(2.1)--第二章讲义蒸气压缩式制冷与热泵原理.pdf

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1、1 建筑冷热源概述空气空气调节系统调节系统建筑冷热源建筑冷热源课程的知识结构课程的知识结构 蒸气压缩式制冷与热泵原理 制冷工质 制冷热泵系统主要设备制冷热泵系统及其运行调节 建筑冷热源设备与系统 压缩机 换热设备 节流装置 辅助设备 吸收式制冷与热泵 供热锅炉蒸气压缩式制冷与热泵冷冷热源系统热源系统 空调与供暖水系统能量输配系统能量输配系统2第第2 2讲讲 蒸气压缩式蒸气压缩式制冷与热泵原理制冷与热泵原理HVAC已讲授已讲授空气调节原理空气调节原理空气调节系统空气调节系统空气处理设备空气处理设备冷冷、热源设备热源设备3本章学习思路本章学习思路理想循环理想循环理论循环理论循环实际循环实际循环循环

2、改善循环改善亚临界循环亚临界循环跨临界循环跨临界循环逆卡诺循环逆卡诺循环劳伦兹循环劳伦兹循环一一、理想循环理想循环451.逆卡诺循环逆卡诺循环（Reverse Carnot cycle）Sadi Nicolas Lonard Carnot1796-1832热汇热源制冷机or 热泵QeQcW逆卡诺循环是制冷或热泵循环的极限6TS1234TkT0TS1234TkT0S4S1ss1s41.逆逆卡诺循环卡诺循环（Reverse Carnot cycle）S Sw=wc-weq0qk+=冷凝器蒸发器压缩机膨胀机1432QcQeWcWcWeWe冷凝器蒸发器压缩机膨胀机1432QcQeWcWcWeWeq0q

3、kwewc1234压缩冷凝蒸发膨胀71.逆卡诺循环逆卡诺循环（Reverse Carnot cycle）逆卡诺循环逆卡诺循环：理想过程的极限理想过程的极限制冷系数制冷系数e ec=制冷能效比制冷能效比qk=q0+S S w000TTTwqkc制冷系数制冷系数(能效比能效比)001TTTwwqwqkkckc制热系数制热系数(性能系数性能系数)影响逆卡诺循环制冷系数的因素与工质种类无关仅取决于工质的工作温度（无温差传热）To、Tk【问题】是否一台热泵装置均具有=+1？工程中习惯用COP表示能效比，对于一些特殊产品又有不同的叫法制冷：COPc（冷水机组等）、EER（空调器）制热：COPh（空气源热泵

4、机组等）、COP（空调器）【问题】是否一台热泵装置均具有=+1？82.劳仑兹劳仑兹循环循环（Lorenz Cycle）特点特点由两个等熵过程和两个可逆多变过程组成实现方法实现方法应用非共沸制冷剂TSabcdTkmDTkDTosaqoS Sw=wc-wescqkTom92.劳仑兹劳仑兹循环循环（Lorenz Cycle）从从低温热源低温热源吸收的热量吸收的热量q0向向高温热源高温热源放出的热量放出的热量qk耗功率耗功率：S S w=qk-q0()aooiomaddqT dsTss()ckkikmcbbqT dsTss?=?TsabcdTkmsaqoS Sw=wc-wescTom102.劳伦斯劳伦

5、斯循环循环（Lorenz Cycle）制冷系数制冷系数劳仑兹循环的制冷系数等于一个以劳仑兹循环的制冷系数等于一个以放热平均温度放热平均温度和和吸热平均温度吸热平均温度为高为高、低温热源温度的低温热源温度的等效逆卡等效逆卡诺循环诺循环的制冷系数的制冷系数取决于低温热源和高温热源的温度状况取决于低温热源和高温热源的温度状况，而与制而与制冷剂性质无关冷剂性质无关ooomlkokmomqqTwqqTT113.理想循环能效比的影响因素理想循环能效比的影响因素【问题问题1】在逆卡诺制冷循环中在逆卡诺制冷循环中，低温热源温度低温热源温度与高温热源温度哪个对制冷系数与高温热源温度哪个对制冷系数e ec影响更大

