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热力学原理

第一章蒸汽压缩式制冷的热力学原理

第三节液体过冷、蒸汽过热及回热循环

一、液体过冷

1.定义

　液体过冷：

液体制冷剂的温度低于其压力所对应的饱和液体温度。

过冷度：

液体过冷温度和其压力所对应的饱和液体温度之差。

具有液体过冷的循环称为液体过冷循环。

2.分析

3.实现方法

1.冷凝器后装过冷器（★图1-6）

　2.设计，选型时，适当增大冷凝器面积F×1.15（较多使用）

　3.制冷系统中设置回热器，采用回热循环

二、蒸汽过热

1.定义

  　蒸汽过热：

制冷剂蒸汽的温度高于其压力所对应的饱和温度。

过热度：

蒸汽过热后的温度和同压力下饱和温度的差值。

　　　　　　　具有蒸汽过热的循环称为蒸汽过热循环。

　有效过热：

过热吸收热量来自被冷却介质，产生有用的制冷效果。

　　有害过热：

过热吸收热量来自被冷却介质以外，无制冷效果。

3.过热分析

有效过热分析：

对循环是否有益与制冷剂性质有关。

2.过热原因

　　a.蒸发器面积大于设计所需面积（有效过热）

　　　b.蒸发器与压缩机间的连接管道吸取外界环境热量而过热（有害）

c.连接管道吸取被冷却对象的热量而过热（有效）

d.系统中设置回热器（有害过热，但有过冷过程伴随）

★实际运行中，希望有适当的过热度：

氨：

过热度5～8℃

氟利昂：

可采取较大的过热度

三、回热循环

1.实现方法：

增设回热器。

（★图1-9）

2.回热循环分析

3.优点：

　　　　1.利于压缩机运行，防止液击；

        2.提高压缩机输气系数；

3.改善低温下压缩机的润滑条件

四、热力计算

工作参数的确定

　　1.蒸发温度t0：

制冷剂在蒸发器中汽化时的温度，与被冷却对象（冷冻水、盐水、空气）有关。

空气：

t0＝t’－（8～10℃）

水或盐水：

t0＝t’－（4～6℃）

　　2.冷凝温度tk：

制冷剂在冷凝器中液化时的温度，与冷凝器结构型式和所采用的冷却介质（水或空气）有关。

空气：

tk＝t进口＋15℃

水：

tk＝tpj＋（5～7℃）

蒸发式冷凝器：

tk＝夏季室外计算湿球温度＋（8～15℃）

3.过冷温度trc：

trc＝tk－（3～5℃）

4.压缩机吸气温度t1：

氨：

t1＝t0＋（5～8℃）

氟利昂（回热循环）：

t1＝15℃

★例1-1

如p＝1atm时，水的ts＝100℃，而通常自来水的温度为20℃，自来水即为过冷液体，过冷度为80℃。

点4’的温度：

过冷温度trc

过冷度△trc＝tk－trc

过冷器中通以温度较低的冷却水，如深井水等。

可获得较大的过冷度。

液体过冷会增大初投资及运行费用，通常对大型的制冷装置才采用液体过冷，而且根据计算，当蒸发温度低于-5℃时，应用液体过冷才是有利的。

故一般空调用制冷装置都不采用液体过冷。

对于大型的且蒸发温度很低的制冷装置，在条件许可时尽可能采用液体过冷。

有效过热指能带来制冷效果的过热，如蒸汽

热发生在蒸发器本身，或发生在安装于被冷却室内的吸气管道上。

4.压缩机的吸气比容增大，意味着每公斤制冷剂将需要更大的压缩机容积，或对给定的压缩机而言，它将意味着制冷量下降：

循环的单位容积制冷量下降，制冷系数下降。

吸气过热对循环及压缩机都有不利影响。

吸气管路中蒸汽过热的程度，与蒸发温度和管路的绝热程度有关。

节流阀后、压缩机前的低温管道和设备如果暴露在被冷却空间以外，均需包绝热材料，尽量避免有害过热。

说明：

蒸汽过热对循环不利，但制冷剂实际运行中，希望压缩机吸气有适当的过热度，否则未汽化的制冷剂液体会进入压缩机气缸，给运行带来危害，并使压缩机制冷量下降。

通常允许的吸气过热度大小，与工质种类有关。

氟利昂大过热度，能使润滑油顺利返回压缩机，有利于改善压缩机运行条件。

使冷凝器冷凝后的制冷剂液体先通过回热器再去节流阀；蒸发器吸热汽化的制冷剂蒸汽先通过回热器再去压缩机。

从而使节流阀前常温下的制冷剂液体与压缩机吸入口前低温的制冷剂蒸汽进行热交换，达到节流前制冷剂液体过冷、压缩机吸气过热的目的。

回热器一般采用盘管式。

在小型制冷系统中，往往不装设回热器，而是将蒸发器出口的低温蒸汽管道，与节流前的液体管道并列敷设在一起，外面用隔热材料包扎起来，使两管壁接触进行热量交换，以达到回热的目的。

1.压缩机吸气过热，防止低压蒸汽中夹带的液滴进入压缩机；2.提高压缩机吸气℃，减轻或避免吸气的有害过热，建漆吸入蒸汽与气缸壁间的热交换，提高输气系数；3.对于低温下工作的压缩机，改善润滑。

