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1、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TS图：12 压缩过程 23 冷却冷凝过程 34 节流过程 41 蒸发吸热过程,朗肯循环图例,图3-2 有回热的朗肯循环TS图：12 压缩过程 23 冷凝过程 33 液体过冷过程 34 节流过程 4 1 蒸发过程 11 吸气过热过程,3.1.2 劳伦茨循环,朗肯循环的主要
2、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,3.1.3 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3-4 CO2跨临界循环12压缩过程；23气体冷却过程；34气体冷却过程；45节流过程；56蒸发过程；01气体过热过程。,3.2.1 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
3、、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
4、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,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
5、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,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,(2)单位容积制冷量qv,(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,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
6、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,对于单级压缩式蒸气制冷机理论循环，存在着下列关系,(5)制冷系数,对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，制冷系数为,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,这里c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
7、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=243.114 kJ/kg，,由图可知，h2=435.2 kJ/kg，t2=57,例 题,1）单位质量制冷量,2）单位容积制冷量,3）质量流量,4）理论比功w0=h2-h1=435.2-401.555=33.645kJ/kg,5）压缩机消耗的理论功率 P0=qmw0=0.347133.645=11.68kW,7）冷凝器单位热负荷
8、 qk=h2-h3=435.2-243.114=192.086kJ/kg,8）冷凝器热负荷 Qk=qmqk=0.3471192.086=66.67kW,6）制冷系数,3.3 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
9、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lg p-h图（b）上的表示,1,1,2,(2),3,4,5,6,p,p,k,0,Lg p,h,实际循环可表示为图中的1-1-2-3-4-5-6-1,1-1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lg p-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
10、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,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w 0相同，过冷循环的制冷系数,比无过冷循环的制冷系数,要大。,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
11、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,有效过热循环的制冷系数可表示为,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,图3-15有效过热的过热度对制冷系数的影响,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,回热循环的性能指标如下：单位制冷量,单位容积
12、制冷量,单位功,制冷系数,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,循环的单位功可近似地表示成,但单位功也增大了,单位容积制冷量和制冷系数可表示成,即,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
