制冷原理-单级压缩蒸汽制冷循环

制冷原理之单级压缩式制冷循环2019年2月目录专题引入——制冷原理1单级压缩蒸汽制冷理论循环性能分析5单级压缩蒸汽制冷理论循环2制冷剂的热力性质表和压焓图3总结7单级压缩蒸汽制冷理论循环在lgp-h图上的表示4有过冷、过热、回热的单级压缩蒸汽制冷循环6一、专题引入——制冷原理思考：制冷循环的实质是什么？思考：蒸汽压缩制冷循环的动力是什么？压缩机压缩蒸汽形成的高低压力差。通过制冷剂从低温物体不断吸走热量，以维持其低温（低于环境温度），并将热量转移到高温物体（环境介质）中的一种逆向循环。二、单级压缩蒸汽制冷理论循环蒸汽压缩式制冷循环可概括为四个过程。蒸发过程压缩过程冷凝过程节流过程液体制冷剂在压力的降低后，开始沸腾汽化，其汽化(蒸发)温度与压力有关。液体汽化过程中，吸收周围介质--水、空气或物品的热量，这些介质由于放出热量而温度降低，实现了制冷的目的。液体的汽化是一个逐渐的过程，最终所有的液体变为干饱和蒸汽，继而流入压缩机的吸气口。为维持一定的蒸发温度，制冷剂蒸汽必须不断地从蒸发器引出，从蒸发器出来的制冷剂蒸汽被压缩机吸入并被压缩成高压气体，由于压缩过程中，压缩机要消耗一定的机械能，机械能又在此过程中转换为热能，所以制冷剂蒸汽的温度有所升高，制冷剂蒸汽呈过热状态。从制冷压缩机排出的高压制冷剂蒸汽，在冷凝器放出热量，把热量传给它周围的介质--水或空气，从而使制冷剂蒸汽逐渐冷凝成液体。从冷凝器出来的制冷液体经过降压设备(如节水阀、膨胀阀等)减压到蒸发压力。节流后的制冷剂温度也下降到蒸发温度，并产生部分闪发蒸汽。节流后的气流混合物进入蒸发器进行蒸发过程。二、单级压缩蒸汽制冷理论循环123452451蒸汽压缩式制冷理论循环如图b中1-2-3-4-5所示。二、单级压缩蒸汽制冷理论循环123452451定熵压缩（过程1-2）定压冷却凝结（过程2-3-4）绝热节流（过程4-5）定温定压汽化（过程1-5）低温低压干饱和蒸汽低温低压湿蒸汽高温高压过热蒸汽中温高压饱和液体三、制冷剂的热力性质表和压焓图压缩制冷装置中所采用的制冷剂(冷媒、雪种)常用的有氨（R717）和氟利昂等。氟利昂有R11（一氟三氯甲烷）、R22（二氟一氯甲烷）、R23（三氟甲烷）、R134a（四氟乙烷）、R123（三氟二氯乙烷）等。在进行制冷循环的热力计算时，通常借助热力性质表和图来确定其的状态参数。制冷剂的热力性质表的编制方法有三种形式：按温度排列的饱和液体和蒸汽的热力性质表；按压力排列的饱和液体和蒸汽的热力性质表；按压力和温度排列的过热蒸汽热力性质表。制冷剂的压焓图如图所示。以制冷剂的焓为横坐标，压力为纵坐标，为了缩小幅面，压力采用对数刻度（但图上读取的仍是压力值，而不是压力的对数值）。三、制冷剂的热力性质表和压焓图在图中，饱和液体线（X=0）与干饱和蒸汽线（X=1）相交于临界点C。整个图分成三个区，下界区（X=0）左侧为过冷液体（或未饱和液体）区；下界线与上界线（X=1）之间是湿蒸汽区；上界线的右侧为过热蒸汽区。图中共有六组状态参数线簇在学会看压焓图三、制冷剂的热力性质表和压焓图（1）等压线簇

