第二章 蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理#课堂课件

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1、LOGO第二章 蒸气压缩式制冷与热泵的热力学原理1医药&医学内容提要内容提要蒸气压缩式制冷与热泵的工作原理蒸气压缩式制冷与热泵的工作原理1制冷剂及其热力性质图表制冷剂及其热力性质图表2蒸气压缩式制冷（热泵）理想循环和饱和循环蒸气压缩式制冷（热泵）理想循环和饱和循环32医药医药&医学医学2.12.1蒸气压缩式制冷与热泵的工作原理原理：液体汽化吸热这一物理现象 最简单的蒸气压缩式制冷机原理图工质的要求？蒸发器：冷冻水（12-7）冷凝器：冷却水（32-37）3医药医药&医学医学、制冷机中充注易挥发的工质，例如四氟乙烷（CH2FCF3，代号R134a）。制冷机中的工质称制冷剂。工质在制冷机中4个状态变

2、化过程：（1）工质在蒸发器中的等压汽化过程（蒸发过程）汽化吸热，产生制冷效应。汽化时的压力称蒸发压力，对应的饱和温度称蒸发温度。（2）工质在压缩机中的压缩过程压缩过程消耗机械功。压缩后工质压力升高。（3）工质在冷凝器中等压冷却和凝结过程（冷凝过程）冷凝过程放出热量，产生制热效应。冷凝过程中的压力称冷凝压力，对应的饱和温度称冷凝温度。（4）工质经节流阀节流节流后工质压力降低。4医药医药&医学医学工质经历了蒸发压缩冷凝节流4个状态循环变化过程，实现了热量从低温到高温的转移。其代价是消耗了功。当制冷机用于供热（利用转移到高温处的热量）时，称为热泵。概念：1.制冷量：单位时间内蒸发器从被冷却介质中提取

3、的热量，用eQ表示。2.制热量：单位时间内热泵的冷凝器供出的热量，在制冷机中称为冷凝热量，用cQ表示。法定单位：W、KW；工程制单位：千卡/小时（kcal/h），英热单位/小时（Btu/h）。换算关系：1W=0.86kcal/h 1kW=860kcal/h 1kcal/h=1.163W 1W=3.412Btu/h5医药医药&医学医学WeQCOPWchQCOPWW3.压缩机消耗的功率：制冷机或热泵中压缩机在单位时间内消耗的功称为压缩机消耗的功率，用4.制冷机或热泵的性能系数 制冷机 热 泵注意：可以指压缩机理论消耗功率、轴功率、电机输入功率或制冷机（热泵）的总输入功率（含风机、泵的电机功率）。表

4、示，单位为W、kW。COP值为3.2以上的为A级，D级居中，介于2.8和2.6之间，E级以下为低能效空调。6医药医药&医学医学图1 氟利昂制冷系统流程图7医药医药&医学医学图2 氨制冷系统流程图8医药医药&医学医学空调用蒸气压缩式制冷机组一、冷（热）水机组生产冷冻水，提供给室内末端接冷却塔9医药医药&医学医学螺杆式冷水机组 1 3 5 4 6 2 7 8 9 10 11 12 13 14 气管 液管 油管 制冷剂循环接冷却塔生产冷冻水，提供给室内末端10医药医药&医学医学 1 3 5 4 6 2 7 8 9 10 11 冷水 冷却水 冷冻水 离心式冷水机组1-电动机；2-增速器；3-压缩机；4

5、-冷凝器；5-浮球式膨胀阀；6-挡液板；7-蒸发器；8-制冷剂回收管；9-制冷剂回收装置；10-抽气管；11-放空管11医药医药&医学医学螺杆式热泵冷热水机组1-半封闭螺杆式压缩机；2-四通阀；3-水冷换热器；4-水流开关；5-单向阀；6-高压贮液器；7-干燥过滤器；8-视液镜；9-电磁阀；10-制热热力膨胀阀；11-制冷热力膨胀阀；12-室外风冷换热器；13-风扇；14-气液分离器；15-喷液膨胀阀12医药医药&医学医学二、空气调节机组13医药医药&医学医学热泵型空调器流程图（a）制冷工况；（b）制热工况1-毛细管；2-电磁导阀滑阀；3-弹簧；4-右气缸；5-左气缸；6-滑阀14医药医药&医

