第三章制冷循环.

第三章.单级蒸汽压缩制冷循环王保东教学群39004043313383718559QQ:9840675073.1.1单级蒸气压缩理论（想）循环•条件：系统循环时没有压力损失，压机压缩过程是等熵压缩。•循环3.1.2压焓图及温熵图•1.设计压焓图的原因•2.压焓图的结构：纵坐标LgP(绝压）横坐标：焓；一点；二线；四区；六态；六线族(等压，等焓，等干度，等熵，等比体积线）温熵图•结构：纵坐标T；横坐标S；•一点；二线；四区（超临界区）；•六态；•六线族(等压，等焓，等干度，等熵，等比体积线）。3.1.3蒸气压缩制冷理想循环在P-h图上表示•制冷剂在各部件中变化(6条假设）1、压机前饱和蒸汽2、节流前饱和液体3、压机内等熵压缩4、节流前后焓相等5、冷凝器---等压冷却（放热量）Qk蒸发器---等压蒸发（吸热量）Q0tk=t冷却介质，to=t被冷却介质6、连接管道没有流动损失和换热3.1.4单级蒸汽压缩制冷压缩理论循环的热力计算•计算依据：热力学第一定律开口系统能量方程式：Q=ΔH+Wt+mgΔh+0.5m(v22-v12)•Q:单位时间加给系统的热量；Wt系统内部做的功率•略去动能和位能：Q=ΔH+WtQ+P=qm(hout-hin)KW(-Wt=P)•P:单位时间加给系统的功率•符号规定：指向系统为正，反之为负Q+P=qm(hout-hin)KW•1.节流装置，特点：绝热节流。•Q=0P=0qm≠0h4=h3节流前后焓相等。压力降低，工质状态发生变化。•节流前高压下的饱和或过冷液体，节流后是低压下的湿蒸汽qm：质量流量；X:两相混合物干度•h4=h3=xhg0+(1-x)hf0•X=(h4-hf0)/(hg0-hf0)hf0：P0对应下饱和液体比焓值hg0：P0对应下饱和气体比焓值Q+P=qm(hout-hin)KW•2.压缩机：特点：等熵压缩；耗功P•Q=0理论功率P0=qm(h2-h1)KW•P0/qm=w0=h2-h1w0----单位耗功量(理论比功）KJ/KG•3.蒸发器：特点：在蒸发器中等压吸热为正；无功交换P=0；焓有变化•Q0=qm(h1-h4)制冷量KW4—进口参数1---出口参数•q0=Q0/qm=h1-h4-------•q0单位制冷量KJ/KGQ0=qm(hout-hin)•影响制冷量的因素：qm----kg/s压机排量；压差（温差）；工质性质.h2-h1-----工质•质量流量qm与体积流量qV1（m3/s）的关系:•qV1=qmv1m3/sv1—压机进口工质比容积•Q0=qV1(h1-h4)/v1qV1------体积流量；只与压机有关(h1-h4)/v1=qv---单位体积制冷量KJ/m3q0=h1-h4单位制冷量KJ/KGw0=h2-h1w0----单位耗功量(理论比功）物理解释q0qvqmqV1Q+p=qm(hout-hin)KW•4.冷凝器：特点：制冷剂等压放热，P=0•Qk：冷凝器热负荷•Qk=qm(h3-h2)0放热,取正值Qk=qm(h2-h3)•qk=Qk/qm=(h2-h3)-------冷凝器单位热负荷•5.制冷系数ε=Q0/P=q0/w0=(h1-h4)/(h2-h1)•物理解释q0qvqmqV1qk•制冷量Q0；理论功率P0KW•w0--单位耗功量(理论比功）KJ/KG•Qk=Q0+P0qk=q0+w0•6.热力完善度：系统的不可逆的程度•可逆循环εc=to/(tk-to)•注意事项：a:注意单位制；b:h,s表和图计算起点不同（见教材第60页）•1Btu就是将1磅水的温度升高1华氏度所需要的热量Btu是英热单位（英制）•单位换算；1Btu=252cal=1kJ1kcal=4.186KJc3.2单级蒸气压缩的实际循环实际循环和理论循环的比较：1）离开蒸发器和进入压缩机的往往是过热蒸气。2）离开冷凝器和进入节流装置的往往是过冷液体。3）压缩机的压缩过程不是等熵过程。