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1、,蒸气压缩式制冷循环原理,第一节 逆向可逆循环,正向循环 动力循环,逆向循环 制冷循环,可逆循环：是一种理想循环，它不考虑工质在流动和状态变化过程中的各种损失。不可逆循环：在工质循环过程中考虑了上述各种损失。,不可逆损失主要是指制冷剂在流动和状态变化时因内部摩擦、不平衡等因素引起的内部不可逆损失，以及冷凝器、蒸发器等换热器存在传热温差的外部不可逆损失。,一、逆卡诺循环,实现逆卡诺循环必须具备的条件：（1）高、低温热源温度恒定；（2）工质在冷凝器和蒸发器中与外界热源之间无传热温差；（3）工质流经各个设备时无内部不可逆损失；（4）作为实现逆卡诺循环的必要设备是压缩机、冷凝器、膨胀机和蒸发器。,逆卡
2、诺循环示意图,绝热压缩,等温冷凝,绝热膨胀,等温蒸发,逆卡诺循环的热量和功量,在每个制冷循环中，1kg的制冷剂：,从低温热源吸热q0=T0(SaSb)面积4ab14,向低温热源放热qk=Tk(SaSb)面积3ab23,压缩机的净功wc=qkq0 =(TkT0)(SaSb)面积12341,绝热压缩过程外界输入功w面积123041,绝热膨胀过程膨胀机输出功we面积3043,外界输给压缩机的净功wcw we面积12341,两者相等,q0,qk,wc,0,we,衡量制冷循环经济性能的指标： 制冷系数（COP）,制冷系数仅与高、低温热源的温度有关，而与制冷剂的热物理性能无关。,通过对c分别求T0和Tk的
3、偏导数，可以得知T0和Tk对c的影响是不等价的，并且T0的影响大于Tk 。,冷凝器和蒸发器的传热温差分别Tk和T0时,表明具有传热温差的不可逆循环的制冷系数，总小于相同冷热源温度时的逆卡诺循环制冷系数，而且随传热温差T0和Tk的增大而降低。蒸发器传热温差T0对制冷系数的影响大于冷凝器传热温差Tk 。,相同冷热源温度时，实际循环和逆卡诺循环制冷系数的比值，可用来表示实际循环的热力完善度。,高、低温热源温度和传热温差对制冷系数和热力完善度的影响,二、变温热源的逆向循环,单一物质制冷剂无法实现变温逆向循环，非共沸混合制冷剂可以实现。,三、热泵的应用,逆向循环可以用来制冷，也可以用来供热，或者冷、热同
4、时使用。用来制冷的逆向循环装置，称为制冷装置；用来供热时则称为热泵装置。供热系数：,例：,有一台冷暖两用的热泵型空调器，假设其按照逆卡诺循环运行，压缩机的净功率是1030W，夏季的制冷量为3200W，问制冷系数为多少？在冬季运行时，制热量和供热系数各为多少？3.11qk=4230W，c=4.11,第二节 理论制冷循环,三种制冷循环过程在T-S图上的表示,逆卡诺循环12341具有温差的逆卡诺循环1”2”34”1”理论制冷循环12341,理论制冷循环与逆卡诺循环（理想制冷循环）的区别：1在冷凝器和蒸发器中，制冷剂按等压过程循环，而且具有传热温差；2制冷剂用膨胀阀绝热节流，而非膨胀机绝热膨胀；3压缩
5、机吸入饱和蒸气，而不是湿蒸气。,一、用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失,为什么要用膨胀阀代替膨胀机？代替之后有什么影响呢？,损失膨胀功we=h3h4面积34”03,减少制冷量q01=h4h4”面积4”4bc4”,因为绝热节流过程前、后焓值不变，即h3 = h4 所以 we = q01 这表明制冷剂在绝热膨胀中的作功能力全部用来克服绝热节流过程中的各种阻力损失，而这些损失最终转化为热量，被流过膨胀阀的制冷剂吸收，使部分制冷剂汽化，增加了干度，降低了湿蒸气中的液体含量，减少了其制冷能力，此损失称为制冷剂通过膨胀阀的节流损失。,影响节流损失大小的因素（TkT0）取决于制冷循环工况饱和液体线的斜率取决于液