6、影响更大？200200TTTTTTTTkkckkc【问题问题2】对于理想热泵循环对于理想热泵循环c c呢呢？124.怎样才能实现逆卡诺循环怎样才能实现逆卡诺循环？1.逆逆卡诺循环的特点卡诺循环的特点循环过程两个定温过程两个定温过程等温吸热过程等温放热过程两个等熵过程两个等熵过程等熵压缩过程等熵膨胀过程无温差传热换热面积无穷大换热面积无穷大循环周期无限长循环周期无限长TS1234TkT0TS1234TkT0S Sw=wc-weq0qk+=134.怎样怎样才能实现逆卡诺循环才能实现逆卡诺循环？2.可能实现理想循环的方式可能实现理想循环的方式两个等温过程两个等温过程等温吸热、等温放热工作在气液两相区

7、的制冷循环，其等压过程即为等温过程两个两个等熵等熵过程过程压缩机湿蒸气区的等熵压缩膨胀机湿蒸气区的等熵膨胀Ts3TkT0kpkp0q01458726144.怎样怎样才能实现逆卡诺循环才能实现逆卡诺循环？净压缩功为矩形净压缩功为矩形12341的面积的面积压缩功wc相当于多边形123541的面积?膨胀功we相当于3453的面积制冷量为矩形制冷量为矩形14781的面积的面积3553vdpqhhTs3TkT0kpkp0q01458726wc证明证明 h3-h4=(h3-h5)-(h4-h5)根据能量方程，有由于液体 v 小，故vdp可以忽略，故有h3-h5梯形面积35673 又，h4-h5矩形面积45

8、674故，h3-h4D D 3453 we154.怎样怎样才能实现逆卡诺循环才能实现逆卡诺循环？实现理想循环的可实现理想循环的可能性如何能性如何？无温差传热的可行性？传热面积无穷大传热面积无穷大热功率无穷小热功率无穷小液体压缩的危险性？膨胀机的经济性？需探索工程应用中需探索工程应用中可行的实现方法可行的实现方法理论循环Ts3TkT0kpkp0q01458726wcwe二二、理论循环理论循环17171.理论循环和理想循环的区别理论循环和理想循环的区别理论循环的过程构成理论循环的过程构成两个等压过程一个等熵压缩过程一个绝热节流（不可逆）过程理论循环与理想循环理论循环与理想循环（逆卡诺循环逆卡诺循环

9、）的区别的区别两个传热过程均为等压过程，并且具有传热温差用膨胀阀代替膨胀机蒸气压缩在过热区进行，而不是在湿蒸气区内进行TsTkT0kq014587612pkp097342wcwe182.理论循环的实现方式理论循环的实现方式CompressorEvaporatorCondenserExpansion valveIncrement pressureRemove heat outdoorCooling air/WaterReduce pressure高压区低压区192.理论循环的实现方式理论循环的实现方式（1）具有具有温差传热温差传热例例：当环境当环境Tk 308.15K(35)，室内温度室内温度T

10、0300.15K(27)时时：1）逆卡诺循环的Tk308.15K(35)，T0300.15K(27)此时，COP137.522）当有温差传热时（实际空调器制冷剂工况）：Tk318.15K(45)，T0283.15K(10)，内部逆卡诺循环的COP28.093）理想空调器：Tk 318.15K(45)，T0287.15K(14?)此时，COP39.13QLQc传热传热外温外温：3535室温室温：2727Qe传热传热蒸发温度:10冷凝温度:45Pin压缩机202.理论循环的实现方式理论循环的实现方式高温高压蒸气高温高压蒸气低温低压蒸气低温低压蒸气低温气液低温气液混合物混合物冷凝器蒸发器qkwc压缩

11、机高压高压液体液体q0膨胀机we（2）膨胀阀膨胀阀代替膨胀机代替膨胀机原因：技术经济性差饱和液体或两相混合物膨饱和液体或两相混合物膨胀系数小胀系数小膨胀功膨胀功we很小很小膨胀机膨胀机结构复杂结构复杂、加工加工困难困难成本高成本高s3kq01487TTkT05612pkp0we9膨胀阀?42wc7采用膨胀采用膨胀阀阀制冷系数制冷系数减小减小 损失了膨胀功，使耗功量增大 膨胀功转化为热量，抵消了与膨胀功等量的制冷量212.理论循环的实现方式理论循环的实现方式 用虚线表示不可逆过程！故在压焓图中用虚线表示节流过程已知已知 绝热节流前：压力=pk，干度=0绝热节流后：压力=p0，干度=x节流前、后：

