制冷原理及設備第

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容：單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環蒸氣壓縮式制冷中的制冷劑多級蒸氣壓縮式制冷循環復疊式蒸氣壓縮制冷循環1.系統組成：壓縮機，節流閥，蒸發器和冷凝器等主要設備及輔助設備（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壓-焓圖溫-熵圖2.1.2制冷劑的狀態圖壓-焓圖：

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

汽相區(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等參數線簇(壓-焓圖）等壓線---水平線；等焓線---垂直線；等溫線---液相區：幾乎為垂直線，兩相區：水平線，氣相區：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。

高溫熱源TH和低溫熱源TL溫度恒定，制冷劑在相變過程中與熱源之間沒有傳熱溫差，蒸發溫度To=TL，冷凝溫度

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

壓縮機的壓縮過程為等熵壓縮過程；制冷劑流過節流裝置時，速度變化小，可忽略不計；制冷劑在設備的連接管道中不發生狀態變化。1.簡單的理論循環假設2.1.3

單級蒸氣壓縮式制冷循環的理論循環2.

理論循環在坐標圖上的描述

工作過程（1）1-2壓縮機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節流閥中飽和液體絕熱節流過程；（4）4-1蒸發器中濕蒸汽等溫等壓汽化過程。（2）2點：壓縮機壓縮后的排氣狀態，對應于冷凝壓力下的過熱蒸汽。

各點對應狀態（1）1點：制冷劑進入壓縮機的狀態，對應于蒸發溫度To下的飽和蒸汽。（3）3點：制冷劑在冷凝器出口處的狀態，是與冷凝溫度TK對應的飽和液體。（4）4點：節流后流出節流閥，進入蒸發器的狀態，為濕飽和蒸汽狀態。

坐標圖中的表示課堂問題1：不可逆絕熱過程熵變如何？課堂問題2：理論循環是否是可逆循環？

理論依據：熱力學第一定律（開口系統穩定流動的能量守恒方程式）3.

理論循環特性（1）蒸發過程和單位制冷量

制冷量：

制冷劑通過蒸發器時從低溫熱源吸收的熱量。

單位質量制冷量：

1kg

制冷劑在蒸發器中從低溫熱源吸收的熱量。式中：qm—制冷劑的質量流量。說明制冷量制冷劑的質量流量制冷劑進出蒸發器的焓差與壓縮機的尺寸和轉速有關與制冷劑的種類和工作條件有關

單位容積制冷量：

壓縮機每吸入

1m3制冷劑蒸氣

（按壓縮機吸氣狀態）所制取的冷量。

制冷劑的質量流量：

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

理論比功：

壓縮機每壓縮和輸送1kg

制冷劑所消耗的壓縮功。壓縮機功率：

容積比功：

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

壓縮機的壓力比：

循環中壓縮機的排氣壓力與吸氣壓力之比。

壓縮機的排氣溫度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荷

冷凝器單位熱負荷：

1kg

制冷劑蒸汽在冷凝器中放出的熱量。（4）節流過程

節流過程特點節流前后焓值不變；但節流過程非等焓過程。

節流過程是不可逆過程。。

節流時絕熱膨脹，對外不作功。。整個循環比功與壓縮機的理論比功相等。

節流后4狀態點焓值干度比體積（6）循環效率（熱力完善度）：（5）制冷系數：

總結

運用某種制冷劑時：蒸發壓力po

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

COP反映制冷循環的經濟性。

制冷機的性能

制冷量Ф0

壓縮機功率P

循環的性能系數COP影響理論循環特性的因素：（1）熱源的溫度；（2）制冷劑的性質。理論循環的意義：（1）是實際循環的基準和參照，用于分析研究實際循環的各種不完善因素和作出相應改進。（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特性比較，可以評價它們在熱力性質方面的適宜程度。理論循環是不可逆循環。4.

