制冷原理与装置作业.docx

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制冷原理与装置作业

第1,2章习题

1.R22从压缩机排出时的压力为2.0Mpa，温度为90℃，试确定该制冷剂此时的比体积，比焓，比熵和过热度。

答：

通过查R22的lgp-h图可以得出：

v＝0.01457m3/kg，h=455.2Kj/kg，s=1.793Kj/Kg.K，ts=51.27℃,△t=90-51.27=38.73℃。

2.在lgp-h图上标出制冷剂R134a在压力为0.15MPa比焓为500kJ/kg的点，并说明其处于什么状态？

（画简图标出）。

答：

如图所示，该点处于过热状态。

3.写出下列制冷剂的化学分子式，并将“R”换成可判别其是否破坏臭氧层情况的新代号。

R12，R50，R23，R13，R32，R14，R115，R22，R134a，R600a，R123

4.已知R134a的标准（正常）气化潜热Rｂ=214.86kJ/kg,试对例２-１的第（5）步重新计算气化热r,饱和液体的比焓hsl和饱和液体的比熵Ssl。

答：

（1）根据饱和蒸气压公式（2-2）:

lnpr=a0+[a1（1-Tr）+a2（1-Tr）

1.5

3

7

9

+a3（1-Tr）+a4（1-Tr）+a5（1-Tr）]/Tr

计算在一个标准大气压力（pb=1.01325×105pa）下的饱和温度，得tb=-26.14℃。

根据气化热公式（2-3）:

r=rs（

1-Tr1-Tbr

）

0.38

253⎛

1-

374.1可以计算出-20℃下的气化热为：

r=214.86⨯

246.861-

374.1⎝⎫

⎪⎪⎪⎪⎭

0.38

=210.8kJ/kg

已经该温度下的饱和蒸气比焓和比熵分别为：

hsv=384.7kJ/kg，ssv=1.7347kJ/kg.K。

由于饱和液体的比焓等于饱和蒸气的比焓减去气化热，饱和液体的比熵等于饱和蒸气的比熵减去气化热与绝对温度的商，所以：

饱和液体的焓为：

hsl=384.7-210.8＝173.9kJ/kg;饱和液体的熵为：

ssl=ssv-

5.试说明矿物润滑油和聚酯类润滑油分别用于哪些制冷剂？

答：

矿物润滑油用于R11、R12、R600a、R22等极性较弱或非极性制冷剂中，聚酯类润滑油用于R134a、R407C等极性较强的制冷剂中。

6.请说明ODP的含义,请说明GWP,HGWP,TEWI的含义及相互关系

答：

ODP是OzoneDepletionPotential的缩写，表示对大气臭氧层消耗的潜能值，以R11作为基准值，其值被人为规定为1.0

rT

=1.7347-

210.8253

＝0.9015kJ/kg.K

GWP是GlobalWarmingPotential的缩写，表示对温室气体排放入大气后所直接造成的全球变暖效应，以CO2为基准，规定其值为1.0。

HGWP也是表示温室气体排入大气后所直接造成的全球变暖效应，以R11为基准，规定其值为1.0，HGWP值是GWP值的3500倍。

TEWI是TotalEquivalentWarmingImpact的缩写，表示温室气体的总等效温室效应，包括两部分：

第一部分是直接温室效应（DirectWarmingImpact），它是指温室气体的排放、泄漏以及系统维修或报废时进入大气后对温室效应的影响，可以表示为温室气体的GWP值与排放总和的乘积；第二部分是间接温室效应（IndirectWarmingImpact），即使用这些温室气体的装置因耗能引起的二氧化碳排放所带来的温室效应。

第3章习题

1.蒸气压缩式制冷系统中的主要设备和辅助设备有哪些？

各自的主要作用是什

么?

