1、2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室第二章第二章 单级蒸气压缩式制冷循环单级蒸气压缩式制冷循环2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室 压缩机（压缩机（CompressorCompressor）冷凝器（冷凝器（CondenserCondenser）节流元件（节流元件（Expansion/ThrottleExpansion/Throttle valvevalve）蒸发器（蒸发器（EvaporatorEvaporator）低温、低压蒸气低温、低压蒸气高压、过热蒸气高压、过热蒸气高压、过热蒸气高压、过热蒸气高压液体高压液体高压液体高压液体低温、低压两相流体低温、低压两
2、相流体低温、低压两相流体低温、低压两相流体低温、低压蒸气低温、低压蒸气2.1.1 2.1.1 单级蒸气压缩式制冷理论循环组成及工作过程单级蒸气压缩式制冷理论循环组成及工作过程2.1 2.1 单级蒸气压缩式制冷的理论循环单级蒸气压缩式制冷的理论循环2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室（1 1）压缩机：等熵压缩；）压缩机：等熵压缩；（2 2）冷凝器：等压放热，降温、有温差冷却，）冷凝器：等压放热，降温、有温差冷却，定温、无温差冷凝；定温、无温差冷凝；（5 5）出蒸发器的为饱和蒸气，出冷凝器的为饱和液体；）出蒸发器的为饱和蒸气，出冷凝器的为饱和液体；（6 6）制冷剂在设备（除节流元
3、件）、管道内流动过程中没）制冷剂在设备（除节流元件）、管道内流动过程中没有流动阻力损失，与外界没有热量交换。有流动阻力损失，与外界没有热量交换。（4 4）蒸发器：等压吸热，定温、无温差蒸发；）蒸发器：等压吸热，定温、无温差蒸发；（3 3）节流元件：绝热节流，等焓；）节流元件：绝热节流，等焓；2.1 2.1 单级蒸气压缩式制冷的理论循环单级蒸气压缩式制冷的理论循环理论循环的几个要点理论循环的几个要点2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室压压焓图焓图一种以绝对压力的对数值为纵坐标、焓值为横坐标的热工图表一种以绝对压力的对数值为纵坐标、焓值为横坐标的热工图表2015-9-22机械学院
4、能动教研室机械学院能动教研室饱和液体线压力焓压压焓图焓图2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室压力焓干饱和蒸气线临界点压压焓图焓图2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室饱和液体线压力焓干饱和蒸气线湿蒸气区临界点过热蒸气区过冷液体区压压焓图焓图 当气体温度超过临界温度后无法液化，物质的当气体温度超过临界温度后无法液化，物质的临界状态是物质的一种共性。临界状态是物质的一种共性。在临界状态时，液体和饱和蒸气不仅有相同的压力和温度，还具有相同的在临界状态时，液体和饱和蒸气不仅有相同的压力和温度，还具有相同的比容和熵，它们之间的一切差别都消失了。比容和熵，它们之间的一切差
5、别都消失了。高于临界温度时，物质仅能以单相存在。高于临界温度时，物质仅能以单相存在。在临界点上，饱和液体转变为饱和蒸气时，没有容积变化在临界点上，饱和液体转变为饱和蒸气时，没有容积变化2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室压压力力焓焓100%100%液体液体压压焓图焓图2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室压力焓100%气体压压焓图焓图2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室液体液体气液混合气液混合气体气体蒸发蒸发冷凝冷凝加热加热温度升高温度升高温度和压力不变温度和压力不变温度和压力不变温度和压力不变冷却冷却温度降低温度降低压压力力焓焓压压焓图焓图
6、2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室等压线等压线：水平线水平线等焓线等焓线：垂直线垂直线等干度线等干度线：只存在于湿蒸汽区域内，走向与饱和液体线或干饱只存在于湿蒸汽区域内，走向与饱和液体线或干饱和蒸气线基本一致和蒸气线基本一致压力焓干饱和蒸气线饱和液体线等压线等焓线等干度线压压焓图焓图2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室压力焓等熵线等容线等温线干饱和蒸气线饱和液体线等温线：等温线：在液体区几乎为垂直线，在湿蒸气区为水平线，在过热蒸气区为稍许向在液体区几乎为垂直线，在湿蒸气区为水平线，在过热蒸气区为稍许向右下方弯曲的右下方弯曲的倾斜倾斜曲线曲线等熵线：等熵线：
