制冷原理1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,制冷原理与设备,教师信息,主讲：李改莲,Tel:[phone],Email:,hayleyjin,办公室：西三楼,211,目 录,0,绪论,1,制冷方法及热力学基础,2,单级蒸气压缩制冷循环,3,制冷剂、载冷剂与贮冷剂,4,多级压缩及复叠式蒸气压缩制冷循环,5,溶液热力学基础,6,应用非共沸混合制冷剂的制冷循环,7,吸收式制冷,8,其他制冷方法,9,制冷换热器的传热学基础,10,冷凝器的结构与计算,11,蒸发器的结构与计算,12,节流机构,13,制冷装置的设计,14,常用大中型制冷空调装置,15,小型制冷空调装置,0,绪论,0.1,关于制冷,0.2,制冷机与制冷装置,0.3,制冷的几个领域,0.4,制冷技术的研究内容,0.5,制冷技术的理论基础,0.6,本课程学习的特点,0.7,本课程主要教材和参考书,0.1,关于制冷,制冷,是指用,人工,的方法在一定的,时间,和一定的,空间,内，不断地从被冷却空间将热量排放到环境中，使被冷却对象的温度,降至,环境温度,以下,，并保持这个低温，制冷是一门,工程技术,。,从热力学我们知道，热量不能自发的由低温物体传至高温物体。因此，要实现制冷，就必须要,消耗,较高位势能量作为补偿。,0.2,制冷机与制冷装置,实现制冷所需的各机器与各设备的结合体称为,制冷机制冷机中所使用的工作介质称为,制冷剂,或制冷工质。,制冷机与用冷设备的组合称为制冷装置。制冷的应用与制冷装置是密不可分的。,制冷装置有很多种类。一般来说，有可能使用不同类型的制冷机来提供冷量。但由于不同的制冷机有不同的应用范围，所以不同使用目的的制冷装置，通常使用不同类型的制冷机。,制冷装置的分类，主要是依据使用目的不同来划分。目前，各类制冷装置大致可划分成以下十个大类。但这仅是大致划分，而且分类并不严格，实际上还有很多其他制冷装置。随着制冷技术的发展，制冷装置越来越多，分类也越来越模糊了。,大致,上制冷装置有以下几类：,1),食品冷冻冷藏用制冷装置,2),冷藏运输装置,3),空调用制冷装置,4),建筑工程用制冷装置,5),工业加工用制冷装置,6),低温实验装置,7),生活及商用制冷装置,8),低温医疗装置,9),制冰装置和制干冰装置,10),低温军事装备,0.3,制冷的几个领域,按温度区域可以把制冷分成四个研究领域：,120K(-153,),常温 普通制冷,20K(-253,),120K(-153,),深度制冷,0.3K(-272.85,),20K(-253,),低温制冷,0.3K(-272.85,),超低温制冷,由于温度范围的不同，所使用的机器设备与工质、所采用的制冷方法均有很大的区别。,普通制冷,应用最广泛，遍布人类生活和生产活动的各个方面。普通制冷是我们这门课程的研究对象。,深度制冷,主要应用于空气的分离与液化、低温生物的保存与研究，是,低温技术原理与装置,课程的研究对象。,低温制冷,与主要应用于科学研究和空间技术。,超低温制冷,则主要应用于低温物理、基本粒子等物理学研究。这两部分是本课程内容的继续的深化。,0.4,制冷技术的研究内容,制冷技术是一个概括用语，其研究内容主要为以下几个方面：,1),制冷原理,:a),研究获得低温的方法和有关的机理以及与之相应的制冷循环，应用热力学的观点和方法分析制冷循环和它的应用，对制冷循环及其中各过程进行计算。,b),研究制冷剂的性质，从而为制冷机选择合适的制冷剂。,2),制冷压缩机,:,研究制冷所用的各种压缩机，包括它的工作原理、性能分析、结构设计等内容。,3),制冷设备,:,研究实现制冷循环并满足使用要求的各种换热器、节流机构的辅助设备，主要是它的结构设计和性能分析。,4),制冷装置的内容,:,研究各种制冷装置的性能、结构、系统流程组织、设备配套、隔热等问题。,5),制冷自动化的内容,:,研究制冷机械设备及装置的特有控制规律、自动控制方法和方式、自控元器件等。,0.5,制冷技术的理论基础,制冷技术的普遍理论基础是,工程热力学,、,传热学,和,流体力学,。制冷原理所研究的逆向循环中热能与其他型式能量的转换问题，不同位势热能的转换问题都离不开,热力学,关于能量转换的基本规律。在制冷设备和制冷装置的研究和设计中，主要是研究能量的传递和流体的流动，需要应用,传热学,和,流体力学,的基本理论。在制冷压缩机的研究分析中，需要综合应用以上三个科学分支。