主要设备：

（1）压缩机：

通过压缩使制冷剂由低温低压的蒸汽变为高温高压气体，完成压缩过程。

（2）冷凝器：

高温高压过热制冷剂气体在冷凝器中冷却冷凝成制冷剂液体，完成冷却过程。

（3）节流元件：

压力、温度降低，节流前后焓值不变，完成降温过程。

（4）蒸发器：

低温低压两相制冷剂吸热蒸发，变成低温低压制冷剂气体，完成制冷过程。

辅助设备：

（1）干燥过滤器：

去除制冷系统中的微量水分和杂质，一般安装在节流元件之前。

（2）油分离器：

一般安装在压缩机排气口，分离制冷剂和润滑油，使大部分润滑油会到压缩机，在螺杆压缩机制冷系统中常用，在多级得低温制冷系统中为了防止低温下润滑油冻结的危害也常安装油分离器。

在家用空调和冰箱中一般不使用。

（3）储液器：

在中大型制冷系统中使用，一般安装在冷凝器之后，节流元件之前，可调节制冷系统的制冷剂循环量，安装储液器的制冷系统对制冷剂的充注量相对不敏感。

（4）气液分离器：

一般安装在压缩机的吸气口与蒸发器的出口之间，防止压缩机液击。

（5）回热器：

在有回热的制冷系统中使用，使冷凝器出口的高压常温制冷剂液体与蒸发器出口的低压低温制冷剂蒸气进行热交换，使得进入节流元件的制冷剂液体过冷，进入压缩机吸气口得制冷剂蒸气过热，防止压缩机吸入制冷剂液体。

（6）高低压保护器：

高压保护器安装在压缩机排气口，以毛细管引入排气压力进入高压保护器，当排气压力过高时，使压缩机停机以压缩机；低压保护器安装在压缩机吸气口，以毛细管引入吸气压力进入低压保护器，当吸气压力过低时，使压缩机停机以压缩机。

（7）过冷器：

安装于冷凝器之后，节流元件之间，对冷凝器出口的制冷剂进行进一步的冷却，以保证节流前的制冷剂过冷，可提高制冷系统的制冷量，并防止两相高压制冷剂进入节流元件，一般小型制冷系统不使用，回热器具有过冷器得功能。

2.何谓制冷系数？

何谓热泵制热系数？

制冷系数与热泵制热系数的值范围如

何？

（1）制冷系数：

（COP,CoefficientOfPerformance）,是指单位功耗所能获得4

的冷量。

也称制冷性能系数，是制冷系统（制冷机）的一项重要技术经济指标。

制冷性能系数大，表示制冷系统（制冷机）能源利用效率高。

这是与制冷剂种类及运行工作条件有关的一个系数，为一无量纲数。

一般蒸气压缩制冷空调系统的COP值为2.6-3.8左右（国内），国外最高可达6左右（日本）。

家用冰箱的COP一般为1.5－2.5左右。

（2）热泵制热系数：

称为热泵系数，φ或者εh表示，单位制热量与单位功耗之比。

在同一套热泵系统中，同一温区时有：

φ＝1＋ε，对于蒸气压缩系统，其热泵系数大于1。

3.在什么情况下把压缩机吸气口处的制冷剂蒸气过热称为“有害过热”？

制冷剂蒸气在被冷却空间以外吸取环境空气的热量而过热，这种过热称为“有害过热”或者“无效过热”。

4.将教材图3-13的实际循环表示在T－S图上。

5-6是由于蒸发器内有阻力损失，所以是向右下方倾斜。

6-1s：

可看作是先等压过热到a，再由a等焓节流到1s。

1s-2s：

压缩过程，实际并不是绝热等熵压缩。

2s-b：

排气过程的冷却情况

b-c：

排气管中的压降

c-3-4：

冷凝冷却过程，有流动阻力损失。

所以向左下倾斜。

4-5：

实际节流同环境有热交换，所以熵增加。

5.一蒸汽压缩制冷理论循环，用R22作制冷剂，蒸发温度-5℃，冷凝温度30℃，

在压-焓图上画出该循环，并计算：

（1）单位压缩功；

（2）单位制冷量；（3）单位冷凝负荷；（4）制冷系数。

查R22的饱和状态表和lgp-h图的以下参数：

h1=403.5kJ/kg,h3=h4=236.6kJ/kg,h2=429.3kJ/kg.

