1、建筑设备热建筑设备热源与冷源源与冷源主编：王丽 陈志佳单元单元12蒸气压缩式系蒸气压缩式系统的热力学原理统的热力学原理单元单元2锅炉的构造锅炉的构造目录目录蒸气压缩式制冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理1蒸气压缩式制冷的理论循环蒸气压缩式制冷的理论循环2蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环4压焓图及制冷理论循环的热力学计算压焓图及制冷理论循环的热力学计算3 3节流阀前过冷及吸气过热循环节流阀前过冷及吸气过热循环3 5单元单元2锅炉的构造锅炉的构造12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理在日常生活中我们都经历过这样的事情：打针时，给在日常生活中我们都经历过这样的事
2、情：打针时，给皮肤涂上酒精液体，会有凉凉的感觉，并且酒精很快会干皮肤涂上酒精液体，会有凉凉的感觉，并且酒精很快会干掉，这是因为酒精吸收了皮肤上的热量，由液体变成了气掉，这是因为酒精吸收了皮肤上的热量，由液体变成了气体。我们知道，液体气化时都要从周围物体吸收热量。蒸体。我们知道，液体气化时都要从周围物体吸收热量。蒸气压缩式制冷就是利用液体气化时要吸收热量这一特性来气压缩式制冷就是利用液体气化时要吸收热量这一特性来达到制冷的目的。达到制冷的目的。在制冷装置中用来实现制冷循环的工作物质称为制冷在制冷装置中用来实现制冷循环的工作物质称为制冷工质或制冷剂。在电冰箱、空调器中就是利用氟利昂这种工质或制冷剂
3、。在电冰箱、空调器中就是利用氟利昂这种制冷剂来为我们创造低温环境。制冷剂来为我们创造低温环境。单元单元2锅炉的构造锅炉的构造热力学是研究热能与其他形式的能量之间相互转换的热力学是研究热能与其他形式的能量之间相互转换的规律，以及热力系统内、外条件对能量转换的影响的学科。规律，以及热力系统内、外条件对能量转换的影响的学科。制冷技术服从热力学基本规律。制冷技术服从热力学基本规律。热力学第一定律指出，自然界的一切物质都具有能量，热力学第一定律指出，自然界的一切物质都具有能量，能量能够从一种形式转换为另一种形式，从一个物体传递能量能够从一种形式转换为另一种形式，从一个物体传递到另一个物体，在转换与传递过
4、程中数量不变。到另一个物体，在转换与传递过程中数量不变。12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理12.1.1 热力学基本定律在制冷技术中的应用热力学基本定律在制冷技术中的应用单元单元2锅炉的构造锅炉的构造热力学第二定律揭示了能量交换和转换的条件、深度热力学第二定律揭示了能量交换和转换的条件、深度和方向。热量总是自发地从高温物体传向低温物体，就像和方向。热量总是自发地从高温物体传向低温物体，就像水总是从高处向低处流。但热量不能自发地从一个低温物水总是从高处向低处流。但热量不能自发地从一个低温物体传向另一个高温物体，如果要使此过程能够进行，必须体传向另一个高温物体，如果要使此过程
5、能够进行，必须有一个能量补偿过程，需要消耗外界的能量（电能或热有一个能量补偿过程，需要消耗外界的能量（电能或热能），蒸气压缩式制冷循环就是用压缩机等设备，以消耗能），蒸气压缩式制冷循环就是用压缩机等设备，以消耗机械能作为补偿，借助制冷剂的状态变化将低温物体的热机械能作为补偿，借助制冷剂的状态变化将低温物体的热量传向高温物体。制冷剂在制冷系统中要经过怎样的热力量传向高温物体。制冷剂在制冷系统中要经过怎样的热力循环才能实现人工制冷呢？经过哪种热力过程所组成的制循环才能实现人工制冷呢？经过哪种热力过程所组成的制冷循环在理论上最为经济？下面我们就这些问题，借助于冷循环在理论上最为经济？下面我们就这些问
6、题，借助于逆卡诺循环进行说明。逆卡诺循环进行说明。12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理单元单元2锅炉的构造锅炉的构造图图12.1所示是所示是逆卡诺循环的逆卡诺循环的T-S图。制冷工质在恒温热图。制冷工质在恒温热源（被冷却物体）的温度源（被冷却物体）的温度T0和恒温热源（环境介质）的温和恒温热源（环境介质）的温度度Tk间，按可逆循环进行工作。制冷工质在吸热过程中，间，按可逆循环进行工作。制冷工质在吸热过程中，其温度与被冷却物体的温度其温度与被冷却物体的温度T0相等；在放热过程中，与环相等；在放热过程中，与环境介质温度境介质温度Tk相等。也就是说在吸热和放热过程中，工质相等。