等压线是一组水平线。（2）等焓线簇

等焓线是一组垂直线。（3）等温线簇

等温线在过冷液体区是一组近似垂直线，在湿蒸汽区是一组水平线，与相应的定压线重合；在过热蒸汽区是一组斜向下的曲线。（4）等比体积线簇

等比体积线在湿蒸汽区是一组向右上方倾斜的曲线，在过热蒸汽区是向右上方倾斜的幅度更大。（5）等熵线簇

等定熵线是一组向右上方倾斜的曲线，其斜率比定比体积线的斜率大。（6）等干度线簇

等干度线只在湿蒸汽区内绘出，是一组自临界点向下发散的曲线，由X=0线逐渐增大至X=1线。三、制冷剂的热力性质表和压焓图PthVXStt六条线在压焓图中的分布四、单级压缩蒸汽制冷理论循环在图上的表示图中，状态点1：压缩机的吸气状态点。由蒸发压力的定压线与X=1的饱和蒸汽线的交点可确定状态点1。12345PH理想制冷循环的理论热力特性过程（无过冷、过热）状态点2：压缩机的排汽状态点。由过点1的定熵线与冷凝压力的定压线的交点可确定状态点2。1-2过程：表示制冷剂蒸汽在压缩机进行绝热压缩的过程。状态点5：蒸发器进口的状态点。由过点4的垂直线与的定压线的交点确定点5。4-5过程：表示制冷剂在节流阀中绝热节流过程。5-1过程：表示制冷剂在蒸发器内进行定压等温蒸发吸热过程。状态点4：冷凝器的出口状态点。由定压线与X=0的饱和液体线的交点确定4。2-3-4过程：表示制冷剂在冷凝器中的定压冷却过程（2-3）和等温凝结（3-4）过程。画理想制冷循环的理论压焓图步骤：1、根据已知条件画P0与PK的等压线2、找点1，P0等压线与干饱和蒸汽线的相交点为1点。3、找点2，通过点1作等熵线并与PK等压线相交的点为2点。4、找点3，PK的等压线与干饱和蒸汽线相交的点为3点。5、找点4，PK等压线与饱和液体线相交的点为4点。6、找点5，通过4点作等焓线与P0等压线相交的点为5点。7、将1、2、3、4、5各点相连即为理想制冷循环的理论压焓图。12345PKP0Ph四、单级压缩蒸汽制冷理论循环在lgp-h图上的表示有一台热泵型分体空调系统，其蒸发温度为5℃，冷凝温度为50℃，使制冷剂在理想条件下实现制冷循环（不考虑吸气过热与冷凝后的液体过冷），假设压缩机吸气口为饱和状态，请在R22压焓图上绘出该空调制冷系统的理论制冷循环图。

例题1:12345tk50℃→PKt05℃→P0有一台家用冰箱系统，其蒸发温度为-23℃，冷凝温度为40℃，使制冷剂在理想条件下实现制冷循环（不考虑吸气过热与冷凝后的液体过冷），假设压缩机吸气口为饱和状态，请在R134a压焓图上绘出该冰箱制冷系统的理论制冷循环图。

例题2:12345t0-23℃→P0tk40℃→Pk五、单级压缩蒸汽制冷理论循环性能分析（1）制冷剂在蒸发器内吸收低温物体的热量（2）制冷剂在冷凝器内向外界环境排出的热量（3）循环净功（4）制冷系数五、单级压缩蒸汽制冷理论循环性能分析例题3：以R134a为制冷剂的单级压缩制冷理论循环，蒸发温度为-20℃，冷凝温度40℃，求；理论循环的制冷系数。解：根据题意，查134a热力性能表及图（见下页）可得:Po：133kPah1：385kJ/kgpk：1017kPah2：435kJ/kgh4=h5=255kJ/kg故可求得：qo=h1-h5=385-255=130kJ/kgWo=h2-h1=435-385=50kJ/kgƐo=qo/Wo=130/50=2.6因此，理论循环的制冷系数为2.612345t0-20℃→P0tk40℃→Pk五、单级压缩蒸汽制冷理论循环性能分析六、有过冷、过热、回热的单级压缩蒸汽制冷循环（一）液体过冷（二）蒸气过热（三）回热循环（一）液体过冷什么是液体过冷？

制冷剂在冷凝器中液化后、进入节流机构之前，将液态制冷剂再降温成为过冷液体的做法。为什么制冷系统带液体过冷？带有液体过冷的制冷系统的制冷量会增加。1、几个基本概念过冷温度：制冷剂节流前被降温到低于饱和温度的过冷液体的温度。过冷度：液体过冷温度和其压力所对应的饱和液体温度之差。过冷循环：具有液体过冷的循环称为液体过冷循环。2.过冷循环1-2（压缩机）：等熵压缩；2-3（冷凝器）：等压放热；3-3’（过冷器）：等压传热；3’-4（节流阀）：等焓节流；4-1（蒸发器）：等压吸热

3.实现方法冷凝器后装过冷器；设计，选型时，适当增大冷凝器面积；制冷系统中设置回热器，采用回热循环。4.热力分析单位制冷制冷量：q0＝h1－h4’单位理论压缩功：w0＝h2－h1

单位质量制冷量提高耗功量不变制冷系数增大（二）蒸气过热什么是蒸气过热？

制冷剂在蒸发器中气化后、继续吸热升温，使压缩机吸气温度高于其饱和温度的做法。为什么制冷系统带蒸气过热？保证压缩机吸气是干蒸气。1.基本概念过热温度：压缩机吸入的高于其压力对应饱和温度的过热制冷剂蒸气温度。过热度：蒸气过热后的温度和同压力下饱和温度的差值。过热循环：具有蒸气过热的循环称为蒸气过热循环。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。2.过热循环1’-2（压缩机）：等熵压缩；2-3（冷凝器）：等压放热；3-4（节流阀）：等焓节流;4-1（蒸发器）:等压吸热

；1-1’（过热）：等压传热3.实现方法蒸发器面积大于设计所需面积（有效）；蒸发器与压缩机间的连接管道吸取外界环境热量而过热（有害）；系统中设置回热器（有害过热，但有过冷过程伴随）

