2.3 循环计算在线视频

为了能够设计制冷系统

我们则必须学习制冷循环的计算方法

欲 进行制冷循环计算

则 必须掌握制冷循环的计算工具图

即 制冷剂的压焓图

我们习惯称之为“lgp-h图”

它就像湿空气的焓湿图 即 i-d图 一样重要

犹如 所有空气处理过程

都可以表示在i-d图上一样

制冷循环也可以表示在lgp-h图上

并可以利用lgp-h图 进行制冷循环的热力计算

因此

我们需要掌握 制冷剂的lgp-h图

制冷循环在lgp-h图上的表示方法

以及如何利用lgp-h图进行热力计算的知识点

下面 我们来学习制冷循环的计算问题

在讲述制冷系统的循环计算以前

我们首先来一起回忆一下

在热力学中学过的制冷剂的lgp-h图

对于任何制冷剂而言

其lgp-h图均由

一点 两线 三区 六等值线

构成

它们分别是

一点 就是制冷剂的临界点

过该点的等温线为临界温度线

该点的压力为临界压力

在临界压力以上的区域 称为超临界区

在该区域内

临界温度线的左侧区域 为液体区

右侧为气体区

由于其气体和液体的状态很难分清

所以 把这些区域里的制冷剂称为超流体

同时

我们将压力低于临界压力的区域

称为 亚临界区

常规制冷循环一般都发生在亚临界区

两线

即 为在亚临界区内从临界点出发的

饱和液体线和饱和气体线

如果我们将 气液混合物中气体的质量百分比

定义为 干度x 的话

那么

饱和液体线上的干度x=0

而饱和气体线上的干度x=1

三区

饱和液体线和饱和气体线

将亚临界区分为三个区域

再冷液体区 气液两相区和过热气体区

六等值线

在lgp-h图上有六组等值线

它们分别是

等压线 p 等温线 t 等比焓线 h

等比熵线 s 等比容线 v 还有等干度线 x

例如

制冷剂的任意状态A

都可以在它的lgp-h图上 读取这些状态参数

请大家注意

每组等值线在图中的大小关系

特别是 比熵和比容

右侧的数值大于左侧的数值

在lgp-h图上

任何一个状态点

需要两个独立状态参数才能确定

因此

在气液两相区中

温度和压力 不是独立变量

故 需要补充任意一个其他状态参数

才能确定的具体状态

请同学们注意

压焓图中的纵坐标轴

不是采用压力值作为坐标刻度

而是压力的对数坐标

这是为什么呢

由于制冷循环的蒸发压力

往往处于1个大气压附近

为了清晰地看出低压区的物性参数

故 纵坐标采用了对数刻度

因此

我们常将制冷剂的压焓图 叫做 lgp-h图

制冷剂在任意一个状态的物性值

均可使用压焓图

或 根据物性方程通过编程计算获得

在使用压焓图时

请注意一下三个问题

由于比焓 比熵也是状态参数

但需要有一个基准 才能绘制在压焓图上

因此

我们看到的所有制冷剂的压焓图

都采用了共同的基准点

即 以0℃时的饱和液体的

比焓h΄=200 kJ/kg

比熵s΄=1.00 kJ/(kg•K)