6、态制冷剂的物性比热制冷剂节流后的干度取决于其潜热用膨胀阀代替膨胀机后，增加了we，损失了q01，这使制冷系数和热力完善度下降。,二、用干压缩代替湿压缩后的饱和损失,为什么要用干压缩代替湿压缩在制冷压缩机的实际运行中，若气缸吸入湿蒸气，会引起液击现象，损坏压缩机的阀片和其他零部件。过量的液体制冷剂进入高温的气缸后，会发生强烈的热交换而迅速汽化，占有气缸容积，使吸气量减少，制冷量下降。,干压缩代替湿压缩后的影响,增加制冷量q02=h1h1”面积1”1ad1,增加耗功量wb面积122”1”1,饱和损失面积522”5,第三节 液体过冷和吸气过热对制冷循环的影响,一、液体过冷对制冷循环的影响,T3称为过
7、冷温度；（Tk T3）称为过冷度；增加制冷量q03，其随T3的降低而增加；压缩机耗功量不变；制冷系数增加。,二、吸气过热对制冷循环的影响,T1称为吸气过热温度；（T1T0）称为过热度；增加制冷量q04；增加压缩机耗功量w；制冷系数是否提高取决于是否 。,有效过热：在蒸发器中发生，其增加的制冷量为有效制冷量；有害过热：在压缩机吸气管中因吸收环境空气中的热量而产生的吸气过热，其必使制冷系数下降；因此压缩机的吸气管应具有良好的隔热措施，尽量减少制冷剂的有害过热。,吸气过热度增加，排气温度也随之上升，这将使润滑油的粘度变稀，影响摩擦件的润滑，损坏机件，并使润滑油炭化，阀片表面积炭，影响阀片的启闭和压缩
8、机的正常运行。因此，吸气过热即使对制冷系数有利的制冷剂，它的过热度也应控制在一定范围之内。,适当增加吸气过热度能使润滑油较顺利地返回压缩机，并能进一步防止在气缸中发生液击现象。因此，即使对于吸气过热会降低制冷系数的制冷剂，仍然应保持一定的过热度。,对于增大吸气过热度会使制冷系数下降的制冷剂，其过热度应控制在较小范围之内，如氨一般控制在35；对于增大吸气过热度能提高制冷系数的制冷剂，其过热度范围可以大一些，如R12等一般控制在1040之内。,三、回热制冷循环,制冷剂液体过冷和吸气过热，是利用流出蒸发器的低温饱和蒸气与流出冷凝器的饱和液体通过热交换器的传热过程而产生的。,回热循环特别适用于增加吸气
9、过热度能提高其循环制冷系数、以及绝热指数较小，绝热压缩后排气温度较低的制冷剂，如R12（K = 1.136）、R22、R502。对氨（K = 1.310）、R11等，因为绝热指数较大，提高过热度后会降低其制冷系数，所以不采用回热循环。,热交换器中的热量平衡C(T3 T3)C(T1T1)面积11cd1等于面积44ab4,由于液体比热C总大于气体比热C，所以液体温度的降低总小于吸气温度的提高。,第四节 理论制冷循环的热力计算,一、制冷剂的压-焓图（lgP-h图）,过冷液体区,湿蒸气区,过热蒸气区,饱和液体线,干饱和蒸气线,等压线等焓线等温线等比容线等熵线等干度线,二、热力计算,12为绝热压缩过程，
