单级蒸汽压缩式制冷循环 优秀PPT.ppt

单级蒸汽压缩式制冷循环 第1页，本讲稿共57页1 单级蒸气压缩制冷的理论循环w1.1 1.1 系统与循环系统与循环w1.2 1.2 压焓图压焓图w1.3 1.3 制冷循环过程在压焓图上的表示制冷循环过程在压焓图上的表示w1.4 1.4 单级蒸气压缩式制冷理论循单级蒸气压缩式制冷理论循 环的热力计算环的热力计算第2页，本讲稿共57页1.11.1系统与循环系统与循环第3页，本讲稿共57页液体蒸发制冷构成循环的四个基本过程是：液体蒸发制冷构成循环的四个基本过程是：制冷剂液体在低压（低温）下蒸发，成为制冷剂液体在低压（低温）下蒸发，成为低压蒸气低压蒸气 将该低压蒸气提高压力为高压蒸气将该低压蒸气提高压力为高压蒸气 将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体 高压液体降低压力重新变为低压液体，高压液体降低压力重新变为低压液体，返回到返回到从而完成从而完成循环。循环。第4页，本讲稿共57页压缩机压缩机:压缩和输送制冷蒸汽，并造成蒸发压缩和输送制冷蒸汽，并造成蒸发器中低压、冷凝器中高压，是整个器中低压、冷凝器中高压，是整个系统的心脏。系统的心脏。冷凝器冷凝器:输出热量的设备，将制冷剂在蒸发输出热量的设备，将制冷剂在蒸发器中吸收的热量和压缩机消耗功所器中吸收的热量和压缩机消耗功所转化的热量排放给冷却介质。转化的热量排放给冷却介质。节流阀节流阀:对制冷剂起节流降压作用，并调节对制冷剂起节流降压作用，并调节进入蒸发器的制冷剂流量。进入蒸发器的制冷剂流量。蒸发器蒸发器:输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却对象的热量，从而达到制冷的收被冷却对象的热量，从而达到制冷的目的。目的。第5页，本讲稿共57页1.2 压焓图phThspx压焓图v第6页，本讲稿共57页等容线等容线-向右上方倾斜的虚线，比等熵线平坦；向右上方倾斜的虚线，比等熵线平坦；等温线等温线-液体区几乎为垂直线。两相区内，因制冷剂状态液体区几乎为垂直线。两相区内，因制冷剂状态的变化是在等压、等温下进行，故等的变化是在等压、等温下进行，故等 温线与等压线重合，温线与等压线重合，是水平线。过热蒸气区为向右下方弯曲的倾斜线；是水平线。过热蒸气区为向右下方弯曲的倾斜线；等熵线-向右上方倾斜的实线；等干度线等干度线-只存在于湿蒸气区域内，其方向大致与饱和液只存在于湿蒸气区域内，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近，视干度大小而定。体线或饱和蒸气线相近，视干度大小而定。等焓线等焓线-垂直线；垂直线；等压线等压线-水平线；水平线；第7页，本讲稿共57页1.3 1.3 制冷循环过程在压焓图上的表示制冷循环过程在压焓图上的表示第8页，本讲稿共57页ph12345 理论循环在理论循环在p-h图上的表示图上的表示ABCD12345A A压缩机；压缩机；B B冷凝器；冷凝器；C C节流阀；节流阀；D D蒸发器。蒸发器。单级蒸气压缩式单级蒸气压缩式制冷系统图制冷系统图第9页，本讲稿共57页1.4 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 （1 1）压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中不）压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中不存在任何不可逆损失存在任何不可逆损失 （2 2）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却介质的等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值单级理论循环是建立在以下一些假设的基础上的：单级理论循环是建立在以下一些假设的基础上的：第10页，本讲稿共57页 （4 4）制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力）制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力损失，忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的损失，忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管外介质之间没有热交换管子外，制冷剂与管外介质之间没有热交换 （5 5）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小，）制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小，可以忽略不计，且与外界环境没有热交换可以忽略不计，且与外界环境没有热交换 （3 3）离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气）离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器和进入膨为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体第11页，本讲稿共57页hp12345 理论循环在理论循环在p-h图上的表示图上的表示第12页，本讲稿共57页 按照热力学第一定律，对于在控制容积中进行的按照热力学第一定律，对于在控制容积中进行的状态变化存在如下关系：状态变化存在如下关系：这里，把自外界传入的功作为负值。这里，把自外界传入的功作为负值。（1-1）压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器都可以单独作为压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器都可以单独作为一个控制体进行分析。一个控制体进行分析。第13页，本讲稿共57页(2)(2)冷凝过程：冷凝过程：（1-31-3）(3)(3)节流过程：节流过程：（1-41-4）（1 1）压缩过程）压缩过程:（1-2）（4 4）蒸发过程：）蒸发过程：（1-5）第14页，本讲稿共57页 单位制冷量可按式（单位制冷量可按式（1-51-5）计算。单位制冷量）计算。单位制冷量也可以表示成汽化潜热也可以表示成汽化潜热r r0 0和节流后的干度和节流后的干度x x5 5的关系：的关系：为了说明单级压缩蒸气制冷机理论循环的为了说明单级压缩蒸气制冷机理论循环的性能，性能，采用下列一些性能指标。采用下列一些性能指标。(1-6)由式（由式（1-61-6）可知，制冷剂的汽化潜热越大，）可知，制冷剂的汽化潜热越大，或节流所形成的蒸气越少（或节流所形成的蒸气越少（x x5 5越小）则单位制冷越小）则单位制冷量就越大。量就越大。(1)(1)单位制冷量单位制冷量第15页，本讲稿共57页(2)(2)单位容积制冷量单位容积制冷量(1-7)对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说，对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说，理论比功可表示为理论比功可表示为(1-8)单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随制冷剂单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随制冷剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的。的种类和制冷机循环的工作温度而变的。(3)(3)理论比功理论比功第16页，本讲稿共57页(4)(4)单位冷凝热单位冷凝热 单位（单位（1kg1kg）制冷剂蒸气在冷凝器中放）制冷剂蒸气在冷凝器中放出的热量，称为单位冷凝热。单位冷凝热包出的热量，称为单位冷凝热。单位冷凝热包括显热和潜热两部分括显热和潜热两部分(1-9)比较式（比较式（1-51-5）、（）、（1-81-8）和（）和（1-91-9）可以）可以看出，对于单级压缩式蒸气制冷机理论循环，看出，对于单级压缩式蒸气制冷机理论循环，存在着下列关系存在着下列关系(1-10)第17页，本讲稿共57页(5)(5)制冷系数制冷系数 对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，制对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，制冷系数为冷系数为(1-11)制冷系数愈大制冷系数愈大经济性愈好经济性愈好 在蒸发温度和冷凝温度相同的条件下：在蒸发温度和冷凝温度相同的条件下：(6)(6)压缩终温压缩终温影响到制冷剂的分解和润滑油结炭。影响到制冷剂的分解和润滑油结炭。第18页，本讲稿共57页(7)(7)热力完善度热力完善度 单级压缩蒸气制冷机理论循环的热力完单级压缩蒸气制冷机理论循环的热力完善度按定义可表示为善度按定义可表示为(1-12)这里这里c c为在蒸发温度（为在蒸发温度（T T0 0）和冷凝）和冷凝温度（温度（T Tk k）之间工作的逆卡诺循环的制冷）之间工作的逆卡诺循环的制冷系数。