实用制冷空调讲座.docx

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实用制冷空调讲座

《实用制冷空调讲座》

设计、维护人员都适用的从书（制冷编）

举例解释P-h图与制冷系统

2002年9月12日·13日

（社）日本冷冻空调学会近畿地区事业推进委员会

第1章蒸气压缩式制冷循环基础

1．1冷冻装置与制冷循环

在制冷方法上,现在应用最多的是蒸气压缩式制冷法，即利用液体的汽化热进行制冷的方法。

图1.1表示了蒸气压缩式制冷循环。

在蒸发器内冷媒从被冷却物吸收热量，变成蒸气，从而产生了冷却效果。

蒸发形成的蒸气被压缩机吸入、压缩成为高温高压的过热蒸气，然后流进冷凝器。

在冷凝器被空气或冷却水冷却，产生冷凝液化，然后流进接液器（一般冷冻机上都配有，但空调上几乎不用）。

通过膨胀阀时被逐步膨胀，压力降低，然后再次进入蒸发器蒸发，冷却被冷却物。

所以膨胀阀在起调节作用的同时还要保持冷凝压力处于所设定的数值。

即冷媒在流经膨胀阀时，由于阻力作用，冷凝器与蒸发器间保持着压差。

就这样冷媒通过反复的蒸发、压缩、冷凝、膨胀，将蒸发器吸收的热量通过冷凝器排到大气或冷却水中，从而将热量由低温部传到高温部。

将这种冷媒流动一周称为制冷循环。

热泵时的循环同图1.1完全相同，只是冷凝压力和蒸发压力同作为冷冻机工作时不一样。

即冷凝压力必须提高到所需加热温度水平。

另外蒸发压力是这样定下来的，即对应于能够从大气、排热、排水、井水等热源吸收热量的蒸发温度下的压力。

1.2压缩行程

压缩机压缩冷媒蒸气时,蒸气压力增大,同时温度升高。

假如压缩过程中不对外散热，冷媒蒸气具有的能量比压缩前多增加了压缩功。

把这种压缩称为绝热压缩。

在理想的制冷循环中压缩是当作绝热压缩处理的。

现设绝热压缩前的冷媒蒸气比焓为h1（kJ／kg），绝热压缩后的冷媒蒸气比焓为h2（kJ／kg），冷媒流量为qm（kg／h），压缩功为P（kJ／h）

图1.1蒸气压缩式制冷循环

P＝qm（h2－h1）…………………………

（1）

（1）式中的能量就是每小时所需的。

下面以KW单位来表示

（1）式，则为

P＝qm（h2－h1）／3600（kW）……………

（2）

实际压缩时压缩机的效率不是100%，所以所需的输入功大于计计算出来的值。

另外，绝热压缩时压力P与比容V的关系表示如下

式中K称为绝热指数。

根据以上，可以求出压缩机所做的压缩功。

对1Kg冷媒所做的压缩功为

式中：

P1：

吸气压力（Pa）P2：

排气压力（Pa）V1：

进口蒸气比容（m3/Kg）

温度上升用下式表示：

式中：

T2：

排气温度（K）T2：

吸气温度（K）

K值增大，在同一吸气温度下，排气温度升高。

空气、氨气的温升较大，而冷媒的温升一般较少。

K值是定压比热与定容比热之比：

与绝热压缩相反,实际上压缩机气缸被水或空气所冷却,所以称为非绝热压缩。

压力与比容的关系如下式所示：

所以，压缩行程所做的功与（4）式相对，最终为：

（n称为非绝热系数）

1．3冷凝行程

压缩行程中成高温高压状态的冷媒气流进冷凝器，在此被空气或水冷却，放出冷凝热，变成液体。

冷凝器所放出的热量包括冷媒在蒸发器内吸收的蒸发热和压缩机的压缩功。

即冷凝热FK（KW）等于制冷量（蒸发器内吸收的热量）FO（KW）加上压缩机所需动力P（KW），按下式求得：

FK=FO+P………………………………..（9）

还可通过冷媒焓差和冷媒流量求出:

qr:

冷媒流量（kg/s）h2:

