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。为了提高低压区域的精度，通常纵坐标取对数坐标。所以，压焓图又称为lgp－h图。
图3－2 压焓图
压焓图可以用一点（临界点）、三区（液相区、两相区、气相区）、五态（过冷液状态、饱和液状态、饱和蒸气状态、过热蒸气状态、湿蒸气状态）和八线（定压线、定焓线、饱和液线、饱和蒸气线、定干度线、定熵线、定比体积线、定温线）来概括。
如图3－2中所示，临界点K的左包络线为饱和液体线，线上任意一点代表一个饱和液体状态，对应的干度X=0；临界点K的右包络线为饱和蒸气线，线上任意一点代表一个饱和蒸气状态，对应的干度X=1。饱和液体线和饱和蒸气线将整个区域分为三个区：饱和液体线左边的是液相区，该区的液体称为过冷液体；饱和蒸气右边的是气相区，该区的蒸气成为过热蒸气；由饱和液体线和饱和气体线包围的区域为两相区，制冷剂在该区域内处于湿蒸气状态。
定压线即为水平线，定焓线即为垂直线；定温线在液体区几乎为垂直线，两相区内是水平线，在气相区为向右下方弯曲的倾斜线；定熵线为向右上方弯曲的倾斜线；定比体积线为向右上方弯曲的倾斜线，比定熵线平坦；定干度线只存在于两相区，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近，视干度大小而定。
2．温熵图
温熵图以温度（K）为纵坐标，以熵（KJ/Kg?K）为横坐标，如图3－3所示。温熵图又称为T－S图。温熵图同样可以用一点（临界点）、三区（液相区、两相区、气相区）、五
态（过冷液状态、饱和液状态、饱和蒸气状态、过热蒸气状态、湿蒸气状态）和八线（定压线、定焓线、饱和液线、饱和蒸气线、定干度线、定熵线、定比体积线、定温线）来概括。
图3－3 温熵图
如图3－3中所示，临界点K的左包络线为饱和液体线，线上任意一点代表一个饱和液体状态，对应的干度X=0；临界点K的右包络线为饱和蒸气线，线上任意一点代表一个饱和蒸气状态，对应的干度X=1。饱和液体线和饱和蒸气线将整个区域分为三个区：饱和液体线左边的是液相区，该区的液体称为过冷液体；饱和蒸气右边的是气相区，该区的蒸气成为过热蒸气；由饱和液体线和饱和气体线包围的区域为两相区，制冷剂在该区域内处于湿蒸气状态。
定温线即为水平线，定熵线即为垂直线；定压线在液体区密集于饱和液体线附近，近似可用饱和液体线来代替；定压线在两相区内是水平线，在气相区为向右上方弯曲的倾斜线；定焓线在液相区可以近似用同温度下饱和液体的焓值来代替，在气相区和两相区，定焓线均为向右下方弯曲的倾斜线，但在两相区内曲线的斜率更大；定比体积线为向右上方弯曲的倾斜线；定干度线只存在于两相区，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近，视干度大小而定。
3．单级蒸气压缩式制冷理论循环在压焓图和温熵图上的表示
理论制冷循环与实际循环是存在偏差的，但由于理论循环可使问题得到简化，便于对它们进行分析研究，而且理论循环的各个过程均是实际循环的基础，它可作为实际循环的比较标准，因此仍有必要对它加以详细的分析与讨论。对于理论制冷循环，通常作出如下的假设：（1）离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气是处于蒸发压力下的饱和蒸气；
（2）离开冷凝器和进入膨胀阀的液体是处于冷凝压力下的饱和液体；
（3）压缩机的压缩过程为等熵压缩；
（4）制冷剂通过膨胀阀的节流过程为等焓过程；
（5）制冷剂在蒸发和冷凝过程中为定压过程，且没有传热温差，即制冷剂的冷凝温度等于冷却介质温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度。
（6）制冷剂在各设备的连接管道中流动没有流动损失，与外界不发生热量交换。
根据上述假设条件，单级蒸气压缩式制冷理论循环工作过程可清楚的表示在压焓图上，如图3－4所示。制冷循环中的各状态点及各个过程如下：
图3－4 单级理论循环压焓图
