蒸气压缩制冷循环.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,*,第三章 蒸气压缩制冷循环,1,3.0,预备知识,2,3,4,5,6,7,在普通制冷温度范围内，蒸气压缩式制冷是占主导地位的制冷方式，它属于液体蒸发制冷,液体蒸发制冷的特征是：利用制冷剂液体在气化时（蒸发时）产生的吸热效应，达到制冷目的,液体蒸发制冷构成循环的四个基本过程是：,制冷剂液体在低压（低温）下蒸发，成为低压蒸气；,将该低压蒸气提高压力成为高压蒸气；,将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体；,高压液体降低压力重新变为低压液体，从而完成循环。,8,上述四个过程中，是制冷剂从低温热源吸收热量的过程；是制冷剂向高温热源排放热量的过程；是循环的能量补偿过程。,能量补偿的方式有多种，所使用的补偿能量形式相应的也有所不同。如果该过程的能量补偿方式是用压缩机对低压气体做功，使之因受压缩而提高压力，那么，这种制冷方式便称之为蒸气压缩式制冷循环（,vapor compression refrigeration cycle,）,9,Q,o,W,在制冷系统中，我们将制冷剂在低压下蒸发的容器，称为蒸发器,（,evaporator,）,，蒸发器是热交换设备，其作用是将蒸发器外被冷却对象的热量传递给蒸发器内制冷剂，制冷剂（在低温低压下）相变吸热而使被冷却对象的温度降低,从蒸发器内源源不断地抽出制冷剂气体的装置称为制冷压缩机refrigerant compressor,）,，其作用之一是不断地将完成了吸热过程而汽化的制冷剂蒸气从蒸发器中抽吸出来，使蒸发器维持低压状态，便于蒸发吸热过程能继续不断地进行下去,10,Q,o,Q,k,W,利用饱和温度和饱和压力一一对应这个原理，我们对制冷压缩机抽出的低温低压的制冷剂蒸气进行压缩，给它一个能量，使低温低压的制冷剂蒸气增压，从而提高制冷剂蒸气的温度，再送往冷凝器去冷凝,制冷压缩机除了及时抽出蒸发器内蒸气，维持低温低压外，作用之二是通过压缩作用提高制冷剂蒸气的压力和温度，创造将制冷剂蒸气的热量向外界环境介质（空气或水）转移的条件,11,冷凝器（,Condenser,）也是一个热交换设备，作用是利用环境冷却介质空气或水，将来自制冷压缩机的高温高压制冷剂蒸气的热量带走，使高温高压制冷剂蒸气冷却、冷凝成高压常温的制冷剂液体。,值得一提的是，冷凝器内制冷剂蒸气变为制冷剂液体的过程中，压力是不变的仍为高压,高压常温的制冷剂液体不能直接送入低温低压的蒸发器。我们将再一次利用饱和压力（,saturation pressure,）与饱和温度一一对应原理，降低制冷剂液体的压力，从而降低制冷剂液体的温度。将高压常温的制冷剂液体通过降压装置,膨胀阀（又称节流阀，,expansion valve,，,throttle valve,），得到低温低压制冷剂，再送入蒸发器吸热蒸发，从而完成了一个制冷循环。,12,Q,o,Q,k,W,13,Q,o,Q,k,压缩机,节流阀,冷凝器,蒸发器,W,14,Q,o,Q,k,Compressor,Expansion Valve,Condenser,Evaporator,W,高压、过热蒸气,低压、气液两相,高压、饱和液体,低压、低温蒸气,15,16,单级蒸气压缩式制冷循环工作过程如下,制冷剂在蒸发器内，在压力,p,o,、温度,t,o,下沸腾，,t,o,低于被冷物体的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸汽，并将它压缩到冷凝压力,p,k,，然后送往冷凝器，在,p,k,压力下等压冷凝成液体，同时，制冷剂放出冷凝热量，并传给冷却介质（通常是水或空气）与冷凝压力,p,k,相对应的冷凝温度,t,k,一定要高于冷却介质的温度，冷凝后的液体通过膨胀阀或节流元件进入蒸发器,当制冷剂通过膨胀阀时，压力从,p,k,降到,p,o,，少部分液体气化，极大部分剩余液体的温度降至,t,o,，这部分液体在蒸发器中蒸发，并从被冷却的物体中吸取它所需要的蒸发热。而气化的这部分蒸汽称为闪发蒸汽，在它被压缩机吸入之前几乎不再起吸热作用,17,3.1,单级蒸气压缩式制冷循环,分析单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环,（,Ideal Single-Stage Cycle,）,的目的是运用热力学原理对制冷循环内在联系和外部影响，进行的理论分析，是制冷系统安装、调试、运行管理和维护的理论基础。