蒸气压缩式制冷的热力学原理

第一章蒸气压缩式制冷的热力学原理制冷段液化段保持低压气体液化第一节理想制冷循环

一、逆卡诺循环卡诺循环（CarnotCycle）是在两个温度不相同的定温热源之间进行的理想热力循环。二、劳仑兹循环劳仑兹循环（LorenzCycle）是由两个等熵绝热过程和两个可逆多变过程组成的理想制冷循环。水的定压加热汽化过程t<tst=tst=tst=tst>tsv<v’v=v’v=v’’v’<v<v’’v>v’’未饱和水饱和水饱和湿蒸汽饱和干蒸汽过热蒸汽h<h’h=h’h=h’’h’<h<h’’h>h’’s<s’s=s’s=s’’s’<s<s’’s>s’’水预热汽化过热第二节蒸气压缩式制冷的理论循环水的定压加热汽化过程水预热汽化过热第二节蒸气压缩式制冷的理论循环第二节蒸气压缩式制冷的理论循环一点、三区、五种状态第二节蒸气压缩式制冷的理论循环第二节蒸气压缩式制冷的理论循环一、蒸气压缩式制冷的理论循环两个等压过程一个绝热压缩过程一个绝热节流过程与理想循环区别？与理想制冷循环相比，有以下三个特点：1用膨胀阀代替膨胀机；2蒸气的压缩在过热区进行，而不是在湿蒸气区内进行；3两个传热过程均为等压过程，并且具有传热温差。(一)膨胀阀代替膨胀机

两部分损失：(1)节流过程3—4是不可逆过程，制冷剂吸收摩擦热，产生无益气化，降低有效制冷能力。(2)损失了膨胀功。(一)膨胀阀代替膨胀机节流损失大小有关因素：1.与Tk-To有关，随其增大而增大；2.与制冷剂的物理性质有关。比潜热r越小，液态制冷剂比热Cx越大节流损失越大。r/Cx

3.Pk/Pkr越大过热损失越大。(二)干压缩过程湿压缩过程压缩机吸入的是湿蒸气，两个缺点：

(1)湿蒸气迅速蒸发，占据气缸的有效空间，制冷量显著降低。(2)液珠既破坏压缩机的润滑，又会造成液击，使压缩机遭到破坏。

严禁发生湿压缩现象！(二)干压缩过程

实现干压缩，两种措施：

(1)采用可调节制冷剂流量的节流装置。(2)在蒸发器出口设置气液分离器。

过热损失大小与制冷剂物理性质有关，一般来说:1.节流损失大的制冷剂，过热损失较小

;2.Pk/Pkr越大过热损失越大。TST'K11'

2'

2

3

3'4'4

TKT'0T0△TK△T0ab0(三)有关换热过程的传热温差逆卡诺循环：1’-2’-3’-4’-1’有传热温差的循环：1-2-3-4-1耗功量增加：阴影面积制冷量减少：1-1’-4’-4-1—冷却介质的温度；—被冷却介质的温度；—冷凝器中制冷剂的温度；—蒸发器中制冷剂的温度。(三)有关换热过程的传热温差○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系数。※制冷效率：理论循环的制冷系数与有温差传热的理想循环制冷系数的比值。

ηR的数值反映了节流损失和过热损失的程度。四个基本过程是：

①制冷剂液体在低压（低温）下蒸发，成为低压低温蒸气(蒸发器)②将该低压低温蒸气提高压力、温度成为高压高温蒸气(压缩机)四个基本过程是：

③将高压高温蒸气冷凝，使之成为高压常温液体(冷凝器)④高压常温液体降低压力、温度重新变为低压低温液体，返回到蒸发器从而完成循环。(节流阀)二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算

温熵图：直观便于比较分析；定压过程换热量，以及绝热过程压缩机的耗功量都可以用过程初终状态的比焓计算。二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算

（一）压焓图的应用

图2-1理论循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示1.单位质量制冷量q0

q0=h1-h42.单位质量冷负荷qk

q0=h2-h33.单位质量耗功量ωc

ωc=h2-h1热力计算条件：蒸发温度；冷凝温度；液态制冷剂的再冷度；压缩机的吸气温度(二)蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算

