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1、第4章制冷技术第一节蒸气质端式制冷的热力学原理1.蒸气压缩式制冷的工作原理行何液体化沸樗过程中将要吸取热情,液体的沸胸海收(即饱和湿衣)和吸热不质液体所处的压力而变化.压力越低,沸腌温度也越低.而且不同液体的饱和压力、沸腾温度和吸热量也各不一样。只要依据所用制冷淞体(称初冷剂)的热力性顺.制造肯定的压力条件,就可以在肯定徒IH内获得所要求的低温.要实现制冷循环必需要书节定的设备,而只要以消耗能址作为补份.蒸气味缩式制冷循环就是川田缩机冷设备，以消粒机械功作为补偿，时断冷剂的状态进展循环变化，从而使用冷场合获得连续和稳定的冷量及低温.争论蒸气压缩式制冷循环的主要H的，是为了分析影响刎冷循环的各种

2、因素，寻求节约刷冷能耗的途径.2、抱仇制冷循环逆卡诺循环逆卡诺循环是使工桢(制冷剂)在吸取低温热源的热酬后通过制冷装W,并以外功作补偿,然后流向高温热源.逆向循环是一种消耗功的循环.制冷循环就是按逆向循环进展的.在温一燃或压一焰图上，循环的各个过程都是依次按逆时针方向变化的。逆卡诺第环山两个等温过程和两个绝热(等端)过程组成,是一种抱负的环“逆卡诺循环是可逆的抱负蒯净循环，它不考虑域在流淌和状态变化过程中的内部和外部不行逆损失，虽然逆I淋循环无法实现.但是通过该循讣的分析所得出的结论对实际制冷循环具有重要的指导意义.3,地卡诺循环必需具备的条件利用液体气化制冷的逆R诺循环必需具备的条件是；肉、

3、低温热源温度恒定；工桢在冷凝器和蒸发器中弓外界热源之间无传热温差：工质在流经各个设备时无内部不行逆损失：膨张机推出的功为压缩机所利用,作为实现逆卡送循环的必要设备是压缩机、冷凝器、膨胀机和蒸发器,4.制冷系数2制冷循环常用制冷凝数t表示它的J1.fi环经济性能制冷系敷等于单位耗功费所制却的冷S1.对F逆卡诺循环而耳；,qT(S-S)=T=-J1.-=，A1.-U(T-T)(S-$)(T-T)4O“卜O从公式可知逆卡诺循环的制冷系数仅与京、低温热源温度有美,门的热，物理性能无关当THhTKftH,8地大，也美味着单位疑功一所能制取的冷量增O*rin.提高/制冷循环的苗能和经济性.与对制冷系数e的

4、影响是不等价的.丁的影响人丁丁.IaJ时，也意味翦要实04404现温度较低的制冷具有更高的难度.由于逆卡诺循环不考虑各种损失，而且压缩机利用了膨版机对外输出的功，因此，在恒.定的高、低温热源区间,逆1、电循坏的制冷系数e做大,4：该温哎区间进展的其它各种制C冷带环的制冷系数均小丁.所以,逆卡诺砧环制冷系数可用来评价其它制冷籥环的石力C完善度.5、具有传热温差的逆向可逆循环具有传热温差的制冷系数，总小于一样热源近度时的逆卡诺循环制冷系数，而且随传热温差ATH1.Ar的增大而降低.，01.1.4热泵的应用逆向循环以耗功作补偿，通过制冷剂的循环把从低温热源中吸取的热状（即制冷M）和耗功量一起在高温热

5、源放出,因此,逆向循环可以用来制冷，也可以用来制冷,或者冷热共同使用.用来制冷的逆向循环袋J1.称为制冷装J1.而用来供热时则称为热泵装置.在逆卡诺循环中己作了介绍，Ikg制冷剂在每次循环中向高温热源放出的热量为夕”=4”+，（kJkg）则进展逆卡诺循环的热泵供热系数为+7T公式I）表示，热泵系数恒大于I.这说明热泵装置在奇泓热源的放热量始终火干耗功fit.因此,热泵供热确定比直接用电供热耗苦能，它是一种省能的供热方法.目前，它的研究和进展正日益受到正视.但是，必需指出，热泵的供熟系数和制冷系数有关，而制冷系数的大小葡高、低M热源温度,传热温第等变化“当高、低温热源湿痉或传热温差增大时，制冷系

