第三章 蒸气压缩制冷循环

h=常数
s=常数 p=常数
t o 、 po
3、理论循环中各设备的功、热变化
理论制冷循环中，制冷剂的流动过程可认为是稳定流动过程。即： 制冷剂流过系统任何断面的质量不随时间改变； 系统中任何位置上制冷剂的状态参数都保持一定，不随时间改变； 系统与外界的热量和功量传递不随时间改变。
根据热力学第一定律，忽略位能和动能变化，稳定流动过程的能量方程 可表示为（参见《工程热力学》热力学第一定律中的稳定流动能量方程）
2、理论制冷循环在温-熵图和压-焓图上的表示
冷凝器
压缩机 节 流 阀
电动机
蒸发器
T
冷凝
冷却
统称为“冷凝”
2
4
TK To
3 1
节流
5 x＝0
压缩
蒸发
x＝1
S
lgP
x＝ 0
冷凝过程
Condensation Process
节流过程
Throttle Process
4
PK Po
1
x＝1
3
2
5
压缩过 程
Compression Process
1、理论制冷循环的假定条件
压缩过程为等熵过程（Isentropic process ），即压缩过程与外界没有 热交换 冷凝、蒸发过程均为定压过程（Isobaric process） ，没有传热温差。 即制冷剂的冷凝温度（Condensing temperature）等于环境介质（空气 或水）温度；制冷剂的蒸发温度（Evaporating temperature）等于被冷
W
压状态，便于蒸发吸热过程能继续不断地进行下
去
Qo
Qk
或 水 ） 转 移 的 条 件 温 度 ， 创 造 将 制 冷 剂 蒸 气 的 热 量 向 外 界 环 境 介 质 （ 空 气 外 ， 作 用 之 二 是 通 过 压 缩 作 用 提 高 制 冷 剂 蒸 气 的 压 力 和 制 冷 压 缩 机 除 了 及 时 抽 出 蒸 发 器 内 蒸 气 ， 维 持 低 温 低 压 冷 剂 蒸 气 的 温 度 ， 再 送 往 冷 凝 器 去 冷 凝 一 个 能 量 ， 使 低 温 低 压 的 制 冷 剂 蒸 气 增 压 ， 从 而 提 高 制 冷 压 缩 机 抽 出 的 低 温 低 压 的 制 冷 剂 蒸 气 进 行 压 缩 ， 给 它 利 用 饱 和 温 度 和 饱 和 压 力 一 一 对 应 这 个 原 理 ， 我 们 对 制
3.1 单级蒸气压缩式制冷循环
3.1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环
分析单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环（Ideal Single-Stage Cycle）的目 的是运用热力学原理对制冷循环内在联系和外部影响，进行的理论分 析，是制冷系统安装、调试、运行管理和维护的理论基础。它对制冷 循环的能量转换及转换后效率进行的理论分析，是制冷系统能否节能、 环保、可持续发展的理论根据 鉴于实际的制冷循环是一个动态且复杂的循环过程，不便于定性和定 量分析，我们将从简单但符合实际规律的理论制冷循环入手，用热力 学理论对其进行透彻的分析和计算，在此基础上再修正复杂、多变的 实际制冷循环，指导实际制冷循环的应用，使之更有效、更安全地为 我们服务。对制冷循环进行的热力计算，是制冷系统机器、设备设计 和选型的理论依据
冷凝器
冷凝器中制冷剂蒸气的冷凝过程是一个定压放热过程，向外界放出
热量 Qk ，但与外界没有功率交换。因此
P0
hout hin Qk m h4 h2 m h2 h4 m qk Qk m
（3－3）
式中：Qk —— 冷凝热（Condenser heat） ，kW，表示单位时间内循 环的制冷剂在冷凝器中放出的热量（负号仅表示放出热 量，可省略） qk —— 单位冷凝热负荷，kJ/kg，表示1kg制冷剂蒸气冷凝为同 等压力下的饱和液体在冷凝器中放出的热量
将该低压蒸气提高压力成为高压蒸气； 将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体；
高压液体降低压力重新变为低压液体，从而完成循环。
上述四个过程中，①是制冷剂从低温热源吸收热量的过程；
③是制冷剂向高温热源排放热量的过程；②是循环的能量
补偿过程。 能量补偿的方式有多种，所使用的补偿能量形式相应的也
理论制冷循环中，热量从被冷却对象通过制冷剂传递给环境介质空 气或水，即从低温物体传向高温物体，是非自发过程，因而需要制
冷压缩机消耗功率 Po 才能够实现。
压缩过程中，制冷剂状态变化如下： • 制冷剂蒸气从干饱和蒸气状态 1 → 过热蒸气状态 2
• 制冷剂蒸气从低压 po →高压 pk
• 制冷剂蒸气从低温 t1 →高温 t2（依制冷剂不同而不同） • 压缩过程是一个等熵过程
次利用饱和压力（saturation pressure）与饱和温度一一对应原理，降