序号计算名称计算符号计算公式1单位质量制冷量

2单位容积制冷量3制冷剂的质量流量4制冷剂的体积流量计算符号及公式序号计算名称计算符号计算公式5单位冷凝热负荷

6冷凝器热负荷

7单位过冷负荷

8过冷总负荷

计算符号及公式序号计算名称计算符号计算公式9单位理论压缩功

10压缩机理论耗功率

11制冷系数

12制冷效率

计算符号及公式【例题1-1】某空气调节系统需冷量20kW，采用R22压缩式制冷，蒸发温度to=4℃，冷凝温度tk=40℃，无再冷，而且压缩机入口为饱和蒸气，试进行制冷理论循环的热力计算。饱和状态下热力性质表上查得：ｈ1=406.5ｈ3=ｈ4=249.7v1=0.04159s1=1.745pc=0.5661【例题1-3】空气源热泵机组的制热量为12kW，采用R410A为制冷剂。已知蒸发压力为0.9MPa，冷凝压力为2.7MPa，再冷度为3℃，过热度为5℃，进行热泵理论循环的热力计算。例：蒸汽压缩式制冷循环的基本流程图正确的是下列哪一项？（图中箭头为制冷剂流向）（2011年真题）第三节蒸汽压缩式制冷循环的改善节流损失过热损失再冷却膨胀机多级压缩一、膨胀阀前液态制冷剂再冷却（一）设置再冷却器液体过冷过冷循环Tsc—再冷温度Δtsc—再冷度图2-2过冷循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示定性分析：在1点一定时，若5点越靠近饱和液体线，即干度越接近于0，单位质量的湿蒸气所含的饱和液体越多，对制冷越有利。图2-2过冷循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示Tk=30℃，To=-15℃时，每再冷1℃，ε提高：氨—0.46%R22—0.85%Δtsc越大Tsc越低越好？

NO1.受技术、经济条件限制Tsc不可能很低；2.膨胀阀前3℃—4℃再冷度，防止闪发。两点说明：再冷温度高于冷却水进口温度；2℃—3℃温差。措施：1、单独设置再冷却器（增加设备费）；2、再冷却器设置在水冷冷凝器内；3、增加冷凝面积（5%—10%）；4、设置回热器——回热循环。膨胀阀前制冷剂有较大制冷度（二）回热循环一、膨胀阀前液态制冷剂再冷却压缩机吸入有一定过热（液击、润滑条件）回热循环回热循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示若不计回热器与环境空气之间的热交换，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：

回热循环的性能指标如下：单位质量制冷量：单位功回热循环的性能指标如下：制冷系数：制冷量增加耗功量增加制冷系数？Tk=30℃；To=-15℃时；吸气温度15℃；过热度30℃：几种制冷剂回热循：制冷剂R717R22R502ε增减率%-4.81-1.88+3.02t2'/t2（℃）140.3/10284.7/53.566.5/37.3好用可用绝不能用有关回热循环压缩制冷的描述，下列哪几项是正确的？（2011年真题多选）A采用回热循环，总会提高制冷系数；B采用回热循环，单位质量制冷剂的制冷量总会提高；C采用回热循环，单位质量制冷剂的压缩功总会增加；D采用回热循环，压缩机的排气温度比不采用回热循环的压缩机排气温度高。例：某地缘热泵机组采用R502制冷剂，冷凝温度为40℃，蒸发温度为-5℃。如图所示采用回热循环，求该理论循环制冷系数。h1=420kj/kgh2'=460kj/kgh5=276kj/kgh4'=270kj/kg4.412蒸汽过热基本概念蒸气过热：制冷剂蒸汽温度高于其压力对应的饱和温度。过热度：蒸汽过热后的温度和同压力下饱和温度的差值。过热循环：具有蒸汽过热的循环称为蒸汽过热循环。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。有害过热：过热吸收热量来自被冷却介质以外，无制冷效果。热力分析（1）有害过热分析：单位压缩功增加单位制冷量不变单位冷凝负荷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热力分析（2）有效过热分析：对循环是否有益与制冷剂性质有关。（3）实际运行中：希望有适当的过热度。氨过热度5～8℃，氟利昂一般取可采取较大的过热度。有效过热/有害过热？蒸发器面积大于设计所需面积；蒸发器与压缩机间的连接管道吸取外界环境热量而过热；连接管道吸取被冷却对象的热量而过热；系统中设置回热器。（但有过冷过程伴随）