7、从左到右稍向上弯曲从左到右稍向上弯曲的曲线的曲线等容线等容线：在湿蒸气区和过热蒸气区中从左到右稍向上弯曲的曲线，但比等熵线平在湿蒸气区和过热蒸气区中从左到右稍向上弯曲的曲线，但比等熵线平坦。液区无等容线，因为不同压力的液体容积变化不大坦。液区无等容线，因为不同压力的液体容积变化不大压压焓图焓图2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室压压-焓图上每一点都代表制冷剂的某一状态焓图上每一点都代表制冷剂的某一状态在温度、压力、比容、焓、熵、干度六个状态参数中，只要在温度、压力、比容、焓、熵、干度六个状态参数中，只要知道其中任意两个（对于饱和液体及干饱和蒸气只要知道一知道其中任意两个（对于
8、饱和液体及干饱和蒸气只要知道一个）状态参数，就可以在图上确定其状态，从而查出其它几个）状态参数，就可以在图上确定其状态，从而查出其它几个状态参数个状态参数压压焓图焓图2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室等温线等温线等比熵线等比熵线等压线等压线等比体积线等比体积线等比焓线等比焓线等干度线等干度线温温熵图熵图2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室 理论制冷循环过程在压焓图上的表示理论制冷循环过程在压焓图上的表示1 1）制冷压缩机压缩过程）制冷压缩机压缩过程（等熵压缩）（等熵压缩）2 2）制冷剂冷却、冷凝过程）制冷剂冷却、冷凝过程（等压放热）（等压放热）3 3）制冷
9、剂膨胀过程）制冷剂膨胀过程 （节流过程）（节流过程）4 4）制冷剂蒸发过程）制冷剂蒸发过程 （等压吸热）（等压吸热）0p1skp22334hh 42015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室 图4-2 理论循环在T-s图和lgp-h图上的表示 2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室 复习巩固12342015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室2.1.4 2.1.4 单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算000COPP00WWkPk 表示蒸发器中单位时间内向制冷剂传递的热量，也称循环制冷量，单位表示压缩机的输入功率，保持循环运
10、行付出的代价，单位21()kWmPqhh 热力计算主要目的获得一些参数如性能系数等。热力计算主要目的获得一些参数如性能系数等。根据热力学第一定律，如果忽略位能和动能的变化，稳定流动能量方根据热力学第一定律，如果忽略位能和动能的变化，稳定流动能量方程可表示为程可表示为 和和P P是单位时间内加给系统的热量和功；是单位时间内加给系统的热量和功；q qm m是流进或流出该系统的质量流量；是流进或流出该系统的质量流量；h h是比焓；下标是比焓；下标1 1和和2 2分别表示流进系统和流出系统的。分别表示流进系统和流出系统的。当热量和功施加于系统时，热量和功取正值，上式适用于制冷系统的当热量和功施加于系统
11、时，热量和功取正值，上式适用于制冷系统的每一台设备。每一台设备。（2-1）2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室1.1.膨胀阀膨胀阀绝热节流，交换热量和功均为零，式（绝热节流，交换热量和功均为零，式（2-12-1）转变为）转变为h h3 3=h h4 42.2.压缩机压缩机忽略压缩机与环境的换热，由式（忽略压缩机与环境的换热，由式（2-12-1）得）得P P0 0=q=qm m(h h2 2-h h1 1)3.3.蒸发器蒸发器（不做功，制冷剂吸收被冷却却物体热量）（不做功，制冷剂吸收被冷却却物体热量）由式（由式（2-12-1）得）得4.4.冷凝器冷凝器(制冷剂向外界放出热量）制
12、冷剂向外界放出热量）013()mqhh 23()kmqhh 2.1.4 2.1.4 单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算21()kWmPqhh（2-1）0140021COPhhPhh2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室1单位质量制冷量单位质量制冷量 q0=h1h42单位容积制冷量单位容积制冷量 qv=q0/v13制冷剂质量流量制冷剂质量流量 qm=Q0/q04单位理论比功单位理论比功 w0=h2h15压缩机消耗的理论功率压缩机消耗的理论功率 P0=qmw06压缩机吸入的容积压缩机吸入的容积 V=qmv17制冷系数制冷系数 COP0=q0/w
