制冷原理及設(shè)備第

2章蒸氣壓縮式制冷第

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章蒸氣壓縮式制冷主要內(nèi)容：單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)蒸氣壓縮式制冷中的制冷劑多級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)復(fù)疊式蒸氣壓縮制冷循環(huán)1.系統(tǒng)組成：壓縮機(jī)，節(jié)流閥，蒸發(fā)器和冷凝器等主要設(shè)備及輔助設(shè)備（過濾器，油分離器，儲液器）。2.1.1特點及工作過程2.1單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)壓-焓圖溫-熵圖2.1.2制冷劑的狀態(tài)圖壓-焓圖：

1點，2線，3區(qū)，5態(tài)，6等參數(shù)線簇。2線3區(qū)5態(tài)1點臨界點(criticalpoint)下臨界線:不同壓力下飽和液體狀態(tài)上臨界線：不同壓力下干飽和蒸汽狀態(tài)液相區(qū)(liquidregion)汽液兩相區(qū)(liquid-vaporregion)

汽相區(qū)(vaporregion)未飽和液體，飽和液體，濕飽和蒸汽，干飽和蒸汽，過熱蒸汽。

6等參數(shù)線簇(壓-焓圖）等壓線---水平線；等焓線---垂直線；等溫線---液相區(qū)：幾乎為垂直線，兩相區(qū)：水平線，氣相區(qū)：向下方彎曲的傾斜線；等熵線---向右上方傾斜的實線；等容線---向右上方傾斜的虛線，比等熵線平坦；等干度線---只存在于濕蒸氣區(qū)。

高溫?zé)嵩碩H和低溫?zé)嵩碩L溫度恒定，制冷劑在相變過程中與熱源之間沒有傳熱溫差，蒸發(fā)溫度To=TL，冷凝溫度

TK=TH；制冷劑除在蒸發(fā)器和冷凝器外，在整個循環(huán)的其它流動過程中與外界不發(fā)生熱交換。制冷劑離開蒸發(fā)器的狀態(tài)為飽和蒸氣，離開冷凝器的狀態(tài)為飽和液體；制冷劑除在壓縮機(jī)和膨脹閥處發(fā)生壓力升降外，在整個循環(huán)的其它流動過程中沒有壓力損失；

壓縮機(jī)的壓縮過程為等熵壓縮過程；制冷劑流過節(jié)流裝置時，速度變化小，可忽略不計；制冷劑在設(shè)備的連接管道中不發(fā)生狀態(tài)變化。1.簡單的理論循環(huán)假設(shè)2.1.3

單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的理論循環(huán)2.

理論循環(huán)在坐標(biāo)圖上的描述

工作過程（1）1-2壓縮機(jī)中干飽和蒸汽等熵壓縮過程；（2）2-3冷凝器中過熱蒸汽等壓冷卻及冷凝過程；（3）3-4節(jié)流閥中飽和液體絕熱節(jié)流過程；（4）4-1蒸發(fā)器中濕蒸汽等溫等壓汽化過程。（2）2點：壓縮機(jī)壓縮后的排氣狀態(tài)，對應(yīng)于冷凝壓力下的過熱蒸汽。

各點對應(yīng)狀態(tài)（1）1點：制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)的狀態(tài)，對應(yīng)于蒸發(fā)溫度To下的飽和蒸汽。（3）3點：制冷劑在冷凝器出口處的狀態(tài)，是與冷凝溫度TK對應(yīng)的飽和液體。（4）4點：節(jié)流后流出節(jié)流閥，進(jìn)入蒸發(fā)器的狀態(tài)，為濕飽和蒸汽狀態(tài)。

坐標(biāo)圖中的表示課堂問題1：不可逆絕熱過程熵變?nèi)绾?？課堂問題2：理論循環(huán)是否是可逆循環(huán)？

理論依據(jù)：熱力學(xué)第一定律（開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動的能量守恒方程式）3.