因此，研究制冷技术必须具备坚实的,工程热力学,、,传热学,和,流体力学,基础。制冷技术的研究需要这三门基础学科的指导。同时，制冷技术的发展又不断充实和完善了这些基础学科。,除此之外，在制冷技术中还需要应用,化学,、,电工技术,、,电子技术,、,工程力学,等学科的基础理论，如进一步深入研究制冷技术，还可能需要,半导体物理,和,不平衡过程热力学,等知识。,制冷技术是各基础学科理论的应用与延伸，,制冷原理与设备,这门课程是各基础课程的综合应用与延伸。,0.6,制冷技术的发展与应用,人工制冷的方法是随着工业革命而开始的。,1834,年英国人波尔金斯制成了用乙醚为制冷剂的第一台制冷机,1844,年美国人高斯发明了空气压缩式制冷机,1862,年法国人卡尔里制成吸收式制冷机,1874,年德国人林德发明了世界上第一台氨压缩机,空气制冷机的发明比蒸气压缩式制冷机稍晚。,空调技术的应用起始于,1919,年。,低温技术的发展,1908,年，,Onnes,最先液化了氦气,1911,年，超导电性首次被发现,1942,年，德国,V-2,武器试验成功，低温技术军事应用开始,1961,年，土星,V,号是首个用液氢液氧混合推进剂的飞行器,我国的低温研究工作从,20,世纪,50,年代开始。制冷与低温技术已广泛应用于工农业各个部门及一切科学领域,制冷与低温技术的应用,1.,空气调节,制冷和空调的关系：,相互联系又独立,2.,制冷在空调中的作用,(1),干式冷却,(2),减湿冷却,(3),减湿与干式冷却混合方式,0.7,本课程学习的特点,在本课程的学习中，应特别注意综合应用本课程与其他各基础课程的知识，去,分析和解决,工程问题。一定要避免背定义、背公式等死读书的学习方法。,0.8,本课程主要教材和参考书,1 ASHRAE Handbook.,2,R.J.Dossat,.,Priciple,of Refrigeration.2nd ed.John Wiley&Sons Inc.,3,W.B.Gosney,.,Priciple,of Refrigeration.1982,4,时阳主编 制冷技术。北京：中国轻工业出版社，,2007,5,张祉祐主编。制冷原理与设备。北京：机械工业出版社，,1987,6,张祉祐，石秉三主编。制冷及低温技术。北京：机械工业出版社，,1981,7,沈志光编。制冷工质热物理性质表和图。北京：机械工业出版社，,1981,8 W.F.,斯托克，,J.W.,琼斯著；陈国邦等译。制冷与空调。北京：机械工业出版社，,1987,9,吴业正主编，制冷原理及设备,(2nd),。,西：西安交通大学出版社，,1997,10,陈光明等编。制冷与低温原理。北京：机械工业出版社，,2000,11,尾花英朗著；徐中权译。热交换器设计手册。北京：石油工业出版社，,1981,12,蒋能照等编。新制冷工质热力性质图和表。上海：上海交通大学出版社，,1992,13,徐传宙，时 阳等编。制冷器具原理与技术。北京：中国轻工业出版社，,1996,1,制冷方法及热力学基础,1.1,各种制冷方法,1.2,液体气化制冷,1.3,气体绝热膨胀制冷,1.4,劳伦兹循环,1.1,各种制冷方法,制冷的方法很多，由其基本科学基础，可分成物理制冷和化学制冷两大类。物理制冷因其方向可逆性好，得到广泛应用。而化学制冷的过程方向难以逆向进行，所以很少应用。,物理制冷的方法很多，常用的物理制冷方法见表,1-1,。,表,1-1,常用的物理制冷方法,基本方法,分类方法,工程技术方法,相变制冷,液体气化制冷,蒸气压缩制冷、吸收制冷、蒸汽喷射制冷、吸附制冷、液态气体气化制冷,固体熔融制冷,冰冷却、冰盐冷却、共晶冰冷却,固体升华制冷,干冰制冷、固态气体升华制冷,气体制冷,气体绝热制冷,气体节流制冷、气体等熵膨胀制冷,绝热放气制冷,热电制冷,涡流管制冷,氦稀释制冷,绝热退磁制冷,顺磁盐绝热退磁制冷、核绝热退磁制冷,低温热汇辐射,绝热退磁制冷,是现代最新的低温制冷技术之一。它建立在顺磁性盐具有的磁热效应基础上。顺磁性盐磁化时放出热量；在绝热的条件下去磁，则消耗内能，温度降低。采用多极绝热去磁，即可获得极低的温度。,常用的顺磁性盐有,铁铰矾,FeNH,4,(s0,4,),2,、,铬钾矾,Cr(s0,4,),2,12.H,2,0,和,硝酸钵镁,Ce,2,Mg,2,(N0,3,),2,24H,2,等。,1.2,液体气化制冷,在上述制冷方法中，应用最多的一类是液体气化制冷。