单级蒸气压缩制冷理论循环

蒸气压缩式制冷的理论循环1. 单级蒸气压缩式制冷的理论循环的形式单级蒸气压缩式制冷的理论循环是在逆卡诺循环的基础上，作了如下变化：（1）节流阀代替膨胀机；（2）干压缩代替湿压缩。

循环的特点是制冷剂在压缩机的吸入状态和冷凝器的出口状态都是饱和状态，又将理论循环称为饱和循环。

当然，理论循环还保留逆卡诺循环的其它假定。

循环原理图和循环状态点在T－S图上的表示如图1-2、图1-3所示。

单级蒸气压缩式制冷循环由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器四大部件组成。

制冷剂在循环过程中各点的状态分别是：压缩机吸入口状态1为低温低压的饱和蒸气；压缩机压缩后状态2为高温高压的过热蒸气状态；冷凝器出口状态3为常温高压的饱和液体状态；节流阀图1-2 理论循环原理图图1-3理论循环在T-S图上的表示出口状态4为低温低压的湿蒸气状态（由大部分低温饱和液体和小部分低温饱和蒸气组成）。

将这四个状态点的特性列成表来表示，见表1-1。

单级蒸气压缩式制冷理论循环各状态点特性表1-1循环过程中，各设备的作用是：压缩机起到了压缩和输送制冷剂，并造成蒸发器的低压作用；冷凝器起到了将低温物体的热量和压缩功转变的热量传给环境的作用；蒸发器则起到了吸收被冷却物体的热量的作用；节流阀起到节流降压、调节流量的作用。

制冷压缩机和节流阀将制冷系统分成高低压两个部分，高压部分从压缩机出口到节流阀进口；低压部分从节流阀出口到压缩机进口。

通过制冷循环，制冷剂不断吸收被冷却物体的热量，使被冷却物体温度维持在所需较低温度的水平，达到制冷的目的。

2. 单级蒸气压缩式制冷的理论循环在压焓图上的表示制冷循环中各过程的功量与热量的变化在压焓图中均可用过程初、终态制冷剂的焓值变化来计算，制冷工程广泛应用压焓图分析计算制冷循环。

（1）压焓图压焓图的示意图见1-4。

压焓图是以绝对压力为纵坐标（为了缩小图面，用对数坐标，其上的压力数值不需换算），以比焓为横坐标来表示制冷剂的状态。

二线、三区域、五种状态、六条等参数线。

制冷循环原理3.1 蒸气压缩式制冷原理如果制冷工质状态变化跨越液、气两态，则制冷循环称为蒸气压缩制冷循环。

蒸气压缩制冷装置是目前使用最广泛一种制冷装置，绝大多数家用冰箱、空调机、冷柜等都是采用蒸气压缩式制冷。

3.1.1 单级蒸气压缩制冷循环分析家用冰箱、空调机、冷柜等制冷装置功能、结构形式、整体布局虽然不同，其主要部件都包括压缩机、冷凝器、膨胀阀（或称节流阀）和蒸发器四部分。

通过简化如图3-1所示。

图3-1是蒸气压缩制冷装置制冷循环示意图。

其工作循环如下：经过膨胀阀（毛细管）绝热节流，降压降温至状态4湿蒸气进入蒸发器（冷库），进行定压蒸发吸热，离开蒸发器时已成为干饱和蒸气；从蒸发器出来状态1干饱和蒸气被吸入压缩机进行压缩，升压、升温至过热蒸气状态2；进入冷凝器，进行定压放热，凝结为液体3；从冷凝器出来液体经过膨胀阀（毛细管）节流降压至湿蒸气状态4进入蒸发器（冷库），从而完成了一个循环4-1-2-3-4。

蒸气压缩式制冷循环可概括为四个过程。

①蒸发过程4-1 低温低压液体制冷剂从冷库中以汽化潜热方式吸收被冷却物热量后，变成低温低压制冷剂蒸气。

②压缩过程1-2 为了维持一定蒸发温度，制冷剂蒸气必须不断地从蒸发器引出，从蒸发器出来制冷剂蒸气被压缩机吸入并被压缩成高压气体，且由于在压缩过程中，压缩机要消耗一定机械功，机械能又在此过程中转换为热能，所以制冷剂蒸气温度有所升高，制冷剂蒸气呈过热状态。

③冷凝过程2-3从制冷压缩机排出高温高压过热制冷剂蒸气，进入冷凝器后受到冷却物（如冷却水、空气等）冷却而变为液体。

④节流过程3-4从冷凝器出来制冷剂液体经过降压设备（如节流阀、膨胀阀等）减压到蒸发压力。

节流后制冷剂温度也下降到蒸发温度，并产生部分闪蒸气体。

节流后气液混合物进入蒸发器进行蒸发过程。

上述四个过程依次不断进行循环，从而达到连续制冷目。

3.1.2单级压缩式制冷循环在压-焓图上表示单级压缩式制冷循环主要由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器四大件所组成，这四大件由管道连接起来，便构成了一个最简单制冷系统（如图3-1所示）。

