蒸气压缩式制冷热力学原理

制冷技术第二章蒸气压缩式制冷的热力学原理蒸气压缩式制冷的热力学原理1.理想制冷循环2.理论制冷循环3.制冷循环热力计算1.理想制冷循环1.0常用术语1.1热力学基本定律1.2制冷循环的热力学分析1.3理想制冷循环无温差传热的逆向可逆循环——逆卡诺循环1.4具有传热温差的逆向可逆循环1.5具有变温热源的理想制冷循环-洛伦兹循环1.6热泵的作用1.0常用术语一.物质具有一定质量并占据空间的任何物体称为物质。物质通常以固、液、气三态存在。蒸气压缩式制冷机都依靠内部循环流动的工作物质来实现制冷过程。制冷机中的工作物质称为制冷剂。制冷装置中用来传递冷量的工作物质称为载冷剂。

温度是物体冷热程度的量度。它是物质分子热运动剧烈程度的标志尺度。

常用的温度度量单位有摄氏温标t和开氏温标T(绝对温标)。

T(k)=t(℃)+273.15图2-1两种常用温标的比较

二.温度物体在热过程中所放出或吸收的能量称为热量。

生产中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小。

制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取走的热量。商业上常用冷吨来表示。

1冷吨：1吨0℃饱和水在24小时内被冷冻到0℃的冰所需冷量。

三.热量热量单位换算：1大卡（kcal）=1000卡（cal）1焦(J)=0.2389卡（cal）≈0.24卡（cal）1英热单位(Btu)=0.25大卡（kcal）（Britishthermalunit

）1英热单位(Btu)=1.05千焦(kJ)1美国冷吨=3024kcal/h1日本冷吨=3320kcal/h比热是一个物性参数，意为单位度量的物质温度变化1k时所吸进或放出的热量。

体积比热Cv(J/m3.k)

摩尔比热Cp(J/mol.k)

四.比热（specificheat）

不改变物质的形态而引起其温度变化的热量称为显热。

不改变物质的温度而引起其形态变化的热量称为潜热。

制冷剂的汽化潜热有何要求？五.显热和潜热表1-1几种制冷物质的汽化潜热(kJ/kg)物质水氨R12R22氯甲烷二氧化硫R114R502汽化热2256.81369167.5234.5427.1397.8137.96150.02图2-2绝对压力、表压力和真空度的关系

六.压力垂直作用在单位面积上的力称为压力p(压强)。p是确定物质状态的基本参数之一。1bar=105pa

饱和压力ps与饱和温度ts的对应关系。

比容：每千克物质所占有的容积。v是基本状态参数。.v=1

七.比容v和密度

表示材料传导热量的能力，是一个物性参数。数值上等于：1m厚的材料两边温差1k时在1小时内通过1m2表面积所传导的热量。单位：w/m.k

常用保温材料的值？八.导热系数

物质的热力状态性质可以绘制成曲线图的形式。制冷剂性质曲线图有多种形式。行业中最常用的是lgp-h图。

lgp-h图的构成可以总结为一个临界点、二条饱和线、三个状态区、六组等值线。九.压-焓图(lgp-h)(a)压-焓图

(b)压-焓图上的主要曲线

图2-3压焓图上的主要曲线

等压线—水平线等焓线—垂直线等干度线x—湿蒸汽区域内等熵线—向右上方倾斜等容线—向右上方倾斜等温线

—垂直线（未）→水平线（湿）→向右下方弯曲（过）

莫里尔图由于制冷装置中，制冷剂的实际压力并不太高，lgp-h图靠近临界点的高压部分和湿蒸汽区域的中间部分在热力计算中很少用到，为了使图面清晰简捷，往往将这两部分截去。

课后练习：lgp-h图中状态点参数的查取。图2-4R22的lgp-h图1.1热力学基本定律热力学第零定律:如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。热力学第一定律：在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传递和转换前后的能量总量维持恒定。

1.1热力学基本定律热力学第二定律：能量贬值原理。热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。热力学第三定律：绝对温度的零度是不可能达到。