,从热力学我们知道，在一个密闭的容器中，如存在且仅有某一物质的液体和气体,(,即某一物质的液体处于密闭容器中，且容器中除了此种液体和它自身蒸发产生的蒸气以外，无任何其他液体或气体,);,那么，在一定的温度和压力条件下，气液两相将达到平衡。此时的液体称为饱和液体，气体称为饱和饱和蒸气。在饱和状态时，介质所具有的压力为饱和压力，温度为饱和温度。饱和压力与饱和温度的关系是一一对应，完全相关的。任意一个饱和温度都有一个且仅有一个与之对应的饱和压力。如饱和温度升高，饱和压力随之升高。如饱和温度降低，饱和压力也随之降低。即其中一个参数变化，另一个也相应改变。这种关系称为饱和温度与饱和压力的关系，简称,P-T,关系。,如果此容器是绝热的，当从此容器抽走一部分饱和蒸气，压力就会下降，同时温度也下降。相反，如向容器中再压入一些饱和蒸气，压力将上升液体，温度随之提高。,如果我们维持容器及其中的介质温度不变，当从容器中抽走一部分饱和蒸气，液体就必然要再气化一部分，以产生饱和蒸气来维持平衡。液体气化时需吸收气化潜热，而这一热量来自系统外部。在液体气化制冷中，正是利用气化时吸收潜热这一特性，使被冷却物体降温，或是维持在低于环境温度的某一低温。例如在电冰箱中，制冷剂在蒸发器中气化，吸收食品的热量，使食品的温度降低。空调器也是利用制冷剂在蒸发器中气化，,吸收室内空气的热量，使内空气维持,在环境温度以下。,为了使上述过程能够连续进行下去，必须不断地从容器中抽走蒸气，再不断地将液体补充到容器中去。如把抽走的蒸气凝结下来，成为液体后再送入容器中，就能满足过程连续这一要求。从容器中抽走的蒸气，如想直接凝结成液体，所需冷却介质的温度将比液体的蒸发温度还要低。我们利用饱和温度随饱和压力升高而升高这一原理，将蒸气的压力提高，使蒸气压力高于常温下的饱和压力，就能实现常温下凝结。这样，制冷剂在低温低压下蒸发，产生制冷效应，而在常温高压条件下凝结向环境或冷却介质放出热量。,由此可知，液体气化制冷循环应由,液体气化、蒸气升压、蒸气液化和液体降压,四个过程组成。蒸气压缩制冷、吸收制冷、吸附制冷等制冷方法的循环都具备这四个过程。,1.3,气体绝热膨胀制冷,大部分气体制冷机是利用高压气体的绝热膨胀来达到低温，并利用膨胀后的气体在低压下的复热来制冷。气体绝热膨胀有二种方式，即绝热节流和等熵膨胀。,1.3.1,气体节流制冷,1.3.2,气体等熵膨胀,1.3.1,气体节流制冷,当气体在流动中遇到孔口或调节阀门时，由于局部阻力，使其压力显著下降，这种现象称为节流在工程上，由于气体经过节流机构的时间很短，流速较高，与外界的热交换量很小，可近似作为绝热过程来处理，故称为绝热节流。根据稳定流动的能量方程式，气体在绝热前后，比焓值基本不变，即,dh,0,，,这是绝热节流的特征。,由于节流存在摩擦损失，所以是一个不可逆过程，必有,ds,0,。,当气体是理想气体时，因内能,u,和,pv,均只是温度的参数，故比焓值与温度存在对应关系，节流前后的比焓值基本不变，所以温度也基本不变。即因,dh,=0,、,du,=0,，,因而,dT,=0,。,可认为是等焓过程，即可认为是等温过程，其温度效应为零。,实际气体的内能是温度和压力的函数，比焓值也是温度和压力的函数，节流前后温度将随压力的变化而变。实际气体节流时的温度效应用,h,来表示，称为焦尔,-,汤姆逊效应。,实际气体节流时，温度变化与压力降低的比例关系称为,微分节流效应,，可表示为：,由热力学知：,由上式可知，,h,的数值取决于气体节流前后的状态和气体的种类。,当 ,v,时，,h,0,，,节流后温度降低；,当,=,v,时，,h,=0,，,节流前后温度不变；,当 ,v,时，,h,0,，,节流后温度升高。,我们可以用气体在节流过程中的能量转化关系，对上述三种情况进行解释。,因：,所以：,由热力学知，内能由内位能,u,p,和内动能,u,k,两部分组成，内位能是比体积的函数，内动能仅与温度有关。上式可改写成：,所以有：,气体节流时，总有压力下降，比体积增大，因此总有,du,p,0,，,即内位能增大。但,d(pv,),的变化气体节流前的状态参数确定。,当,d,(,pv,),0,时，,du,k,0,，,节流后温度降低；,当,d,(,pv,)=0,时，,du,k,0,，,节流后温度降低；,当,d,(,pv,),0,时，且,d,(,pv,),du,p,时，,du,k,0,，,节流后温度仍降低；,当,d,(,pv,),0,时，且,d,(,pv,)=,du,p,时，,du,k,=0,，,内动能保持不变，节流前后温度也保持不变，此时的温度称为,节流转化温度,，用,T,inv,表示；,当,d(,pv,),0,时，且,d,(,pv,),du,p,时，,du,k,0,，,节流后温度上升。