热力完善度愈大，说明该循环接近系数。热力完善度愈大，说明该循环接近可逆循环的程度愈大。可逆循环的程度愈大。第19页，本讲稿共57页2单级蒸气压缩式制冷的实际循环单级蒸气压缩式制冷的实际循环w2.1 2.1 液体过冷对循环性能的影响液体过冷对循环性能的影响w2.2 2.2 蒸气过热对循环性能的影响蒸气过热对循环性能的影响w2.3 2.3 气气-液热交换器对循环性能的影响液热交换器对循环性能的影响w2.4 2.4 不凝性气体的存在对循环性能的影响不凝性气体的存在对循环性能的影响w2.5 2.5 单级压缩实际制冷循环的热力计算单级压缩实际制冷循环的热力计算第20页，本讲稿共57页 上面所述的循环，是单级压缩蒸气制冷上面所述的循环，是单级压缩蒸气制冷机的基本循环，也是最简单的循环。在实机的基本循环，也是最简单的循环。在实用上，根据实际条件对循环往往要作一些用上，根据实际条件对循环往往要作一些改进，以便提高循环的热力完善度。在单改进，以便提高循环的热力完善度。在单级制冷机循环中，这一改进主要有液体过级制冷机循环中，这一改进主要有液体过冷、吸气过热及由此而产生的回热循环。冷、吸气过热及由此而产生的回热循环。第21页，本讲稿共57页2.1 液体过冷对循环性能的影响液体过冷对循环性能的影响将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温度的状态，称为过冷。度的状态，称为过冷。带有过冷的循环，叫做过冷循环。带有过冷的循环，叫做过冷循环。采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数都是有采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数都是有利的利的第22页，本讲稿共57页ph12345过冷循环在过冷循环在p-h图上的表示图上的表示45第23页，本讲稿共57页(1-13)(2)(2)单位容积制冷量单位容积制冷量(3)(3)理论比功理论比功（1）单位制冷量）单位制冷量不变不变增加增加增加增加第24页，本讲稿共57页(4)(4)单位冷凝热单位冷凝热(5)(5)制冷系数制冷系数(6)(6)压缩终温压缩终温不变不变增加增加增加增加(1-15)(1-14)第25页，本讲稿共57页2.2 蒸气过热对循环性能的影响 压缩机吸入前的制冷剂蒸气的温度高于吸压缩机吸入前的制冷剂蒸气的温度高于吸气压力下制冷剂的饱和温度时，称为过热。具气压力下制冷剂的饱和温度时，称为过热。具有吸气过热的循环，称为过热循环。有吸气过热的循环，称为过热循环。下图示出了过热循环下图示出了过热循环1-1-2-3-4-5-1的的lg p-h图。图。图中图中1-1是吸气的过热过程，其余与基本循环相是吸气的过热过程，其余与基本循环相同。同。第26页，本讲稿共57页ph12345过热循环在过热循环在p-h图上的表示图上的表示12过热循环分有效过热和无效过热两种情况过热循环分有效过热和无效过热两种情况 第27页，本讲稿共57页(1-13)(2)(2)单位容积制冷量单位容积制冷量（1）单位制冷量）单位制冷量增加增加有效过热循环有效过热循环 有效过热循环：过热过程中产生的冷量也为被有效过热循环：过热过程中产生的冷量也为被冷却介质所吸收。冷却介质所吸收。？第28页，本讲稿共57页(4)(4)单位冷凝热单位冷凝热(5)(5)制冷系数制冷系数？增加增加(1-15)(1-14)(3)(3)理论比功理论比功(1-14)增加增加第29页，本讲稿共57页(6)(6)压缩终温压缩终温升高升高图图2-192-19有效过热的过热度对制冷系数的影响有效过热的过热度对制冷系数的影响过热度R502R600aR290R134aR22NH3045.337.444.444.155.993.03073.965.772.172.986.3131.5第30页，本讲稿共57页(1-13)(2)(2)单位容积制冷量单位容积制冷量（1）单位制冷量）单位制冷量不变不变无效过热循环无效过热循环 无效过热循环：过热过程中产生的冷量没有被无效过热循环：过热过程中产生的冷量没有被冷却介质所吸收。冷却介质所吸收。