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）蒸发过程和单位制冷量

制冷量：

制冷剂通过蒸发器时从低温热源吸收的热量。

单位质量制冷量：

1kg

制冷剂在蒸发器中从低温热源吸收的热量。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尺寸和转速有关与制冷剂的种类和工作条件有关

单位容积制冷量：

压缩机每吸入

1m3制冷剂蒸气

（按压缩机吸气状态）所制取的冷量。

制冷剂的质量流量：

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）压缩过程和比功

理论比功：

压缩机每压缩和输送1kg

制冷剂所消耗的压缩功。压缩机功率：

容积比功：

压缩机每压缩和输送1m3制冷剂（按压缩机吸气状态）所消耗的压缩功。与制冷剂的种类和工作条件有关

压缩机的压力比：

循环中压缩机的排气压力与吸气压力之比。

压缩机的排气温度T2

：

制冷剂气体压缩终了的温度。（3）冷凝过程和冷凝器的热负荷

冷凝器单位热负荷：

1kg

制冷剂蒸汽在冷凝器中放出的热量。（4）节流过程

节流过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

运用某种制冷剂时：蒸发压力po

，冷凝压力pk

反映系统的压力水平；压力比，压力差和排气温度反映压缩机的工作条件；单位制冷量，单位容积制冷量反映制冷能力，

COP反映制冷循环的经济性。

制冷机的性能

制冷量Ф0

压缩机功率P

循环的性能系数COP影响理论循环特性的因素：（1）热源的温度；（2）制冷剂的性质。理论循环的意义：（1）是实际循环的基准和参照，用于分析研究实际循环的各种不完善因素和作出相应改进。（2）用于评价制冷剂。相同Tk，To条件下，通过不同制冷剂的理论循环特性比较，可以评价它们在热力性质方面的适宜程度。理论循环是不可逆循环。4.

理想循环的意义

影响实际循环的因素3.2单级蒸气压缩式制冷的实际循环

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）过冷：制冷剂液体的温度低于同一压力下饱和状态的温度。过冷度：两者温度之差。（2）液体过冷循环：在一定的冷凝温度和蒸发温度下，采用使制冷剂离开冷凝器，进入节流阀之前具有一定过冷度的循环。3.2.1

各种实际因素对循环的影响1.高压液体过冷的影响（3）过冷循环的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

增加（4）过冷对制冷循环的影响单位制冷量

增大相同过冷度下，制冷量和制冷系数提高的百分数取决于制冷剂的热力性质，即与制冷剂液体的比热容和蒸发温度下的汽化潜热有关。（5）结论：

采用液体过冷循环，理论上总是有利的，可以提高循环的经济性。且过冷度越大，对循环越有利；

使进入节流装置前的制冷剂液体不会因流动阻力产生气化现象，从而保证了制冷剂流动的稳定性。

蒸发温度越低，过冷使性能的相对提高越大。

利用再冷却器或过冷器获得过冷；（6）实现过冷的措施：利用冷凝器直接过冷；

过冷度提高不多，一般可获得1-5℃过冷度。采用逆流管套式换热器最易获得过冷。

在冷凝器和膨胀阀之间增设一台过冷器，在过冷器中通入温度更低的冷却介质（如深井水）；

或将冷却介质先通过再冷却器，然后再进入冷凝器。

采用气-液热交换器（回热器）。（2）蒸气过热循环：制冷剂蒸气在蒸发器中完全蒸发后仍然要继续吸收一部分热量，这样，当它到达压缩机之前已处于过热状态。（1）过热：制冷剂蒸气的温度高于同一压力下饱和蒸气的温度。过热度：两者温度之差。2.压缩机吸气过热的影响不将液滴带入压缩机，避免液击现象。目的（3）过热循环的坐标图表示（4）过热对制冷循环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在1-1’过程中吸收了一部分热量，再加上比功又略有增加，则冷凝器的热负荷增加。冷凝器的热负荷

增加若给定压缩机，制冷剂的质量流量qm

减小单位制冷量和制冷系数的变化

——取决于过热是有效过热，还是无效过热。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。措施单位容积制冷量如何变化？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量qv：与制冷剂的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：与制冷剂的性质有关

制冷系数下降：NH3，R22；制冷系数增加：R502，丙烷。（1）回热：使节流前的制冷剂液体和压缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换，同时达到液体过冷和吸气过热的目的。（2）回热循环制冷系统图