,图,1-1,转化曲线,转化温度,T,inv,与压力有关，其函数关系表示在,T-p,图上为一连续曲线，称为转化曲线。转化曲线与,T,轴所包围的区域是制冷区，见图,1-1,。,当压降为一定数值时，节流所产生的全部温度变化称为,积分节流效应,，其定义式为：,式中的,pm,为,p,2,p,1,范围内的平均微分节流效应。在工程计算中可利用,hm,来计算节流温降。,微分节流效应可通过定义式或状态方程来计算，也可通过实验得出。对于空气和氧，当,p,150bar,时，经验式为：,h,(,a,0,+b,0,)(273.15/,T,),2,式中常数为：,空气,a,0,=2.73,10,-3,b,0,=8.9510,-8,氧,a,0,=3.1910,-3,b,0,=8.8410,-8,气体绝热节流时无外功输出，即,dw,=0,，,气体,的温降较小，制冷量也较小，但设备简单，便于调节气体流量。,1.3.2,气体等熵膨胀,如使气体经膨胀机膨胀降压，则有外功输出，气体的温降较大，制冷量大，但设备复杂。,气体进行有外功输出的绝热膨胀时，最理想的情况是等熵膨胀，在等熵膨胀中，温度随压力的微小变化而变化的关系称为,微分等熵效应,，可表示成如下定义式：,由比焓的特性式：,由此可导出：,对于等熵过程，,ds,=0,，,于是：,如气体是理想气体，因：,故：,s,=,RT,/,pC,p,膨胀过程的温差，,称为,积分等熵效应,：,对于,理想气体,，,积分等熵效应,为：,T,s,=,T,2,-,T,1,=,T,1,(,p,2,/,p,1,),(k-1)/k,-1,膨胀前后温度的关系为：,T,2,/,T,1,=(,p,2,/,p,1,),(k-1)/k,对于,实际气体,，,T,s,通常是用热力学图表查取，最常用,的是,T,-,s,图。,将,微分节流效应,与,微分等熵效应,作一比较，可以发现：,s,-,h,=,v,/,C,p,由于,v,0,，,C,p,0,，,所以：,s,h,当气体初参数与压降相同时：,q,0s,-,q,0h,=,w,e,即,等熵膨胀制冷,的制冷量比,绝热节流制冷,大，其差值即为膨胀功。,q,os,等熵膨胀制冷量,q,oh,绝热节流制冷量,1.4,劳伦兹循环,由工程热力学可知，逆卡诺循环是工作在,恒温热源,条件下的可逆循环。在实际工程应用中，大部分热源为,变温热源,。因此，有必要探讨在变温热源条件下的可逆循环。,1.4.1,逆向循环概述,1.4.2,变温热源,1.4.3,劳伦兹循环,1.4.1,逆向循环概述,逆向循环是耗功循环，所有制冷机都是按逆向循环工作的。在,T,-,s,图或,p,-,h,图上，循环的各个过程依次同时按逆时针方向进行。同动力循环一样，在构成逆向循环的各个过程中只要有不可逆过程，这个循环就是,不可逆循环,各种型式的不可逆因素可分为两类。,第一类,为产生于内部，与外界条件关系不大的因素，称为内部不可逆因素；如制冷剂在流动和状态变化过程中，因摩擦、扰动及内部不平衡而引起的损失都是内部不可逆。,第二类,是与外界条件关系紧密的因素，称为外部不可逆因素；如换热过程的传热温差等。,研究逆向可逆循环的目的，是要找出热力学上最完善的制冷循环，作为评价实际循环效率高低的标准，并找出改进实际循环的方向。,1.4.2,变温热源,制冷机在实际工作中，被冷却对象的温度和环境介质温度往往是随热交换过程的进行而变化的。例如，载冷剂进入蒸发器进行冷却，进口处载冷剂的温度较高，在出口处温度降低了。又如冷却水或空气流过冷凝器时，由于吸收了热量，其温度渐渐升高。,变温热源是这样一种热源，对于一微团介质，其温度随热交换过程的进行而变化，且具有一定的变化趋势。可表述如下：变温热源是随热交换过程的进行，热源各部分温度不同且连续变化，但宏观上与时间无关的热源。,1.4.3,劳伦兹循环,在变温热源条件下，可逆的逆向循环应是什么样的呢？,我们假定有这样的两个热源，高温热源最高温度,T,hb,，最低温度,T,hc,，平均温度,T,hm,；低温热源最低温度,T,cd,，最高温度,T,ca,，平均温度,T,cm,；如图,1-2,所示。,在这种情况下，如果要应用逆卡诺循环，则制冷剂向高温热源的放热过程为,b-g,、温度为,T,b,，在b,点传热温差为,0,，在,g,点传热温差为,T,b,-,T,c,。