第三章蒸汽压缩式制冷设备

第三章蒸汽压缩式制冷设备济宁市技师学院钟元振1.系统组成：压缩机，节流阀，蒸发器和冷凝器等主要设备及辅助设备（过滤器，油分离器，储液器）。3.1.1特点及工作过程3.1蒸气压缩式制冷的理论循环压-焓图温-熵图3.1.2制冷剂的状态图压-焓图：1点，2线，3区，5态，6等参数线簇。2线3区5态1点临界点(criticalpoint)下临界线:不同压力下饱和液体状态上临界线：不同压力下干饱和蒸汽状态液相区(liquidregion)汽液两相区(liquid-vaporregion)

汽相区(vaporregion)未饱和液体，饱和液体，湿饱和蒸汽，干饱和蒸汽，过热蒸汽。

6等参数线簇(压-焓图）等压线---水平线；等焓线---垂直线；等温线---液相区：几乎为垂直线，两相区：水平线，气相区：向下方弯曲的倾斜线；等熵线---向右上方倾斜的实线；等容线---向右上方倾斜的虚线，比等熵线平坦；等干度线---只存在于湿蒸气区。

高温热源TH和低温热源TL温度恒定，制冷剂在相变过程中与热源之间没有传热温差，蒸发温度To=TL，冷凝温度

TK=TH；制冷剂除在蒸发器和冷凝器外，在整个循环的其它流动过程中与外界不发生热交换。制冷剂离开蒸发器的状态为饱和蒸气，离开冷凝器的状态为饱和液体；制冷剂除在压缩机和膨胀阀处发生压力升降外，在整个循环的其它流动过程中没有压力损失；

压缩机的压缩过程为等熵压缩过程；制冷剂流过节流装置时，速度变化小，可忽略不计；制冷剂在设备的连接管道中不发生状态变化。1.简单的理论循环假设3.1.3单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环2.理想循环在坐标图上的描述

工作过程（1）1-2压缩机中干饱和蒸汽等熵压缩过程；（2）2-3冷凝器中过热蒸汽等压冷却及冷凝过程；（3）3-4节流阀中饱和液体绝热节流过程；（4）4-1蒸发器中湿蒸汽等温等压汽化过程。（2）2点：压缩机压缩后的排气状态，对应于冷凝压力下的过热蒸汽。

各点对应状态（1）1点：制冷剂进入压缩机的状态，对应于蒸发温度To下的饱和蒸汽。（3）3点：制冷剂在冷凝器出口处的状态，是与冷凝温度TK对应的饱和液体。（4）4点：节流后流出节流阀，进入蒸发器的状态，为湿饱和蒸汽状态。

坐标图中的表示课堂问题1：不可逆绝热过程熵变如何？课堂问题2：理论循环是否是可逆循环？

理论依据：热力学第一定律（开口系统稳定流动的能量守恒方程式）3.理想循环特性（1）蒸发过程和和单位制冷冷量制冷量：制冷剂通过过蒸发器时时从低温热热源吸收的的热量。单位质量制制冷量：1kg制冷冷剂在蒸发发器中从低低温热源吸收的热量量。式中：qm—制冷剂的质量流量。说明制冷量制冷剂的质量流量制冷剂进出蒸发器的焓差与压缩机的的尺寸和转速有关关与制冷剂的的种类和工工作条件有有关单位容积制制冷量：压缩机每吸吸入1m3制冷剂蒸气气（按压缩机机吸气状态态）所制取取的冷量。。制冷剂的质质量流量：式中：v1—压缩机入口处状态点1的比体积。式中：qvh—压缩机的理论输气量，m3/s。（2）压缩缩过程和比比功理论比功：：压缩机每压压缩和输送送1kg制冷冷剂所消耗的压缩缩功。压缩机功率：容积比功：：压缩机每压压缩和输送送1m3制冷剂（按压缩机机吸气状态态）所消耗耗的压缩功功。与制冷剂剂的种类类和工作作条件有有关压缩机的的压力比比：循环中压压缩机的的排气压压力与吸气压压力之比比。压缩机的的排气温温度T2：制冷剂气气体压缩缩终了的的温度。。（3）冷凝过程程和冷凝凝器的热热负荷冷凝器单单位热负负荷：1kg制制冷剂蒸蒸汽在冷冷凝器中中放出的的热量。。（4）节节流过程程节流过程程特点节流前后焓值不变；但节流过程非等焓过程。