4.热力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单位压缩功增加单位制冷量增加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（1）有害过热分析：（2）有效过热分析：氨过热度5℃氟利昂一般取可采取较大的过热度,过热温度不超过15℃5.实际运行中过热度选择（三）回热循环1.回热循环冷凝后的制冷剂液体与蒸发后的制冷剂蒸气进行热交换，实现液体过冷、蒸气过热的制冷循环。2.实现方法：系统中设回热器吸气管与供液管绑扎

3.循环过程1’-2（压缩机）：等熵压缩；2-3（冷凝器）：等压放热冷凝；3-3’（回热器）：等压放热过冷；3’-4（节流阀）：等焓节流；4-1（蒸发器）：等压吸热制冷；1-1’（回热器）：等压吸热过热。4.热力分析单位压缩功增加；单位制冷量增加；回热循环不一定能提高制冷系数；氨系统不采用回热循环；回热适合在氟里昂制冷系统中使用。画制冷循环的理论压焓图步骤：1、根据已知条件画P0与PK的等压线2、找点1’，P0等压线与干饱和蒸汽线的相交点为1’点。4、找点2，通过点1作等熵线并与PK等压线相交的点为2点。5、找点3，PK的等压线与干饱和蒸汽线相交的点为3点。6、找点4，PK等压线与饱和液体线相交的点为4点。8、找点5，通过4’点作等焓线与P0等压线相交的点为5点。9、将1’、1、2、3、4、4’、5各点相连即为实际制冷循环的理论压焓图12345PKP0Ph4’1’过热温度线过冷温度线3、找点1，P0等压与过热温度线的相交点为1点。（tp=tps+△tH）7、找点4’，PK等压线与过冷温度线相交的点为4’点。（tp=tps-△tC）5、有过冷、过热的单级压缩蒸汽制冷循环在lgp-h图上的表示有一台热泵型分体空调系统，其蒸发温度为5℃，冷凝温度为50℃，使制冷剂在实际条件下实现制冷循环（考虑吸气过热度为△tH=5℃与冷凝后的液体过冷度为△tC=15℃），请在R22压焓图上绘出该空调制冷系统的实际制冷循环图。

例题4:七、蒸发压力和冷凝压力对制冷量的影响蒸发压力对制冷量的影响

七、蒸发压力和冷凝压力对制冷量的影响冷凝压力对制冷量的影响

八、单级蒸气压缩式制冷实际循环（二）实际循环的热力计算（一）实际循环的特点（三）实际制冷过程描述（一）实际循环的特点

压缩非等熵、可逆过程----压缩过程伴有吸热和放热；存在传热温差，过程不可逆；改善循环：吸气过热和过冷节流、回热循环；系统存在节流损失；系统存在流动损失；系统存在不凝性气体。（二）实际循环的热力计算

1.确定工作参数蒸发温度t0：

(直冷式蒸发器)空气：t0＝t空气2－（8～10℃）

(间冷式蒸发器)水或盐水：t0＝t水2－（4～6℃）冷凝温度tk：

(风冷式冷凝器)空气：tk＝t空气1＋15℃(水冷式冷凝器)水：tk＝t平均水温＋（5～7℃）

(蒸发式冷凝器)湿空气:tk＝夏季室外计算湿球温度＋(8～15℃)

过冷温度tgl：tgl＝tk－（3～5℃）

压缩机吸气温度tgr：氨：tgr=t0＋（5～8℃）氟利昂：tgr≤15℃2.在压焓图上确定各状态点，并绘制制冷循环3.进行热力计算单位质量制冷量：q0＝h1－h4

单位体积制冷量

：qv＝q0/v1’制冷剂质量流量：MR=Qo/q0制冷剂体积流量:VR=MR*v1’单位理论压缩功：w0＝h2－h1’单位轴功：we=wo/η=h2’

－h1’——得出h2’值冷凝负荷：Qk＝MR(h2’－h3)过冷负荷：Qgl=MR(h3－h3’)过热负荷：Qgr=MR(h1’－h1)制冷系数ε：热力完善度η：（三）实际制冷过程描述1-1’吸气管过热1’-a吸气阀节流a-b制冷剂进入气缸吸热b-c先吸热压缩，后放热压缩c-d制冷剂在排气腔放热d-e排气阀节流e-2排气管放热冷却2-3冷凝放热3-3’液体过冷3’-4节流过程中，制冷剂降温降压对外吸热增焓4-1蒸发制冷1•

制冷是指用（）的方法将（）的热量移向周围环境介质，使其达到低于环境介质的温度，并在所需时间内维持一定的低温。

答案：人工，被冷却对象；解析：制冷就是从被冷却对象中取出热量放到环境中，使被冷却对象的温度低于周围环境的温度，并维持在这一低温的过程。制冷要靠人工的方法，并消耗一定的能量才能实现。

2•

最简单的制冷机由（）、（）、（）和（）四个部件并依次用管道连成封闭的系统所组成。

答案：压缩机，冷凝器，节流阀，蒸发器；解析：四大件。

作业3•

蒸气压缩式制冷以消耗（）为补偿条件，借助制冷剂的（）将热量从低温物体传给高温环境介质。

答案：机械能，相变；解析：蒸汽压缩式制冷属于液体汽化制冷的方法