当前课程知识点:工程热力学(下) > 第8章 制冷(致冷)循环 > 8-2 蒸气压缩制冷循环 > Video 8-2 蒸气压缩制冷循环
好 我们下面来学习蒸气压缩制冷循环
大家要注意 这个蒸气的气字是不带三点水的
也就是说 所有工质的蒸气都可以
这个是我们前面实际上
讲水和水蒸气的时候 曾给大家介绍过
也就是说 常用物性计算与查询的两个平台
只要输入这个网址就可以用到
因为我们在讲水和水蒸气的时候说过
水和水蒸气是实际工质的代表
那蒸气压缩制冷循环
它里面工质的处理方法
跟我们前面讲的
水和水蒸气的处理方法是完全一样的
它不是理想气体
一定要用水和水蒸气的处理方法来处理它
也就是查图表或者是软件
我们再来看一下
可能用哪些工质
或者说什么样的工质可以用
首先来看 水可不可以用
我们前面讲空气压缩制冷循环用的是空气
水能不能用在蒸气压缩制冷循环
那要看水的物性了
我们知道
在一个大气压 0度的情况下
水怎么样 会凝固的
会冻成冰的 如果冻成冰了
那就没法流动了
所以说水是不能用的
一般要用什么
要用低沸点的工质
比如说氟利昂 氨等等
我们来看 一个大气压下的沸点
有同学有可能要问
水的压力如果小的话
不就可以了么
实际上如果压力小的话
那相对大气压就是负压了
要产生负压
万一有泄露的话
那系统的性能就要出问题
而且要去制造负压是需要付出代价的
所以一般我们要用正压的
我们来看 一个大气压下
我们常用的几个工质 它的沸点
首先我们把水放在这
水在一个大气压下 沸点是100度
这个大家很清楚
我们来看R32
它的沸点是-51.6
R32实际上是我们国家目前主流在推的
R22的替代工质 工质为啥要替代
我后面会讲 制冷剂与环保的关系
因为R22它是不环保的
它不是环保工质
为什么不环保 我们后面会讲
R134a 在一个大气压下
它的沸点是-26.1度
第三个制冷剂 THR01
实际上是由清华老师研发出来的制冷剂
TH表示清华 制冷剂1号
它的沸点温度-30.2度
在这还想给大家说一下
我们刚才用的是制冷工质
大家有可能有的时候会听到
包括我们一些学术论文上
有时也说 制冷剂 冷媒
实际上它指的都是工质
在动力循环的时候 我们说工质
在制冷循环中
我们有时候
把工质直接给它说成制冷剂
实际上也是工质
或者说有的时候也把它叫做冷媒
但是 我们在空气压缩制冷循环
空气 我们直接就说它是空气
这是一些说法
给大家简单地介绍一下
在介绍蒸气压缩制冷循环之前
我们来回顾一下我们上一小节介绍的
空气压缩制冷循环
它的四个主要设备 是什么
压气机 冷却器 膨胀机和冷藏室 或者说冷库
这是空气压缩制冷循环
我们来看 蒸气压缩制冷循环
这是它的设备示意图
它是什么 是压缩机 刚才是压气机
这两个工作基本原理是一样的
输入功 使得工质的压力升高
那针对空气而言
我们习惯用压气机
对于一般的制冷剂来说
我们把它叫做压缩机
接下来是冷凝器
刚才的空气压缩制冷循环
这个位置是什么 是冷却器
既然是冷凝 那就有相变了
它要放热 冷凝 由气相变成液相
最大的一个区别是 节流阀
对于空气压缩制冷循环
那个位置是膨胀机
而对于蒸气压缩制冷循环
我们用的是节流阀
也就是用节流阀取代了膨胀机
为什么做这样的一个取代
我们后面会分析
然后接下来看 后面的设备是冷库
更明确地来说 它是蒸发器
那也就是说 在这里面也是有相变
液相变成气相
然后我们来看看各个设备里面的过程
首先压缩机里面 工质升压
如果理想化的话
我们不考虑它的不可逆压缩
我们把它近似看成可逆的话
它就是一个等熵压缩
在冷凝器里
是一个等压的放热过程
在空气压缩制冷循环里也是一个等压过程
但是在蒸气压缩制冷循环
冷凝器它是有相变的
然后节流阀
节流阀里是一个绝热节流过程
我们前面讲过绝热节流
绝热节流有什么特点
最后蒸发器
蒸发器里是一个等压的吸热过程
我们来看
相比于刚才的空气压缩制冷循环
由于不管是吸热还是放热
它都是有相变的
冷凝 然后蒸发 都是有相变的
所以有汽化潜热