（1）单位制冷量q0=h1-h3=h1-h4=403.5-236.6=166.9kJ/kg

（2）单位理论功w0=h2-h1=429.3-403.5=25.8kJ/kg

（3）单位冷凝负荷qk=h2-h3=429.3-236.6=192.7kJ/kg

（4）制冷系数ε=q0/w0=166.9/25.8=6.47

lgp

h

6.某制冷系统的制冷剂为R22，产冷量为80kW。

采用蒸汽压缩的回热理论循环。

蒸发温度为-10℃，吸气过热度ΔtR=10℃，冷凝温度为42℃。

计算：

（1）制冷压缩机进口处的制冷剂体积流量；

（2）回热器的负荷；（3）压缩机的功率；

（4）蒸发器入口处混合物中蒸汽分数，分别以质量分数和体积分数表示。

查R22的饱和状态表、过热蒸汽表和lg-h图的以下参数：

h1=410kJ/kg,h2=450kJ/kg,h3=252kJ/kg.h0=401kJ/kg，h4'=188.4kJ/kg

v'=0.0007587m3/kg,v''=0.06535m3/kg,

v1=0.07m3/kg

lgp

h

由回热器的热平衡关系h1-h0=h3-h3'

即410-401=252-h3'

得h3'=243kJ/kg=h4

所以，回热器的单位负荷为h1-h0=9kJ/kg

（1）单位质量制冷量q0=h0-h4=401-243=158kJ/kg

质量流量qm=Q0/q0=80/158=0.506kg/s

压缩机进口体积流量qv=qm×v1=0.506×0.070=0.035m3/s

（2）回热器的负荷为Q'=qm*9=9*0.506=4.55kW

（3）单位理论功w0=h2-h1=450-410=40kJ/kg

压缩机功率w=w0×qm=40×0.506=20.24kW

（4）质量分数x为：

x=

h4-h4'h0-h4'

=

243-188.4401-188.4

'''

=0.26

所以其蒸气与液体的体积比：

0.26⨯v0.74⨯v

=

0.260.74

⨯

65.350.7587

=30.3

30.3

所以蒸汽的体积分数y为：

30.3+1

=0.968

7.欲以一台106F（6FS10）型压缩机配给一座小型冷藏库，库温要求tc=-10℃。

水冷冷凝器的冷却水平均温度tw=30℃，试作运行工况下制冷机系统的热力计算。

已知压缩机参数：

缸径D=100mm，行程s=70mm，气缸数Z=6，转数n=1440r/min，蒸发器传热温差取△t0=10℃，且出口处有５℃过热度，吸气管路过热也为５℃，冷凝器的传热温差取△tk=５℃，出口液体过冷温度为32℃，压缩机的机械效率ηm=0.9，指示效率ηi=0.65，输气系数λ=0.6，制冷剂选用R22，求q0,qv,w0,wi,ε0,εi,qvh,qvs,qm,Q0,P0,Pi,Pe,Qk。

