第二章

蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理內容提要蒸氣壓縮式制冷與熱泵的工作原理1制冷劑及其熱力性質圖表2蒸氣壓縮式制冷（熱泵）理想循環和飽和循環3第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理2.1蒸氣壓縮式制冷與熱泵的工作原理原理：液體汽化吸熱這一物理現象最簡單的蒸氣壓縮式制冷機原理圖工質的要求？蒸發器：冷凍水（12-7℃）冷凝器：冷卻水（32-37℃）第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理、制冷機中充注易揮發的工質，例如四氟乙烷（CH2FCF3，代號R134a）。制冷機中的工質稱制冷劑。工質在制冷機中4個狀態變化過程：（1）工質在蒸發器中的等壓汽化過程（蒸發過程）汽化吸熱，產生制冷效應。汽化時的壓力稱蒸發壓力，對應的飽和溫度稱蒸發溫度。（2）工質在壓縮機中的壓縮過程壓縮過程消耗機械功。壓縮后工質壓力升高。（3）工質在冷凝器中等壓冷卻和凝結過程（冷凝過程）冷凝過程放出熱量，產生制熱效應。冷凝過程中的壓力稱冷凝壓力，對應的飽和溫度稱冷凝溫度。（4）工質經節流閥節流節流后工質壓力降低。第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理工質經歷了蒸發—壓縮—冷凝—節流4個狀態循環變化過程，實現了熱量從低溫到高溫的轉移。其代價是消耗了功。當制冷機用于供熱（利用轉移到高溫處的熱量）時，稱為熱泵。概念：1.制冷量：單位時間內蒸發器從被冷卻介質中提取的熱量，用表示。2.制熱量：單位時間內熱泵的冷凝器供出的熱量，在制冷機中稱為冷凝熱量，用表示

。法定單位：W、KW；工程制單位：千卡/小時（kcal/h），英熱單位/小時（Btu/h）。換算關系：1W=0.86kcal/h1kW=860kcal/h1kcal/h=1.163W1W=3.412Btu/h第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理3.壓縮機消耗的功率：制冷機或熱泵中壓縮機在單位時間內消耗的功稱為壓縮機消耗的功率，用4.制冷機或熱泵的性能系數制冷機

熱泵

注意：可以指壓縮機理論消耗功率、軸功率、電機輸入功率或制冷機（熱泵）的總輸入功率（含風機、泵的電機功率）。表示，單位為W、kW。COP值為3.2以上的為A級，D級居中，介于2.8和2.6之間，E級以下為低能效空調。第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理圖1氟利昂制冷系統流程圖第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理圖2氨制冷系統流程圖第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理空調用蒸氣壓縮式制冷機組一、冷（熱）水機組生產冷凍水，提供給室內末端接冷卻塔第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理螺桿式冷水機組制冷劑循環接冷卻塔生產冷凍水，提供給室內末端第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理離心式冷水機組1-電動機；2-增速器；3-壓縮機；4-冷凝器；5-浮球式膨脹閥；6-擋液板；7-蒸發器；8-制冷劑回收管；9-制冷劑回收裝置；10-抽氣管；11-放空管第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理螺桿式熱泵冷熱水機組1-半封閉螺桿式壓縮機；2-四通閥；3-水冷換熱器；4-水流開關；5-單向閥；6-高壓貯液器；7-干燥過濾器；8-視液鏡；9-電磁閥；10-制熱熱力膨脹閥；11-制冷熱力膨脹閥；12-室外風冷換熱器；13-風扇；14-氣液分離器；15-噴液膨脹閥第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理二、空氣調節機組第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理熱泵型空調器流程圖（a）制冷工況；（b）制熱工況1-毛細管；2-電磁導閥滑閥；3-彈簧；4-右氣缸；5-左氣缸；6-滑閥第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理分體式掛壁空調器結構示意圖第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理多聯機空調系統原理圖第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理2.2制冷劑及其熱力性質圖表1、鹵代烴鹵代烴是飽和碳氫化合物（CmH2m+2）的氟、氯、溴的衍生物，是建筑中應用的制冷機（熱泵）中常用的一類制冷劑。鹵代烴化學通式CmHnClpFqBrr鹵代烴的編號RabcBd其中a=m-1，當a=0時，編號中省略b=n+1c=qd=r，當r=0時，編號中B、d均省略編號中氯原子數不表示，可按下式推算：n+p+q+r=2m+2第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理例：R22——?