故是否应用蒸汽回热循环，需要从多方面综合考虑。

tpj为冷凝器中冷却水进出口平均温度。

立式壳管式冷凝器，水的温升为2～4℃

第一章蒸汽压缩式制冷的热力学原理

第四节实际蒸汽压缩制冷循环

一、与理论循环的差别

　　　1.压缩机内非绝热、可逆过程； 

　　　2.存在传热温差，过程不可逆；

3.改善循环：

吸气过热和过冷节流，回热循环；  

　　　4.忽略了制冷剂流经压缩机进气阀和排气阀的节流损失；

5.流动损失（流动阻力造成压降，热损失）

实际循环的制冷系数小于理论循环的制冷系数。

二、实际循环的p－h图（★图1-14）

三、蒸发温度对制冷循环性能的影响

　　假定冷凝温度不变

1.单位制冷量减少；

2.压缩机吸气温度变大；

3.单位压缩功增大；

ε↓

　　★当pk/p0＝3时，功率消耗有一极值，此时耗功率最大，因此设计、运行时应避开此极值。

四、冷凝温度对制冷循环性能的影响

假定蒸发温度不变

提高冷凝温度：

　1.单位制冷量减少；

　2..单位压缩功增大；

　故而制冷系数减小。

1.实际上压缩过程中，制冷剂温度不断变化，它通过气缸壁向环境空气进行热量传递。

活塞和气缸壁之间有间隙，会产生制冷剂的泄漏。

工作过程中运动机构有摩擦。

5.制冷剂沿制冷设备和管道流动，将产生摩擦阻力和局部损失阻力，同时制冷剂还将或多或少地与外部环境进行热交换。

这些损失会使制冷循环效率降低，制冷量减少。

实际能够获得的制冷量稍有减少，实际消耗的功率有所增加。

实际应用中，应使家用冰箱放在通风处，空调的室外机在有条件时尽量安置在阴凉处。

对于大型冷水机组，有条件时夏季可采用部分深井水，或加入部分温度低一些的自来水替代循环水。

第四章制冷压缩机

压缩机作用：

吸入、压缩和输送制冷剂蒸汽，驱动循环进行压缩机按工作原　　　　　　理分为容积型和速度型压缩机。

◆容积型：

气体压力的升高是靠吸入气体的体积被强行缩小，使单位容积内气体分子数增加来达到的。

它有两种结构形式：

往复活塞式和回转式。

◆速度型：

气体压力的升高是靠气体的速度转化而来，即先使气体获得一定高速，然后再由气体的速度能转化为压力能。

其主要形式是离心式制冷压缩机。

第一节活塞式制冷压缩机的分类及其构造

一、活塞式制冷压缩机的分类

1.按制冷量的大小分类

无严格界线，也无统一规定，一般认为：

◆大型：

标准制冷量在600kW以上者；

◆小型：

制冷量在60kW以下；

◆中型：

制冷量在60kW～600kW。

2.按制冷剂蒸气在气缸中的运动分类（★图4-1、4-2）

◆顺流式：

制冷剂蒸气的运动从吸气到排气都沿同一个方向进行

◆逆流式：

吸气与排气时制冷剂蒸气的运动方向相反。

3.按气缸布置型式分类

◆卧式：

气缸轴线呈水平布置，制冷量大，大型机；

◆立式：

气缸轴线直立布置；

◆高速多缸：

其速度一般为960～1440转／分，气缸数目多为２、4、6、8四种，可分为Ｖ型、Ｗ型和Ｓ型（扇型）

4.按电动机和压缩机的组合型式分类

◆开启式：

