制冷与低温技术原理—第3章 蒸气压缩式制冷-单级蒸气压缩制冷循环

2
节流过程是不可逆过程。。 节流时绝热膨胀，对外不作功。。 整个循环比功与压缩机的理论比功相等。
0
理论循环p-h图
节流前后焓值不变；但节流过程非等焓过程。 h4 h3
节流后4状态点
焓值 干度 比体积
h 4 (1 x4 ) hf 0 x4 hg 0
x4 h4 h f 0 hg 0 h f 0
q0 h1 h4'
h1 h3' h1 h3
qz v
h1 h3 ' v1
循环比功
不变
w h2 h1
过冷前后压缩机进出口状态不变，比功不变。 制冷系数 增加
q0 w
p
（5）结论：
3’ 3
pk, TK 2’ po, To
2
4 采用液体过冷循环，理论上总是有利的，可以提高循环 1 0 高压液体过冷的循环 的经济性。且过冷度越大，对循环越有利； 4’
4 0
3
pk, TK 2’ po, To 1
2
理论循环p-h图
h
压缩机的排气温度 T2 ：
制冷剂气体压缩终了的温度。
（3）冷凝过程和冷凝器的热负荷
冷凝器单位热负荷：
1kg 制冷剂蒸汽在冷凝器中放出的热量。
qk h 2 h 3
kJ / kg
（4）节流过程
节流过程特点
p 3 pk, TK 2’ po, To 4 1 h
3区
液相区 (liquid region) 汽液两相区(liquid-vapor region) 汽相区 (vapor region)
未饱和液体，饱和液体，湿饱和蒸汽， 干饱和蒸汽，过热蒸汽。
5态
p
h
T
c
s
T
s c
p v
6等参数线簇(压-焓图）
x p
v
h T
等压线--- 水平线； 温度-比熵图 压力-比焓图 等焓线--- 垂直线； 等温线--- 液相区：几乎为垂直线， 两相区：水平线， 气相区：向下方弯曲的倾斜线； 等熵线--- 向右上方倾斜的实线； 等容线--- 向右上方倾斜的虚线，比等熵线平坦； 等干度线--- 只存在于湿蒸气区。
容积比功：
压缩机每压缩和输送 1m3 制冷剂 （按压缩机吸气状态）所消耗的压缩功。
w h 2 h 1 wv v1 v1
kJ / m3
压缩机功率： P 0 q m ( h 2 h 1 ) kw
p
压缩机的压力比：
循环中压缩机的排气压力 与吸气压力之比。 p2 pk p1 p 0
坐标图中的表示
p 3 pk, TK 2’ po, To 4 0 1 h
T
2
2 3 pk, T K 2’
po, To 4‘ 0 4 1 S
理论循环p-h图
理论循环T-s 图
课堂问题1：不可逆 绝热过程熵变如何？
课堂问题2：理论循 环是否是可逆循环？
3. 理想循环特性 理论依据： 热力学第一定律 （开口系统稳定流动的能量守恒方程式）
3.2 单级蒸气压缩式制冷的实际循环
3
p
pk, TK 2’
2
影响实际循环的因素
0
po, To 4 1 h
外部条件 高温热源和低温热源为变温热源， 热源与制冷剂的传热为有限温差传热。
内部条件
理论循环p-h图
制冷剂液体过冷和蒸气过热的影响； 冷凝器，蒸发器和连接各设备的管道中因制冷剂流动 而产生压降，制冷剂通过管道与外界有热交换； 压缩机中的实际压缩过程为非等熵过程； 系统中存在不凝性气体等。
（3）过冷循环的坐标图表示
p 3’ 3 pk, TK 2’ 2 po, To 4’ 4 0 高压液体过冷的循环 1 h 0 T 3 3’ 4’ 4 1 S 2’ 2
高压液体过冷的循环
p 3’ 3 pk, TK 2’ po, To 4’ 0 高压液体过冷的循环 4 1 h 2
（4）过冷对制冷循环的影响 单位制冷量 单位容积制冷量 增大 增大
（3）3-4 节流阀中饱和液体绝热节流过程； （4）4-1 蒸发器中湿蒸汽等温等压汽化过程。
冷却介质
2 3
各点对应状态
膨 胀 阀
4
冷凝器 蒸发器
1
压缩机
被冷却介质 蒸气压缩式制冷的基本系统图
（1）1点：制冷剂进入压缩机的状态， 对应于蒸发温度To下的饱和蒸汽。 （2）2点：压缩机压缩后的排气状态， 对应于冷凝压力下的过热蒸汽。 （3）3点：制冷剂在冷凝器出口处的状态， 是与冷凝温度TK对应的饱和液体。 （4）4点：节流后流出节流阀，进入蒸发器的状态， 为湿饱和蒸汽状态。
p
总结
4
3
pk, TK 2’ po, To
2
制冷机的性能
1 h
制冷量Ф0
0
理论循环p-h图
压缩机功率P