节流过程是不可逆过程。。

节流时绝热膨胀，对外不作功。。整个循环比功与压缩机的理论比功相等。

节流后4状态点焓值干度比体积（6）循环效率（热力完善度）：（5）制冷系数：

总结运用某种种制冷剂剂时：蒸发压力力po，冷凝压压力pk反映系统统的压力力水平；；压力比，，压力差差和排气气温度反反映压缩缩机的工工作条件件；单位制冷冷量，单单位容积积制冷量量反映制制冷能力力，COP反反映制制冷循环环的经济济性。

制冷机的性能

制冷量Ф0

压缩机功率P

循环的性能系数COP影响理论论循环特特性的因因素：（1）热热源的温温度；（2）制制冷剂的的性质。。理论循环环的意义义：（1）是是实际循循环的基基准和参参照，用用于分析析研究实实际循环环的各种不不完善因因素和作作出相应应改进。。（2）用用于评价价制冷剂剂。相同同Tk，To条件下，，通过不不同制冷剂的的理论循循环特性性比较，，可以评评价它们们在热力力性质方面面的适宜宜程度。。理论循环环是不可可逆循环环。4.理想循环环的意义义影响实际际循环的的因素3.2单级蒸气气压缩式式制冷的的实际循循环

高温热源和低温热源为变温热源，

热源与制冷剂的传热为有限温差传热。

外部条件

内部条件

制冷剂液体过冷和蒸气过热的影响；

冷凝器，蒸发器和连接各设备的管道中因制冷剂流动而产生压降，制冷剂通过管道与外界有热交换；

压缩机中的实际压缩过程为非等熵过程；

系统中存在不凝性气体等。（1）过过冷：制制冷剂液液体的温温度低于于同一压压力下饱和状态态的温度度。过冷度：：两者温温度之差差。（2）液体过冷冷循环：：在一定的的冷凝温温度和蒸蒸发温度度下，采采用使制冷剂离离开冷凝凝器，进进入节流流阀之前前具有一一定过冷度的的循环。。3.2.1各种实际际因素对对循环的的影响1.高压液液体过冷的影影响（3）过冷循环的坐坐标图表示单位容积制冷量增大