所以单位工质的制冷量
相对于空气压缩制冷循环来说
要大幅地提高
我们现在把蒸气压缩制冷循环画在T-s图上
这个是实际的工质
跟水的性质是类似的
在T-s图上表示的时候
首先要把饱和液线和饱和气线画出来
然后我们再来看 压缩机里面
是一个等熵的压缩过程
我们假设 压缩机的入口是饱和气
饱和气 就是1点
等熵压缩温度升高 到2点
然后是冷凝器里的一个等压放热
首先是过热蒸汽的一个等压放热
然后是气液混合物
在冷凝器里一个冷凝 那是3-4的过程
我们假设它出口是饱和液 那就4点
接下来是节流阀
节流阀里是一个绝热节流
我们前面讲过
绝热节流是一个什么过程
是一个不可逆过程
所以这个过程一定要用虚线来表示
然后还有什么特点
绝热节流 出入口的焓怎么样 是相等的
所以绝热节流我们用虚线来表示
但是5点的焓跟4点的焓怎么样
是相等的 这一定要非常清楚
然后剩下来是什么
蒸发器里面的一个等压的放热过程
5-1 水平线
这就是蒸气压缩制冷循环在T-s图上表示
这个一定要非常清楚 会画
在这想问大家一个问题
循环耗功量可不可以用这图来表示
这是不可以的 为什么
因为4-5是一个不可逆过程
它的过程到底是怎样我们不清楚
所以我们不能用图示来表示
我们来分析一下
蒸汽压缩制冷循环与卡诺循环
我们知道2 3过程
它不是一个等温的放热过程
过热蒸汽 它的放热过程不是等温的
温度在降低的
那逆卡诺循环 它的制冷系数是最高的
那我们来看看
逆卡诺循环应该是怎样的
那我们就构造3 4 6 7
这个逆卡诺循环
或者说卡诺制冷循环
然后我们来比较 这个卡诺制冷循环
与蒸气压缩制冷循环
哪个制冷系数要高 哪个要低
首先我们来看
它的蒸发温度是一样的
也就是冷源温度是一样的
那就看热源
那就看放热温度了
蒸气压缩制冷循环
有上面2-3的那一段
所以它的放热温度
比卡诺制冷循环的放热温度怎么样 要高
所以它的制冷系数
比卡诺制冷循环要小
那你为啥不采用它
那我就看看这个过程到底能不能实现
首先是7-3这个过程
它是一个湿蒸气压缩过程
也就是说 里面肯定有液滴的
如果有液滴的话
就要产生液击现象
这要对压缩机要产生损伤
所以这是没法实现的
也就是7 3这个压缩过程
是没法来实现的
所以我们实际上采用的是
从1点 饱和气开始压上去
在实际的制冷循环中
实际上它的蒸发器出口还要过热的
实际上是这样的
我们来看
如果采用1-2这个过程
它是安全的
而且又增加了单位工质的制冷量
也就是7-1这一段
这是我们的右侧
而这左侧这块
4-6那就是膨胀机里面的过程 等熵膨胀
但是我用的是节流阀 是4-5
那我们来分析一下
用这节流阀代替了膨胀机
我们对它进行一个分析
4-6 然后6-5这个是
如果有膨胀机的话
应该是这样的一个过程
所以相对于有膨胀机来说
节流阀它有什么缺点
它损失了膨胀机里面可以做的功
膨胀做功 那就是4-6这两点的焓差
这是一个
再一个 它的制冷量也少了 5-6这一段
如果采用膨胀机
这也可以制冷 这一小段
我们来看一下
5-6这一段的制冷量
我们可以写成两块 写成什么
4减8 然后再减去 6减8
可以写成这样
我们来看一下
这两块各是什么东西
首先我们来看4-8这段
我们前面讲水和水蒸气的性质
我们曾经讲过过冷线的等压线
与饱和液线非常接近
当然过冷液的等压线
本身彼此也是非常接近的
与这个饱和液线也很接近
这样一来 饱和液线上
从4-8的这个过程
我们就可以看成
过冷液的等压线了
也就是说是这个
近似看到等压过程
如果说等压过程的话
交换的热量就等于焓的变化量
因为技术功的vdp dp=0
也就是q就等于这个焓变
也就是说4-8这个焓差
就是下面这个 84ba8的面积
就是这个面积
后面那一段h6-h8
这个很清楚
就是下面这个小矩形的面积
那你就清楚了 少制的冷
就是这个小三角的面积 8468
这就非常清楚了
如果说制冷剂饱和液线很陡的话
那损失的功量
或者说少制的冷 那就很小了
这是它的缺点
也就是说 制冷量可能要少一点
