第四章單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)12§4—1理想制冷循環(huán)§4—2單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)§4—3單級蒸氣壓縮式實(shí)際制冷循環(huán)3一、制冷循環(huán)和熱泵循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性能二、理想制冷循環(huán)三、對制冷循環(huán)的簡要分析和討論§4—1理想制冷循環(huán)4一、制冷循環(huán)和熱泵循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性能通過第二章的學(xué)習(xí)知道，任何制冷循環(huán)從能量的角度出發(fā)都可以用圖來表示?！?—1理想制冷循環(huán)1、制冷系數(shù)制冷循環(huán)中的能量關(guān)系5由式可見，在制冷循環(huán)中所消耗的機(jī)械功或工作熱能越少，且從低溫?zé)嵩刺幬盏臒崃吭蕉?，則制冷系數(shù)越大，設(shè)備的工作效率越高。實(shí)際中的制冷系數(shù)可能大于1，也可能小于等于1，不過蒸氣壓縮式制冷循環(huán)在普冷范圍下制冷系數(shù)通常為3～5。§4—1理想制冷循環(huán)1、制冷系數(shù)6為衡量一臺熱泵的經(jīng)濟(jì)性能，引入了供暖系數(shù)（μ）的概念，即實(shí)現(xiàn)熱泵循環(huán)時向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃浚≦k，供暖量）與完成循環(huán)所消耗的能量（機(jī)械功Wnet或工作熱能Q）的比值，見式。由式（4—2）可見，在熱泵循環(huán)中所消耗的機(jī)械功或工作熱能越少，且向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃吭蕉?，則供暖系數(shù)越大，設(shè)備的工作效越高?！?—1理想制冷循環(huán)2、供暖系數(shù)7例題一臺熱泵型空調(diào)器（見圖），在冬季工作時的電功率是1000W，它的標(biāo)準(zhǔn)制熱量是3200W，試求其供暖系數(shù)?！?—1理想制冷循環(huán)2、供暖系數(shù)熱泵型空調(diào)器供暖示意圖8通常外界環(huán)境的溫度越低，熱泵的供暖效率也越低，供暖系數(shù)越小。當(dāng)冬季室外溫度低于0℃后，不但因室外溫度較低而使采暖效率下降，還因工作中的家用空調(diào)器室外換熱器（這時充當(dāng)著蒸發(fā)器）中制冷劑的蒸發(fā)溫度低于室外環(huán)境溫度，使得室外換熱器的管道和翅片上很快結(jié)滿霜層，從而嚴(yán)重影響蒸發(fā)器從室外介質(zhì)中吸熱?！?—1理想制冷循環(huán)2、供暖系數(shù)9二、理想制冷循環(huán)可逆過程是一種理想的熱力學(xué)過程，即熱力學(xué)系統(tǒng)由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過某一過程到達(dá)另一狀態(tài)后，如果存在另一過程，它能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，即讓系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)，同時又完全消除原來過程對外界所產(chǎn)生的一切影響，則原來的過程稱為可逆過程。反之，如果無論采用何種辦法都不能使系統(tǒng)和外界完全復(fù)原，則原來的過程稱為不可逆過程?！?—1理想制冷循環(huán)1、可逆過程和不可逆過程10逆向卡諾循環(huán)是由兩個可逆絕熱過程和兩個可逆等溫過程組成的，是在一個恒定高溫?zé)嵩春鸵粋€恒定低溫?zé)嵩撮g工作的逆向循環(huán)，并且工質(zhì)與高溫?zé)嵩?、低溫?zé)嵩粗g的傳熱溫差為無窮小，即Tk=TH，T0=TLTk為制冷劑高溫?zé)嵩吹葴胤艧岬臏囟?，TH為高溫?zé)嵩吹臏囟?，T0為制冷劑從低溫?zé)嵩吹葴匚鼰岬臏囟?，TL為低溫?zé)嵩吹臏囟??！?—1理想制冷循環(huán)2、逆向卡諾循環(huán)11如圖1和圖2所示為工質(zhì)在氣相區(qū)逆向卡諾循環(huán)的壓力—比容圖（簡稱p-v圖）和溫熵圖（簡稱T-S圖）?！?—1理想制冷循環(huán)2、逆向卡諾循環(huán)1-氣相區(qū)的逆向卡諾循環(huán)p—v圖2-氣相區(qū)的逆向卡諾循環(huán)T—S圖12由T-S圖得循環(huán)中系統(tǒng)吸收低溫?zé)嵩吹臒崃浚貉h(huán)中系統(tǒng)向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃浚焊鶕?jù)熱力學(xué)第一定律，得到：§4—1理想制冷循環(huán)2、逆向卡諾循環(huán)13因此，逆向卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)：上式表明，所有工作于同溫度高溫?zé)嵩春屯瑴囟鹊蜏責(zé)嵩粗g的理想制冷循環(huán)的效率都相等，而與采用的工質(zhì)種類無關(guān)。