过程线1－2表示等熵压缩过程，压力由蒸发压力p0升高到冷凝压力p k。点1表示制冷剂进人压缩机的状态，它对应于蒸发温度的饱和蒸气。根据压力与饱和温度的对应关系，该点位于蒸发压力p0的等压线与饱和蒸气线的交点上；点2表示制冷剂出压缩机时的状态，也是进冷凝器时的状态。该点可通过1点的等熵线和冷凝压力p k的等压线的交点来确定。由于压缩过程中外界对制冷剂作功，制冷剂温度升高，因此点2表示过热蒸气状态。
过程线2－3表示制冷剂在冷凝器中的冷却（2－2′）和冷凝（2′－3）过程。点3表示制冷剂出冷凝器时的状态，它是与冷凝温度t k所对应的饱和液体。整个过程是在冷凝压力不变的情况下进行的，进入冷凝器的过热蒸气首先将部分热量放给冷却介质，在等压下冷却成饱和蒸气（点2′）。然后再在等压、等温条件下继续放出热量，直至最后冷凝成饱和液体（点3）。因此，压力为p k的等压线和饱和液体线的交点即为点3。
过程线3－4表示制冷剂在节流阀中的节流过程。点4表示制冷剂出节流阀时的状态，也是进入蒸发器时的状态。在该过程中，制冷剂的压力由冷凝压力p k降至蒸发压力p0，温度由冷凝温度t k降到蒸发温度t0，并进入两相区。由于节流前后制冷剂的焓值不变，因此由点3作等焓线与压力为p0的等压线的交点即为点4。由于节流过程是一个不可逆过程，所以通常用虚线表示3—4过程。
过程线4—1表示制冷剂在蒸发器中的气化过程。该过程是在等温、等压下进行的，液体制冷剂吸取被冷却介质的热量而不断气化，制冷剂的状态沿等压线p0向干度增大的方向变化，直到全部变为饱和蒸气为止。这样，制冷剂的状态又重新回到进入压缩机前的状态点1，从而完成一个完整的理论制冷循环。
同样单级蒸气压缩式制冷理论循环工作过程可清楚的表示在温熵图上，如图3－5所示。制冷循环中的各状态点及各个过程如下：
图3－5 单级理论循环温熵图
过程线1－2表示等熵压缩过程，温度由蒸发温度t0升高到冷凝温度t k。点1表示制冷剂进人压缩机的状态，它对应于蒸发温度的饱和蒸气，所以该点位于温度为蒸发温度t0的等温线与饱和蒸气线的交点上；点2表示制冷剂出压缩机时的状态，也是进冷凝器时的状态。该点可通过1点的等嫡线和压力p k的等压线的交点来确定。由于压缩过程中外界对制冷剂作功，制冷剂温度升高，因此点2表示过热蒸气状态。
过程线2－3表示制冷剂在冷凝器中的冷却（2－2′）和冷凝（2′－3）过程。点3表示制冷剂出冷凝器时的状态，它是与冷凝温度t k所对应的饱和液体。整个过程是在冷凝压力不变的情况下进行的，进入冷凝器的过热蒸气首先将部分热量放给冷却介质，在等压下冷却成饱和蒸气（点2′）。然后再在等压、等温下继续放出热量，直至最后冷凝成饱和液体（点3）。因此，温度为t k的等温线和饱和液体线的交点即为点3。
过程线3－4表示制冷剂在节流阀中的节流过程。点4表示制冷剂出节流阀时的状态，也是进入蒸发器时的状态。在该过程中，制冷剂的温度由冷凝温度t k降到蒸发温度t0，压力由冷凝压力p k降至蒸发压力p0，并进入两相区。由于节流前后制冷剂的焓值不变，因此由点3作等焓线与温度为t0的等温线的交点即为点4。由于节流过程是一个不可逆过程，所以通常用虚线表示3—4过程。
过程线4—1表示制冷剂在蒸发器中的气化过程。该过程是在等温、等压下进行的，液体制冷剂吸取被冷却介质的热量而不断气化，制冷剂的状态沿等温线t0向干度增大的方向变化，直到全部变为饱和蒸气为止。这样，制冷剂的状态又重新回到进入压缩机前的状态点1，从而完成一个完整的理论制冷循环。
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
综合训练项目 提高压缩蒸汽制冷循环制冷效率的途径及分析 成员分工： 杨小增25（文献查询） 杨一帆26、张继丰27、周洋30（计算过程）张涛28、周洋30（结论分析） 周露函29（不足与展望） 周洋30（选题意义） 安全15-3班第五组