冷凝器入口冷媒蒸气比焓（KJ/Kg）h3冷凝器出口冷媒蒸气比焓（KJ/Kg）

另外,对于水冷式冷凝器可通过冷却水流量和冷却水出入口水温求出:

qw:

冷却水流量（m3/s）VW:

比容（m3/Kg）CW:

比热（KJ/Kg·K）TO:

出水温度（K）

Ti:

进水温度（K）

对于空气冷却式冷凝器可通过冷却空气量（风量）冷却空气进出口温度求出:

FK=（qa//Va）Ca（TO--Ti）……………………………（12）

qa:

冷却空气量（m3/S）Va:

比容（m3/Kg）Ca:

空气比热（KJ/Kg·K）TO:

出口空气温度（K）Ti:

进口空气温度（K）

所以,空气、水被加热，温度升高，冷媒在此时的压力及对应温度下（饱和状态）冷凝。

冷凝温度除冷凝器入口附近外（入口附近是过热气体）几乎一样。

实际上在冷凝器出口附近的冷媒一般处于少许过冷却状态。

这样，压缩机输送的冷媒量与冷却水或空气的冷却作用取得平衡后，就会在一定的冷凝温度下运行。

被液化的冷媒通常成5K左右的过冷液流出冷凝器。

热泵时就是利用这种冷凝器内冷媒所放出的热量。

1．4膨胀行程

膨胀行程就时在上述冷凝行程中被液化的高压冷媒输送到`蒸发器之前的行程。

在这一行程中需要降低冷媒压力。

这个过程称为调压膨胀。

膨胀阀、毛细管起这种作用。

膨胀阀的膨过程是不可逆变化，冷媒不做任何功，也没有热量进出，所以也被称为绝热膨胀（几乎是等焓的）。

此时压力、容积、温度变化较大。

在图1.2中，对于基准温度为t0（℃）的饱和液，其比容为V0（m3/Kg），比焓为h0（KJ/Kg），设膨胀阀入口温度为t2（℃），比容为V2（m3/Kg），压力P2力（MPa），比热为CP（KJ/Kg·K）。

在等压条件下，冷媒液的比焓为：

h2=∫t0t2Cpdt+AP2（V2–V0）+h0……………………………（13）

设干度为X，潜热为r（KJ/Kg），温度为t1（℃），则膨胀阀出口湿蒸气比焓为：

h2,=Xr+∫t0t1Cpdt+AP1（V1–V0）+h0……………………………（14）

由于是等比焓变化，所以h2=h2,………………………………………………………（15）

进而得出Cp2（t1-t2）+AP1（V2-V1）=Xr………………………………..（16）

由于上式左边第2项可以忽然不计，于是从式（16）中就可以看出靠汽化热提供的冷媒的显热量。

即冷媒液通过膨胀阀时压力下降，如图1.2所示一部分成为蒸气。

由于失去部分蒸发热，冷媒液被冷却到压力P1下的饱和温度T1。

其结果是膨胀阀出口的冷媒成为液体与气体共存的湿蒸气（干度X），然后输送到蒸发器。

另膨胀阀作用是调节，因此蒸发器提供的膨胀阀所需的冷媒量不能过少，以使膨胀阀兼有自动调节流量的作用。

图1.2膨胀行程冷媒状态

1.5蒸发行程

蒸发器通过低温冷媒蒸发而起到冷却作用。

因此，从膨胀阀输送过来的冷媒量、从外部进入蒸发器的热量及压缩机吸入量三者取得平衡后，即进入稳定运行状态。

如果由外部吸收的热量较少，这时冷媒的蒸发量减少，压缩机的吸气压力下降。

压力一变低，则吸入的冷媒蒸气比容变大，进入压缩机的冷媒质量减少。

所以，制冷负荷（必要的冷冻能力）一变小，低压压力自动下降，压缩机能力（必需的压缩动力）也相应减少，于是在新的状态下重新取得平衡。

正常作用的膨胀阀能适用制冷负荷的变化，供给适量的冷媒。

所以，制冷装置会自动地保持平衡，进行运转。

这样，将可自动保持平衡的作用称为具有自行控制性。

热泵时，冷凝器放出的热量是蒸发器从外部的吸热和压缩机耗费的能量之合。

一旦蒸发器正常工作，但不戏收外部热量，那么，冷凝器的放热就不充分。

这样，将向蒸发器供热的周围空气、水称为热泵的热源。

蒸发器的制冷量可通过冷媒流量和蒸发器出入口焓差求得：

qm:

流经蒸发器的冷媒流量（Kg）h4:

膨胀阀入口冷媒的焓（KJ/Kg）h1:

蒸发器出口冷媒的焓（KJ/Kg）

由于蒸发器内冷媒温度等于蒸发温度,,假定入口温度与出口温度相同，制冷能力可通过下式求出:

F0=K·A（Tm-Te）……………………….（16）

A:

蒸发器传热面积（m2）K:

蒸发器热流密度（W/m2K）Tm:

被冷却流体的平均温度（K）Te:

蒸发温度（K）

另外，还可通过被冷介质的流量和温差求出:

F0=C·qm（TW1-TW2）……………………….（17）

C:

被冷介质的比热（kJ/kg·K）qm:

被冷介质的流量（kg/S）TW1:

被冷介质入口温度（K）

TW2:

被冷介质出口温度（K）

将上述压缩、冷凝、膨胀、蒸发四行程称为制冷循环，归纳如图1.3所示。

图1.3制冷循环示意图

1．6练习题

（1）用公式表示出冷凝热量FK（kW）、制冷量F0（kW）、压缩机所需动力P（kW）三者之间的关系

（2）设蒸发器冷媒流量为qm、膨胀阀入口冷媒焓为h1、蒸发器出口冷媒焓为h2，求蒸发器的制冷量，用公式表示

（3）有一台制冷能力为11.6KW的水冷式制冷装置，其耗电量为6KW，问冷凝器排出的热量是多少？

另冷却水温度为25℃，流速为3000r/h，问冷凝器出口温度是多少？

（答）

（1）FK=F0+P

（2）F0=qm（h2-h1）

（3）11.6+6=17.6kwWFK=（qw/Vw）.Cw.（T0-Ti）

T0=（FK·Vw）/（qw·Cw）+Ti=（17.6×3600×1）/（3000×4.186）+25=30℃

第2章p-h图和制冷循环计算

2．1p-h图

p-h图可以说是冷媒的地图，它表示了冷媒的热力学性质（压力、温度、热量等）。

利用p-h图进行热计算，可以求得冷冻机的大小，制冷能力，冷凝热量。

另外，通过读取压焓图可以了解制冷装置的运行壮态。

图2.1是p-h简图，纵座标表示压力，横座标表示比焓。

这种p-h图由以下一些参数组成。

组成图线有：

等压线、等温线、等比焓线、等比熵线、饱和温度线、饱和蒸气线、饱和液线、等干度线，等比容线。

有关p-h图组成，用图2.2的R22p-h图加以说明。

（1）等压线

等压线是与纵座标的压力刻度（对数刻度）成水平的线。

位于等压线上的所有点，其压力是相等的

（2）等温线

等温线表示冷媒内处于同一温度的各点状态，位于等温线上的点其温度是相等的。

在饱和液线和保和蒸气线之间的范围，冷媒压力与温度的关系是一定的。

压力值确定后，温度值也就确定了。

相反，温度确定的话，压力也就确定了。

所以等温线也就平行于等压线，因此等温线没有特别表示出来。

但在饱和液线和饱和蒸气线上表示温度。

图2.1p-h图的组成

图2.3饱和液线和干饱和蒸气线

图2.2p-h图

在图2.2左边液化冷媒区由饱和液线往上划等温线,就成了与等比焓线几乎平行的线。

但在干饱和蒸气线的右侧，过热蒸气区域，等温线呈现少许弯曲状，向右下方延伸。

（3）等比焓线

