第二章 蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理课件

第二章

蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理内容提要蒸气压缩式制冷与热泵的工作原理1制冷剂及其热力性质图表2蒸气压缩式制冷（热泵）理想循环和饱和循环3第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理2.1蒸气压缩式制冷与热泵的工作原理原理：液体汽化吸热这一物理现象最简单的蒸气压缩式制冷机原理图工质的要求？蒸发器：冷冻水（12-7℃）冷凝器：冷却水（32-37℃）第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理、制冷机中充注易挥发的工质，例如四氟乙烷（CH2FCF3，代号R134a）。制冷机中的工质称制冷剂。工质在制冷机中4个状态变化过程：（1）工质在蒸发器中的等压汽化过程（蒸发过程）汽化吸热，产生制冷效应。汽化时的压力称蒸发压力，对应的饱和温度称蒸发温度。（2）工质在压缩机中的压缩过程压缩过程消耗机械功。压缩后工质压力升高。（3）工质在冷凝器中等压冷却和凝结过程（冷凝过程）冷凝过程放出热量，产生制热效应。冷凝过程中的压力称冷凝压力，对应的饱和温度称冷凝温度。（4）工质经节流阀节流节流后工质压力降低。第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理工质经历了蒸发—压缩—冷凝—节流4个状态循环变化过程，实现了热量从低温到高温的转移。其代价是消耗了功。当制冷机用于供热（利用转移到高温处的热量）时，称为热泵。概念：1.制冷量：单位时间内蒸发器从被冷却介质中提取的热量，用表示。2.制热量：单位时间内热泵的冷凝器供出的热量，在制冷机中称为冷凝热量，用表示

。法定单位：W、KW；工程制单位：千卡/小时（kcal/h），英热单位/小时（Btu/h）。换算关系：1W=0.86kcal/h1kW=860kcal/h1kcal/h=1.163W1W=3.412Btu/h第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理3.压缩机消耗的功率：制冷机或热泵中压缩机在单位时间内消耗的功称为压缩机消耗的功率，用4.制冷机或热泵的性能系数制冷机

热泵

注意：可以指压缩机理论消耗功率、轴功率、电机输入功率或制冷机（热泵）的总输入功率（含风机、泵的电机功率）。表示，单位为W、kW。COP值为3.2以上的为A级，D级居中，介于2.8和2.6之间，E级以下为低能效空调。第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理图1氟利昂制冷系统流程图第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理图2氨制冷系统流程图第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理空调用蒸气压缩式制冷机组一、冷（热）水机组生产冷冻水，提供给室内末端接冷却塔第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理螺杆式冷水机组制冷剂循环接冷却塔生产冷冻水，提供给室内末端第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理离心式冷水机组1-电动机；2-增速器；3-压缩机；4-冷凝器；5-浮球式膨胀阀；6-挡液板；7-蒸发器；8-制冷剂回收管；9-制冷剂回收装置；10-抽气管；11-放空管第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理螺杆式热泵冷热水机组1-半封闭螺杆式压缩机；2-四通阀；3-水冷换热器；4-水流开关；5-单向阀；6-高压贮液器；7-干燥过滤器；8-视液镜；9-电磁阀；10-制热热力膨胀阀；11-制冷热力膨胀阀；12-室外风冷换热器；13-风扇；14-气液分离器；15-喷液膨胀阀第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理二、空气调节机组第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理热泵型空调器流程图（a）制冷工况；（b）制热工况1-毛细管；2-电磁导阀滑阀；3-弹簧；4-右气缸；5-左气缸；6-滑阀第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理分体式挂壁空调器结构示意图第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理多联机空调系统原理图第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理2.2制冷剂及其热力性质图表1、卤代烃卤代烃是饱和碳氢化合物（CmH2m+2）的氟、氯、溴的衍生物，是建筑中应用的制冷机（热泵）中常用的一类制冷剂。卤代烃化学通式CmHnClpFqBrr卤代烃的编号RabcBd其中a=m-1，当a=0时，编号中省略b=n+1c=qd=r，当r=0时，编号中B、d均省略编号中氯原子数不表示，可按下式推算：n+p+q+r=2m+2第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理例：R22——?

