《制冷原理与技术》讲座 吕制赞邳 理想瘡环—斑卡锘瑂环 膨胀机 压缩机 陈江平 卡诺循环是理想过程的极限 上海交通大爭制冷研究所 卡诺循环(2 卡诺循环(3) COP(E)=。7 COP(E=- 7-9k=qo+五i PA w=We-We 3、热泵(mPP)系统的COP 卡诺循环(4) 又称为供热系数 1、热力学完善度:丌 压或=0.56,收式=0.27,燕电制冷扩=0.12 旬型自 2、卡诺环效率￡要受工作热獐的影 响,与工质特胜或设备没有哭系。家用 冰COP约为L0,堂调COP则为25-3.0
1 第二讲 制冷循环 陈江平 上海交通大学制冷研究所 《制冷原理与技术》讲座 一、理想循环—逆卡诺循环 冷凝器 蒸发器 q0 qk w wc e 膨胀机 压缩机 卡诺循环是理想过程的极限 T S 1 2 3 4 w=wc-we Tk T0 q0 qk 卡诺循环（2） 0 0 0 ( ) T T T w q COP k c − ε = = qk = q0 + Σw v p 1 2 4 3 卡诺循环（3） We Wc W / 1 1 ( ) 0 0 − = = w T T q COP k c ε 1、热力学完善度： 压缩式 ，吸收式 ，热电制冷 c cop cop η = 2、卡诺循环效率主要受工作热源的影 响，与工质特性或设备没有关系。家用 冰箱COP约为1.0，空调COP则为2.5-3.0？ 卡诺循环（4） η = 0.56 η = 0.27 η = 0.12 (a)夏季制冷循环 (b)冬季热泵循环 图7-7 制冷与热泵两用装置示意图 A 四通换向阀，B 毛细节流装置，C 压缩机 3、热泵（HEAT PUMP）系统的COP, 又称为供热系数： c k k H T T T ε = + ε − = 1 0
蒸汽瓜缩式循环的实现-四 幕汔繪式冷 大件的作用 的獲论雅环 1、蒸汽压缩式循环的实现-四大件的作用 2、压焓(lgph)和温熵(T-S)图 3、在特性图上表示制冷循环 -循环的可能实现方式 refrigera 理论制冷循环计算 408·C Closing the cycle 4 main Components evaporator compressor 发医中画压,中高压,是 Evaporator Compressor low-pressure refrigerant vapor mixture o from evaporator liquid and vapor apor 第发玉:是输斗量盼设吾,则削花禹
2 二、蒸汽压缩式制冷 的理论循环 1、蒸汽压缩式循环的实现-四大件的作用 2、 压焓（lgp-h)和温熵（T-S）图 3、在特性图上表示制冷循环 -----循环的可能实现方式 4、 理论制冷循环计算 1、蒸汽压缩式循环的实现-四 大件的作用 liquid refrigerant (R-22) -40.8°C airflow collects refrigerant vapor Closing the Cycle ? 4 main Components compressor condenser expansion device evaporator Evaporator refrigerant vapor mixture of liquid and vapor refrigerant B A air 蒸发器: 是输出冷量的设备，制冷剂在蒸 发器中吸收被冷却对象的热量，从而达到 制冷的目的 Compressor low-pressure refrigerant vapor from evaporator B C high-pressure refrigerant vapor to condenser 压缩机: 压缩和输送制冷蒸汽，并造 成蒸发器中低压、冷凝器中高压，是 整个系统的心脏
