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1、第三章 蒸气压缩式制冷3.1 可逆制冷循环,压缩式制冷热力学原理概述 补偿能提供给压缩机,E-W,3.1 可逆制冷循环,制冷循环的性能系数COP和循环效率 COP=收益能量/补偿能量 制冷:热泵:循环效率(热力完善度):(1)可以评价循环的完善度,也可以评价不同类型制冷机的完善度;(2)COP,EER,的定义在实际上是不同的,具体应用应该根据标准;(3)性能还可用SEER来评价。,3.1 可逆制冷循环,逆卡诺制冷循环逆卡诺循环的性能系数仅与TH和TL有关,与工质无关。,3.1 可逆制冷循环,意义:(1)制冷机的性能与热源和热汇的温度条件有关-与工况有关;(2)只有在指明工况的条件下,才能用CO
2、P评价制冷机的优劣,才能比较不同的制冷机性能;(3)可以直接评价和比较各种制冷循环(因为在相同的工况条件下)。,3.1 可逆制冷循环,劳伦次循环(2个变温过程和2个等熵过程组成)劳伦次循环的性能系数与在 工况条件下的卡诺循环相等,因此为最理想的变温源(汇)热力学循环。,3.2 单级压缩式制冷的理论循环,系统简图 忽略与循环图无关的部件。1:压缩机;2.冷凝器;3.膨胀阀;4.蒸发器 工作过程;,3.2 单级压缩式制冷的理论循环,制冷剂的状态图 作用(1)通过已知的状态参数求未知的状态参数;(2)表示热力过程,进行热力过程和循环分析。T-s图,p-h图(尤为重要),3.2 单级压缩式制冷的理论循
3、环,理论循环:假定:(1)恒定,制冷剂在相变传热过程中没有传热温差,即(2)不计过热度和过冷度;(3)除膨胀装置和压缩机外,制冷剂流经其他部件和管道没有压力变化;(4)除换热器外,其他部件和管道与外界没有热交换;(5)压缩过程为可逆的等熵绝热压缩过程。,3.2 单级压缩式制冷的理论循环,制冷循环过程在状态图上的表示,3.2 单级压缩式制冷的理论循环,理论循环特性(热力计算-用控制体方法)意义:(1)理论循环并非可逆循环;(2)最大限度地排除系统本身的不完善度,已是在给定 条件下具有的最好热力性能;(3)循环的热力性能仅与 和制冷剂有关。作用:,3.3 单级压缩式制冷的实际循环,实际循环与理论循
4、环的比较(热力过程),3.3 单级压缩式制冷的实际循环,各种实际因素对循环的影响(1)过冷度(作用、获得方法),3.3 单级压缩式制冷的实际循环,(2)过热度 原因:干式蒸发器、吸气管道、压缩机、回热器 作用:排温、W、Qk、v1、qm、润滑油、制冷量和COP(有用过热、无用过热)必须有过热度的场合:,3.3 单级压缩式制冷的实际循环,管道压力和热交换(1)吸气管;(2)排气管(3)高压液管;(4)低压液管压缩机与压缩过程的不可逆相变传热不可逆其他因素(润滑油、水分和不凝气体等),3.3 单级压缩式制冷的实际循环,实际循环的热力计算(书上有例题),3.3单级压缩式制冷的实际循环-单级压缩式制冷
5、机的变工况特性,冷凝温度变化的影响(讨论对的影响),3.4 单级压缩式制冷机的变工况特性,蒸发温度的影响(书上写的2点注意),3.4 制冷剂,分类:(1)是否是纯质:单一或混合制冷剂;(2)化学类别:无机物、氟利昂、碳氢化合物;(3)物质来源:人工或天然制冷剂命名:R+数字(1)无机物:R7(摩尔分子量)氨:R717;H2O:R718;CO2:R744(2)氟利昂(最好还是查表)烷烃化合物(CmHnFxClyBrz):R(m-1)(n+1)(x)(z)二氟一氯甲烷(CHF2Cl):R22;丙烷(C3H8):R290,3.4 制冷剂,(3)共沸混合物:5()()-按命名次序(4)非共沸混合物:4
