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第3章蒸汽压缩式制冷3.1蒸气压缩式制冷循环(一)单级蒸气压缩式制冷循环1.朗肯循环2.劳伦茨循环3.跨临界循环(二)多级蒸气压缩式制冷循环(三)复叠式蒸气压缩式制冷循环1.朗肯循环3.1.1蒸气压缩制冷的典型循环空调、制冷、食品冷藏温度范围大量使用的循环基本朗肯循环有回热的朗肯循环图3-1基本朗肯循环循环T—S图:1—2压缩过程2—3冷却冷凝过程3—4节流过程4—1蒸发吸热过程朗肯循环图例TS1243图3-2有回热的朗肯循环T—S图:1‘—2压缩过程2—3冷凝过程3—3’液体过冷过程3'—4节流过程4—1蒸发过程1—1'吸气过热过程TS1’243’313.1.2劳伦茨循环朗肯循环的主要特征循环中的两个相变过程变成伴随有降温的定压凝结和伴随有升温的定压蒸发。有两个定压定温的相变过程与纯质制冷剂及共沸混合制冷剂的压力特性相适应。劳伦茨循环劳伦茨循环图例图3-3劳伦茨循环TS12433.1.3跨临界循环将CO2作为制冷剂用于空调制冷的温度范围时,由于CO2的临界温度低(仅30℃),排热将在超临界区进行。而吸热则在临界点以下进行,整个循环跨越临界点。定义图3-4CO2跨临界循环1—2压缩过程;2—3气体冷却过程;3—4气体冷却过程;4—5节流过程;5—6蒸发过程;0—1气体过热过程。TS12653043.2.1制冷系统的特点及工作过程压缩制冷剂蒸气,提高压力和温度放热,使高压高温制冷剂蒸气冷却、冷凝成高压常温的制冷剂液体得到低温低压制冷剂制冷剂液体吸热、蒸发、制冷3.2单级蒸气压缩式制冷的理论循环3.1.2单级蒸气压缩式制冷理论循环单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成:制冷压缩机冷凝器节流器蒸发器单级蒸气压缩式制冷循环,是指制冷剂在一次循环中只经过一次压缩,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。3.1.3单级蒸气压缩式制冷循环的工作过程制冷剂的变化过程(flash)一点:临界点C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液相区两相区气相区3.2.2制冷剂状态图3.2.3单级蒸气压缩式制冷的理论循环1.单级理论循环的假设条件:(1)压缩过程为等熵过程,即在压缩过程中不存在任何不可逆损失(2)在冷凝器和蒸发器中,制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度,蒸发温度等于被冷却介质的温度,且冷凝温度和蒸发温度都是定值(4)制冷剂在管道内流动时,没有流动阻力损失,忽略动能变化,除了蒸发器和冷凝器内的管子外,制冷剂与管外介质之间没有热交换(5)制冷剂在流过节流装置时,流速变化很小,可以忽略不计,且与外界环境没有热交换(3)离开蒸发器和进入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1)制冷系统的压缩过程2)制冷系统的冷凝过程3)制冷系统膨胀过程4)制冷系统蒸发过程3.2.3单级蒸气压缩式制冷理论循环2.理论循环过程在压焓图上的表示图3-7理论循环在T-s图(a)和lnp-h图(b)上的表示(1)单位制冷量q0压缩蒸气制冷循环单位制冷量可按式(3-13)计算。3.理论循环特性410hhq(2)单位容积制冷量qv14110vhhvqqv(3)理论比功w0对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说,理论比功可表示为120hhw单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随制冷剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的。(4)单位冷凝热qk单位(1kg)制冷剂蒸气在冷凝器中放出的热量,称为单位冷凝热。单位冷凝热包括显热和潜热两部分qhhhhhhk233424对于单级压缩式蒸气制冷机理论循环,存在着下列关系qqwk00(5)制冷系数0对于单级压缩蒸气制冷机理论循环,制冷系数为0001421qwhhhh制冷系数愈大经济性愈好冷凝温度越高制冷系数越小蒸发温度越低(6)热力完善度单级压缩蒸气制冷机理论循环的热力完善度按定义可表示为00412410TTThhhhc这里εc为在蒸发温度(T0)和压缩机排气温度(T2)之间工作的逆卡诺循环的制冷系数。热力完善度愈大,说明该循环接近可逆循环的程度愈大。例1-1假定循环为单级蒸气压缩式制冷的理论循环,蒸发温度t0=-10℃,冷凝温度tk=35℃,工质为R22,循环的制冷量Q0=55kW,试对该循环进行热力计算。例题解点1:t1=t0=10℃,p1=p0=0.3543MPa,h1=401.555kJ/kg,v1=0.0653m3/kg点3:t3=tk=35℃,p3=pk=1.3548MPa,h3=243.114kJ/kg,由图可知,h2=435.2kJ/kg,t2=57℃例题1)单位质量制冷量kg158.441kJ/243.114-401.555h-hh-hq31410310vkJ/m24260.0653158.441qqv2)单位容积制冷量kg/s347.0158.44155qQq00m3)质量流量4)理论比功w0=h2-h1=435.2-401.555=33.645kJ/kg5)压缩机消耗的理论功率P0=qmw0=0.347133.645=11.68kW7)冷凝器单位热负荷qk=h2-h3=435.2-243.114=192.086kJ/kg8)冷凝器热负荷Qk=qmqk=0.3471192.086=66.67kW6)制冷系数71.433.645158.441q0w3.3单级蒸气压缩式制冷实际循环3.3.1实际循环1)制冷压缩机的压缩过程不是等熵过程,且有摩擦损失。