压缩机的动力输入轴伸出机体外，通过联轴器或皮带轮与电动机联结，并在伸出处用轴封装置密封。

◆半封闭式：

压缩机与电动机共用一主轴，并共同组装于同一机壳内，但机壳为可拆式，其上开有各种工作孔用盖板密封。

◆全封闭式：

压缩机与其驱动电动机共用一个主轴，二者组装在一个焊接成型的密封罩壳中。

5.按压缩机的级数分类

◆单级压缩：

由蒸发压力至冷凝压力经过一次压缩；

◆多级压缩：

由蒸发压力至冷凝压力经过两次压缩

6.按采用的制冷剂分类

◆氨压缩机

◆氟利昂压缩机

二、活塞式制冷压缩机的型号（★46页）

表示方法：

气缸数制冷剂气缸布置气缸直径传动方式

制冷剂：

A为氨；F为氟利昂；

传动方式：

A为直接传动（可略）；B为皮带传动；Q为全封闭式

压缩机型号举例：

压缩机型号

汽缸数

工质种类

汽缸布置形式

汽缸直径（cm）

备注

8AS—12.5

8

氨（A）

S型

12.5

直接传动

6AW—17

6

氨（A）

W型

17

直接传动

4FV—10B

4

氟利昂（F）

V型

10

皮带传动

3FW5（B）

3

氟利昂（F）

W型

5

半封闭式

S8—12.5

8

12.5

单机双级

三、活塞式压缩机的结构

（一）开启式

由机体、活塞及曲轴连杆机构、气缸套及进排气阀组合件、卸载装置、润滑系统五部分组成。

1.机体

是压缩机最大的主要部件，用以支承压缩机的主要零部件，一般采用高强度灰铸铁铸成。

2.活塞及曲轴连杆机构（传动机构）

◆曲轴是活塞式制冷压缩机的主要部件之一，其作用是传递能量，并将电动机的旋转运动通过连杆改变为活塞的往复直线运动，以达到压缩气体的目的。

◆连杆是曲轴与活塞间的连接件，它将曲轴的回转运动转化为活塞的往复运动，并把动力传递给活塞对气体做功。

◆活塞的作用是与气缸共同组成一个可变的封闭工作容积，使气体在此容积内受到压缩。

3.气缸套及进排气阀组合件

吸排气阀是活塞式压缩机的重要部件之一，它控制着压缩机的吸气、压缩、排气、膨胀过程。

靠压差自动启闭。

4.卸载装置（能量调节装置）

作用是使压缩机在运转条件下停止部分气缸的排气，以改变该压缩机的制冷能力。

包括顶杆启阀机构和油压推杆机构。

5.润滑系统

润滑目的：

◆减少轴与轴承、活塞环与气缸壁等运动部件接触面的机械磨损，减少摩擦耗功，提高零部件的使用寿命。

◆可以带走摩擦产生的热量，降低各运动部件的温度，提高压缩机的耐久性。

（二）封闭式家用电冰箱、窗式空调机等都使用的是全封闭式压缩机。

制冷压缩机的作用是：

１、从蒸发器中吸取制冷剂蒸气，以保证蒸发器内一定的蒸发压力。

２、提高压力，将低压低温的制冷剂蒸气压缩成为高压高温的过热蒸气，以创造在较高温度（如夏季35℃左右的气温）下冷凝的条件。

３、输送并推动制冷剂在系统内流动，完成制冷循环。

所有制冷压缩机，根据其结构特点和工作原理，均有其最佳冷量使用范围。

因此，当使用的冷量和条件不同时，应选用不同形式的压缩机，以获得最佳运行效果。

活塞式是应用最早的一种压缩机。