lgp

h

解：

根据已知条件，制冷机在以下工况运行（如上图所示）。

tk=tw+△tk=30+5=35℃t0=tc-△t0=-10-10=-20℃t1’=t0+5+5=-20+5+5=-10℃t3=32℃

查R22热力性质图表可得：

q0,qv,w0,wi,ε0,εi,qvh,qvs,qm,Q0,P0,Pi,Pe,Qk

循环计算如下：

（1）单位质量制冷量

q0=h1-h4=400.75-239.23=161.52kJ/kg

（2）单位容积制冷量

qv=q0/υ

（3）理论比功′=161.52/0.0952=1696.64kJ/m3

w0=h2-h1′=448-404.02=43.98kJ/kg

（4）指示比功

wi=w0/ηi=43.98/0.65=67.77kJ/kg

（5）制冷系数

ε0=q0/w0=161.52/43.98=3.67

εi=q0/wi=161.52/67.77=2.39

（6）理论输气量

qvh=π

4DSnZ2=π

4⨯0.01⨯0.07⨯1440⨯6/602=0.079m3/s

（7）实际输气量

qvs=qvhλ=0.079⨯0.6=0.0474m3/s

（8）制冷机的工质流量

qm=qvs

υ1'=0.04740.0952=0.5kg/s

（9）制冷机的总制冷量

Q0=qmq0=0.5⨯161.52=80.76kW

（10）压缩机的功率消耗

理论功率：

P0=qmw0=0.5*43.98=21.99kW指示功率：

Pi=qmwi=0.5*67.66=33.83kW轴功率：

Pe=Pi=33.83

0.9=37.59kWηm

（11）冷凝器的热负荷

h2s=h1′+

Qk=q

9h2-h1'ηi=404.02+448-404.020.65=471.68kJ/kgm（h2s-h3）=0.5（471.68-239.2）=116.23kW

第四章习题答案

1.描述两级压缩制冷循环和复叠压缩制冷循环。

答：

①两级压缩制冷循环：

是制冷剂气体从蒸发压力提高到冷凝压力的过程分两个阶段（先经低压级压缩到中间压力，中间压力下的气体经过中间冷却后再到高压级进一步压缩到冷凝压力）的制冷循环。

根据中间冷却过程和节流次数不同，两级压缩制冷循环主要分为：

一级节流中间完全冷却循环，一级节流中间不完全冷却循环；两级节流中间完全冷却循环，两级节流中间不完全冷却循环。

以解决较大压比时,压缩机输气系数或效率太低和排气温度过高问题。

②复叠压缩制冷循环：

使用两种或两种以上的制冷剂，由两个或两个以上的

单级或双级压缩制冷循环组成。

高温级使用中温制冷剂，承担高温段的制冷，低温级使用低温制冷剂，承担低温段的制冷，系统之间采用冷凝蒸发器衔接起来，高温级的中温制冷剂在冷凝蒸发器内蒸发制冷，使低温级的低温制冷剂在冷凝蒸发器内被冷凝成液体，确保低温工质得到冷凝，以获得较低的制冷温度。

2.说明采用两级压缩循环与复叠压缩循环的原因。

答：

为获得低温而采用两级压缩或复叠压缩制冷循环，主要有两方面原因：

（1）单级压缩蒸气制冷循环压比的限制；

（2）制冷剂热物理特性的限制。

所以，为了获得比较低的温度（－40～－60℃），同时又能使压缩机的工作压力控制在一个合适的范围内，就要采用两级压缩循环。

为了获得更低的温度（－60～－120℃），同时又能使压缩机的工作压力控制在一个合适的范围内，就要采用复叠循环。

一般，两个单级压缩制冷循环复叠用于获取－60～－80℃低温；三个单级压缩制冷循环复叠用于获取－80～－120℃低温。

3.根据节流级数和中间冷却方式不同，两级压缩制冷循环分哪些基本形式？

并分

别在㏒P-h图上表示出一级节流的二种中间冷却循环。

答：

根据中间冷却过程和节流次数不同，两级压缩制冷循环主要分为：

一级节流中间完全冷却循环，一级节流中间不完全冷却循环；两级节流中间完全冷却循环，两级节流中间不完全冷却循环。

一级节流中间不完全冷却循环：

一级节流中间完全冷却循环：

4.两级压缩制冷机与复叠式制冷机的起动特性有何异同？

为什么？

答：

两级压缩制冷机的起动，应先起动高压级压缩机，等到满足低压级压缩机的电动机配用功率后，再起动低压级压缩机。

以保证高低压级压缩机电动机的功率配备得到合理的利用。

复叠式制冷机起动时，应先起动高温级，使低温级制冷剂在冷凝蒸发器内得以冷凝，当冷凝压力不超过1600kPa时，可起动低温级，保证系统安全投入运行。

在低温级系统设置了膨胀容器的情况下，高温级和低温级可以同时起动。

5.一套中间完全冷却、一级节流两级压缩制冷循环系统，选用氨作为制冷剂，其

工作条件：

制冷量QO=150KW;冷凝温度TK=40℃,中间冷却器中过冷盘管的冷端温差为5℃;蒸发温度T0=-40℃;管路有害过热△T=5℃;中间温度取TM=-5℃。

设高、低压级压缩机的绝热效率和指示效率分别为ηg=0.7、ηig=0.85、ηd=0.67、ηid=0.83,高、低压级压缩机的输气系数分别为λg=0.73、λd=0.65,试对该系统进行热力计算。

