319 热力学-制冷热泵-制冷循环

319 热力学-制冷热泵-制冷循环

基本理论循环

单级蒸气压缩式制冷的基本理论循环及典型参数如下图。

图中1点为低温低压饱和蒸气，如温度-26℃，压力1atm；2点为高温高压过热蒸气，如压力10atm，温度50℃；3点为高压中温饱和液，如压力10atm，温度39℃；4点为低温低压湿蒸气，如1atm，温度-26℃，干度0.42。

循环中各过程特点为：

1-2等熵压缩耗功，部件为压缩机。

2-3等压冷凝放热，部件为冷凝器。

3-4等焓节流，部件为节流阀。

4-1等压吸热制冷，部件为蒸发器。

装置循环的收益为蒸发器制取冷量，代价为压缩机消耗的功或电，因此循环的热效率为（即制冷系数）：

COPr=Q_e/W

=m(h₁-h₄)/[m(h₂-h₁)]

=(h₁-h₄)/(h₂-h₁)

=(h₁-h₃)/(h₂-h₁)

循环计算示例

某蒸气压缩式冷库制冷装置，工质为R134a，工质在装置中的循环流量为100g/s；工质蒸发温度-26℃，冷凝温度39℃，计算基本理论循环时装置的制冷量，压缩机功率，向环境排热量，制冷系数，工质经节流元件节流后湿蒸气的干度。

解：

循环中1点温度为-26℃、相应压力为1atm的饱和气，其焓为:

h₁=382kJ/kg

熵为:

s₁=1.7451kJ/(kg.K)

理论循环中压缩过程1-2为等熵过程，故2点熵也为：

s₂= s₁=1.7451kJ/(kg.K)。

工质冷凝温度为39℃，相应压力为10atm，该压力下熵为1.7451kJ/(kg.K)的过热蒸气2点的焓为:

h₂=430kJ/kg

工质冷凝过程2-3为等压放热，因此3点为焓即为冷凝压力下工质饱和液的焓，即：

h₃=256kJ/kg

由于节流过程3-4前后焓相等，即：

h₄=h₃=256kJ/kg

利用上述各点焓及工质流量，即可计算制冷量等性能。

工质在蒸发器中的制冷量为：

Q_e=m(h₁-h₄)

=0.1*(382-256)

=12.6kW

压缩机耗电功率为：

W=m(h₂-h₁)

=0.1*(430-382)

=4.8kW

工质在冷凝器中向环境的排热量为：

Q_c=m(h₂-h₃)

=0.1*(430-256)

=17.4kW

装置的基本理论循环制冷系数为：

COPr=Q_e/W

=12.6/4.8=2.6

工质经节流元件节流后状态为湿蒸气，其中饱和气的焓为：

h_4v=h₁=382kJ/kg

蒸发过程4-1为等压汽化过程，因此饱和液的焓即为1atm，-26℃时饱和液的焓，即：

h_4l =165kJ/kg

设4点干度为x，则有：

h₄= 256=x h_4v+(1-x)h_4l

256=382x+165(1-x)

解得：

x=91/217=0.42

研讨

蒸发温度和冷凝温度对蒸气压缩式制冷装置的制冷系数和制冷量有哪些影响？

提高蒸气压缩式制冷装置制冷系数、降低装置能耗的途径有哪些？

如：

优化各部件及部件之间的匹配。

优化运行参数，如工质蒸发温度、冷凝温度、出蒸发器过热度、出冷凝器过冷度等。

减少冷量损失，如低压侧管路及部件保温等。

优化循环，如多级循环、压缩与喷射复合循环等。

合理利用自然冷源和自然能源（如太阳能）等。