（一）选题意义 随着人们生活水平的提高,空调的使用日益广泛,建筑能耗也不断增加,能源问题日益突出。节能已成为“十一五”期间的重要任务,其核心目标是在“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低。与此同时,大量使用机械压缩式制冷系统带来电能消耗、环境污染问题也向人类可持续发展提出了挑战。因此,制冷设备的节能对“十一五”节能目标的实现有着巨大的现实意义和深远的历史意义。蒸气压缩制冷系统广泛应用国民经济各个部门及人民生活的各个领域，这给我们带来舒适便捷的生活，同时也消耗着大量的能源。制冷机组在运行过程中，由于冷凝温度和蒸发温度的温差较大，会对整个机组的运行造成损害; 而且，制冷系统在设计、安装和选用制冷剂过程都会对制冷系统的性能产生影响。近年来，国内外学者对蒸气压缩制冷系统展开了许多研究，研究发现提高制冷系统的过冷可以减少节流损失，通过对冷凝器流出的制冷剂液体进行过冷，防止进入节流装置前的制冷剂处于两相态，使节流机构工作稳定，降低进入蒸发器两相态制冷剂的干度，避免大幅度的压降而引起的制冷剂的闪蒸，能有效的提高系统的性能及制冷量。提高系统的过冷度，来减小高低温热源的温差，一方面可以防止制冷剂液体进入压缩机，产生液击，损坏压缩机，减少对系统的损害; 另一方面也可以提高系统的制冷效率，降低能源的消耗。
（二）研究内容及方法 本文对带有过冷的蒸气压缩制冷系统进行了热力学分析，同时液体过冷对制冷性能的影响进行计算，并研究多种文献得出结论。 （三）计算过程 ( 1) 无过冷的蒸气压缩制冷循环 无过冷循环的制冷量: Q0= m0( h1－h5) = m0( h1－h4) 无过冷循环的压缩机耗功: P0= m0( h2－h1) 无过冷循环的COP0: ( 2) 带过冷的制冷循环 带过冷循环的制冷量
蒸气压缩式制冷循环系统工作原理 教案 西华一职专：汪伯超
蒸气压缩式制冷循环系统工作原理 教学内容： 蒸气压缩式制冷循环系统工作原理。 教学目标： 1.知识目标： ①掌握循环过程中制冷剂的物态及温度压力的变化 ②理解掌握制冷循环系统工作原理 2.技能目标： 熟知制冷循环工作原理各部件的作用与结构 3.情感目标： ①通过实践操作培养认真观察、勤于思考、规范操作的职业习惯 ②培养学生主动参与团队合作的意识，养成做中学的习惯 教学重点、难点： ①制冷循环系统工作原理 ②掌握循环过程中制冷剂的物态及温度压力的变化 教学方法： 讲授法、讨论法、探究法 教具准备： 冰箱一台 教学过程： 一、导课 首先通过生活中的常识，洗过脸后会感到凉快，皮肤擦过酒精后会感到凉意，这是由于液体挥发时带走了热量，然后再让学生思考冰箱，空调是怎么制冷的，从而引出这节课的内容蒸气压缩式制冷循环系统工作原理。 二、讲授新课
2.制冷循环过程包括蒸发、压缩、冷凝、节流四个过程。蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀是蒸气压缩式制冷系统的基本部件，如图所示 3.具体工作原理如下 （1）蒸发过程。 蒸发过程是在蒸发器中进行的。液态制冷剂在蒸发器中蒸发时吸收热量，使其周围的介质温度降低或保持一定的低温状态，从而达到制冷的目的。 （2）压缩过程。 压缩机将从蒸发器流出的低压制冷蒸气压缩，使蒸气的压力提高到与冷凝温度对应的冷凝压力，从而保证制冷剂蒸气能在常温下被冷凝液化。 （3）冷凝过程。 冷凝过程在冷凝器中进行，他是一个恒压放热过程。将从压缩机送来的高温高压的气态制冷剂冷凝液化，使制冷剂循环使用。 （4）节流过程。 使从冷凝器中流出的制冷剂的冷凝温度、冷凝压力降到蒸发温度蒸发压力下，从而使制冷剂能在低温下汽化。 再开始下一次气态、液态、气态的循环，从而使周围环境温度降低，达到人工制冷的目的。 三、本节小结 四、作业布置 课后习题2
