制冷原理与设备

临界点K右边的粗实线为饱和蒸气线，线上任何 一点代表一个饱和蒸气状态，干度 x=1。
这两条粗实线将图分 为三个区域：
1. 饱和液体线的左边为过冷液体区，过冷液体 的温度低于相同压力下饱和液体的温度；
2. 饱和蒸气线的 右边是过热蒸气区，该区域内 的蒸气称为过热蒸气，它的温度高于同一压 力下饱和蒸气的温度；
Hale Waihona Puke Baidu
等熵线--- 向右上方倾斜的实线； 等容线--- 向右上方倾斜的虚线，比等熵线平坦； 等干度线--- 只存在于湿蒸气区。
蒸汽压缩式制冷原理与设备
压焓图的结构如下图所示。以绝对压力为纵坐标（为了缩小图的尺寸，提高低压 区域的精度， 通常纵坐标取对数坐标），以焓值为横坐标。
临界点K左边的粗实线为饱和液体线，线上的任 何一点代表一个饱和液体状态，干度 x=0。
制冷原理与设备
目录 1、制冷概念
2、常用制冷原理与设备
制冷概念
制冷的概念
制冷：
即致冷，又称冷冻，将物体温度降低到或维持在自然环境温度温度以下。 实现制冷的途径有两种，一是天然冷却，一是人工制冷。天然冷却利用天然冰或深 井水冷却物体，但其制冷量（即从被冷却物体取走的热量）和可能达到的制冷温度往往 不能满足生产需要。天然冷却是一传热过程。人工制冷是利用制冷设备加入能量，使热 量从低温物体向高温物体转移的一种属于热力学过程的单元操作。
Ｐ Ｑ
蒸汽压缩式制冷原理与设备
2. 理论循环在坐标图上的描述 工作过程
3
膨 胀 阀
4
冷却介质
冷凝器 蒸发器
2
压缩机
1
被冷却介质
蒸气压缩式制冷的基本系统图
（1）1-2 压缩机中干饱和蒸汽等熵压缩过程；
（2）2-3 冷凝器中过热蒸汽等压冷却及冷凝过程；
（3）3-4 节流阀中饱和液体绝热节流过程；
（4）4-1 蒸发器中湿蒸汽等温等压汽化过程。
人工制冷
人工制冷概述
是通过制冷工质（也称制冷剂、雪种）将热量从低温物体（如冷库等）移向高温物体（如大 气环境）的循环过程，从而将物体冷却到低于环境温度，并维持此低温，这一过程是利用制冷装置 来实现的。
由热力学第二定律可知，热量从低温物体移向高温物体不可能自动、无补偿地进行，因此必须 提供机械能（或热能等），以确保包括低温冷源、高温热源、功源（或向循环供能的源）在内的孤 立系统的熵不减小
3. 两条线之间的区域为两相区，制冷剂在该区 域内处于气、液混合状态（湿蒸气区）。
蒸汽压缩式制冷原理与设备
点1表示制冷剂进入压缩机的状态。
点2表示制冷剂出压缩机时的状态， 也就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 ，压力由蒸发压力 升高 到冷凝压力 。因此该点可通过1点的等熵线和压力为冷凝压力的等压线的交点 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。
蒸汽压缩式制冷原理与设备
过程线4-1表示制冷剂在蒸发器 中的气化过程。由于这一过程是 在等温、等压下进行的，液体制 冷剂吸取被冷却介质的热量（即 制冷）而不断气化，制冷剂的状 态沿蒸发压力的等压线 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。
各主要部件作用： ●压缩机：压缩制冷剂，向制冷剂压缩做功， 为整个制冷循环提供动力。 ●冷凝器：冷凝器是一个热交换设备，作用 是利用环境冷却介质(空气或水)，将来自压缩 机的高温高压制冷蒸气的热量带走，降低制 冷剂温度至环境温度。 ●膨胀阀：节流原件---将高压常温的制冷剂 液体通过膨胀阀降压，得到低温低压制冷剂。 ●蒸发器：蒸发器也是一个热交换设备。节 流后的低温低压制冷剂液体在其内蒸发变为 蒸气，吸收被冷却物质的热量，使物质温度 下降，达到冷冻、冷藏食品的目的。
