Video 8-2 蒸气压缩制冷循环在线视频

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