CCl2F2——?乙烷（C2H6）衍生物有同分异构体卤代烃有以下几类：①氟烃（FC），如CF4（R14），或写成FC14②氯氟烃（CFC），如CCl2F2(R12)，或写成CFC12③氢氯氟烃（HCFC），如CHClF2（R22），或写成HCFC22④氢氟烃（HFC），如CH2FCF3（R134a），或写成HFC134a⑤氢氯烃（HCC），如CH3Cl（R40），或写成HCC40⑥全氯代烃，如CCl4符号中第一个C代表氯，第二个C代表碳。第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理2、饱和碳氢化合物甲烷（CH4）—R50，乙烷（C2H6）—R170丁烷及以后的烷类按序号600依次编号，如丁烷为R600、R600a。3、环状有机化合物分子结构呈环状的有机化合物，如C4F8，编号为RC318。4、共沸混合制冷剂由两种或多种制冷剂按一定比例混合在一起的制冷剂，在一定压力下平衡的液相和气相的组分相同，且保持恒定的沸点，这样的混合物称为共沸混合制冷剂。例如R125/134a（50/50），编号为R507A编号法则：已商品化的共沸混合制冷剂给予编号，序号从500开始。第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理5、非共沸混合制冷剂由两种或多种制冷剂按一定比例混合在一起的制冷剂，在一定压力下平衡的液相和气相组分不同（低沸点的组分在气相中的成分高于液相中的成分），且沸点并不恒定。例如R32/125/134a（23/25/52），编号R407C编号法则：已商品化的非共沸制冷剂给予编号，序号从400号开始。6、无机化合物编号法则：700加分子量氨（NH3）R717二氧化碳（CO2）R744水（H2O）R718第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理制冷剂热力参数表

制冷剂饱和状态下热力性质表R134a饱和状态下热力性质表温度t(℃)绝对压力p（kPa）比容比焓汽化潜热hfg（kJ/kg）比熵液体υf（L/kg）蒸气υg（m3/kg）液体hf（kJ/kg）蒸气hg（kJ/kg）液体sf（kJ/（kg·K））蒸气sg（kJ/（kg·K））－6016.3170.678731.05020127.283360.230232.9480.701391.79427－5917.3860.679990.98961128.380360.862232.4820.706521.79212－5818.5130.681260.93311129.481361.494232.0130.711651.79002－5719.7000.682530.88038130.586362.127231.5400.716771.78797－5620.9490.683820.83114131.695362.759231.0640.721881.78596制冷剂过热蒸气热力性质表R134a过热蒸气热力性质表温度t（℃）比容υ（m3/kg）比焓h（kJ/kg）比熵s（kJ/（kg·K））温度t（℃）比容υ（m3/kg）比焓h（kJ/kg）比熵s（kJ/（kg·K））p＝292.82kPap＝1016.4kPa00.068891397.2161.72200400.019857418.2261.7071350.070716401.8031.73865450.020583424.0771.72567100.072500406.3911.75499500.021272429.8121.74355150.074250410.9831.77107550.021931435.4581.76089200.075969415.5861.78691600.022565441.0361.77776第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理制冷剂的lgp-h图和T-s图

lgp-h图第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理T-s图第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理2.3蒸气压缩式制冷（热泵）

理想循环和饱和循环理想循环（逆卡诺循环）逆卡诺循环在T-s图上的表示1-2——等熵压缩过程2-3——等温压缩过程（高温热源放热）3-4——等熵膨胀过程4-1——等温膨胀过程（低温热源吸热）设M（kg）工质在系统内循环一周，则Q1=T1（sb－sa）M（低温热源处吸取热量）

