制冷原理与技术

制冷原理与技术（一）简单单级蒸气压缩式制冷的理论循环计算单级理论循环是建立在以下一些假设的基础上的：（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制冷原理与技术（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制冷原理与技术这里，把自外界传入的功作为负值。对上式积分可以得到整个过程的表达式：whq（2-2）按照式（2-1）和式（2-2），单级压缩蒸气制冷机循环的各个过程有如下关系：q0称为单位制冷量，习惯上取为正值，在T-s图上用面积1-5-b-a-1代表，而在lgp-h图上则用线段5-1表示。制冷原理与技术(2)冷凝过程：dw=0dq=dhqk=h2-h4（2-4）(3)节流过程：w=0q=0Δh=0h4=h5（2-5）（1）压缩过程:dq=0,因而dw=dhw=h2-h1（2-3）（4）蒸发过程：dw=0因而dq=dhq0=h1-h5=h1-h4（2-6）制冷原理与技术(1)单位制冷量q0压缩蒸气制冷循环单位制冷量可按式（2-6）计算。单位制冷量也可以表示成汽化潜热r0和节流后的干度x5的关系：为了说明单级压缩蒸气制冷机理论循环的性能，采用下列一些性能指标，这些性能指标均可通过循环各点的状态参数计算出来。)x(rq5001(2-7)由式（3-7）可知，制冷剂的汽化潜热越大，或节流所形成的蒸气越少（x5越小）则循环的单位制冷量就越大。制冷原理与技术(2)单位容积制冷量qv14110vhhvqqv(2-8)(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(2-9)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。制冷原理与技术(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qhhhhhhk233424(2-10)比较式（2-6）、（2-9）和（2-10）可以看出，对于单级压缩式蒸气制冷机理论循环，存在着下列关系(2-11)qqwk00制冷原理与技术(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(2-12)0001421qwhhhh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制冷原理与技术(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(2-13)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。制冷原理与技术（二）液体过冷、气体过热及回热对理想循环性能的影响上面所述的循环，是单级压缩蒸气制冷机的基本循环，也是最简单的循环。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。制冷原理与技术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制冷原理与技术图2-17过冷循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示qhhhh05544(2-14)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制冷原理与技术在图2-17（a）中，q0以面积5‘-5-b-c表示，在图2-17（b）中，q0以线段5’-5表示。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。hhhhhhcthh144421021(2-15)制冷原理与技术2.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2-18示出了过热循环1-1‘-2’-3-4-5-1的T-s图和lgp-h图。图中1-1‘是吸气的过热过程，其余与基本循环相同。制冷原理与技术图2-18过热循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示110hhq'(2-16)制冷原理与技术)hh()hh(w''12120(2-17)有效过热循环的制冷系数可表示为00000wwqqwq'(2-18)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（2-17），得00w（2-19）制冷原理与技术hhhh4411(2-20)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。制冷原理与技术图2-21回热循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示cttcttkp4010（2-21）制冷原理与技术由式（2-21）可以求出ttccttkp4010（2-22）回热循环的性能指标如下：单位制冷量41410hhhh'q（2-23）单位容积制冷量'vv'q'q10（2-24）制冷原理与技术单位功12hh'w制冷系数12410hhhh'w'q'（2-26）由图（2-21）可知，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Rptchhhhq011440（2-27）（2-25）制冷原理与技术Rptcq'q000循环的单位功可近似地表示成000101TtwTTw'wR（2-29）但单位功也增大了)hh()hh(w'ww121200（2-28）制冷原理与技术单位容积制冷量和制冷系数可表示成000010010111TttqcqTtvtcqv'q'qRRpvRRp'v（2-30）00000000111TttqcTtwqq'RRpR(2-31)制冷原理与技术11000cqttTpRR即cTqp000（2-32）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，其条件应是制冷原理与技术（三）单级蒸气压缩式制冷实际循环计算实际循环和理论循环有许多不同之处，除了压缩机中的工作过程以外，主要还有下列一些差别：1．