减小减小第31页，本讲稿共57页(4)(4)单位冷凝热单位冷凝热(5)(5)制冷系数制冷系数减小减小增加增加(1-15)(1-14)(3)(3)理论比功理论比功(1-14)增加增加第32页，本讲稿共57页2.3 回热器对循环性能的影响(1-20)若不计回热器与环境空气之间的热交换，则液体若不计回热器与环境空气之间的热交换，则液体过冷的热量等于使蒸气过热的热量，其热平衡关过冷的热量等于使蒸气过热的热量，其热平衡关系为系为 利用回热使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入利用回热使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换，使液体过冷、蒸前的制冷剂蒸气进行热交换，使液体过冷、蒸气过热，称之为回热。气过热，称之为回热。第33页，本讲稿共57页第34页，本讲稿共57页ph12345回热循环在回热循环在p-h图上的表示图上的表示1245 回热循环中各性能指标的变化完全同于有效过热回热循环中各性能指标的变化完全同于有效过热循环。循环。第35页，本讲稿共57页2.4 不凝性气体的存在对循环性能的影响w积存于冷凝器；积存于冷凝器；w冷凝压力增加；冷凝压力增加；w压缩机排气压力升高；压缩机排气压力升高；w比功增加；比功增加；w制冷系数下降；制冷系数下降；w压缩机容积效率降低；压缩机容积效率降低；第36页，本讲稿共57页2.5 单级压缩实际制冷循环的热力计算 实际循环和理论循环有许多不同之处，除了压实际循环和理论循环有许多不同之处，除了压缩机中的工作过程以外，主要还有下列一些差别：缩机中的工作过程以外，主要还有下列一些差别：1 1流动过程有压力损失。流动过程有压力损失。2 2制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热交制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热交换。换。3 3热交换器中存在温差。热交换器中存在温差。第37页，本讲稿共57页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 （1 1）吸入管道）吸入管道 吸入管道中的压力降始终是有害的，它使得吸气吸入管道中的压力降始终是有害的，它使得吸气比容增大，压缩机的压力比增大，单位容积制冷量减比容增大，压缩机的压力比增大，单位容积制冷量减少，压缩机容积效率降低，压力比增大，制冷系数下少，压缩机容积效率降低，压力比增大，制冷系数下降。降。吸气管道中的热交换可视情况当作有效过热或无吸气管道中的热交换可视情况当作有效过热或无效过热来分析。效过热来分析。第38页，本讲稿共57页（2 2）排出管道）排出管道 在压缩机的排出管道中，热量由高温制冷剂在压缩机的排出管道中，热量由高温制冷剂蒸气传给周围空气，它不会引起性能的改变，蒸气传给周围空气，它不会引起性能的改变，仅仅是减少了冷凝器中的热负荷。仅仅是减少了冷凝器中的热负荷。排气管道中的压降会引起压缩机排气压力升高。排气管道中的压降会引起压缩机排气压力升高。第39页，本讲稿共57页（3 3）冷凝器到膨胀阀之间的液体管道）冷凝器到膨胀阀之间的液体管道 在冷凝器到膨胀阀这段管路中，热量通常由液体在冷凝器到膨胀阀这段管路中，热量通常由液体制冷剂传给周围空气，使液体制冷剂过冷，制冷量增制冷剂传给周围空气，使液体制冷剂过冷，制冷量增大。然而，也可能水冷冷凝器中的冷却水温度很低，大。然而，也可能水冷冷凝器中的冷却水温度很低，冷凝温度低于环境温度，热量由空气传给液体制冷剂，冷凝温度低于环境温度，热量由空气传给液体制冷剂，可能导致部分液体气化，这不仅使单位制冷量下降，可能导致部分液体气化，这不仅使单位制冷量下降，而且使得膨胀阀不能正常工作。而且使得膨胀阀不能正常工作。压力降没有关系，只要没有气化。压力降没有关系，只要没有气化。第40页，本讲稿共57页 通常膨胀阀是紧靠蒸发器安装的。倘若将通常膨胀阀是紧靠蒸发器安装的。倘若将它安装在被冷却空间内，传给管道的热量将它安装在被冷却空间内，传给管道的热量将产生有效制冷量；若安装在室外，热量的传产生有效制冷量；若安装在室外，热量的传递使制冷减少，因而此段管道必须保温。递使制冷减少，因而此段管道必须保温。压力降也没关系。压力降也没关系。（4 4）膨胀阀到蒸发器之间的管道）膨胀阀到蒸发器之间的管道第41页，本讲稿共57页（5 5）冷凝器）冷凝器 假定出冷凝器的压力不变，为克服冷凝器中假定出冷凝器的压力不变，为克服冷凝器中制冷剂的流动阻力，必须提高进冷凝器时制冷剂制冷剂的流动阻力，必须提高进冷凝器时制冷剂的压力，这必须导致压缩机的排气压力升高，压的压力，这必须导致压缩机的排气压力升高，压力比增大，压缩机耗功增加，制冷系数下降。力比增大，压缩机耗功增加，制冷系数下降。