理論循環(huán)特性（1）蒸發(fā)過程和單位制冷量

制冷量：

制冷劑通過蒸發(fā)器時從低溫?zé)嵩次盏臒崃俊?/p>

單位質(zhì)量制冷量：

1kg

制冷劑在蒸發(fā)器中從低溫?zé)嵩次盏臒崃俊Ｊ街校簈m—制冷劑的質(zhì)量流量。說明制冷量制冷劑的質(zhì)量流量制冷劑進(jìn)出蒸發(fā)器的焓差與壓縮機(jī)的尺寸和轉(zhuǎn)速有關(guān)與制冷劑的種類和工作條件有關(guān)

單位容積制冷量：

壓縮機(jī)每吸入

1m3制冷劑蒸氣

（按壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)）所制取的冷量。

制冷劑的質(zhì)量流量：

式中：v1—壓縮機(jī)入口處狀態(tài)點1的比體積。式中：qvh—壓縮機(jī)的理論輸氣量，m3/s。（2）壓縮過程和比功

理論比功：

壓縮機(jī)每壓縮和輸送1kg

制冷劑所消耗的壓縮功。壓縮機(jī)功率：

容積比功：

壓縮機(jī)每壓縮和輸送1m3制冷劑（按壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)）所消耗的壓縮功。與制冷劑的種類和工作條件有關(guān)

壓縮機(jī)的壓力比：

循環(huán)中壓縮機(jī)的排氣壓力與吸氣壓力之比。

壓縮機(jī)的排氣溫度T2

：

制冷劑氣體壓縮終了的溫度。（3）冷凝過程和冷凝器的熱負(fù)荷

冷凝器單位熱負(fù)荷：

1kg

制冷劑蒸汽在冷凝器中放出的熱量。（4）節(jié)流過程

節(jié)流過程特點節(jié)流前后焓值不變；但節(jié)流過程非等焓過程。

節(jié)流過程是不可逆過程。。

節(jié)流時絕熱膨脹，對外不作功。。整個循環(huán)比功與壓縮機(jī)的理論比功相等。

節(jié)流后4狀態(tài)點焓值干度比體積（6）循環(huán)效率（熱力完善度）：（5）制冷系數(shù)：

總結(jié)

運用某種制冷劑時：蒸發(fā)壓力po

，冷凝壓力pk反映系統(tǒng)的壓力水平；壓力比，壓力差和排氣溫度反映壓縮機(jī)的工作條件；單位制冷量，單位容積制冷量反映制冷能力，

COP反映制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。

制冷機(jī)的性能

制冷量Ф0

壓縮機(jī)功率P

循環(huán)的性能系數(shù)COP影響理論循環(huán)特性的因素：（1）熱源的溫度；（2）制冷劑的性質(zhì)。理論循環(huán)的意義：（1）是實際循環(huán)的基準(zhǔn)和參照，用于分析研究實際循環(huán)的各種不完善因素和作出相應(yīng)改進(jìn)。（2）用于評價制冷劑。相同Tk，To條件下，通過不同制冷劑的理論循環(huán)特性比較，可以評價它們在熱力性質(zhì)方面的適宜程度。理論循環(huán)是不可逆循環(huán)。4.

理論循環(huán)的意義

影響實際循環(huán)的因素2.2單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(huán)

高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩礊樽儨責(zé)嵩矗?/p>

熱源與制冷劑的傳熱為有限溫差傳熱。

外部條件

內(nèi)部條件

制冷劑液體過冷和蒸氣過熱的影響；

冷凝器，蒸發(fā)器和連接各設(shè)備的管道中因制冷劑流動而產(chǎn)生壓降，制冷劑通過管道與外界有熱交換；

壓縮機(jī)中的實際壓縮過程為非等熵過程；

系統(tǒng)中存在不凝性氣體等。（1）過冷：制冷劑液體的溫度低于同一壓力下飽和狀態(tài)的溫度。過冷度：兩者溫度之差。（2）液體過冷循環(huán)：在一定的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度下，采用使制冷劑離開冷凝器，進(jìn)入節(jié)流閥之前具有一定過冷度的循環(huán)。2.2.1

各種實際因素對循環(huán)的影響1.高壓液體過冷的影響（3）過冷循環(huán)的坐標(biāo)圖表示單位容積制冷量

增大

循環(huán)比功

不變

過冷前后壓縮機(jī)進(jìn)出口狀態(tài)不變，比功不變。

制冷系數(shù)

