热损失，降低了cop，降低了制冷量，降低了制冷量3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响为减小为减小“有害过热有害过热”，制冷机的吸气管道应该制冷机的吸气管道应该外敷隔热层，防止环境外敷隔热层，防止环境对吸气管道加热。对吸气管道加热。 如果吸入蒸气的过热产生在蒸发器本身的后部，如果吸入蒸气的过热产生在蒸发器本身的后部，或者产生在安装于被冷却室内的吸气管道上，或者产或者产生在安装于被冷却室内的吸气管道上，或者产生在两者皆有的情况下，那么，由于过热而吸收的热生在两者皆有的情况下，那么，由于过热而吸收的热量来自被冷却空间，因而产生了有用的

54、制冷效果，这量来自被冷却空间，因而产生了有用的制冷效果，这种过热为种过热为“有用有用”过热过热。 3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响（2）有用过热）有用过热循环特性指标循环特性指标理论循环理论循环有用过热循环有用过热循环有用过有用过热影响热影响单位质量制冷量单位质量制冷量q0h1-h4h1-h4 单位容积制冷量单位容积制冷量qzv(h1-h4)/v1(h1-h4) /v1不确定不确定比功比功wh2-h1h2-h1 性能系数性能系数COP(h1-h4)/(h2-h1) (h1-h4)/(h2-h1)不确定不确定压缩机排气温度压缩机排气温度 3.3.2 3.3.2 实

55、际因素对循环的影响实际因素对循环的影响有用过热循环与理论循环的比较有用过热循环与理论循环的比较3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响过热度对过热度对qzv和和cop的影响的影响qzv/qzvcop/copCO2C3H8R12R11R22NH310102020303040401.001.050.95tr 过热度对过热度对单位容积制冷量单位容积制冷量和和性能系数性能系数的影响的影响氨氨过热对单位容过热对单位容积制冷量和积制冷量和COP是不利的，是不利的， R22和和R11的影响不的影响不明显明显.氨过热度控制在氨过热度控制在5内；内；氟利昂一般可采取较大的过氟利昂一般可采

56、取较大的过 热度热度,但过热度不超过但过热度不超过15 丙烷R290此图也适用于此图也适用于“蒸汽回热循环蒸汽回热循环”蒸气回热循环实现蒸气回热循环实现“有用过热有用过热”3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响回回热热器器14qk膨膨胀胀阀阀Tk332压压缩缩机机1冷凝器冷凝器q0T0蒸发器蒸发器蒸气回热循环系统图蒸气回热循环系统图lgPlgPh hP Pk kP P0 01 12 24 41 1 3 32 20 03 34 4a a21S3b b0 4231 4q0TkT0T过过热热度度0回热器热平衡回热器热平衡：441133hhhhhh41410hhhhql与理论

57、循环相比较，回热循环等价于没有过冷的与理论循环相比较，回热循环等价于没有过冷的有用过热循环。有用过热循环。蒸气回热循环的热力分析蒸气回热循环的热力分析3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响单位质量制冷量单位质量制冷量：3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响蒸气回热循环的禁用与利用蒸气回热循环的禁用与利用n氨不宜采用回热循环氨不宜采用回热循环回热使循环回热使循环cop下降，而且下降，而且氨的绝热指数大，氨的绝热指数大，吸气过热会造成氨的吸气过热会造成氨的排气温度过高排气温度过高，危害压缩机的安全性和可靠性。氨的吸气过热度不超过危害压缩机的安全性

58、和可靠性。氨的吸气过热度不超过5。n蒸发温度较高的制冷循环蒸发温度较高的制冷循环由于高压液体与蒸发器回气之间的温度差异不太大，回气温度与环境温度之间的由于高压液体与蒸发器回气之间的温度差异不太大，回气温度与环境温度之间的温差也不太大，吸气管隔热层处理得好就能控制有害过热，所以一般不用回热器。温差也不太大，吸气管隔热层处理得好就能控制有害过热，所以一般不用回热器。n蒸发温度低的制冷循环蒸发温度低的制冷循环采用回热循环保证了吸气具有足够大的过热度，防止压采用回热循环保证了吸气具有足够大的过热度，防止压缩机吸气温度过低，而且高压液体因回热得到过冷。过缩机吸气温度过低，而且高压液体因回热得到过冷。过冷

59、是防止节流前的制冷剂液体中出现闪发蒸气，保证节冷是防止节流前的制冷剂液体中出现闪发蒸气，保证节流元件稳定工作的有效措施。如丙烷流元件稳定工作的有效措施。如丙烷R290，CO2n等熵压缩进入两相区的制冷剂等熵压缩进入两相区的制冷剂其热力性质使得饱和蒸气等熵压缩后进入两相区。具有其热力性质使得饱和蒸气等熵压缩后进入两相区。具有这种性质的制冷剂必须采用回热循环，让吸气过热到足这种性质的制冷剂必须采用回热循环，让吸气过热到足以保证压缩过程在气相区内完成，如以保证压缩过程在气相区内完成，如乙烷的衍生物。乙烷的衍生物。利用利用禁用禁用3.连接管道压力损失及热交换的影响连接管道压力损失及热交换的影响3.3.

60、2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响qk膨胀膨胀阀阀Tk压缩压缩机机冷凝器冷凝器q0T0蒸发器蒸发器单级蒸气压缩式制冷系统单级蒸气压缩式制冷系统吸气管吸气管排气管排气管高压液管高压液管低压液管低压液管3.连接管道压力损失及热交换的影响连接管道压力损失及热交换的影响3.3.2 3.3.2 实际因素对循环的影响实际因素对循环的影响压力损失压力损失 降低吸气压力，吸气比容增加，容积制降低吸气压力，吸气比容增加，容积制 冷量下降；压缩比增大。冷量下降；压缩比增大。热交换热交换 吸热，为有害过热（需保温）吸热，为有害过热（需保温）吸气管吸气管压力损失压力损失 提高了排气压力，增加了压