13、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(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。,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。,容积式制冷压缩机及机组的名义工况,2.变工况运行,变工况定义单级蒸气压缩式制冷实际运行时当系统的某些参数发生了变化，从而引起循环特性及制冷机性能变化，称为变工况。影响
14、最大的是：冷凝温度tk变化(升高)的影响蒸发温度t0变化(降低)的影响,(1)其他条件不变，冷凝温度tk变化(升高)的影响,不变,(1)其他条件不变，冷凝温度tk变化(升高)的影响,w0,w0,不变,制冷系数,(2)其他条件不变，蒸发温度t0变化(降低)的影响,lgp,h,2,4,t0,1,q0,q0,(2)其他条件不变，蒸发温度t0变化(降低)的影响,p,w0,w0,3.4 蒸气压缩中的制冷剂,3.4.1 制冷剂的发展、应用,1.热力学性质方面,(1)工作温度范围内有合适的压力和压力比。,(2)单位制冷量q0和单位容积制冷量qv较大。,(3)比功w和单位容积压缩功wv小，循环效率高。,蒸发压
15、力大气压力冷凝压力不要过高冷凝压力与蒸发压力之比不宜过大,(4)等熵压缩终了温度t2不能太高，以免润滑条件恶化或制冷剂自身在高温下分解。,3.4.2 制冷剂的选用原则,2.迁移性质方面,(1)粘度、密度尽量小。,(2)导热系数大，可提高传热系数，减少传热面积。,3.物理化学性质方面,4.其它,(1)无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全。,(2)化学稳定性和热稳定性好。,(3)对大气环境无破坏作用。,原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜。,3.4.3 制冷剂命名,制冷剂按其化学组成主要有三类,字母“R”和它后面的一组数字或字母,表示制冷剂,根据制冷剂分子组成按一定规则编写,制冷剂的简写符号,1.无机化
16、合物,2.氟里昂和烷烃类,编写规则,3.非共沸混合工质,4.共沸混合工质,表3-7 制冷剂符号举例,3.4.4 制冷剂的物理化学性质及其应用,1.安全性,(1)毒性,虽然一些氟里昂制冷剂其毒性都较低，但在高温或火焰作用下会分解出极毒的光气。,(2)燃烧性和爆炸性,爆炸极限,表3-8 一些制冷剂的易燃易爆特性,注：None表示不燃烧，na表示未知。,(3)以毒性和可燃性为界限的安全分类,表39 一些制冷剂的安全分类,3.对材料的作用,制冷系统中应尽量避免水分存在和铜铁共用。,4.与润滑油的互溶性,对每种氟利昂存在一个溶解临界温度，即溶解曲线最高点的温度,5.与水的溶解性,“冰堵现象”,当温度降到
17、0以下时，水结成冰而堵塞节流阀或毛细管的通道形成“冰堵”，致使制冷机不能正常工作。,6.泄漏性,沸点-33.3，凝固点-77.9 单位容积制冷量大粘性小，传热性好，流动阻力小 毒性较大，有一定的可燃性，安全分类为B2 氨蒸气无色，具有强烈的刺激性臭味 氨液飞溅到皮肤上会引起肿胀甚至冻伤 氨系统中有水分会加剧对金属腐蚀同时减小制冷量 以任意比与水互溶但在矿物润滑油中的溶解度很小 系统中氨分离的游离氢积累至一定程度遇空气爆炸 氨液比重比矿物润滑油小，油沉积下部需定期放出 在氨制冷机中不用铜和铜合金材料(磷青铜除外),3.4.5 常用制冷剂,1.无机物,2.氟利昂,(1)R12（二氟二氯甲烷 CF2
18、Cl2）,(2)R134a（四氟乙烷 CH2FCF3）,(3)R11（一氟三氯甲烷 CFCl3）,(4)R22（二氟一氯甲烷 CHF2Cl）,3.碳氢化合物,(1)R600a（异丁烷 i-C4H10）,(2)R290（丙烷 C3H8）,沸点和凝固点比R600a低，蒸气压较高和容积制冷量比R600a大，其他制冷特性及安全特性均与R600a相似。,4.混合制冷剂,(1)共沸制冷剂,共沸制冷剂特点：,几种共沸制冷剂的组成和沸点,(2)非共沸制冷剂,一定压力下溶液加热时，首先到达饱和液体点A(泡点)，再加热到达点B，即进入两相区，继续加热到点C(露点)时全部蒸发完成为饱和蒸气。,泡点温度和露点温度的温
19、差称之为温度滑移,(3)常用混合制冷剂的特性,沸点-33.5，ODP值较高。,5)非共沸制冷剂R401A和R401B,3.6 多级蒸气压缩式制冷循环,单级蒸气压缩制冷机运行时制冷剂的冷凝压力是由环境介质（如空气或水）温度所决定。,在一定的冷凝温度下,蒸发温度的降低,冷凝压力和蒸发压力之差（pk-po）增大,压缩比pk/po变大,多级蒸气压缩式制冷循环,容积式压缩机的单级压比受压缩机容积效率和压缩终了温度的制约 通常被限制在810,离心式压缩机的单级压缩比受工质分子量大小与叶轮的周边速度制约 通常被限制在 24,单级蒸气压缩活塞式制冷机，压缩比一般不超过10。当蒸发温度过低，超出极限使用条件时会
20、带来如下问题：,(1)压缩比增大时压缩机的输气系数大为降低，压缩机的输气量及效率显著下降。,(2)压缩机排气温度过高，使润滑油的粘度急剧下降，影响压缩机的润滑。当排气温度与润滑油的闪点接近时，会使润滑油碳化，以致在阀片上产生结碳现象。,所以，为了获得比较低的温度（4070），同时又能使压缩机的工作压力控制在一个合适的范围内，就要采用多级压缩循环。,(3)制冷剂节流损失增加，单位质量制冷量及单位容积制冷量下降过大，经济性下降。,3.6.1两级压缩制冷的循环方式,1.一级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环（如图3-34a 所示）,2.一级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环（如图3-34c所示