呼制奉村在 Condenser Expansion Device Basic Refrigeration System 2、芾冷工程基本图表 condenser device(D gph和TS图 2.1制冷剂点随压力变化 2.2不同制冷剂的标准沸点不同 Wate 3000 m above sea level · Water vapour pressure normal boiling point 100“c at 1013 mbar pressure at sea level Sea level y
3 Condenser C D refrigerant vapor liquid refrigerant outdoor air 冷凝器: 是输出热量的设备，将制冷剂在 蒸发器中吸收的热量和压缩机消耗功所 转化的热量排放给冷却介质。 Expansion Device A liquid D refrigerant mixture of liquid and vapor refrigerant 节流阀: 对制冷剂起节流降压作用， 并调节进入蒸发器的制冷剂流量。 Basic Refrigeration System compressor condenser evaporator Direct expansion device (DX) discharge line suction line liquid line A B C D 2、制冷工程基本图表 ----lgp-h和T-S 图 2.1制冷剂沸点随压力变化 Water vapour pressure – different boiling points +89 °C at 675 mbar – 3000 m above sea level Water vapour pressure – normal boiling point +100 °C at 1013 mbar – pressure at sea level 3000 m 89°C 100°C Sea level 2.2不同制冷剂的标准沸点不同 0 5 10 15 20 25 Temperature in °C Vapour pressure in bar R12 R134a R600a R290 R404A R407C R410A
23水在不同压力下的加热升温过程 2.4制冷剂相平衡 62bar=160 Liquid Liquid Vapour/ Vapour Enthalpy 047bar=80°c bar= 100oC 一个临界点 2.6如何看工质的lPh图两条他和线 2.5反映制冷剂特性的图表 三个状态区 六条等值线 Mor2gm(gph图)上表示了的的所 ·比焓, specitic energy cont ·汽化潜热, heat of evaporation o ther values , entropy:比容,spec. volume 对制冷系统性能有影响的,还有部分制冷剂参数传输持性 不能在ph图上表示 C.2.v 横坐标表示能量或功的大小 27如何看工质的TS图 3、在特性图上表示制冷循环 个幡界点 P两条饱和 过热区 两相区 能量或功向大小用面积表示
4 2.3水在不同压力下的加热升温过程 Heat Enthalpy Temperature 100 C 1 bar Liquid + Vapour Liquid Vapour 80 C 0.47 bar 120 C 2 bar 2.4 制冷剂相平衡 Liquid Liquid + Vapour Vapour 0.47 bar = 80ºC Q Pressure 6.2 bar = 160 ºC 1 bar = 100 ºC 2 bar = 120 ºC 2.5 反映制冷剂特性的图表 Mollier diagram ( lg p-h图 )上表示了制冷剂的所 有热力性能参数： – 压力，pressure ( p ) – 温度，temperature ( t ) – 焓，enthalpy ( h or i ) 比焓，specific energy content 汽化潜热，heat of evaporation – other values 熵，entropy；比容， spec. volume ... 对制冷系统性能有影响的，还有部分制冷剂参数---传输特性 不能在lgp-h图上表示: Cp ,λ,ν 2.6如何看工质的lgp-h图 一个临界点 两条饱和线 三个状态区 六条等值线 横坐标表示能量或功的大小 2.7如何看工质的T-S图 一个临界点 两条饱和线 三个状态区 六条等值线 T S k S T P v x x 过 h 冷 区 两相区 过热区 能量或功的大小用面积表示 3、在特性图上表示制冷循环
