第三章 蒸气压缩制冷循环

第三章蒸气压缩制冷循环3.0预备知识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。上述四个过程中，①是制冷剂从低温热源吸收热量的过程；③是制冷剂向高温热源排放热量的过程；②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（vaporcompressionrefrigerationcycle）QoW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（refrigerantcompressor），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QoQkW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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（saturationpressure）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，expansionvalve，throttlevalve），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。QoQkWQoQk压缩机节流阀冷凝器蒸发器WQoQkCompressorExpansionValveCondenserEvaporatorW高压、过热蒸气低压、气液两相高压、饱和液体低压、低温蒸气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po、温度to下沸腾，to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pk，然后送往冷凝器，在pk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pk相对应的冷凝温度tk,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pk降到po，少部分液体气化，极大部分剩余液体的温度降至to，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（IdealSingle-StageCycle）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1、理论制冷循环的假定条件压缩过程为等熵过程（Isentropicprocess），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（Isobaricprocess），没有传热温差。即制冷剂的冷凝温度（Condensingtemperature）等于环境介质（空气或水）温度；制冷剂的蒸发温度（Evaporatingtemperature）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（Isenthalpicprocess）2、理论制冷循环在温-熵图和压-焓图上的表示图2-4布雷顿热泵流程电动机压缩机节流阀蒸发器冷凝器5x＝1ToTKx＝021S34T压缩节流蒸发冷凝冷却统称为“冷凝”2PKh1x＝15Po34lgPx＝0压缩过程CompressionProcess节流过程ThrottleProcess蒸发过程EvaporationProcess冷凝过程CondensationProcess点1表示制冷剂进入压缩机的状态它是对应于蒸发温度to下的饱和蒸气，该点位于等压线po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1—2表示制冷剂蒸气在压缩机中的等熵压缩过程（s1=s2），由蒸发压力po压缩到冷凝压力pk，因此点2可由通过点1的等熵线和压力为pk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（Dischargetemperature）点4表示制冷剂出冷凝器的状态，它是与冷凝压力pk所对应的饱和液体，过程线2—3—4表示制冷剂在冷凝器内冷却（2—3）和冷凝（3—4）过程。由于整个冷凝过程的压力不变，因此，压力为pk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4—5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pk降到po，温度也由tk降到to，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po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4—5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过程线5—1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tk、pkto、pos=常数p=常数h=常数p=常数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。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）inouthhmPQ（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；hout、hin——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。m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0QinouthhmPoowmhhmP12（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：Po——理论功率（Ideapower），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（Massflowrate），kg/s，表示单位时间内循环的制冷剂的流量wo——理论比功（单位压缩功，Compressworkpermass），kJ/kg，表示制冷压缩机每输送1kg制冷剂蒸气所消耗的功。m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Po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po→高压pk•制冷剂蒸气从低温t1→高温t2（依制冷剂不同而不同）•压缩过程是一个等熵过程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Qk，但与外界没有功率交换。因此0PinoutkhhmQkkqmhhmhhmQ4224（3－3）式中：Qk——冷凝热（Condenserheat），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）qk——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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t2→冷凝温度tk=t3=t4（一般为常温）•冷凝过程定压且为高压pk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0Q0P0inouthhm54hh（3－4）上式可写成式（3－4）表明节流前后焓值不变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pk→低压po•制冷剂液体从冷凝温度tk→蒸发温度to•节流过程绝热而且焓值不变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Qo，与外界没有功率交换。因此0PinoutohhmQooqmhhmQ51（3－5）式中：Qo——制冷量（Refrigeratingcapacity），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qo——单位质量制冷量（Refrigeratingcapacityperweighing），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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po•蒸发过程定温且为低温to=t5=t1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kooQPQkooqwq（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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（Cofficientofperformance），用εo表示ooooowqPQ（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单位制