答：

本题目p-h图如图所示。

（1）单位质量制冷量q0=h0-h9=1405.26-198.25=1207.01kJ/kg

所以低压级压缩机的制冷剂流量qmd=

h2-h1

1636.8-1419.3

0.83

Q0q0

=

1501207.01

=0.124kg/s

h2'=

ηid

+h1=

+1419.3=1681.35kJ/kg

根据中间冷却器的热平衡关系qmdh2'+qmd（h5-h8）+（qmg-qmd）h5=qmgh3得

qmg=qmd

h2'-h8h3-h5

=0.124⨯

1681.35-198.251454.35-385.96

=0.172kg/s

（2）低压级压缩机的理论输气量

qvhd=

qvsd

λd

=

qmdv1

λd

=

0.124⨯1.588

0.65

=0.303m/s

3

高压级压缩机的理论输气量

qvhg=

qvsg

λg

=

qmgv3

λg

=

0.172⨯0.34

0.73

=0.08m/s

3

（3）低压级压缩机的实际功率

ped=

qmdwd

ηd

=

qmd（h2-h1）

ηd

=

0.124⨯（1636.8-1419.3）

0.67

=40.25kw

高压级压缩机的实际功率

peg=

qmgwg

ηg

=

qmg（h4-h3）

ηg

=

0.172⨯（1668.42-1454.39）

0.7Q0

qmdwd+qmgwg

=

15040.25+52.59

=

150

=52.59kw

所以，理论制冷系数ε0=

Q0

26.97+36.81

=2.35

实际制冷系数εsr=

（4）冷凝器的理论热负荷

h4'=

h4-h3

ped+peg

=1.62

ηig

+h3=

1668.42-1454.39

0.85

+1454.39=1706.19

Qk=qmg（h4'-h5）=0.172⨯（1706.19-385.96）=227.08kw

6.某冷库需要建设一套两级压缩中间完全冷却的制冷循环，制冷剂为R717。

其

工作条件为：

制冷量Q0=100kw，冷凝温度tk=40℃，蒸发温度t0=-30℃，假设中间温度tm=0℃，压缩机吸气有害过热度Δt1=5℃，冷凝器的过冷度Δt2=5℃，高压液体在中间冷却器的进出口温差Δt3=8℃。