7、也就是说在吸热和放热过程中，工质与被冷却物体及环境介质之间没有温差，传热是在等温下与被冷却物体及环境介质之间没有温差，传热是在等温下进行的，压缩过程与膨胀过程都是在没有任何热量损失的进行的，压缩过程与膨胀过程都是在没有任何热量损失的情况下进行的。逆卡诺循环过程中，情况下进行的。逆卡诺循环过程中，34为为 12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理12.1.2 逆卡诺循环逆卡诺循环单元单元2锅炉的构造锅炉的构造绝热膨胀过程，制冷工质沿绝热线绝热膨胀过程，制冷工质沿绝热线34膨胀，对外做功膨胀，对外做功w2，温度从，温度从Tk下降到下降到T0；41为等温吸热过程，制冷为等温吸热过程
8、，制冷工质沿等温线工质沿等温线4-1，在，在T0温度下，从被冷却物体吸收热量温度下，从被冷却物体吸收热量q0；12为绝热压缩过程，工质从状态为绝热压缩过程，工质从状态1被绝热压缩至状被绝热压缩至状态态2，耗功，耗功w1，温度从，温度从T0升高至升高至Tk；然后沿等温线；然后沿等温线23压缩。在压缩。在23过程中，工质在过程中，工质在Tk温度下向高温热源放出温度下向高温热源放出热量热量qc。这样，在每一循环过程中，这样，在每一循环过程中，1 kg工质从低温热源吸取工质从低温热源吸取q0热量，消耗循环净功为热量，消耗循环净功为w0，向高温热源放出热量，向高温热源放出热量qc。12.1 蒸气压缩式制
9、冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理单元单元2锅炉的构造锅炉的构造根据热力学第一定律，有根据热力学第一定律，有qc=w0+q0（12.1）制冷循环的性能指标是制冷系数，它表示消耗单位热制冷循环的性能指标是制冷系数，它表示消耗单位热量所能获得的制冷量，用量所能获得的制冷量，用表示。表示。=q0/w0 （12.2）逆卡诺循环的制冷系数可从图逆卡诺循环的制冷系数可从图12.1推得：推得：q0=T0（Sa-Sb）qc=Tk(Sa-Sb)w0=qc-q0=(Tk-T0)(Sa-Sb)12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理单元单元2锅炉的构造锅炉的构造所以逆卡诺循环的制冷系数为：所以逆
10、卡诺循环的制冷系数为：c=q0/w0=T/(Tk-T0)（12.3）由式由式(12.3)看出：看出：(1)c与制冷工质的性质无关，只与与制冷工质的性质无关，只与T0、Tk有关；有关；(2)T0升高或升高或Tk降低时，降低时，c增大，循环经济性越好。增大，循环经济性越好。而且，而且，T0对对c的影响要比的影响要比Tk大，这点可以从下面两个偏导大，这点可以从下面两个偏导数的绝对值看出。数的绝对值看出。12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理单元单元2锅炉的构造锅炉的构造|c/Tk|=T0/(Tk-T0)2|c/T0|=Tk/(Tk-T0)2由于由于TkT0，所以有，所以有|c/T
11、0|c/Tk|（12.4）由式由式(12.4)可知，可知，T0与与Tk对制冷系数的影响不是相等对制冷系数的影响不是相等的，的，T0的影响要大于的影响要大于Tk。12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理单元单元2锅炉的构造锅炉的构造12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理图12.1 逆卡诺循环单元单元2锅炉的构造锅炉的构造前面讲过实现逆卡诺循环的一个重要条件是制冷剂与前面讲过实现逆卡诺循环的一个重要条件是制冷剂与被冷却物体和冷却介质之间必须在无温差情况下相互传热，被冷却物体和冷却介质之间必须在无温差情况下相互传热，而实际的热交换过程总是在有温差的情况下进行的，
12、理论而实际的热交换过程总是在有温差的情况下进行的，理论上要求蒸发器和冷凝器具有无限大的传热面积，这当然是上要求蒸发器和冷凝器具有无限大的传热面积，这当然是不可能的。所以，实际有传热温差的制冷循环的制冷系数，不可能的。所以，实际有传热温差的制冷循环的制冷系数，不仅与被冷却物体和冷却介质的温度有关，还与热交换过不仅与被冷却物体和冷却介质的温度有关，还与热交换过程的传热温差有关。由于热交换中存在温差，因而在吸热程的传热温差有关。由于热交换中存在温差，因而在吸热过程中，工质的温度过程中，工质的温度T0应低于低温热源的温度应低于低温热源的温度T0，即，即T0T0；在放热过程中，工质的温度；在放热过程中，