它对制冷循环的能量转换及转换后效率进行的理论分析，是制冷系统能否节能、环保、可持续发展的理论根据,鉴于实际的制冷循环是一个动态且复杂的循环过程，不便于定性和定量分析，我们将从简单但符合实际规律的理论制冷循环入手，用热力学理论对其进行透彻的分析和计算，在此基础上再修正复杂、多变的实际制冷循环，指导实际制冷循环的应用，使之更有效、更安全地为我们服务。对制冷循环进行的热力计算，是制冷系统机器、设备设计和选型的理论依据,3.1.1,单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环,18,1,、理论制冷循环的假定条件,压缩过程为等熵过程（,Isentropic process,），即压缩过程与外界没有热交换,冷凝、蒸发过程均为定压过程（,Isobaric process,），没有传热温差。即制冷剂的冷凝温度（,Condensing temperature,）等于环境介质（空气或水）温度；制冷剂的蒸发温度（,Evaporating temperature,）等于被冷却对象温度；且各温度均为定值,离开蒸发器和进入制冷压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气；离开冷凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体,除膨胀阀产生节流降压外，制冷剂在设备管道内的流动没有流动阻力损失（即没有压力降），同时与外界环境没有热交换,节流过程为绝热的焓值不变过程（,Isenthalpic process,）,19,2理论制冷循环在温,-,熵图和压,-,焓图上的表示,20,压缩,节流,蒸发,冷凝,冷却,统称为“冷凝”,21,压缩过程,Compression Process,节流过程,Throttle Process,蒸发过程,Evaporation Process,冷凝过程,Condensation Process,22,点,1,表示制冷剂进入压缩机的状态它是对应于蒸发温度,t,o,下的饱和蒸气，该点位于等压线,p,o,与饱和蒸气线的交点上,点,2,表示制冷剂出压缩机的状态，也是进冷凝器时的状态。过程线,12,表示制冷剂蒸气在压缩机中的等熵压缩过程（,s,1,=s,2,），由蒸发压力,p,o,压缩到冷凝压力,p,k,，因此点,2,可由通过点,1,的等熵线和压力为,p,k,的等压线的交点来确定。点,2,处于过热蒸气状态，注意在点,2,时的制冷剂温度比点,3,时的制冷剂温度高，此温度我们也称作压缩机排气温度（,Discharge temperature,）,23,点,4,表示制冷剂出冷凝器的状态，它是与冷凝压力,p,k,所对应的饱和液体，过程线,234,表示制冷剂在冷凝器内冷却（,23,）和冷凝（,34,）过程。由于整个冷凝过程的压力不变，因此，压力为,p,k,的等压线和饱和液体线的交点即为点,4,的状态,点,5,表示制冷剂出节流阀的状态，也就是进入蒸发器的状态。过程线,45,表示制冷剂在通过节流阀时的节流过程，在这一过程中，制冷剂的压力由,p,k,降到,p,o,，温度也由,t,k,降到,t,o,，进入两相区。由于节流前后制冷剂的焓值不变，因此，由点,4,作等焓线与等压线,p,o,的交点即为点,5,的状态。因节流过程是不可逆过程，所以过程线,45,往往用虚线表示。可以看出，点,5,落入了两相区，意味着制冷剂从冷凝压力饱和液体状态经节流阀节流后有一部分成为闪发气体,24,过程线,51,表示制冷剂在蒸发器中的汽化（蒸发）过程。由于这一过程是在等温、等压下进行的，液体制冷剂吸取被冷却物体的热量而不断汽化，所以制冷剂的状态沿等压线向干度增大的方向变化，直到全部变为饱和蒸气为止。这样，制冷剂的状态又重新回到进入压缩机前的状态，从而完成了一个理论制冷循环,25,t,k,、,p,k,t,o,、,p,o,s=,常数,p=,常数,h=,常数,p=,常数,26,3,、理论循环中各设备的功、热变化,理论制冷循环中，制冷剂的流动过程可认为是稳定流动过程。即：,制冷剂流过系统任何断面的质量不随时间改变；,系统中任何位置上制冷剂的状态参数都保持一定，不随时间改变；,系统与外界的热量和功量传递不随时间改变。