压缩比对单级蒸气压缩式制冷循环影响分析在单级蒸气压缩式制冷循环中，当制冷剂选定后，其冷凝压力，蒸发压力由冷凝温度和蒸发温度决定。冷凝温度受环境介质(水或空气)温度的限制，蒸发温度由制冷装置的用途确定的。在常温冷却条件下能够获得低温程度是有限的，即制冷温差是有限的。下面制冷快报为大家分析一下压缩比过高，对单级蒸汽压缩式制冷循环的影响。 当冷凝温度升高或蒸发温度降低时，压缩机的压力比增大，排气温度上升。 压缩机输气系数下降;pk/p0增大导致压缩机排气温度升高，润滑条件变坏;耗功增加，制冷量下降，制冷系数降低。 蒸发温度降低对单级制冷循环的影响：1.节流损失增加，制冷系数下降。2.压缩机运行时的压力比增大，容积效率下降。 由于压缩机余隙容积的存在，压力比提高到一定数值后，压缩机的容积系数变为零，压缩机不再吸气，制冷机虽然在不断运行，制冷量却变为零。 实际的活塞式压气机中，当活塞处于左止点时，活塞顶面与缸盖之间必须留有一定的空隙，称为余隙容积。具有余隙容积的压气机理论示功图，图中容积V3就是余隙容积。 由于余隙容积的存在，活塞就不可能将高压气体全部排出，排气终了时仍有一部分高压气体残留在余隙容积内。因此，活塞在下一个吸气行程中，必须等待余隙容积中残留的高压气体膨胀到进气压力p1(即点4)时，才能从外界吸入气体。 余隙容积百分比Vc/Vh和多变指数n一定时，增压比π越大，则容积效率越低，当π增加到一定值时容积效率零。增压比π一定时余隙容积百分比越大，容积效率越低。 压缩机的排气温度上升。 单级压缩的最低蒸发温度不仅受到容积系数为零的限制，随着压力比的增大，除了引起制冷量下降，功耗增加、制冷系数下降、经济性降低外，排气温度的限制也是选择压缩机级数的另一个重要原因。 排气温度过高，它将使润滑油变稀，润滑条件恶化，当排气温度与润滑油的闪点接近时，会使润滑油碳化，以致在阀片上产生结碳现象,甚至出现拉缸等现象。 当冷凝温度为40℃，蒸发温度为-30℃时，单级氨压缩机即使在等熵压缩的情况下，排气温度已高达160℃，显然它已超过了规的最高排气温度为150℃的限制。 压缩机的输气系数λ大大降低，且当压缩比≥20时，λ=0。压缩机的单位制冷量和单位容积制冷量都大为降低。压缩机的功耗增加，制冷系数下降。
压缩比对单级蒸气压缩式制冷循环影响分析 在单级蒸气压缩式制冷循环中，当制冷剂选定后，其冷凝压力，蒸发压力由冷凝温度和蒸发温度决定。冷凝温度受环境介质(水或空气)温度的限制，蒸发温度由制冷装置的用途确定的。在常温冷却条件下能够获得低温程度是有限的，即制冷温差是有限的。下面制冷快报为大家分析一下压缩比过高，对单级蒸汽压缩式制冷循环的影响。 当冷凝温度升高或蒸发温度降低时，压缩机的压力比增大，排气温度上升。 压缩机输气系数下降;pk/p0增大导致压缩机排气温度升高，润滑条件变坏;耗功增加，制冷量下降，制冷系数降低。 蒸发温度降低对单级制冷循环的影响：1.节流损失增加，制冷系数下降。2.压缩机运行时的压力比增大，容积效率下降。 由于压缩机余隙容积的存在，压力比提高到一定数值后，压缩机的容积系数变为零，压缩机不再吸气，制冷机虽然在不断运行，制冷量却变为零。 实际的活塞式压气机中，当活塞处于左止点时，活塞顶面与缸盖之间必须留有一定的空隙，称为余隙容积。具有余隙容积的压气机理论示功图，图中容积V3就是余隙容积。 由于余隙容积的存在，活塞就不可能将高压气体全部排出，排气终了时仍有一部分高压气体残留在余隙容积内。因此，活塞在下一个吸气行程中，必须等待余隙容积中残留的高压气体膨胀到进气压力p1(即点4)时，才能从外界吸入气体。 余隙容积百分比Vc/Vh和多变指数n一定时，增压比π越大，则容积效率越低，当π增加到一定值时容积效率零。增压比π一定时余隙容积百分比越大，容积效率越低。 压缩机的排气温度上升。 单级压缩的最低蒸发温度不仅受到容积系数为零的限制，随着压力比的增大，除了引起制冷量下降，功耗增加、制冷系数下降、经济性降低外，排气温度的限制也是选择压缩机级数的另一个重要原因。 排气温度过高，它将使润滑油变稀，润滑条件恶化，当排气温度与润滑油的闪点接近时，会使润滑油碳化，以致在阀片上产生结碳现象,甚至出现拉缸等现象。 当冷凝温度为40℃，蒸发温度为-30℃时，单级氨压缩机即使在等熵压缩的情况下，排气温度已高达160℃，显然它已超过了规的最高排气温度为150℃的限制。 压缩机的输气系数λ大大降低，且当压缩比≥20时，λ=0。压缩机的单位制冷量和单位容积制冷量都大为降低。压缩机的功耗增加，制冷系数下降。 必须采用高着火点、高粘度的润滑油，因为润滑油的粘度随温度升高而降低。被高温过热蒸气带出的润滑油增多，增加了分油器的负荷，且降低了冷凝器的传热性能。