6、数卜降,热泉供热系数也相应降低.因此.热泵供热虽然比出接电热省能.但是否比其他供热方法（如燃料的口接悠烧、盆气供热等）行能和羟济，还应依据供给热泵运行的具体条件进履分析和比较,才能得出最终结论.目前,在我国,热泉供热上要在中、小型空调器上.使用.在冬季为空内来域供给热I出而大型热菜以及提而供热温度的热菜装刊尚在争论阶段,6,蒸气压缩式制冷理论循环理论制冷循环不同逆K诺循环之处是：（I）制冷剂在冷鬣器和热发器中按号上：过七循环，而I1.具有传热船差:（2）制冷剂用膨胀阀绝热节流，而不是用膨IK机绝热膨胀：（3）压缩机吸入饱和蒸气而不是湿蒸气.用膨眠的代以膨派机后的节流损失：不但增加了制冷循环的耗

7、功量，还损失了制冷这两局部损失必定使制冷率数和热力完善度仃所卜降.用干压缩代冒湿压缩后的过块损失：在蒸气压缩式制冷循环中，要实现等M冷凝域笄温蒸发过程,只有在湿蒸气区才有可能进展,因此，压爆机必定吸入湿蒸气.但是，在制冷压缩机的实际运行中，核设气缸吸入湿蒸工公因其中的液体而引起液击（即冲缸）现象，损坏压缩机的网I；T1.I,它专部件，另外,过量的液体制冷剂进入气缸后,会与热的气缸壁产生猛烈的热交换而快速气化,占有气缸容枳.使压缗机的吸气情削减，制冷状卜降.为了避开产生上述现蒙JE涌机在交际迳行中定要吸入饱和蒸气或并过热蒸气.对F大多数蒯冷剂，承受用干压倒后，引起制冷系数和热力完善度的降低。过热

8、皿失和节流损失一样，不但与制冷循环工况有关,而I1.与制冷剂的伪虔性侦也有美，1.2.2理论循环在IgPh图上的表示在分析压缩式制冷循环时使F1.1.了制冷剂的温一燃图（即T-S图），由丁温一燃图中热力过程线尸面的面积衣示该过程中传递的热累，格外I1.双，便于分析比较。在制冷砧环的热力计匏中，通常用制冷剂的IgP-h图.该图以制冷剂的比培伯h作横坐标，压力P做纵电标，食间更为便利（见图1.9）.为了缩小图面，纵坐标P承受IgP分格（剂建，从图上告得的数值仍为确定压力值,而不是压力的对数值）。图中的C点为制冷剂的临界状态,C点左俯的粗实战为各个压力卜的饱和液体战，该战上任何点的干度.、=&C点右

9、侧的粗突战为各个压力卜的饱和蒸气观（或称干饱和蒸气战），该线上任何点的千度.=1.这两条饱和战将图面分成三个区域，饱和液体般的左仰为过冷液体区液体温度低于同压力下的饱和温度），泡和蒸气我的右侧为过热蒸气区（蒸气温度高于同压力下的饱和温度），两条饱和线上间为湿蒸气区,制冷剂在湘蒸气区域内处于气液两相混合状态,它的温底等于所处田力下的饱和温度,各点的一值反映f湿蒸气在该状态下蒸气含状的百分比.图1.9制冷剂的IgPf图梦一方图中绘出了六种等状态线簇,即等压、等燧、等温、等比容、等婚和等干度殴，其中，等压战和等比培我是豉箭法的,分别为水平线和垂出线,纯物质的等就找在两相国为水平线，在过冷液体区为略向

10、左上方延长的上凹曲跳,格外接近于垂出线.这是由于压力对过冷液体比倒假的影响很小的原因。有地图在该M域没有标出等温线，这时就用乖直线代竹，不会导致很大的误差.在过热蒸气区,等温线是向右下方延长的下凹曲线.温我较高的等温税在压力较低也接近于垂直现，这是由于此时的制冷剂气体己接近于抱负气体，因而比均值与压力无关.在过熟蒸气区，等比体积我和等比烧找都是向右上方延长的下凹曲跷,但等比燔找的斜率比等体积压大.利用压一管图在取热力学参数是很便利的，线做的具体分布和具体数值可参阅各制冷剂的IgP-h图1.10蒸气压缩式制冷循环在T6图I：的表示图IU袤”压垃!式制冷循环在P-h用上的我乐蒸气压缩式理论制冷循环

11、在女月一人图上的表示见图111.1-2为绝热压缩过程，23为等压冷凝过程,34为葩热片流过程，4一1为等压蒸发过程。依据热力学第肯定律,对于在掌握容积中进展的状态变化存在如下关系：q=dh-w(1.5)这里,把自外界传入的动作为负值，对上式积分可以得到整个过程的表达式：q=dhq=h-h=h-A(1.10)UI4I3q称为单位制冷fit.习惯上取为IE伯，在gP图上以横座标轴上的跳段力一力的民014度表示.1.2.3性能指标为了说明单级压缩蒸气刮冷机理论循环的性能，承受以卜一些性能指标，这些性能指标均可通过循环各点的状态参数计我出来./.国佳制冷fitq0压缩蒸气制冷循环单位制冷盘可按式(”0