CCl2F2——?乙烷（C2H6）衍生物有同分異構體鹵代烴有以下幾類：①氟烴（FC），如CF4（R14），或寫成FC14②氯氟烴（CFC），如CCl2F2(R12)，或寫成CFC12③氫氯氟烴（HCFC），如CHClF2（R22），或寫成HCFC22④氫氟烴（HFC），如CH2FCF3（R134a），或寫成HFC134a⑤氫氯烴（HCC），如CH3Cl（R40），或寫成HCC40⑥全氯代烴，如CCl4符號中第一個C代表氯，第二個C代表碳。第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理2、飽和碳氫化合物甲烷（CH4）—R50，乙烷（C2H6）—R170丁烷及以后的烷類按序號600依次編號，如丁烷為R600、R600a。3、環狀有機化合物分子結構呈環狀的有機化合物，如C4F8，編號為RC318。4、共沸混合制冷劑由兩種或多種制冷劑按一定比例混合在一起的制冷劑，在一定壓力下平衡的液相和氣相的組分相同，且保持恒定的沸點，這樣的混合物稱為共沸混合制冷劑。例如R125/134a（50/50），編號為R507A編號法則：已商品化的共沸混合制冷劑給予編號，序號從500開始。第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理5、非共沸混合制冷劑由兩種或多種制冷劑按一定比例混合在一起的制冷劑，在一定壓力下平衡的液相和氣相組分不同（低沸點的組分在氣相中的成分高于液相中的成分），且沸點并不恒定。例如R32/125/134a（23/25/52），編號R407C編號法則：已商品化的非共沸制冷劑給予編號，序號從400號開始。6、無機化合物編號法則：700加分子量氨（NH3）R717二氧化碳（CO2）R744水（H2O）R718第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理制冷劑熱力參數表

制冷劑飽和狀態下熱力性質表R134a飽和狀態下熱力性質表溫度t(℃)絕對壓力p（kPa）比容比焓汽化潛熱hfg（kJ/kg）比熵液體υf（L/kg）蒸氣υg（m3/kg）液體hf（kJ/kg）蒸氣hg（kJ/kg）液體sf（kJ/（kg·K））蒸氣sg（kJ/（kg·K））－6016.3170.678731.05020127.283360.230232.9480.701391.79427－5917.3860.679990.98961128.380360.862232.4820.706521.79212－5818.5130.681260.93311129.481361.494232.0130.711651.79002－5719.7000.682530.88038130.586362.127231.5400.716771.78797－5620.9490.683820.83114131.695362.759231.0640.721881.78596制冷劑過熱蒸氣熱力性質表R134a過熱蒸氣熱力性質表溫度t（℃）比容υ（m3/kg）比焓h（kJ/kg）比熵s（kJ/（kg·K））溫度t（℃）比容υ（m3/kg）比焓h（kJ/kg）比熵s（kJ/（kg·K））p＝292.82kPap＝1016.4kPa00.068891397.2161.72200400.019857418.2261.7071350.070716401.8031.73865450.020583424.0771.72567100.072500406.3911.75499500.021272429.8121.74355150.074250410.9831.77107550.021931435.4581.76089200.075969415.5861.78691600.022565441.0361.77776第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理制冷劑的lgp-h圖和T-s圖

lgp-h圖第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理T-s圖第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理2.3蒸氣壓縮式制冷（熱泵）

理想循環和飽和循環理想循環（逆卡諾循環）逆卡諾循環在T-s圖上的表示1-2——等熵壓縮過程2-3——等溫壓縮過程（高溫熱源放熱）3-4——等熵膨脹過程4-1——等溫膨脹過程（低溫熱源吸熱）設M（kg）工質在系統內循環一周，則Q1=T1（sb－sa）M（低溫熱源處吸取熱量）