12、h3=h4求证求证 x(h1-h5)=1(h3-h5)证明证明 干度的定义：h4=(1-x)h5+xh1 (1)因节流前后：h3=h4 (2)将(2)式代入(1)式，得h3=(1-x)h5+xh1=h5+x(h1-h5)，即h5-h3=x(h1-h5)证毕。如何证明这个问题如何证明这个问题？s3kq01487TTkT05612pkp0we942wc7采用膨胀阀节流降压导致的制冷系数的降低程度节流损失 也可理解为：通过少量制冷剂(x)的蒸发，使全部液态制冷剂冷却至低压饱和液体22（3）压缩过程采用压缩过程采用干干压缩压缩代替湿压缩代替湿压缩原因原因防止液击（压缩液体）方法方法气液分离器膨胀阀控制

13、压缩机吸气过热度控制过热度控制过热度压缩机压缩机膨胀阀膨胀阀高温液体低温气液混合物wc2.理论循环的实现方式理论循环的实现方式低温蒸气高温蒸气低温气液混合物蒸发器蒸发器液态制冷剂气液分离器制冷剂泵冷凝器冷凝器qkq023s3kq014872TTkT056wc12pkp0we497过热损失采用干压缩导致的制冷系数的降低程度（3）压缩过程采用压缩过程采用干干压缩压缩代替湿压缩代替湿压缩效果效果安全运行COP降低导致导致COP下降的原因下降的原因干压缩过程存在有过热损失2.理论循环的实现方式理论循环的实现方式2243.理论循环理论循环的工程应用的工程应用室内温度=27蒸发温度=10冷凝温度=45室外

14、温度=35吸气温度=15排气温度=80应用举例单冷型空调器 253.理论循环理论循环的工程应用的工程应用热泵型空调器 制冷运行 制热运行应用举例（单冷型）汽车空调 热风冷风26小结小结学习内容学习内容理想循环：逆卡诺循环、劳伦兹循环理论循环：是理想循环的工程应用科学与技术的辩证关系科学与技术的辩证关系理想循环科学是追求的目标是追求的目标，可指导实际可指导实际，可召唤技术的诞生可召唤技术的诞生理论循环技术是理想的逼近是理想的逼近，是科学问题的工程体现是科学问题的工程体现我们的责任我们的责任为了维持室内的舒适环境或满足一定的工艺要求，应如何降低制冷与制热的能耗代价？三三、循环计算循环计算掌握掌握制

15、冷剂的lgp-h图制冷循环在lgp-h图上表示利用lgp-h图进行热力计算2828气液两相区过热蒸气区再冷液体3区：再冷液体区气液两相区过热蒸气区3区：再冷液体区气液两相区过热蒸气区lg ph1.制冷剂压焓图制冷剂压焓图（lgp-h图图）2线线：饱和液饱和液线线 x=0饱和气饱和气线线 x=12线线：饱和液饱和液线线 x=0饱和气饱和气线线 x=16线：等压线:p等比焓线:h等温线:t等比熵线:s等比容线:v等干度线:xhps 为何用 lg p?临界温度线vtxAx=0 x=11点：临界点C1点：临界点CC超临界区亚临界区29单质单质/共沸制冷剂压焓图共沸制冷剂压焓图（如如R134a、R502

16、）h=200 kJ/kgs=1.00 kJ/(kgK)40时的等温线t30非共沸制冷剂的压焓图非共沸制冷剂的压焓图（R407C）泡点泡点t-44露点露点t-37t蒸发过程蒸发过程冷凝过程冷凝过程p 注意：近共沸制冷剂如R410A，由于相同压力下的泡点和露z点相差很小，故其压焓图与单质类似，简化计算时，可以当作单质进行处理R407CR32/125/134a(23/25/52)R410A R32/125(50/50)312.制冷循环的热力计算制冷循环的热力计算【问题问题】为什么为什么要要使用压焓图使用压焓图？图上任何一点表示制冷剂的一个状态两状态点之间的比焓差反映了该过程中的能量变化关系能准确描述