13、工质的温度Tk应高于高温热源的应高于高温热源的温度温度Tk，即，即TkTk。将具有传热温差的制冷循环画在。将具有传热温差的制冷循环画在T-S图上，图上，如图如图12.2所示所示。12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理12.1.3 有传热温差的制冷循环有传热温差的制冷循环单元单元2锅炉的构造锅炉的构造逆卡诺循环用逆卡诺循环用图图12.2中中的的12341表示，有表示，有传热温差的制冷循环用图传热温差的制冷循环用图12.2中的中的12341表示，所表示，所消耗的功量为面积消耗的功量为面积12341，比逆卡诺循环多消耗的功为，比逆卡诺循环多消耗的功为22332和和11441，减少
14、的制冷量为面积，减少的制冷量为面积11441。具有传热温差的制冷循环的制冷系数为：具有传热温差的制冷循环的制冷系数为：c=T0/(Tk-T0)=1/(Tk/T0-1)（12.5）将它与逆卡诺循环的制冷系数相比，由于将它与逆卡诺循环的制冷系数相比，由于TkTk，T0T0，所以，所以cc。12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理单元单元2锅炉的构造锅炉的构造由此可见，具有传热温差的制冷循环的制冷系数总是由此可见，具有传热温差的制冷循环的制冷系数总是小于逆卡诺循环的制冷系数，一切实际制冷循环均为不可小于逆卡诺循环的制冷系数，一切实际制冷循环均为不可逆循环，因此，实际循环的制冷系数总
15、是小于工作在相同逆循环，因此，实际循环的制冷系数总是小于工作在相同热源温度时的逆卡诺循环的制冷系数。因为逆卡诺循环是热源温度时的逆卡诺循环的制冷系数。因为逆卡诺循环是在没有传热温差的情况下进行的，没有任何不可逆损失，在没有传热温差的情况下进行的，没有任何不可逆损失，所以它是具有恒温热源的理想制冷循环，实际上是无法实所以它是具有恒温热源的理想制冷循环，实际上是无法实现的。但是，逆卡诺循环从理论上指出了提高制冷装置经现的。但是，逆卡诺循环从理论上指出了提高制冷装置经济性的方向，同时也可用作评价实际制冷循环完善程度的济性的方向，同时也可用作评价实际制冷循环完善程度的指标。指标。12.1 蒸气压缩式制
16、冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理单元单元2锅炉的构造锅炉的构造实际制冷循环中，制冷工质在流动或状态变化过程中，实际制冷循环中，制冷工质在流动或状态变化过程中，因摩擦、扰动及内部不平衡等因素而引起一定的损失，在因摩擦、扰动及内部不平衡等因素而引起一定的损失，在换热器中，因存在传热温差而引起传热损失。所以，实际换热器中，因存在传热温差而引起传热损失。所以，实际制冷循环是不可逆的，其不可逆程度用热力完善度制冷循环是不可逆的，其不可逆程度用热力完善度衡量，衡量，为制冷系数为制冷系数与逆卡诺循环的制冷系数与逆卡诺循环的制冷系数c之比，即之比，即=/c （12.6）热力完善度越接近于热力完善度越接近于
17、1，表明实际循环不可逆程度越小，表明实际循环不可逆程度越小，循环的经济性越好，其大小反映了实际制冷循环接近逆卡循环的经济性越好，其大小反映了实际制冷循环接近逆卡诺循环的程度。诺循环的程度。12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理单元单元2锅炉的构造锅炉的构造12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理图12.2 有传热温差的制冷循环单元单元2锅炉的构造锅炉的构造12.1 蒸气压缩式制冷的基本原理蒸气压缩式制冷的基本原理图12.2 有传热温差的制冷循环单元单元2锅炉的构造锅炉的构造12.2 蒸气压缩式制冷的理论循环蒸气压缩式制冷的理论循环蒸气压缩式制冷的理论循环是
18、由两个定压过程、一个蒸气压缩式制冷的理论循环是由两个定压过程、一个绝热压缩过程和一个绝热节流过程组成。绝热压缩过程和一个绝热节流过程组成。它与逆卡诺循环它与逆卡诺循环所不同的是：所不同的是：（1）蒸气压缩采用干压缩代替湿压缩。压缩机吸入的蒸气压缩采用干压缩代替湿压缩。压缩机吸入的是饱和蒸气而不是湿蒸气。是饱和蒸气而不是湿蒸气。（2）用节流阀代替膨胀机。用节流阀代替膨胀机。（3）制冷剂在冷凝器和蒸发器中的传热过程均为定压制冷剂在冷凝器和蒸发器中的传热过程均为定压过程，并且具有传热温差。过程，并且具有传热温差。单元单元2锅炉的构造锅炉的构造如图如图12.3所示为所示为蒸气压缩式制冷理论循环图。它由
19、压蒸气压缩式制冷理论循环图。它由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四大设备组成，这些设备缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四大设备组成，这些设备之间用管道连成一个封闭的系统。它的工作过程是：压缩之间用管道连成一个封闭的系统。它的工作过程是：压缩机将蒸发器内所产生的低温低压制冷剂蒸气吸入汽缸内，机将蒸发器内所产生的低温低压制冷剂蒸气吸入汽缸内，经过压缩机压缩后使制冷剂蒸气的压力、温度升高，然后经过压缩机压缩后使制冷剂蒸气的压力、温度升高，然后将高温高压的制冷剂蒸气排入冷凝器；在冷凝器内，高压、将高温高压的制冷剂蒸气排入冷凝器；在冷凝器内，高压、高温的制冷剂蒸气与温度较低的冷却介质进行热量交换，高温的制冷剂