低制冷剂液体的压力，从而降低制冷剂液体的温度。将高压常温的制 冷剂液体通过降压装置——膨胀阀（又称节流阀，expansion valve， throttle valve ），得到低温低压制冷剂，再送入蒸发器吸热蒸发，从 而完成了一个制冷循环。
压线和饱和液体线的交点即为点4的状态
点 5 表示制冷剂出节流阀的状态，也就是进入蒸发器的状态。过程线 4—5 表示制冷剂在通过节流阀时的节流过程，在这一过程中，制冷剂
的压力由 pk 降到 po，温度也由 tk 降到 to，进入两相区。由于节流前后
制冷剂的焓值不变，因此，由点 4 作等焓线与等压线 po 的交点即为点 5 的状态。因节流过程是不可逆过程，所以过程线 4—5 往往用虚线表 示。可以看出，点 5 落入了两相区，意味着制冷剂从冷凝压力饱和液 体状态经节流阀节流后有一部分成为闪发气体
Qk
W
Qo
Qk
冷凝器 节流阀 压缩机
W
蒸发器
Qo
Qk
高压、饱和液体 Condenser Compressor 高压、过热蒸气
Expansion Valve
W
Evaporator
低压、气液两相
低压、低温蒸气
Qo
单级蒸气压缩式制冷循环工作过程如下
制冷剂在蒸发器内，在压力 po、温度 to 下沸腾， to低于被冷物体 的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸汽，并将它压缩到 冷凝压力pk，然后送往冷凝器，在 pk 压力下等压冷凝成液体，同 时，制冷剂放出冷凝热量，并传给冷却介质（通常是水或空气）
压力po 压缩到冷凝压力 pk，因此点 2 可由通过点 1 的等熵线和压力为
pk 的等压线的交点来确定。点 2 处于过热蒸气状态，注意在点 2 时的 制冷剂温度比点 3 时的制冷剂温度高，此温度我们也称作压缩机排气 温度（Discharge temperature）
点 4 表示制冷剂出冷凝器的状态，它是与冷凝压力 pk 所对应的饱和液 体，过程线 2—3—4 表示制冷剂在冷凝器内冷却（2—3）和冷凝 （3—4）过程。由于整个冷凝过程的压力不变，因此，压力为 pk 的等
冷凝过程中，制冷剂状态变化如下： • 制冷剂蒸气从过热蒸气状态 2 →饱和蒸气状态 3（冷却过程） → 饱和液状态 4（冷凝过程） • 制冷剂蒸气从高温 t2 → 冷凝温度 tk=t3=t4（一般为常温）
• 冷凝过程定压且为高压 pk
膨胀阀
膨胀阀中制冷剂液体的膨胀过程是一个绝热过程，与外界没有热 交换，也不作功。因此
Q0
上式可写成
P0
hout hin 0 m h4 h5
式（3－4）表明节流前后焓值不变 （3－4）
节流过程中，制冷剂状态变化如下： • 制冷剂液体从饱和液状态 4 → 湿蒸气状态 5 • 制冷剂液体从高压 pk → 低压 po • 制冷剂液体从冷凝温度 tk → 蒸发温度 to • 节流过程绝热而且焓值不变
制冷压缩机
制冷压缩机对制冷剂蒸气的压缩过程是一个等熵过程。因此
Q0
带入式（3-1），有
hout hin Pm
在图中表示为1-2过程，为循环的压缩过程，故上式可写成
h2 h1 m wo Po m
环的制冷剂蒸气所消耗的功率
（3 －2 ）
式中：Po —— 理论功率（Idea power） ，kW，表示制冷压缩机因压缩循
hout hin QP m
式中：Q —— 单位时间内外界加给系统的热量，kW； P —— 单位时间内外界加给系统的功率，kW；
（3－1）
—— 流出或流进该系统的稳定质量流量，kg/s； m
hout、hin —— 1kg制冷剂在系统出、进口处的比焓，kJ/kg。
该方程可以单独适用于制冷系统中的每一个设备。
—— 质量流量（Mass flow rate），kg/s，表示单位时间内循环的 m
制冷剂的流量 wo —— 理论比功（单位压缩功，Compress work per mass） ， kJ/kg，表示制冷压缩机每输送 1kg 制冷剂蒸气所消耗的功。
热力学中，非自发过程的发生需要伴随能量的补偿
蒸发过程
Evaporation Process
h
点 1 表示制冷剂进入压缩机的状态它是对应于蒸发温度 to 下的饱和蒸
气，该点位于等压线 po 与饱和蒸气线的交点上
点 2 表示制冷剂出压缩机的状态，也是进冷凝器时的状态。过程线 1—2 表示制冷剂蒸气在压缩机中的等熵压缩过程（s1=s2），由蒸发
有所不同。如果该过程的能量补偿方式是用压缩机对低压
气体做功，使之因受压缩而提高压力，那么，这种制冷方 式便称之为蒸气压缩式制冷循环（vapor compression refrigeration cycle）
在制冷系统中，我们将制冷剂在低压下蒸发的容 器，称为蒸发器（evaporator） ，蒸发器是热 交换设备，其作用是将蒸发器外被冷却对象的热 量传递给蒸发器内制冷剂，制冷剂（在低温低压 下）相变吸热而使被冷却对象的温度降低 从蒸发器内源源不断地抽出制冷剂气体的装置称 为制冷压缩机（refrigerant compressor） ，其 作用之一是不断地将完成了吸热过程而汽化的制 冷剂蒸气从蒸发器中抽吸出来，使蒸发器维持低