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蒸汽压缩式制冷,第三章,本章内容,3.1 可逆制冷循环 3.2 单级蒸气压缩理论制冷循环 3.3 单级蒸气压缩实际制冷循环 3.4 制冷剂 3.5 采用混合制冷剂的单级蒸气压缩式制 冷循环 3.6 多级蒸气压缩制冷循环 3.7 复叠式制冷循环 3.8 CO2超临界制冷循环,3.1.1 压缩式制冷的热力学原理概述 3.1.2 逆卡诺制冷循环 3.1.3 劳伦茨循环,3.1 可逆制冷循环,制冷循环是利用逆向热力循环的能量转换系统,通过一定的能量补偿,从低温热源吸收热量,向高温热汇排放热量。,热源(heat source): 流出热量的对象,制冷剂从中吸热。,热汇(heat sink): 流入热量的对象,制冷剂向其排热。,制冷循环的热力学本质: 用能量补偿的方式把热量从低温热源转移到高温热汇。,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,制冷循环可达到的效果 制冷制冷机 制热热泵,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,1 制冷机与热泵,性能系数(COP,Coefficient Of Performance): COP=收益能量/补偿能量 COP的数值可能大于1、小于1或等于1。,2 性能系数和热力完善度,性能系数和热力完善度(或循环效率)是评价制冷 循环的经济性指标。,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,无量纲量,制冷系数,QH=Q0 +W COPH=COPR+1,供热系数,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,热力完善度 : 制冷循环与相同工作温度下可逆循环的接近程度 越大,循环性能越好,热力学不可逆损失越小; 越小,循环中热力学不可逆损失越大。,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,无量纲量,EER(Energy Efficiency Ratio):能效比或能源利用系数. 与COP的区别在哪里? 由于计算时采用不同单位,因此所得数值也不相同。例如: 制冷量 输入功率 kcal/h W EER=0.86 W W EER=1 BTU/h W EER=3.41 来源:采暖通风与空气调节术语标准 GB50158-92,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,COP或EER是指在标准条件下运行的能源利用系数,实际上制冷机大都是在非标准条件下运行,因此美国能源部1977年提出了SEER(Seasonal Energy Efficiency Ratio季节能效比)。SEER比EER更合理。,3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,SEER-季节能效比,蒸 发 温 度 冷凝温度 标准制冷量 -15 ? 空调工况制冷量 5 ? 房间空调器压缩机 ? ? 不指出运行条件的制冷量是没有任何意义的。 1USRT(美国冷吨)3.517kw 1日本冷吨3.861kW 1冷吨是指1吨0的饱和水在24小时冷冻到0的冰所需要的冷量(1吨(日本2000kg),美国2000磅),3.1.1蒸气压缩制冷的热力学原理,室内干/湿球温度:27/19,室外干/湿球温度:35/24,Carnot 循环,逆Carnot 循环,从高温热源吸取热量而实现对外做功:热机循环,将热量从低温热源中取出,并排放到高温热源:制冷循环,3.1.2 逆卡诺制冷循环,逆卡诺循环组成:,两个等温过程(无温差) 两个等熵过程(无摩擦),2,3,1,4,q0,逆卡诺循环,TH,TL,S3,S1,S,T,过程名称、温度、吸放热方向 热量、功、COP,3.1.2 