增加（4）過冷對制冷循環(huán)的影響單位制冷量

增大相同過冷度下，制冷量和制冷系數(shù)提高的百分?jǐn)?shù)取決于制冷劑的熱力性質(zhì)，即與制冷劑液體的比熱容和蒸發(fā)溫度下的汽化潛熱有關(guān)。（5）結(jié)論：

采用液體過冷循環(huán)，理論上總是有利的，可以提高循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。且過冷度越大，對循環(huán)越有利；

使進(jìn)入節(jié)流裝置前的制冷劑液體不會因流動阻力產(chǎn)生氣化現(xiàn)象，從而保證了制冷劑流動的穩(wěn)定性。

蒸發(fā)溫度越低，過冷使性能的相對提高越大。

利用再冷卻器或過冷器獲得過冷；（6）實現(xiàn)過冷的措施：利用冷凝器直接過冷；

過冷度提高不多，一般可獲得1-5℃過冷度。采用逆流管套式換熱器最易獲得過冷。

在冷凝器和膨脹閥之間增設(shè)一臺過冷器，在過冷器中通入溫度更低的冷卻介質(zhì)（如深井水）；

或?qū)⒗鋮s介質(zhì)先通過再冷卻器，然后再進(jìn)入冷凝器。

采用氣-液熱交換器（回?zé)崞鳎＃?）蒸氣過熱循環(huán)：制冷劑蒸氣在蒸發(fā)器中完全蒸發(fā)后仍然要繼續(xù)吸收一部分熱量，這樣，當(dāng)它到達(dá)壓縮機(jī)之前已處于過熱狀態(tài)。（1）過熱：制冷劑蒸氣的溫度高于同一壓力下飽和蒸氣的溫度。過熱度：兩者溫度之差。2.壓縮機(jī)吸氣過熱的影響不將液滴帶入壓縮機(jī)，避免液擊現(xiàn)象。目的（3）過熱循環(huán)的坐標(biāo)圖表示（4）過熱對制冷循環(huán)的影響過熱循環(huán)中壓縮機(jī)的排氣溫度比理論循環(huán)壓縮機(jī)的排氣溫度高；壓縮機(jī)的排氣溫度

增加循環(huán)比功

略增大由于過熱循環(huán)在1-1’過程中吸收了一部分熱量，再加上比功又略有增加，則冷凝器的熱負(fù)荷增加。冷凝器的熱負(fù)荷

增加若給定壓縮機(jī)，制冷劑的質(zhì)量流量qm

減小單位制冷量和制冷系數(shù)的變化

——取決于過熱是有效過熱，還是無效過熱。若壓縮機(jī)吸入蒸氣的過熱發(fā)生在蒸發(fā)器本身，或者發(fā)生在安裝于被冷卻空間內(nèi)部的吸氣管道上，或兩者皆有，該過熱所吸收的熱量來自于被冷卻物體，因而產(chǎn)生有效的制冷作用。有效過熱從蒸發(fā)器出來的低溫制冷劑蒸氣，在通過吸氣管道進(jìn)入壓縮機(jī)之前，從周圍環(huán)境中吸收熱量而過熱，該過熱對被冷卻物體不產(chǎn)生任何制冷作用。無效過熱無效過熱為有害過熱。結(jié)論在吸氣管道上敷設(shè)隔熱材料。但不能完全消除。措施單位容積制冷量如何變化？無效過熱對循環(huán)性能的影響單位制冷量

不變

制冷量

減少

制冷系數(shù)

降低給定壓縮機(jī)單位容積制冷量qv：與制冷劑的性質(zhì)有關(guān)有效過熱對循環(huán)性能的影響單位制冷量q0

增加NH3單位容積制冷量下降；制冷量減少；

壓縮終了溫度提高；

對壓縮機(jī)的壽命，可靠

性不利；

希望有5℃的過熱度。R502

單位容積制冷量增加；制冷量增加；容積效率提高；吸氣過熱度受最高允許排氣溫度的限制；

R502

可允許有30-50℃過熱度。

單位容積制冷量減少，但變化較小；

壓縮機(jī)的容積效率增加，占優(yōu)勢；相同工作條件下，壓縮機(jī)排氣溫度比R502高，

因而限制了有效過熱度允許采用的數(shù)值。R22制冷系數(shù)：與制冷劑的性質(zhì)有關(guān)