17、制冷循环的各个过程231432制冷循环在压焓图上表示制冷循环在压焓图上表示QeQc比焓(kJ/kg)压力()Bar)1234Pin332.制冷循环制冷循环的热力计算的热力计算【问题问题】热力计算的热力计算的目的目的是是什么什么？已知 所研发产品的目标制冷量、目标COP和环境参数确定 制冷循环形式和状态点计算 压缩机的制冷剂质量流量、功耗、理论COP和冷凝器排热量目的 确定“四大件”和其它部件的容量，并进行设计或选型 空气源热泵机组342.制冷循环的热力计算制冷循环的热力计算计算方法计算方法（压焓图的应用压焓图的应用）蒸发器：q0h1-h4压缩机：wch2-h1节流阀：h3h4冷凝器：qkh2-

18、h3热平衡：qkq0+wc注意注意：压焓图是以1kg制冷剂绘制的实际制冷系统关心的是：一定制冷剂流量(Mr kg/s)下，能够制取的制冷量（kW）！12lg pp0pkhtkt0434 3 q0wcqk352.制冷循环制冷循环的热力计算的热力计算已知已知一个制冷循环的蒸发温度、冷凝温度、液态制冷剂的再冷度和压缩机的吸气温度制冷循环的制冷量Q0计算计算压缩机的理论输气量Vb=?冷凝器排热量Qk=?压缩机的理论功耗Pin=?制冷循环的理论制冷系数th=?制冷循环的制冷效率R=?风冷式冷水机组Q0362.制冷循环制冷循环的热力计算的热力计算计算步骤计算步骤根据已知条件，绘制制冷循环压焓图，读取各状态

19、点的状态参数单位质量制冷量（又称：单位制冷量）q0和制冷剂质量流量Mrq0h1-h4 Mr=Q0/q0冷凝器的排热量：Qk=Mrqk压缩机功耗：Pin=Mrwc理论制冷系数：th=Q0/Pin单位容积制冷量qv和压缩机理论输气量Vbqv=q0/v1（v1：压缩机压缩机吸气吸气比容比容）Vb=Q0/qv=Mrv1（Vb：是是压缩机压缩机选型的基础数据选型的基础数据）制冷效率制冷效率Rth/cR又称“热力完善度”，表示该循环逼近理想循环的程度c为内部逆卡诺循环制冷系数，是实际产品追求的极限12lg pp0pkhtkt0434 3 q0wcqk四四、循环改善循环改善理想循环理想循环理论循环理论循环实

20、际循环实际循环循环改进循环改进亚临界循环亚临界循环跨临界跨临界（超临界超临界）循环循环逆卡诺循环逆卡诺循环劳伦兹循环劳伦兹循环3838我们希望改善制冷循环的哪些性能我们希望改善制冷循环的哪些性能？（一一）提升制冷循环的提升制冷循环的能效比能效比（即即：性能系数性能系数）1）再冷一种特殊的再冷方式一种特殊的再冷方式：回热回热（即内部过冷即内部过冷）2）回收膨胀功3）多级压缩（双级）（二二）改善低温改善低温性能性能1）多级压缩（双级）2）复叠式（外复叠、内复叠）（三三）改善高温改善高温性能性能跨临界（超临界）循环39（一一）提升制冷循环提升制冷循环的能效比的能效比1.再冷再冷对冷凝器后的高压液体进

21、行再冷却12lg pp0pkhtk=45t0=7R134a434 3 q0q0压缩机压缩机膨胀阀膨胀阀高温液体低温气液混合物wc低温蒸气高温蒸气低温气液混合物蒸发器蒸发器液态制冷剂气液分离器冷凝器冷凝器冷却水qkq0s3kq0TTkT0512pkp04wc34再冷却器40（一一）提升提升制冷循环的能效比制冷循环的能效比1.再冷再冷实现再冷的方法 冷凝器后冷凝器后增设增设再冷却器再冷却器，依靠依靠自自然冷然冷源实现再冷源实现再冷 适当适当增大增大冷凝器传热面积冷凝器传热面积，但再但再冷程度有限冷程度有限 用一套用一套更高能效比更高能效比的制冷系统制的制冷系统制取取高温冷量高温冷量，用其对主循环的

22、高压用其对主循环的高压液体进行再冷却液体进行再冷却蒸气压缩再冷系统半导体再冷系统请思考：这类方法是否具有经济性！冷凝器压缩机蒸发器膨胀阀辅助再冷系统再冷却器41（一一）提升制冷循环的能效比提升制冷循环的能效比*回热循环回热循环是一种特殊的再冷方式用低温的压缩机吸气去冷却高温液体，使高压液体实现再冷低温气液混合物低温蒸气高温蒸气蒸发器压缩机膨胀阀高温液体回热器冷凝器t1t1t3t3qkq0th=t1-t1ts=t3-t3113342p01wc2（一一）提升制冷循环的能效比提升制冷循环的能效比制冷量增量:q0=h4-h4=h3-h3耗功增量:wc=(h2-h1)-(h2-h1)制冷量:q0=h1-