它具有使用温度范围广，设计、制造及运行管理技术成熟可靠的特点，应用较广。

但由于传动结构复杂和振动的存在，限制了其转速和制冷量的提高。

我国制造的活塞式制冷压缩机多为中小型。

从理论分析来看，直流式与逆流式相比，由于蒸气在气缸中温度及比容的变化较少，故直流式性能较好。

但是由于直流式压缩机的进汽阀需装在活塞上，这样便相对增加了活塞的长度和重量，因而功的消耗就增加、检修也麻烦，所以目前生产的压缩机大都采用逆流式。

目前，氨压缩机和容量较大的氟利昂压缩机都采用这开启式。

半封闭式压缩机不适用于有爆炸危险的制冷剂，故均为氟利昂制冷压缩机。

全封闭式压缩机结构紧凑，密封性好，使用方便，振动小、噪音小，广泛使用在小型自动化制冷和空调装置中。

连杆体在工作时承受拉、压交变载荷，故一般用优质中碳钢锻造或用球墨铸铁（如QT40－10）铸造，杆身多采用工字形截面且中间钻一长孔作为油道。

上一节　下一节

第二节活塞式制冷压缩机的性能及计算

一、理想工作过程与理论排气量

1.理想工作过程包括：

4-1：

吸气过程（下止点）

1-2：

压缩过程

2-3：

排气过程（上止点）

完成一个循环，压缩机对制冷剂

所做的功可用面积41234表示。

◆输气量：

压缩机在单位时间内，由吸气腔往排气腔输送的气体质量。

◆

4-1：

吸气过程（下止点）

1-2：

压缩过程

2-3：

排气过程（上止点）

完成一个循环，压缩机对制冷剂所做的功可用面积41234表示。

气缸工作容积Vg：

理想工作过程下，曲轴每旋转一圈，压缩机一个气缸所吸入的低压气体的体积。

D为气缸直径，S为活塞行程

若压缩机由z个气缸，转数为n（r/min）,则压缩机吸入气体体积：

———压缩机理论排气量（活塞排量）

二、实际工作过程与容积效率

实际工作过程与理想过程的差别：

◆压缩机的结构上，不可避免地会有余隙容积；

◆吸、排气阀门有阻力；

◆压缩过程中，气缸壁与气体之间有热量交换；

◆气阀部分及活塞环与气缸壁之间有气体的内部泄漏。

　　　故活塞式制冷压缩机的实际排气量VR永远小于活塞排量，两者的比值称为压缩机　　　的容积效率（输气系数）：

1.余隙容积

余隙的存在，造成压缩机实际吸气量的减少。

余隙系数λV：

压缩机实际吸气量与气缸工作容积的比值。

其大小反映了余隙容积对压缩机排气量的影响程度。

越大表明影响越小。

Vc↗，p2/p1↗————λV↘，影响越大。

2.吸、排气阀阻力

进、排气过程气缸内外有一定压力差，其中主要是吸气阀阻力影响容积效率。

造成吸气容积减少。

节流系数

其大小反映了吸、排气阀阻力所造成的吸气量损失。

3.气缸壁与制冷剂热交换

热交换引起压缩机质量排气量减少，可用预热系数λt来表示。

p2↗，p1↘————λt↘，影响越大。

4.压缩机内部泄漏

泄漏系数λL不仅与压缩机的构造、加工质量、零部件磨损程度等因素有关，还和压缩机的运行工况有关。

其值不能直接测量，一般推荐估算为：

λL＝0.95～0.98。

容积效率（输气系数）：

经验公式：