10、23为等压冷凝过程，34为绝热节流过程，41为等压蒸发过程。,制冷剂在蒸发器中的单位质量制冷量q0h1h4 (kJ/kg),制冷剂在冷凝器中的单位质量放热量qkh2h3 (kJ/kg),压缩机的单位质量绝热压缩耗功量wh2h1 (kJ/kg),制冷剂的单位容积制冷量： (kJ/m3)若已知总制冷量为Q0(kW)，则制冷剂的质量循环量： (kg/s)压缩机的吸气体积流量： (m3/s),冷凝器的热负荷： Qk = Mrqk (kW)压缩机的理论耗功量： N = Mrw (kW)理论制冷系数：,例1.1 理论循环,A工况：tk35，t00；B工况：tk40，t00；C工况：tk40，t05。,1,
11、2,3,4,tk35，t00,例1.2 过冷循环和吸气过热循环,A工况：tk40，t00；B工况：tk40，t00， 过冷温度t335;C工况：tk40，t00， 吸气过热温度t15 。,1,2,3,4,tk40，t00，t335,1,2,3,4,tk40，t00，t15,例1.3 回热循环,工况： tk30，t015， t15；制冷剂：R12、R717。,1,2,3,4,tk30，t015， t15,q0,qk,1,3,2,4,例1.4 过冷过热循环,总制冷量 Q040kW工况： tk40，t05， tu40，t10；制冷剂：R12、R22、R717。,1,2,3,4,tk40，t05， t
12、u35， t110,q0,qk,第五节 制冷剂和载冷剂,基本要求：1制冷剂对蒸气压缩式制冷系统的组成及运行经济性有很大的影响，应从热力学、物理化学、安全性等方面了解对制冷剂的要求。2目前常用的制冷剂有R717、R22、R134a等，应熟悉这些制冷剂的主要性质及使用时应注意的事项。3了解载冷剂的种类、使用场合及选择方法。,蒸发器,冷凝器,冷却介质,压缩机,节流阀,空调末端,被冷却介质,被冷却介质,泵,直接冷却,间接冷却,制冷剂,载冷剂,制 冷 剂,制冷剂又称制冷工质，它是在制冷系统中完成制冷循环的工作介质。制冷剂在蒸发器内汽化吸收被冷却介质的热量而制冷，又在冷凝器中把热量放给周围介质，重新成为液
13、态制冷剂，不断进行制冷循环。,一、对制冷剂的要求,（1）冷凝压力不太高，蒸发压力不低于大气压力，冷凝压力和蒸发压力之比不要过大；（2）单位容积制冷量要大；（3）临界温度要高，凝固温度要低；（4）粘度和密度要小；,（5）导热系数大； （6）无腐蚀性，不起化学作用，高温下不分解； （7）无害，不燃烧和爆炸； （8）易于取得，价廉。,二、制冷剂的种类,1无机化合物氨和水是目前常用的制冷剂。无机化合物类制冷剂的代号中，“R”后的第一位数字为7，后面的数字是该物质分子量的整数部分。,2氟利昂氟利昂是饱和碳氢化合物的卤族衍生物的总称，目前用作制冷剂的主要是甲烷和乙烷的衍生物。在这些衍生物中用氟、氯和溴的原
14、子代替原来化合物中的全部或一部分氢原子，使化合物的性质起了很大的变化。,饱和碳氢化合物的分子通式为CmH2m2，氟利昂的化学分子式为CmHnFxClyBrz，其原子数之间应符合下列关系：2m+2=n+x+y+z,氟利昂简写符号在字母“R”后的数字依次为(m-1)(n+1)x，若化合物中含有溴原子时，则再在后面加字母“B”和溴原子数。,3混合工质 它是由两种或两种以上的制冷剂按一定比例相互溶解而成的溶合物，分为共沸混合工质和非共沸混合工质。,（1）共沸混合工质它和单一工质一样，在恒定的压力下蒸发或冷凝时，蒸发温度或冷凝温度保持不变，且其气相和液相具有相同的组分。其代号R后的第一个数字为5，5后面