理論循環的意義

影響實際循環的因素2.2單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環

高溫熱源和低溫熱源為變溫熱源，

熱源與制冷劑的傳熱為有限溫差傳熱。

外部條件

內部條件

制冷劑液體過冷和蒸氣過熱的影響；

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

壓縮機中的實際壓縮過程為非等熵過程；

系統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的溫度。過冷度：兩者溫度之差。（2）液體過冷循環：在一定的冷凝溫度和蒸發溫度下，采用使制冷劑離開冷凝器，進入節流閥之前具有一定過冷度的循環。2.2.1

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

增大

循環比功

不變

過冷前后壓縮機進出口狀態不變，比功不變。

制冷系數

增加（4）過冷對制冷循環的影響單位制冷量

增大相同過冷度下，制冷量和制冷系數提高的百分數取決于制冷劑的熱力性質，即與制冷劑液體的比熱容和蒸發溫度下的汽化潛熱有關。（5）結論：

采用液體過冷循環，理論上總是有利的，可以提高循環的經濟性。且過冷度越大，對循環越有利；

使進入節流裝置前的制冷劑液體不會因流動阻力產生氣化現象，從而保證了制冷劑流動的穩定性。

蒸發溫度越低，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一臺過冷器，在過冷器中通入溫度更低的冷卻介質（如深井水）；

或將冷卻介質先通過再冷卻器，然后再進入冷凝器。

采用氣-液熱交換器（回熱器）。（2）蒸氣過熱循環：制冷劑蒸氣在蒸發器中完全蒸發后仍然要繼續吸收一部分熱量，這樣，當它到達壓縮機之前已處于過熱狀態。（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.壓縮機吸氣過熱的影響不將液滴帶入壓縮機，避免液擊現象。目的（3）過熱循環的坐標圖表示（4）過熱對制冷循環的影響過熱循環中壓縮機的排氣溫度比理論循環壓縮機的排氣溫度高；壓縮機的排氣溫度

增加循環比功

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

增加若給定壓縮機，制冷劑的質量流量qm

減小單位制冷量和制冷系數的變化

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

不變

制冷量

減少

制冷系數

降低給定壓縮機單位容積制冷量qv：與制冷劑的性質有關有效過熱對循環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；

壓縮機的容積效率增加，占優勢；相同工作條件下，壓縮機排氣溫度比R502高，

因而限制了有效過熱度允許采用的數值。R22制冷系數：與制冷劑的性質有關

制冷系數下降：NH3，R22；制冷系數增加：R502，丙烷。（1）回熱：使節流前的制冷劑液體和壓縮機吸入前的制冷劑蒸氣進行熱交換，同時達到液體過冷和吸氣過熱的目的。（2）回熱循環制冷系統圖

3.氣-液熱交換器（回熱）對循環性能的影響（3）回熱循環坐標圖

回熱器的能量平衡關系不計回熱器與外界環境之間的能量交換，回熱器中制冷劑液體放出的熱量應等于制冷劑蒸氣吸收的熱量。

（4）回熱循環分析即；式中：c’：液體的比熱容，

cp0：低壓蒸氣的比熱容。循環比功略增加

單位制冷量增加比同有效過熱分析回熱循環等價于沒有過冷的有效過熱循環。說明制冷系數可增加或減小與制冷劑的性質有關。（5）回熱循環的應用

從單位容積制冷量和制冷系數角度看：R502，R290，R134a采用回熱循環有利；R22，R717采用回熱循環不利。為防止壓縮過程產生液擊現象，采用回熱循環；R113，R114，RC318等類制冷劑—T-S圖上飽和蒸氣曲線向左下方傾斜，當壓縮機吸入的是飽和氣體時，等熵壓縮后進入濕蒸氣區，不利于壓縮機工作。必須采用回熱循環。

