单级蒸汽压缩制冷的理论循环

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-6 21:57:44 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:单级蒸汽压缩制冷的理论循环

工作过程:

  单级蒸气压缩式制冷系统如下图1所示。它由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。其工作过程如下:制冷剂在蒸发压力下沸腾, 蒸发温度低于被冷却物体或流体的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸气,并将它压缩到冷凝压力, 然后送往冷凝器,在冷凝压力下等压冷却和冷凝成液体,制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质(通常是水或空气) 与冷凝压力相对应的冷凝温度一定要高于冷却介质的温度,冷凝后的液体通过膨胀阀或其它节流元件进入蒸发器。 当制冷剂通过膨胀阀时,压力从冷凝压力降到蒸发压力,部分液体气化,剩余液体的温度降至蒸发温度,于是离开膨胀阀的制冷剂变成温度为蒸发温度的两相混合物。 混合物中的液体在蒸发器中蒸发,从被冷却物体中吸取它所需要的气化潜热。混合物中的蒸气通常称为闪发蒸气,在它被压缩机重新吸入之前几乎不再起吸热作用 。

  在整个循环过程中,压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸气并造成蒸发器中低压力、冷凝器中高压力的作用,是整个系统的心脏; 节流阀对制冷剂起节流降压作用并调节进入蒸发器的制冷剂流量;蒸发器是输出冷量的设备,制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物体的热量,从而达到制取冷量的目的; 冷凝器是输出热量的设备,从蒸发器中吸取的热量连同压缩机消耗的功所转化的热量的冷凝器中被冷却介质带走。根据热力学第二定律, 压缩机所消耗的功(电能)起了补偿作用,使制冷剂不断从低温物体中吸热,并向高温物体放热,从而完整个制冷循环。

各部件的作用

  压缩机: 压缩和输送制冷蒸汽,并造成蒸发器中低压、冷凝器中高压,是整个系统的心脏。
  冷凝器: 是输出热量的设备,将制冷剂在蒸发器中吸收的热量和压缩机消耗功所转化的热量排放给冷却介质。  
  节流阀: 对制冷剂起节流降压作用,并调节进入蒸发器的制冷剂流量。
  蒸发器: 是输出冷量的设备,制冷剂在蒸发器中吸收被冷却对象的热量,从而达到制冷的目的。
 

压焓图:

  压焓图的结构如下图2所示。以绝对压力为纵坐标(为了缩小图的尺寸,提高低压区域的精度, 通常纵坐标取对数坐标),以焓值为横坐标。

  图中临界点K左边的粗实线为饱和液体线,线上的任何一点代表一个饱和液体状态,干度 x=0。 右边的粗实线为饱和蒸气线,线上任何一点代表一个饱和蒸气状态,干度 x=1。这两条粗实线将图分 为三个区域:饱和液体线的左边为过冷液体,过冷液体的温度低于相同压力下饱和液体的温度;饱和蒸气线的 右边是过热蒸气区,该区域内的蒸气称为过热蒸气,它的温度高于同一压力下饱和蒸气的温度; 两条线之间的区域为两相区,制冷剂在该区域内处于气、液混合状态(湿蒸气状态)。图中共有 六种等参数线簇:
  等压线----水平线;
  等焓线----垂直线;
  等温线----液体区几乎为垂直线。两相区内,因制冷剂状态的变化是在等压、等温下进行,故等 温线与等压线重合,是水平线。过热蒸气区为向右下方弯曲的倾斜线;
  等熵线----向右上方倾斜的实线;
  等容线----向右上方倾斜的虚线,比等熵线平坦;
  等于度线----只存在于湿蒸气区域内,其方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近,视干度大小而定。

各部件的作用 制冷循环过程在压焓图上的表示

  单级蒸气压缩制冷理论循环工作过程可清楚地表示在压焓图上,如图3所示。
对于最简单的理论循环(或称简单的饱和循环),离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气是处于蒸发 压力下的饱和蒸气; 离开冷凝器和进入膨胀阀的液体是处于冷凝压力下的饱和液体;压缩机的压缩过程为等熵压缩; 制冷剂通过膨胀阀节流时,其前、后焓值相等;制冷剂在蒸发和冷凝过程中没有压力损失; 在各设备的连接管道中制冷剂不发生状态变化;制冷剂的冷凝温度等于冷却介质温度, 蒸发温度等于被冷却介质的温度。显然,上述条件与实际循环是存在着偏差的, 但由于理论循环可使问题得到简化,便于对它们进行分析研究,而且理论循环的各个过程均是 实际循环的基础,它可作为实际循环的比较标准,因此仍有必要对它加以详细的分析与讨论。
 

  现将图3中各状态点及各个过程叙述如下:
  点1表示制冷剂进入压缩机的状态。它是对应于蒸发温度T0的饱和蒸气。根据压力与饱和温度的对应关系, 该点位于 的等压线与饱和蒸气线(x=1)的交点上。

  点2表示制冷剂出压缩机时的状态,也就是进冷凝器时的状态。过程线1-2表示制冷剂蒸气在压缩机中的等熵压缩过程 ,压力由蒸发压力 升高到冷凝压力 。因此该点可通过1点的等熵线和压力为冷凝压力的等压线的交点来确定。由于压缩过程中外界对制冷剂作功,制冷剂温度升高,因此点2表示过热蒸气状态。