1.2制冷循环的热力学分析

热力学循环

正向循环

热能转化为机械功逆向循环消耗功1.2制冷循环的热力学分析正向循环是使高温热源的工质通过动力装置对外做功，然后再流向低温热源，称为动力循环，即把热量转化为机械功的循环。所有的热力发动机都是按正向循环工作的，在温-熵或压-焓图上，循环的各个过程都是依次按顺时针方向变化的；1.2制冷循环的热力学分析逆向循环，它是使工质(制冷剂)在吸收低温热源的热量后通过制冷装置，并以外功作补偿，然后流向高温热源。逆向循环是一种消耗功的循环，制冷循环就是按逆向循环进行的，在温-熵或压-焓图上，循环的各个过程都是依次按逆时针方向变化的。1.2制冷循环的热力学分析逆向循环又可分为可逆和不可逆两种。可逆循环是一种理想循环，它不考虑工质在流动和状态变化过程中的各种损失。如果在工质循环过程中考虑了上述各种损失，即为不可逆循环。在制冷循环中，不可逆主要来自两个方面：即制冷剂在流动和状态变化时因内部摩擦、不平衡等引起的内部不可逆损失，以及冷凝器、蒸发器等换热器存在传热温差的外部不可逆损失。1.2制冷循环的热力学分析1.3理想制冷循环——逆卡诺循环

1.3.1逆卡诺循环循环过程1-2等熵压缩→

耗功w12-3等温冷凝放热qk=(sa-sb)3-4等熵膨胀→做功w24-1等温蒸发吸热q0=T0(sa-sb)两个恒温热源两个等温过程两个等熵过程1.3.2循环结果

从被冷却介质吸热q0（单位制冷量）；向冷却介质放热qk；循环净耗功wc＝w－we＝qk－q0

1.3.3制冷系数制冷系数ε（COPcoefficientofperformence）表示它的循环经济性能，制冷系数等于单位耗功量制得的冷量g与所消耗功的比值。逆卡诺循环制冷系数，仅与高、低温热源温度有关，而与制冷剂的热物理性质无关。

T0↗或Tk↘ε↗

1.3.4逆卡诺循环特点T0与Tk对制冷系数的影响是不等价的，To的影响大于Tk。同时，也意味着要实现温度降低的制冷具有更高的难度。由于逆卡诺循环不考虑各种损失，而且压缩机利用了膨胀机对外输出的功。因此，在恒定的高、低温热源区间，逆卡诺循环的制冷系数最大，在该温度区间进行的其它各种制冷循环的制冷系数均小于ε，逆卡诺循环制冷系数可用来评价其它制冷循环的热力完善度。1.3.4逆卡诺循环特点湿蒸汽区域内进行湿压缩设备：蒸发器无传热温差

冷凝器无传热温差

压缩机无摩擦运动

膨胀机不经济，且难以加工1.4具有传热温差的逆向可逆循环1.4具有传热温差的逆向可逆循环Tk’—冷却介质的温度T0’—被冷却介质的温度逆卡诺循环：1’-2’-3’-4’-1’Tk—冷凝器中制冷剂的温度T0—蒸发器中制冷剂的温度有传热温差的循环：1-2-3-4-1耗功量增加：阴影面积制冷量减少：1-1’-4’-4-11.4具有传热温差的逆向可逆循环有传热温差的制冷循环的制冷系数εc’小于逆卡诺循环的制冷系数εc

。蒸发器传热温差对制冷系数的影响将大于冷凝器传热温差1.4具有传热温差的逆向可逆循环热力完善度：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。

η＝

εc’/εc

≤1η的大小反映了实际制冷循环接近逆卡诺循环的程度。

在制冷装置的实际运行中，高温热源（冷却介质）和低温热源(被冷却介质）的温度通常是不断变化的。冷凝器中的冷却水的温度是逐步升高，而被冷却介质的温度是不断降低的。由于制冷剂在冷凝器和蒸发器中保持等温冷凝和蒸发，这样就增大了制冷剂和介质之间的传热温差，使循环不可逆损失增加，制冷系数和热力完善度下降。为了减少不可逆传热引起的能量损失，制冷剂与冷却和被冷却介质之间必需保持最小的传热温差，并且所有各点应保持定值。1.5具有变温热源的理想制冷循环-洛伦兹循环1.5具有变温热源的理想制冷循环-洛伦兹循环由两个和热源之间无温差的热交换过程以及两个等熵过程所组成的逆向可逆循环，为洛伦兹循环，是消耗功最小的循环，即制冷系数最高的循环。前提：热源温度变化的条件下1.5具有变温热源的理想制冷循环-洛伦兹循环1.6热泵的作用

