第2章 容积型制冷压缩机的热力学基础

1、主要内容：主要内容：单级往复式制冷压缩机的理论循环单级往复式制冷压缩机的理论循环容积型压缩机的实际性能容积型压缩机的实际性能内容积比固定的压缩机的内容积比效率内容积比固定的压缩机的内容积比效率制冷压缩机的基本性能参数制冷压缩机的基本性能参数第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础活塞式压缩机的理论循环的假设条件：活塞式压缩机的理论循环的假设条件：2.1单级往复式制冷压缩机的理论循环单级往复式制冷压缩机的理论循环是指活塞在气缸内往复运动一次，气体经一系列状态变化后又回到初始吸气状态的全部工作过程 工作循环

2、吸气过程压缩过程排气过程往复式压缩机的理论输气量往复式压缩机的理论输气量1.输气量及输气系数 （1）理论输气量 假定压缩机有i个气缸，转速为n，则压缩机的理论容积输气量为：inSDVinqpvt60 （2）实际输气量： vtvaqq压缩机在单位时间内经过压缩并输送到排气管内的气体，换算到吸气状态的容积 Vp气缸工作容积（m3）；D气缸直径（m）；S活塞行程（m）。第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础压缩机消耗的理论功率压缩机消耗的理论功率压缩机一个气缸完成一个理论循环所消耗的理论功为Wt可从P-V示

3、功图的面积1-2-3-4-1求得。等熵压缩的理论循环功（制冷压缩机的理论功） 1110pstsVpW假定压缩机有i个气缸，转速为n，则压缩机的理论循环所需的功率为：32vdpWt2.2容积型压缩机的实际性能容积型压缩机的实际性能 实际压缩机由于结构上的需要，气缸存在余隙容积 由于实际压缩机吸气过程中的气阀阻力，流道阻力使气缸的实际吸气压力低于名义吸气压力 压缩机运转一段时间后，气缸、活塞、气阀以及与之接近的气管都将升温。这使得吸入的新鲜气体被加热，体积膨胀，密度减小，吸入气体的实际质量流量相对减少 实际压缩机存在气体泄漏。因为被压缩后的气体通过气阀、活塞环、填料函等不严密之处都可能造成气体向外

4、或级间的泄漏，所以实际压缩机的排气量不可能等于吸气量由于压缩和膨胀过程中存在不稳定的热交换，实际循环过程指数m不为常数 第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础压缩机的余隙容积主要由三部分组成：为避免运动的活塞在气缸内与气缸端部发生碰撞，在活塞到达止点时其端面与气缸盖之间留有的间隙所占的容积；气缸工作面与活塞外圆(从活塞端面到第一道活塞环)之间存有的一个环形间隙所占的容积；气缸端面至气阀阀片间的整个通道容积。第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础当余隙容积比及多变指数一定时，压力比愈大，则容积效率愈小，当压力比达到某一值时，容积效率为零，此

5、时压缩机的生产量也为零。 余隙容积余隙容积第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础2.3 内容积比固定的压缩机的内容积内容积比固定的压缩机的内容积附加功损失附加功损失21vVV内压缩过程内压缩过程:压缩开始至压缩结束（排气开始）的中间过程。在那些具有固定内容积比的容积型压缩机中，在工作中会发生过压缩过压缩和欠压缩欠压缩的压缩过程。，相应的气体压力为吸气压力p1，相应的气体压力为内压缩终了压力p2。那么，吸气终了时的最大容积V1，与内压缩终了的容积V2的比值，称为制冷压缩机的内容积比v 第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础nnVpVp221

6、11ppd活塞式制冷压缩机压缩终了时的气体压力取决于排气腔内的气体压力和排气阀的阻力损失。如果略去气阀的阻力损失，可近似地认为活塞式制冷压缩机压缩终了时的压力等于排气腔内气体压力。内压力比内容积固定的制冷压缩机内压缩终了压力p2与转子几何形状、排气孔口位置、吸气压力p1及气体种类有关，而与排气腔内气体压力pd无关，内压缩终了压力p2与吸气压力p1之比称为内压力比i 。即外压力比外压力比与内压力比可以相等，也可能不等，这完全取决于压缩机的运行工况与设计工况是否相同。一般应力求内压力比与外压力比相等或接近，以使压缩机获得较高效率。nnVVppv2112i第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型

7、制冷压缩机的热力学基础在排气管内气体压力Pd高于压缩终了压力P2的情况下，气体在容积内由状态B压缩至状态C，达到内压缩终了压力P2时，工作容积与排气孔口相连通，排气管中的气体倒流，使工作容积中的气体由状态C定容压缩到状态G，气体压力迅速升高到排气压力Pd，然后进行排气过程。这就比气体由状态B（压力为P1）直接压缩到状态E（压力为Pd）时多耗功，这部分多消耗的功即为附加功损失，相当于面积ECG。 2.附加功损失（1）p2pd工作容积内压缩终了压力P2与吸气压力P1的比值，称为内压力比；而排气管内的气体压力（背压力或称外压力）Pd与吸气压力P1的比值则称为外压力比。若压缩机内压缩终了压力P2与排气