23、h4*回热循环回热循环4q0wc2q0wck42回热量:h1-h1=h3-h3TS134TkT0q0kpk243q0lg ph12331244wc43（一一）提升制冷循环的能效比提升制冷循环的能效比*回热循环回热循环制冷系数能否改善则与制冷剂的种类有关010203040吸气过热度th()R/th0.951.001.05当冷凝温度和蒸发温度一定时CO2R502C3H8R22R12R1144（一一）提升制冷循环的能效比提升制冷循环的能效比2.回收膨胀功回收膨胀功原因：1）全球推行产品能效等级制度；2）膨胀机技术进展显著000ethethceceqqqwww D 为何又改回膨胀机了呢为何又改回膨胀机

24、了呢？膨胀阀高温高压蒸气高温高压蒸气低温低压蒸气低温低压蒸气低温气液低温气液混合物混合物冷凝器蒸发器qkwc压缩机高压高压液体液体q0膨胀机wes3kq047TTkT05612pkp084wc7weq045（一一）提升制冷循环的能效比提升制冷循环的能效比3.多级压缩多级压缩（双级双级或或准双级准双级压缩压缩为主为主）1）压缩机两台两台压缩机压缩机一台单机双级压缩机一台单机双级压缩机2）实现中间压力的方式必须必须从高压节流从高压节流（有节流到中有节流到中压的节流阀压的节流阀）高压级压缩机必须高压级压缩机必须从中压吸气从中压吸气，以以维持其中压维持其中压TsTkT00pkp441Tm253667m

25、pTsTkT00pkp213446省功（一一）提升制冷循环的能效比提升制冷循环的能效比3）双级压缩循环的分类方法制冷剂从冷凝器到蒸发器的节制冷剂从冷凝器到蒸发器的节流次数流次数（一次节流一次节流、二次节流二次节流）高压级压缩机的吸气状态高压级压缩机的吸气状态（中中间完全冷却间完全冷却、中间不完全冷却中间不完全冷却）4）循环形式一次节流一次节流+中间完全冷却中间完全冷却一一次节流次节流+中间中间不完全不完全冷却冷却二次节流二次节流+中间完全冷却中间完全冷却二次节流二次节流+中间不完全冷却中间不完全冷却多级压缩循环多级压缩循环实现功量的大幅度节省系统的复杂程度、成本增加TsTkT00pkp441T

26、m253667mpTsTkT00pkp14Tm,n23nmp,q047（一一）提升制冷循环的能效比提升制冷循环的能效比一次节流一次节流中间完全冷却中间完全冷却循环循环（氨氨）氨氨蒸发器膨胀阀2冷凝器134低压级压缩机5TsTkT00pkp3145ab从冷凝器到蒸发器之间节流级数高压级压缩机吸气状态2mp45bTm263q04中间冷却器6膨胀阀122高压级压缩机3548（一一）提升制冷循环的能效比提升制冷循环的能效比一次节流一次节流中间不完全冷却中间不完全冷却循环循环（氟氟）lg ph1253479680氟氟中间冷却器节流阀2低压级压缩机高压级压缩机蒸发器冷凝器节流阀112345678949（一

27、一）提升制冷循环的能效比提升制冷循环的能效比二次节流二次节流中间完全冷却中间完全冷却循环循环（氟氟）氟氟蒸发器膨胀阀2冷凝器134低压级压缩机76中间冷却器5膨胀阀122高压级压缩机经济器EconomizerTsTkT00pkp14a2mp67bTm253q050二次节流二次节流中间不完全中间不完全冷却冷却循环循环（氟氟）准双级压缩准双级压缩（一台涡旋一台涡旋、转子转子、螺杆压缩机螺杆压缩机）（一一）提升制冷循环的能效比提升制冷循环的能效比氟氟TsTkT00pkp15a2mp89bTm7643q051 双级压缩循环的热力计算双级压缩循环的热力计算在双级压缩制冷系统或机组设计时在双级压缩制冷系统