有些制冷剂 由于液体的比热受温度的影响较小

故 在再冷液体区的等温线近似为一条垂直线

由于在气液两相区内

等温线和等压线重合

为了让图面更为简洁清晰

常常在图中省略了再冷液体区

和气液两相区的等温线

第三 对于由多种物质组成的共沸制冷剂

因为 它的物性方程与单质制冷剂类似

故 其压焓图与单质制冷剂的形状相同

请看单质制冷剂R134a的压焓图

图中包含了 一点 两线 三区

和六等值线

它的液相区和两相区内的等温线

都没有被画出来

就是因为上面所说的原因

对于R502等共沸制冷剂 也有类似的压焓图

在制冷和热泵机组中

也经常会采用非共沸制冷剂

这里给出一种典型的非共沸制冷剂

R407C的压焓图

R407C是一种由三种物质

按一定比例混合而成的制冷剂

其压焓图就出现了不同的特征

最为典型的特征是

它的等温线在两相区内与等压线不重合

而是一条 向右下方倾斜的直线

而在过热气体区和再冷液体区与单质相似

这样

制冷剂在蒸发器中定压蒸发

与在冷凝器中的定压冷凝时

开始相变和结束相变时的温度就不相同了

如果 蒸发压力为1个标准大气压

其等压线与饱和液体线的交点的温度为-44℃

定压蒸发成饱和蒸气时

其温度为-37℃

其中

我们称-44℃为该压力下的 “泡点温度”

-37℃为 “露点温度”

可见

当压力相同时

随着蒸发过程的进行

相变温度会逐渐升高

反之

非共沸制冷剂在一定压力下冷凝时

过热蒸气 先被冷却到露点温度

再逐渐冷凝成液体

随着冷凝过程的进行

相变温度逐渐降低

当全部冷凝成液体时

就到达了泡点温度

非共沸制冷剂制冷系统

在某个运行状态下

具有其确定的冷凝压力和蒸发压力

由于在某个压力下的“泡点”

和“露点”不相等

故 很难说明其冷凝温度和蒸发温度为多少

如果我们硬要说

系统的冷凝温度和蒸发温度是多少的话

我们则通常采用其“露点”温度

即采用压缩机排出

和吸入压力对应的饱和气体温度

在工作压力范围内

当制冷剂的泡点温度

和露点温度的差别很小的时候

通常在1℃以内时

我们就将这种非共沸制冷剂

叫做“近共沸制冷剂”

如 由R32和R125构成的R410A制冷剂

它的压焓图与单质类似

为了简化计算

在计算时

可以将近共沸制冷剂当成单质制冷剂来处理

我们学习了制冷剂的压焓图

大家不禁要问

为什么制冷循环计算需要使用压焓图呢

这是因为

第一 lgp-h图上任何一点表示制冷剂的一个状态

如状态2点

第二 压焓图上

过程线前后状态点之间的比焓差

我们简称 焓差

反映了该过程中的能量变化

如 4-1点表示1kg制冷剂

从4点变化到1点所吸收的热量为多少kJ

第三 lgp-h图中能够准确地描述制冷循环的所有过程

它是产品设计与控制的基础工具

因此

我们将制冷循环各个过程

按照其状态变化

将其绘制在所采用的制冷剂的lgp-h图上

用于计算 分析制冷循环的性能

为方便起见

我们也将表示在制冷剂压焓图上的制冷循环

称为 制冷循环压焓图

让我们来看看 制冷循环压焓图的表示方法

这里给出了 制冷循环与压焓图的对应关系

从图中可以看出

1点到2点 是压缩机的压缩过程

压缩机从蒸发器中抽吸低压气态制冷剂1

并压缩至高压过热蒸气2

这个过程压缩机消耗了电能Pin

2-3 是高温高压的制冷剂过热蒸气

2在冷凝器中先被冷却至饱和气体状态

然后 再冷凝成饱和液体

进而 被冷却成再冷液体3

这个过程 向环境释放了Qc的冷凝热

3点到4点 是再冷液体3流过膨胀阀

绝热节流至低压

进入两相区的状态4点

4点到1点 是两相制冷剂4的液态制冷剂

吸收被冷却物质的热量而蒸发

并出现过热

到达状态点1

再进入压缩机

这个过程 制冷剂从环境吸取了Qe的热量

也就是 我们需要的制冷量

压焓图中的上述过程

和制冷循环图中的过程一一对应

虽然 这是一个简单的例子

但 即使再复杂的制冷循环

也都可以 用压焓图清晰地描述出来

那么

制冷循环热力计算的目的是什么呢

制冷循环的热力计算

是在给定的 需研发产品的目标制冷量

目标等效比COP 和环境工况条件下

确定其制冷循环形式和蒸发温度

冷凝温度 过热度 再冷度

计算压缩机的制冷剂质量流量

功耗 制冷系数

以及冷凝器的排热量等参数

其目的是 为了确定制冷系统“四大件”