8、管内气体压力Pd 不相等，工作容积与排气孔口连通时，工作容积中的气体将进行定容压缩或定容膨胀，使气体压力P2均衡到Pd，从而产生附加功损失。第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础在排气管内的气体压力Pd低于内压缩终了压力P2的情况下气体在工作容积内由状态B压缩到状态C，再由状态C定容膨胀到状态G（压力为Pd），然后再进行排气过程。此时，多耗的功相当于面积ECG。 在排气管内的气体压力Pd等于内压缩终了压力P2的情况下，只有在这种情况下，压缩机无额外功消耗，运行的效率最高 因此，为了使运行效率最高，必须使内容积比能自动调节。从而使p2始终与pd相等。 2.附加功损失（

9、3）p2pd（2）p2pd第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础1.输气量 假定压缩机有i个气缸，转速为n，则压缩机的理论容积输气量为：inSDVinqpvt60 压缩机在单位时间内经过压缩并输送到排气管内的气体量 Vp气缸工作容积（m3）；D气缸直径（m）；S活塞行程（m）。第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础2.4制冷压缩机的基本性能参数制冷压缩机的基本性能参数容积效率：容积效率：也称压缩机的输气系数。用于衡量容积型压缩机气缸工作容积的有效利用程度 ,其大小是实际输气量与理论输气量之比值。第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型

10、制冷压缩机的热力学基础vtvavqq通常可用容积系数v、压力系数p、温度系数T、泄漏系数L的乘积来表示，即lpTvv第第5章章 活塞式制冷压缩机活塞式制冷压缩机1）容积系数v它反映压缩机气缸容积的有效利用程度它反映压缩机气缸容积的有效利用程度,容积效率总小于容积效率总小于1，影响它的主要因素有四个：，影响它的主要因素有四个：（1）气缸余隙容积的大小（2）吸、排气压力以及吸、排气阀片阻力（3）吸入气缸的低温制冷剂蒸汽遇到热的气缸壁所引起 的热膨胀 （4）气缸内部的泄漏第第5章章 活塞式制冷压缩机活塞式制冷压缩机1）容积系数）容积系数 v 1110kkP1PvmpppcVVV式中 c相对余隙容积，

11、它等于余隙容积Vc与气缸工作容积Vp之比， 即c=Vc/Vp；m膨胀过程指数；pk冷凝压力（即名义排气压力）（MPa）；pk排气压力损失（MPa）；p0蒸发压力（即名义吸气压力）（MPa）。相对余隙容积c值越大，v越小 压力比pk/p0越大，v越小 膨胀过程指数m,一般对氨压缩机，m=1.101.15，对氟利昂压缩机，m=0.951.05。排气压力损失pk,对氨压缩机，一般取pk =(0.050.07)pk，氟利昂压缩机取pk =(0.10.15)pk。第第5章章 活塞式制冷压缩机活塞式制冷压缩机pk对v的影响较小，可以略去不计，则上式可简化为1110kvmppc2）压力系数p 00vp11p

12、pcp0 吸气压力损失，通常，氨压缩机的p0=(0.030.05)p0，氟利昂压缩机的p0=(0.050.10)p0。 反映了由于吸气阀阻力的存在致使实际吸气压力小于吸气管中的压力，从而造成吸气量减少的程度 对压力系数p的影响较大 弹簧力过强，会使吸气阀提前关闭；反之，弹簧力过弱，会使吸气阀延迟关闭，将吸入气缸的气体又部分地回流至吸气管内，造成p下降 第第5章章 活塞式制冷压缩机活塞式制冷压缩机740112TTT baTTk1T3）温度系数T 中小型开启式制冷压缩机为小型封全闭式制冷压缩机为表示吸气过程中气体从气缸壁等部件吸收热量造成体积膨胀，从而造成吸气量减少的程度 吸入气体与壁面的热交换是

13、一个复杂的过程，与制冷剂的种类、压力比、气缸尺寸、压缩机转速、气缸冷却情况等因素有关。T的数值通常用经验公式计算。T1吸气温度（K）；T2排气温度（K）。Tk冷凝温度（K）；蒸气在吸气管中的过热度（K），= T1T0，T0为蒸发温度（K）；a压缩机的温度随冷凝温度而变化的系数，根据经验，家用制冷压缩机a1.15，商用制冷压缩机a1.10；b表示吸气量减少与压缩机对周围空气散热的关系系数第第5章章 活塞式制冷压缩机活塞式制冷压缩机4）泄漏系数L 反映压缩机工作过程中因泄漏而对输气量的影响 泄漏的主要途径是活塞环与气缸壁之间不严密处；吸、排气阀密封面不严密处或关闭不及时。造成制冷剂气体从高压侧泄漏