制冷系數(shù)下降：NH3，R22；制冷系數(shù)增加：R502，丙烷。（1）回?zé)幔菏构?jié)流前的制冷劑液體和壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣進(jìn)行熱交換，同時達(dá)到液體過冷和吸氣過熱的目的。（2）回?zé)嵫h(huán)制冷系統(tǒng)圖

3.氣-液熱交換器（回?zé)幔ρh(huán)性能的影響（3）回?zé)嵫h(huán)坐標(biāo)圖

回?zé)崞鞯哪芰科胶怅P(guān)系不計回?zé)崞髋c外界環(huán)境之間的能量交換，回?zé)崞髦兄评鋭┮后w放出的熱量應(yīng)等于制冷劑蒸氣吸收的熱量。

（4）回?zé)嵫h(huán)分析即；式中：c’：液體的比熱容，

cp0：低壓蒸氣的比熱容。循環(huán)比功略增加

單位制冷量增加比同有效過熱分析回?zé)嵫h(huán)等價于沒有過冷的有效過熱循環(huán)。說明制冷系數(shù)可增加或減小與制冷劑的性質(zhì)有關(guān)。（5）回?zé)嵫h(huán)的應(yīng)用

從單位容積制冷量和制冷系數(shù)角度看：R502，R290，R134a采用回?zé)嵫h(huán)有利；R22，R717采用回?zé)嵫h(huán)不利。為防止壓縮過程產(chǎn)生液擊現(xiàn)象，采用回?zé)嵫h(huán)；R113，R114，RC318等類制冷劑—T-S圖上飽和蒸氣曲線向左下方傾斜，當(dāng)壓縮機(jī)吸入的是飽和氣體時，等熵壓縮后進(jìn)入濕蒸氣區(qū)，不利于壓縮機(jī)工作。必須采用回?zé)嵫h(huán)。

蒸發(fā)溫度較高的制冷機(jī)一般不用回?zé)崞?。對小型制冷機(jī)來說，通常把冷凝后的液體管道（或毛細(xì)管）與壓縮機(jī)前的吸氣管道包扎在一起，形成一個簡單的回?zé)崞鳌?/p>

蒸發(fā)溫度低的制冷機(jī)用回?zé)崞饔兄匾饬x：低溫制冷裝置中，吸氣溫度過低會使壓縮機(jī)汽缸外壁結(jié)霜，潤滑條件惡化，應(yīng)設(shè)法提高吸氣溫度。同時高壓液體因回?zé)岫玫竭^冷。對較大型制冷機(jī)，需用一個專門的回?zé)崞鳌?/p>

壓縮機(jī)吸氣比體積增加，壓力比增加；循環(huán)比功增大；容積效率降低；制冷系數(shù)降低。

（1）吸氣管道

壓縮機(jī)吸氣比體積增大；單位容積制冷量減?。慌艢鉁囟壬仙?；循環(huán)性能系數(shù)下降。增大管徑，降低流速。4.管道壓力損失和熱交換對循環(huán)性能的影響熱交換—無效過熱壓力降—有害采取措施增加了壓縮機(jī)的排氣壓力；增加了壓縮機(jī)的壓力比，比功；增加了壓縮機(jī)排氣溫度；容積效率降低；制冷系數(shù)下降。冷卻高壓氣體；減小冷凝器的熱負(fù)荷。排氣管道中制冷劑的流速也必須加以控制。該壓力降相對于壓縮機(jī)的壓力比而言，要小得多，對系統(tǒng)的影響較小。（2）排氣管道

熱交換—有利壓力降—有害采取措施（3）高壓液體管道

熱交換：考慮兩種可能情況a:熱交換—有利

若制冷劑液體溫度高于環(huán)境溫度，高壓制冷劑液體散熱，起到過冷作用，對循環(huán)有益；若制冷劑液體溫度低于環(huán)境溫度，制冷劑被環(huán)境加熱，高壓液管中將有部分制冷劑液體汽化，影響膨脹閥的流通能力且使其工作不穩(wěn)定。造成蒸發(fā)器缺液，制冷能力下降。b:熱交換—不利