,27,根据热力学第一定律，忽略位能和动能变化，稳定流动过程的能量方程可表示为（参见,工程热力学,热力学第一定律中的稳定流动能量方程）,（,3,1,）,式中：,Q,单位时间内外界加给系统的热量，,kW,；,P,单位时间内外界加给系统的功率，,kW,；,流出或流进该系统的稳定质量流量，,kg/s,；,h,out,、,h,in,1kg,制冷剂在系统出、进口处的比焓，,kJ/kg,。,该方程可以单独适用于制冷系统中的每一个设备。,28,制冷压缩机,制冷压缩机对制冷剂蒸气的压缩过程是一个等熵过程。因此,（,3,2,）,带入式（,3-1,），有,在图中表示为,1-2,过程，为循环的压缩过程，故上式可写成,式中：,P,o,理论功率,（,Idea power,）,，,kW,，表示制冷压缩机因压缩循环的制冷剂蒸气所消耗的功率,质量流量,（,Mass flow rate,），,kg/s,，表示单位时间内循环的制冷剂的流量,w,o,理论比功,（单位压缩功，,Compress work per mass,）,，,kJ/kg,，表示制冷压缩机每输送,1kg,制冷剂蒸气所消耗的功。,29,热力学中，非自发过程的发生需要伴随能量的补偿,理论制冷循环中，热量从被冷却对象通过制冷剂传递给环境介质空气或水，即从低温物体传向高温物体，是非自发过程，因而需要制冷压缩机消耗功率,P,o,才能够实现。,压缩过程中，制冷剂状态变化如下：,制冷剂蒸气从干饱和蒸气状态,1,过热蒸气状态,2,制冷剂蒸气从低压,p,o,高压,p,k,制冷剂蒸气从低温,t,1,高温,t,2,（依制冷剂不同而不同）,压缩过程是一个等熵过程,30,冷凝器,冷凝器中制冷剂蒸气的冷凝过程是一个定压放热过程，向外界放出热量,Q,k,，但与外界没有功率交换。因此,（,3,3,）,式中：,Q,k,冷凝热（,Condenser heat,），,kW,，表示单位时间内循环的制冷剂在冷凝器中放出的热量（负号仅表示放出热量，可省略）,q,k,单位冷凝热负荷，,kJ/kg,，表示,1kg,制冷剂蒸气冷凝为同等压力下的饱和液体在冷凝器中放出的热量,31,冷凝过程中，制冷剂状态变化如下：,制冷剂蒸气从过热蒸气状态,2,饱和蒸气状态,3,（冷却过程）饱和液状态,4,（冷凝过程）,制冷剂蒸气从高温,t,2,冷凝温度,t,k,=t,3,=t,4,（一般为常温）,冷凝过程定压且为高压,p,k,32,膨胀阀,膨胀阀中制冷剂液体的膨胀过程是一个绝热过程，与外界没有热交换，也不作功。因此,（,3,4,）,上式可写成,式（,3,4,）表明节流前后焓值不变,33,节流过程中，制冷剂状态变化如下：,制冷剂液体从饱和液状态,4,湿蒸气状态,5,制冷剂液体从高压,p,k,低压,p,o,制冷剂液体从冷凝温度,t,k,蒸发温度,t,o,节流过程绝热而且焓值不变,34,蒸发器,制冷剂的蒸发过程是一个定压吸热过程，从外界吸收热量,Q,o,，与外界没有功率交换。因此,（,3,5,）,式中：,Q,o,制冷量,（,Refrigerating capacity,）,，,kW,，表示单位时间内循环的制冷剂在蒸发器中从被冷却对象吸取的热量,q,o,单位质量制冷量,（,Refrigerating capacity per weighing,）,，,kJ/kg,，表示,1kg,制冷剂液体蒸发为同等压力下的饱和气体在蒸发器中从被冷却对象吸取的热量，它实际是制冷剂的气化潜热,35,蒸发过程中，制冷剂状态变化如下：,制冷剂从湿蒸气状态,5,饱和蒸气状态,1,蒸发过程定压且为低压,p,o,蒸发过程定温且为低温,t,o,=t,5,=t,1,36,理论制冷循环的能量转换,理论制冷循环的能量转换和热力学第一定律有,（,3,6,）,解释为：蒸气压缩制冷系统的冷凝热等于得到的冷量与消耗的功之和,37,理论制冷循环的经济性,理论制冷循环中，制取的冷量与所消耗的功率之比称为制冷系数（,Cofficient of performance,），用,o,表示,（,3,7,）,制冷系数越大，制冷循环经济性越好，投入少、产出多,制冷系数的影响因素在后面进行分析,38,39,4,、理论循环的热力计算,单级蒸气压缩式制冷理论循环的性能指标,单位质量制冷量,单位容积制冷量,理论比功,冷凝器单位热负荷,制冷系数等,40,单位制冷量,1kg,制冷剂在蒸发器内从被冷却物体中吸取的热量称单位制冷量（,Refrigerating capacity per unit of refrigerant mass,）。