际雅环可能视方式 漫汽作 工质,环 即 等压过程 可的尖现才式(2) 为什么膨胀功相当 (2)有温差传热:OP下降 hh-hy由的y 例:当环门=308k(35℃,T=280K(时 根据能方程,有 由于液体v小,vdp 区有温差食热时,假定传热温差为3~5℃ 可以忽略,有 hh=面积35673 Bhh,=面积 可能的卖观→式(3): 有温差传热:COP下降 3)节流代替影胀机 高温液体 声温汽 冷凝器 T 膨胀闻 压缩机 温液汽混合物裘发器 低温肃汽
5 实际循环可能实现方式 T S 1 2 3 4 Σw=wc-we Tk T0 q0 we wc k pk p0 (1)湿蒸汽作 工质，循环 在两相区， 等温过程即 等压过程 T S 1 2 3 4 w=wc-we Tk T0 q0 we wc k pk p0 5 6 7 为什么膨胀功相当 于∆3453的面积? h3-h4=(h3-h5)-(h4-h5) 根据能量方程，有 由于液体 v 小，vdp 可以忽略，有 h3-h5 ＝ 面积35673 且h4-h5＝面积45674 h3-h4 ＝∆3453 可能的实现方式（2） (2)有温差传热：COP下降 例：当环境T’k ＝ 308K (35℃)，T’0＝280K (7℃) 时 逆卡诺循环 Tk＝308K (35℃)，T0＝280K (7℃) 所以COP＝10 有温差传热时，假定传热温差为3～5℃， Tk＝311K (38℃)，T0＝275K (2℃) 所以COP＝8.15 有温差传热：COP下降 1 3 2 4 w=wc-we q0 we wc T Tk T0 k pk p0 T'0 T'k S q 冷凝器 蒸发器 q0 k wc 膨胀阀 压缩机 高温液体 高温蒸汽 低温液汽混合物 低温蒸汽 可能的实现方式（3）： （3）节流阀代替膨胀机
节流阀代替膨胀机(2) 节流阀代替膨胀机(3) k、有摩擦的过程不 区原因 可逆,不能用实 饱和液体或两相混合物膨胀系 N线表示 数小,可做功有限 T 功回收系统复杂 COP下降的原因 膨胀阀不能回收膨胀功,反而 损失部分制冷能力 节流阀代替膨胀机(4 可的尖观才式(5) (3)用干式压缩取代湿式压缩 原因:防止液击 气液分高器 影胀控制压缩机吸气过热度 T COP下降的原因: 干压绪过程的过热损失 用干式压缩取代湿式压縮(2) 用干式压缩取代湿式压缩(3) 高温汽 冷凝器 膨胀网 低温液汽混合物 低温汽 气液分高器
6 节流阀代替膨胀机（2） 原因： ) 饱和液体或两相混合物膨胀系 数小，可做功有限 )功回收系统复杂 COP下降的原因： )膨胀阀不能回收膨胀功，反而 损失部分制冷能力 节流阀代替膨胀机（3） T S 1 3 wc Tk T0 q0 k 2 4 有摩擦的过程不 可逆，不能用实 线表示 T S 1 3 wc Tk T0 q0 k 2 4 节流阀代替膨胀机（4） 可能的实现方式（5） （3）用干式压缩取代湿式压缩 ¾原因：防止液击 ¾方法： 气液分离器 膨胀阀控制压缩机吸气过热度 ¾COP下降的原因： 干压缩过程的过热损失 q0 q 冷凝器 蒸发器 k wc 膨胀阀 压缩机 高温液体 高温蒸汽 低温液汽混合物 低温蒸汽 气液分离器 用干式压缩取代湿式压缩(2) S T 1 2' 3 wc Tk T0 q0 k pk p0 2 4 用干式压缩取代湿式压缩(3)