Q2=T2（sb－sa）M（高溫熱源處排出熱量）W=Q2－Q１＝（T2－T1）（sb－sa）M循環消耗的凈功

第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理制冷性能系數：制熱性能系數：第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理在濕蒸氣區中的逆卡諾循環實際上這個循環無法實現，其原因是：（1）無溫差傳熱實際上是行不通的。（2）壓縮過程在濕蒸氣區進行危害性大。（3）膨脹機的尺寸很小，制造不易。（4）狀態點1很難檢測和控制。（干度）第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理飽和循環蒸氣壓縮式制冷飽和循環在T-s圖上的表示1-2——絕熱壓縮過程2-3——冷凝過程（2-2'等壓冷卻和2'-3凝結過程）壓強不變3-4——絕熱節流過程4-1——蒸發過程飽和循環是對濕蒸氣區中逆卡諾循環進行如下改造后的可實現的循環：（1）取消膨脹機，改用節流閥。（2）狀態點1改為飽和蒸氣狀態。（3）使Te<T1，Tc>T2。第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理飽和循環在lgp-h圖上的表示第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理（1）蒸發器（4-1）制冷量單位質量制冷劑的制冷量單位質量冷凝熱量或熱泵制熱量制熱量（2）蒸發器（2-3）（3）壓縮機（1-2）壓縮機消耗功率單位質量制冷劑消耗的功第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理根據熱力學第一定律qc=qe+w制冷性能系數制熱性能系數COPh=1+COP第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理壓縮機吸入口容積流量單位容積制冷量注意：制冷機的容積流量各處不一定相等。如無特殊說明、qv均指壓縮機吸汽口處的物理量。第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理Te和Tc對飽和循環的影響蒸發溫度變化的影響當Te↑，則qe↑，qv↑，w↓，qc↓，COP↑，COPh↑冷凝溫度變化的影響當Tc↓，則qe↑，qv↑，w↓，COP↑，COPh↑，qc與制冷劑性質有關，一般是增加的。第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理2.4飽和循環和理想循環的比較飽和循環和逆卡諾循環在T-s上的比較逆卡諾循環：1-5-2'-3-6-1飽和循環：1-2-2'-3-4-1逆卡諾循環與飽和循環的比較逆卡諾循環飽和循環差值（飽和-逆卡諾）單位質量制冷量qe面積6-1-c-a-6面積4-1-c-b-4-A2單位冷凝熱量qc面積5-3-a-c-5面積2-2'-3-a-c-2+A1單位壓縮功w面積1-5-3-6-1面積1-2-2'-3-a-b-4-1A1+A2COP變化?第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理蒸氣壓縮制冷（熱泵）飽和循環與理想循環的3個不同點是：①干壓縮代替濕壓縮；②用節流閥代替膨脹機；③吸熱及放熱過程為定壓過程且存在傳熱溫差。1．蒸汽壓縮式制冷理論循環中為什么用節流閥代替膨脹機，對制冷系數有何影響？2．蒸汽壓縮式制冷理論循環中為什么用干壓縮代替濕壓縮？對制冷系數有何影響？思考題第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理

1.（1）用節流閥代替膨脹機原因：①進入膨脹機的是液態制冷劑，體積變體很小，膨脹機體積也要很小，難于制造；②膨脹機作功能力不足以克服機器本身的摩擦阻力；③節流閥便于調節進入蒸發器的制冷劑流量。

用節流閥取代膨脹機，損失了膨脹功A2和單位制冷量減少了A2（稱節流損失），降低了制冷系數。（2）對制冷系數的影響：第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理2.（1）干壓縮代替濕壓縮的原因：①濕壓縮制冷能力降低：吸入濕蒸汽時，制冷劑與壓縮機汽缸壁熱交換強烈，因為壓縮后溫度很高，吸入時流體碰到熱的汽缸壁，液珠變為氣體，占據了汽缸的有效空間，使壓縮機吸入制冷劑的質量減少；同時，汽缸壁受到強烈冷卻，壓縮時汽缸壁又從壓縮蒸汽中吸收熱量，這種強烈熱交換不可逆程度增加，熵增大，耗功量增大。②避免液擊（敲缸）危險：當大量液體制冷劑進入汽缸時，因液體是不可壓縮的，所以當壓縮機活塞沖到盡頭時，汽缸的壓力大增，引起液壓沖擊，使壓縮機和電機受到危害。這是不允許的。