等比焓线是一条与图中横轴（比焓刻度线）成直角的垂直线。

等比焓线上的所有点其比焓是相等的。

0℃饱和液的比焓为200Kj/Kg。

（4）等比熵线

在p-h图中从干饱和蒸气线向右的区域，有许多向右上严重倾斜的实线，这些线就是等比熵线。

冷媒蒸气在绝热压缩时，其压力、温度、比容发生变化，该变化是沿等熵线进行的，称作等熵变化。

（5）饱和温度

饱和温度表示在饱和液线和饱和蒸气线上，它表示了对应于饱和压力下的冷媒的饱和温度。

例如1.564Mpa的等压线与饱和液线或饱和蒸气线的交点就表示出该点的饱和温度为40℃。

（6）饱和蒸气线

饱和蒸气线是p-h图中间偏右的曲线。

它表示了冷媒由液态蒸发形成蒸气，即干饱和蒸气的状态。

该线偏右的区域表示了所谓的过热蒸气，在同一压力下，过热蒸气温度较干饱和蒸气温度高。

（7）饱和液线

饱和液线用p-h图中左侧由左下向右上延伸的曲线表示。

它表示了冷媒即将沸腾的饱和液状态。

例如，在压力为0.5MPa就会沸腾的R22冷媒液用压力为0.5MPa的等压线和饱和液的交点表示，则该点的焓是200kJ/kg。

饱和液线左边区域表示了过冷却状态，右边区域表示了液体与蒸气混合的状态，即湿蒸气状态。

（8）等干线

湿蒸气区干度相同的点所连成的曲线。

何为干度？

干度是1kg湿蒸气中所含干饱和蒸气质量的比值。

如全是干饱和蒸气，则干度为1。

如干度为0.3,则1kg湿蒸气中30%是干饱和蒸气,70%是饱和液。

这时X=0.3kg/kg或简单表示为X=0.3，饱和液为（1－X），这个X就是干度。

在p-h图湿蒸气区域画有等干线，线上给出了干度值。

（9）等比容线

是冷媒中比容相同的点所连成的曲线。

在p-h图湿蒸气和过热蒸气区域中画有等比容线，有时湿蒸气区省略不画。

在图2.2p-h图过热蒸

气区，饱和蒸气线偏右上方画有等比容线。

例如，比容u=0.05m3/kg就表示每1kg冷媒的体积是0.05m3。

线越靠下方，比容的数值越大。

即密度变小，蒸气变轻。

2．1制冷循环和p-h图

将制冷循环冷媒状态变化与p-h图联系起来，就如图2.4所示。

但是制冷循环通常不是一成不变的，随冷却水温度不同及被冷物数量多少而产生较大变化。

为具体说明问题，假定在下述条件下进行制冷循环运行，并将制冷循环过程画在p-h图上。

（条件）冷媒R22；蒸发温度5℃；冷凝温度50℃；压缩机吸气温度15℃（过热度10℃）；膨胀阀进口冷媒液温度45℃（过冷度5℃）

（参考）三菱电机空调用压缩机运行条件如下：

冷媒R22；蒸发温度5℃；冷凝温度52℃；压缩机吸气温度15℃；膨胀阀进口冷媒液温度45℃

SI单位中，温度的基本单位是K（开尔文），由于R22的p-h图使用℃（摄氏度），所以在这也使用℃。

（1）蒸发温度和冷凝温度（见图2.5）

首先在饱和液线和饱和蒸气线上求出温度为5℃的点,将这两点用直线连接起来,就是要求的蒸发温度为5℃的线。

此时自饱和液线向饱和液线凸起方向引直线，沿此直线看纵轴上的压力，可读取压力为0.6MPa。

同样，在饱和液线和饱和蒸气线上找出温度为50℃的点，将这两点连成直线，就是表示冷凝温度为50℃。