逆向循环以耗功为补偿，通过制冷剂的循环把从低温热源中吸收的热量（制冷量）和耗功量一起在高温热源放出。因此，逆向循环可以用来制冷，也可用来供热，或者冷、热同时使用。用来制冷的逆向循环装置，称为制冷装置，而用来供热时则称为热泵装置。在逆卡诺循环中，制冷剂在每次循环中向高温热源放出的热量为qk’=qo’+wc则进行逆卡诺循环的热泵供热系数为：μc=（qo’+wc）/wc=1+εc=Tk’/（Tk’-To’）表示热泵系数恒大于1，这说明热泵装置在高温热源的放热量始终大于耗功量。1.6热泵的作用1.6热泵的作用热泵供热比直接用电供热耗能省，它是一种节能的供热方式。但热泵是否比其它供热方法（如燃料的直接燃烧、蒸气供热等）节能和经济，还应根据提供热泵的具体条件进行分析和比较。2.理论制冷循环2.1工作原理2.2理论循环在lgp-h图上的表示2.3性能指标2.4液体过冷和吸气过热对制冷循环的影响2.1理论制冷循环的工作原理单级理论循环的假设基础：(1)压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中不存在任何不可逆损失；(2)在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值(3)离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体；(4)制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力损失，忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管外介质之间没有热交换；（5）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小，可以忽略不计，且与外界环境没有热交换。循环组成循环组成压缩机：等熵压缩；冷凝器：等压放热；节流阀：绝热节流，等焓；蒸发器：等压吸热而制冷。

“四大件”作用压缩机：“心脏”，压缩和输送制冷剂蒸汽；节流阀：节流降压，并调节进入蒸发器的制冷剂流量；蒸发器：吸收热量（输出冷量）从而制冷；冷凝器：输出热量。

循环特点（对比逆卡诺循环）膨胀机膨胀阀低压高干度湿蒸气逆卡诺循环理论制冷循环高压饱和蒸气高压饱和液体低压低干度湿蒸气高压饱和液体过热蒸气低压低干度湿蒸气低压干饱和蒸气定温放热定温吸热定压放热定压吸热湿压缩干压缩循环特点（对比逆卡诺循环）制冷剂在冷凝器和蒸发器中按等压过程循环，而且具有传热温差；制冷剂用膨胀阀绝热节流，而不是用膨胀机绝热膨胀；压缩机吸入饱和蒸气（干压缩）而不是湿蒸气（湿压缩）三种制冷循环在T-S图上的表示理论循环制冷系数及其它参数的变化影响逆卡诺循环和具有传热温差的逆向可逆循环制冷量、耗功量以及制冷系数的因素对理论制冷循环仍然有效，而且制冷剂在进行理论循环过程中又产生了一些影响上述参数的其它因素。1、膨胀阀代替膨胀机后的节流损失2、用干压缩代替湿压缩后的饱和损失2.2理论循环在lgp-h图上的表示理论循环在T-s图（a）和lnp-h图（b）上的表示补充：热力学第一定律的基本能量方程式1).闭口系统的能量平衡工质从外界吸热Q后从状态1变化到2，对外作功W。若工质宏观动能和位能的变化忽略不计，则工质储存能的增加即为热力学能的增加ΔU热力学第一定律的解析式加给工质的热量一部分用于增加工质的热力学能储存于工质内部，余下一部分以作功的方式传递至外界

对微元过程，第一定律解析式的微分形式(A)

对于1kg工质A式对闭口系普遍适用。可逆过程

完成一循环后，工质恢复原来状态闭口系完成一循环后，循环中与外界交换的热量等于与外界交换的净功量。2).开口系统的能量平衡图示开口系统，dτ时间内，质量的微元工质流入截面1-1，质量微元工质流出2-2，系统从外界得到热量，对机器设备作功。图2-5开口系统流动过程中的能量平衡过程完成后系统内工质质量增加dm,系统总能增加dECV，由系统能量平衡的基本表达式有：由E=me,V=mv,h=u+pv,得稳定流动

系统只有单股流体进出微量形式：当流入质量为m的流体时，稳定流动能量方程：能量方程式的应用工质流经压缩机时，机器对工质做功wc,使工质升压，工质对外放热q每kg工质需作功：

压缩机图2-6压缩机能量平衡膨胀机膨胀过程均采用绝热过程。稳定流动能量平衡方程：图2-7膨胀机能量平衡工质流经换热器时和外界有热量交换而无功的交换，动能差和位能差也可忽略不计。换热器图2-8换热器能量平衡1kg的工质吸热量：