20、蒸气与温度较低的冷却介质进行热量交换，把热量传给冷却介质，而制冷剂本身放出热量后由气体冷把热量传给冷却介质，而制冷剂本身放出热量后由气体冷凝为液体，这种高压的制冷剂液体经过节流阀节流降压、凝为液体，这种高压的制冷剂液体经过节流阀节流降压、降温后进入蒸发器；在蒸发器内，低温低压的制冷剂降温后进入蒸发器；在蒸发器内，低温低压的制冷剂12.2 蒸气压缩式制冷的理论循环蒸气压缩式制冷的理论循环单元单元2锅炉的构造锅炉的构造液体，吸收被冷却物体的热量而汽化，使被冷却物体得到液体，吸收被冷却物体的热量而汽化，使被冷却物体得到冷却，蒸发器中所产生的制冷剂蒸气又被压缩机吸走。这冷却，蒸发器中所产生的制冷剂蒸气
21、又被压缩机吸走。这样，制冷剂在系统中要经过压缩、冷凝、节流、汽化四个样，制冷剂在系统中要经过压缩、冷凝、节流、汽化四个过程，完成一个制冷循环。过程，完成一个制冷循环。综上所述，蒸气压缩式制冷的理论循环可归纳为以下综上所述，蒸气压缩式制冷的理论循环可归纳为以下四点：四点：（1）低温低压的制冷剂液体（含少量散发蒸气）在蒸低温低压的制冷剂液体（含少量散发蒸气）在蒸发器中定压气化吸热过程。在该过程中压力不变，制冷剂发器中定压气化吸热过程。在该过程中压力不变，制冷剂从低温物体中吸取热量，由液体汽化为气体。从低温物体中吸取热量，由液体汽化为气体。12.2 蒸气压缩式制冷的理论循环蒸气压缩式制冷的理论循环单
22、元单元2锅炉的构造锅炉的构造（2）低温低压制冷剂蒸气在压缩机中的绝热压缩过程。低温低压制冷剂蒸气在压缩机中的绝热压缩过程。在该过程中，压缩机消耗外界能量，抽取蒸发器中低温低在该过程中，压缩机消耗外界能量，抽取蒸发器中低温低压的制冷剂气体，并将其压缩至冷凝压力。压的制冷剂气体，并将其压缩至冷凝压力。（3）高温高压的制冷剂气体在冷凝器中的定压冷却冷高温高压的制冷剂气体在冷凝器中的定压冷却冷凝过程。在该过程中，制冷剂将从被冷却物体（低温物体）凝过程。在该过程中，制冷剂将从被冷却物体（低温物体）中夺取的热量连同压缩机所消耗的功转化成的热量一起，中夺取的热量连同压缩机所消耗的功转化成的热量一起，全部传递
23、给冷却介质，并在定压下由气体冷却、冷凝为液全部传递给冷却介质，并在定压下由气体冷却、冷凝为液体。体。（4）高温高压制冷剂液体经膨胀阀节流降压降温后，高温高压制冷剂液体经膨胀阀节流降压降温后，进入蒸发器，继续下一个制冷循环。进入蒸发器，继续下一个制冷循环。12.2 蒸气压缩式制冷的理论循环蒸气压缩式制冷的理论循环单元单元2锅炉的构造锅炉的构造12.2 蒸气压缩式制冷的理论循环蒸气压缩式制冷的理论循环图12.3蒸气压缩式制冷理论循环单元单元2锅炉的构造锅炉的构造12.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算热力学课程里我们已经学习了制冷剂的热力性质图即热力学课程里我们已经学
24、习了制冷剂的热力性质图即lgp-h图，图，如图如图12.4所示所示。在制冷与空调工程中，在制冷与空调工程中，lgp-h图的使用非常普遍。因为图的使用非常普遍。因为使用使用lgp-h图可以简便地确定制冷剂的状态参数，而且能直图可以简便地确定制冷剂的状态参数，而且能直观地表示出循环及其过程中参数和能量的变化。我们可以观地表示出循环及其过程中参数和能量的变化。我们可以借助它来分析、计算制冷循环。借助它来分析、计算制冷循环。Lgp-h图以绝对压力图以绝对压力p为纵坐标（为纵坐标（MPa），为了使低压），为了使低压部分表示得清楚及缩小图的尺寸，采用对数坐标，即部分表示得清楚及缩小图的尺寸，采用对数坐标，
25、即lgp；焓值焓值h为横坐标，所以通常称为为横坐标，所以通常称为lgp-h图。图。它的内容包括：它的内容包括：12.3.1 压焓图的构成及应用压焓图的构成及应用单元单元2锅炉的构造锅炉的构造一点：一点：临界点临界点K；三区：三区：液相区、两相区、气相区；液相区、两相区、气相区；五态：五态：过冷液状态、饱和液状态、湿蒸气状态、饱和过冷液状态、饱和液状态、湿蒸气状态、饱和蒸气状态、过热蒸气状态；蒸气状态、过热蒸气状态；八线：八线：等压线等压线p，等焓线，等焓线h，饱和液线，饱和液线x=0，饱和气线，饱和气线x=1，等干度线，等干度线x，等容线，等容线v，等熵线，等熵线s，等温线，等温线t。12.3