这条线也是压力为2MPa的等压线。

图2.4冷媒状态变化与p-h图

（2）压缩机吸气状态（见图2.6）

蒸发器内冷媒蒸发温度是5℃，压缩机吸气温度是15℃,吸入的是过热蒸气。

先拉一条蒸发温度为5℃的直线（压力为0.6MPa的等压线），使之与过热蒸气区，温度为15℃等温线相交，其交点就是表示压缩机吸气状态的点（见图2.6点1）。

该点压力为0.6MPa；温度15℃；比焓415kJ/kg；比容0.042m3/kg;；比熵1.77kJ/kg；过冷度=15℃-5℃=10℃。

（3）压缩机内冷媒的变化（见图2.7）

如前所述，将压缩机内冷媒气体的压缩看作是绝热压缩。

因此是熵保持不变的等熵压缩。

所以，从图2.6中求出的点1沿等熵线平行地向右斜上方引直线，压缩终了状态就是该直线同冷凝温度为50℃线（压力2MPa的等压线）交点的状态。

该点压力为2MPa；温度80℃；比焓447kJ/kg；比容0.015m3/kg;；比熵1.77KJ/kg。

（4）冷凝器出口、膨胀阀进口状态（见图2.8）

膨胀阀进口冷媒液温度为45℃，为过冷液，其状态用图2.8点3表示。

该点在过冷区域，是前面所画的冷凝温度为50℃的等压线与此45℃的等温线交点。

该点压力为2MPa；温度45℃；比焓256kJ/kg。

（5）膨胀阀出口、蒸发器入口状态（见图2.9）

由于膨胀阀内无热量进出，但有压力变化，所以膨胀阀出口状态就是图2.9点4所示状态。

该点为前面所画蒸发温度为5℃的等压线与比焓为256kJ/kg等焓线之交点。

图2.5蒸发温度与冷凝温度图2.6压缩机进口状态

图2.7压缩机内冷媒状态变化图2.8冷凝器出口、膨胀阀进口状态

图2.9膨胀阀出口、蒸发器进口状态图2.10制冷循环计算所需点

该点压力为0.6MPa；温度5℃；比焓256kJ/kg；干度0.25。

2．1制冷循环计算

2．3．1制冷循环计算基本公式

根据p-h图上记录的测量值、设计值，可以求出下述各点状态值（参照图2.10）。

（a）由蒸发温度可以得知蒸发压力（低压），相反，由蒸发压力可以得知蒸发温度；

（b）由冷凝温度可以得知冷凝压力（高压），相反，由冷凝压力可以得知冷凝温度；

（c）可以得知吸入压缩机内冷媒气的焓和比容；

（d）可求出压缩机排气温度及焓；

（e）通过膨胀阀冷媒温度可以求出冷媒的焓及蒸发器入口的冷媒干度。

利用以上所求数值可以进行制冷循环性能计算。

（1）压缩机理论排气量Vth（m3/h）

所谓理论排气量，是指压缩机不存在任何损失时，单位时间里压缩机吸收或排出的冷媒气的理论体积。

理论排气量（活塞式压缩机）的计算公式如下：

设活塞直径为：

Dm；活塞行程为：

Lm；气缸数为：

N只；每分钟转数为：

nrpm，则

Vth=π/4D2LN×60n（m3/h）……………….

（1）

（2）实际排气量V（m3/h）

实际上由于压缩机存在各种损失，其实际排气量较理论排气量少。

设实际排气量为V，则

V=hn×Vth（m3/h）……………….