13、08冷凝器单位热负荷冷凝器单位热负荷 qk=h2h39冷凝器热负荷冷凝器热负荷 Qk=qmqk 10热力完善度热力完善度 COP0/COPc COPc=T0/（TK-T0）2.1.4 单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算用单位质量制冷量来计算相关量，只需用单位质量制冷量来计算相关量，只需除以质量流量除以质量流量qm2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室 例例2-12-1单级蒸气压缩制冷理论循环的蒸发温度单级蒸气压缩制冷理论循环的蒸发温度t t0 0=-10=-10，冷凝温度冷凝温度t tk k=35=35，工质为，工质为R22R22，循环的制
14、冷量，循环的制冷量Q Q0 0=55kW=55kW。试对该循环进行热力计算。试对该循环进行热力计算。2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室根 据根 据 R 2 2R 2 2 的 热 力 性 质 表的 热 力 性 质 表(P310P310附表附表4 4），查出有关），查出有关状态参数值：状态参数值：h h1 1=4 0 1.1 8 0 k J/k g =4 0 1.1 8 0 k J/k g v v1 1=0.0 6 5 4 m=0.0 6 5 4 m3 3/k g/k gh h3 3=h=h4 4=242.930 kJ/kg =242.930 kJ/kg p p0 0=p=p1
15、 1=0.3 5 5 M P a=0.3 5 5 M P ap pk k=1.3496 MPa =1.3496 MPa 由图（由图（P343P343附图附图2 2）可知：）可知：h h2 2=4 3 5.2 0 k J/k g =4 3 5.2 0 k J/k g t t2 2=57=57 2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室1单位质量制冷量单位质量制冷量q0=h1h4=158.25 kJ/kg 2单位容积制冷量单位容积制冷量 qv=q0/v1=2419.7 kJ/m33制冷剂质量流量制冷剂质量流量 qm=Q0/q0=0.3475 kg/s4单位理论比功单位理论比功 w0=h
16、2h1=34.02 kJ/kg 5压缩机消耗的理论功率压缩机消耗的理论功率P0=qmw0=11.82 kW6压缩机吸入的容积压缩机吸入的容积 V=qmv1=0.0227 m3/s 7制冷系数制冷系数 0=q0/w0=4.658冷凝器单位热负荷冷凝器单位热负荷qk=h2h3=192.27 kJ/kg 9冷凝器热负荷冷凝器热负荷 Qk=qmqk=66.81 kW10热力完善度热力完善度 c=T0/（TK-T0）=5.84 0/c=0.7962015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室 例例2-22-2一台单级蒸气压缩制冷机工作在高温热源温度为一台单级蒸气压缩制冷机工作在高温热源温度为40
17、40，低温热源温度为，低温热源温度为-20-20下，试求分别用下，试求分别用R134aR134a、R22R22和和R717R717工作时理论循环性能指标。工作时理论循环性能指标。2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室2.2 2.2 单级蒸气压缩式制冷实际循环单级蒸气压缩式制冷实际循环实际循环和理论循环的差异主要表现在：实际循环和理论循环的差异主要表现在：1 1）热交换过程中，有）热交换过程中，有制冷剂液体过冷、蒸气过热制冷剂液体过冷、蒸气过热现象存在。通常制冷压缩机现象存在。通常制冷压缩机的吸气是过热蒸气，节流前的液体是过冷液体。的吸气是过热蒸气，节流前的液体是过冷液体。2 2
18、）制冷剂在设备及管道内流动时，）制冷剂在设备及管道内流动时，存在流动阻力损失存在流动阻力损失，且与外界，且与外界有热量交换有热量交换。3 3）压缩过程是）压缩过程是非等熵过程非等熵过程，且有摩擦损失。，且有摩擦损失。4 4）制冷系统中存在着）制冷系统中存在着不凝性气体不凝性气体。5 5）热交换过程中，）热交换过程中，存在传热温差存在传热温差，被冷却对象温度高于制冷剂的蒸发温度，被冷却对象温度高于制冷剂的蒸发温度，环境介质温度低于制冷剂冷凝温度，即环境介质温度低于制冷剂冷凝温度，即T TL LTT0 0、T TH HTvq无效无效12 pp1 v0w02.2.4 热交换及压力损失对循环性能的影响