3．1 单级蒸气压缩式制冷的理论循环3．1．1 制冷系统与循环过程单级蒸气压缩式制冷系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四大部件组成，如图3－1所示。

对制冷剂蒸气只进行一次压缩，称为蒸气单级压缩。

整个循环过程主要由压缩过程、冷凝过程、节流过程以及蒸发过程四个过程组成,每个过程在不同的部件中完成，制冷剂在每个过程中的状态又各不相同，具体情况如下。

图3－1 单级蒸气压缩式制冷系统1 压缩机2 冷凝器3 膨胀阀4 蒸发器压缩过程：整个循环过程中，压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸气并造成蒸发器中低压和冷凝器中高压的作用，是整个系统的心脏。

制冷循环的压缩过程是在压缩机中完成的：压缩机不断抽吸从蒸发器中产生的压力为p o、温度为t o的制冷剂蒸气，将它压缩成压力为p k、温度为t k的过热蒸气,并输送到冷凝器中。

在这个过程中，压缩机需要做功。

冷凝过程：冷凝器是制冷系统中输出热量的设备，冷凝过程是在该部件中完成的.在压力p k下，来自于压缩机的制冷剂过热蒸气在冷凝器中首先被冷却成饱和蒸气，然后再逐渐被冷凝成液体，制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质（通常是水或空气）。

在冷凝过程中,与冷凝压力p k相对应的冷凝温度t k一定要高于冷却介质的温度,冷凝后的液体通过膨胀阀或其它节流元件进入蒸发器。

节流过程:节流过程是在膨胀阀中完成的。

当制冷剂液体经过膨胀阀时，压力由p k降至p o，温度由t k降至t o,部分液体气化。

所以离开膨胀阀的制冷剂为温度为t o的两相混合物，该两相混合物进入蒸发器。

蒸发过程：蒸发器是制冷系统中冷量输出设备，蒸发过程是在蒸发器中完成的。

在蒸发器中，来自膨胀阀的两相混合物在压力p0和温度t0下蒸发，从被冷却介质中吸取它所需要的气化潜热，从而达到制取冷量的目的。

在蒸发过程中，与蒸发压力p0相对应的蒸发温度t0一定要低于被冷却介质的温度。

3．1．2 压焓图和温熵图在制冷循环的分析和计算中，通常要用到两种工具，即压焓图和温熵图.1．压焓图压焓图以绝对压力(MPa）为纵坐标，以焓值（KJ/Kg)为横坐标，如图3－2所示。

制冷原理与设备第三章思考题、习题参考答案1.单级蒸汽压缩式制冷的理论循环工作过程单级蒸汽压缩式制冷系统主要有压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器四大件组成。

1)压缩过程：压缩机是制冷系统的心脏。

压缩机不断抽吸从蒸发器中产生的低压低温的制冷剂蒸汽，保持蒸发器的低压汽化条件。

同时将抽出的低压低温蒸汽压缩成高压高温的过热蒸汽输送到冷凝器。

在这个过程中压缩机需要做功。

2）冷凝过程：高压高温的过热蒸汽在冷凝器中把热量传给环境介质，制冷剂被冷却凝结成高温高压饱和液体，进入膨胀阀。

3）节流过程：高温高压饱和液体经过膨胀阀节流变为低温低压湿饱和蒸汽，进入蒸发器。

4）蒸发过程：进入蒸发器的低温、低压液体吸收被冷却物热量得到制冷目的，制冷剂汽化（沸腾）为低温低压蒸汽。

2.制冷剂压焓图和温熵图基本内容1）压焓图一点：临界点C三区：液相区、两相区、气相区。

五态：过冷液状态、饱和液状态、湿蒸气状态、饱和蒸气状态、过热蒸气状态。

八线：饱和液线x=0、饱和蒸气线x=1、无数条等干度线x、等压线p（水平线）、等焓线h（垂直线）等熵线s、等比体积线v、等温线t等温线：在图中为点化线，在过冷区为垂直线，在湿区为水平线（并且与定压线重合），在过热曲为向下弯曲的曲线。

等焓线：在图中为实线。

在过热区为向右下弯曲的曲线比等比体积线v的斜率大。

越往右下的等熵线熵值越大。

比等比体积线v：图中为虚线。

在过热区向下弯曲的曲线。

愈往下的等比容线，比容愈大。

过程热量：在图中可以用横坐标的长度代表。

2）温熵图一点：临界点三区：气相区、液相区、湿蒸气区五态：过冷液体、饱和液体、湿蒸气、饱和蒸气、过热蒸气八线：等温线、等熵线、饱和蒸气线、饱和液体线、等干度线、等容线、等压线、等焓线。