4）节流过程不完全绝热，节流后比焓值有所增加。5）tkt冷却介质（环境空气或水）,tot被冷却介质（用户的需求）6)管道和设备内有流动阻力损失并与外界换热。3.2单级蒸气压缩的实际循环•3.2.1冷凝器出口液体过冷温度对循环的影响.•过冷度t3-t3`•A)过冷影响•q0=h1-h4•q0`=h1-h4`•q0`q0；•ε=q0/w0=Q0/P(3-7)59页•ε0`ε0•结论：过冷度增加，•制冷系数增加。*t3`受环境温度和水温的限制•q0=Q0/qmQ0不变，•过冷则q0增加，qm降低，qv1降低，可选小容积的压缩机。•B)如何增加过冷度1.增加冷凝器换热面积2.选冷却介质3.选流动方式4.加过冷器(增加投资和运行费用，经济上是否有利？）5.尽量用地下水6注意冷凝后的散热问题7采用回热方式*3.2.2压机进口蒸气过热对循环性能的影响过热度---压机进口温度与进口压力饱和温度之差•压机进口•温度t1·↑,•出口t2`↑•耗功↑•过热区等熵•线越右越缓h2‘-h1‘h2-h1•一、“无效”过热：1.单位制冷量q0没有变化，压机理论比功w0增加，制冷系数ε=q0/w0降低2.制冷量Q0不变，则质量流量qm不变，压机进口温度升高，蒸气比体积增大，体积流量qV1就增大，则需要更大容积的压缩机.3.压机排气温度也会升高，冷凝器单位热负荷加大。3.2.2压机进口蒸气过热对循环性能的影响过热对参数的影响•1.压机进口温度t1·↑,出口t2`↑----据等熵过程方程•2.压机进口温度t1·↑，耗功↑---等熵耗功公式•3.单位制冷量qo↑(有效过热）•4.冷凝器热负荷qk↑•5.由3和2可知，制冷系数不定•ε=q0/w0=Q0/P(3-7)59页kkkPPRTkkW10111K1-K1212PPTT*6.压机进口温度t1`↑,比容积v1`↑,单位体积制冷量qv=(h1`-h4)/v1`不能确定ε和qv的增减由下列情况确定A；过热没有产生制冷效果，1-1·向环境放热，称无效过热，ε和qv↓，应保温。B：1-1·过热产生有效制冷作用---有效过热qv=(h1`-h4)↑/v1`↑---不能确定，与工质性质有关*•制冷系数ε=q0↑/w0↑,也与工质的性质有关，如图过热度的选择•有些工质过热度可选大一些如R502（可允许30-50℃）.R12，CO2。但要注意压机出口温度。•有些工质过热度可选小一些，要注意液击•氨一般选5℃3.2.3气液热交换（回热循环）对循环的影响•目的：提高压机进口温度，•防止液击，增•加制冷量，减•少无效过热。•结构3.2.3气液热交换对循环的影响•12341---理想循环•1·2·3·4·1—回热循环•h3-h3`=h4-h4`=h1-h1`•q0↑;w0↑;制冷系数与工质性质有关•回热意义：1.提高压机进口温度，防润滑油低温失效（低温制冷装置）；2.防液击；•3.过冷使节流后的闪发气体减少，节流阀工作稳定，蒸发器供液均匀。*•2.当有些工质X=1线向左时；回热更重要，如图回热器流动特征：•1.热量交换形式都是显热•2.热量平衡（忽略外界换热•C（t3-t3`）=cp（t1`-t1）C--液体的比定压热容Cp--蒸气的比定压热容•由于CCp•（t3-t3`）（t1`-t1）•蒸气的温升大于液体的温升，液体温度不会低到t0•(t3-t1`)(t3`-t1)•越靠近液体进口，传热温差就越小。3.2.4管道，部件、热交换及压损对循环性能的影响•理想循环不考虑管道的影响，实际有一定的影响。（传热和压损；部件的压损）•1.吸入管道，蒸发器出口—压机进口•a:管道换热问题。无效换热-----保温•b:压力损失问题，进口P↓v↑qv↓w0↑ε↓--------增大管径，减小流速----耗材问题，回油问题、回气速度10～15m/s合适。•吸气管道上少装阀门，弯头等阻力部件。2.压机排气管道•位置：压机出口---冷凝器进口•换热问题----可使冷凝器换热面积↓，过冷度↑，ε↑,不能保温.