19、热交换及压力损失对循环性能的影响2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室2）排气管道）排气管道 对系统性能的影响比吸气管道小！对系统性能的影响比吸气管道小！排气管道的换热排气管道的换热排气管道的压力降排气管道的压力降无影响无影响22p0w0容积效率容积效率2.2.4 热交换及压力损失对循环性能的影响热交换及压力损失对循环性能的影响2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室3 3）液体管道）液体管道 液体管道的换热液体管道的换热液体管道的压力降液体管道的压力降过冷过冷0q流速相对小流速相对小 阻力相对较小阻力相对较小 节流装置节流装置位置位置要高于冷凝器，要高于冷凝器，
20、防止液体制冷剂气化！防止液体制冷剂气化！2.2.4 热交换及压力损失对循环性能的影响热交换及压力损失对循环性能的影响2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室4 4）膨胀阀到蒸发器之间的两相管道）膨胀阀到蒸发器之间的两相管道 两相管道的换热两相管道的换热两相管道的压力降两相管道的压力降被冷却空间内被冷却空间内有效有效被冷却空间外被冷却空间外0q压力降对系统性能无影响，压力降对系统性能无影响，但是若多蒸发器用一节流元件，要但是若多蒸发器用一节流元件，要保证分液均匀。保证分液均匀。2.2.4 热交换及压力损失对循环性能的影响热交换及压力损失对循环性能的影响2015-9-22机械学院能动
21、教研室机械学院能动教研室5 5）蒸发器）蒸发器 4不改变制冷剂流出蒸发器时的状态不改变制冷剂流出蒸发器时的状态4 p 4p4 t 4t443hhh对系统性能系数无影响对系统性能系数无影响传热温差传热温差传热面积传热面积2.2.4 热交换及压力损失对循环性能的影响热交换及压力损失对循环性能的影响2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室6 6）冷凝器）冷凝器 2p12pp0w0假定流出冷凝器时制冷剂压力不变假定流出冷凝器时制冷剂压力不变进冷凝器时制冷剂的压力提高进冷凝器时制冷剂的压力提高2.2.4 热交换及压力损失对循环性能的影响热交换及压力损失对循环性能的影响2015-9-22机械
22、学院能动教研室机械学院能动教研室7 7）压缩机）压缩机1 1）压缩机进气压力低于制冷剂蒸气压力、实际吸气量减小。）压缩机进气压力低于制冷剂蒸气压力、实际吸气量减小。吸气管道、吸气阀件时有摩阻压降。低温蒸气进入压缩气吸气管道、吸气阀件时有摩阻压降。低温蒸气进入压缩气缸时将吸收气缸壁热量而比体积增大。缸时将吸收气缸壁热量而比体积增大。2 2）实际压缩过程是）实际压缩过程是绝热非等熵过程绝热非等熵过程。存在与外界环境的换热，压缩过程是一个多变指数不断变存在与外界环境的换热，压缩过程是一个多变指数不断变化着的不可逆多变过程，其表现出来的总效应使得压缩后化着的不可逆多变过程，其表现出来的总效应使得压缩后
23、的的熵增加熵增加。2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室3 3）存在排气损失和排气节流损失，造成系统附加能耗。）存在排气损失和排气节流损失，造成系统附加能耗。活塞式制冷机的实际排气压力高于冷凝压力时，才能开启排活塞式制冷机的实际排气压力高于冷凝压力时，才能开启排气阀件，制冷剂通过排气阀件时有节流压降。螺杆式制冷机气阀件，制冷剂通过排气阀件时有节流压降。螺杆式制冷机排气压力高于背压间才能顺利排气。排气压力高于背压间才能顺利排气。4 4）实际输气量的减少，无效耗功增大。）实际输气量的减少，无效耗功增大。制冷剂会通过制冷机内部部件的间隙由高压部位向低压部位制冷剂会通过制冷机内部部件的
24、间隙由高压部位向低压部位泄漏，且制冷压缩机存在余隙容积。存在机械摩擦。泄漏，且制冷压缩机存在余隙容积。存在机械摩擦。2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室定义：定义：冷凝压力下不能冷凝为液体的气体冷凝压力下不能冷凝为液体的气体来源：来源：系统检修时带入的空气。部分润滑油、制冷剂发生的系统检修时带入的空气。部分润滑油、制冷剂发生的 分解。制冷压缩机负压时低压部分渗透进来的空气。分解。制冷压缩机负压时低压部分渗透进来的空气。影响：影响：冷凝面积减少冷凝面积减少 冷凝器内的压力增加冷凝器内的压力增加 压缩机排气压力、温度提高压缩机排气压力、温度提高 比功增加比功增加 制冷系数下降制冷
25、系数下降 制冷量减少制冷量减少 压缩机容积效率降低压缩机容积效率降低2.2.5 不凝性气体对循环性能的影响不凝性气体对循环性能的影响为有害气体，应及时排除为有害气体，应及时排除2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室4 4-1-1表示制冷剂在蒸发器汽化和压降过程；表示制冷剂在蒸发器汽化和压降过程；1-11-1 表示制冷剂蒸气的过热（有益或有害）和压降过程；表示制冷剂蒸气的过热（有益或有害）和压降过程；1 1-2-2s s 表示制冷剂蒸气在制冷压缩机内实际的非等熵压缩过程；表示制冷剂蒸气在制冷压缩机内实际的非等熵压缩过程；2s2s-2-2s s表示制冷压缩机压缩后的制冷剂蒸气经过排
