第3章蒸气压缩式制冷.doc

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1、第3章蒸气压缩式制冷（合计20学时）3.1可逆制冷循环3.1.1压缩式制冷的热力学原理概述热力学第二定律：热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。热力学循环包括正向循环和逆向循环；正向循环：热能转化为机械功；逆向循环：消耗功。从热力学角度说，制冷系统是利用逆向循环的能量转换系统，通过能量补偿，使制冷剂在循环中不断地从温度较低的被冷却对象中吸取热量，并向温度较高的冷却介质排放热量。按补偿能量的形式（或驱动方式），制冷方法主要归为两大类：以机械能或电能补偿的（如蒸气压缩式制冷机和热电式制冷机等）和以热能补偿的。热源：一般将流出热量的对象（

2、制冷剂从中吸收热量）称为～（heatsource）;热汇：将流入热量的对象（制冷剂向其排放热量）称为～（heatsink）。制冷循环的热力学本质是：用能量补偿的方式把热量从低温热源排到高温热汇。因此，制冷循环不但可以用于使物体降到环境温度以下的制冷目的，也可以用于使物体升到环境温度以上的加热的目的。（1）制冷机与热泵制冷机以环境温度的水或空气作为高温热汇，利用逆向循环在低温下从低温热源吸热，收益是制冷量（有效吸热量）；热泵以环境温度的水或空气作为低温热源，利用逆向循环在高温下向高温热汇排热，收益是供热量。上述两种设备均为逆向循环，区别仅在于使

3、用目的。同一台机器既可供热又可实现制冷，则为热泵型制冷机。（2）制冷循环的性能系数COP和循环效率性能系数和循环效率是评价制冷循环的经济性指标。热力学关心的是能量转换的经济性，性能系数被用来反映消耗一定的补偿能可以获得多少收益能。即COP=收益能量/补偿能量制冷机的性能系数：COPR=Q0/E，其中：压缩式制冷机COPR=Q0/W，习惯上将压缩式制冷机的性能系数称之为制冷系数，用表示。吸收式制冷机COPR=Q0/Qg，习惯上将吸收式制冷机的性能系数称之为热力系数，用表示。热泵的性能系数：COPH=QH/E，其中压缩式制冷机COPH=QH/W，

4、吸收式制冷机COPH=QH/Qg，习惯上称之为供热系数，用表示。对于热泵型制冷机，供热系数和制冷系数之间存在如下关系：COPH=1+COPR由于本课程主要讲述的对象是制冷机，评价的是制冷机性能，故在后续章节中出现的COP即为制冷机的性能系数COPR。循环效率（或热力完善度）用来评价实际制冷循环与可逆循环的接近程度。热力学上最为完善的是可逆循环。循环效率定义为：一个制冷循环的性能系数COP与相同低温热源、高温热汇温度下可逆制冷循环的性能系数COPc之比，即实际制冷循环总会存在不可逆损失，故其循环效率介于0～1。愈接近1，则说明该循环的热力完善程

5、度愈高，该循环的经济性能好。3.1.2逆卡诺制冷循环在恒温热源和恒温热汇之间工作的可逆制冷循环是逆卡诺制冷循环。它由两个等温过程和两个等熵过程组成，如下图所示（参见PPT）。制冷工质在从低温热源等温吸热（4—1），再等熵压缩到温度升至TH（1—2），又向高温热汇等温放热（2—3），然后等熵膨胀到温度降至TL（3—4），回到循环的初始状态。卡诺循环的吸热量：；卡诺循环的放热量：；卡诺循环的净输入功：；由能量守恒定律有：；卡诺循环的性能系数：；是相同低温热源和高温热汇条件下制冷循环性能系数在理论上的最高值。由计算式表明：⑴卡诺循环的性能系数只与热

6、源和热汇的温度有关，而与制冷剂的性质无关；⑵大小随热源与热汇的温度比值改变，TH一定时，TL愈低则愈小。总结COP和作为制冷机经济性评价指标的意义：⑴制冷机的COP与热源和热汇的温度条件有关；⑵只有在同样的热源和热汇温度条件下，才可以用COP值来比较两台或几台制冷机的循环经济性；⑶循环效率的定义本身已包含了相同热源和热汇条件下的比较，故可以根据值大小直接评价和比较各种制冷循环的经济性。3.1.3劳伦茨循环针对变温热源和变温热汇条件，制冷剂变温吸热、变温排热的循环是劳伦茨循环。它由两个变温过程和两个等熵过程组成。参见PPT。循环的吸热量：；卡诺

7、循环的放热量：；卡诺循环的净输入功：；由能量守恒定律有：；卡诺循环的性能系数：；相当于在TMT0M恒温热源恒温热汇条件下工作的卡诺制冷循环的性能系数，因此，可逆劳伦茨循环是变温热源和变温热汇条件下热力学上最理想的循环。3.2单级蒸气压缩式制冷的理论循环3.2.1特点及工作过程单级压缩的概念：来自蒸发器的低压制冷剂蒸气在循环过程中只经过一次压缩。单级蒸汽压缩制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四个基本部件组成，并用管道将它们串连成一个封闭的系统，制冷剂在这个封闭的系统中循环。如图：工作过程：参见书P67.讲解！闪发的概念：制冷剂瞬时蒸发的现

8、象。这部分蒸气称之为闪蒸气。在蒸发器中由于已经是气体，故几乎不产生制冷作用。3.2.2制冷剂的状态图制冷剂的热力状态是由两个独立的状态参数确定的，因此利用状态图可以