3.气-液热交换器（回热）对循环性能的影响（3）回热循环坐标图

回热器的能量平衡关系不计回热器与外界环境之间的能量交换，回热器中制冷剂液体放出的热量应等于制冷剂蒸气吸收的热量。

（4）回热循环分析即；式中：c’：液体的比热容，

cp0：低压蒸气的比热容。循环比功略增加

单位制冷量增加比同有效过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）回热循环的应用

从单位容积制冷量和制冷系数角度看：R502，R290，R134a采用回热循环有利；R22，R717采用回热循环不利。为防止压缩过程产生液击现象，采用回热循环；R113，R114，RC318等类制冷剂—T-S图上饱和蒸气曲线向左下方倾斜，当压缩机吸入的是饱和气体时，等熵压缩后进入湿蒸气区，不利于压缩机工作。必须采用回热循环。

蒸发温度较高的制冷机一般不用回热器。对小型制冷机来说，通常把冷凝后的液体管道（或毛细管）与压缩机前的吸气管道包扎在一起，形成一个简单的回热器。

蒸发温度低的制冷机用回热器有重要意义：低温制冷装置中，吸气温度过低会使压缩机汽缸外壁结霜，润滑条件恶化，应设法提高吸气温度。同时高压液体因回热而得到过冷。对较大型制冷机，需用一个专门的回热器。

压缩机吸气比体积增加，压力比增加；循环比功增大；容积效率降低；制冷系数降低。

（1）吸气管道

压缩机吸气比体积增大；单位容积制冷量减小；排气温度上升；循环性能系数下降。增大管径，降低流速。4.管道压力损失和热交换对循环性能的影响热交换—无效过热压力降—有害采取措施增加了压缩机的排气压力；增加了压缩机的压力比，比功；增加了压缩机排气温度；容积效率降低；制冷系数下降。冷却高压气体；减小冷凝器的热负荷。排气管道中制冷剂的流速也必须加以控制。该压力降相对于压缩机的压力比而言，要小得多，对系统的影响较小。（2）排气管道

热交换—有利压力降—有害采取措施（3）高压液体管道

热交换：考虑两种可能情况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：液体管路中的压力降；高度差导致压力降。

产生的影响：使膨胀阀前的制冷剂压力降低；阀前后的压力差减小；高压液管的压力损失将使阀前液体出现闪蒸气；影响膨胀阀的通流能力及其工作的稳定性。设计时，注意冷凝器和节流装置的相对位置；同时，降低节流前管路的阻力损失。压力降—有害采取措施a：管道安装在被冷却空间，有效制冷；b：管道安装在室外，无效制冷。

两相管道的压力降，使膨胀阀出口压力升高，阀前后压差减小，略削弱膨胀阀通流能力；通常这一管道的距离是较短的，压力降对系统性能几乎没有影响。（4）低压（两相）管道

热交换—两种情况压力降—几乎无影响5.蒸发器a：假设制冷剂流出蒸发器的状态不变：则进入蒸发器的压力增加，温度增加，蒸发器中的传热温差减小，要求换热面积增加。对系统性能无影响。b：假设制冷剂进入蒸发器状态不变，不改变传热温差：则结果与吸入管道压力降引起的结果相同。比照吸气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—考虑两种情况6.冷凝器假设冷凝器出口压力不变则需提高冷凝器入口处压力，要求压缩机排气压力升高，压力比增大；循环比功增加；制冷系数减小。压力降—注意条件7.压缩机热交换—多变过程初始阶段：汽缸壁面温度>吸入蒸气温度，由汽缸壁向蒸气传热；压缩到一定阶段：蒸气温度升高>汽缸壁面温度，热量由蒸气传向汽缸壁面。功率损失，容积损失功率损失：使压缩机实际消耗功率增大；容积损失：使压缩机输气量减小；制冷量下降，性能系数下降。（1）压缩机的指示效率指示功：直接用于气体压缩所消耗的功。指示效率：指示比功与理论比功的比值。（2）压缩机的机械效率机械效率：指示比功与压缩机实际消耗的轴比功之比。（3）电动机效率电动机效率：作用在压缩机轴上的功与压缩机实际输入的功之比。（4）压缩机的容积效率容积效率：压缩机实际输气量与理论输气量之比。不凝性气体（如空气）积存在冷凝器上部，将使冷凝器内压力增加，导致压缩机排气压力升高，比功增大，制冷系数减小，应及时排出。水分存在使制冷剂发生水化反应，对系统材料有腐蚀作用。润滑油与制冷剂直接接触，二者产生互溶性，使制冷剂的热力性质偏移。8.不凝性气体的存在对循环性能的影响1.制冷系统管道中要特别注意吸气管道，高压液管。2.注意不同种类的制冷剂其热力性能的不同变化。总结3.2.2