•压力损失问题---抬高压机出口压力，w0↑•因为ε=q0/w0，所以ε↓.•综合：根据具体情况确定对制冷循环的影响。3.冷凝器到膨胀阀之间的管道（液体管道）•换热---a：冷凝出口大于环温，过冷度↑，对循环有利；b：冷凝出口小于环温，过冷度↓，对循环不利。•压损问题：压力下降，制冷剂液体饱和温度下降，过冷度↓，对循环不利。当过冷度=0时或不大时，P↓，液体汽化-影响膨胀。•液体高度变化会影响压力变化，要注意冷凝器和节流阀的相对位置，避免位差引起汽化。4.膨胀阀到蒸发器之间的管道（两相管道）传热问题：管道在库外----无效换热管道在库内----有效换热压损问题：节流阀是降压机构，压损不影响循环的性能系数分配器----使各管流量•分配均匀，在膨胀阀•与蒸发器之间各支路压降不均有影响5.部件：蒸发器1.若蒸发器出口状态不变(紫红线），为克服阻力，需提高进口压力，引起平均蒸发温度提高，传热温差减小，传热面积要增大Q=KAΔt•2.进口状态不变（绿色线），传热温差↑，温度↓，压力↓，v1↑，qv↓,ε↓(m3/kg)•3.中间状态不变（黑色线），传热温差不变，出口压力↓，v1↑,qv↓,w0↑，ε↓•*6.冷凝器•压损影响：a;冷凝器出口状态不变（红线），压损能抬高压机出口压力，使w0↑,但传热温差↑，Qk↑,Q0不变，ε↓.•b;冷凝器进口状态不变（绿线），出口P、t↓、降低传热温差。Qk↓、W0不变、Q0↓ε↓•压力降，饱和温度降，过冷度降•7.部件、压缩机•理想情况，等熵压缩•实际情况，管壁换热，压缩过程非绝热，多变过程。进排气门节流，活塞和缸壁之间会产生泄露，余隙容积的影响，使输气量减少，制冷量下降，消耗功率增大。•A;输气量的变化•理论输气量qVh=nzs3.14D2/4----体积流量n---转速转/分D---缸径米S---行程米Z----缸数*•实际输气量qvs---由于各种原因（汽缸密封，进排气门密封，余隙容积等原因）小于理论输气量输气系数λ=qVs/qVh•实际：qV1=qVs＜qVh理想：qV1=qVs=qVh•制冷量=qVqVs=qvλqVh=qmv1λqVhB;功的变化(压机压缩气体所消耗的功，称指示功理论比功w0指示比功wi实际消耗比功wswel等熵的实际压缩气体包含摩擦和辅助设备包含电机发热*•理论比功w0指示比功wi实际消耗比功wswel•指示效率ηi=w0/wi•机械效率ηm=wi/ws•电机效率ηmo=ws/wel•Wel=w0/ηmoηmηi=w0/ηkηmo=w0/ηelηk----轴效率ηel---电效率EER--能效比实际制冷系数又称性能系数，用COP表示；对于开启压机cop=EER=q0/(w0/ηk)=ε0ηk对于全封压机cop=EER=q0/(w0/ηel)=ε0ηel8:不凝性气体对循环性能的影响•不凝性气体---在冷凝器中的压力和温度下不会凝结的气体总称，如N2,O2,H2,低沸点工质R170、R13等。•不凝性气体的危害：不能通过液体传递，减少冷凝面积，PK上升，排气压力上升，理论比功增加，制冷系数减小。•来源•A；抽真空时不彻底•B；低压部分泄漏•C；混有低温制冷剂D；工质高温分解9:蒸发过程传热温差的影响•传热温差越大，蒸发温度越低，制冷系数越小。•传热温差越小，传热面积大，成本高Q=KAΔt。3.2.5单级蒸汽压缩实际制冷循环在P-h图上的表示3.2.5单级蒸汽压缩实际制冷循环的计算简化•1）节流过程为绝热等焓。•2）冷凝和蒸发过程为等压。•3）在各设备连接管道中没有流动损失，•与外界不发生热量交换。3.3单级蒸气压缩制冷机的性能及工况•3.3.1；性能------性能系数•制冷系数ε；COP，EER.•理想情况，对给定压机理论排量qVh不变，•制冷量Q0=qVhqvKWqv----单位容积制冷量KJ/m3•压机耗功P0=qm(h2-h1)•=(h2-h1)qVh/v1=qVhworw