2)实际制冷循环中压缩机吸入的制冷剂往往是过热蒸气,节流前往往是过冷液体,即存在气体过热、液体过冷现象。3)热交换过程中,存在着传热温差,被冷却介质温度高于制冷剂的蒸发温度,环境冷却介质温度低于制冷剂冷凝温度。4)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。5)实际节流过程不完全是绝热的等焓过程,节流后的焓值有所增加。6)制冷系统中存在着不凝性气体。图3-9实际循环在T-s图(a)和lgp-h图(b)上的表示112(2)3456,,ppk0Lgph实际循环可表示为图中的1-1-2-3-4-5-6-11-1表示蒸气的过热过程1-2表示实际增熵压缩过程2-3-4表示制冷剂在冷凝压力pk下的等压冷却、冷凝过程4-5表示制冷剂在冷凝压力下的过冷过程5-6表示制冷剂在等焓下的节流过程6-1表示制冷剂在蒸发压力p0下的等压汽化过程简化后的实际循环图3-10简化后的实际循环在lgp-h图上的表示3.3.2实际因素对理想循环性能的影响在实用上,根据实际条件对循环往往要作一些改进,以便提高循环的热力完善度。在单级制冷机循环中,这一改进主要有液体过冷、吸气过热及由此而产生的回热循环。将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温度的状态,称为过冷。1.液体过冷带有过冷的循环,叫做过冷循环。采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数都是有利的。图3-11过冷循环在T-s图(a)和lgp-h图(b)上的表示qhhhh05544与无过冷的循环1-2-3-4-5-1相比,过冷循环的单位制冷量的增加量为因两个循环的理论比功w0相同,过冷循环的制冷系数比无过冷循环的制冷系数要大。hhhhhhcthh1444210212.吸入蒸气的过热压缩机吸入前的制冷剂蒸气的温度高于吸气压力下制冷剂的饱和温度时,称为过热。具有吸气过热的循环,称为过热循环。图3-13过热循环在T-s图(a)和lgp-h图(b)上的表示110hhq')hh()hh(w''12120有效过热循环的制冷系数可表示为00000wwqqwq'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00w图3-15有效过热的过热度对制冷系数的影响hhhh4411若不计回热器与环境空气之间的热交换,则液体过冷的热量等于使蒸气过热的热量,其热平衡关系为3.回热循环利用回把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。图3-16回热循环在T-s图(a)和lgp-h图(b)上的表示cttcttkp4010ttccttkp4010回热循环的性能指标如下:单位制冷量41410hhhh'q单位容积制冷量'vv'q'q10单位功12hh'w制冷系数12410hhhh'w'q'与无回热循环1-2-3-4-5-1相比较,回热循环的单位制冷量增大了Rptchhhhq011440Rptcq'q000循环的单位功可近似地表示成000101TtwTTw'wR但单位功也增大了)hh()hh(w'ww121200单位容积制冷量和制冷系数可表示成000010010111TttqcqTtvtcqv'q'qRRpvRRp'v00000000111TttqcTtwqq'RRpR11000cqttTpRR即cTqp000如果要使回热循环的单位容积制冷量及制冷系数比无回热循环高,其条件应是3.其它影响热交换及压力损失对制冷循环的影响不凝性气体对制冷循环的影响冷凝、蒸发过程传热温差对循环性能的影响我国活塞式制冷压缩机标准GB10875--89中规定了不同制冷机使用温度在高温、中温和低温的不同温度范围。3.3.4单级蒸气压缩式制冷变工况特性1.制冷工况压缩机的制冷量和轴功率等参数随工况条件变化,为了衡量、比较压缩机性能,制定公认的温度条件(名义工况),作为压缩机制冷量选用和比较的标准。铭牌上标示的制冷量和功率一般是在标准工况下的值,如为空调专用,则为空调工况。名义工况(旧)标准工况空调工况名义工况(新)高温工况中温工况低温工况最大压差工况:用来考核压缩机零件强度、排气温度、油温、电机绕组温度。最大轴功率工况:用来考核压缩机噪声、振动,并依此选配电动机。工况种类工作温度/℃制冷剂工况种类工作温度/℃制冷剂R717R12R22R717R12R22标准工况冷凝温度tk303030最大压差工况冷凝温度tk405040蒸发温度t0151515蒸发温度t02030(8)30过冷温度tsc252525过冷温度tsc405040吸气温度tsh101515吸气温度tsh150(15)15空调工况冷凝温度tk404040最大功率工况冷凝温度tk405040蒸发温度t0555蒸发温度t05(0)105过冷温度tsc353535过冷温度tsc405040吸气温度tsh101515吸气温度tsh10(5)1515我国常用制冷机工况(通常适用于开启式)注:括号内的数字相当于最大压差≤980kPa或最高蒸发温度为0℃的压缩机工况。类别工况序号蒸发温度/℃冷凝温度/℃吸气温度/℃液体温度/℃机组型式高温1(1A)7(7.2)55(54.4)18(18.3)50(46.1)所有型式27431838中温3(3A)7(6.7)49(48.9)18(4.4)44(48.9)所有型式(全封闭)(3B)(18.3)(半封闭)(开启式)47431838所有型式低温Ⅰ5(5A)23(23.3)55(54.4)32(32.2)32(32.2)全封闭6(6A)49(48.9)5(4.4)44(48.9)所有型式72343538低温Ⅱ8(8A)4035(40.6)10(4.4)30(40.6)所有型式(全
本文标题:蒸汽压缩式制冷
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