第42页，本讲稿共57页（6 6）蒸发器）蒸发器 若保证蒸发器的出口压力不变，为克服蒸发若保证蒸发器的出口压力不变，为克服蒸发器中制冷剂的流动阻力，必须提高进蒸发器时制器中制冷剂的流动阻力，必须提高进蒸发器时制冷剂的压力，这必然导致平均蒸发温度升高，传冷剂的压力，这必然导致平均蒸发温度升高，传热温差下降热温差下降。若保证传热温差不变，克服蒸发器中制冷剂若保证传热温差不变，克服蒸发器中制冷剂的流动阻力，这必然导致压缩机的吸气压力下降，的流动阻力，这必然导致压缩机的吸气压力下降，吸气比容增大，压力比增大，压缩机耗功增加，吸气比容增大，压力比增大，压缩机耗功增加，制冷量减小，制冷系数下降制冷量减小，制冷系数下降。第43页，本讲稿共57页（7 7）压缩机）压缩机 在理论循环中，假设压缩过程为等熵过程。在理论循环中，假设压缩过程为等熵过程。而实际上，整个过程是一个压缩指数而实际上，整个过程是一个压缩指数 在不断变在不断变化的多方过程。另外，由于压缩机气缸中有余隙化的多方过程。另外，由于压缩机气缸中有余隙容积的存在，气体经过吸、排气阀及通道出有热容积的存在，气体经过吸、排气阀及通道出有热量交换及流动阻力，这些因素都会使压缩机的输量交换及流动阻力，这些因素都会使压缩机的输气量减少，制冷量下降，消耗的功率增大。气量减少，制冷量下降，消耗的功率增大。第44页，本讲稿共57页简化后的实际循环在简化后的实际循环在 p-h图上的表示图上的表示ph2s345120第45页，本讲稿共57页下面是按照这样简化后的循环的性能指标的下面是按照这样简化后的循环的性能指标的表达式，各下标对应于图表达式，各下标对应于图2-232-23所示的状态点。所示的状态点。（1-33）这些同理论循环的计算完全一致。这些同理论循环的计算完全一致。1 1单位制冷量、单位容积制冷量及单位单位制冷量、单位容积制冷量及单位理论功理论功第46页，本讲稿共57页 （1-34）上式中点上式中点2 2状态的焓值用下式计算状态的焓值用下式计算 （1-35）式中 为压缩机的指示效率，它被定为压缩机的指示效率，它被定义为等熵压缩过程耗功量与实际压缩过程义为等熵压缩过程耗功量与实际压缩过程耗功量之比。耗功量之比。2 2单位冷凝热单位冷凝热第47页，本讲稿共57页3 3制冷剂的循环流量制冷剂的循环流量 式中 为制冷量，通常由设计任务给出。（1-36）4 4压缩机的理论功率和指示功率分别为压缩机的理论功率和指示功率分别为（1-38）第48页，本讲稿共57页5 5实际制冷系数实际制冷系数（1-39）6 6冷凝器的热负荷冷凝器的热负荷 （1-40）式中为压缩机的机械效率。第49页，本讲稿共57页3 单级蒸气压缩式制冷机的性能及工况w3.1 蒸发温度对循环性能的影响蒸发温度对循环性能的影响w3.2 冷凝温度对循环性能的影响冷凝温度对循环性能的影响w3.3 制冷机工况制冷机工况第50页，本讲稿共57页ph345125123.1 3.1 蒸发温度对循环性能的影响蒸发温度对循环性能的影响 当蒸发温度减小时：当蒸发温度减小时：第51页，本讲稿共57页1 1、单位容积制冷量、单位容积制冷量2 2、比容积功、比容积功减小减小未知未知近似认为制冷剂正气为理想气体近似认为制冷剂正气为理想气体第52页，本讲稿共57页压缩机的理论功率压缩机的理论功率 对上式求导数，并令对上式求导数，并令即可求出功率为最大值时的压缩比即可求出功率为最大值时的压缩比通过对不同制冷剂的计算发现：通过对不同制冷剂的计算发现：第53页，本讲稿共57页3 3、制冷系数、制冷系数氨的制冷系数与蒸发温度的关系氨的制冷系数与蒸发温度的关系 减小减小第54页，本讲稿共57页3.2 3.2 冷凝温度对循环性能的影响冷凝温度对循环性能的影响 ph52当冷凝温度升高时：当冷凝温度升高时：434521第55页，本讲稿共57页1 1、单位容积制冷量、单位容积制冷量2 2、比容积功增加、比容积功增加 3 3、制冷系数、制冷系数 综上所述，我们希望：综上所述，我们希望：蒸发温度尽可能高：蒸发温度尽可能高：在满足被冷却物体在满足被冷却物体的温度要求下；的温度要求下；冷凝温度尽可能低：冷凝温度尽可能低：在冷却介质能满在冷却介质能满足的条件下。足的条件下。减小减小增加增加急剧减小急剧减小第56页，本讲稿共57页3.3 制冷机工况制冷机工况制冷剂类型试验工况蒸发温度冷凝温度吸气温度过冷温度R22高温用空调工况540/551535/50最大压差工况-55015（3）45最大轴功率工况10551550低温用标准工况-15301525最大压差工况-30450（-22）40最大轴功率工况-5451540R12标准工况-15301525最大压差工况-30500（-22）45最大轴功率工况-3501545全封闭式压缩机试验工况全封闭式压缩机试验工况第57页，本讲稿共57页