用,q,o表示,从压焓图中可以看出，状态,5,的湿蒸气进入蒸发器，在其中吸热气化至干饱和蒸气状态,1,，在,51,蒸发过程中，工质的压力和温度均保持不变,单位制冷量可用制冷剂进、出蒸发器时的焓差表示，即,（,3,8,）,单位制冷量与制冷剂的性质有关，与节流前后的温度（压力）有关,41,单位容积制冷量,压缩机每吸入,1m,3,制冷剂蒸气,(,按吸气状态计算,),所制取的冷量称单位容积制冷量（,Refrigerating capacity per unit of swept volume,），用,q,v,表示,（,3,9,）,式中：,v,1,吸气状态下制冷剂蒸气比体积（比容），,m,3,/kg,单位容积制冷量与制冷剂性质有关,单位容积制冷量蒸发压力的影响很大，蒸发温度越低，制冷剂比体积值越大，单位容积制冷量越小,42,理论比功,压缩机每压缩并输送,1kg,制冷剂所消耗的功称为理论比功（单位理论功，,The work input to the compressor,per unit of refrigerant mass,）用,w,o,表示。,由于节流过程中制冷剂对外不作功，因此循环单位理论功与压缩机的单位理论功相等。它可用制冷剂进、出压缩机时的比焓差表示，即,（,3,10,）,单位理论功的大小不仅与制冷剂的性质有关，也与压缩机的压缩比（,Compression ratio,）（,p,k,/p,o,）的大小有关,43,冷凝器单位热负荷,1kg,制冷剂在冷凝器中放给冷却介质的热量称为冷凝器单位热负荷（,The heat rejection during condensation,per unit of refrigerant mass,），用,q,k,表示。,用制冷剂进、出冷凝器时的比焓差表示，即,（,3,11,）,可见冷凝负荷大小与制冷剂压缩后的状态点有关，包含有制冷剂的冷却过程和冷凝过程,44,制冷系数,它表示循环的制冷量与理论功之比，用,o,表示，即,（,3,12,）,制冷系数表明理论循环的经济性，在空调工程实际应用中往往用,COP,和,EER,（能效比）衡量系统的经济性,45,在温,-,熵图和压,-,焓图上单位制冷量、单位理论功和单位冷凝热可以用面积（温,-,熵图）和线段（压,-,焓图）表示，下图给出了用面积和线段表示的单位制冷量。,46,例,3-1,某,R22,制冷理论循环，蒸发温度,t,o,=5,，冷凝温度,t,k,=40,，制冷量,Q,o,=50kW,，试进行该循环的热力计算。,47,48,49,50,例,3-2,比较,R22,制冷理论循环，蒸发温度,t,o,=5,，冷凝温度,t,k,1,=40,、,t,k,2,=38,、,t,k,3,=36,、,t,k,4,=34,、,t,k,5,=32,时制冷系数的变化量。,51,解,该循环在压,-,焓图上的表示如图所示。根据,R22,热理性质表，查出处于饱和线上各点的有关状态参数值：,h,3-1,=249.686kJ/kg,；,h,3-2,=247.041kJ/kg,h,3-3,=244.418kJ/kg,；,h,3-4,=241.814kJ/kg,h,3-5,=239.230kJ/kg,h,2-1,=432 kJ/kg,；,h,2-2,=430 kJ/kg,；,h,2-3,=428kJ/kg,；,h,2-4,=426 kJ/kg,；,h,2-5,=424 kJ/kg,52,序号,项目,计算公式,冷凝温度（,）,40,38,36,34,32,1,单位质量制冷量（,kJ/kg,）,=,157.457,160.102,162.725,165.329,167.913,2,单位功（,kJ/kg,）,24.857,22.857,20.857,18.857,16.857,3,制冷系数,6.335,7.001,7.802,8.768,9.961,4,比较值,以,40,为基准,1,1.12,1.23,1.38,1.57,结论：在制冷循环中，冷凝温度降低,1,，制冷系数将会增加,5%,左右（与运行工况有关）,53,3.1.2,单级蒸气压缩式制冷的实际循环,需要修正的方面是,制冷压缩机的压缩过程不是等熵过程，且有摩擦损失,热交换过程中，有气体过热、液体过冷现象存在。通常制冷压缩机的吸气是过热蒸气，节流阀前的液体是过冷液体,热交换过程中，存在着传热温差，被冷却对象温度高于制冷剂的蒸发温度，环境介质温度低于制冷剂冷凝温度,节流过程不完全是焓值不变的节流过程,制冷剂在设备及管道内流动时，存在着流动阻力损失，且与外界有热量交换,制冷系统中存在着不凝性气体,54,制冷剂液体的温度低于同一压力下饱和状态的温度称为过冷,(,Subcooling,),。