Q2=T2（sb－sa）M（高温热源处排出热量）W=Q2－Q１＝（T2－T1）（sb－sa）M循环消耗的净功

第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理制冷性能系数：制热性能系数：第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理在湿蒸气区中的逆卡诺循环实际上这个循环无法实现，其原因是：（1）无温差传热实际上是行不通的。（2）压缩过程在湿蒸气区进行危害性大。（3）膨胀机的尺寸很小，制造不易。（4）状态点1很难检测和控制。（干度）第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理饱和循环蒸气压缩式制冷饱和循环在T-s图上的表示1-2——绝热压缩过程2-3——冷凝过程（2-2'等压冷却和2'-3凝结过程）压强不变3-4——绝热节流过程4-1——蒸发过程饱和循环是对湿蒸气区中逆卡诺循环进行如下改造后的可实现的循环：（1）取消膨胀机，改用节流阀。（2）状态点1改为饱和蒸气状态。（3）使Te<T1，Tc>T2。第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理饱和循环在lgp-h图上的表示第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理（1）蒸发器（4-1）制冷量单位质量制冷剂的制冷量单位质量冷凝热量或热泵制热量制热量（2）蒸发器（2-3）（3）压缩机（1-2）压缩机消耗功率单位质量制冷剂消耗的功第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理根据热力学第一定律qc=qe+w制冷性能系数制热性能系数COPh=1+COP第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理压缩机吸入口容积流量单位容积制冷量注意：制冷机的容积流量各处不一定相等。如无特殊说明、qv均指压缩机吸汽口处的物理量。第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理Te和Tc对饱和循环的影响蒸发温度变化的影响当Te↑，则qe↑，qv↑，w↓，qc↓，COP↑，COPh↑冷凝温度变化的影响当Tc↓，则qe↑，qv↑，w↓，COP↑，COPh↑，qc与制冷剂性质有关，一般是增加的。第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理2.4饱和循环和理想循环的比较饱和循环和逆卡诺循环在T-s上的比较逆卡诺循环：1-5-2'-3-6-1饱和循环：1-2-2'-3-4-1逆卡诺循环与饱和循环的比较逆卡诺循环饱和循环差值（饱和-逆卡诺）单位质量制冷量qe面积6-1-c-a-6面积4-1-c-b-4-A2单位冷凝热量qc面积5-3-a-c-5面积2-2'-3-a-c-2+A1单位压缩功w面积1-5-3-6-1面积1-2-2'-3-a-b-4-1A1+A2COP变化?第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理蒸气压缩制冷（热泵）饱和循环与理想循环的3个不同点是：①干压缩代替湿压缩；②用节流阀代替膨胀机；③吸热及放热过程为定压过程且存在传热温差。1．蒸汽压缩式制冷理论循环中为什么用节流阀代替膨胀机，对制冷系数有何影响？2．蒸汽压缩式制冷理论循环中为什么用干压缩代替湿压缩？对制冷系数有何影响？思考题第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理

1.（1）用节流阀代替膨胀机原因：①进入膨胀机的是液态制冷剂，体积变体很小，膨胀机体积也要很小，难于制造；②膨胀机作功能力不足以克服机器本身的摩擦阻力；③节流阀便于调节进入蒸发器的制冷剂流量。

用节流阀取代膨胀机，损失了膨胀功A2和单位制冷量减少了A2（称节流损失），降低了制冷系数。（2）对制冷系数的影响：第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理2.（1）干压缩代替湿压缩的原因：①湿压缩制冷能力降低：吸入湿蒸汽时，制冷剂与压缩机汽缸壁热交换强烈，因为压缩后温度很高，吸入时流体碰到热的汽缸壁，液珠变为气体，占据了汽缸的有效空间，使压缩机吸入制冷剂的质量减少；同时，汽缸壁受到强烈冷却，压缩时汽缸壁又从压缩蒸汽中吸收热量，这种强烈热交换不可逆程度增加，熵增大，耗功量增大。②避免液击（敲缸）危险：当大量液体制冷剂进入汽缸时，因液体是不可压缩的，所以当压缩机活塞冲到尽头时，汽缸的压力大增，引起液压冲击，使压缩机和电机受到危害。这是不允许的。