12、)计算.单位制冷盘也可以表示成汽化热和节流后的T&与的函数：q=r(1-X)(MDOO4由式(1.11)制冷剂的汽化热越大，或节流所形成的蒸气越少，则循环的单位制冷笊就越大.2 .总位容枳制冷量售4=%h-hH=-J(1.12)yv.为了制取肯定的制冷吊，假设送用C1,大的捌冷剂，则压缗机噩要供给的输气量就小.我们己经知道,循环的单位容积制冷量不仅随制冷剂的种类而变，而且还旗压缩机的吸气状态而变.对某一具体的制冷剂来说,理论循环的蒸气比体枳。的蒸发温度(或淳发乐力)的降低而增大，假设冷凝温度已经确定，则年位容积制冷尿生招K1.蒸发温度的降低而变小.3 .比理论功WO理论循环中刎冷压缩机输送单位

13、(Ikg)制冷剂所消耗的功称为理论比功。由于制冷剂在节流过程中不作外功.因此.压缩机所消耗的理论比功即等于循环的理论比功.对于的级乐缩蒸气制冷机的理论循环来说，理论比功可表示为；w=hf(1.13)021能级压缩蒸气制冷机的理论比功也是的制冷剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的.4单位冷凝热力单位(Ikg)制冷剂蒸气在冷液器中放出的热地,称为单位冷躁热，单位冷凝热包括显热和潜热两局部q=h-=-h(1.14)J1.2324比较式(1.10)(1.13)和(1.14)可以看出.对于单级压缩式蒸气制冷机理论循环.存在褶以下关系：q=q+m,(1.15)Jt00这和热力学第肯定律分析循环时得出的结论

14、完全全都.5 .制冷系数“对于单级乐绯嬴制冷机理论循环.制冷系数为：(1.16)=T=瓦一%在冷液湿度和蒸发温度给定的状况下，制冷系数越大，表示循环的经济性越好.由于名利都防循环的工作温度而变.冷凝温度越高，蒸发温度越低则制冷系数越小.6 .热力完善度n仙级压缩蒸气制冷机理论循环的热力完善度按定义可表示为：=_2_=_ji_j_h-hTt-hT-T这里、为在蒸发温度（Tj和冷凝温度（T4）之间工作的逆卡诺循环的制冷系数。热力完善度越说明该循环接/可逆循环的程改.大.制冷系数和热力完善度都是用来评价循环经济性的指标,但是它们的意义是不同的.制冷系数是陋循环的工作温度而变的，因此只能用来评价一样热

15、源湿度卜循环的姓济性：而对于在不同温度下工作的制冷的环.需要通过热力完善度的数值大小（接近I的程度）来推断循环的经济性，1.2.4液体过冷和吸气过热对制冷循环的影响上而所述的循环.是单-级乐缩蒸气制冷机的根本渐环.也是最简洁的循环.在有用上.依据实际条件对循环往往要做一些改进，以使提裔循环的热力完善度，如使制冷剂在到达膨胀阀前己处丁过冷状态（即液态制冷剂温度/己低于冷凝温度，）.而压缩机吸入蒸气为过it热蒸气（即吸气温度，,高于蒸发温度，）.液体过冷和吸气过热在T-S图上的表示如图1.12IO所示.图1.12液体过冷和吸气过热砧环一、液体过冷对制冷循环的影响在图1.12,温度/称为制冷剂的过冷

16、温度（或用T表示），而IT-T）称为制冷545剂的过冷度。由图可知，过冷液体门流比饱和液体N流增加了制冷,而且制冷汆A=-fkJkg)(1.18)压缩机的单位质量绝热压缩耗功量为n,=hh(kJkg)(1.19)2I制冷剂在冷蹑器中的郎位质量放热量为)(1.22)rII式中.，为乐爆机吸入蒸气的比容.加小g假设制冷循环的总制冷量为。(kW),则制冷剂的质圻循环优(及流过保一个主件I)的制冷剂流fib)为rM=S1.(kg)(1.23)压缩机的吸气体枳流量1/为I/=M。=2M(wjs)(1.24)r,q.冷凝器的热负荷0为iQ=Mq=A/(-b)(kW)(1.25)krk23乐绸机的理论耗功率