15、的数字按使用的先后顺序编号。常用的有R500、R502等。,（2）非共沸混合工质其在恒定的压力下蒸发或冷凝时，蒸发温度或冷凝温度，以及气相和液相的组分，均不能保持恒定。由于非共沸混合工质在组分不同、混合比不同时，会显示出不同的热力学性质，可满足各种制冷要求。,非共沸混合工质代号R后的第一个数字为4，4后面的数字按使用的先后顺序编号。如果构成非共沸混合工质的纯物质种类相同，但成分不同，则分别在代号末尾加上大写英文字母以示区别。如R407A，R407B，R407C,4碳氢化合物碳氢化合物制冷剂有甲烷、乙烷、丙烷、乙烯和丙烯等，主要用于石油化工工业。优点是易于获得，价格低廉，凝固温度低。缺点是安全性
16、差，易燃烧和爆炸。,在同一温度下，标准大气压力下饱和温度低的制冷剂，其饱和蒸气压力高。根据这一规律，可以把制冷剂划分为三类：高温制冷剂用于空气调节用制冷装置和热泵中；中温制冷剂用于一般的单级和两级压缩制冷系统中；低温制冷剂用于复叠式制冷装置的低温部分。,制 冷 剂 的 分 类,三、常用制冷剂的性质,1氨（R717）：中温制冷剂具有良好的热力性能，单位容积制冷量大与水可以任何比例相互溶解，但对铜及铜合金有腐蚀作用难溶于润滑油，密度比润滑油小氨蒸气无色，有强烈的刺激性臭味，会引起中毒，有可燃和爆炸的危险性绝热指数高，排气温度也较高容易获得，价格便宜,2氟利昂性能随其所含的氟、氯、氢的原子数不同而变
17、化很难与水溶解，会产生冰塞现象，对金属有腐蚀作用,氟利昂和润滑油的溶解性与制冷剂的种类、润滑油的成分及其温度有关：难溶：R13，R14，R115，有明显的分层；有限溶解：R22，R114，R152，R502，高温时无限溶解，低温时分离成两层；完全溶解：R11，R12，R113，R500，形成均匀溶液。,应采用高粘度的润滑油不会形成油膜一种良好的有机溶剂“镀铜”现象,优点：无毒，不燃烧，对金属不腐蚀；绝热指数小，因而排气温度低；具有较大分子量，适用于离心式制冷压缩机。缺点：部分制冷剂（R12）单位容积制冷量较小，因而循环量大；密度大，流动阻力较大；吸水性能差，价格昂贵，极易渗漏又不易被发现。,氟
18、利昂22（CHF2Cl）,氟利昂134a（C2H2F4）,冷水机组及商业制冷中得到应用。,氟利昂123（C2HF3Cl2）,R123的标准蒸发温度是27.9，凝固温度是-107，属高温制冷剂。R123比R11的相对分子量大，适用于离心式制冷机。R123比R11具有更大的侵蚀性，故密封材料必须更换成与之相容的材料。它与矿物油互溶，具有一定的毒性。传热系数较小。,它具有优良的大气环境特性（ODP0.02，GWP0.02），是目前替代R11用于离心式制冷剂比较理想的制冷剂。,3混合工质,共沸溶液制冷剂在标准大气压下的蒸发温度一般比组成其组分的蒸发温度低。在同一蒸发温度下，其单位容积制冷量比其任一组分
19、的都大。压缩机排气温度降低。,R502,它由质量分数为48.8的R22和51.2的R115组成。其在大气压力下的沸点为-45.6，可替代R22用于较低制冷温度的场合。与R22相比，在较低的温度下，制冷量增加13；当冷凝温度及蒸发温度相同时，压缩比较小，压缩后的排气温度较低。在单级蒸气压缩式制冷系统中，R502的蒸发温度可低达-55左右。,R407C,它是一种三元非共沸混合工质，可作为R22的替代工质，其组成质量比为R32/R125/R134a（23/25/52）,ODP=0。在相变过程中存在明显的温度梯度，加上传热性能较差，为达到与R22相同的制冷量，冷凝器和蒸发器的面积要增大。R407C不能