流动过程有压力损失。2．制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热交换。3．热交换器中存在温差。制冷原理与技术图2-22实际循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示制冷原理与技术图2-23简化后的实际循环在lgp-h图上的表示制冷原理与技术下面是按照这样简化后的循环的性能指标的表达式，各下标对应于图2-23所示的状态点。1201041510hhwvqqhhhhqsv（2-33）这些同理论循环的计算完全一致。1．单位制冷量、单位容积制冷量及单位理论功制冷原理与技术2．单位冷凝热qhhk24（2-34）上式中点2状态的焓值用下式计算1122)(hhhhis（2-35）式中i为压缩机的指示效率，它被定义为等熵压缩过程耗功量与实际压缩过程耗功量之比。制冷原理与技术3．制冷剂的循环流量00qQqm式中Q0为制冷量，通常由设计任务给出。（2-36）4．压缩机的理论功率和指示功率分别为00wqNmiiNN0（2-37）（2-38）制冷原理与技术5．实际制冷系数)/(0eisNQ（2-39）6．冷凝器的热负荷kmkqqQ（2-40）式中e为压缩机的机械效率。制冷原理与技术（四）两级压缩制冷循环计算在图2-5~图2-9所示的二级压缩制冷循环中，制取冷量的都是低压部分的蒸发过程，其单位制冷量：q0=h1-h4低压压缩机的单位理论功：wd=h2-h1当制冷机的冷负荷为Q0时，低压级制冷剂循环量：ooqQ=41hhQo(2-41)制冷原理与技术从而可算出低压压缩机消耗的理论功率：（2-42）dmdwq4112hhhhoQPtd=对于中间完全冷却的两级循环：qmgh9+qmdh2=qmgh3+qmdh4qmg=qmd(h2-h4)/(h3-h9)（2-43）制冷原理与技术高压压缩机的单位理论功为wg=h7-h3由此可得高压压缩机的理论功率：Ptg=gmgwq=)(37934241hhhhhhhhQo(2-44)根据制冷系数的定义，两级压缩制冷循环的理论制冷系数为dmdgmgowqwqQ（2-45）制冷原理与技术)(3793421241hhhhhhhhhh（2-46）对于中间不完全冷却的两级循环，根据中间冷却器的热平衡关系qmgh9=（qmg-qmd）h3+qmdh4可得到流经高压级压缩机的制冷剂流量：qmg=qmd(h3-h4)/(h3-h9)(2-47)高压压缩机的单位理论功为wg=h7-h6制冷原理与技术qmgh6=(qmg–qmd)h3+qmdh2h6=mgmdmgqhhqhq)(323=)(3243423hhhhhhh（2-48）高压压缩机消耗的理论功率：Ptg=qmgwg=)(67934341hhhhhhhhQo（2-49）中间不完全冷却的两级循环的理论制冷系数为)()(6793431241hhhhhhhhhh（2-50）制冷原理与技术于前述两级节流、具有中温蒸发器的中间完全冷却两级压缩制冷循环进行高压级压缩机制冷剂流量计算时，应该加上流经中温蒸发器的制冷剂流量qmm。qmm=43hhQm式中,Qm为中温蒸发器的制冷量。对于这一制冷系统，流经高压级压缩机的制冷剂流量和低压级压缩机的制冷剂流量之间有下列关系qmg=qmd+qmm制冷原理与技术根据中间冷却器的热平衡关系可求得高压压缩机和低压压缩机的制冷剂流量比循环理论制冷系数为)()()()(12374341hhqhhqhhqhhqmdmgmmmd（2-52）qmdh2+qmgh9+qmmh3)()(93439342hhhhqqhhhhqqmdmmmdmg（2-51）=qmdh4+qmgh3+qmmh4制冷原理与技术压缩机实际过程的排气焓值为idshhhh1212（2-53）高压压缩机实际过程的排气焓值（中间完全冷却）为igshhhh3737（2-54）制冷原理与技术一些文献曾给出了确定中间压力（或中间温度）的经验公式或图线。下面列举几个推荐应用的公式：按压力的比例中项确定中间压力komppp(2-55)式中Pm,Po和Pk分别为中间压力、蒸发压力和冷凝压力,单位MPa。制冷原理与技术按式求出的中间压力和制冷循环的最佳中间压力有一定的偏差。但公式很简单，可用于初步估算。按温度的比例中项确定中间压力komTTT(2-56)式中Tm,To和Tk分别为中间温度，蒸发温度和冷凝温度,单位均为K。制冷原理与技术用经验公式直接计算最佳中间压力对于两级氨制冷循环，拉赛(A.Rasi)提出了较为简单的最佳中间温度计算式：tm=0.4tk+0.6to+3(2-57)式中，tm,tk和to分别表示中间温度，冷凝温度和蒸发温度，单位均为℃。上式不只适用于氨，在－40～40℃温度范围内，对于R12也能得到满意的结果。制冷原理与技术图2-24最佳中间温度的确定制冷原理与技术（五）复叠式制冷循环计算复叠式制冷循环是由单级或两级压缩制冷循环组成的，在制冷