21、）,3.两级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环（如图3-34b 所示）,4.两级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环（如图3-34d所示）,一级节流中间完全冷却循环,图3-35 一级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环(a)流程图 b)lgp-h图,一级节流中间不完全冷却循环,图3-34 一级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环(a)流程图(b)lgp-h图,图3-34两级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环(a)流程图(b)lgp-h图,图3-34两级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环(a)流程图(b)lgp-h图,图3-34两级节流、具有中温蒸发器的中间完全冷却两级压缩制冷循环(
22、a)流程图(b)lgp-h图,双级蒸气压缩式制冷循环,3.6.2两级压缩制冷循环的热力分析,1.单位制冷量：q0=h1-h4 2.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：,3.从而可算出低压压缩机消耗的理论功率：,Ptd=,4.高压机功率计算对于中间完全冷却的两级循环：qmgh9+qmdh2=qmgh3+qmdh4,qmg=qmd(h2-h4)/(h3-h9),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=,=,5.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,6.对于中间不完全冷却的两级循环，根据中
23、间冷却器的热平衡关系,qmg h9=（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),高压压缩机的单位理论功为:,wg=h7-h6,qmg h6=(qmg qmd)h3+qmd h2,h6=,=,高压压缩机消耗的理论功率：,Ptg=qmgwg=,7.中间不完全冷却的两级循环的理论制冷系数为,压缩机实际过程的排气焓值为,高压压缩机实际过程的排气焓值（中间完全冷却）为,3.6.3两级压缩制冷循环的热力计算,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：,1）按压力的比例中项确定中间压力,
24、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。,1.中间压力的确定,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。,2）按温度的比例中项确定中间压力,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。,3）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,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4040温度范围内，对于R12也能得到满意的结果。,图3-24 最佳中间温度的确
25、定,3.6.4 双级蒸气压缩式制冷循环的变工况特性,1.变工况特性1）蒸发温度的变化对中间压力的影响：,2.两级压缩制冷机的工况变动时的一些特性：随着t0的升高，压力pc和pm都有不断升高，但pm升高得快；随着t0的升高，压力比H和L都不断下降，但H下降快；随着t0的升高，压力差（pc-pm）减小，（pm-pe）先逐渐增大而后逐渐减小。,3.7 复叠式蒸气压缩式制冷循环,由两个（或数个）不同制冷剂工作的单级（也可以是多级）制冷系统组合而成。,定义,3.7.1复叠式蒸气压缩式制冷循环,1.两个单级压缩循环组成的复叠式制冷机,高温压缩机冷凝器节流阀冷凝蒸发器,高温系统,制冷剂,R22,压缩机冷凝蒸
26、发器回热器节流阀蒸发器膨胀容器组成,低温系统,制冷剂,R23,图3-48 由两个单级系统组成的复叠式制冷机 a)制冷循环系统 b)T-s图,2.一个两级压缩循环和一个单级压缩循环组成的复叠式制冷机,高温部分,一级节流中间不完全冷却节流前液体过冷带回热的两级压缩循环,R22或R507,低温部分,带回热的单级压缩循环,制冷剂,低温,高温,最低蒸发温度可达-110,R23或R1150,图3-49 高温部分为两级压缩循环、低温部分为单级压缩循环组成的复叠式制冷循环系统原理图a1低温部分压缩机 a2高温部分低压级压缩机 a3高温部分高压级压缩机b冷凝器 c1、c2、c3节流阀 d蒸发器 d12冷凝-蒸发器e1低温部分气-液热交换器 e2高温部分气-液热交换器 f高温部分中间冷却器,图3-12 高温部分为两级压缩循环、低温部分为单级压缩循环组成的复叠式制冷循环lgp-h图(a)高温部分(b)低温部分,3.三个单级压缩循环组成的复叠式制冷机,循环,中温,高温,低温,中温 R23,高温 R22或R507,低温 R50、R1150或R170,制冷剂,最低蒸发温度可达120140,开式半开式,4.用CO2作为第二制冷剂的复叠式制冷机,二氧化碳,液体,干冰,制冷机,图3-14 CO2的压力焓示意图,图3-15 生产干冰的复叠式循环原理图及温熵图(a)系统原理图(b)T-S 图,