两者温度之差称为过冷度,(,Degree of subcooling,),如压力为,1atm,（,0.1MPa,）时，水对应的饱和温度是,100,，而通常自来水温度只有,20,，自来水即为过冷液体，过冷度为,80,液体制冷剂节流后进入湿蒸气区（两相区），节流后制冷剂的干度越小，它在蒸发器中气化时的吸热量（即制冷量）越大，循环的制冷系数越高,节流后的点越接近饱和液体线，制冷量越大。在一定的冷凝温度和蒸发温度下，采用使节流前制冷剂液体过冷的方法可以达到减少节流后干度的目的,1,、液体过冷对循环性能的影响,55,理论制冷循环中，我们认为冷凝完毕的制冷剂液体正好是饱和液,(,Saturated liquid,),，忽略制冷剂流动时的热交换，制冷剂到达节流阀前仍为饱和液状态。在实际制冷循环中，制冷剂液体离开冷凝器进入节流阀之前往往具有一定的过冷度。,56,液体过冷的原因,冷凝器中冷凝面积的选择往往大于设计所需的冷凝面积,冷凝器选择条件是根据最热天气，最高的环境介质温度。而在使用中的绝大多数时间内冷凝器是在低于上述条件的情况下工作，从而使冷凝面积过剩，为制冷剂过冷创造了条件,在设计过程中，人为设计一些过冷度。在通常情况下，过冷度的大小取决于冷凝系统的设计和制冷剂与冷却介质之间的温差。假定冷凝器出水温度比冷凝温度低,5,，冷却水在冷凝器中的温升为,8,，因而冷却水的进口温度比冷凝温度低,13,，这就足以使制冷剂出口温度达到一定的过冷度。在卧式壳管式冷凝器中，如果冷凝后的液体不立即从冷凝器的底部排出，而是积存在冷凝器内部，这部分液体将继续把热量传给管内的冷却水和周围环境，排出时便可获得一定的过冷度,在制冷系统中设置了过冷器，如用空气冷却后的高压制冷剂经过井水再次冷却，制冷剂就得到了过冷,制冷系统中设置了回热器（详见回热循环）,57,具有液体过冷的循环,12341,表示理论循环,12341,表示过冷循环,58,对过冷循环而言，单位制冷量,（,3,13,）,（,3,14,）,（,3,15,）,与无过冷的循环,12341,相比，过冷循环的单位制冷量的增加量为,过冷循环的制冷系数,式中：,c,液体平均比热容；,t,过冷度。,59,单位制冷量增加的百分数取决于制冷剂的蒸发潜热和液体的比热,对于氨（,R717,），因为它的蒸发潜热很大，故每过冷,1,，单位制冷量增加的百分数是很小的，在考核工况下大约为,0.4%,对,R502,制冷剂而言，大约增加,1.1%,，对丙烷而言，大约增加,0.9%,。,60,由于单位制冷量的增加，对给定的制冷量，过冷循环所需要的制冷剂质量流量将小于理论循环的质量流量。考虑到两个循环的压缩机吸入状态相同，因而压缩机所需要的容积同样也是过冷循环小于理论循环,由于两个循环中压缩机的进、出口状态相同，因此两个循环的比功相同，这就意味着过冷循环中单位制冷量的增加必定导致制冷系数的增加。,61,例,3-3,试比较理论循环与过冷循环的性能。假定两个循环的冷凝温度均为,40,，蒸发温度均为,5,，过冷循环中液体的温度由,40,过冷到,35,，两个循环的压缩机吸入状态均为蒸发压力入下的饱和蒸气状态，工质为,R22,，制冷量,50kW,62,查,R22,的热力性质图或表得各状态点的热力性质：,63,序号,项目,计算公式,计算结果,增加,百分数,理论,过冷,理论,过冷,1,单位质量制冷量（,kJ/kg,）,153.813,160.385,4.27,2,制冷剂质量流量（,kg/s,）,0.325,0.3118,-4.23,3,理论比功（,kJ/kg,）,23.377,23.377,0,4,制冷系数,4.733,4.935,4.27,64,例,3-4,两个单级蒸气压缩式制冷循环，使用工质为,R22,，需制冷量,Q,o,55kW,。两个循环的冷凝温度,t,k,均为,40,，蒸发温度,t,o,均为,-10,其中一制冷循环为理论循环，另一制冷循环为过冷循环，过冷度,t,g,5,，试比较两个制冷循环的性能,65,66,结论：液体过冷循环使制冷循环的制冷系数,o,增大；使制冷循环的单位质量制冷量,q,o,增加，从而使制冷循环的质量流量,q,m,减少；使制冷循环的单位容积制冷量,g,v,增加，从而使制冷循环的压缩机实际输气量,qv,s,减少，即制冷循环所需要的制冷压缩机的尺寸可以减小。故液体过冷对单级蒸气压缩式制冷循环有益。,67,获得一定的过冷度，在技术上是切实可行的，但同时要看到需要为此付出一定的经济代价。如冷凝而积增大，加装过冷器、回热器以及相关的深井、泵、管道和管件等附属设施，既增加了一次性设备投资也同时增大了运行管理费用。