逆卡诺制冷循环,12 绝热压缩;温度从TLTH; 23 等温放热:温度保持TH ;向 高温热源放热QH; 34 绝热膨胀:温度从TH TL 41 等温吸热:温度保持T0;从 低温热源吸收热量Q0;,3.1.2 逆卡诺制冷循环,2,3,1,4,q0,TH,TL,S3,S1,S,T,Q0TL(S1S4)TLS QHTH(S2S3)THS W= QH - Q0 =(TH -TL)S,室内温度:27,室外温度:35, 计算逆卡诺循环制冷系数 空调 逆卡诺循环制冷系数 (蒸发温度,冷凝温度确定方法),循环效率COP,3.1.2 逆卡诺制冷循环,逆卡诺制冷循环性能系数特点,相同热源热汇温度下的制冷循环中最高 只与热源、热汇温度有关 随 变化, 越大,COP越小,用逆卡诺制冷循环评价制冷循环经济性的意义: 制冷循环的COP与热源、热汇温度有关 用COP评价制冷循环的经济性时,只有指明热源热汇温度才有意义 循环效率可以直接评价各种制冷循环的经济性,3.1.2 逆卡诺制冷循环,例,某蒸汽压缩制冷过程,制冷剂在5K吸收热量Q0,在00K放出热量Qk,压缩和膨胀过程是绝热的,向制冷机输入的净功为 ,判断下列情况是: A.可逆的 B. 不可逆的 C .不可能的 (1) Q0 =2000kJ =400kJ (2) Q0=1000kJ Qk=1500kJ (3) =100kJ Qk=700kJ,该制冷过程是可逆的,选A,(1),解:, + Q0 = Qk,3.1.2 逆卡诺制冷循环,该制冷过程是不可逆的,选B,该制冷过程是不可能的,选C,(2) Q0=1000kJ Qk=1500kJ,(3) WN=100kJ Qk=700kJ,3.1.2 逆卡诺制冷循环,逆卡诺循环COP与热源热汇温度之间关系,此图如何作出的?,3.1.2 逆卡诺制冷循环,热源热汇是变温的 制冷剂吸、放过程也是变温的 循环构成: 等熵压缩 变温放热(无温差) 等熵膨胀 变温吸热(无温差),可逆劳伦茨循环 变温热源热汇条件下热力学最理想的循环,3.1.3 劳伦茨制冷循环,可逆劳化茨循环的性能系数: 放热量: 吸热量: Tm、Tom吸放热过程的平均当量温差 输入功:w=q-q0 性能系数,3.1.3 劳伦茨制冷循环,小结 第一节 可逆制冷循环,制冷循环 如何评价制冷循环 逆卡诺循环 性能系数 性能系数与热源热汇温度关系 劳论茨制冷循环,3.2.1 单级蒸汽压缩式制冷循环的特点及工作过程 3.2.2 制冷剂的状态图 3.2.3 单级蒸汽压缩式制冷理论循环,3.2 单级蒸汽压缩式制冷理论循环,组成特点 压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器 各自的作用 工作过程 冷凝温度冷却介质温度 蒸发温度被冷却介质温度 闪发蒸汽,3.2.1 单级蒸汽压缩式制冷循环的特点及工作过程,制冷剂状态图压力-比焓图,六条等值线 二条饱和线 三个状态区 一个临界点,h,3.2.2 制冷剂状态图,压焓图的构成,六条等值线 : 等压线、等温线、等比焓线、 等比熵线、等比容线、等干度线 二条饱和线: 饱和蒸气线、饱和液体线 三个状态区: 液体区、湿蒸气区、过热蒸气区 一个临界点:临界压力和临界温度,3.2.2 制冷剂状态图,温度-比熵图,五条等值线 二条饱和线 三个状态区 一个临界点,3.2.2 制冷剂状态图,逆Carnot 循环特点(蒸汽式),COP = f (Tk, T0) 与制冷剂无关,用膨胀机完成绝热膨胀过程,两个等温两个绝热过程,COP逆Carnot =COP max,3.2.3 理论循环,热汇和热源的温度恒定,且制冷剂在相变过程中与热源(热汇)之间没有传热温差(蒸发温度为热源温度、冷凝温度为热汇温度) 制冷剂在蒸发器出口为饱和蒸汽、冷凝器出口为饱和液体; 制冷剂除了在压缩机和膨胀阀处发生压力变化外,整个循环的其它流动过程没有压力损失 除热交换器外,制冷剂在整个循环的其他流动过程中与外界无热交换; 压缩过程为等熵过程; 节流过程为绝热节流过程。