但是如果说选择的工质的饱和液线很陡的话
那损失量就很小
我们再来看它的优点
用节流阀代替了膨胀机
膨胀机本身是很复杂的
成本也高的 相对节流阀而言
所以说省掉了膨胀机
设备变的简单了
然后我用节流阀
可以很容易地来调控开度
也就是可以很容易地来调节蒸发压力
所以说这是它的优点
综合比起来看
优点是大于缺点的
也就是说利大于弊的
所以在我们实际的工程中
蒸汽压缩制冷循环用节流阀
在实际的工程上
希望设备越简单越好
设备简单的话成本低
可靠性也好 不容易出问题
而且在冰箱中
我们连节流阀都没有用
我们用的是毛细管
毛细管可以起到绝热节流的作用
我们刚才说 蒸气压缩制冷循环
用节流阀取代了膨胀机
而且利大于弊 所以我们用它
你是否会想 那你空气压缩制冷循环
可不可以也不用膨胀机
也去用节流阀
那你就要做分析
实际上最根本的原因
是空气与制冷剂的性质是不同的
对于空气压缩制冷循环
我们用的工质是空气
空气是理想气体
对于理想气体 如果采用绝热节流的话
焓当然是不变的
然后对理想气体 温度跟焓是啥关系
它俩是单值关系
焓不变的话 温度也就不变
也就是说
从冷却器里出来的气体
它是环境的温度
不进膨胀机
进节流阀 绝热节流
从节流阀出来的空气温度怎么样 还是空气的温度
那怎么去冷库里吸热
环境温度比冷空气的还要低
所以说对于空气压缩制冷循环
必须要采用膨胀机
不可能用节流阀的
我们下面再来看
蒸气压缩制冷循环的计算
我们前面把蒸气压缩制冷循环
在T-s图上已经画出来了
放在屏幕的右侧
我们来看它的计算
那就是蒸发器中的吸热量
这吸热量实际上也就是它的制冷量
对于蒸气压缩制冷循环
蒸发器中的吸热量或者说制冷量
应该是蒸发器出口的焓减去入口的焓
这跟理想气体不一样
不能用cp乘以温差
一定是焓差
焓怎么确定
那跟我们第六章讲的
水和水蒸气的处理方法是完全一样的
这是蒸发器里面的吸热量
接下来是冷凝器中
冷凝器中放热量也是出入口的焓差
然后我们再来看制冷系数
收益比上代价
收益是q2 代价是w
w=q1-q2
推下来 最后就是跟焓差相关是吧
就是跟各个点的 四个点
是我们最后推出来的制冷系数
它等于h1-h4比上h2-h1
也就是说 不管是热还是功
它都是与焓差相关的
工程上就希望
如果能用图直接表示出来的话 那就很直观
所以就有了压焓图
我们把蒸气压缩制冷循环画在压焓图上
当然纵坐标压力它应该取ln
为了看得清晰 lnp
然后当然首先要画出来
饱和液线和饱和气线
然后我们再把四个过程画出来
首先是压缩机里面的等熵压缩
焓肯定是增加的 你看这条线
然后冷凝器里的等压放热
这就是一条水平线了
4点 我们如果把它看成是饱和液的话
那就应该那条 饱和液那点
接下来是节流阀
它是一个不可逆过程 所以用虚线
但是焓是相等的
所以是一条虚的垂线
然后是蒸发器里的过程
也是一条水平线
蒸发气体的吸热量
就是1点和5点的焓差
就是这个线段的长短
我们再来看冷凝器
冷凝器放的热量
那就是2点跟4点的焓差
也是这个线段q1
我们再来看 压缩机所消耗的功
消耗的功 就是这个线段
这样你发现用压焓图一表示的话
是非常非常清楚
也就是说 线段的长度直接表示功
以及热量的大小 非常直观清晰
对于制冷系数 我们说收益比上代价
q2比上w
所以在工程中
这个压焓图用的是非常多的
在这想问大家一个小问题
我们前面讲过
实际的蒸气压缩制冷循环
都使用了节流阀取代了膨胀机
那我想问你
理论上如果说蒸气压缩制冷循环
不用节流阀 用膨胀机的话
它的制冷系数应该怎么算
那就要把膨胀机做的功考虑进去
也就是说 采用膨胀机的时候 消耗的功 净功
应该是与压气机消耗的功
减去膨胀机做的功
这是净消耗的功 然后制冷量
制冷量还要加上
从刚才说的6-5那一小段
所以理论上这样算
当然实际是不用膨胀机的
我们再来看一下 制冷循环的过冷措施
在实际的制冷循环中
冷凝器的出口是过冷的
过冷大概有5度左右 一般来说是这样
如果说过冷画在压焓图上
那就从4要延长