循环比功不变

过冷前后压缩机进出口状态不变，比功不变。

制冷系数增增加（4）过冷对对制冷循环的的影响单位制冷量增大相同过冷度下下，制冷量和和制冷系数提提高的百分数数取决于制冷剂的热力力性质，即与与制冷剂液体体的比热容和和蒸发温度下的汽化潜潜热有关。（5）结论：采用液体过冷冷循环，理论论上总是有利利的，可以提提高循环的经济性。且过过冷度越大，，对循环越有有利；使进入节流装装置前的制冷冷剂液体不会会因流动阻力力产生气化现象，从从而保证了制制冷剂流动的的稳定性。蒸发温度越低低，过冷使性性能的相对提提高越大。利用再冷却器器或过冷器获获得过冷；（6）实现过过冷的措施：利用冷凝器直直接过冷；过冷度提高不不多，一般可可获得1-5℃过冷度。采用逆流管套套式换热器最最易获得过冷冷。在冷凝器和膨膨胀阀之间增增设一台过冷冷器，在过冷冷器中通入温度更更低的冷却介介质（如深井井水）；或将冷却介质质先通过再冷冷却器，然后后再进入冷凝凝器。采用气-液热热交换器（回回热器）。（2）蒸气过过热循环：制冷剂蒸气在在蒸发器中完完全蒸发后仍仍然要继续吸收一部部分热量，这这样，当它到到达压缩机之前已处于过过热状态。（1）过热：：制冷剂蒸气气的温度高于于同一压力下饱和和蒸气的温度度。过热度：两者温度之之差。2.压缩机机吸气过热的的影响不将液滴带入压缩机，避免液击现象。目的（3）过热循环的坐坐标图表示（4）过热对对制冷循环的的影响过热循环中压缩机的排气温度比理论循环压缩机的排气温度高；压缩机的排气温度增加循环比功略增大由于过热循环环在1-1’过程中吸收了了一部分热量量，再加上比功又又略有增加，，则冷凝器的的热负荷增加加。冷凝器的热负荷增加若给定压缩机，制冷剂的质量流量qm减小单位制冷量和和制冷系数的的变化——取决于于过热是有效效过热，还是是无效过热。若压缩机吸入蒸气的过热发生在蒸发器本身，或者发生在安装于被冷却空间内部的吸气管道上，或两者皆有，该过热所吸收的热量来自于被冷却物体，因而产生有效的制冷作用。有效过热从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，从周围环境中吸收热量而过热，该过热对被冷却物体不产生任何制冷作用。无效过热无效过热为有害过热。结论在吸气管道上敷设隔热材料。但不能完全消除。措施单位容积制冷冷量如何变化化？无效过热对循环性能的影响单位制冷量不变

制冷量减少

制冷系数

降低给定压缩机单位容积制冷冷量qv：与制冷剂的性性质有关有效过热对循环性能的影响单位制冷量q0增加NH3单位容积制冷量下降；制冷量减少；压缩终了温度提高；对压缩机的寿命，可靠性不利；希望有5℃的过热度。R502单位容积制冷量增加；制冷量增加；容积效率提高；吸气过热度受最高允许排气温度的限制；

R502可允许有30-50℃过热度。

单位容积制冷量减少，但变化较小；压缩机的容积效率增加，占优势；相同工作条件下，压缩机排气温度比R502高，因而限制了有效过热度允许采用的数值。R22制冷系数：与制冷剂的性性质有关制冷系数下降降：NH3，R22；制冷系数增加加：R502，丙烷。（1）回热：：使节流前的的制冷剂液体体和压缩机吸吸入前的制冷剂蒸蒸气进行热交交换，同时达达到液体过冷和吸吸气过热的目目的。（2）回热循循环制冷系统统图3.气-液液热交换器（（回热）对循循环性能的影影响（3）回热循循环坐标图回热器的能量量平衡关系不计回热器与与外界环境之之间的能量交交换，回热器中制冷冷剂液体放出出的热量应等等于制冷剂蒸气吸吸收的热量。。（4）回热循循环分析即；式中：c’：液体的比热容，cp0：低压蒸气的比热容。循环比功略略增加加单位制冷量增增加比同有效过热热分析回热循环等价于没有过冷的有效过热循环。说明制冷系数可增加或减小与制冷剂的性质有关。（5）回热循循环的应用从单位容积制制冷量和制冷冷系数角度看看：R502，R290，R134a采采用回热循循环有利；R22，R717采用用回热循环不不利。为防止压缩过过程产生液击击现象，采用用回热循环；；R113，R114，RC318等等类制冷剂——T-S图上饱饱和蒸气曲线线向左下方倾倾斜，当压缩缩机吸入的是饱和气体体时，等熵压压缩后进入湿湿蒸气区，不不利于压缩机工作。。必须采用回回热循环。蒸发温度较高高的制冷机一一般不用回热热器。对小型制冷机机来说，通常常把冷凝后的的液体管道（或毛细管））与压缩机前前的吸气管道道包扎在一起起，形成一个简单单的回热器。。蒸发温度低的的制冷机用回回热器有重要要意义：低温制冷装置置中，吸气温温度过低会使使压缩机汽缸缸外壁结霜，润滑条条件恶化，应应设法提高吸吸气温度。同时高压液体体因回热而得得到过冷。对较大型制冷冷机，需用一一个专门的回回热器。压缩机吸气比比体积增加，，压力比增加；；循环比功增大大；容积效率降低低；制冷系数降低低。（1）吸气管管道压缩机吸气比比体积增大；；单位容积制冷冷量减小；排气温度上升升；循环性能系数数下降。增大管径，降降低流速。4.管道压压力损失和热热交换对循环环性能的影响响热交换—无效效过热压力降—有害害采取措施增加了压缩机机的排气压力力；增加了压缩机机的压力比，，比功；增加了压缩机机排气温度；；容积效率降低低；制冷系数下降降。冷却高压气体体；减小冷凝器的的热负荷。排气管道中制制冷剂的流速速也必须加以以控制。该压力降相对对于压缩机的的压力比而言言，要小得多多，对系统的影响响较小。（2）排气管管道热交换—有利利压力降—有害害采取措施（3）高压液液体管道热交换：考虑虑两种可能情情况a:热交换—有利