蒸發溫度較高的制冷機一般不用回熱器。對小型制冷機來說，通常把冷凝后的液體管道（或毛細管）與壓縮機前的吸氣管道包扎在一起，形成一個簡單的回熱器。

蒸發溫度低的制冷機用回熱器有重要意義：低溫制冷裝置中，吸氣溫度過低會使壓縮機汽缸外壁結霜，潤滑條件惡化，應設法提高吸氣溫度。同時高壓液體因回熱而得到過冷。對較大型制冷機，需用一個專門的回熱器。

壓縮機吸氣比體積增加，壓力比增加；循環比功增大；容積效率降低；制冷系數降低。

（1）吸氣管道

壓縮機吸氣比體積增大；單位容積制冷量減小；排氣溫度上升；循環性能系數下降。增大管徑，降低流速。4.管道壓力損失和熱交換對循環性能的影響熱交換—無效過熱壓力降—有害采取措施增加了壓縮機的排氣壓力；增加了壓縮機的壓力比，比功；增加了壓縮機排氣溫度；容積效率降低；制冷系數下降。冷卻高壓氣體；減小冷凝器的熱負荷。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的壓力比而言，要小得多，對系統的影響較小。（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境溫度，高壓制冷劑液體散熱，起到過冷作用，對循環有益；若制冷劑液體溫度低于環境溫度，制冷劑被環境加熱，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定。造成蒸發器缺液，制冷能力下降。b:熱交換—不利

產生的原因：液體管路中的壓力降；高度差導致壓力降。

產生的影響：使膨脹閥前的制冷劑壓力降低；閥前后的壓力差減小；高壓液管的壓力損失將使閥前液體出現閃蒸氣；影響膨脹閥的通流能力及其工作的穩定性。設計時，注意冷凝器和節流裝置的相對位置；同時，降低節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.蒸發器a：假設制冷劑流出蒸發器的狀態不變：則進入蒸發器的壓力增加，溫度增加，蒸發器中的傳熱溫差減小，要求換熱面積增加。對系統性能無影響。b：假設制冷劑進入蒸發器狀態不變，不改變傳熱溫差：則結果與吸入管道壓力降引起的結果相同。比照吸氣管道制冷系統管道中，應高度注意處理吸氣管道和高壓液體管道對制冷循環的影響。結論壓力降—考慮兩種情況6.冷凝器假設冷凝器出口壓力不變則需提高冷凝器入口處壓力，要求壓縮機排氣壓力升高，壓力比增大；循環比功增加；制冷系數減小。壓力降—注意條件7.壓縮機熱交換—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：使壓縮機實際消耗功率增大；容積損失：使壓縮機輸氣量減小；制冷量下降，性能系數下降。（1）壓縮機的指示效率指示功：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）壓縮機的機械效率機械效率：指示比功與壓縮機實際消耗的軸比功之比。（3）電動機效率電動機效率：作用在壓縮機軸上的功與壓縮機實際輸入的功之比。（4）壓縮機的容積效率容積效率：壓縮機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，將使冷凝器內壓力增加，導致壓縮機排氣壓力升高，比功增大，制冷系數減小，應及時排出。水分存在使制冷劑發生水化反應，對系統材料有腐蝕作用。潤滑油與制冷劑直接接觸，二者產生互溶性，使制冷劑的熱力性質偏移。8.不凝性氣體的存在對循環性能的影響1.制冷系統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。總結2.2.2

實際循環實際循環在坐標圖中的表示過程4’-1：制冷劑在蒸發器中的蒸發，降壓過程；過程1-1’：制冷劑蒸氣在回熱器及吸氣管道中的加熱和降壓過程；過程1’-1’’：蒸氣經過吸氣閥時的加熱和壓降過程；過程1”-2：壓縮機內實際的壓縮過程；過程2-2’：壓縮機排氣經過排氣閥的降壓過程；過程2’-3：經排氣閥管道進入冷凝器的冷卻，冷凝及壓降過程；過程3-3’：制冷劑液體在回熱器及管道中降溫，降壓