因此，是否采用过冷，采用哪种过冷方式，多大的过冷度均需从技术、经济两方面综合考虑。,68,通常情况下，在小型制冷循环，尤其氟里昂制冷循环中，非常需要过冷，因为小型制冷系统通常未设置气液分离辅助设备，节流后的湿蒸气直接进入蒸发器。从,lg,p-h,图中可以看出，有过冷时，节流后制冷剂状态点较未过冷节流后制冷剂状态点的闪发性气体减少，从而减少了闪发性气体在蒸发器内占有的而积。另外，在制冷系统有多个蒸发器并联使用时，可减少供液不均的可能。,69,2,、蒸气过热对循环性能的影响,制冷剂蒸气的温度高于同一压力下饱和蒸气的温度称为过热（,Superheat,），两者温度之差称为过热度（,Degree of superheat,）,如压力,0.1MPa,（,760mmHg,）时，水蒸气对应的饱和温度是,100,，当压力不变，对水蒸气继续加热，使水蒸气温度上升至,120,，水蒸气过热，其过热度为,20,70,实际循环中，压缩机吸入饱和状态的蒸气的情况是很少的。为了不将液满带入压缩机，通常制冷剂液体在蒸发器中完全蒸发后仍然要继续吸收一部分热量。这样，在它到达压缩机之前已处于过热状态,12341,表示理论循环，,12341,表示具有蒸气过热的循环,71,压缩机的出口状态则由点,1,的等熵线和冷凝压力的交点,2,来确定,过热循环的理论功为,（,3,16,）,（,3,17,）,（,3,18,）,循环增加的功,由制冷剂的,T-s,图我们可以得到，在过热区，过热度越大，其等熵线的斜率越大，根据式（,3-17,），得,0,上式表明，系统的过热总会使理论比功增加,72,由,lg,p,h,图可以看出,过热循环中压缩机的排气温度比理论循环的排气温度高,过热循环的压缩功大于理论循环压缩功,由于过热循环在过热过程中吸收了一部分热量，再加上压缩功又稍有增加，因此每公斤制冷剂在冷凝器中排出的热量较理论循环大,相同压力下，温度升高时，过热蒸气的比体积要比饱和蒸气的比体积大，这意味着对每公斤制冷剂而言，将需要更大的压缩机容积。换句话说，对于给定的压缩机，过热循环中压缩机的制冷剂质量流负始终小于理论循环的质量流量,73,吸入过热蒸气对制冷量和制冷系数的影响取决于蒸气过程时吸收的热量是否产生有用的制冷效果以及过热度的大小。,74,过热没有产生有用的制冷效果,由蒸发器出来的低温制冷剂蒸气，在通过吸入管道进入压缩机之前，从周围环境中吸取热量而过热，但它并没有对被冷却物体产生任何制冷效应，这种过热习惯上称为“无效”过热,对于无效过热，循环的单位制冷量和运行在相同冷凝温度和蒸发温度下的理论循环的单位制冷量是相等的，但出于蒸气比体积的增加而使单位容积制冷量减少，对给定压缩机而言，它将导致循环制冷量的降低,75,由于循环压缩功的增加，使得循环的制冷系数下降。无效过热制冷系数为,制冷系数下降量为,（,3,19,）,（,3,20,）76,由以上分析可知，无效过热对循环是不利的，故又称为有害过热,蒸发温度越低，与环境温差越大，无效过热的影响越大循环经济性越差,虽然可以通过在吸气管路上敷设隔热材料来减少这种影响，但毕竟不能完全消除。（通常隔热材料的厚度以外表面不结露为准，由公式及可知，只要有,K,值存在，传热不可避免）,77,过热本身产生有用的制冷效果,如果吸入蒸气的过热发生在蒸发器本身的后部，或者发生在安装于被冷却室内的吸气管上，或者发生在两者皆有的情况下。那么，由于过热而吸收的热量来自被冷却空间，因而产生了有用的制冷效果，这种过热称为“有效”过热,有效过热的单位制冷量为,（,3,21,）,（,3,22,）,单位制冷量增加值,78,有效过热制冷系数为,制冷系数变化量为,（,3,24,）,（,3,23,）,79,有效过热使循环的单位制冷量有所增加，但由于吸入蒸气的比容也随吸入温度的增加而增加，故过热循环的单位容积制冷量可以增加，也可以减少，这与制冷剂本身的特性有关。有效过热循环的制冷系数是大于还是小于无过热循环的制冷系数,由图可知，制冷系数的增加还是减少，仅仅与制冷剂的种类有关，而改变量的绝对值，几乎与过热度成正比,80,不管是有效过热还是无效过热，虽然一定的过热度对容积式压缩机的吸气效果会有所改善，也可避免吸入气体可能带液所导致的不利后果。但是，过热都将引起压缩机排气温度的增加，这一点对压缩机的工作是不利的。在实际操作过程中，即使采用象,R502,这样的制冷剂，也不要使过热度太大。,81,例,3-5,两个单级蒸气压缩式制冷循环，其中一制冷循环为理论循环，另一制冷循环为过热循环，过热度,t,gr,=10,。制冷量,Q,o,50kW,。