產(chǎn)生的原因：液體管路中的壓力降；高度差導(dǎo)致壓力降。

產(chǎn)生的影響：使膨脹閥前的制冷劑壓力降低；閥前后的壓力差減??；高壓液管的壓力損失將使閥前液體出現(xiàn)閃蒸氣；影響膨脹閥的通流能力及其工作的穩(wěn)定性。設(shè)計時，注意冷凝器和節(jié)流裝置的相對位置；同時，降低節(jié)流前管路的阻力損失。壓力降—有害采取措施a：管道安裝在被冷卻空間，有效制冷；b：管道安裝在室外，無效制冷。

兩相管道的壓力降，使膨脹閥出口壓力升高，閥前后壓差減小，略削弱膨脹閥通流能力；通常這一管道的距離是較短的，壓力降對系統(tǒng)性能幾乎沒有影響。（4）低壓（兩相）管道

熱交換—兩種情況壓力降—幾乎無影響5.蒸發(fā)器a：假設(shè)制冷劑流出蒸發(fā)器的狀態(tài)不變：則進(jìn)入蒸發(fā)器的壓力增加，溫度增加，蒸發(fā)器中的傳熱溫差減小，要求換熱面積增加。對系統(tǒng)性能無影響。b：假設(shè)制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器狀態(tài)不變，不改變傳熱溫差：則結(jié)果與吸入管道壓力降引起的結(jié)果相同。比照吸氣管道制冷系統(tǒng)管道中，應(yīng)高度注意處理吸氣管道和高壓液體管道對制冷循環(huán)的影響。結(jié)論壓力降—考慮兩種情況6.冷凝器假設(shè)冷凝器出口壓力不變則需提高冷凝器入口處壓力，要求壓縮機(jī)排氣壓力升高，壓力比增大；循環(huán)比功增加；制冷系數(shù)減小。壓力降—注意條件7.壓縮機(jī)熱交換—多變過程初始階段：汽缸壁面溫度>吸入蒸氣溫度，由汽缸壁向蒸氣傳熱；壓縮到一定階段：蒸氣溫度升高>汽缸壁面溫度，熱量由蒸氣傳向汽缸壁面。功率損失，容積損失功率損失：使壓縮機(jī)實際消耗功率增大；容積損失：使壓縮機(jī)輸氣量減小；制冷量下降，性能系數(shù)下降。（1）壓縮機(jī)的指示效率指示功：直接用于氣體壓縮所消耗的功。指示效率：指示比功與理論比功的比值。（2）壓縮機(jī)的機(jī)械效率機(jī)械效率：指示比功與壓縮機(jī)實際消耗的軸比功之比。（3）電動機(jī)效率電動機(jī)效率：作用在壓縮機(jī)軸上的功與壓縮機(jī)實際輸入的功之比。（4）壓縮機(jī)的容積效率容積效率：壓縮機(jī)實際輸氣量與理論輸氣量之比。不凝性氣體（如空氣）積存在冷凝器上部，將使冷凝器內(nèi)壓力增加，導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣壓力升高，比功增大，制冷系數(shù)減小，應(yīng)及時排出。水分存在使制冷劑發(fā)生水化反應(yīng)，對系統(tǒng)材料有腐蝕作用。潤滑油與制冷劑直接接觸，二者產(chǎn)生互溶性，使制冷劑的熱力性質(zhì)偏移。8.不凝性氣體的存在對循環(huán)性能的影響1.制冷系統(tǒng)管道中要特別注意吸氣管道，高壓液管。2.注意不同種類的制冷劑其熱力性能的不同變化?？偨Y(jié)2.2.2

實際循環(huán)實際循環(huán)在坐標(biāo)圖中的表示過程4’-1：制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)，降壓過程；過程1-1’：制冷劑蒸氣在回?zé)崞骷拔鼩夤艿乐械募訜岷徒祲哼^程；過程1’-1’’：蒸氣經(jīng)過吸氣閥時的加熱和壓降過程；過程1”-2：壓縮機(jī)內(nèi)實際的壓縮過程；過程2-2’：壓縮機(jī)排氣經(jīng)過排氣閥的降壓過程；過程2’-3：經(jīng)排氣閥管道進(jìn)入冷凝器的冷卻，冷凝及壓降過程；過程3-3’：制冷劑液體在回?zé)崞骷肮艿乐薪禍兀祲?/p>