（2）对制冷系数的影响：采用干压缩后，压缩多耗了功A1（称过热损失）；且排汽温度升高了。降低了制冷系数。

第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理由于有过热损失和节流损失，导致性能系数下降。用制冷循环效率来衡量饱和循环接近逆卡诺循环的程度。4种制冷剂的节流损失、过热损失、排汽温度和循环效率（te/tc=0℃/40℃）制冷剂节流损失过热损失t2（℃）COPηR（%）A2（kJ/kg）（%）（%）A1（kJ/kg）（%）R134a4.29220.162.950.1160.55445.48780.4R224.08417.452.560.5762.558.45.54681.2R71713.8038.721.2813.588.5795.75.74584.2R1231.7238.21.200406.23291.3热泵循环效率分别为82.8%、83.7%、86.2%、92.4%第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理2.5饱和循环的改进措施过热损失和节流损失是导致性能系数偏离逆卡诺循环的主要原因。节流损失节流前过冷安装过冷器增加传热面积安装回热器回收膨胀功中间冷却或多级压缩过冷度Pk/P0>8蒸气回热循环过冷、过热度过热损失大容量制冷装置中采用膨胀机（少）思考题节流阀前液体过冷有何意义？第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理qe、qv、COP每过冷1℃的增加百分数（te/tc=0℃/40℃）制冷剂R134aR22R717R123qe、qv、COP增加百分率（%）1.050.840.440.721、节流前过冷第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理2、回热循环4种制冷剂采用回热循环后COP、COPh、qv增减百分比及t2制冷剂R134aR22R717R123COP增减百分比（％）13.9-1.14-4.21-3.2COPh增减百分比（％）11.8-0.97-3.6-2.8qv增减百分比（％）2.49-1.03-4.531.5排汽温度t2（℃）62.877.912059.8第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理3、使用膨胀机第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理4、多级压缩第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理2.6双级压缩制冷（热泵）循环思考题多级压缩中间冷却意义？压力比增加对循环的影响R134a在以下两种工况循环的比较te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.471-2-3-4-1：压力比为3.47的饱和循环1-2'-3'-4'-1：压力比为7.23的饱和循环qe、qc、qv和COP、COPh？压力比增加对循环的影响R134a在以下两种工况循环的比较te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下两种工况循环的比较压力比增加对循环的影响te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下两种工况循环的比较压力比增加对循环的影响te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下两种工况循环的比较1-2-3-4-1：压力比为3.47的饱和循环1-2'-3'-4'-1：压力比为7.23的饱和循环压力比增加对循环的影响te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下两种工况循环的比较1-2-3-4-1：压力比为3.47的饱和循环1-2'-3'-4'-1：压力比为7.23的饱和循环压力比增加对循环的影响te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下两种工况循环的比较1-2-3-4-1：压力比为3.47的饱和循环1-2'-3'-4'-1：压力比为7.23的饱和循环压力比增加对循环的影响te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下两种工况循环的比较qe、qc、qv和COP、COPh？不同压力比的饱和循环在lgp-h图上的比较1-2-3-4-1：压力比为3.47的饱和循环1-2'-3'-4'-1：压力比为7.23的饱和循环压力比增加对循环的影响te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下两种工况循环的比较第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理如何改善大压力比对制冷（热泵）循环带来的不利影响呢？-------采用双级或者多级循环1、两级节流完全中间冷却的双级制冷（热泵）循环两级节流完全中间冷却的双级压缩制冷（热泵）循环用于过热损失和节流损失均较大的制冷剂循环中第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理2、两级节流不完全中间冷却的双级制冷（热泵）循环两级节流不完全中间冷却的双级压缩制冷（热泵）循环（状态点8为完全冷却）用于节流损失大、过热损失小的制冷剂循环中第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理3、一级节流不完全中间冷却的双级制冷（热泵）循环一级节流不完全中间冷却的双级压缩制冷（热泵）循环节流损失大的循环中，可利用压缩机的吸热继续对状态6的液体进行冷却第二章蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理4、准双级制冷（热泵）循环有两级叶轮的离心式压缩机可实现此循环。第一级叶轮相当于低压级压缩机，第二级叶轮相当于高压级压缩机。

双级压缩制冷（热泵）循环的热力计算

（1）单位质量制冷量qe=h1－h6（2）低压级压缩机单位压缩功wL=h2－h1（3）高压级压缩机单位压缩功wH=h4－h3（4）低压级压缩机质量流量和容积流量第二章蒸