两个循环的冷凝温度,t,k,均为,40,，蒸发温度,t,o,均为,-5,。在使用工质氨（,R717,）或丙烷（,R290,）作制冷剂时，试比较两个制冷循环的性能。,82,83,84,实例计算显示：,在使用制冷剂,R717,、,R290,的制冷循环中，有害过热没有使制冷循环的单位质量制冷量,q,o,、质量流量 发生变化，使理论比功,w,o,增大，制冷循环的制冷系数,o,减小，制冷压缩机的排气温度升高；使制冷循环的单位容积制冷量,q,v,减小，制冷压缩机的实际输气量,G,s,，增大，所需制冷压缩机的尺寸增大。因此，有害过热对制冷循环无益，应尽量避免和减少有害过热。,在使用制冷剂,R717,的制冷循环中，有效过热使制冷循环的单位质量制冷量,q,o,增大，质量流量,q,m,减小，理论比功,w,o,增大，且理论比功的增值高于单位质量制冷量的增值，故制冷循环的制冷系数,o,减小，制冷压缩机的排气温度升高；同时有效过热使制冷循环的单位容积制冷量,q,v,减小，制冷压缩机的实际输气量,qv,s,增大，所需制冷压缩机的尺寸增大。因此，有效过热对使用制冷剂,R717,的制冷循环无益,85,在使用制冷剂,R290,的制冷循环中，有效过热使制冷循环的单位质量制冷量,q,o,增大，质量流量,q,m,减小，理论比功,w,o,增大，但理论比功的增值低于单位质量制冷量的增值，故制冷循环的制冷系数,o,稍有增大；同时有效过热使制冷循环的单位容积制冷量,q,v,增大，制冷压缩机的实际输气量,qv,s,减小，所需制冷压缩机的尺寸减小。因此，有效过热对使用制冷剂,R290,的制冷循环有益。,有效过热对制冷循环的影响视制冷剂不同而不同。,86,通常实现过热的方法：,设计时，考虑适当的过热度，如增大蒸发面积。,中、大型氟制冷系统增加回热器，可以获得较大的过热度，同时可获得较大的过冷度。,蒸发器与制冷压缩机之间的吸气管道通过环境状态。,实际应用中，采用第一种过热方法较多。第二种过热方法只在氟制冷系统中采用。第三种方法属于有害过热，一般应避免,一方面是过热循环普遍可以改善制冷循环的性质参数，另一方面是为了保护制冷压缩机,一般规定，在使用,R717,制冷剂时，制冷压缩机的最高排气温度不能超过,150,，在使用,R22,制冷剂时，制冷压缩机的最高排气温度不能超过,145,87,3,、回热循环对制冷循环性能的影响,液体过冷对提高循环性能指标有好处，但要实现液体过冷，需要有温度更低的冷却介质,利用回热使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换，使液体过冷、蒸气过热，称之为回热具有回热的制冷循环，称为回热循环（,Heat accumulation cycle,），回热循环实质是在普通的制冷循环系统中增加了一个回热器（,Regenerator,）,回热器又称气,-,液热交换器，是一个热交换设备。利用回热循环是实现较大回热要求的有效措施，这一措施在低温领域得到更广泛的应用,回热循环适合在氟制冷系统中使用,88,回热循环：使冷凝器冷凝后的制冷剂液体先通过回热器再去节流阀，蒸发器吸热气化的制冷剂蒸气先通过回热器再去制冷压缩机。从而使节流阀前常温下的制冷剂液体与制冷压缩机吸入口前低温的制冷剂蒸气进行热交换，达到节流前的制冷剂液体过冷、制冷压缩机吸气过热的目的,89,90,回热器内液体过冷放出的热量应等于蒸气过热吸收的热量，其热平衡关系为,（,3,25,）,即,亦可表示为,式中：,c,制冷剂液体的比热容，,kJ/kgK,；,c,p,制冷剂过热蒸气的定压比热容，,kJ/kgK,91,由于制冷剂液体的比热容始终大于制冷剂过热蒸气的比热容定压，即,c,c,p,因此,t,4,t,4,t,1,t,1,结论：在回热器内进行的气、液热交换过程中，蒸气温度的升高值始终大于液体温度的降低值。换句话说，经过回热器的热交换，制冷剂蒸气的过热度大于制冷剂液体的过冷度,回热循环制冷量及制冷系数的改变量，与有效过热循环一样,92,是否采用回热循环，除了考虑制冷系数及单位容积制冷量是否提高以外还应考虑下列一些因素：,采用回热后，使节流前制冷剂成为过冷状态，可以在节流过程中减少气化，使节流机构工作稳定,采用回热后，自蒸发器出来的气体流过回热器时压力有所降低，因而增大了压缩机的压比，引起压缩功的增大,究竟在什么情况下采用回热循环，要综合上述因素，进行具体分析,93,在实际应用中：,氟制冷循环适合使用回热器：因为氟制冷系统一般采用直接膨胀供液方式给蒸发器供液，为简化系统，一般不设气液分离装置。