制冷剂从低温热源吸热过程为,d-h,、温度为,T,d,，在,h,点的传热温差为,T,a,-,T,d,。由于热源与等温换热过程存在传热温差，所以,逆卡诺循环,不能成立。,图,1-2,变温热源条件下可逆的逆向循环,如果我们使循环沿,a-,b-c-d-a,进行，则无传热温差，这种循环称为,劳伦兹循环,，它由等熵压缩过程、与高温热源无传热温差的放热过程、等熵膨胀过程和与低温热源无传热温差的吸热过程过程组成。其中放热和吸热过程是与热源相适应的任意过程。在图上，循环的制冷量为面积,a-a-,b-b,，所消耗的功为面积,a-,b-c-d,为了分析劳伦兹循环，我们可将其分成无限多微元循环。因在每个微无循环中，热源温度变化为无穷小，所以可以认为热源温度是恒定的，且每个微元循环都是在热源温度,T,hi,和,T,ci,之间工作的逆卡诺循环。由于每个微元循环是可逆的，其组成的整个循环也是可逆的。从以上分析我们可以得出这样的结论：,在变温热源条件下，劳伦兹循环是可逆循环。也就是说，在变温热源条件下，劳伦兹循环的制冷系数最高。,每一个微元循环的制冷系数为：,整个循环的制冷系数可表示为：,若用,T,hm,和,T,cm,分别来表示高、低温热源的平均温度，则劳伦,兹循环的制冷系数可简化为：,式中：,劳伦兹循环对于两个无温差的换热过程究竟是什么过程、两个过程是否相同均无限制，也不要求两条过程线平行。,2,单级蒸气压缩制冷循环,单级蒸气压缩制冷机是目前应用最广泛的一种制冷机。这种制冷机的结构较紧凑，其容量为大、中、小、微型，以适应不同应用场合的需要。能达到的制冷温度范围较广，可从环境温度至,-150,，在整个普冷温度范围内具有较高的循环效率。,蒸气压缩式制冷机有单级和多级压缩、以及复叠式等不同形式本章讨论制冷的一些基本概念和单级蒸气压缩制冷循环，所以本章是全课程的,重点,。,本章主要内容,2.1,预备知识,2.2,单级蒸气压缩制冷机的基本组成、理论循环及其工作过程,2.3,过冷、过热及回热循环,2.4,单级压缩制冷实际循环与制冷机的热力计算,2.5,制冷机的性能与工况,2.1,预备知识,2.1.1,lg,p,-,h,图,2.1.2,T,-,s,图,一点：,临界点,k,三区：,液相区、,两相区、,气相区。,五态：,过冷液状态、,饱和液状态、,湿蒸气状态、,饱和蒸气状态、,过热蒸气状态。,八线：,等压线,p,（水平线）,等焓线,h,（垂直线）,饱和液线,x,=0,，,饱和蒸气线,x,=1,，,无数条等干度线,x,等熵线,s,等比体积线,v,等温线,t,图,2-1,lg,p,h,图,图,2-2,T,s,图,2.2,单级蒸气压缩制冷理论循环,2.2.1,单级蒸气压缩制冷机的基本组成,2.2.2,理论循环及其工作过程,2.2.3,理论循环的热力计算,2.2.1,单级蒸气压缩制冷机的 基本组成,单级蒸气压缩制冷机是指制冷剂蒸气由蒸发压力经过一次压缩，压力即升高到冷凝压力的制冷机。,最低蒸发温度可达,-40,-30,。单级蒸气压缩式制冷广泛用于制冷、冷藏、工业生产过程的冷却，以及空气调节等各种低温要求不太高的制冷工程。,单级蒸气压缩制冷机由以下四个基本部件所组成，其系统流程见图,2-3,所示。,1),压缩机,其作用是压缩并输送制冷剂蒸气；将低压制冷剂蒸气从蒸发器中抽出，升压后送入冷凝器，使制冷剂能在常温下凝结成液体。,2),冷凝器,其作用是高压制冷剂蒸气与高温热源进行热交换，使制冷剂凝结成液体。冷凝器是放出热量的设备。,3)节流机构,其作用是将制冷剂降压并调节制冷剂的循环流量。由于节流机构的作用，制冷剂压力由冷凝压力下降到蒸发压力，维持冷凝和蒸发所需的压力条件；并使制冷剂流量受到限制，与压缩机输气量相平衡。,4),蒸发器,在其中制冷剂液体气化成为蒸气，其作用是将低压制冷剂液体与低温热源进行热交换。蒸发器是吸收热量，为被冷却对象提供冷量的设备。,图,2-3,单级蒸气压缩制冷机基本组成,这四个部件是蒸气压缩制冷机的基本部件，缺其中任何一个制冷机都不能正常工作。,蒸气压缩式制,冷系统的构成,压缩机,热交换设备,节流机构、各种控制阀,管道,辅助部件,2.2.2,理论循环及其工作过程,理论条件,循环,在,lg,p,-,h图及,T,-,s,图上的表示,理论循环的工作过程,理论循环的热力计算,理论条件,理论循环是在理论条件下构造出的,模型,，这些理论条件是：,1),制冷剂的冷凝温度等于高温热源的温度，蒸发温度等于低温热源的温度，且冷凝温度与蒸发温度恒定不变。