制冷循环原理
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制冷循环原理 蒸气压缩式制冷原理3.1 如果制冷工质的状态变化跨越液、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的一种制冷装置，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。
单级蒸气压缩制冷循环分析3.1.1 家用冰箱、空调机、冷柜等制冷装置的功能、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 的湿蒸气进入蒸发器（冷库），进行 定压蒸发吸热，离开蒸发器时已成为干饱和蒸气；从蒸发器出来的状态 1 的干 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；从冷凝器出来的液体经过膨胀阀（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低温低压的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，变成低温低压的制冷剂蒸气。 ②压缩过程 1-2为了维持一定的蒸发温度，制冷剂蒸气必须不断地从蒸 发器引出，从蒸发器出来的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，压缩机要消耗一定的机械功，机械能又在此过程中转换为 热能，所以制冷剂蒸气的温度有所升高，制冷剂蒸气呈过热状态。 ③冷凝过程 2-3 从制冷压缩机排出的高温高压过热的制冷剂蒸气，进入冷 凝器后受到冷却物（如冷却水、空气等）的冷却而变为液体。 ④节流过程 3-4 从冷凝器出来的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。节流后的制冷剂温度也下降到蒸发温度，并产生部 分闪蒸气体。节流后的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，从而达到连续制冷的目的。
单级压缩式制冷循环在压焓图上的表示-3.1.2 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 3-1 组成，这四大件由管道连接起来，便构成了一个最简单的制冷系统（如图 。所示） 单级蒸气压缩式制冷理论循环的假设条件是： ①压缩过程 1-2 是绝热压缩过程，前后熵值不变； ②不考虑制冷剂在流动时摩擦、阻力等损失，即制冷剂在流经冷凝器、蒸 不变；保持不变；蒸发压力发器及连接管道中的压力保持不变，冷凝压力 pp
0k③节流过程为绝热过程，液态制冷剂的节流前后焓值不变；
该制冷系统运行状态则可在压一焓图上绘制和表示出来，如图 3-2 所示。 其中各点表示的位置是： 0 点——蒸发器出口； 1 点——压缩机吸气口； 2 点——压缩机排气口； 5 点——节流装置入口； 点——蒸发器入口。 6 图中各线段的意义如下 段：等温等压吸热汽化过程（蒸发过程）。压力为蒸发压力，温度 6-0 t P 00相对应。两点间焓值之差就是单位工质的制冷区间，与为蒸发温度。 P t6-0 00
量。
0-1 段：压力不变情况下的吸气过热过程。在蒸发器出口段至压缩机入口段 间的管道由于吸收外界环境的热量，温度升高，而压力不变。 1-2 段：等熵压缩过程。在压缩过程中，气体的温度、压力及焓值升高，比 体积减小，熵值不变。h：-九，就是压缩机械功。 2-3 段：等压放热过程。高压（冷凝压力）条件下，制冷剂气体放出显热， 。温度下降，状态授变，仍为气体。：降至冷凝温度由排气温度tt k2下，制冷剂放出潜热而由气态液化为液段：凝结过程。在冷凝压力 p3-4 k。态，但温度没变，仍是冷凝温度t k下，制冷剂液体继续散热，即向外放出段：过冷过程。在冷凝压力 p4-5 k显热。 段：等焓节流过程。制冷剂通过节流装置，由高压降到低压，温P 5-6 p 0k度由过冷温度降至蒸发温度；状态由过冷液体变为气液共存状态。t t 05下饱和液体的焓，下干饱和蒸气的焓，、分别是压力、是压力 h hp p p h k0403k皆可由饱和蒸气表查得，可根据和由过热蒸气表确定，、分别 hh p (S=Sh ) 1k1252根据过冷度和过热度确定。蒸气压缩制冷循环 0-1-2-3-4-5-6-0 在压焓图中的表 示如图 3-2 所示。因为蒸气压缩制冷循环的吸热量、放热量以及所需功量皆可 用工质在各状态点的焓差来表示。所以制冷量、冷凝放热量以及压缩所需的功 都可以用图中线段的长度表示。
单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算 3.1.3 单级蒸气压缩式制冷理论循环在压焓图上表示如图 3-2 所示。在压焓图上 表示单级蒸气压缩式制冷循环的热力参数有：