等压线延长 到4′这一点
这是冷凝器的出口
接下来是节流阀
还是虚的垂线 下来到5′这一点
然后5′跟5连上
这是采用过冷措施之后
压焓图上的表示
当然T-s图上 你也要画出来
4-4′这是一个斜线
然后节流阀里的过程
5′跟5连起来
这是采用过冷措施之后的压焓图和T-s图
为啥要采用过冷措施
那你就分析
首先我们来看 单位工质的制冷量
单位工质的制冷量比原来的h1-h5
要多出来一块什么 现在是h1- h5′
也就是说单位工质的制冷量q2
比原来要怎么样 要增加了
但是冷凝器的放热量也增加了
但是看压缩机消耗的功
有变化吗 没有变化
也就是说 采用制冷措施之后
q2是增加了
但是压缩机消耗的功怎么样
没有变化
所以制冷系数怎么样 是增加的
也就是采用过冷
可以提高制冷循环的制冷系数
这是我们从热力学的角度来说
但是要付出代价的
付出什么代价
这个代价就是蒸发器和冷凝器
比原来个头要大一点
尽管如此 在我们的实际工程中
都是采用过冷措施的
这个是实际某一工质的压焓图
横坐标是焓 纵坐标是压力 取ln的
你看这里好多线
我们看几个主要的
红色的是等熵线
绿色的是等温线
然后饱和液线和饱和气线
中间的那个蓝色的线是等干度线
当然如果说不清楚的话
它实际上都标着单位
由这单位也可以判断各是什么量的
我们就把一个循环画在压焓图上
从压气机的入口
或者说蒸发器的出口开始画
一般会给你蒸发压力的
而且实际的循环经常
蒸发器的出口是有一定的过热度的
有过热度是啥概念
我们前面讲过 不要忘了
那比如说 给了你蒸发压力
然后给了你压气机入口 它的过热度
工质的过热度
我们就可以把这点找出来
我们用蓝色来表示 把这点标出来
如果说 压缩机里是一个等熵压缩
那就沿着等熵线往上走
走到什么地方
一般它会给你冷凝压力的
如果给了你冷凝压力
而且压缩机里是一个等熵过程的话
直接那点我们就可以找出来
比如说用蓝色的点表示
压缩机的出口也是冷凝器的入口
我们画出来了 接下来是什么
是冷凝器的出口 在什么地方
我们说了实际的设备
冷凝器的出口一定是过冷的
所以会给你过冷度
过冷度是啥概念
我们前面讲过
考虑到这个过冷度
我们就可以把冷凝器出口的状态点给标出来
接下来到什么地方
接下来节流阀
绝热节流是不可逆过程
所以必须用虚线表示
而且出口的焓跟入口的焓应该是相等的
所以一条垂线
最后是蒸发器里的
把这两个点连起来就可以
这是一个等压的过程 水平线
实际上 如果说告诉你压缩机里面是一个不可逆的压缩
给了你压缩机出口的过热度的话
你也可以把这点标出来
但是这个时候
如果说它是一个不可逆的压缩过程
这个线一定是一个虚线
而且它出口的熵
一定要比入口的熵怎么样 要大
这要用虚线表示 这点大家要清楚
我们把蒸气压缩制冷循环
这一小节的主要内容
我们一起来总结一下
首先蒸气压缩制冷循环
由哪几个部件组成的
各个部件里面各是什么样的过程
这个一定要清楚
压缩机 然后 冷凝器
然后是节流阀 然后是蒸发器
它们在T-s图上的表示
这一定要会画
蒸气压缩制冷循环
采用的工质是实际的工质
它的性质跟我们前面讲的
水和水蒸气是完全类似的
所以在T-s图上表示的时候
首先要把饱和液线和饱和气线画出来
这个一定要非常熟练地掌握
组成设备和过程
以及在T-s图和焓熵图上的表示
然后第二点 为什么采用过冷
这个一定要清楚 为什么要采用过冷
采用过冷会带来哪些好处
采用了过冷怎么样
单位工质的制冷量是增加的
而输入的功怎么样 没有变的
所以可以提高制冷系数
这个一定要非常清楚
再一个就是要会计算
除了简单的计算
实际这个计算还可以变的复杂一些
把我们前面讲过的内容都揉和在里面
比如说我的冷凝器出口是有过冷度的
这是一个
然后压缩机里面
它是一个不可逆绝热压缩
压缩机的效率放里面的
如果这个时候
压缩机是一个不可逆压缩的话
它一定是一个虚线 熵增加的
还有蒸发器的出口
也是有过热的
那就是过热度有在里面
所以把我们前面的过冷度 过热度
还有压气机效率