,2),在制冷系统中，除节流膨胀产生压力降外，无任何其他流动阻力损失。,3),压缩过程为等熵过程。,4),在节流过程中，流速变化可以忽略不计。,5),除换热设备外，与外界无任何热交换。,6),制冷剂是纯净的。,循环在,lg,p,-,h,图及,T,-,s,图上的表示,单级蒸气压缩制冷理论循环在,lg,p,-,h,图及,T,-,s,图上的表示见图,2-4,。其冷凝温度和蒸发温度分别为,t,k,和,t,0,，冷凝压力和蒸发压力分别为,p,k,和,p,0,。,图,2-4,单级蒸气压缩制冷理论循环,理论循环的工作过程,由热力学第一定律，对于在控制容积内状态变化的工质有：,式中：,q,-,热量,(kJ/kg),；,h,-,比焓,(kJ/kg),；,c,-,流速,(m/s),；,w,-,比功,(kJ/kg),。,w,前的负号表示外界向系统输入功。,压缩过程,0-2,0-2,表示制冷剂在压缩机中的压缩过程，对于理论循环为等熵过程，,点,0,为吸入的低压饱和蒸气状态点，,点,2,为排出的过热蒸气状态点。,因：,s,=0,、,q,=0,、,c,=0,故：,h,=,w0,，,w,0,=,h,2,-,h,0,w,0,称为单位理论功，在,T,-,s,图上用面积,0-2-3-c-b-4-0,表示，在,lg,p,-,h,图上为线段,2-0,的长度。,冷凝过程,2-3,此过程由两段组成，压缩机排出的制冷剂过热蒸气进入冷凝器后，首先被冷却成饱和蒸气，即过程,2-3,，此时存在传热温差；然后饱和蒸气被冷凝成饱和液体，即过程,3,-3,，,此凝结过程无传热温差；制冷剂压力不变，始终是,与,T,k,对应的饱和压力,p,k,。,因,：,w,=0,、,c,=0,故：,q,=,h,，,q,k,=,h,2,-,h,3,q,k,称为单位冷凝负荷，在,T,-,S,图上用面积,a-2-3-c-a,表示，在,lg,p,-,h,图上以线段,2-3,的,长度表示。,节流过程,3-4,制冷剂在节流过程中温度,由,t,k,下降至,t,0,，,压力由,p,k,下降,至,p,0,，,焓值基本不变，节流后制冷剂状态进入湿蒸气区，根据理论循环的假定近似有：,w,=0,、,c,=0,、,q,=0,故：,h,=0,，,h,4,=,h,3,即这一过程的起点和终点处于同一等焓线上。,蒸发过程,4-0,在此过程中，制冷剂在,t,0,、,p,0,保持不变的情况下气化，吸收气化潜热，而所吸收的热量来自被冷却对象。,因：,w,=0,、,c,=0,故,：,q,=,h,，,q,0,=,h,0,-,h,4,=,h0,-,h,3,q,0,称为单位制冷量,，在,T,-,s,图上用面积,0-4-b-a-0,表示，在,lg,p,-,h,图上以线段,4-0,的长度表示。,2.2.3,理论循环的热力计算,为了说明循环的性能，可通过对循环各点的状态参数进行计算来得出性能指标，这样的计算即为热力计算。,1),单位制冷量,q,0,又称单位质量制冷量，其定义为单位质量,(,1kg),的制冷剂在一次循环中所制取的冷量。,q,0,=,h,0,-,h,4,=,h,0,-,h,3,(kJ/kg),单位制冷量也可表示为气化潜热,r,0,(kJ/kg),和节流后的干度,x,4,的关系：,q,0,=,r,0,(1-,x,4,)(kJ/kg),由上式可知，制冷剂的气化潜热越大，节流后的干度越小，即节流后形成的蒸气越少，循环的单位制冷量越大。,2),单位容积制冷量,q,v,定义为按吸入状态计压缩机每吸入单位容积的制冷剂蒸气所能获得的制冷量。,q,v,=,q,0,/,v,0,=(,h,0,-,h,3,)/,v,0,(kJ/m,3,),3),单位理论功,w,0,w,0,表示在理论循环中制冷压缩机每压缩并输送单位质量,(,1kg),制冷剂蒸气所消耗的功。由于在节流过程中,w,=0,，,因此，压缩机所消耗的单位理论功即为循环的单位理论功：,w,0,=,h,2,-,h,0,(kJ/kg),4),单位冷凝负荷,q,k,指单位质量制冷剂在一次循环中向高温热源放出,(,即在冷凝器中放出地,),的热量，它包括显热和潜热两部分：,q,k,=(,h,2,-,h,3,)+(,h,3,-,h,3,)=,h,2,-,h,3,(kJ/kg),根据热力学第一定律，有：,q,k,=,q,0,+,w,0,5),制冷系数,0,制冷系数的物理意义为：在循环中，每消耗单位功可获得的制冷量。