①单位质量制冷量（简称单位制冷量）lkg 制冷剂在蒸发器内所吸收的热 量称为单位制冷量，用符号表示，单位。kJ/kgq 0在压焓图 3-2 中，可用点 6 和点 0 两点的焓差值表示，即
q =h -h =h –h(kJ/kg)(3-1) 50600． ②单位压缩功压缩机绝热压缩 lkg 制冷剂所消耗的功称为单位压缩功， 用符号表示，单位。在图中用点和点两点的焓差表示，即 1kJ/kg 2 w 0w =h –h(kJ/kg)(3-2) 120③单位冷凝热负荷lkg 制冷剂在冷凝器中放出的热量称为单位冷凝热负荷， 用符号表示，单位是，在图中，可用点和点的焓差表示，即 5 2 q kJ/kg kq =h –h(kJ/kg)(3-3) 5k23 m制冷剂在蒸发器所吸收的热量称单位容积制冷量，④单位容积制冷量l
3。它可以很方便地从表示，单位是换算出来，即用符号 kJ/m q q 0v3一（)m(3-4))/V(kJ//V h –hq= q l10v053。式中——吸气状态时制冷剂蒸气的比体积，/kgvm 1⑤循环的制冷系数 （） ) = q/( q-qε =/[(h-h)-(h-h)] = (h-hh-h)/(h-h)(3-5) 2011610266205【例题 3-1】某压缩制冷设备用氨作制冷剂。已知氨的蒸发温度为-10℃， 冷凝温度为 38℃，压缩机入口是干饱和氨蒸气，要求制冷量为 l00kW，试计算 制冷剂流量、压缩机消耗的功率和制冷系数。 解根据题意℃，℃。由氨的图（见附录图）查出各状2 =-10 tlgp-ht =38 31
态点的参数为
h =1430kJ/kgp =0. 29MPa 11p =1. =1670kJ/kgh5MPa 22=350kJ/kg h =h 34①制冷剂流量
q =h -h=(1430-350) kJ/kg=1080kJ/kg 401氨的质量流量为 m=100/1080=0. 0926kg/s ②压缩机消耗的功率
w =h -h =1670-1430=240kJ/kg l02P=mw =0. 0926×240=22. 22kW 0③制冷系数
ε = q/ w=1028/240=4.5 00 单级蒸气压缩式制冷实际循环 3.1.4． 实际压缩过程与理论循环过程存在很大区别，主要表现在以下几方面： ①压缩过程不是等熵过程； ②实际节流过程中由于与外界有热交换，所以不是绝热节流，而节流后焓 值是增大的； ③制冷剂在蒸发器与冷凝器内传热过程，由于压力变化，制冷剂的温度是 渐变的； ④制冷剂流经阀门、管道和设备时因有阻力存在，为使循环得以实现，故 使压缩机的排气压力增高，而吸气压力降低； ⑤在吸气过程中由于有热交换，肯定有一定的有害过热。 由于实际压缩循环与理论压缩循环存在着多方面差别，所以单级压缩制冷 机的实际循环的单位压缩功增大，单位制冷量减少，制冷系数低于理论循环。 由于实际过程比较复杂，存在机械摩擦、阻力及热交换等，很难将实际循 图上。在工程计算时，通常是先按理论循环计算，然后用 环过程表示在 lgp-h 各种系数进行修正。
蒸气压缩式热泵循环 3.1.5 热泵装置与制冷装置的工作原理没有什么差别，只是二者的工作目的不同，
中的冷凝器放 制冷装置是为了制冷，而热泵装置则是为了供热。如果将图 3-3 在室内，则当上述装置工作时，就可以从低温环境中吸取热量并释放到室内来， 用于取暖。 原则上，可以使一套设备具备制冷和供热两种功能。如图 3-3 所示， 如果用一只四通换向阀 A 来控制改变制冷工质在装置中的流向，就可以达到夏 季对室内制冷、冬季对室内供热的目的。有些国家（如美国和加拿大）早已将 这种采暖与制冷兼用装置用于火车车厢和远洋客货轮的空调，以适应长途旅行 运输时各地区气候上的变化。． 热泵的经济性指标是供热系数，它等于制冷剂在冷凝器中放出的热量 q ε' 1与压缩机消耗的功之比，即。/w wε'=q 1由于，所以热泵的供热系数恒大于，它优于其他供暖装置（如1 q=w+q 21电加热器等）之处，就在于消耗同样多的机械功对室内供暖，可比用其他方法 得到更多的热量，即除了由机械功所转换的热量外，还包括制冷剂在蒸发器中 所吸收的热量。 热泵装置还可以将大量较低品位（即较低温度）的热能提升为较高品位 （即较高温度）的热能，以满足生产上的需要。另外，采用热泵供热取代锅炉 供热还有利于保护环境不受污染。但是，热泵的使用受到其他条件的限制，例 如，我国东北地区冬季室外温度在-20～-30℃或更低，用热泵供热就很不经济， 并且由于室内外温差太大，热泵的供热系数将很低，不利于节能；又例如对工 业欠发达的国家或地区，热泵装置的造价往往比其他采暖设备高出很多，这也 影响了热泵的使用与推广。
双级蒸气压缩式制冷循环 3.2 双级蒸气压缩式制冷理论循环 3.2.1 单级制冷压缩机若要制取较低温度时，蒸发温度就很低，相应的蒸发压力 就很低，造成制冷机的压缩比（冷凝压力与蒸发压力之间绝对压力的比值）显 著增大。当压力比增大到一定程度时，单机制冷压缩机就不能正常工作。这是 因为： ①压缩比增大，压缩机的输气量减少，使制冷量下降，