都可以融在里面进行计算
对于蒸气压缩制冷循环
在我们本章开始的时候
我强调过
蒸气压缩制冷循环
是我们这一章的重点
所以对于这一部分画图 计算
一定要非常清楚
这个是我们清华实体课同学的作业
当然 跟前面一样
其它同学你可以选择自愿地来做
但是我有几个小问题想说明一下
一个是我们前面说过
一般告诉你逆循环
工作在A和B两个温度之间
这两个温度一般来说
高温的就是那环境温度
而那个低温是冷库温度
另外还有一点
我们这所有的作业只做R134a
R22我们不去做 工质我们不做
还想强调一点
有的同学可能发现有不同版本的压焓图
而不同版本的压焓图
查出来同样一个工况下
两个工质 它的焓值是不一样的
原因是什么
因为不同的压焓图
可能焓的基准点是不一样的
但是这绝对不影响我们的计算
因为我们用的是焓差
只要用了同一个版本的压焓图
用的焓差就没有问题
你不能用两个不同版本的
状态1用A版本的
状态B用B版本的
这算出来那问题就大了
这个大家要清楚 这是一个
还有一个
题本身让你计算㶲效率
我们这里不要求大家
也就是说㶲效率不用算
-6-0 导引
-6-0 作业
-6-1 纯物质的热力学面及相图
-6-1 作业
-6-2 汽化与饱和
-6-2 作业
-6-3 水蒸气的定压发生过程
-6-3 作业
-6-4 水及水蒸气状态参数的确定及其热力性质图表
-6-4 作业
-6-5 水蒸气的热力过程
-6-5 作业
-第6章 章节小测验
-7-1 概述
-7-2 朗肯循环
-7-2 作业
-7-3 实际蒸汽动力循环分析
-7-3 作业
-7-4 蒸汽再热循环
-7-4 作业
-7-5 蒸汽回热循环
-7-5 作业
-7-6 热电联产循环
-7-6 作业
-7-7 燃气-蒸汽联合循环
-7-7 作业
-7-8* 高效及绿色发电技术
-第7章 章节小测验
-8-0 导引
-8-0 作业
-8-1 空气压缩制冷循环
-8-1 作业
-8-2 蒸气压缩制冷循环
-8-2 作业
-8-3 热泵
-8-3 作业
-8-4* 热泵与节能环保
-8-5 吸收式制冷循环
-8-5 作业
-8-6 其他形式制冷循环
-8-6 作业
-8-7* 制冷剂与环保
-第8章 章节小测验
-9-0 导引
-9-0 作业
-9-1 混合气体的成分
-9-1 作业
-9-2 分压定律与分容积定律
-9-2 作业
-9-3 混合气体参数的计算
-9-3 作业
-9-4 理想气体的混合熵增
-9-4 作业
-9-5 湿空气及其状态参数
-9-5 作业
-9-6 湿空气的焓及熵
-9-6 作业
-9-7 比湿度的确定及湿球温度
-9-7 作业
-9-8 湿空气的焓湿图与热湿比
-9-8 作业
-9-9 湿空气的基本热力过程
-9-9 作业
-9-10* 环保节水型冷却塔简介
-第9章 章节小测验
-10-0 导引
-10-0 作业
-10-1 研究热力学微分关系式的目的
-10-1 作业
-10-2 特征函数
-10-2 作业
-10-3 数学基础
-10-3 作业
-10-4 热系数
-10-4 作业
-10-5 熵、内能和焓的微分关系式
-10-5 作业
-10-6 比热容的微分关系式
-10-6 作业
-10-7 克拉贝龙方程和焦汤系数
-10-7 作业
-10-8 实际气体对理想气体性质的偏离
-10-8 作业
-10-9 维里方程
-10-9 作业
-10-10 经验性状态方程
-10-10 作业
-10-11 普遍化状态方程与对比态原理
-10-11 作业
-第10章 章节小测验
-11-1 概述
-11-1 作业
-11-2 热力学第一定律在反应系统中的应用
-11-2 作业
-11-3 化学反应过程的热力学第一定律分析
-11-3 作业
-11-4 化学反应过程的热力学第二定律分析
-11-4 作业
-11-5 理想气体的化学平衡
-11-5 作业
-11-6 热力学第三定律及绝对熵
-11-6 作业
-第11章 章节小测验
-期末考试