6、学医学 室外机组 室内进风 室内换热器 风机电机 风机 室内出风 室内机组 室外出风 压缩机 四通阀 室外 进风 分体式挂壁空调器结构示意图15医药医药&医学医学图2.7 变频热泵型VRV空调系统原理图电子膨胀阀HPS高压开关SP高压传感器汽液分离器液体管截止阀气体管毛细管EE过滤器高压贮液器低压传感器SP压缩机毛细管过滤器油分离器室外热交换器四通阀过滤器风扇M热交换器毛细管电磁阀电磁阀单向阀过滤器电子膨胀阀过滤器T室内热交换器MTT室内热交换器过滤器电子膨胀阀过滤器TMTT过滤器室内热交换器过滤器电子膨胀阀TMTT室外机室内机n室内机2室内机1多联机空调系统原理图16医药医药&医学医学2.2

7、制冷剂及其热力性质图表1、卤代烃卤代烃是饱和碳氢化合物（CmH2m+2）的氟、氯、溴的衍生物，是建筑中应用的制冷机（热泵）中常用的一类制冷剂。卤代烃化学通式 CmHnClpFqBrr卤代烃的编号 RabcBd其中a=m-1，当a=0时，编号中省略 b=n+1 c=q d=r，当r=0时，编号中B、d均省略编号中氯原子数不表示，可按下式推算：n+p+q+r=2m+217医药医药&医学医学例：R22?CCl2F2?乙烷（C2H6）衍生物有同分异构体2223CHF CHFR134CH FCFR134a碳原子团对称分子量相同碳原子团不对称卤代烃有以下几类：氟烃（FC），如CF4（R14），或写成FC1

8、4氯氟烃（CFC），如CCl2F2(R12)，或写成CFC12氢氯氟烃（HCFC），如CHClF2（R22），或写成HCFC22氢氟烃（HFC），如CH2FCF3（R134a），或写成HFC134a氢氯烃（HCC），如CH3Cl（R40），或写成HCC40全氯代烃，如CCl4符号中第一个C代表氯，第二个C代表碳。18医药医药&医学医学2、饱和碳氢化合物甲烷（CH4）R50，乙烷（C2H6）R170丁烷及以后的烷类按序号600依次编号，如丁烷为R600、R600a。3、环状有机化合物分子结构呈环状的有机化合物，如C4F8，编号为RC318。4、共沸混合制冷剂由两种或多种制冷剂按一定比例混合在一起

9、的制冷剂，在一定压力下平衡的液相和气相的组分相同，且保持恒定的沸点，这样的混合物称为共沸混合制冷剂。例如R125/134a（50/50），编号为R507A编号法则：已商品化的共沸混合制冷剂给予编号，序号从500开始。19医药医药&医学医学5、非共沸混合制冷剂由两种或多种制冷剂按一定比例混合在一起的制冷剂，在一定压力下平衡的液相和气相组分不同（低沸点的组分在气相中的成分高于液相中的成分），且沸点并不恒定。例如R32/125/134a（23/25/52），编号R407C编号法则：已商品化的非共沸制冷剂给予编号，序号从400号开始。6、无机化合物编号法则：700加分子量氨（NH3）R717二氧化碳（

10、CO2）R744水（H2O）R71820医药医药&医学医学制冷剂热力参数表 制冷剂饱和状态下热力性质表R134a饱和状态下热力性质表温度t()绝对压力p（kPa）比 容比 焓汽化潜热hfg（kJ/kg）比 熵液体f（L/kg）蒸气g（m3/kg）液体hf（kJ/kg）蒸气hg（kJ/kg）液体sf（kJ/（kgK）蒸气sg（kJ/（kgK）6016.3170.678731.05020127.283360.230232.9480.701391.79427 5917.3860.679990.98961128.380360.862232.4820.706521.792125818.5130.6812

11、60.93311129.481361.494232.0130.711651.790025719.7000.682530.88038130.586362.127231.5400.716771.787975620.9490.683820.83114131.695362.759231.0640.721881.78596 制冷剂过热蒸气热力性质表R134a过热蒸气热力性质表温度t（）比容（m3/kg）比焓h（kJ/kg）比熵s（kJ/（kgK）温度t（）比容（m3/kg）比焓h（kJ/kg）比熵s（kJ/（kgK）p292.82kPap1016.4kPa00.068891397.2161.722004