试计算：

（1）该制冷循环过程中高压级、低压级制冷剂的质量流量；

（2）该制冷压缩循环中高压级、低压级制冷剂的理论输气量（高压级输气系

数取λg=0.73，低压级输气系数取λd=0.65）；（3）该制冷系统的理论制冷系数；（4）冷凝器的理论热负荷。

答：

本题目p-h图如图1

t5=tk-∆t2=40-5=35℃t5-t6=∆t3

t6=t5-∆t3=35-8=27

℃

lgp

图1R717的lgp-h图

（1）单位质量制冷量

q0=h0'-h6'=1421.05-324.56=1096.49kJ/kg

所以低压级压缩机的制冷剂流量qmd=

Q0q0

=

1001096.49

=0.0912kg/s

根据中间冷却器的热平衡关系qmdh1+qmd（h5-h6）+（qmg-qmd）h5=qmgh2得

qmg=qmd

h1-h6h2-h5

=0.0912⨯

1607.02-324.561459.65-363.16

=0.1067kg/s

（2）低压级压缩机的理论输气量

qvhd=

qvsd

λd

=

qmdv0

λd

=

0.0912⨯0.983

0.65

=0.1379m/s

3

高压级压缩机的理论输气量

qvhg=

qvsg

λg

=

qmgv2

λg

=

0.1067⨯0.288

0.73

=0.0421m/s

3

（3）低压级压缩机的理论功率

pd=qmdwd=qmd（h1-h0）=0.0912⨯（1607.02-1435.09）=15.68kw

高压级压缩机的理论功率

pg=qmgwg=qmg（h3-h2）=0.1067⨯（1643.86-1459.65）=19.66kw

所以，理论制冷系数ε0=（5）冷凝器的理论热负荷

Q0pd+pg

=

10015.68+19.66

=2.83

Qk=qmg（h3-h5）=0.1067⨯（1643.86-363.16）=136.65kw

7.某实验冷库采用R22两级压缩一级节流中间不完全冷却循环和R23单级压缩

组成的复叠制冷循环，制冷系统的总制冷量Q0=150kw，高温部分的冷凝温度tkg=35℃，低温部分的蒸发温度t0=-60℃，低温部分的冷凝温度tkd=-30℃，低温部分采用回热循环（高温部分未回热），回热器中气体温升Δt1=10℃，高温部分的高压液体在中间冷却器中的温降Δt2=30℃，冷凝蒸发器的传热温差Δt3=5℃，高温级中间温度tm=-5℃。

试作理论循环计算：

（1）低温级压缩机制冷剂的质量流量；

（2）高温级中高、低压级制冷剂的质量流量；（3）低温级压缩机的理论功率；

（4）高温级中高、低压级压缩机的理论功率；（5）该制冷循环的理论制冷系数。

答：

下图是复叠压缩制冷循环高温部分R22和低温部分R23的lgp-h图

由题意可知：

t1-t0=∆t1∴t1=-50

℃

t9-t10=∆t2∴t10=5℃tkd-t0g=∆t3∴t0g=-35℃

复叠压缩低温部分R23的lgp-h图h复叠压缩高温部分R22的lgp-h图h

（1）

由回热器的热平衡关系

h1-h0=h3-h4∴h4=146.33kJ/kgh4'=h4

所以,低温级压缩机单位制冷量

q0d=h0-h4'=334-146.33=187.67kJ/kg低温级压缩机的制冷剂质量流量qmd=

Q0q0d

=

150187.67

=0.799kg/s

冷凝蒸发器的负荷Qkd=qmd（h2-h3）=0.79⨯（373-154）=173.01kw忽略冷凝蒸发器漏热量,则可得Qkd=Q0d'=173.01kw

（2）查复叠压缩高温部分R22的热力性质图表得以下参数

q0d'=h5-h10'=390.89-205.58=185.31kJ/kg

所以,高温级中低压级压缩机制冷剂流量

qmd'=

Q0d'q0d'

=173.01185.31

=0.934kg/s

由中间冷却器的热平衡关系（qmg'-qmd'）h9+qmd'（h9-h10）=（qmg'-qmd'）h7'

得qmg'=qmd'

h7'-h10h7'-h9

=0.934⨯

403.05-205.58403.05-242.79

=1.15kg/s

所以,混合状态点7,由（qmg'-qmd'）h7+qmd'h6=qmg'h7得

h7=h7'+

h7'-h9h7'-h10

（h6-h7'）=403.05+

403.05-242.79403.05-205.58

（418.53-403.05）=415.61kJ/kg

查R22物性图得h8=448.26kJ/kg

（3）低温级压缩机的理论功率

p0d=qmd（h2-h1）=0.799⨯（373-341.67）=25.03kw

（4）高温级中高压级压缩机的理论功率

p0g'=qmg'（h8-h7）=1.15⨯（448.26-415.61）=37.54kw

高温级中低压级压缩机的理论功率

p0d'=qmd'（h6-h5）=0.934⨯（418.53-390.89）=25.81kw

（5）该制冷循环的理论制冷系数

ε=

Q0

p0g'+p0d'+p0d

=

150

37.54+25.81+25.03

=1.69

第5章习题

1.某单效溴化锂吸收式制冷机中吸收器的压力为7mmHg（1mmHg=1.