28、或机组设计时，需需要计算中间温度要计算中间温度tm或中间压力或中间压力pmCtttokm36.04.00如果高如果高、低压级的理论输气量已知低压级的理论输气量已知，则需则需采用迭代采用迭代计算计算确定确定最佳中间温度最佳中间温度tm0pppkm热力计算的核心热力计算的核心：质量守恒质量守恒+能量守恒能量守恒【例题】以计算高、低压级质量流量比为例以中间冷却器为对象进行计算最简单37255)(hmhmhmhmmhmgdddgd5372hhhhmmdg简化结果为简化结果为：一次节流、中间完全冷却双级压缩制冷循环TsTkT00pkp441Tm253768mp冷却水3冷凝器蒸发器中间冷却器1膨胀阀膨胀阀

29、2458高压级压缩机低压级压缩机7冷冻水简化计算时：=1524.小结小结提高制冷循环能效比主要有三种途径高压高压液体再液体再冷冷回热循环是一种特殊的高压液体再冷方式能否改善能效比与制冷剂有关回收膨胀功回收膨胀功多级压缩多级压缩：双级压缩用得最多双级压缩用得最多双级循环循环有四种类型一一次次节流中间节流中间完全完全冷却冷却：常用常用于于氨氨制冷系统制冷系统一一次次节流中间节流中间不完全不完全冷却冷却二二次次节流中间节流中间完全完全冷却冷却二二次次节流中间节流中间不完全不完全冷却冷却（一一）提升制冷循环的能效比提升制冷循环的能效比常用于常用于氟氟利利昂制冷系统昂制冷系统53（二二）改善制冷循环的低

30、温性能改善制冷循环的低温性能采用单级压缩采用单级压缩循环是否能获得足够循环是否能获得足够的低温的低温？凝固点限制：蒸发温度必须制冷剂凝固点（氨凝固点：-77.7）空气易渗入系统：蒸发温度（压力）过低时，系统负压运行蒸发温度降低，制冷量减小、能效比降低：干度x增大，q0减小，wc增大可靠性降低：压缩机排气温度过高，润滑油易炭化压缩机体积很大：蒸发温度过低，压缩机吸气v增大tk=40t0=7t0=-15t0=-40结论结论采用单级循环难以实现需采用单级循环难以实现需要的低温要的低温即使能够获得需求的低温即使能够获得需求的低温，但经济性但经济性也也不好不好必须采取措施必须采取措施，改善其低改善其低温

31、性能温性能54（二二）改善制冷循环的低温性能改善制冷循环的低温性能（1）多级压缩循环多级压缩循环可获得更低的低温能效比提高低温适应性增强（2）复叠式制冷循环复叠式制冷循环两套独立制冷循环高温级高温级低温级低温级冷凝蒸发器根据目标低温要求，选择合理的工质对与多级压缩循环相比，可以获得更低的低温高温级压缩机冷凝器节流阀1冷凝蒸发器节流阀2低温级压缩机蒸发器55（二二）改善制冷循环的低温性能改善制冷循环的低温性能复叠式制冷循环复叠式制冷循环我国烟台冰轮集团等企业已研发出NH3+CO2复叠式冷库系统hR232143pkp0R23t0=-80lg pR23tk=-25R225876lg pR22p0pk

32、hR22tk=40t0=-30TkLT0LTs2143TkHT0H5876Ts56（二二）改善制冷循环的低温性能改善制冷循环的低温性能内复叠式内复叠式（自然复叠自然复叠）制制冷循环冷循环自然复叠制冷系统采用沸点差别较大的混合制冷剂，通过1台压缩机实现多级复叠，可以制取-60 以下的低温，极大地简化了制冷系统1台压缩机多元非共沸工质对具有较大的工作温区，无论是在普冷领域，还是在低温电子、低温医学、冷冻干燥、气体液化等低温领域，都具有重要的应用价值冷凝-蒸发器压缩机蒸发器冷凝器高沸点工质节流阀1分馏器低沸点工质节流阀2 采用更多级的内复叠制冷循环可以实现天然气液化57（三三）改善热泵循环的高温性能