26、 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算单元单元2锅炉的构造锅炉的构造在温度（在温度（t）、压力（）、压力（p）、比体积（）、比体积（v）、比焓（）、比焓（h）、）、比熵（比熵（s）、干度（）、干度（x）等参数中，只要知道其中任何两个）等参数中，只要知道其中任何两个状态参数，就可以在状态参数，就可以在lgp-h图上确定过热蒸气或过冷液体的图上确定过热蒸气或过冷液体的状态点，从而该状态下的其他参数便可直接从图中读出。状态点，从而该状态下的其他参数便可直接从图中读出。对于饱和蒸气和液体，只需要知道一个状态参数，就能在对于饱和蒸气和液体，只需要知道一个状态参数，就能在图中确定其
27、状态。此外，图中确定其状态。此外，lgp-h图还能够明确地表达出制冷图还能够明确地表达出制冷循环状态的变化过程以及这些变化对于制冷循环的影响，循环状态的变化过程以及这些变化对于制冷循环的影响，反映出制冷循环状态变化过程中热量与功率的变化，从而反映出制冷循环状态变化过程中热量与功率的变化，从而便于我们对制冷循环的分析和计算。便于我们对制冷循环的分析和计算。12.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算单元单元2锅炉的构造锅炉的构造12.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算 图12.4lgp-h图的结构单元单元2锅炉的构造锅炉的构造根据理论循环的
28、假设条件，将单级蒸气压缩式制冷理根据理论循环的假设条件，将单级蒸气压缩式制冷理论循环工作过程在压焓图上表示出来，论循环工作过程在压焓图上表示出来，如图如图12.5所示所示。（1）制冷压缩机从蒸发器吸取蒸发压力为制冷压缩机从蒸发器吸取蒸发压力为p0的饱和制的饱和制冷剂蒸气（状态点冷剂蒸气（状态点1），沿等熵线压缩至冷凝压力），沿等熵线压缩至冷凝压力pk（状态（状态点点2），压缩过程完成。），压缩过程完成。（2）状态点状态点2的高温高压制冷剂蒸气进入冷凝器，经的高温高压制冷剂蒸气进入冷凝器，经冷凝器与环境介质空气或水进行热交换，放出热量冷凝器与环境介质空气或水进行热交换，放出热量qk后，后，沿等压
29、线沿等压线pk冷却至饱和蒸气状态点冷却至饱和蒸气状态点3，然后冷凝至饱和液状，然后冷凝至饱和液状态点态点4，冷凝过程完成。在冷却过程，冷凝过程完成。在冷却过程23中制冷剂与环境介中制冷剂与环境介质有温差，在冷凝过程质有温差，在冷凝过程34中制冷剂与环境介质无温差。中制冷剂与环境介质无温差。12.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算12.3.2 理论循环过程在压焓图上的表示理论循环过程在压焓图上的表示单元单元2锅炉的构造锅炉的构造（3）状态点状态点4的饱和制冷剂液体经节流元件节流降压，的饱和制冷剂液体经节流元件节流降压，沿等焓线（节流过程中焓值保持不变）由冷凝压力沿等
30、焓线（节流过程中焓值保持不变）由冷凝压力pk降至降至蒸发压力蒸发压力p0，到达湿蒸气状态点，到达湿蒸气状态点5，膨胀过程完成。，膨胀过程完成。（4）状态点状态点5的制冷剂湿蒸气进入蒸发器，在蒸发器的制冷剂湿蒸气进入蒸发器，在蒸发器内吸收被冷却介质的热量沿等压线内吸收被冷却介质的热量沿等压线p0汽化，到达饱和蒸气汽化，到达饱和蒸气状态点状态点1，蒸发过程完成。制冷剂的蒸发温度与被冷却介质，蒸发过程完成。制冷剂的蒸发温度与被冷却介质间无温差。间无温差。12.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算单元单元2锅炉的构造锅炉的构造12.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷
31、理论循环的热力计算计算图12.5蒸气压缩式制冷理论循环的lgp-h图单元单元2锅炉的构造锅炉的构造单级蒸气压缩式理论循环的性能指标有单位质量制冷单级蒸气压缩式理论循环的性能指标有单位质量制冷量、单位容积制冷量、单位功、单位冷凝负荷、制冷系数量、单位容积制冷量、单位功、单位冷凝负荷、制冷系数及热力完善度等。根据及热力完善度等。根据图图12.5可以计算有关性能指标。可以计算有关性能指标。（1）单位质量制冷量）单位质量制冷量q0它表示它表示1 kg制冷剂在蒸发器内从被冷却物体吸收的热制冷剂在蒸发器内从被冷却物体吸收的热量，单位为量，单位为kJ/kg。从工质的。从工质的lgph图和稳定流动能量方程图和