12、00.019857418.2261.7071350.070716401.8031.73865450.020583424.0771.72567100.072500406.3911.75499500.021272429.8121.74355150.074250410.9831.77107550.021931435.4581.76089200.075969415.5861.78691600.022565441.0361.7777621医药医药&医学医学制冷剂的lgp-h图和T-s图 lgp-h图22医药医药&医学医学T-s图23医药医药&医学医学2.3蒸气压缩式制冷（热泵）理想循环和饱和循环理想循环

13、（逆卡诺循环）逆卡诺循环在T-s图上的表示1-2等熵压缩过程2-3等温压缩过程（高温热源放热）3-4等熵膨胀过程4-1等温膨胀过程（低温热源吸热）设M（kg）工质在系统内循环一周，则 Q1=T1（sbsa）M（低温热源处吸取热量）Q2=T2（sbsa）M（高温热源处排出热量）W=Q2Q（T2T1）（sbsa）M循环消耗的净功24医药医药&医学医学11c21QTCOPWTT22h,c21QTCOPWTT制冷性能系数：制热性能系数：25医药医药&医学医学在湿蒸气区中的逆卡诺循环实际上这个循环无法实现，其原因是：（1）无温差传热实际上是行不通的。（2）压缩过程在湿蒸气区进行危害性大。（3）膨胀机的尺

14、寸很小，制造不易。（4）状态点1很难检测和控制。（干度）26医药医药&医学医学饱和循环蒸气压缩式制冷饱和循环在T-s图上的表示1-2绝热压缩过程2-3冷凝过程（2-2等压冷却和2-3凝结过程）压强不变3-4绝热节流过程4-1蒸发过程饱和循环是对湿蒸气区中逆卡诺循环进行如下改造后的可实现的循环：（1）取消膨胀机，改用节流阀。（2）状态点1改为饱和蒸气状态。（3）使TeT2。27医药医药&医学医学饱和循环在lgp-h图上的表示28医药医药&医学医学er14()QM hh（1）蒸发器（4-1）ee14rQqhhM制冷量单位质量制冷剂的制冷量单位质量冷凝热量或热泵制热量cc23rQqhhMcr23()

15、QM hh制热量（2）蒸发器（2-3）（3）压缩机（1-2）r21()WM hh压缩机消耗功率21rWwhhM单位质量制冷剂消耗的功29医药医药&医学医学根据热力学第一定律ceQQWqc=qe+wee1421QqhhCOPWwhhcc23h21QqhhCOPWwhh制冷性能系数制热性能系数COPh=1+COP30医药医药&医学医学压缩机吸入口容积流量rr 1VM v单位容积制冷量ee14vr11QqhhqVvv注意：制冷机的容积流量各处不一定相等。如无特殊说明rV、qv均指压缩机吸汽口处的物理量。31医药医药&医学医学Te和Tc对饱和循环的影响蒸发温度变化的影响当Te，则qe，qv，w，qc，

16、COP，COPh冷凝温度变化的影响当Tc，则qe，qv，w，COP，COPh，qc与制冷剂性质有关，一般是增加的。32医药医药&医学医学2.4饱和循环和理想循环的比较饱和循环和逆卡诺循环在T-s上的比较逆卡诺循环：1-5-2-3-6-1饱和循环：1-2-2-3-4-1逆卡诺循环与饱和循环的比较逆卡诺循环饱和循环差 值（饱和-逆卡诺）单位质量制冷量qe面积6-1-c-a-6面积4-1-c-b-4A2单位冷凝热量qc面积5-3-a-c-5面积2-2-3-a-c-2+A1单位压缩功w面积1-5-3-6-1面积1-2-2-3-a-b-4-1A1+A2COP变化?33医药医药&医学医学蒸气压缩制冷（热泵

17、）饱和循环与理想循环的蒸气压缩制冷（热泵）饱和循环与理想循环的3个不同点是：个不同点是：干压缩代替湿压缩；用节流阀代替膨胀机；吸热及放热过程为定压过程且存在传热温差。1蒸汽压缩式制冷理论循环中为什么用节流阀代替膨胀机，对制冷系数有何影响？2蒸汽压缩式制冷理论循环中为什么用干压缩代替湿压缩？对制冷系数有何影响？?思考题思考题34医药医药&医学医学 1.（1）用节流阀代替膨胀机原因：进入膨胀机的是液态制冷剂，体积变体很小，膨胀机体积也要很小，难于制造；膨胀机作功能力不足以克服机器本身的摩擦阻力；节流阀便于调节进入蒸发器的制冷剂流量。用节流阀取代膨胀机，损失了膨胀功A2和单位制冷量减少了A2（称节流