17、N为N=Ma=M(b-b)(kW)(1.26)/r2I理论制冷系数为6=&一夕“=4一4(1.27)Niph-h2I例1.1试计算径利昂22(R22)制冷剂在以下工况下循环的理论制冷系数8.并进展比较和争论(见图1.13)图1.13各状态点解A工况/=35,C/=0kOB工况/=40-C/=O,CiOC工况/=40C/=-5i0由表1.2可知A，B两工况的蒸发温度一样，但B工况的/比A工况的/上升5.则tt制冷系数下降,下降的百分数为z6.6()-5.64X1.Oo%=14.5%6.6()&1.2各状态点均值和计W结果数工况.A工况冷犍然发bI(kbkg)b(kMg：b=b14(U?kg：制冷

18、系数-A1-A41-Ibi2I温度，(T)压力：C1.(Bp)温度，0CC)W力：Gsp)M3513.504.98405.4430243.16.6()B匚况4015.304.98405.4433249.75.64C况4015.3-54.21403.5437249.74.59B.C两工况的冷凝温度一样，但C工况的7比B工况降低SC,则制冷系数卜降，FO降的百分数为p.64-4.591()0%=186%I5.64)从上述计酬结果UJ知，蒸发温度的变化对制冷系数的影响大于冷凝乱吱变化的影响。这一结果完全符合逆卡诺循环的结论.例1.2试计尊藏利品22R22)制冷剂在以下的工况下循环时的现论制冷系黜.并

19、进展比较和争论(见图1.14)解A工况/=40C/=O-C0B工况/=40C/=Oc，=35CJtay温度(工况、(T?)压力。(10,P)a温度r0(IC)尹力PQOsP1.(mg)(Ug)节流前格优(M.kg)制冷系数eA工况3515.304.98405.4433=249.735.64BI：况4015.304.98405.4433.=243.15.X7由我1.2可知,在样冷凝温度和蒸发品度条件下，承受过冷能提高循环的制冷系数-本例中的过冷度为/T=5C.制冷系数提高的白分数为*3,f5.87-5.64100%=4.i%5.87例1.3台中级压缩蒸气制冷机工作在高温热源湘哎为40C,低温热源

20、湿收为-20C下，试求分别用R1.Ma、R22和R717工作时理论地环的性能指标.M循环图查得.下表;表1.4状态点的八$图和怛p-hAJ查得的结果：参数驾见图1.10和图各状态金单位.11.各状态点参数R134a参数依据各制冷R22剂相应的gp力R7I71P1kPa132.7244.9190.11.-C-20-20-20口mkg0.14720.092130.6232力，kJ3384.70396.461437.1224e4X.467.6135.2P)kPa1.()6.41533.615555,U/kg427.31443.061757.033G,c404040乙kPa1016.41533.615

21、5553kJ/kg256.2249.44393.994力kJ/kg256.2249.44393.99计算循环性能指标如卜.；我1.5未环性能指标计一结果工程计算公式单位R134aR22R7I7单位制冷依MZkg128.5147.01043.1单位容枳制冷量q=VIkj/ma827.91595.91673.9单位理论功H=-02IkJ/kg42.6()46.59319.90单位冷凝热a=h-以24kJkg171.10193.621363.03制冷系数=%WO3.0163.1553.216卡诺循环制冷系数T=CCT-T3(14.2194.1294.219热力完善度n=dC().7150.748()

22、.733分析计算结果nj以看出:在样工作条件卜.；R22、R7I7的单位容枳耨冷域很接近，而R134a的单位容积制冷状则小得多（约小45%）：，种制冷剂的制冷系数和热力完善度相例1.4玉活客式第级压缩蒸气却冷机,（什在高而投源温度为MO,低温热源温度为一23C下，制冷剂为R1.Ma,承受网热循环,压缩机的吸气温度为0匕，试进展制冷剂理论循环的热力计解图1.15各状态点168状克心老轨状克占翁热整位M0P1110*Pd1.16%X?-23okJ.kg)829IP1ISkPa,16t.r0,vksnu0185kJ/kq401.62ISkPd10.16?71.5,U.1kc452.13PfISkPa

23、10.16tfC40h1.kJ/kg256.24凡ISkP310.16根据热平衡式Cr27.3电kj%g237.5h-=-3410算出计算循环性能指标如下I表1.7循环性能指标亍算结果工程计算公式单位数值单位制冷量q0=y%kJ*g145.4单位容枳制冷疥q&VIkJm785.9电位理论功卬=h-h02IkJ.g50.5制冷系数C3)W02.879卡诺循环制冷系数TE=0-CT-T303.968热力完善度n二C0.726取位冷凝热3kJ/kg468.9取位回热器负荷uh-It=hhAT34I在分析具有传热温差的逆卡诺循环中得出了什么重要结论？（3）制冷循环的制冷系数和热力完善度有什么X分？试用