若制冷剂液体温度高于环境温度，高压制冷剂液体散热，起到过冷作用，对循环有益；若制冷剂液体温度低于环境温度，制冷剂被环境加热，高压液管中将有部分制冷剂液体汽化，影响膨胀阀的流通能力且使其工作不稳定。造成蒸发器缺液，制冷能力下降。b:热交换—不利产生的原因：：液体管路中的的压力降；高度差导致压压力降。产生的影响：：使膨胀阀前的的制冷剂压力力降低；阀前后的压力力差减小；高压液管的压压力损失将使使阀前液体出出现闪蒸气；；影响膨胀阀的的通流能力及及其工作的稳稳定性。设计时，注意意冷凝器和节节流装置的相相对位置；同时，降低节节流前管路的的阻力损失。。压力降—有害害采取措施a：管道安装装在被冷却空空间，有效制制冷；b：管道安装装在室外，无无效制冷。两相管道的压压力降，使膨膨胀阀出口压压力升高，阀前后压差减减小，略削弱弱膨胀阀通流流能力；通常这一管道道的距离是较较短的，压力力降对系统性性能几乎没有影响响。（4）低压（（两相）管道道热交换—两种种情况压力降—几乎乎无影响5.蒸发器a：假假设制制冷剂剂流出出蒸发发器的的状态态不变变：则进入入蒸发发器的的压力力增加加，温温度增增加，，蒸发发器中中的传热温温差减减小，，要求求换热热面积积增加加。对对系统统性能能无影影响。。b：假假设制制冷剂剂进入入蒸发发器状状态不不变，，不改改变传传热温温差：：则结果果与吸吸入管管道压压力降降引起起的结结果相相同。。比照吸吸气管管道制冷系统管道中，应高度注意处理吸气管道和高压液体管道对制冷循环的影响。结论压力降降—考考虑两两种情情况6.冷凝器器假设冷冷凝器器出口口压力力不变变则需提提高冷冷凝器器入口口处压压力，，要求压压缩机机排气气压力力升高高，压压力比比增大大；循循环比比功增增加；；制冷系系数减减小。。压力降降—注注意条条件7.压缩机机热交换换—多多变过过程初始阶阶段：：汽缸缸壁面面温度度>吸吸入蒸蒸气温温度，，由汽汽缸壁壁向蒸气气传热热；压缩到到一定定阶段段：蒸蒸气温温度升升高>汽汽缸缸壁面面温度度，热量由由蒸气气传向向汽缸缸壁面面。功率损损失，，容积积损失失功率损损失：：使压压缩机机实际际消耗耗功率率增大大；容积损损失：：使压压缩机机输气气量减减小；；制冷量量下降降，性性能系系数下下降。。（1））压缩机机的指指示效效率指示功功：直直接用用于气气体压压缩所所消耗耗的功功。指示效效率：：指示示比功功与理理论比比功的的比值值。（2））压缩机机的机机械效效率机械效效率：：指示示比功功与压压缩机机实际际消耗的的轴比比功之之比。。（3））电动机机效率率电动机机效率率：作作用在在压缩缩机轴轴上的的功与压缩缩机实实际输输入的的功之之比。。（4））压缩机机的容容积效效率容积效效率：：压缩缩机实实际输输气量量与理理论输输气量量之比比。不凝性性气体体（如如空气气）积积存在在冷凝凝器上上部，，将使使冷凝器器内压压力增增加，，导致致压缩缩机排排气压压力升升高，，比功增增大，，制冷冷系数数减小小，应应及时时排出出。水分存存在使使制冷冷剂发发生水水化反反应，，对系系统材材料有有腐蚀作作用。。润滑油油与制制冷剂剂直接接接触触，二二者产产生互互溶性性，使制冷冷剂的的热力力性质质偏移移。8.不不凝凝性气气体的的存在在对循循环性性能的的影响响1.制制冷冷系统统管道道中要要特别别注意意吸气气管道道，高高压液液管。。2.注注意意不同同种类类的制制冷剂剂其热热力性性能的的不同同变化化。