回热循环的过冷可使节流降压后的闪发性气体减少，从而使节流机构工作稳定、蒸发器的供液均匀,在低温制冷装置中也使用回热器。这样做是为了避免吸气温度过低致使制冷压缩机汽缸外壁结霜，润滑条件恶化，同时减少节流后的闪发性气体,对于制冷剂,R113,、,R114,和,RC318,等，由于其热力性质图的特殊性，制冷压缩机吸入饱和蒸气进行压缩时，其压缩过程线将进入两相区，为了保护制冷压缩机，宜采用过热或回热循环,在小型氟制冷冷库中，也可以采用将制冷压缩机的吸气管与节流阀前的供液管捆绑在一起的简易做法，同样起到了回热器的作用,94,4,、传热温差对制冷循环性能的影响,理论制冷循环中假设了在冷凝器、蒸发器中进行热交换时，被冷却对象、环境介质与制冷剂之间没有传热温差，即被冷却对象温度,t,C,等于制冷剂的蒸发温度,t,o,，环境介质温度,t,H,等于制冷剂的冷凝温度,t,k,通常,t,H,、,t,C,被称为热源温度，而,t,o,、,t,k,被称为制冷循环的工作温度,实际制冷循环中，制冷剂与热源之间必须存在一个传热温差。被冷却对象温度,t,C,必须大于制冷剂的蒸发温度,t,o,，环境介质温度,t,H,必须低于制冷剂的冷凝温度,t,k,95,这种传热温差的存在对实际制冷循环有很大影响，但是它并不影响我们理论制冷循环的热力计算用于实际制冷循环。因为在理论制冷循环的热力计算中我们所采用的计算温度已经是蒸发温度和冷凝温度，并末考虑被冷却对象的温度和环境介质温度。因此，在这一温差传热方面，前述理论制冷循环的热力计算不用再修正，就可以直接用于实际制冷循环的热力计算,传热温差的存在影响了制冷循环的效率，降低了制冷循环的制冷系数。使我们消耗同样的功率却制取不了同样的制冷量,96,例,3-6,某,R22,空调冷水机组总制冷量,=300kW,，制取的冷水温度,7,，冷却水温度,26,，制冷剂与热源传热温差分别取,2,和,7,，系统无过冷和过热，试分别计算两种温差情况下的制冷系数及其它参数。,97,98,制冷循环的工作温度及各点焓值如下,2,温差,7,温差（）,蒸发温度（）,5,0,h,1,（,kJ/kg,）,407.143,405.361,h,2,（,kJ/kg,）,423,426,h,3,=h,4,（,kJ/kg,）,231.583,231.583,v,1,（,m,3,/kg,）,0.0404,0.0471,99,计算结果如下,100,结论：,传热温差增大，在制取同样的制冷量时，制冷循环单位时间内的制冷剂流量将增加,传热温差增大，在制取同样的制冷量时，制冷循环需要的制冷压缩机的尺寸将增加,传热温差增大，在制取同样的制冷量时，制冷压缩机的耗功将增大,传热温差增大，制冷效率降低,101,5,、热交换及压力损失对制冷循环性能的影响,制冷剂在制冷设备和制冷管道中连续不断地流动，使制冷循环得以实现，形成制冷效应,制冷剂沿制冷设备和制冷管道流动，将产生摩擦阻力和局部阻力损失，同时制冷剂还将或多或少地与外部环境进行热交换,沿途的摩擦阻力和局部阻力损失、热交换对制冷循环有什么样的影响？,实际制冷循环中需要采取哪些对应措施？,102,吸入管道,吸入管道指蒸发器出口至压缩机吸入口的管道,吸入管道中的热交换和压力降直接影响到压缩机的吸入状态,压力降使得吸气比容增大、压缩机的压缩比增大、单位容积制冷量减少、压缩机输气系数降低、比功增大、制冷系数下降,103,排出管道,排气管道是指压缩机至冷凝器之间的管道,压缩机的排气温度一般均高于环境温度，向环境空气传热能减少冷凝器热负荷,管道中的压力降增加了压缩机的排气压力及比功，使得输气系数降低、制冷系数下降,104,液体管道,指冷凝器到膨胀阀之间的液体管道,热量通常由液体制冷剂传给周围空气，产生过冷效应，使制冷量增大,如果冷凝温度低于环境空气温度，则会导致部分液体汽化，使制冷量下降。管路中的压力降会引起部分液体汽化，导致制冷量的降低,引起管路中压力降的主要因素，并不在于流体与管壁之间的摩擦，而是在于液体流动高度的变化，因此希望由冷凝器的制冷剂液体带有一定的过冷度，避免因位差而出现汽化现象,105,两相管道,指膨胀阀到蒸发器之间的管道,热量的传递将使制冷量减少，管道中的压力降对性能没有影响,如果系统中采用液体分配器，管道中的阻力大小将影响到液体制冷剂分配的均匀性,106,蒸发器,如果假定不改变制冷剂出蒸发器时的状态，为了克服蒸发器中的流动阻力，必须提高制冷剂进蒸发器时的压力（温度），从而提高了蒸发过程中的平均蒸发温度，使传热温差减小，要求的传热面积增大，