用干式压缩取代湿式压缩(4) lg p 4、单级蒸疙压缩式 制冷理论盾环的热 力计算 热才计其朗目的是竹么? 已知需要的制冷量和环境参数 求出压缩机的制冷剂流量、功耗、理论:cP和冷凝器 排热量→确定四大件和其它部件 度 Expansion device 过热度 (1)节流阀: (3)蒸发器: h2=(1-x)+x小 Qv=ogy qr=h,-h va=(-xa)vro+x.vgo 2=4.4k (2)压缩机:w=h2-内 (5)制冷系数: (6)热力学完善度n=E0
7 用干式压缩取代湿式压缩(4) h lg p 1 2 3 2' 4 q0 w 4、单级蒸汽压缩式 制冷理论循环的热 力计算 Compressor Condenser Evaporator Expansion device High pressure side Low pressure side 1 2 3 4 热力计算的目的是什么？ 已知 需要的制冷量和环境参数 求出 压缩机的制冷剂流量、功耗、理论 ；COP和冷凝器 排热量 ⇒ 确定“四大件”和其它部件 h lg p 1 2 2' 3 4 q0 w qk p0 pk 蒸发温度 T0 过冷温度 排气温度 T2 冷凝温度 Tk 过热度 吸气温 度T1 h4 = h3 (1) 节流阀： （2）压缩机: 4 4 0 4 0 0 0 4 0 4 4 4 0 4 0 (1 ) (1 ) f g g f f f g v x v x v h h h h x h x h x h = − + − − = = − + W q w w h h = m = 2 − 1 （3）蒸发器： （4）冷凝器: (5) 制冷系数： (6) 热力学完善度 m V m V V Q q q Q q q v q q q h h h h = = = = − = − , 0 0 1 0 0 1 4 1 3 k m k k Q q q q h h = = 2 − 3 2 1 0 1 3 0 h h h h w q − − ε = = c ε ε η 0 =
解:该请环的压给加下所 由可h2-4352 1单位度量制平量 oo-hl-h4-158441 w/kg 冷的寥除盾环 单位求积制平量 2263 3制材量流量 33545ukg *一 本数类3 蒸发温度对循环性能的影响 冷凝温度对循环性能的影响 我的制小多我与羔发温度的兵 (1)单位农积制冷量随羔发温度下降而下降 )制冷集数随蒸发温度下降两下降 目单位求积制冷量q随比的升高而降低 2)比积劝W。v也随比的升高而增加 3)制冷無随比的升高而急剧下降 制冷机工况 体过冷对循环性能的影响 制冷机的制冷量。劝率消耗及其乞持性均与比和t0得高低有关 例如閂一台压編机,当加0=5.tk·30,它的制冷量比它工作在 方法;肴火峰論盐永 量大曰倍因此不讲制冷机的工作条件 单讲制冷量的大小是没有意义的 斗看加再斗量 压螭机出厂 蕊铭牌上标出的制冷量一般是名义工况下的 好处:(火创峰量 制冷量。对全封闭压缩而言,铭牌上标出的制 2)锅简堤口西硫你,以最高创冷亲的制斗歌量 调工巩下的制冷量卖际运行中,如工况发生改变,制冷 的性能可以直换从制造厂提供的性能鹵线中查取
8 例题：假定循环为单级压缩蒸气制冷的理论循环，蒸发温度t0=－10℃,冷凝温度为 35℃，工质为R22，循环的制冷量Q0=55kw,试对该循环进行热力计算。 解：该循环的压焓图如下所示： 1 单位质量制冷量 q0=h1－h4=158.441 kJ/kg 2 单位容积制冷量 3 制冷剂质量流量 4 理论比功 w0=h2－h1=33.645 kJ/kg 5 压缩机消耗的理论功率 P0=qmw0=11.68 kw 6 压缩机吸入的容积 V=qmv1=0.0227 m3/s 7 制冷系数 8 冷凝器单位热负荷 qk=h2－h3=192.086 kJ/kg 9 冷凝器热负荷 Qk=qmqk=66.67 kw 根据R22的热力性质表， 查出处于饱和线上的 有关状态参数值： h1=401.555 kJ/kg v1=0.0653 m3/kg h3=h4=243.114 kJ/kg p0=0.3543 MPa pk=1.3548 MPa 由图可知：h2=435.2 kJ/kg t2=57℃ 5、蒸汽压缩式制 冷的实际循环 蒸发温度对循环性能的影响 (1) 单位容积制冷量随蒸发温度下降而下降 (2) 制冷系数随蒸发温度下降而下降 氨的制冷系数与蒸发温度的关系 冷凝温度对循环性能的影响 1) 单位容积制冷量qv随tk的升高而降低 2) 比容积功wov也随tk的升高而增加 3) 制冷系数随tk的升高而急剧下降 制冷机工况 制冷机的制冷量、功率消耗及其它特性均与tk和t0得高低有关。 