常用制冷原理与设备
目录 1、蒸汽压缩式制冷原理与设备
2、吸收式制冷原理与设备
1、蒸汽压缩式制冷原理与设备
蒸汽压缩式制冷原理与设备
●制冷工质（制冷剂、冷媒、雪种）； 常用有：氨（R717）、氟里昂等； 氟里昂：R11： 一氟三氯甲烷 R22： 二氟一氯甲烷 R23： 三氟 甲烷 R134a：四氟乙烷； R123：三氟二氯乙烷；
R-134a（1，1，1，2-四氟乙烷）是一种不含氯原子，对臭氧层不起破坏作用，具有良好的安全 性能（不易燃、不爆炸、无毒、无刺激性、无腐蚀性）的制冷剂，其制冷量与效率与R-12（二氯 二氟甲烷，氟利昂）非常接近，所以被视为优秀的长期替代制冷剂。R-134a是目前国际公认的R12最佳的环保替代品。完全不破坏臭氧层，是当前世界绝大多数国家认可并推荐使用的环保制冷 剂，也是目前主流的环保制冷剂，广泛用于新制冷空调设备上的初装和维修过程中的再添加 。 R134a的毒性非常低，在空气中不可燃，安全类别为A1，是很安全的制冷剂。
循环中压缩机的排气压力
与吸气压力之比。
p2 pk
p1 p0
压缩机的排气温度 T2 ：
制冷剂气体压缩终了的温度。
p
3
pk, TK 2’ 2
po, To
4
1
0
理论循环p-h图
h
（3）冷凝过程和冷凝器的热负荷 冷凝器单位热负荷：
1kg 制冷剂蒸汽在冷凝器中放出的热量。
qkh2h3 k/Jkg
（4）节流过程
5态
未饱和液体，饱和液体，湿饱和蒸汽，
干饱和蒸汽，过热蒸汽。
蒸汽压缩式制冷原理与设备
6等参数线簇(压-焓图）
等压线--- 水平线； 等焓线--- 垂直线；
p
h
T
c
s
T
s
c
p
v
v h
T
x p x
0
压力-比焓图
h
0
温度-比熵图
s
等温线--- 液相区：几乎为垂直线，
两相区：水平线，
气相区：向下方弯曲的倾斜线；
压缩机每压缩和输送 1kg 制冷剂所
0
消耗的压缩功。
w 0h2h1 k/Jkg
容积比功：
压缩机每压缩和输送 1m3 制冷剂 （按压缩机吸气状态）所消耗的压缩功。
wvvw 1h2v1h1 kJ/m3
压缩机功率： P0qm(h2h1) kw
3
pk, TK 2’ 2
po, To
4
1
理论循环p-h图
h
压缩机的压力比：
节流过程特点
p
3
pk, TK 2’ 2
po, To
4
1
➢ 节流过程是不可逆过程。。 ➢ 节流时绝热膨胀，对外不作功。。
0
理论循环p-h图
h
➢ 节流前后焓值不变；但节流过程非等焓过程。 h4h3
➢ 整个循环比功与压缩机的理论比功相等。
（5）制冷系数： q0 h1h4
w h2h1
p
3
pk, TK 2’ 2
点4表示制冷剂出节流阀时的状态，也就是进入蒸发器时的状态。
过程线3-4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 力由冷凝压力降到 蒸发压力 ，温度由冷凝温度降到蒸发温度 ，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作等焓线与蒸发压力的等压线 的交点即为点4的状态。由于节流过程是一个不可逆过程，所以用一虚线表示34过程。
●理论循环的意义
理论循环是不可逆循环。
影响理论循环特性的因素：
（1）热源的温度； （2）制冷剂的性质。
p
3
pk, TK 2’ 2
蒸汽压缩式制冷原理与设备
点3表示制冷剂出冷凝器时的状态。