6、()()-按命名次序选用三原则:(1)制冷性能:取决于制冷剂的热物性。要求:Pk不能太高,Po不能太低,压比小,qo大,排温低,COP高,传热好,流动性好。(2)实用性:化学稳定性,热稳定性,无腐蚀,不与润滑油产生不良反应。安全性:无毒,不易爆炸。来源广,价廉。(3)环境可接受性:对臭氧层破坏程度(最好为零);对温室效应的影响(越少越好)。,3.4制冷剂-性质,热力性质:(1)饱和蒸汽压力曲线-各种制冷剂的曲线形状大致相同,但位置不同。ts:制冷剂划分的标准。,3.4 制冷剂-性质,(2)临界温度tc 它是制冷剂不可能加压液化的最低温度。Ts/Tc约为0.6,意义:。希望:pk与pc之间距离越
7、大越好。(3)粘性、导热性和比热容 粘性:温度越高,粘性越小。导热率:不受压力变化影响或者影响很小;气体随温度升高而增加,液体随温度升高而减少。比热容可查表或者用程序计算。,3.4 制冷剂-性质,环境影响指数(1)臭氧影响指数(ODP):规定R11为1,2030年要全部为零。(2)温室影响指数:基准:CO2:GWP;R11:HGWP。HGWP=3500GWP。越小越好。物理和化学性质:(1)安全性;(2)电绝缘性;(3)热稳定性和与材料的相容性,以氨、R22为例。(4)与润滑油的互溶性;(5)溶水性;(6)参透性。,3.4 制冷剂-混合制冷剂,定义基本概念:(1)非共沸混合物、共沸混合物、近共
8、沸混合物:温度滑移(2)分馏:易挥发的先蒸发,不易挥发的优先冷凝造成的成分变化。,3.4 制冷剂-混合制冷剂,混合制冷剂的性质与使用(1)性质:改变热物性和理化指标、降低排温。(2)使用:目的:环保、提高热力性能,增加运行安全性。选择原则:在环保、热力性能大致相当情况下,优先共沸、近共沸、共沸。原因:泄露会造成成分改变。一般非共沸制冷剂传热比较差。,3.4 制冷剂-实用制冷剂,天然制冷剂环保最好,但是通常有些热力性能和工作安全性的问题。氟利昂通常热力性能好,价格贵,并注意环保问题。氟利昂:(1)ODP要求的替代:R11-R123,R245ca,R245fa R12-R134a R22-R407
9、C,R410A,R410B R502-R404A,R507,3.4 制冷剂-实用制冷剂,天然制冷剂(1)水:不适合压缩式,吸收式用(2)氨:热力性能好,有毒易爆,k高,臭。(3)CO2:价廉环保,qo高,传热和流动性好;但是工作压力高,tc低。,3.4 制冷剂-制冷剂热力性能计算,查表查图利用程序计算,3.5 采用混合制冷剂的单级蒸气压缩式制冷循环,理论循环 对于非共沸制冷剂,它的冷凝和蒸发过程为等压非等温的换热过程,温度变化如图所示。可以部分实现劳伦次循环。,3.5 采用混合制冷剂的单级蒸气压缩式制冷循环,实际循环(1)冷凝和蒸发过程中流动阻力对温度滑移的影响:两者不一样;(2)成分偏移:由
10、于气相和液相的成分不一样,因此可能造成实际系统的成分与理想的不同。原因:生产和充灌工艺;运行过程中高压区和低压区所占比例不同;泄露;与润滑油的互溶。这些也是尽量采用纯质和近共沸的原因。,3.6 多级压缩制冷循环,为什么要采用?在to大幅减少,to 和tk相差较大时,如仍用单级压缩,会产生以下问题:(1)制冷量大幅减少(质量输气量和单位制冷量)(2)运行安全性减少(排气温度、离心式压缩机、负压)(3)经济性减少(压缩机的效率、耗功与压力不是线性关系)(4)超出制冷剂工作温度范围解决方法:(1)在制冷剂工作温度范围内,采用多级压缩制冷循环;(2)在制冷剂工作温度范围外,采用复叠式制冷。,3.6 多级压缩制冷循环,分类方法:节流级数,中间是否是完全冷却,液体是否过冷?一级节流、中间完全冷却的两级压缩循环(多用于氨系统)系统简图,循环图,热力计算(注意两级压缩机流量不一样),3.6 多级压缩制冷循环,一次节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环(多用于氟利昂系统)(热力计算方法同上),3.6 多级压缩制冷循环,获得两种蒸发温度的两级压缩制冷循环(E1制冷性能高,减少低压级压缩机尺寸,E2工作条件),3.6 多级压缩制冷循环,中间压力的确定两种情况(1)已选配好高、低压压缩机,求pm;(2)从循环出发,根据最佳的COP,求两级压缩机的排量。,