有效过热的过热度对制冷系数的影响过热度℃R502R600aR290R134aR22NH3045.337.444.444.155.993.03073.965.772.172.986.3131.5过热度对排气温度的影响大容量制冷装置中采用：无加工制造的困难；对高压液体膨胀降压；回收膨胀功；提高制冷系数、节省能量消耗。二、回收膨胀功单位质量制冷能力：压缩机理论耗功率：理论制冷系数提高：二、回收膨胀功1.冷凝压力↔tk↔环境温度、冷却介质温度；2.蒸发压力↔t0↔用户要求（制冷系统的用途）；

3.用户蒸发温度↘↔冷凝压力↘↔压缩比（Pk/P0）↗。Pk/P0

增大导致：

a.压缩机排气温度升高，润滑油被碳化，导致润滑不良；b.耗功增加，制冷量下降，制冷系数降低。

1.氨制冷系统：Pk/P0≤8；最低蒸发温度＝-25℃。2.氟利昂制冷系统：Pk/P0≤10；最低蒸发温度＝-37℃。分体空调器在室外环境温度比较低的条件下，不能进行制热工况运行，其主要原因是下列哪一项？（2006年真题单选）A润滑油粘度太大，致使压缩机不能正常运行；B压缩机排气温度过高，致使压缩机不能正常运行；C不能保证室内空气温度要求；D制热效率太低，经济不合理。三、多级压缩制冷循环降低排气温度，减少过热损失和耗功量；高低压（高低温）差越大，节能效果越明显。初投资增加Pk/P0>8采用两种形式：闪发蒸汽分离器中间冷却器（一）闪发蒸气分离器离心式或螺杆式常用；减少一级压缩制冷剂流量，降低二级压缩机进口的蒸汽温度和比容，从而降低压缩机功耗；（一）闪发蒸气分离器也称为经济器（或节能器）；称为二次节流、不完全中间冷却双级压缩制冷循环不完全中间冷却不适用于氨制冷剂系统（二）中间冷却器一次节流、完全中间冷却冷却盘管—再冷—节能、稳定运行图1-14一次节流完全中间冷却的双级压缩制冷循环（a）工作流程；（b）理论循环（二）中间冷却器一次节流、不完全中间冷却中间压力选择/流经各设备的制冷剂流量不等图1-15

一次节流不完全中间冷却的双级压缩制冷循环（a）工作流程；（b）理论循环1.中间压力（1）制冷系数最大原则（最佳）

适用于氨和R22

（2）按压缩比相等原则例：某一次节流完全中间冷却的氨双级压缩制冷理论循环冷凝温度38℃，蒸发温度-35℃。按制冷系数最大为原则确定中间压力，对应的中间温度接近下列何相？（2011年真题）

2.制冷剂质量流量进入低压级压缩机制冷剂流量图1-14

一次节流完全中间冷却的双级压缩制冷循环（a）工作流程；（b）理论循环2.制冷剂质量流量中间冷却器的热平衡方程图1-14

一次节流完全中间冷却的双级压缩制冷循环（a）工作流程；（b）理论循环2.制冷剂质量流量中间冷却器的热平衡方程图1-15

一次节流不完全中间冷却的双级压缩制冷循环（a）工作流程；（b）理论循环例：与单机压缩制冷循环相比，关于带节能器的多级蒸汽压缩制冷循环的描述中，哪一项是错误的？（2012年真题单选）A.节流损失减小；B.过热损失减小；