18、损失），降低了制冷系数。（2）对制冷系数的影响：35医药医药&医学医学2.（1）干压缩代替湿压缩的原因：湿压缩制冷能力降低：吸入湿蒸汽时，制冷剂与压缩机汽缸壁热交换强烈，因为压缩后温度很高，吸入时流体碰到热的汽缸壁，液珠变为气体，占据了汽缸的有效空间，使压缩机吸入制冷剂的质量减少；同时，汽缸壁受到强烈冷却，压缩时汽缸壁又从压缩蒸汽中吸收热量，这种强烈热交换不可逆程度增加，熵增大，耗功量增大。避免液击（敲缸）危险：当大量液体制冷剂进入汽缸时，因液体是不可压缩的，所以当压缩机活塞冲到尽头时，汽缸的压力大增，引起液压冲击，使压缩机和电机受到危害。这是不允许的。（2）对制冷系数的影响：采用干压缩后，压

19、缩多耗了功A1（称过热损失）；且排汽温度升高了。降低了制冷系数。36医药医药&医学医学由于有过热损失和节流损失，导致性能系数下降。用制冷循环效率来衡量饱和循环接近逆卡诺循环的程度。e,c2e,c2e,cRc12c12c1(/)/1()/qAqAqwAAwAAw 4种制冷剂的节流损失、过热损失、排汽温度和循环效率（te/tc=0/40）2cAw2e,cAq1cAw制冷剂节流损失过热损失t2（）COPR（%）A2（kJ/kg）（%）（%）A1（kJ/kg）（%）R134a4.29220.162.950.1160.55445.48780.4R224.08417.452.560.5762.558.45

20、.54681.2R71713.8038.721.2813.588.5795.75.74584.2R1231.7238.21.200406.23291.3热泵循环效率分别为82.8%、83.7%、86.2%、92.4%37医药医药&医学医学2.5饱和循环的改进措施过热损失和节流损失是导致性能系数偏离逆卡诺循环的主要原因。节流损失节流前过冷安装过冷器增加传热面积安装回热器回收膨胀功中间冷却或多级压缩过冷度Pk/P08蒸气回热循环过冷、过热度过热损失大容量制冷装置中采用膨胀机（少）?思考题思考题 节流阀前液体过冷有何意义？38医药医药&医学医学qe、qv、COP每过冷1的增加百分数（te/tc=0/

21、40）制冷剂R134aR22R717R123qe、qv、COP增加百分率（%）1.050.840.440.721、节流前过冷39医药医药&医学医学2、回热循环4种制冷剂采用回热循环后COP、COPh、qv增减百分比及t2制冷剂R134aR22R717R123COP增减百分比（）13.91.144.213.2COPh增减百分比（）11.80.973.62.8qv增减百分比（）2.491.034.531.5排汽温度t2（）62.877.912059.840医药医药&医学医学3、使用膨胀机41医药医药&医学医学4、多级压缩42医药医药&医学医学2.6双级压缩制冷（热泵）循环?思考题思考题 多级压缩中

22、间冷却意义？压力比增加对循环的影响R134a在以下两种工况循环的比较te,tc,pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.471-2-3-4-1：压力比为3.47的饱和循环1-2-3-4-1：压力比为7.23的饱和循环qe、qc、qv和COP、COPh？压力比增加对循环的影响R134a在以下两种工况循环的比较te,tc,pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下两种工况循环的比较压力比增加对循环的影响te,tc,pe,kPapc,kPapc/pe0

23、70292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下两种工况循环的比较压力比增加对循环的影响te,tc,pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下两种工况循环的比较1-2-3-4-1：压力比为3.47的饱和循环1-2-3-4-1：压力比为7.23的饱和循环压力比增加对循环的影响te,tc,pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下两种工况循环的比较1-2-3-4-1：压力比为3.47的饱和循