其定义式为：,0,=,q,0,/,w,0,对于理论循环：,0,=,q,0,/,w,0,=(,h,0,-,h,3,)/(h,2,-,h,0,),制冷系数是制冷循环的一个重要指标。在给定冷凝温度和蒸发温度的条件下，制冷系数越大，就表示循环的经济性越好。当冷凝温度越高、蒸发温度越低，制冷系数就越小。,6),热力完善度,热力完善度的定义为：,=,/,c,(,c,逆卡诺循环的制冷系数）,对于理论循环，有：,制冷系数和热力完善度都是用来评价循环经济性的指标，但它们的物理意义不同，制冷系数随循环的工作温度变化而变，用来比较相同热源温度下循环的优劣。热力完善度则表示循环接近可逆循环的程度，可以用来评价不同种类、不同热源温度下的循环。,2.3,过冷、过热及回热循环,单级压缩制冷理论循环是蒸气压缩式制冷机最基本、最简单的循环。在工程实际中，为了改善循环的运行性能，可对影响循环性能的主要因素进行考虑，从而对理论循环进行修正。这些修正主要有：节流前液体过冷、吸入蒸气过热、采用回热等在讨论这些循环时，对于理论循环所用的理想条件，仅对修正所涉及的部分条件进行修正，其它部分仍按理论循环的理想条件进行分析。,2.3.1,过冷循环,2.3.2,过热循环,2.3.3,回热循环,2.3.1,过冷循环,分析理论循环,的,lg,p,-,h,图，可以发现，当液体制冷剂节流后产生的闪发蒸气越少，循环的单位制冷量就越大。进一步分析理论循环的,lg,p,-,h,图还可以发现,：,如能进一步降低液体制冷剂节流前的温度，就可以减小节流后制冷剂的干度。,使节液前制冷剂的温度低于冷凝温度称为液体过冷，简称,过冷,。具有过冷的循环称为过冷循环。,图,2-5,为过冷循环在,lg,p,-,h,图和,t,-,s,图上的表示，图中,3-3,为液体制冷剂的过冷过程，,3-4,为节液过程，其余过程与理论循环相同。图中,0-2-3,-4,-0,为过冷循环，而,0-2-3-4-0,为与之对照的理论循环。,图,2-5,过冷循环,与理论循环相比，过冷循环的性能变化及其计算如下。,节流前液体温度：,t,3,t,3,液体过冷度：,t,sc,=,t,3,-,t,3,(),单位制冷量：,q,0sc,=,h,0,-,h,3,q,0,=,h,0,-,h,3,(kJ/kg),单位制冷量的增加值：,q,0sc,=,h,3,-,h,3,(kJ/kg),单位容积制冷量：,q,vsc,=,q,0sc,/,v,0,q,v,=,q,0,/,v,0,(kJ/m,3,),单位容积制冷量增加值,:,q,vsc,=(,h,3,-,h,3,)/,v,0,(kJ/m,3,),单位功：,w,0sc,=,h,2,-,h,0,=,w,0,(kJ/kg),单位冷凝负荷：,q,ksc,=(,h,2,-,h,3,),q,k,=(,h,2,-,h,3,)(kJ/kg),单位过冷负荷,:,q,sc,=,h,3,-,h,3,(kJ/kg),制冷系数,:,sc,=(,q,0,+,q,sc,)/,w,0,0,=,q,0,/,w,0,即：,sc,=(,h,0,-,h,3,)/(,h,2,-,h,0,)=(,h,0,-h,3,)/(,h,2,-,h,0,)+,(h,3,-,h,3,)/(,h,2,-,h,0,)=,0,+,sc,制冷系数的增量可表示为：,sc,=,C,l,t,sc,/,w,0,式中：,C,l,液体制冷剂的平均比热容（,kJ/(kg),。,由此可知，采用液体过冷后可使循环的制冷系数提高，过冷度越大，制冷系数的增量也越大。,实现液体过冷有二条途径，,其一,是增设过冷器，,其二,是在冷凝器中过冷。如采用过冷器实现过冷，需增加设备、需要温度低于冷凝温度的冷却介质、还要消耗一定的机械功来输送冷却介质。因此，用这种途径实现液体过冷，热力完善度和技术经济指标不一定能提高。此时，应进行技术经济分析，来确定是否采用过冷以及过冷度的大小。,在冷凝器中也可以实现液体过冷。在工程中，常使冷凝器最下面的部分充满制冷剂，使制冷剂液体有一定过冷度。当然，在此时冷却介质进入冷凝器的温度必须低于冷凝温度，循环的条件与理论循环的条件存在偏差。,2.3.3,过热循环,在压缩机吸入之前制冷剂蒸气的温度高于吸入压力所对应的制冷剂饱和温度，称为吸入蒸气过热，简称,过热,。具有过热的循环称为过热循环。,图,2-6,为过热循环在,lg,p,-,h,图及,T,-,s,图上的表示。