32、稳定流动能量方程式，可得：式，可得：q0h1h5h1h4（12.7）亦可表示为：亦可表示为：q0r0（1x5）（）（12.8）12.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算12.3.3 制冷理论循环的热力计算制冷理论循环的热力计算单元单元2锅炉的构造锅炉的构造（2）单位容积制冷量）单位容积制冷量qv它表示压缩机每吸入它表示压缩机每吸入1 m3制冷剂蒸气（按吸气状态制冷剂蒸气（按吸气状态计），在蒸发器中所产生的制冷量，单位为计），在蒸发器中所产生的制冷量，单位为kJ/m3。qvq0/v1（h1h5）/v1（12.9）（3）制冷剂的质量流量和体积流量）制冷剂的质量流量和体积
33、流量它是指压缩机每秒吸入制冷剂的质量和体积。质量流它是指压缩机每秒吸入制冷剂的质量和体积。质量流量物理符号为量物理符号为MR，单位为，单位为kg/s；体积流量物理符号为；体积流量物理符号为VR，单位为单位为m3/s。MRQ0/q0（12.10）12.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算单元单元2锅炉的构造锅炉的构造（4）单位冷凝负荷）单位冷凝负荷qk它表示它表示1 kg制冷剂在冷却和冷凝过程中放出的热量，制冷剂在冷却和冷凝过程中放出的热量，单位为单位为kJ/kg。它可用制冷剂进出冷凝器时的比焓差表示，。它可用制冷剂进出冷凝器时的比焓差表示，即即qkh2h4（12.1
34、2）（5）冷凝器热负荷）冷凝器热负荷Qk它表示制冷剂在冷凝器中放给冷却介质的热量，即它表示制冷剂在冷凝器中放给冷却介质的热量，即QkMRqkMR（h2h4）（）（12.13）12.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算单元单元2锅炉的构造锅炉的构造（6）单位理论压缩功）单位理论压缩功w0 它表示压缩机每压缩并输送它表示压缩机每压缩并输送1 kg制冷剂所消耗的理论制冷剂所消耗的理论功，单位为功，单位为kJ/kg。它可用制冷剂进、出压缩机时的比焓差。它可用制冷剂进、出压缩机时的比焓差来表示，即来表示，即w0h2h1（12.14）压缩机理论耗功率压缩机理论耗功率ptMRw0
35、MR（h2h1）（）（12.15）12.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算单元单元2锅炉的构造锅炉的构造（7）制冷系数）制冷系数0它表示循环的单位制冷量与单位功之比，即它表示循环的单位制冷量与单位功之比，即0=q0/w0=(h1-h5)/(h2-h1)（12.16）（8）热力完善度）热力完善度蒸气压缩式理论循环仍然是一个不可逆循环，它在制蒸气压缩式理论循环仍然是一个不可逆循环，它在制冷剂的冷却过程和节流过程中都存在不可逆损失，因此制冷剂的冷却过程和节流过程中都存在不可逆损失，因此制冷循环的制冷系数就一定小于逆卡诺循环的制冷系数，其冷循环的制冷系数就一定小于逆卡诺循
36、环的制冷系数，其不可逆程度用热力完善度不可逆程度用热力完善度来表示，即来表示，即=0/c=(h1-h5)/(h2-h1)(Tk-T0)/T0（12.17）12.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算单元单元2锅炉的构造锅炉的构造【例例12.1】假定某一制冷循环为单级压缩蒸气制冷的理论假定某一制冷循环为单级压缩蒸气制冷的理论循环，蒸发温度循环，蒸发温度t0-10，冷凝温度为，冷凝温度为tk35，工质为，工质为R22，循环的制冷量，循环的制冷量Q055 kW，试对该循环进行热力计，试对该循环进行热力计算。算。【解解】该循环在压焓图上可表示为该循环在压焓图上可表示为图图12
37、.5。根据。根据R22的热力的热力性质表，查出处于饱和线上各点的参数值：性质表，查出处于饱和线上各点的参数值：h1401.18 kJ/kg，v10.0654m3/kg，h3242.93 kJ/kg，p0355.0 kPa，pk1349.8 kPa。在在lgp-h图上（图上（见图见图12.5），点），点1由等由等p0线和干饱和蒸气线和干饱和蒸气线相交确定，由点线相交确定，由点1作等熵线，与等作等熵线，与等pk线相交确定点线相交确定点2。12.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算单元单元2锅炉的构造锅炉的构造由图由图12.5知，知，t257，h2435.2kJ/kg。节
38、流前后焓。节流前后焓值不变，故值不变，故h4h3242.93 kJ/kg。（1）单位质量制冷量）单位质量制冷量q0h1h4158.25 kJ/kg（2）单位容积制冷量）单位容积制冷量qvq0/v12420 kJ/m3（3）制冷剂质量流量）制冷剂质量流量MRQ0/q00.3476 kg/s（4）制冷剂体积流量）制冷剂体积流量VRMRv10.0227 m3/s 12.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算单元单元2锅炉的构造锅炉的构造（5）单位理论压缩功）单位理论压缩功w0h2h134.02 kJ/kg（6）压缩机理论耗功率）压缩机理论耗功率ptMRw011.83 kW（