（2）對制冷系數的影響：采用干壓縮后，壓縮多耗了功A1（稱過熱損失）；且排汽溫度升高了。降低了制冷系數。

第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理由于有過熱損失和節流損失，導致性能系數下降。用制冷循環效率來衡量飽和循環接近逆卡諾循環的程度。4種制冷劑的節流損失、過熱損失、排汽溫度和循環效率（te/tc=0℃/40℃）制冷劑節流損失過熱損失t2（℃）COPηR（%）A2（kJ/kg）（%）（%）A1（kJ/kg）（%）R134a4.29220.162.950.1160.55445.48780.4R224.08417.452.560.5762.558.45.54681.2R71713.8038.721.2813.588.5795.75.74584.2R1231.7238.21.200406.23291.3熱泵循環效率分別為82.8%、83.7%、86.2%、92.4%第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理2.5飽和循環的改進措施過熱損失和節流損失是導致性能系數偏離逆卡諾循環的主要原因。節流損失節流前過冷安裝過冷器增加傳熱面積安裝回熱器回收膨脹功中間冷卻或多級壓縮過冷度Pk/P0>8蒸氣回熱循環過冷、過熱度過熱損失大容量制冷裝置中采用膨脹機（少）思考題節流閥前液體過冷有何意義？第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理qe、qv、COP每過冷1℃的增加百分數（te/tc=0℃/40℃）制冷劑R134aR22R717R123qe、qv、COP增加百分率（%）1.050.840.440.721、節流前過冷第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理2、回熱循環4種制冷劑采用回熱循環后COP、COPh、qv增減百分比及t2制冷劑R134aR22R717R123COP增減百分比（％）13.9-1.14-4.21-3.2COPh增減百分比（％）11.8-0.97-3.6-2.8qv增減百分比（％）2.49-1.03-4.531.5排汽溫度t2（℃）62.877.912059.8第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理3、使用膨脹機第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理4、多級壓縮第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理2.6雙級壓縮制冷（熱泵）循環思考題多級壓縮中間冷卻意義？壓力比增加對循環的影響R134a在以下兩種工況循環的比較te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.471-2-3-4-1：壓力比為3.47的飽和循環1-2'-3'-4'-1：壓力比為7.23的飽和循環qe、qc、qv和COP、COPh？壓力比增加對循環的影響R134a在以下兩種工況循環的比較te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下兩種工況循環的比較壓力比增加對循環的影響te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下兩種工況循環的比較壓力比增加對循環的影響te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下兩種工況循環的比較1-2-3-4-1：壓力比為3.47的飽和循環1-2'-3'-4'-1：壓力比為7.23的飽和循環壓力比增加對循環的影響te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下兩種工況循環的比較1-2-3-4-1：壓力比為3.47的飽和循環1-2'-3'-4'-1：壓力比為7.23的飽和循環壓力比增加對循環的影響te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下兩種工況循環的比較1-2-3-4-1：壓力比為3.47的飽和循環1-2'-3'-4'-1：壓力比為7.23的飽和循環壓力比增加對循環的影響te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下兩種工況循環的比較qe、qc、qv和COP、COPh？不同壓力比的飽和循環在lgp-h圖上的比較1-2-3-4-1：壓力比為3.47的飽和循環1-2'-3'-4'-1：壓力比為7.23的飽和循環壓力比增加對循環的影響te,℃tc,℃pe,kPapc,kPapc/pe070292.822116.27.23040292.821016.43.47R134a在以下兩種工況循環的比較第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理如何改善大壓力比對制冷（熱泵）循環帶來的不利影響呢？-------采用雙級或者多級循環1、兩級節流完全中間冷卻的雙級制冷（熱泵）循環兩級節流完全中間冷卻的雙級壓縮制冷（熱泵）循環用于過熱損失和節流損失均較大的制冷劑循環中第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理2、兩級節流不完全中間冷卻的雙級制冷（熱泵）循環兩級節流不完全中間冷卻的雙級壓縮制冷（熱泵）循環（狀態點8為完全冷卻）用于節流損失大、過熱損失小的制冷劑循環中第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理3、一級節流不完全中間冷卻的雙級制冷（熱泵）循環一級節流不完全中間冷卻的雙級壓縮制冷（熱泵）循環節流損失大的循環中，可利用壓縮機的吸熱繼續對狀態6的液體進行冷卻第二章蒸氣壓縮式制冷與熱泵的熱力學原理4、準雙級制冷（熱泵）循環有兩級葉輪的離心式壓縮機可實現此循環。第一級葉輪相當于低壓級壓縮機，第二級葉輪相當于高壓級壓縮機。

雙級壓縮制冷（熱泵）循環的熱力計算

（1）單位質量制冷量qe=h1－h6（2）低壓級壓縮機單位壓縮功wL=h2－h1（3）高壓級壓縮機單位壓縮功wH=h4－h3（4）低壓級壓縮機質量流量和容積流量第二章蒸