14、到低压侧，从而引起输气量的下降。泄漏量的大小与压缩机的制造质量、磨损程度、气阀设计、压力差大小等因素有关。由于现代加工技术和产品质量的提高，压缩机的泄漏量是很小的，故L值一般都很高，推荐L=0.970.99。压力系数p和泄漏系数L则因其数值较大（均接近于1）而且数值变化范围较小，对输气系数的影响是比较小的。所以，可以把v和T看作影响压缩机输气系数的主要因素。对于单级高速多缸压缩机，转速n大于720r/min，相对余隙容积c=3%4% 10.0850.9410knpp对于单级中速立式压缩机，转速n小于720r/min，相对余隙容积c=4%6% 10.06050.9410knpp对于双级压缩系统中

15、使用的高速多缸压缩机，高压级和低压级的值可分别用下列公计算 10.0850.941mkgnpp101. 00.0850.9410mdnpppk冷凝压力（MPa）；p0蒸发压力（MPa）。n制冷剂的压缩过程指数 第第5章章 活塞式制冷压缩机活塞式制冷压缩机第第5章章 活塞式制冷压缩机活塞式制冷压缩机制冷量制冷量 60vva60mma0103.6103.6qqqqQ制冷压缩机的重要性能指标之一，是压缩机工作能力的体现 第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础制冷工质在给定工况下的单位质量制冷量，单位J/kg；0mq制冷工质在给定工况下的单位容积制冷量，Jm3。0vq360

16、0vAvtA0AqqQ3600vBvtB0BqqQ一台压缩机在已知工况A和B时的制冷量分别为Q0A和Q0B，即有：vAAvBB0A0BqqQQ，一台压缩机在不同的运行工况下，每小时产生的冷量是不相同的。通常在压缩机铭牌上标出的制冷量，是指该机名义工况下的制冷量。当制冷剂和转速不变时，对于同一台制冷压缩机，不同工况下的制冷量可根据其理论输气量qvt等于定值的条件按以下方法换算。第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础有机制冷剂压缩机名义工况有机制冷剂压缩机名义工况 (单位：单位：)类型吸入压力饱和温度排出压力饱和温度吸入温度环境温度高温7.254.1(1)18.3357

17、.218.9(2)18.335中温-6.748.918.335低温-31.710.618.335(1)为高冷凝压力工况(2)为低冷凝压力工况表中工况制冷剂液体的过冷度为0无机制冷剂压缩机名义工况无机制冷剂压缩机名义工况 (单位：单位：) 类型吸入压力饱和温度排出压力饱和温度吸入温度制冷剂液体温度环境温度低温-1330-102532为了便于比较和选用，有必要根据其不同的使用条件规定统一的工况来表示压缩机的制冷量.第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础制制(排排)热量热量 是压缩机的制冷量和部分压缩机输入功率的当量热量之和，它是通过系统中的冷凝器排出的。 在一定工况下的

18、排热量Qh为： Qh = qma（h2h3）= qma (h1h4) +(h2h1) = qmaq0 + qma(h2h1) = QO + qma(h2h1) 从图b的压缩机的能量平衡关系图上不难发现 qma（h2h1）PelQr第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础于是可得 Qh = Q0 + PelQr = Q0 + f Pelh1压缩机进口处的工质比焓；h2压缩机出口处的工质比焓；Pel压缩机的输入功率；Qr压缩机向环境的散热量；f考虑到压缩机散热量的系数。对于小型机组取 0.75，对于大型机组取0.9 第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的

19、热力学基础指示功率和指示效率指示功率和指示效率开启式压缩机中的开启式压缩机中的 i的经验计算公式的经验计算公式小型氟利昂压缩机为小型氟利昂压缩机为0.650.80；家用全封闭式压缩机为；家用全封闭式压缩机为0.600.852730k0iTbTT直接用于气缸中压缩制冷工质所消耗的功称为。单位时间内实际循环所消耗的指示功，称为压缩机的。理论循环中压缩1kg制冷剂所消耗的等熵理论功w0，与实际循环中所消耗的功wi的比值，称为压缩机的 压缩机实际工作过程与理论工作过程有很大的区别，这影响到它的功耗。如吸、排气时的压力损失、运动机械的摩擦、压缩过程偏离等熵过程等，均使压缩机的功耗增大 P0压缩机按等熵压

20、缩理论循环工作所需的理论功率（kW）；Pi指示功率（kW）。第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础100060iiinWP指示功率指示功率i0im0mi0iPPwqwqww指示效率指示效率压缩机的指示效率也可由图表查取 第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础轴功率、轴效率和机械效率轴功率、轴效率和机械效率 两者之比值称为机械效率，用m表示 由原动机传到曲轴上的功率称为轴功率Pe一部分直接用于压缩气体称为指示功率用Pi表示另一部分用于克服曲柄连杆机构等的摩擦阻力，称为摩擦功率，用Pm表示miieimPPPPP评定压缩机摩擦损耗的大小程度 第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础冷凝温度一定时，压缩机的机械效率m具有随着压力比的增长而下降的趋势，这是因为增大，指示功率减少而摩擦功率几乎保持不变的缘故。第第2章容积型制冷压缩机的热力学基础章容积型制冷压缩机的热力学基础指示效率i与机械效率m的乘积，称为压缩机的轴效率，用e表示。 一般在0.