上式還反映了這樣一條規(guī)律：§4—1理想制冷循環(huán)2、逆向卡諾循環(huán)14另外，卡諾定理表明：所有工作于同溫度高溫?zé)嵩春屯瑴囟鹊蜏責(zé)嵩粗g的一切制冷循環(huán)中，可逆制冷循環(huán)的效率最高（制冷系數(shù)最大），即：同理可得：§4—1理想制冷循環(huán)2、逆向卡諾循環(huán)15三、對制冷循環(huán)的簡要分析和討論若降低高溫?zé)嵩礈囟?，同時提高低溫?zé)嵩礈囟龋瑒t循環(huán)效率會得到提高。實(shí)踐還證明，低溫?zé)嵩吹臏囟葘χ评湫实挠绊懕雀邷責(zé)嵩吹臏囟雀蟆Ｔ趯?shí)際中還因高溫?zé)嵩吹臏囟瘸Ｊ艿江h(huán)境條件的限制無法降低，通常在滿足維持起碼的低溫溫度，即被降溫區(qū)的溫度上限的前提下，用提高低溫?zé)嵩吹臏囟葋硖岣咧评湎禂?shù)?！?—1理想制冷循環(huán)1、高、低溫?zé)嵩礈囟葘χ评溲h(huán)效率的影響16由于在制冷循環(huán)的兩個換熱過程中很容易做到“恒壓”，根據(jù)飽和壓力與飽和溫度的對應(yīng)關(guān)系，在兩相區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)逆向卡諾循環(huán)的可逆等溫?fù)Q熱要比在氣相區(qū)更具可行性，所以,實(shí)際中通常在兩相區(qū)來實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)，如圖所示?！?—1理想制冷循環(huán)2、在兩相區(qū)實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)兩相區(qū)的逆向卡諾循環(huán)T-S圖17若果真如上所說，在將循環(huán)完全地轉(zhuǎn)移到兩相區(qū)時，則壓縮過程中被壓縮的就不再是干蒸氣，而是濕蒸氣，這樣的壓縮稱為“濕壓縮”,它會導(dǎo)致“液擊”事故的發(fā)生。因此，在實(shí)際中將循環(huán)的壓縮部分移出兩相區(qū),如圖所示。§4—1理想制冷循環(huán)3、濕壓縮與干壓縮干壓縮逆向卡諾循環(huán)T-S圖18工質(zhì)要吸取低溫?zé)嵩吹臒崃?其溫度（T0）必定低于低溫?zé)嵩吹臏囟龋═L），而向高溫?zé)嵩捶懦鰺崃繒r，其溫度（Tk）必定要高于高溫?zé)嵩吹臏囟龋═H），即Tk>TH，T0<TL，分別如圖1和圖2所示?！?—1理想制冷循環(huán)4、傳熱溫差對循環(huán)的影響2-工質(zhì)吸熱條件1-工質(zhì)放熱條件19因此，實(shí)際的制冷循環(huán)路線將由如圖所示的1-2-3-4-1變?yōu)?′-2′-3′-4′-1′。§4—1理想制冷循環(huán)4、傳熱溫差對循環(huán)的影響傳熱溫差對循環(huán)的影響20從上面的分析可知，一個實(shí)際制冷循環(huán)的制冷效率總是低于相同溫度條件下高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹哪嫦蚩ㄖZ循環(huán)的制冷系數(shù)。這個相對差值越小，表示其熱力學(xué)性能越好，循環(huán)越接近理想狀態(tài)，為此用“熱力完善度”來反映實(shí)際制冷循環(huán)的這一能力。§4—1理想制冷循環(huán)5、熱力完善度21一、單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)假設(shè)條件和熱力狀態(tài)圖二、理論制冷循環(huán)的熱力性能指標(biāo)§4—2單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)22一、單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)假設(shè)條件和熱力狀態(tài)圖單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)如圖所示，制冷工作原理已在第二章講述，圖的中央是單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)的壓焓圖。直角坐標(biāo)系以制冷劑工質(zhì)的焓值為橫軸，以制冷劑工質(zhì)壓力的對數(shù)值為縱軸?！?—2單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)23一、單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)假設(shè)條件和熱力狀態(tài)圖1、壓縮過程為干飽和蒸氣的等熵壓縮過程，如上圖所示的過程1—2。