例如同一台压缩机，当t0=5、tk=30 时，它的制冷量比它工作在 t0=－25、tk=50 时的制冷量大四倍。因此不讲制冷机的工作条件 而单讲制冷量的大小是没有意义的。 压缩机出厂时，机器铭牌上标出的制冷量一般是名义工况下的 制冷量。对全封闭压缩而言，铭牌上标出的制冷量是标准工况下 的制冷量，如果是专门为空调器用的压缩机，则铭牌上的制冷量 为空调工况下的制冷量。 实际运行中，如果工况发生改变，制冷 机的性能可以直接从制造厂提供的性能曲线中查取。 液体过冷对循环性能的影响 方法： 增大冷凝器换热面积 冷凝器后加再冷却器 好处：（1）增大制冷量 2）确保阀进口为液体，以提高制冷系统的制冷剂质流量
体过冷(2) 体过冷 压机 冷却水一 胀闻 汽 气液分高 峡体过冷(4 蒸汽过热 设计较大的蒸 器或采用 过热对系统的影嘀(1 无效过热:从蒸发器出来的 制冷剂蒸流,在进入压縮机之 lg p 前的吸气管路上从环境吸热而 产生过热,这种过热称为无效 5=鱼=-k 过热 有效过热:制冷剂在蒸发内 过热或在安装于被冷却空问中的 叹气管路过热,过热产生了冷却 作用,因此称为有效过热
9 冷凝器 蒸发器 q0 qk wc 压缩机 膨胀阀 高温液体 高温蒸汽 低温液汽混合物 低温蒸汽 气液分离器 冷却水 液体过冷（2） 液体过冷（3） T S 1 2' 3 4 w Tk T0 q0 k pk p0 2 3' lg p h 1 2 3 2' 4 q0 w 3' 4' 液体过冷（4） 蒸汽过热 Enthalpy Compressor Condenser Receiver Pressure Evaporator 确保压缩机 吸入干蒸汽， 避免液击 设计较大的蒸 发器或采用热 力膨胀阀控制 过热度 无效过热：从蒸发器出来的 制冷剂蒸汽，在进入压缩机之 前的吸气管路上从环境吸热而 产生过热，这种过热称为无效 过热。 有效过热：制冷剂在蒸发器内 过热或在安装于被冷却空间中的 吸气管路过热，过热产生了冷却 作用，因此称为有效过热。 lg p h 1 2 3 4 q0 w 1‘ 2‘ q’0 w’ 2 1 0 1 3 0 h h h h w q − − ε = = 0 0 0 ' 0 1 1 T t q C t g pg g ∆+ ∆ + ε = ε ' 0 0 ε？≺ ε 过热对系统的影响（1） ' 1 1 v ≺ v
辽热对系统的影响(2) 随不同工 过热对系统的影响(3) 质而不同 盏汽过热带来的另一问题 吸气温庋的增加会导致排汽温度的增 加,对于绝热指数高的工质(如 氨),易于使压缩机排气温度过高而 导致润滑油分鱗,损坏压缩机 回热循环 操器 饭温液汽温合 低汽 与前面过热度的有效性讨论类似,泉用回热循 Ig p
10 饱 [( )/ ] ( )/ 1 3 1 1 3 1 h h v h h v − − ' 0 0 ε？≺ ε 随不同工 质而不同 0 0 c T q pg ; 过热对系统的影响（2） 蒸汽过热带来的另一问题： 吸气温度的增加会导致排汽温度的增 加，对于绝热指数较高的工质（如 氨），易于使压缩机排气温度过高而 导致润滑油分解，损坏压缩机 过热对系统的影响（3） 回热循环 q 蒸发器 q0 k w 压缩机 膨胀阀 高温液体 高温蒸汽 低温液汽混合物 低温蒸汽 回热器 冷凝器 T S 1 2' 3 4 w Tk T0 q0 k pk p0 2 3' 1' 2" 1 ' 1 ' h3 − h3 = h − h lg p h 1' 3 2' 2'' 4 q0 w 3' 1 2 4' 与前面过热度的有效性讨论类似，采用回热循 环是否有利与工质的特性有关： ε 饱 ε 0g