39、7）冷凝器单位热负荷）冷凝器单位热负荷qkh2h3192.27 kJ/kg（8）冷凝器热负荷）冷凝器热负荷QkMRqk66.83 kJ（9）制冷系数）制冷系数0q0/w04.6512.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算单元单元2锅炉的构造锅炉的构造（10）逆卡诺循环制冷系数）逆卡诺循环制冷系数cT0/(Tk-T0)5.85（11）热力完善度热力完善度=0/c0.79512.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算单元单元2锅炉的构造锅炉的构造12.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算图12.5蒸气压缩式制冷理论循
40、环的lgp-h图单元单元2锅炉的构造锅炉的构造12.3 压焓图及制冷理论循环的热力压焓图及制冷理论循环的热力计算计算图12.5蒸气压缩式制冷理论循环的lgp-h图单元单元2锅炉的构造锅炉的构造12.4 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环（1）实际循环过程不是绝热过程）实际循环过程不是绝热过程制冷剂气体在气缸中的压缩过程，存在着气体内部及制冷剂气体在气缸中的压缩过程，存在着气体内部及气体与气缸壁之间的摩擦、热交换，存在着气体与外部的气体与气缸壁之间的摩擦、热交换，存在着气体与外部的热交换。例如，在压缩过程的初始阶段，气体的温度低于热交换。例如，在压缩过程的初始阶段，气体的温度低于气
41、缸壁的温度，气体吸收气缸壁的热量；在压缩过程的终气缸壁的温度，气体吸收气缸壁的热量；在压缩过程的终了阶段，制冷剂蒸气的温度高于气缸壁的温度，气体又向了阶段，制冷剂蒸气的温度高于气缸壁的温度，气体又向气缸壁放热。所以实际的压缩过程是一个不断变化的多变气缸壁放热。所以实际的压缩过程是一个不断变化的多变过程，是一个不可逆过程，实际循环过程都存在热量损失过程，是一个不可逆过程，实际循环过程都存在热量损失12.4.1 实际循环与理论循环的差别实际循环与理论循环的差别单元单元2锅炉的构造锅炉的构造（2）冷凝和蒸发过程都是在有传热温差下进行）冷凝和蒸发过程都是在有传热温差下进行在实际的热交换过程中，都存在着
42、传热温差。在冷凝在实际的热交换过程中，都存在着传热温差。在冷凝器中，制冷剂放热过程的冷凝温度，高于环境介质或冷却器中，制冷剂放热过程的冷凝温度，高于环境介质或冷却介质的温度；制冷剂在蒸发器内的吸热过程中，蒸发温度介质的温度；制冷剂在蒸发器内的吸热过程中，蒸发温度低于被冷却物体的温度。由于存在传热温差，所以冷凝和低于被冷却物体的温度。由于存在传热温差，所以冷凝和蒸发过程的传热都是不可逆的。蒸发过程的传热都是不可逆的。（3）制冷剂通过管道、吸排气阀门和其他设备时存在压力）制冷剂通过管道、吸排气阀门和其他设备时存在压力损失损失制冷剂流经压缩机吸气阀和排气阀时，以及通过管道、制冷剂流经压缩机吸气阀和排
43、气阀时，以及通过管道、冷凝器、蒸发器等设备时，由于制冷剂与管壁或器壁之间冷凝器、蒸发器等设备时，由于制冷剂与管壁或器壁之间存在摩擦阻力，都会产生压力降。存在摩擦阻力，都会产生压力降。12.4 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环单元单元2锅炉的构造锅炉的构造由上述可知，实际循环过程中的压缩、冷凝、节流和由上述可知，实际循环过程中的压缩、冷凝、节流和蒸发过程都是不可逆过程。由于存在摩擦、涡流等内部不蒸发过程都是不可逆过程。由于存在摩擦、涡流等内部不可逆损失，而且与外部有热量交换和存在不可逆损失，所可逆损失，而且与外部有热量交换和存在不可逆损失，所以蒸气压缩式制冷的实际循环与理论循环相
44、比，制冷量减以蒸气压缩式制冷的实际循环与理论循环相比，制冷量减小，消耗的功量增大，制冷系数下降。小，消耗的功量增大，制冷系数下降。12.4 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环单元单元2锅炉的构造锅炉的构造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如图如图12.6所示所示。41表表示制冷剂在蒸发器中的汽化和降压过程；示制冷剂在蒸发器中的汽化和降压过程；11表示蒸气在表示蒸气在回热器或吸气管道中的加热和降压过程；回热器或吸气管道中的加热和降压过程；11表示蒸气表示蒸气经过吸气阀的加热和压降过程；经过吸气阀的加热和压降过程；12s表示实际多变压缩表示实际多变压缩过程；过程；2