33、改善热泵循环的高温性能亚临界循环亚临界循环对于高温与中温制冷剂，在普通制冷范围内，由于制冷循环的冷凝压力远离（远低于）制冷剂的临界压力，故称之为亚临界循环亚临界循环是制冷、空调领域广泛应用的循环形式跨临界循环跨临界循环（Transcritical Cycle）或或超临界循环超临界循环（Supercritical Cycle）一些低温制冷剂在普通制冷范围内，利用冷却水或室外空气作为冷却介质时，压缩机排气压力制冷剂临界压力，而蒸发压力临界压力CO2（R744）就是这种制冷剂之一hlg p4213pkp0t0=-20tk=40abcdCpCtC跨临界蒸气压缩式制冷循环lgp-h图58（三三）改善热泵

34、循环的高温性能改善热泵循环的高温性能CO2跨临界制冷循环跨临界制冷循环(a)循环原理图(b)压焓图h1234lgp气体冷却器蒸发器wc压缩机膨胀阀1234qkq0C59影响跨临界与亚临界影响跨临界与亚临界制冷制冷循循环制冷系数环制冷系数th的因素的因素相同点：当其它条件不变时，t3降低 理论制冷系数th升高不同点：当其它条件不变时，p2升高理论制冷系数th先升高、再下降，存在最优高压侧压力p2opt，使得thmax跨临界循环的最佳应用场合跨临界循环的最佳应用场合大温差加热热水改善循环高温性能的缘由跨临界循环热力计算跨临界循环热力计算方法：与亚临界循环完全相同hlgpt323434CTs1234

35、出水温度80进水温度20排气温度120液体温度401423th（三三）改善热泵循环的高温性能改善热泵循环的高温性能60CO2跨临界制冷循环的改善跨临界制冷循环的改善（1）回热循环循环原理图气体冷却器蒸发器压缩机膨胀阀回热器112334wc（三三）改善热泵循环的高温性能改善热泵循环的高温性能h234lgp311C24lgp-h图qkq061CO2跨临界制冷循环的改善跨临界制冷循环的改善（2）回收膨胀功Ts1234 液体膨胀产生气化核心出现“过热液体”亚稳态现象爆炸式闪蒸膨胀机效率下降故实际过程应尽量避免，使液体瞬时气化（三三）改善热泵循环的高温性能改善热泵循环的高温性能气体冷却器蒸发器wce压缩

36、机1235qkq0膨胀阀膨胀机we循环原理图T-s 图5a3a6a56液体功液体功：超临界流体转变为饱和液体过程中输出的轴功相变功相变功：由气液两相流体的容积膨胀输出的轴功62CO2跨临界制冷循环的改善跨临界制冷循环的改善（3）双级压缩ch1234lg p2a2b【问题问题】为何不需要通过中温制冷剂作为冷源进行中间冷却？气体冷却器蒸发器wc2高压级压缩机膨胀阀2b2312awc14低压级压缩机（三三）改善热泵循环的高温性能改善热泵循环的高温性能循环原理图lgp-h图qkq063CO2跨临界制冷循环跨临界制冷循环的改善的改善上述循环的比较1.简单单级压缩循环简单单级压缩循环2.单级压缩回热循环单

37、级压缩回热循环3.双级压缩回热循环双级压缩回热循环4.用膨胀机的单级压缩用膨胀机的单级压缩循环循环多种技术措施综合应用，有利于更大程度地提高循环性能R744 t3=404.03.02.01.0-50510蒸发温度 te()实际能效比s（三三）改善热泵循环的高温性能改善热泵循环的高温性能1.单级压缩3.双级回热2.单级回热4.单级膨胀五五、实际循环实际循环65651.实际循环实际循环过程过程实际制冷循环的特点实际制冷循环的特点无论是亚临界还是跨临界循环，其实际过程存在较大的流动和传热损失压缩机内摩擦和传热压缩机内摩擦和传热压缩机进压缩机进、排气阀节流排气阀节流损失损失辅助设备辅助设备、部件部件、

38、管道管道、管件的摩擦损失和传热管件的摩擦损失和传热过热度、再冷度气液分离器气液分离器油油分分离离器器压缩机压缩机高压贮液器高压贮液器661.实际循环过程实际循环过程膨胀阀的节流损失压缩机内散热进气阀节流冷凝器内压力损失排气阀节流蒸发器内压力损失吸气管摩擦、吸热T压缩机内吸热sTk(pk)T0(p0)pa34ccd211abpc34211234干压缩的过热损失671.实际循环过程实际循环过程蒸气压缩式制冷的实际循环蒸气压缩式制冷的实际循环lgp-h图图与理论制冷循环相比与理论制冷循环相比，实际循环具有如下实际循环具有如下主要主要特点特点压缩机提供的压差增大压缩机吸气比容增大：导致质量流量变小多变