2、冷卻冷凝過程無壓降，且冷凝過程無傳熱溫差，無過冷，如上圖所示的過程2-4。3、節(jié)流過程為 飽和液體的等焓降壓過程，如上圖所示的過程4-5。4、蒸發(fā)過程無壓降，無傳熱溫差，如上圖所示的過程5-1。§4—2單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)24二、理論制冷循環(huán)的熱力性能指標(biāo)（1）定義單位質(zhì)量制冷量簡稱單位制冷量，是指在理論制冷循環(huán)中單位質(zhì)量制冷劑在蒸發(fā)器中定壓沸騰汽化時吸收的熱量，常用q0表示，單位是千焦/千克（kJ/kg）。（2）計(jì)算公式§4—2單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)1、單位質(zhì)量制冷量25（3）分析在圖1所示的單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)壓焓圖中，單位質(zhì)量制冷量相當(dāng)于過程線5-1在橫軸上的投影，在圖2所示的單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)溫熵圖中相當(dāng)于1-5-S5-S1的矩形面積。q0也可表達(dá)為：§4—2單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)1、單位質(zhì)量制冷量2-單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)溫熵圖1-單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)壓焓圖26(1)定義在循環(huán)中，制冷壓縮機(jī)每吸取1、m3的制冷劑回氣，制冷劑在低溫?zé)嵩刺幬叩臒崃糠Q為單位容積制冷量，常用qv表示，單位為千焦/米3（kJ/m3）。(2)計(jì)算公式§4—2單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)2、單位容積制冷量27(3)分析由于吸氣比容v1隨蒸發(fā)溫度的下降而增大，由式可見，制冷劑種類和蒸發(fā)溫度的高低等,也是影響單位容積制冷量的主要因素。§4—2單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)2、單位容積制冷量28(1)定義制冷壓縮機(jī)每次等熵壓縮并循環(huán)1kg制冷劑所消耗的機(jī)械功稱為單位理論功，常用w0表示，單位為千焦/千克（kJ/kg）。(2)計(jì)算公式§4—2單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)3、單位理論功29(3)分析單位理論功在上圖1所示的壓焓圖中,相當(dāng)于過程線1-2在橫軸上的投影，在上圖2所示的溫熵圖中,相當(dāng)于1-2-3-4-7-5-1所圍成的多邊形面積。§4—2單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)3、單位理論功30(1)定義在循環(huán)中，制冷壓縮機(jī)每輸送1、kg制冷劑，制冷劑在冷凝器內(nèi)等壓冷凝時向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃糠Q為單位冷凝器負(fù)荷，常用qk表示，單位為千焦/千克（kJ/kg）。(2)計(jì)算公式§4—2單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)4、單位冷凝器負(fù)荷31(3)分析單位冷凝器負(fù)荷在上圖1所示的壓焓圖中,相當(dāng)于冷卻冷凝過程線2-3在橫軸上的投影；在圖上圖2所示的溫熵圖中,相當(dāng)于1-2-3-4-S4-S1-1所圍成的多邊形面積?！?—2單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)4、單位冷凝器負(fù)荷32(1)計(jì)算公式(2)分析理論制冷循環(huán)的制冷系數(shù)不但與高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟扔嘘P(guān)，還與循環(huán)所選用的制冷劑有關(guān)，這是理論制冷與理想制冷的重要區(qū)別之一?！?—2單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)5、單級理論制冷循環(huán)制冷系數(shù)33單級理論制冷循環(huán)的熱力完善度β0的計(jì)算公式如下：§4—2單級蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)6、單級理論制冷循環(huán)的熱力完善度34一、實(shí)際循環(huán)中影響制冷效率的主要因素二、單級實(shí)際制冷循環(huán)熱力過程分析§4—3單級蒸氣壓縮式實(shí)際制冷循環(huán)三、單級實(shí)際制冷循環(huán)的簡化四、單級蒸氣壓縮式實(shí)際制冷循環(huán)的熱力性能指標(biāo)35一、實(shí)際循環(huán)中影響制冷效率的主要因素(1)壓縮機(jī)吸入的是過熱蒸氣蒸氣壓縮式制冷設(shè)備在工作時,由于高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟葧S著眾多因素的改變而改變，為了保證不形成濕壓縮，防止液擊事故的發(fā)生，不得不讓回氣過熱，即吸氣溫度要高于蒸發(fā)溫度（t1>t0）。