45、s2s表示蒸气经过排气阀的降压过程；表示蒸气经过排气阀的降压过程；2s3表表示气体经过排气管、冷凝器的冷却、凝结和降压过程；示气体经过排气管、冷凝器的冷却、凝结和降压过程；33表示制冷剂液体在回热器或管道中的降温降压过程；表示制冷剂液体在回热器或管道中的降温降压过程；34表示制冷剂液体经节流阀时的降温降压过程，而且表示制冷剂液体经节流阀时的降温降压过程，而且焓是增加的。为了便于进行比较，焓是增加的。为了便于进行比较，图图12.6中中也画出了理论也画出了理论循环循环12341。12.4 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环12.4.2 实际循环在实际循环在lgP-h图上的表示图上的表
46、示单元单元2锅炉的构造锅炉的构造由于蒸气压缩式制冷的实际循环比较复杂，难以细致由于蒸气压缩式制冷的实际循环比较复杂，难以细致计算，所以一般均以理论循环作为计算基准。在选择或设计算，所以一般均以理论循环作为计算基准。在选择或设计制冷压缩机及确定其配用电动机功率，计算冷凝器和蒸计制冷压缩机及确定其配用电动机功率，计算冷凝器和蒸发器的传热面积，确定制冷系统的管路直径及进行制冷机发器的传热面积，确定制冷系统的管路直径及进行制冷机房设计时，通常引入一系列系数和效率，以此来考虑各种房设计时，通常引入一系列系数和效率，以此来考虑各种不可逆因素及其损失的影响。不可逆因素及其损失的影响。12.4 蒸气压缩式制冷
47、的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环单元单元2锅炉的构造锅炉的构造12.4 蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环图12.6单级蒸气压缩式制冷实际循环的lgp-h图 单元单元2锅炉的构造锅炉的构造液体过冷：液体过冷：制冷剂液体的温度低于同一压力下饱和液制冷剂液体的温度低于同一压力下饱和液体的温度称为过冷。两者温度之差称为过冷度，用体的温度称为过冷。两者温度之差称为过冷度，用tgl表表示。如压力为示。如压力为1atm(0.1 MPa)时，水对应的饱和温度是时，水对应的饱和温度是100，而通常自来水温度只有，而通常自来水温度只有20，自来水即为过冷液体，自来水即为过冷液体，过冷度为过冷度为
48、80。制冷理论循环中，我们认为冷凝完毕的制冷剂液体正制冷理论循环中，我们认为冷凝完毕的制冷剂液体正好是饱和液状态，没有考虑制冷剂流动时的热交换，制冷好是饱和液状态，没有考虑制冷剂流动时的热交换，制冷剂到达节流阀前仍为饱和液状态，剂到达节流阀前仍为饱和液状态，如图如图12.7所示所示的的4点。实点。实际制冷循环中，由于下列原因会使节流阀前液体过冷，而际制冷循环中，由于下列原因会使节流阀前液体过冷，而液体过冷会直接影响制冷装置的循环性能。液体过冷会直接影响制冷装置的循环性能。12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环节流阀前过冷及吸气过热循环12.5.1 液体过冷的制冷循环液体过冷的制冷循环单元单元2锅
49、炉的构造锅炉的构造（1）冷凝器中冷凝面积的选择往往大于设计所需的冷冷凝器中冷凝面积的选择往往大于设计所需的冷凝面积。凝面积。（2）冷凝器选择条件是根据最热天气、最高环境介质冷凝器选择条件是根据最热天气、最高环境介质温度。而在使用中的绝大多数时间内冷凝器是在低于上述温度。而在使用中的绝大多数时间内冷凝器是在低于上述条件的情况下工作，从而使冷凝面积过剩，为制冷剂过冷条件的情况下工作，从而使冷凝面积过剩，为制冷剂过冷创造了条件。创造了条件。（3）制冷系统中设置专门的过冷器。制冷系统中设置专门的过冷器。（4）制冷系统中设置了回热器。制冷系统中设置了回热器。（5）在设计过程中，人为设计一些过冷度，如通常
50、单在设计过程中，人为设计一些过冷度，如通常单级蒸气压缩式制冷循环中设级蒸气压缩式制冷循环中设35的过冷度。的过冷度。12.5 节流阀前过冷及吸气过热循环节流阀前过冷及吸气过热循环单元单元2锅炉的构造锅炉的构造现在我们来分析液体过冷对单级蒸气压缩式制冷循环现在我们来分析液体过冷对单级蒸气压缩式制冷循环是否有益。是否有益。在图在图12.7中中，同时给出了理论制冷循环，同时给出了理论制冷循环123451和具有节流阀前液体过冷的过冷循环和具有节流阀前液体过冷的过冷循环123451。从制冷系数变化的角度对比如下：从制冷系数变化的角度对比如下：理论循环理论循环123451过冷循环过冷循环123451q0=