39、压缩以及存在摩擦损失和电机损失；将导致压缩功进一步增大循环计算时进一步循环计算时进一步简化简化保留实际循环4个特征4p2312p1理论计算时采用理论计算时采用lg ph234pkp01(1)234682.实际循环的性能参数实际循环的性能参数：制冷量制冷量压缩机存在余隙压缩机存在余隙、内漏等损失内漏等损失,导导致实际输气量致实际输气量Vr减少减少压缩机的Vb=constant容积效率v：压缩机实际输气量Vr与理论输气量Vb之比压缩机吸气比容压缩机吸气比容v1比理论循环时的比理论循环时的v1增大增大，导致制冷剂质量流量导致制冷剂质量流量Mr减减小小单位质量制冷量单位质量制冷量q0单位容积制冷量单位

40、容积制冷量qv实际循环的实际循环的制冷量制冷量Q0p2p1142lg ph3qv=q0/v1Q0=Mrq0=vVbqv69损失2.实际循环的性能参数实际循环的性能参数：耗功率耗功率驱动各环节存在损失驱动各环节存在损失，导致实际循环耗功率导致实际循环耗功率Pin增大增大压缩机摩擦损失压缩机摩擦损失、油泵耗功油泵耗功输入功率Pin电机损失电机损失电机效率电机效率 e e输出功率输出功率P Poutout轴功率轴功率P Pe e传动效率传动效率 d d等熵压缩功率Pth多变压缩过程多变压缩过程指示效率指示效率 i iPth=MrwcPin=Pth/(imde)指示功率指示功率P Pi i机械效率机械

41、效率 mm传动损失传动损失702.实际循环的性能参数实际循环的性能参数：能效比能效比制冷与热泵设备的制冷与热泵设备的能效比能效比（COP）意义：单位输入功率的制冷量或制热量制冷能效比：COPc；制热能效比：COPh应用应用封闭式压缩机制冷循环：计算到电机的输入功率开启式压缩机制冷循环：计算到轴功率01421imdeimdethinQhhCOPPhh 01421imdeimdethinQhhCOPPhh 01421imeQhhCOPPhh01421imeQhhCOPPhh可见，实际制冷循环COP比理论循环COP更低！712.实际循环的性能参数实际循环的性能参数：能效比能效比在实际制冷产品性能评价

42、中在实际制冷产品性能评价中，其耗功率包括其耗功率包括：产品所有产品所有耗功环节的耗功环节的功率功率，例如例如：冷水机组：压缩机、控制器房间空调器、单元式空调机、多联机等直接膨胀式机组：压缩机、冷凝器和蒸发器风扇、控制器因此，不同类型产品的性能系数差别很大各类产品额定各类产品额定（名义名义）制冷系数制冷系数COPc的大致范围的大致范围房间空调器（定速）：3.24.2单元式空调机、多联机：3.04.0（有、无静压时，室内机风扇功率相差较大）风冷式冷水机组：2.83.6（不包括冷却、冷冻水泵）小型水冷式机组：4.06.0（不包括冷却、冷冻水泵）大型水冷式机组：5.07.5（不包括冷却、冷冻水泵）72

43、本章小结本章小结学习要求学习要求熟练掌握蒸气压缩式制冷（或热泵）循环的基本原理明确理想循环、理论循环、实际循环，以及改善制冷循环的技术措施灵活应用压焓图（lgp-h图）工具，分析与计算制冷（或热泵）循环73本章小结本章小结学习体会学习体会热力学原理是构建制冷循环、设备、系统的基础工程技术的发展进程理想循环理想循环理论循环理论循环实际循环实际循环：是是科学转化为技术科学转化为技术、理论指理论指导实际的具体体现导实际的具体体现，也反映了制冷技术发展的历史也反映了制冷技术发展的历史进程进程工程技术问题的研究方法明确实际问题明确实际问题：实物图实物图原理图原理图寻找分析工具寻找分析工具：原理图原理图压焓图压焓图、温熵图等温熵图等建立平衡关系建立平衡关系：质量质量、动量动量、能量守恒能量守恒分析影响规律分析影响规律：自变量对因变量的影响自变量对因变量的影响解决实际问题解决实际问题：提出具体措施提出具体措施