工质流经喷管和扩压管时不对设备作功，热量交换可忽略不计。1kg工质动能的增加：

喷管图2-9喷管能量转换工质流过阀门时流动截面突然收缩，压力下降，这种流动称为节流。节流设流动绝热，前后两截面间的动能差和位能差忽略，因过程无对外做功，故节流前后的焓相等该式只对节流前后稳定段成立，而不适合节流过程段。

按照热力学第一定律，对于在控制容积中进行的状态变化存在如下关系：（2-1）

这里，把自外界传入的功作为负值。对上式积分可以得到整个过程的表达式：（2-2）

按照式（2-1）和式（2-2），单级压缩蒸气制冷机循环的各个过程有如下关系：q0称为单位制冷量，习惯上取为正值，在T-s图上用面积1-4-b-a-1代表，而在lgp-h图上则用线段4-1表示。（1）压缩过程:δq=0,因而

δw=dhw=h2-h1

（2-3）(2)冷凝过程：

dw=0δq=dhqk=h2-h3

（2-4）

（4）蒸发过程：dw=0因而

δq=dhq0=h1-h4=h1-h3

（2-6）

(3)节流过程：

w=0q=0Δh=0h3=h4（2-5）

2.3性能指标单位制冷量q0(1)单位制冷量压缩蒸气制冷循环单位制冷量可按式（2-6）计算。单位制冷量也可以表示成汽化潜热r0和节流后的干度x4的关系：

(2-7)

由式（2-7）可知，制冷剂的汽化潜热越大，或节流所形成的蒸气越少（x4越小）则循环的单位制冷量就越大。（2-7）

2.3性能指标(2)单位容积制冷量qv(2-8)(3)理论比功w0(2-9)（2-8）对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说，制冷剂在节流过程中不作外功，理论比功等于循环的理论比功，可表示为：单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随制冷剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的。（3）理论比功（2-9）

(4)单位冷凝热qk单位（1kg）制冷剂蒸气在冷凝器中放出的热量，称为单位冷凝热。单位冷凝热包括显热和潜热两部分。(2-10)

比较式（2-6）、（2-9）和（2-10）可以看出，对于单级压缩式蒸气制冷机理论循环，存在着下列关系：(2-11)

对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，制冷系数为：制冷系数愈大经济性愈好（5）制冷系数(6)热力完善度单级压缩蒸气制冷机理论循环的热力完善度按定义可表示为(2-13)这里εc为在蒸发温度（T0）和压缩机排气温度（T3）之间工作的逆卡诺循环的制冷系数。热力完善度愈大，说明该循环接近可逆循环的程度愈大。

制冷系数与热力完善度的不同意义制冷系数与热力完善度都是用来评价循环经济性的指标，但意义不同。1、制冷系数随循环的工作温度而变，因此只能评价相同热源温度下的循环经济性。2、不同温度下工作的制冷循环需要通过热力完善度来判断其循环经济性。2.4液体过冷和吸气过热对制冷循环的影响上面所述的循环，是单级压缩蒸气制冷机的基本循环，也是最简单的循环。在实用上，根据实际条件对循环往往要作一些改进，以便提高循环的热力完善度。在单级制冷机循环中，这一改进主要有液体过冷、吸气过热及由此而产生的回热循环将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温度的状态，称为过冷。带有过冷的循环，叫做过冷循环。采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数都是有利的2.4.1液体过冷2.4.2过冷循环的温熵图和压焓图过冷循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示在图（a）中，q0以面积5‘-5-b-c表示，在图（b）中，q0以线段5’-5表示。因两个循环的理论比功w0相同，过冷循环的制冷系数比无过冷循环的制冷系数要大。与无过冷的循环1-2-3-4-5-1相比，过冷循环的单位制冷量的增加量为：2.5吸入过热蒸气对制冷循环的影响

压缩机吸入前的制冷剂蒸气的温度高于吸气压力下制冷剂的饱和温度时，称为过热。具有吸气过热的循环，称为过热循环。2.5.2过热循环的温熵图和压焓图过热循环1-1‘-2’-3-4-5-1的T-s图和lgp-h图。图中1-1‘是吸气的过热过程，其余与基本循环相同。

(2-16)