  点3表示制冷剂出冷凝器时的状态。它是与冷凝温度 所对应的饱和液体。过程线2-2'-3表示制冷剂在冷凝器内的冷却(2-2')和冷凝(2'-3)的过程。由于这个过程是在冷凝压力 不变的情况下进行的,进入冷凝器的过热蒸气首先 将部分热量放给外界冷却介质,在等压下冷却成饱和蒸气(点2'),然后再在等压、等温下继续放出热量, 直至最后冷凝成饱和液体(点3)。因此,冷凝压力的等压线和x=0的饱和液体线的交点即为点3的状态。

  点4表示制冷剂出节流阀时的状态,也就是进入蒸发器时的状态。 过程线3-4表示制冷剂在通过节流阀时的节流过程。在这一过程中,制冷剂的压力由冷凝压力降到 蒸发压力 ,温度由冷凝温度降到蒸发温度 ,并进入两相区。由于节流前后制冷剂的焓值不变,因此由点3作等焓线与蒸发压力的等压线的交点即为点4的状态。由于节流过程是一个不可逆过程,所以用一虚线表示3-4过程。

  过程线4-1表示制冷剂在蒸发器中的气化过程。由于这一过程是在等温、等压下进行的,液体制冷剂吸取被冷却介质的热量(即制冷)而不断气化,制冷剂的状态沿蒸发压力的等压线 向干度增大的方向变化,直到全部变为饱和蒸气为止。这样,制冷剂的状态又重新回到进入压缩机前的状态点1,从而完成一个完整的理论制冷循环。

单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算

      在进行制冷循环的热力计算之前,首先需要了解系统中各设备内功和热量的变化情况,然后再对循环的性能指标进行分析和计算。

  根据热力学第一定律,如果忽略位能和动能的变化,稳定流动的能量方程可表示为

                          (1)

  式中 Q 和 P 是单位时间内加给系统的热量和功;qm是流进或流出该系统的稳定质量流量;h是比焓;下标1和2分别表示流体流进系统和离开系统的状态点.当热量和功朝向系统时,Q 和 P 取正值.
 

(1) 节流阀

  制冷剂液体通过节流孔口时绝热膨胀,对外不作功, P=0,故方程式(1)变为

                             (2)

因此,可认为节流前后其值不变.节流阀出口处(点4)为两相混合物,它的焓值也可
由下式表示:

  式中 hf0 和hg0 分别为蒸发压力p0 下饱和液体和饱和蒸汽的焓值;x4 为制冷剂出节流阀时的干度。将上式移项并整理得

                          (3)

  点4比容为

                         (4)

式中 Vf0 和Vg0 分别为蒸发温度t0 下饱和液体和饱和蒸汽的比容。

  (2)压缩机

  如果忽略压缩机与外界环境所交换的热量,则由式(1)得

                           (5)

式中 (h2-h1)表示压缩机每压缩并输送1kg的制冷剂所消耗的功,称为理论比功。

  (3)蒸发器

  被冷却物质通过蒸发器向制冷剂传送Q0 ,因为蒸发器不作功,故方程式(1)变为

                       (6)

  由上式可以看出制冷量与两个因数有关:制冷剂的质量流量qm和制冷剂进出口蒸发器的焓差(h1-h4)。(h1-h4)称为单位质量制冷量,它表示1kg制冷剂在蒸发器内从被冷却物质中吸取的热量,用q0表示。

  质量流量与容积qv有如下关系:

                              (7)

  用压缩机进口出V1代入上式得:

                              (8)

  将方程(8)代入(6)得:

                            (9)

  (4)冷凝器

  假设制冷剂在冷凝器中向外界放出热量为Qk ,那么

                          (10)

式中 (h2-h3)称为冷凝器单位热负荷,用qv表示。它表示1kg制冷剂蒸汽在冷凝器中放出的热量。

  (5)制冷系数

  按定义,在理论循环中,制冷系数可用下式表示

                          (11)

  在下一页我们通过一个例题来讲解热力计算过程

  例题:假定循环为单级压缩蒸气制冷的理论循环,蒸发温度t0=-10℃,冷凝温度为35℃,工质为R22,循环的制冷量Q0=55kw,试对该循环进行热力计算。

  解:该循环的压焓图如下所示:

根据R22的热力性质表,查出处于饱和线上的有关状态参数值:

h1=401.555 kJ/kg v1=0.0653 m3/kg
h3=h4=243.114 kJ/kg p0=0.3543 MPa
pk=1.3548 MPa

由图可知:h2=435.2 kJ/kg t2=57℃

图4 压焓图

 

  1 单位质量制冷量      q0=h1-h4=158.441 kJ/kg
  2 单位容积制冷量      
  3 制冷剂质量流量      
  4 理论比功              w0=h2-h1=33.645 kJ/kg
  5 压缩机消耗的理论功率   P0=qmw0=11.68 kw
  6 压缩机吸入的容积     V=qmv1=0.0227 m3/s
  7 制冷系数          
  8 冷凝器单位热负荷     qk=h2-h3=192.086 kJ/kg
  9 冷凝器热负荷           Qk=qmqk=66.67 kw
 



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