m为多变指数，R717，m＝1.28；R12，m＝1.13，R22，m＝1.18。

三、制冷量及耗功率

1.制冷量

实际排气量：

实际质量排气量：

制冷量：

2.耗功率Pe

耗功率Pe：

即轴功率，指由电动机传给压缩机轴上的功率。

指示功率Pi：

压缩气体；

耗功率Pe摩擦功率Pm：

克服运动机构的摩擦阻力，也包括润滑油泵的耗功率。

◆压缩机理论耗功率

指示效率ηi：

单位理论压缩功与实际条件下压缩单位制质量制冷剂所消耗的功之比。

指示功率Pi：

压缩机实际消耗的压缩功率。

压缩比越大，ηi↘，且中低速ηi高于高速活塞压缩机的ηi。

◆摩擦功率Pm：

运转时克服机械摩擦消耗的功率。

摩擦效率ηm：

指示功率与轴功率的比值：

，一般取0.8～0.9；随压缩比的变化规律与相似ηi。

压缩机轴功率：

称为压缩机的机械效率（总效率），可反映压缩机在某一工况下运行的各种损失，ηm＝0.65～0.75。

3.压缩机配用电动机的功率P（见课本57页，公式4－15）

四、能耗指标

性能系数COP：

指一定工况下制冷压缩机的制冷量与所消耗功率的比值，可用来评价压缩机运转时的经济性。

五、工况

工况：

表示压缩机工作温度条件的技术指标。

用稳定工作时的吸入压力饱和温度（或蒸发温度t0）、吸入温度、排出压力饱和温度（或冷凝温度tk）和制冷剂液体温度（或过冷温度）等温度数值表示。

说明一台压缩机的性能如何，必须指出是对什么工况而言。

标准工况

空调工况（见课本59页表4－1）

一、活塞式制冷压缩机工作原理

　　压缩机的实际工作循环包括四个过程：

1.吸气过程：

制冷剂蒸汽从蒸发器进入压缩机；

2.压缩过程：

提高制冷剂压力；

3.排气过程：

制冷剂进入冷凝器；

4.膨胀过程：

制冷剂压力降低。

活塞式制冷压缩机的运行性能主要指它的容积效率、吸气量、制冷量、耗功率以及能耗指标等，这些性能参数对于一台制冷压缩机而言，均不是定值，而是随所用制冷剂性能和运行工况等许多因素而变化。

 气缸中活塞向下运动，气缸内容积增大，压力降低，吸气阀打开，压缩机在压力p1下吸气，直至活塞到达下止点。

活塞向上运动，气缸内压力升高，吸气阀关闭，气体被绝热压缩，直至气缸内气体达到p2。

此时活塞继续向上运动，排气阀打开，高压气体定压排出气缸，直至活塞到达最上端（上止点）。

活塞排量只与压缩机的转数和气缸的结构尺寸、数目有关，与运行工况和制冷剂性质无关。

活塞往复运动时，活塞行程的上止点并不与气缸顶部完全重合，而是留有一定的间隙，以便于制造安装和保证运行安全可靠。

余隙是造成实际排气量降低的主要因素。

吸气时，低温的制冷剂蒸汽与温度较高的气缸壁接触并从气缸壁吸收热量。

蒸汽受热膨胀，比容变大，使压缩机吸入的制冷剂质量减少。

压缩机工作时，由于活塞与气缸壁之间密封不严，吸排气阀门关闭不严或关闭滞后等，都会造成部分蒸汽从高压部分向低压部分泄漏，从而造成压缩机实际输气量的减少。

空调用的制冷压缩机，压缩比一般小于4。

使用活塞式制冷压缩机，压缩比一般不大于8～10。