C.排气温度升高；D.制冷系数提高；

【例题1-4】如图1-13所示，制冷剂采用R134a，冷凝温度为40℃，蒸发温度为4℃，制冷量为20KW，试进行理论循环热力计算。例：下图为闪发蒸汽分离器的R134a双级压缩制冷循环，问流经蒸发器与流经冷凝器的质量流量之比，应为何值？该循环主要状态点制冷剂比焓（kj/kg）

h3=410.25，h6=256.41，h7=228.50（2007年真题）0.846例：下图为闪发蒸汽分离器的R134a双级压缩制冷循环,该循环主要状态点制冷剂比焓（kj/kg）h3=410.25，h7=228.50，当流经蒸发器与流经闪发蒸汽分离器的质量流量之比为5.5时，h3应为何值？（2012年真题）256.5例：某氨压缩式制冷机组，冷凝温度为40℃、蒸发温度为-5℃，图示为其理论循环。点2为蒸发器制冷剂出口状态，该循环的理论制冷系数应是下列何项？（2010年真题）例：某地源热泵供热量为823KW，性能系数是4.58，地源管道循环水泵耗功率18.7KW，供回水温度为15/7℃。计算地埋管从土壤吸热量和循环水量。5、复叠式蒸气压缩式制冷循环1)蒸发温度必须高于制冷剂的凝固点。如：氨的凝固点为-77.7℃，不能制取更低的温度。2)制冷剂的蒸发温度过低时．其相应的蒸发压力也非常低，空气容易渗入系统(0.1-0.15bar)，严重影响制冷循环的正常运行。3)蒸发温度很低时，气态制冷剂的比容很大，单位容积制冷能力大为降低，势必要求压缩机的体积流量很大。5、复叠式蒸气压缩式制冷循环为获得低于-70～-60℃的低温不宜采用氨等中温制冷剂；低温制冷剂：R23的凝固点为-155℃，沸点为-82.1℃(常压)；to=-80℃,R23Po=1.14bar;但临界温度低，压力高；R23临界温度26.13℃；R23临界压力48.273bar。人造冷源—复叠式制冷循环复叠式制冷循环

复叠式制冷循环内复叠式制冷循环复叠式制冷循环复叠式制冷循环机

图1-16复叠式蒸气压缩制冷循环(a)工作过程；(b)理论循环的lgp-h图Po=1.14barPk=1.94barPo'=1.64barPk'=11.92bar内复叠式制冷循环机

第四节跨临界制冷循环亚临界循环：制冷循环的冷凝压力远离制冷剂的临界压力；跨临界循环：压缩机的排气压力位于制冷剂临界压力之上，而蒸发压力位于临界压力之下。第四节跨临界制冷循环亚临界循环：制冷循环的冷凝压力远离制冷剂的临界压力；跨临界循环：压缩机的排气压力位于制冷剂临界压力之上，而蒸发压力位于临界压力之下。第五节蒸气压缩式制冷的实际循环理论循环与实际循环相比忽略了以下三方面：在压缩机中，气体内部和气体与汽缸壁之间的摩擦，以及气体与外部的热交换；制冷剂流经压缩机进排气阀的损失；制冷剂流经管道、冷凝器和蒸发器等设备时，制冷剂与管壁或器壁之间的摩擦，以及与外部的热交换。（1）1’→1’’：进入压缩机前，由于沿途摩擦阻力、局部阻力以及吸收外界的热量制冷剂压力稍有降低、温度升高。（2）1’’→a：低压气态制冷剂进入压缩机，被节流，压力降至Pa。（3）a→b：低压气态制冷剂进入气缸，吸收气缸热量，温度有所上升，压力仍为Pa。（5）c→d：制冷剂流经压缩机排气阀，被节流，比焓基本不变，压力有所降低。（4）b→c'：实际压缩过程线，初期吸热熵增，后期放热熵减。c'→c气缸头部冷却。（6）d→2’：制冷剂从压缩机经管道至冷凝器的过程，由于阻力和热交换的存在，制冷剂压力与温度均有所降低。（7）2’→3→3’：制冷剂在冷凝器中由于有摩擦和漩涡的存在，冷凝过程不等压，压力有不同程度降低。出口有再冷度3→3’。（8）3’→4’：制冷剂节流过程。温度不断降低，在进入蒸发器前，从外界吸收一些热量，比焓略有增加。（9）4’→1’：蒸发过程也不是等压过程，压力有所降低。一、实际循环过程分析第五节蒸气压缩式制冷的实际循环二、实际循环的制冷性能实际压缩过程是指数不断变化的多变过程；二、实际循环的制冷性能余隙容积、换热、流动阻力、泄露—输气量减少