24、表1.1中的数值证明,在凹凸温热源温度一样时,制冷循环的制冷系数和热力完善度是等价的.（4）为什么提出变温热源逆向循环？对制冷剂有什么要求？（5）抱负制冷循环和逆卡诺循环有哪些M分？（6）何谓节流损失，与哪些因家有关？（7） 拭述液体的过冷温度、过冷度,吸气过热温度、过热度，（8） 增加吸气过热度对哪些制冷剂有利,对哪些制冷剂不利？试用公式分析.对任何制冷剂，有容过热确定使时冷系数降低，（9为什么I可热制冷循环仅适用于某些制冷剂？（10）制冷剂的绝物指数对排气温度有何影响？（三）试比较理论制冷砧环在TS图和1.gPh图上的区分.（12）试比较制冷剂的单位质量制冷量生和单位容枳制冷址之间的区分.

25、（13）制冷剂单位容枳制冷量q的大小,对制冷压缩机的冷电有何影响？（M）既然热泵的供热Ift总大于电热供热量,那么是否可用热泵代替全部的电加热器,以节的电能,为什么？（15）在进展制冷循环热力计竟时,首先应确定哪些工况参数？（16）制冷循环热力“豫通常应包括哪些内容？作业（1）在逆卡诺循环中，枝冷却介切的温度恒定为5C,冷却介质的温度恒定为35.求该循环的制冷系数.宜设冷凝器和蒸发器的传热温差为3C和S-Cft1.,试求这两种状况卜具有传热温差的逆P诺循环驯冷系数和热力完善度，并进展比较。（2）就II1.W22（R22）制冷砧环，其冷凝温度（=4QC,蒸发温度%=3,膨胀阀的的制冷剂为饱和液体

26、，压缩机吸入饱和蒸气，试求该制冷循环的G冷系数,假设膨胀陶前的液体为过冷液体,其过冷淞度为35P,其他条件不变,试求该循环的制冷系数.并比较液体过冷K制冷系数提高了多少？（3S（R7I7）制冷循环,其循环的工况参数为冷凝压力Pi=1.,55MPa,蒸发压力与严.35MPa,液体过冷温度为36匕，压缩机吸气温度为0C,制冷及Q,=100Kw,感该循环中制冷剂的，,和,并进展热力计算，求qq,、M,、Y?Q：、N和e各个数位，（4）瓶型品RIMa热依循环，其结环工况为4=45C.r=7C,过冷温度J=4C,吸气温度15T,从河水中的吸热埴为5kW,试求它的供热量和供热系数，测验作业（1减注制冷系数

27、表达式二_仅适用T逆卡诺循环，而=NIU1.适用F各种制冷循T-TWiO环的缘由，（2）压缩机吸入一IOC的饱和蒸气.排出压力为40C冷凝逐度时的饱和乐力,试分别从氟里昂R134a和额制冷剂的IfiPh图上传阅绝热压缩的排气温度，并指出导较排气温俄不同的缘由.（3利用有关公式和加冷剂的IgPh图分析，降低制冷循环的过冷温度，确定能提爵制冷系数，而提高吸气过热油度（有效过热）不杆定能提高制冷系数，（4） 试住回斌里昂R22制冷剂,从的饱和液体分别节流到5C:和一25七的蒸发瑞度时，其终态的干度X值各为快设干？X值的大小对制冷循环会有哪些影响？（5） 假设制冷循环所用的制冷剂已羟确定，为了提高制冷

28、系数,节约制冷能耗,应考虑部或重要向鹿？（6） 有台房房冰箱（箝内温度-18C）,和家用空调一样都使用R22作制冷剂，但经过试验测定，划唐派箱的CeP只有1.1,而家用空调的COP有3.3,请分析其缘由.（7）目前国内电冰箱行业的普遍COp水平在I左右,而在家用空调中可以到达较高，上海市爆规定，家用空调CeP小丁2.8不允许上市销小，这是什么缘由？而在大型冷水机组中我们常常看到COP到达S.5甚至6以上的广告.请问.这仪仅是厂家的直传还是可能的，请说明。(8)城里昂RI34a回热制冷循环.当制冷册为IokW,净玄湿哎为36C.蒸发温股为一20T,吸气温度为25C时，试求该循环的液体过冷温度.并将婚环过程而在IgPh图1.说明冷融压力匕、蒸发乐力P,押各状态点的培值及温陵,然后进概热力计算.计算该循环过程终的q律q,、匕、Q、N和t各个数依，