循环的性能系数COP
运用某种制冷剂时：
蒸发压力po ，冷凝压力pk 反映系统的压力水平； 压力比，压力差和排气温度反映压缩机的工作条件； 单位制冷量，单位容积制冷量反映制冷能力， COP 反映制冷循环的经济性。
h
相同过冷度下，制冷量和制冷系数提高的百分数取决于 制冷剂的热力性质，即与制冷剂液体的比热容和蒸发温 度下的汽化潜热有关。
(h1 h4 ) (h4 h4 ) ct h2 h1 h2 h1
使进入节流装置前的制冷剂液体不会因流动阻力产生 气化现象，从而保证了制冷剂流动的稳定性。 蒸发温度越低，过冷使性能的相对提高越大。
p
3.2.1 各种实际因素对循环的影响
1. 高压液体过冷的影响
0
3’ 3
pk, TK 2’ 2 po, To
4’ 4
1 h
高压液体过冷的循环
（1）过冷：制冷剂液体的温度低于同一压力下 饱和状态的温度。 过冷度：两者温度之差。 （2）液体过冷循环： 在一定的冷凝温度和蒸发温度下，采用使 制冷剂离开冷凝器，进入节流阀之前具有一定 过冷度的循环。
p
循环比功
略增大
0
3
pk, TK
2 2’
w '0 h 2 ' h 1 ' w 0 ( h 2 ' h 1 ' ) ( h 2 h 1)
po, To 4 1
1’ h
吸气过热时比功变化
冷凝器的热负荷
增加
由于过热循环在1-1’过程中吸收了一部分热量， 再加上比功又略有增加，则冷凝器的热负荷增加。
p
4. 理想循环的意义
理论环是不可逆循环。
4 0
3
pk, TK 2’ po, To 1
2
影响理论循环特性的因素：
（1）热源的温度； （2）制冷剂的性质。
理论循环p-h图
h
理论循环的意义：
（1）是实际循环的基准和参照，用于分析研究实际循环 的各种不完善因素和作出相应改进。 （2）用于评价制冷剂。相同Tk，To条件下，通过不同 制冷剂的理论循环特性比较，可以评价它们在热力 性质方面的适宜程度。
x
0 h
0
s
3.1.3 单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环
1. 简单的理论循环假设
高温热源TH和低温热源TL温度恒定，制冷剂在相变过程 中与热源之间没有传热温差， 蒸发温度To=TL，冷凝温度 TK=TH； 制冷剂除在蒸发器和冷凝器外，在整个循环的其它流动 过程中与外界不发生热交换。 制冷剂离开蒸发器的状态为饱和蒸气， 离开冷凝器的状态为饱和液体； 制冷剂除在压缩机和膨胀阀处发生压力升降外， 在整个循环的其它流动过程中没有压力损失； 压缩机的压缩过程为等熵压缩过程；
1 Q mh mc 2 mg z Ws f 2 1 q h c 2 gz ws f 2
（1）蒸发过程和单位制冷量 单位质量制冷量：
1kg 制冷剂在蒸发器中从低温热源 吸收的热量。
p 3 pk, TK 2’ po, To 4 0 1 h
2
理论循环p-h图
制冷量：
采用气-液热交换器（回热器）。
p
2. 压缩机吸气过热的影响 （1）过热：制冷剂蒸气的温度高于同 一压力下饱和蒸气的温度。 0 过热度：两者温度之差。
3
pk, TK po, To
2 2’
4
1 1’ h
有吸气过热的循环
（2）蒸气过热循环： 制冷剂蒸气在蒸发器中完全蒸发后仍然要 继续吸收一部分热量，这样，当它到达压缩机 之前已处于过热状态。
制冷剂进出蒸发器的焓差
p
单位容积制冷量：
压缩机每吸入 1m3 制冷剂蒸气 （按压缩机吸气状态）所制取的冷量。
0 4
3
pk, TK 2’ po, To 1
2
理论循环p-h图
h
q 0 h 1 h 4 qzv v1 v1
kJ / m3
式中： v1—压缩机入口处状态点1的比体积。
制冷剂的质量流量：
q 0 h 1 h 4 h 1 h 3 kJ / kg
制冷剂通过蒸发器时从低温热源吸收的热量。
0 qm (h 1 h 4) qm (h 1 h 3) kw
式中： qm—制冷剂的质量流量。 说 明 制冷量 制冷剂的质量流量
与压缩机的尺寸 和转速有关 与制冷剂的种类和 工作条件有关
v4 (1 x4 ) v f 0 x4 vg 0
p
（5）制冷系数：
q0 h1 h4 w h2 h1
4 0
3
pk, TK 2’ po, To 1
2
理论循环p-h图
h
（6）循环效率（热力完善度）：
h1 h4 TK T0 c h2 h1 T0