20、与矿物油互溶，但能溶于聚酯类合成润滑油。在空调工况下，其制冷量及制冷系数比R22略低5左右。,R410A,它是一种近共沸混合工质，相变时的温度梯度不大，也是目前R22的一种替代工质。它是由质量分数为50的R32和50的R125组成，ODP0。单位容积制冷量较大，传热性能及流动性能较好。但它的压力比同温度下R22的压力高很多，因此要使用专门的制冷压缩机，制冷系统中的各设备及连接管道应重新设计。,四、氯氟碳化合物的禁用及其对策,大量科学研究表明，含氯氟利昂对大气臭氧层具有破坏作用。为了区别各种氟利昂对大气臭氧层的破坏程度，对制冷剂引入一种新的命名方法：CFC：含氯而无氢的氟利昂称氯氟化碳，公害物质
21、，属于限制和禁止使用的物质；HCFC：含氢、氯的氟利昂称氢氯氟化碳，低公害物质，属于过渡性物质；HFC：含氢而无氯的氟利昂称氢氟化碳，无公害物质，是正在研究和开发的替代物。,环境保护的发展,1984年南极上空“臭氧空洞”的发现，引发了新一轮世界环境问题高潮。1985年3月，保护臭氧层维也纳公约1987年9月，关于臭氧层物质的蒙特利尔议定书1997年12月，京都协议书,蒙特利尔议定书与京都协议书是有联系的，均是为了保护环境的需要，但又有不同要求。蒙特利尔议定书要求限期逐步淘汰CFC和HCFC等物质，是强制的。京都协议书要求控制温室气体的排放，并不对温室气体的产生、使用采取强制性手段。,一般用OD
22、P（Ozone Depression Potential）和GWP（Greenhouse Warming Potential）分别来表示消耗臭氧潜能值及温室效应潜能值。ODP值和GWP值越小，则制冷剂的环境特性越好。根据目前的技术水平，认为ODP值小于或等于0.05和GWP值小于或等于0.5的制冷剂是可以接受的。,CFC不但ODP值最高，GWP值也相对较高。,HFC的ODP值为零，但GWP值仍较高,为了正确协调蒙特利尔议定书 与京都协议书的要求，现提出应以变暖影响总当量TEWI（Total Equivalent Warming Impact）为指标，来全面正确衡量制冷剂对全球气候变化的影响。,
23、TEWI考虑了两方面因素，即制冷剂排放的直接效应和能源利用引起的间接效应。直接效应取决于制冷剂的GWP值、气体释放量及考虑的时间框架长度；间接效应取决于系统的效率及能源来自何处。,五、制冷剂的检漏和存放,1制冷剂的检漏 2制冷剂的存放,载 冷 剂,载冷剂是指在间接制冷系统中用来传递冷量的中间介质。在间接制冷系统中制冷剂可以在较小的制冷系统内循环，冷量通过载冷剂传递给被冷却对象。,一、对载冷剂的要求,（1）在使用温度范围内不凝固、不汽化；（2）比热要大；（3）密度小，粘度小；（4）导热系数大；（5）无腐蚀性，无毒，化学稳定性好；（6）价格便宜，易于购买。,二、常用的载冷剂,1水 在空气调节系统中广泛使用，并只能用作制取0以上的载冷剂。,2无机盐水溶液在中、低场合，一般用盐水溶液作为载冷剂。常用的有氯化钙和氯化钠溶液。盐水溶液的性质与溶液中盐的浓度有关。对金属有腐蚀性，需加入防腐剂。,3有机物载冷剂（1）甲醇水溶液（2）乙二醇水溶液,