即压缩机 冷凝器 节流装置以及蒸发器

以及其它部件的容量

并进行部件选型 或者是部件设计

最终研发出 满足目标制冷量

和目标能效比要求的制冷或热泵产品或系统

例如

我们在研发一台空气源热泵机组时

就需要在其产品设计工况下

确定其制冷循环形式和制冷剂状态参数

通过计算和设备选型

才能研发出目标制冷量和目标能效比的产品

在进行热力计算的时侯

首先需要画出 所研发产品的理论循环压焓图

如 123′4′1

然后 针对各个热力过程

列出各个过程的能量守恒方程和质量守恒方程

即可计算出 各个部件的容量

对于如图所示的的理论制冷循环

我们可以清楚地看出

蒸发器的单位质量制冷量

q0＝h1-h4’

压缩机的单位质量压缩功为wc＝h2-h1

节流阀

由于节流阀前后的比焓值相等

故h3’＝h4’

在制冷循环中

冷凝器的排热量qk 就是单位质量冷凝负荷

而在热泵循环中

就是单位质量制热量

qk＝h2-h3’

单位质量冷凝负荷

也可根据整个制冷循环的能量守恒确定

即 qk＝q0+wc

值得注意的是

压焓图中的制冷循环是以

1kg制冷剂绘制的循环图

但在实际制冷系统中

我们关心的是

在一定的制冷剂质量流量条件下

如 Mr kg/s

能够制取多少kW的制冷量 或者制热量

因此

我们需要通过单位质量制冷循环的计算

获得整个制冷系统的相关物理量

因此

制冷循环的热力计算

是根据制冷循环状态点的参数和给定制冷量

计算实现该循环的

压缩机理论输气量

冷凝器排热量Qk

压缩机输入功率Pin

制冷循环的理论制冷系数εth

以及制冷效率ηR等参数

这里给出了 制冷循环热力计算的步骤和方法

这些计算过程 都非常简单

也很容易进行

首先

根据已知条件和分析结果

在相应制冷剂的压焓图中画出

拟采用的制冷循环压焓图

然后

根据给定的制冷量Q0

计算出制冷剂质量流Mr

进而

计算出冷凝器的排热量Qk

压缩机的理论功耗Pin

理论制冷系数εth

为了考察 拟采用的制冷循环的理想程度

常用制冷效率 或者叫热力完善度ηR来衡量

ηR是所求解制冷循环的制冷系数

与冷凝温度和蒸发温度

构成的逆卡诺循环的制冷系数之比

ηR越接近于1

表示其循环性能越好

需要说明的是

在一些制冷系统的设计中

我们常常以压缩机的理论输气量

为基准来选择压缩机

即 需要确定选用多大理论输气量的压缩机

才能保证在拟定制冷循环的条件下

制取所需的制冷量

这就需要引入一个 单位容积制冷量qv

的概念

单位容积制冷量qv

是每m3吸气状态的制冷剂 所能制取的制冷量

故 qv=q0/v1

它是单位质量制冷量与吸气比容的比值

因此

单位容积制冷量

主要取决于 制冷循环的工作状态

由此可见

在设计条件下

制冷循环所需压缩机的

理论输气量Vb=Q0/qv=Mr·v1

它是压缩机选型的基础数据

对于一个结构一定

理论输气量为已知的压缩机而言

它在不同状态下制取的冷量是不同的

至此

我们已完成了理论循环及其热力计算的讲解

请同学们 在课后进一步熟悉

制冷剂的压焓图

以及制冷循环在压焓图上的表示方法

并进行热力计算

我们 下次课再见！