24、环1-2-3-4-1：压力比为7.23的饱和循环压力比增加对循环的影响te,tc,pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下两种工况循环的比较1-2-3-4-1：压力比为3.47的饱和循环1-2-3-4-1：压力比为7.23的饱和循环压力比增加对循环的影响te,tc,pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下两种工况循环的比较qe、qc、qv和COP、COPh？不同压力比的饱和循环在lgp-h图上的比较1-2-3-4-1：压力比

25、为3.47的饱和循环1-2-3-4-1：压力比为7.23的饱和循环压力比增加对循环的影响te,tc,pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下两种工况循环的比较43医药医药&医学医学如何改善大压力比对制冷（热泵）循环带来的不利影响呢？-采用双级或者多级循环1、两级节流完全中间冷却的双级制冷（热泵）循环两级节流完全中间冷却的双级压缩制冷（热泵）循环用于过热损失和节流损失均较大的制冷剂循环中44医药医药&医学医学2、两级节流不完全中间冷却的双级制冷（热泵）循环两级节流不完全中间冷却的双级压缩制冷（热泵）循环（状态点

26、8为完全冷却）用于节流损失大、过热损失小的制冷剂循环中45医药医药&医学医学3、一级节流不完全中间冷却的双级制冷（热泵）循环一级节流不完全中间冷却的双级压缩制冷（热泵）循环节流损失大的循环中，可利用压缩机的吸热继续对状态6的液体进行冷却46医药医药&医学医学4、准双级制冷（热泵）循环有两级叶轮的离心式压缩机可实现此循环。第一级叶轮相当于低压级压缩机，第二级叶轮相当于高压级压缩机。双级压缩制冷（热泵）循环的热力计算（1）单位质量制冷量qe=h1h6（2）低压级压缩机单位压缩功wL=h2h1（3）高压级压缩机单位压缩功wH=h4h3（4）低压级压缩机质量流量和容积流量Leee16/()MQqQhh

27、47医药医药&医学医学（5）高压级压缩机质量流量和容积流量1）完全中间冷却不完全中间冷却HL8685()/()MMhhhhHL 38685()/()VM v hhhh2）48医药医药&医学医学（6）低压级压缩机消耗功率LL21()WMhh（7）高压级压缩机消耗功率HH43()WMhh（8）冷凝热量或热泵制热量cH45()QMhh（9）盘管式中间冷却器负荷ccL56()QMhh（10）制冷性能系数L16L21H43()/()()COPMhhMhhMhh49医药医药&医学医学?思考题思考题实际压缩与理论压缩的区别？2.7实际循环与理论循环的差异在lgp-h图上表示的差异 1-2-3-4-1：理论的

28、饱和循环1-1-2-2-3-3-4-1：实际循环在lgp-h图上表示的差异 50医药医药&医学医学（1）蒸发器中并非等压过程。（2）压缩机吸汽状态偏离饱和状态。（3）压缩过程并非可逆的绝热过程。（4）冷凝器入口状态并非压缩终点状态。（5）冷凝器中并非等压过程。（6）高压液体管有阻力和传热。（7）节流阀及低压液体管中并非绝热节流51医药医药&医学医学实际循环和理论循环存在不少差别，表现在理论循环忽略了：1.在压缩过程中：气体内部及气体与气缸壁之间的摩擦；气体与外部的热交换。2.制冷剂进入吸气阀和排出时经排气阀有节流损失；3.制冷剂通过管道、冷凝器、蒸发器等设备时，制冷剂与管壁、器壁之间摩擦以及外

29、部热交换。52医药医药&医学医学利用吸汽管压降调节制冷机的制冷量用算例来说明，设饱和循环te=40，tc=0；制冷剂为R134a；吸汽管上装有调节阀，使吸汽压力节流到相当于5的饱和压力。循环在lgp-h图上的表示53医药医药&医学医学循环各状态的热力参数：h1=397.216kJ/kg v1=0.068891m3/kgh2=424.919kJ/kg v1=0.084367m3/kg h2=428.975kJ/kg eQeQee11e11e/0.0688910.817/0.084367Qq V vvq V vvQ吸汽有节流的制冷量与无节流的制冷量之比WW211211211211()/()(428.975397.216)0.0688910.936()/()(424.919397.216)0.084367hh V vhh vWWhh V vhh v吸汽有节流的消耗功率与无节流的消耗功率之比 吸汽节流后制冷量减少了18.3%，而消耗功率仅减少了6.4%。这种调节制冷量的方法，其性能系数是下降的。54医药医药&医学医学