,蒸气压缩式制冷理论循环的假定,过热气体传热?,3.2.3 理论循环,3.2.3 理论循环,2.理论循环在状态图上的描述,两个等压过程 一个绝热压缩过程 一个绝热节流(非膨胀)过程,3.2.3 理论循环,2.理论循环在状态图上的描述,点1代表制冷剂进入压缩机的状态,它是对应于蒸发温度(压力)下的饱和蒸气。点1位于p0等压线(或T0等温线)与饱和蒸气线(等干度线x=1)的交点上。 点2表示经压缩机压缩后排出的制冷剂状态,也是制冷剂在冷凝器入口处的状态。过程线1-2表示制冷剂气体在压缩机中的等熵压缩过程,有s1=s2。所以点2位于等熵线s1与等压线pk的交点上。大多数制冷剂饱和蒸气经等熵压缩后成为过热蒸气,点2为过热蒸气状态。,3.2.3 理论循环,2.理论循环在状态图上的描述,点3表示制冷剂在冷凝器出口处的状态,也是制冷剂节流前的状态。点3为饱和液体状态。冷凝器中的过程2-2-3是定压过程,过程2-2表示过热蒸气定压冷却到饱和蒸气的过程;过程2-3表示从饱和蒸气定压凝结到饱和 液体的过程。点2位于等压线pk与等干度线x=1的交点上;点3位于等压线 pk与等干度线x=0的交点上。,3.2.3 理论循环,2.理论循环在状态图上的描述,点4表示节流后的制冷剂状态,也是制冷剂在蒸发器入口处的状态。点4为低压两相状态。3-4为节流过程,因为节流过程是绝热的,所以h3=h4;节流后压力达到蒸发压力,点4位于p0等压线与h3等焓线的交点上。,3.2.3 理论循环,2.理论循环在状态图上的描述,过程4-1表示发生在蒸发器中的定压蒸发过程。至此,完成一个理论循环过程。,理论循环各状态点和各过程特点,1:制冷剂进入压缩机状态(低温低压饱和气体) 2:压缩机排出的制冷剂状态(大部分为高温高压过热气体) 3:冷凝器出口制冷剂状态(常温高压饱和液体) 4:节流后制冷剂状态(低温低压湿蒸汽),1-2:压缩机中 等熵压缩 2-3:冷凝器中 等压放热 3-4:节流阀 绝热节流 4-1:蒸发器中 等压吸热,循环特性,已知条件: 制冷剂类型 蒸发温度,冷凝温度 求解量: 单位质量制冷剂制冷量 单位容积制冷剂制冷量 单位质量制冷剂消耗功率(比功) 单位容积制冷剂消耗功率(容积比功) 单位质量制冷剂冷凝热负荷 压力比 排气温度 循环性能系数(COP) 循环的热力完善度(或循环效率) 求解工具 :压焓图,理论循环的制冷机性能计算,已知条件: 循环特性 压缩机的理论输气量 求解量: 制冷剂循环质量 制冷量 压缩机功率 压缩机性能系数,开口系统稳定流动热力学第一定律:,3.2.3 理论循环,3.理论循环的性能指标,q单位质量换热量 Wt技术功 Wu有用功,循环的性能特性,单位质量制冷量 单位容积制冷量 比功 容积比功 单位冷凝热负荷 压力比 排气温度 循环的性能系数 循环效率,q0=h1-h4 qzv=qk/v1 w=h2-h1 wv=w/v1 qk=h2-h3 =p2/p1=pk/p0 COP = qz/w =COP/COPc,3.2.3 理论循环,理论循环的制冷机性能指标,注意: 压焓图上的制冷剂是1kg ; 实际制冷系统关心的是,一定制冷剂流量 (m kg/s)下,能够制取的制冷量(kW)。,制冷压缩机性能,制冷剂的质量流量 制冷量 压缩机功率 压缩机的性能系数,qm=qvh/v1 0 =q0qm =qvhqzv P= qmw COP= 0/P,理论循环与理想循环比较,用膨胀阀代替膨胀机 液态制冷剂体积变化不大 ,所获得的膨胀功不足以克服机器本身的摩擦阻力 简化系统,便于根据负荷变化调节制冷剂流量。 冷凝器中过热气非相变传热存在传热温差,理论循环的作用和意义,是实际循环的基准和参照,用于分析研究实际循环的各种不完善因素和应作出改进 用于评价制冷剂在相同循环时的热力性能。 P73表3-1不同制冷剂热力性能比较,排除了机器设备本身的不完善 热源热汇温度一定,理论循环特性唯一的取决于制冷剂的热力性质,3.2.3 理论循环,不同制冷剂热力性能比较,为
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