26、气阀的压降过程；表示制冷压缩机压缩后的制冷剂蒸气经过排气阀的压降过程；2s-32s-3表示制冷剂蒸气经排气管进入冷凝器的冷却、冷凝和压降过程；表示制冷剂蒸气经排气管进入冷凝器的冷却、冷凝和压降过程；3-33-3 表示制冷剂液体的过冷和压降过程；表示制冷剂液体的过冷和压降过程；3 3-4-4 表示制冷剂液体的非绝热节流过程表示制冷剂液体的非绝热节流过程 2.2.6 单级压缩实际制冷循环单级压缩实际制冷循环2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室实际循环的简化实际循环的简化1 1）不考虑压力降不考虑压力降，以及管道的传热和管道内制冷剂的状，以及管道的传热和管道内制冷剂的状态变化，将这
27、些问题归属于制冷工艺设计中解决。态变化，将这些问题归属于制冷工艺设计中解决。2 2）忽略节流时制冷剂与环境的换热，仍）忽略节流时制冷剂与环境的换热，仍近似认为是等焓近似认为是等焓过程过程。3 3）考虑制冷剂与热源、冷源间的有温差传热。）考虑制冷剂与热源、冷源间的有温差传热。4 4）考虑制冷循环中的蒸气过热和液体过冷现象的影响。）考虑制冷循环中的蒸气过热和液体过冷现象的影响。5 5）通过）通过输气系数输气系数（容积效率）（容积效率）、制冷压缩机的、制冷压缩机的指示效指示效率率ii将压缩过程中的实际输气量的减少、压缩的非等熵将压缩过程中的实际输气量的减少、压缩的非等熵变化等复杂的不可逆过程，变化等
28、复杂的不可逆过程，简化成一个从吸气压力简化成一个从吸气压力p1p1（p1=p0p1=p0）到排气压力）到排气压力p2p2（p2=pkp2=pk）的简单增熵压缩过程）的简单增熵压缩过程。2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室 简化分析的单级制冷实际循环的热力状态图1 111为蒸气过热过程，为蒸气过热过程，11是制冷压缩机吸气状态点。是制冷压缩机吸气状态点。11一一22为实际增熵压缩过程。为实际增熵压缩过程。22是实际压缩过程排气状态点，也是进入冷凝器的蒸气状态点。是实际压缩过程排气状态点，也是进入冷凝器的蒸气状态点。11(2)(2)为理论压缩过程。为理论压缩过程。223 34 4
29、为制冷剂在冷凝压力为制冷剂在冷凝压力pKpK下的等压冷却冷凝过程。下的等压冷却冷凝过程。4 45 5为制冷剂在冷凝压力为制冷剂在冷凝压力pkpk下的再冷却过程。下的再冷却过程。5 56 6为制冷剂的等焓节流过程。为制冷剂的等焓节流过程。6 61 1为制冷剂在蒸发压力为制冷剂在蒸发压力p0p0下的等压汽化吸热过程。下的等压汽化吸热过程。2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室单级蒸气压缩式制冷实际循环的热力性能及分析单级蒸气压缩式制冷实际循环的热力性能及分析1 1、单位质量制冷量和单位容积制冷量、单位质量制冷量和单位容积制冷量10610610)()(vqqhhqhhqv有害有效11
30、2(2)3456,ppk0Lg ph简化后的实际循环在压焓图上的表示简化后的实际循环在压焓图上的表示2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室2 2、理论比功、指示比功和指示效率、理论比功、指示比功和指示效率112(2)3456,ppk0Lg p简化后的实际循环在压焓图上的表示简化后的实际循环在压焓图上的表示021whh21iwhhiiww0h2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室3、单位冷凝热负荷、单位冷凝热负荷112(2)3456,ppk0Lg ph简化后的实际循环在压焓图上的表示简化后的实际循环在压焓图上的表示24kqhh2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室00wqPmiiPP000qQqm4、制冷剂质量流量、制冷剂质量流量5、压缩机的理论功率和指示功率、压缩机的理论功率和指示功率6、冷凝器的热负荷、冷凝器的热负荷kmkqqQ 2015-9-22机械学院能动教研室机械学院能动教研室iPQ08 8、热力完善度、热力完善度（实际制冷循环与逆卡诺循环制冷系数的比值）（实际制冷循环与逆卡诺循环制冷系数的比值）c7 7、实际制冷系数、实际制冷系数inPQREE0.9 9、能效比（有效制冷量与总输入功率的比值）、能效比（有效制冷量与总输入功率的比值）