实际循环实际循环在坐标图中的表示过程4’-1：制冷剂在蒸发器中的蒸发，降压过程；过程1-1’：制冷剂蒸气在回热器及吸气管道中的加热和降压过程；过程1’-1’’：蒸气经过吸气阀时的加热和压降过程；过程1”-2：压缩机内实际的压缩过程；过程2-2’：压缩机排气经过排气阀的降压过程；过程2’-3：经排气阀管道进入冷凝器的冷却，冷凝及压降过程；过程3-3’：制冷剂液体在回热器及管道中降温，降压过程；过程3’-4’：节流过程。实际循环中的热力过程1.热力计算的内容和步骤热力计算的内容：在设计工况下，计算实际循环特性，计算制冷机的性能和各热交换设备的热负荷。热力计算的方法：（1）进行设计计算时，首先按照制冷机的使用要求和使用时的环境条件，选择制冷剂，规划制冷系统流程。（2）然后进行热力计算。3.2.3

单级蒸气压缩式制冷机的热力计算热力计算的步骤：（1）按已知系统流程绘制p-h图表示循环（采取必要的简化）；（2）确定循环工况；（3）计算实际循环的特性；（4）计算制冷机性能以及各热交换设备的热负荷。3.2复叠式制冷机循环3.4.1

采用复叠式制冷循环的原因为了获得更低温度，采用单一制冷剂的多级压缩循环将受蒸发温度过低，制冷剂凝固的限制；氨；标准蒸发温度为-33.4℃，凝固温度为-77.7℃。例如蒸发压力过低会带来下列问题：蒸发器与外界的压差增大，空气渗入系统的可能性增加，影响系统的正常工作。吸气比体积大，实际吸入汽缸的气体减少，增加了汽缸尺寸。对活塞式压缩机，压缩机的吸排气靠阀门自动起闭来完成，当吸气压力低于0.01-0.015MPa时，

难于克服吸气阀弹簧力，影响压缩机

的正常工作。3.2.1

采用复叠式制冷循环的原因采用低温制冷剂时，蒸发压力均高于10KPa，但冷凝压力太高，接近于临界状态，使循环的节流损失大大增加。3.2.1

采用复叠式制冷循环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

复叠式制冷循环1.系统的组成：

由两个（或数个）采用不同制冷剂的单级（或多级）制冷系统组成，分别称为高温部分和低温部分。高温系统使用中温制冷剂，低温系统采用低温制冷剂。两部分由一只蒸发冷凝器联系起来。高温部分制冷剂的蒸发用来使低温部分制冷剂冷凝。两部分之间靠蒸发冷凝器来实现传热。高温部分的制冷剂再通过自己系统的冷凝器释放给环境介质水或空气。而低温部分通过自己系统的蒸发器来吸收被冷却对象低温环境下的热量。复叠式制冷循环的组合形式与制冷温度和制冷剂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.

复叠式制冷循环的组合形式与制冷温度和制冷剂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单级复叠式制冷循环的组合形式与制冷温度和制冷剂种类3.2.2

复叠式制冷循环3.制冷系统及P-h图和T-S图表示由两个单级压缩系统组成的复叠式制冷系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5678Ts24

31

068

75

循环工况：高温级tkg=35℃,t0g=-45℃低温级tkd=-50℃,t0d=-85℃

蒸发器工作的低温室温度:-80℃冷凝蒸发器传热温差范围:5-10℃

（低温部分的冷凝温度必须高于高温部分的蒸发温度。）两级复叠制冷循环系统（R22-R23）工作原理图：

辅助设备的作用：举例A低温压缩机；B高温级压缩机；C油分离器；D水冷冷却器；E冷凝蒸发器；F过滤器；G回热器；H