（2）

上式中的hn称为压缩机的容积效率。

容积效率因压缩机结构不同而不同，一般与压缩比成一定的关系。

压缩比越大，容积效率越低。

（3）制冷效率q0（kJ/kg）

就是蒸发器（冷却器）内1kg冷媒所吸收的热量。

可通过蒸发器（冷却器）进口与出口的冷媒焓差求出。

q0=h1-h3（kJ/kg）………………………..（4）

式中：

h1：

蒸发器出口冷媒比焓；h3：

蒸发器进口冷媒比焓

（4）冷媒流量G（kg/h）

为获得所需的制冷量，须使一定量的冷媒流入蒸发器蒸发。

把这种单位时间里供给的冷媒量（质量）称为冷媒流量。

在压缩机排气量V（m3/h）及压缩机吸入冷媒比容已知的条件下，冷媒流量可按下式计算；

在制冷量F0（kW）和制冷效率q0（kJ/kg）已知时，还可按下式计算：

G=F0/q0×3600（kg/h）………………………………….（6）

（5）制冷量F0（kW）

是单位时间里蒸发器所吸收的热量。

按下式计算：

F0=G×q0×1/3600=G×（h1-h3）×1/3600（kW）……….（7）

用kW和kcaL/h计算，所得出的单位时间冷媒流量，其单位是不一样的。

这点在计算时应加以注意。

（6）冷凝热FK（kW）

是压缩机排出的高温高压冷媒气体在冷凝液化时所析放的热量，也就是冷凝器排到水或空气中的热量。

冷凝热按下式计算：

FK=G×（h2-h3）×1/3600………………….（8）

（7）理论所需功率Wth（kW）

假定压缩机不存在任何损失，压缩机运转时所需的功率按下式计算：

（8）压缩机实际所需功率W（kW）

是压缩机实际运行时所需的功率，按下式计算：

式中hi是压缩机的压缩效率（指示效率），它表示了冷媒气在压缩时吸气阀、排气阀等中发生的损失。

hm是机械效率，它表示了压缩机轴承、活塞和气缸间的磨擦损失等。

（9）电机输入功率P（kW）

压缩机依靠电机带动，而电机内部也存在损耗，所以，电机所需功率较压缩机所需功率大。

P=W/he（kW）………………………………………………（11）

式中he压是电机效率，损失部分表现为电机内部发热等。

（10）能效比（COP）

所谓能效比是指制冷量与实际输入功率之比值。

因此，能效比是表示制冷循环效率的参数。

（a）理论能效比eth

eth=（h1-h3）/（h2-h1）………………………………（12）

（b）实际能效比e

按以下公式计算：

e=制冷量/实际输入功率=F0/P……………………（13）

能效比作为CoefficientofPerformane之简写，大多采用记号“e”。

（c）热泵循环时

冷凝器内1kg冷媒所析放的热量是h2-h3（kJ/kg），将这一热量用于暖房时，则热泵的理论能效比eth就是：

eth=（h2-h3）/（h2-h1）…………………………………（14）

因h2-h3=（h2-h1）+（h1-h3），所以eth=［（h2-h1）+（h1-h3）］/（h2-h1）=1+eth也就是在制冷循环理论能效比上加上1。

（d）制冷装置能效比

以上说明的是制冷循环能效比。

对于制冷装置，除冷冻机功率外，还需要泵、风机等的功率，将这些输入功率加到Pi（电机输入功率）上计算出来的结果，称为该装置的能效比。

（e）EER与SEER

能效比是对于所处制冷循环条件下的一个数值。

整过制冷装置其运行条件随着运行时间的推移会发生变化，因此，可以说能效比未能完全表达出判断装置运行是否经济。

为判断是否经济，最近又提出了EER（能量利用率）或SEER（期间能量利用率）。

EER→EnergyEfficiencyRatioSEER→SeasonaiEnergyEfficiencyRatio

EER=制冷量或制热量/消费电量…………（16）

2．3．2制冷循环计算实例

计算一下如下制冷循环（冷媒R22、压缩机排气量50m3/h、冷凝温度50℃、蒸发温度5℃、过冷度5℃、过热度10℃）。

（1）在p-h图上画制冷循环，如图2.11所示。

由图求出：

h1：

415kJ/kg；h2：

447kJ/kg；h3：

256kJ/kgu1：

0.0423m/kg

图2.11制冷循环计算实例

利用2.3项公式进行以下计算：

（2）冷媒流量G

取容积效率为0.75，则

（3）制冷量F0

取F0=893［kg/h］（415［kJ/kg］-256［kJ/kg］）=141987［kJ/h］=39.4［kW］…………….（18）

（4）冷凝热Fk

FK=893［kg/h］（447［kJ/kg］-256［kJ/kg］）=170563［kJ/h］=47.4［kW］…………….（19）

（5）所需功率W

理论所需功率Wth

压缩机所需功率W

设hi=0.7，hm=0.9，则

W=7.9［kW］/0.7×0.9=12.5［kW］………………………………….（21）

（6）电机输入功率P

设he=0.9，则

P=12.5［kW］/0.9=13.9［kW］………………………………….（22）

（7）能效比

eth=（415-256）/（447-415）=5……………………………（23）

e=39.4［kW］/13.9［kW］=2.8……………………………（24）

图2.12R22p-h图

图2.13R410Ap-h图