总结3.2.2实际循循环实际循循环在在坐标标图中中的表表示过程4’-1：制制冷剂剂在蒸蒸发器器中的的蒸发发，降降压过过程；；过程1-1’’：制冷剂剂蒸气气在回回热器器及吸吸气管管道中中的加加热和降压压过程程；过程1’-1’’’：：蒸蒸气经经过吸吸气阀阀时的的加热热和压压降过过程；；过程1”-2：压压缩缩机内内实际际的压压缩过过程；；过程2-2’：：压压缩机机排气气经过过排气气阀的的降压压过程程；过程2’-3：经经排气气阀管管道进进入冷冷凝器器的冷冷却，，冷凝凝及压降过过程；；过程3-3’’：制制冷剂剂液体体在回回热器器及管管道中中降温温，降降压过程；；过程3’-4’：：节流流过程程。实际循循环中中的热热力过过程1.热热力力计算算的内内容和和步骤骤热力计计算的的内容容：在设计计工况况下，，计算算实际际循环环特性性，计计算制冷机的的性能和和各热交交换设备备的热负负荷。热力计算算的方法法：（1）进进行设计计计算时时，首先先按照制制冷机的的使用要要求和使用时时的环境境条件，，选择制制冷剂，，规划制制冷系统流程程。（2）然然后进行行热力计计算。3.2.3单级蒸气气压缩式式制冷机机的热力力计算热力计算算的步骤骤：（1）按按已知系系统流程程绘制p-h图图表示循循环（采取必必要的简简化）；；（2）确确定循环环工况；；（3）计计算实际际循环的的特性；；（4）计计算制冷冷机性能能以及各各热交换换设备的的热负荷荷。3.2复叠式制制冷机循循环3.4.1采用复叠叠式制冷冷循环的的原因为了获得得更低温温度，采采用单一一制冷剂剂的多级级压缩循环将受受蒸发温温度过低低，制冷冷剂凝固固的限制制；氨；标准蒸发温度为-33.4℃，凝固温度为-77.7℃。例如蒸发压力力过低会会带来下下列问题题：蒸发器与与外界的的压差增增大，空空气渗入入系统的的可能性增增加，影影响系统统的正常常工作。。吸气比体体积大，，实际吸吸入汽缸缸的气体体减少，，增加了汽汽缸尺寸寸。对活塞式式压缩机机，压缩缩机的吸吸排气靠靠阀门自自动起闭来完完成，当当吸气压压力低于于0.01-0.015MPa时，难于克服服吸气阀阀弹簧力力，影响响压缩机机的正常工工作。3.2.1采用复叠叠式制冷冷循环的的原因采用低温温制冷剂剂时，蒸蒸发压力力均高于于10KPa，，但冷凝压压力太高高，接近近于临界界状态，，使循环环的节流损损失大大大增加。。3.2.1采用复叠叠式制冷冷循环的的原因例如用乙烷做低温制冷剂，当蒸发温度t0=-100℃时，蒸发压力p0=542kPa，冷凝温度tk=30℃时，冷凝压力pk=4860kPa，接近其临界状态。节流损失大大增加。3.2.2复叠式制制冷循环环1.系统的组组成：由两个（（或数个个）采用用不同制制冷剂的的单级（（或多级级）制冷系统统组成，，分别称称为高温温部分和和低温部部分。高温系统统使用中中温制冷冷剂，低低温系统统采用低低温制冷冷剂。两部分由由一只蒸蒸发冷凝凝器联系系起来。。高温部分分制冷剂剂的蒸发发用来使使低温部部分制冷冷剂冷凝凝。两部分之之间靠蒸蒸发冷凝凝器来实实现传热热。高温温部分的的制冷剂剂再通过自自己系统统的冷凝凝器释放放给环境境介质水水或空气气。而低温部部分通过过自己系系统的蒸蒸发器来来吸收被被冷却对对象低温温环境下的的热量。。复叠式制制冷循环环的组合合形式与与制冷温温度和制制冷剂种种类实际确定具体使用何种形式主要考虑：所要达到的温度，使用场所，制冷剂种类，特性及效率等因素。说明2.复叠式制制冷循环环的组合合形式与与制冷温温度和制冷剂种种类最低蒸发温度制冷剂制冷循环形式