图中,1,-,2,-,3,-,4,-,0,-,1,为,过热循环，其中,0-1,为吸入蒸气的过热过程，其余各过程与理论循环的对应过程相同。图中的,0-2-3-4-0,为与之对照的理论循环。,压缩机吸入温度与蒸发温度之差称为过热度：,t,sh,=,t,1,-,t,0,(,),图,2-6,过热循环,当过热发生在被冷却空间内部，即制冷剂蒸气过热所吸收的热量来自被冷却空间或被冷却物体，产生有用的制冷效果称为,有效过热,。如过热发生在被冷却空间之外，即过热时制冷剂蒸气所吸收的热量来自环境，没有产生制冷效果，称为,无效过热,。有效过热和无效过热对循环性能产生的影响不同。,无效过热对循环性能的影响,无效过热,时，过热循环与理论循环相比，性能变化如下,:,吸气温度：,t,1,=t,1,+t,sh,t,0,排气温度：,t,2,t,2,吸气比容：,v,1,v,0,单位制冷量：,q,0sh,=h,0,-h,3,=q,0,(kJ/kg),单位容积制冷量：,q,v,=q,0sh,/v,1,q,0,/v,0,(kJ/m,3,),单位理论功：,w,0sh,=h,2,-h,1,w,0,=h,1,-h,0,(kJ/kg),单位冷凝负荷：,q,ksh,=h,2,-h,3,q,k,=h,2,-h,3,制冷系数：,sh,=q,0sh,/w,0sh,0,=q,0,/w,0,由此可见，当过热为无效过热时，对循环性能是,不利,的。且单位容积制冷量的减小意味着对于一台给定的压缩机，制冷量将减小。因此，应尽可能减小无效过热。但在工程实际中，或多或少存在无效过热，不可能完全避免。,有效过热对循环性能的影响,如过热为,有效过热则循环性能变化如下所述，当然此时循环偏离了理论循环中被冷却物体温度等于蒸发温度这一理想条件。在循环性能中吸气温度、排气温度、单位理论功、单位冷凝负荷的变化同无效过热时完全一样。,单位制冷量：,q,0sh,=,h,1,-,h,3,q,0,=,h,0,-,h,3,(kJ/kg),单位制冷量的增加量：,q,0sh,=,h,1,-,h,0,(kJ/kg),由于吸气比容和单位制冷量均增大，单位容积制冷量的变化不能直接判断：,q,v,=,q,0sh,/,v,1,=(,q,0,+,q,0sh,)/(,v,0,+,v,sh,),(kJ/m,3,),由于单位制冷量与单位理论功均增大，制冷系数的变化也不能直接判断：,sh,=,q,0sh,/,w,0sh,=(,h,0,-,h,4,)+(,h,0,-,h,0,)/(,w,0,+,w,0,),=(,q,0sh,+,q,0sh,)/(,w,0,+,w,0,),有效过热时，单位容积制冷量与制冷系数随过热度的变化而变，其变化关系与制冷剂的种类有关。对一些制冷剂，随过热度的增加，单位容积制冷量与制冷系数均增大。而另一些制冷剂，随过热度的增加，单位容积制冷量与制冷系数均减小。这一点与下面要讨论的回热循环完全一样。,由于无效过热对循环性能有不利影响，且蒸发温度越低，其不利影响也越显著，所以在工程实际中，常采用一部分有效过热来减小无效过热的影响。,在工程实际中，是否采用过热不仅要考虑对循环性能的影响，还要考虑压缩机是否会吸入湿蒸气、压缩机输气系数随过热度的变化而变、压缩机内的润滑油是否会冻结等多个因素。因此，通常希望吸入蒸气有一定过热度，以使吸气中可能夹带的液滴气化，避免压缩机液击；使压缩机机体温度不太低，避免润滑油冻结；同时使压缩机的输气系数也有所提高。对吸入蒸气过热度大小的限制主要取决于排气温度。,吸入蒸气过热度对压缩机输气系数的影响，可参考制冷压缩机的有关教材。吸入蒸气过热度对整台制冷机性能的影响，可将,单位容积制冷量,与,制冷系数,的变化，代入到下节要讨论的制冷机性能中，即得出结论。,2.3.4,回热循环,回热,使节流前的制冷剂液体与离开蒸发器的制冷剂蒸气进行热交换，在液体过冷的同时使蒸气过热，这种方法称为回热。具有回热的循环称为回热循环，进行回热热交换的设备称为回热器。,图,2-7,为回热循环制冷机的系统流程图。离开冷凝器的制冷剂液体在回热器中被低压制冷蒸气所冷却，成为过冷液体再进行节流。由蒸发器出来的制冷剂蒸气被高压制冷剂液体加热后，成为有较大过热度的过热蒸气，再被压缩机吸入。,图,2-8,为回热循环在,lg,p,-,h,图及,T,-,s,图上的表示，图中,1-2,为低压蒸气在回热器中的加热过程，,3-3,为高压液体在回热器中的冷却过程。,图,2-7,应用回热循环的制冷机,图,2-8,回热循环,回热循环的性能,在忽略回热器与环境之