(2-17)(2-18)(2-19)仅与制冷剂性质有关有害过热无此增加制冷量有效过热与有害过热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2.6回热循环利用回热使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换，使液体过冷、蒸气过热，称之为回热。回热循环T-S及lgP-h图图2-21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，则液体过冷的放热量等于使蒸气过热的吸热量，其热平衡关系为：

（2-22）回热循环的性能指标如下：单位制冷量（2-23）单位容积制冷量（2-24）单位功

（2-25）制冷系数（2-26）由回热循环lgp-h图可知，与无回热循环1-2-3-4-5-1相比较，回热循环的单位制冷量增大了但单位功也增大了（2-28）

循环的单位功可近似地表示成（2-29）单位容积制冷量和制冷系数可表示成（2-30）(2-31)如果要使回热循环的单位容积制冷量及制冷系数比无回热循环高，其条件应是：即（2-32）制冷循环热力计算是利用制冷循环的各状态点的参数计算出循环的性能指标。循环的热力计算，由于实际循环和理论循环有许多不同之处，为了更好的理解实际与理论循环的区别，以及分析对实际循环进行的简化是否合理，有必要对实际及理论制冷循环进行一下对比分析。3、制冷循环热力计算实际循环与理论循环的比较区别1）制冷压缩机的压缩过程不是等熵过程，且有摩擦损失和散热损失。2）实际制冷循环中压缩机吸入的制冷剂往往是过热蒸气，节流前往往是过冷液体，即存在气体过热、液体过冷情况。3）热交换过程中，存在着传热温差，被冷却介质温度高于制冷剂的蒸发温度，环境冷却介质温度低于制冷剂冷凝温度。4）制冷剂在设备及管道内流动时，存在着流动阻力损失，且与外界有热量交换。5）实际节流过程不完全是绝热的等焓过程，节流后的焓值有所增加。实际循环的简化为工程设计方便，做如下简化忽略冷凝器蒸发器中压降，以压缩机排气压力作冷凝压力（或排气压力减去压降后），以压缩机吸气压力作蒸发压力（或吸气压力加上吸气压降），认为T0，TK为定植。压缩过程简化为有损失的简单压缩过程。节流为等焓过程单级蒸气压缩式制冷的实际循环(简化后）简化后的实际循环P—h图：简化后的循环的性能指标的表达式，各下标对应于上图所示的状态点。1．单位制冷量、单位容积制冷量及单位理论功

这些同理论循环的计算完全一致。2．单位冷凝热上式中点2状态的焓值用下式计算式中为压缩机的指示效率，它被定义为等熵压缩过程耗功量与实际压缩过程耗功量之比。3．制冷剂的循环流量

式中为制冷量，通常由设计任务给出。

（2-36）（2-37）（2-38）4．压缩机的实际功率5．实际制冷系数例题1.试计算氟利昂22(R22)制冷剂在下列工况下的理论制冷系数ε，并进行比较和讨论。A工况：tk=35℃，to=0℃；B工况：tk=40℃，to=0℃；C工况：tk=40℃，to=-5℃；各状态点焓值工况冷凝蒸发h1h2h3=h4温度tk压力pk温度to压力poA工况3513.504.98405.4430243.16.60B工况4015.304.98405.4433249.75.64C工况4015.3-54.21403.5437249.74.59B工况较A工况，tk升高5℃，制冷系数下降，下降14.5%；C工况较B工况，to降低5℃，制冷系数下降，下降18.6%。2.试计算氟利昂22（R22）制冷剂在下列工况下循环时的理论制冷系数ε，并进行比较和讨论。A工况：tk=40℃，to=0℃；B工况：tk=40℃，to=0℃，t3‘=35℃各状态点焓值工况冷凝蒸发h1h2节流前焓值h3制冷系数ε温度tk压力pk温度to压力poA工况4015.304.98405.4433249.75.64B工况4015.304.98405.4433243.15.88在相同冷凝温度和蒸发温度条件下，采用过冷能提高循环的制冷系数。本例中的过冷度tk-t3’=5℃3.一台单级压缩蒸气制冷机工作在高温热源温度为40℃，低温热源温度为20℃，试求分别用R134a、R22和R717工作时的理论循环的性能指标。状态点参数（单位）R134aR22R7171p1(kpa)132.7244.9190.1t1(℃)-20-20-20v1(m3/kg)0.14720.092130.6232h1(kJ/kg)384.7396.461437.122t2(℃)48.467.6135.2p2(kpa)1016.41533.61