這不但增大了系統(tǒng)的熱負(fù)荷，也增大了吸氣比容，降低了制冷劑的有效循環(huán)量。§4—3單級蒸氣壓縮式實(shí)際制冷循環(huán)1、吸氣、壓縮和排氣過程36(2)吸氣壓力低于蒸發(fā)壓力如圖所示為壓縮機(jī)吸氣時的情景，制冷劑回氣必須克服吸氣彈簧的拉力才能將吸氣閥門打開，故吸氣時的吸氣壓力低于蒸發(fā)壓力，即p1<p0，它使得吸氣比容增大。§4—3單級蒸氣壓縮式實(shí)際制冷循環(huán)1、吸氣、壓縮和排氣過程壓縮機(jī)吸氣時的情景37(3)進(jìn)入氣缸的制冷劑溫度進(jìn)一步提高低溫制冷劑進(jìn)入氣缸后吸收缸壁熱量，溫度升高，比容進(jìn)一步增大，有效輸氣量進(jìn)一步減少。(4)壓縮過程既不等熵也不絕熱壓縮初期制冷劑回氣溫度低于氣缸壁溫度，被吸入氣缸的制冷劑吸收缸壁熱量；壓縮中期制冷劑處于準(zhǔn)等溫絕熱狀態(tài)；壓縮后期制冷劑溫度高于壁溫，放熱。§4—3單級蒸氣壓縮式實(shí)際制冷循環(huán)1、吸氣、壓縮和排氣過程38(5)排氣壓力高于冷凝壓力與吸氣時的情況類似，被壓縮后的高溫高壓制冷劑蒸氣必須克服排氣彈簧的壓力才能將排氣閥門打開，故排氣時排氣壓力要高于冷凝壓力，即p2>pk，如圖所示為壓縮機(jī)排氣時的情景?！?—3單級蒸氣壓縮式實(shí)際制冷循環(huán)1、吸氣、壓縮和排氣過程壓縮機(jī)排氣時的情景39另外,由于壓縮機(jī)運(yùn)動部件存在摩擦、壓縮機(jī)高壓部分與低壓部分存在竄氣泄漏（見圖1）、活塞式壓縮機(jī)存在著余隙容積（見圖2）都會造成壓縮機(jī)的實(shí)際輸氣量減少、不可逆因素增多，循環(huán)效率因此降低。§4—3單級蒸氣壓縮式實(shí)際制冷循環(huán)1、吸氣、壓縮和排氣過程1-壓縮機(jī)高壓部分與低壓部分存在竄氣泄漏2-活塞式壓縮機(jī)的余隙容積40(1)為了減少和杜絕制冷循環(huán)在節(jié)流過程中“閃發(fā)氣體”的產(chǎn)生在節(jié)流時，工質(zhì)運(yùn)動因受到較大的阻力而產(chǎn)生摩擦熱，部分飽和液體因此汽化，使循環(huán)效率顯著下降。（2）在換熱器中存在著“正常”的換熱溫差，同時，制冷劑在換熱器和管道中循環(huán)時存在著流動阻力，并因此沿程產(chǎn)生壓降，這些因素也會增大能耗，降低效率?！?—3單級蒸氣壓縮式實(shí)際制冷循環(huán)2、換熱過程41因?yàn)閷?shí)際的節(jié)流過程并不能做到完全的絕熱、等焓，節(jié)流后制冷劑的焓值會有所增加，如圖所示為制冷循環(huán)中的理論節(jié)流過程與實(shí)際節(jié)流過程的比較，可見實(shí)際的制冷量（q′0）將小于理論制冷量（q0）?！?—3單級蒸氣壓縮式實(shí)際制冷循環(huán)3、節(jié)流過程制冷循環(huán)中的理論節(jié)流過程與實(shí)際節(jié)流過程的比較42二、單級實(shí)際制冷循環(huán)熱力過程分析根據(jù)上面對實(shí)際循環(huán)中影響制冷效率主要因素的簡要分析和比較，不難得到單級實(shí)際制冷循環(huán)的熱力狀態(tài)圖。下面以圖1所示的單級制冷系統(tǒng)基本組成為基礎(chǔ)，對圖2所示的單級實(shí)際制冷循環(huán)壓焓圖進(jìn)行簡要講解?！?—3單級蒸氣壓縮式實(shí)際制冷循環(huán)1-單級實(shí)際制冷循環(huán)壓焓圖2-制冷劑蒸氣過熱過程43二、單級實(shí)際制冷循環(huán)熱力過程分析1—1′是制冷劑蒸氣過熱過程，它通常包括制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)過熱、回?zé)崞鲀?nèi)過熱、回氣管和吸氣管道內(nèi)過熱等，如圖所示。§4—3單級蒸氣壓縮式實(shí)際制冷循環(huán)制冷劑蒸氣過熱過程44三、單級實(shí)際制冷循環(huán)的簡化根據(jù)各因素對實(shí)際制冷循環(huán)影響的大小，一般采用如下辦法對實(shí)際制冷循環(huán)進(jìn)行簡化和修正：1、忽略換熱設(shè)備和管道對制冷劑的流動阻力及其引起的壓降等不可逆因素。這個問題可通過完善制冷工藝得到解決或改善。2、忽略節(jié)流時制冷劑與環(huán)境之間的換熱問題，仍將實(shí)際節(jié)流視為絕熱等焓過程。3、認(rèn)為蒸發(fā)溫度和冷凝溫度恒定不變。§4—3單級蒸氣壓縮式實(shí)際制冷循