-80℃R22-R23R22单级或两级—R23单级R507-R23R507单级或两级—R23单级R290-R23R290两级—R23单级

-100℃R22-R23R22两级—R23单级或两级R507-R23R507两级—R23单级或两级R22-R1150R22两级—R1150单级R507-R1150R507两级—R1150单级-120℃R22-R1150R22两级—R1150两级R507-R1150R507两级—R1150两级R22-R23-R50R22单级—R23单级--R50单级R507-R23-R50R507单级—R23单级-R50单级复叠式制制冷循环环的组合合形式与与制冷温温度和制制冷剂种种类3.2.2复叠式制制冷循环环3.制制冷系统及P-h图和T-S图表示由两个单单级压缩缩系统组组成的复复叠式制制冷系统统压缩机蒸发器节流阀1234冷凝蒸发器压缩机节流阀冷凝器5678Ts2431

06875循环工况况：高温级tkg=35℃℃,t0g=-45℃低温级tkd=-50℃,t0d=-85℃蒸发器工工作的低低温室温温度:-80℃℃冷凝蒸发发器传热热温差范范围:5-10℃（低温部部分的冷冷凝温度度必须高高于高温温部分的的蒸发温度度。）两级复叠叠制冷循循环系统统（R22-R23）工作原理理图：辅助设备备的作用用：举例A低温温压缩机机；B高温级级压缩机机；C油分离离器；D水冷冷冷却器；；E冷凝蒸蒸发器；；F过滤滤器；；G回热热器；；H电磁磁阀；；I热力力膨胀胀阀；；K蒸发发器；；W膨胀胀容器器；V截止止阀；；R减压压阀；；S低温温级排排气冷冷却器器ABKIHGHFVFDECWRS两级复复叠制制冷循循环系系统（（R22-R23）两级复复叠制制冷循循环系系统（（R22-R13）回热器器：增增大循循环制制冷量量，改改善压压缩机机的工工作条条件。。水冷却却器：：降低低排气气温度度，减减少冷冷凝蒸蒸发器器中的冷凝凝热负负荷（（减少少高温温级循循环的的制冷冷量））。膨胀容容器：：保证低低温级级系统统避免免超压压和安安全顺顺利地地启动动。油分离离器：：防止润润滑油油进入入热交交换器器，减减少传传热热热阻。。电磁阀阀：阻阻止系系统停停止运运行时时两部部