①饱和液体线X=0：由于过冷液体线密集在X=0线附近，所以饱和液体表示两种状态：过冷液体和饱和液体。

②等压线：在过冷区为向右下方弯曲的曲线，在湿区为水平线和等温线重合；在过热区为向右上方弯曲的曲线。

制冷技术与装置第四章蒸气压缩式制冷掌握重点：单级压缩各类循环的热力学计算、性能影响及特性分析；两级压缩与复叠式制冷的概念、流程、能量平衡、参数设计、应用场合。

§4.1 单级蒸气压缩式制冷理论循环（将复杂问题简单化，忽略次要因素）单级蒸气压缩式制冷理论循环的假设基础：（1）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值；（2）离开蒸发器、进入压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器、进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体（4）制冷剂在管道内没有流动阻力损失，除了蒸发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管外介质之间没有热交换（5）制冷剂在流过节流装置时，流速变化忽略不计，且与外界环境没有热交换（3）压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中不存在任何不可逆损失；如何在T-S图上和p-h图上描述单级蒸气压缩式制冷理论循环？7理论循环在T-S图（a）和lg p-h图（b）上的表示=dd-q dhw蒸发过程：吸收外界热量，在T-s图上用面积1-5-b-a-1代表，而在lg p-h图上则用线段5-1表示。

1345762.制冷量减少h 5-h 746743’二者是相等的！面积57cbc b ad 带来的好处：1.省掉膨胀机，设备简化2.改变膨胀阀开度，易调节蒸发温度膨胀阀代替膨胀机的原因：1.饱和液体或两相混合物膨胀系数小，做功有限2.膨胀功回收设备（膨胀机）结构复杂，加工困难3.湿过程缺点：COP 下降膨胀阀不仅不能回收膨胀功，反而将膨胀功部分转化为热能，损失了部分制冷量(3)理论比功w 0120h h w -=单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随制冷剂种类和制冷机循环的工作温度而变的。

(4)单位冷凝热q k包括显热和潜热两部分()()q h h h h h h k =-+-=-233424(5)理论循环制冷系数ε0ε0001421==--q w h h h h 制冷系数愈大经济性愈好冷凝温度越高制冷系数越小蒸发温度越低q q w k =+00循环能量守恒(6)热力完善度单级压缩蒸气制冷机理论循环的热力完善度按定义可表示为412410T T T h h h h c ---==εεηεc :在低温热源温度（T 0）和高温热源温度温度（T 4）之间工作的逆卡诺循环的制冷系数。

单级压缩蒸气制冷机的理论循环单位制冷量q0q0=h1-h5 =h1-h4＝r0(1-x5)单位容积制冷量qvqv=q0/v1=(h1-h4)/v1理论比功:循环中制冷压缩机输送单位（1kg）制冷剂所消耗的功。

w0＝h2-h1单位冷凝热:单位（1kg）制冷剂蒸气在冷凝器中放出的热量，包括显热和潜热两部分。

qk＝（h2-h3）+（h3-h4）＝h2-h4qk＝q0+w0制冷系数ε0ε0＝q0/w0=(h1-h4)/(h2-h4)热力完善度ηη=ε0/εc=(h1-h4)/(h2-h1)*(Tk-T0)/T0液体过冷对循环性能的影响•过冷循环的单位制冷量的增加量为：△q0=h5-h5’=h4-h4’•两个循环的理论比功w0相同，因此ε’增加；ε’＝[(h1-h4)+(h4-h4’)]/(h2-h1)=ε0+c’ △t/(h2-h1)•有效过热：吸收的热量来自被冷却空间。

位置一般在蒸发器后部，或者是安装于被冷却空间内的吸气管道上，或者两者同时并存；•无效过热：制冷剂蒸气在被冷却空间以外吸收环境空气的热量而过热。

蒸气过热对循环性能的影响•有效过热循环增加的单位制冷量△q0：△q0 =h1’－h1•有效过热循环增加的理论比功为△w0：△w0 =(h2’－h1’)－(h2－h1)•有效过热循环的制冷系数ε’为：ε’＝q0’/w’=(q0+△q0 )/(w0+△w0 )•由于△q0 >0，△w0>0，有效过热的制冷系数的变化情况取决于△q0 /△w0的比值。

蒸气过热对循环性能的影响•制冷系数的增加还是减少仅仅与制冷剂的种类有关，改变量的绝对值几乎与过热度成正比。

•当过热为无效过热时，由ε’＝q0’/w’=q0/(w0+△w0 )知制冷系数必然降低。

因此，无效过热是有害过热，在实际使用过程中，可以通过增加保温材料的方式加以避免。

•无论是哪种过热形式，都可以在一定程度上改善容积式压缩机的吸气效果，可以避免吸气可能带液所导致的不利后果，但在实际使用中要考虑到由于吸气过热而导致的压缩机排气温度的增加。