过程线2-2'-3表示制冷剂在冷凝器内的 冷却（2-2'）和冷凝（2'-3）的过程。 由于这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 将部分热量放给外界冷却介质， 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，冷凝压力的等压线和x＝0的饱和 液体线的交点即为点3的状态。
蒸汽压缩式制冷原理与设备
什么是熵？
熵，热力学中表征物质状态的参量之一，用符号S表示，其物理意义是体系 混乱程度的度量。熵越大说明物质内部越混乱。
蒸汽压缩式制冷原理与设备
制冷剂的状态图
压-焓图 温-熵图
p
hT
c
s
v
x p
0
压力-比焓图
h
Ts c
p v
h T
x
0
温度-比熵图
s
蒸汽压缩式制冷原理与设备
（4）4点：节流后流出节流阀，进入蒸发器的状态， 为湿饱和蒸汽状态。
（1）蒸发过程和单位制冷量
p
3
pk, TK 2’ 2
单位质量制冷量：
1kg 制冷剂在蒸发器中从低温热源 吸收的热量。
po, To
4
1
0
理论循环p-h图
h
制冷量：
q 0 h 1 h 4 h 1 h 3 k/k Jg
制冷剂通过蒸发器时从低温热源吸收的热量。
压-焓图： 1点，2线，3区，5态，6等参数线簇。
1点
临界点 (critical point)
2线
下临界线 : 不同压力下饱和液体状态 上临界线：不同压力下干饱和蒸汽状态
液相区 (liquid region)
3区
汽液两相区(liquid-vapor region)
汽相区 (vapor region)
po, To
4
1
0
理论循环p-h图
h
总结
制冷机的性能
p
制冷量Ф0
0
压缩机功率P
循环的性能系数COP
3
pk, TK 2’ 2
po, To
4
1
理论循环p-h图
h
运用某种制冷剂时：
➢ 蒸发压力po ，冷凝压力pk 反映系统的压力水平； ➢ 压力比，压力差和排气温度反映压缩机的工作条件； ➢ 单位制冷量，单位容积制冷量反映制冷能力， ➢ COP 反映制冷循环的经济性。
qzvq v1 0h1v 1h4 kJ/m3
3
pk, TK 2’ 2
po, To
4
1
0
理论循环p-h图
h
式中： v1—压缩机入口处状态点1的比体积。
制冷剂的质量流量：
qmqvv1h kg/s 式中： qvh—压缩机的理论输气量，m3/s。
（2）压缩过程和比功
p
理论比功：
与制冷剂的种类和 工作条件有关
蒸汽压缩式制冷原理与设备
什么是焓？
焓的表达式：H=U+PV 物理意义：工质所处状态具有的总能量。 根据它的 表达式，可以知道是焓是一个状态参数。 在热力设备中，工质总是不断地 从一个地方流到另一个地方，随着工质不断地流动，所转移的能量就是焓。 这就是为什么引入焓这个概念的原因，因为每次计算的时候总是要写U+PV。 所以后来干脆就把U+PV定义为焓。简而言之，引入焓就是为了方便分析， 简化计算
制冷系数： 制冷循环的重要参数是制冷系数，工程上也称之为制冷装置的工作性能系数，用符号COP表示
。在一定的环境温度下，冷库温度越低，制冷系数就越小。（因此为取得良好的经济效益，没有必 要把冷库的温度定得超乎寻常的低。这也是一切实际制冷循环遵循的原则。）
人工制冷的分类
制冷循环包括压缩式制冷循环、吸收式制冷循环、吸附式制冷循环、蒸气喷射制冷循环及半 导体制冷等。压缩式制冷循环又可分为压缩气体制冷循环和压缩蒸气制冷循环。目前世界上运行 的制冷装置绝大部分是压缩气体制冷循环。以往，制冷循环应用的制冷剂多半为商品名为氟利昂 的氯氟烃物质CFC、含氢氯氟烃HCFC和氨等。但由于日益严重的环境问题，CFC、HCFC正逐渐 被对环境友善的新型制冷剂替代。
●载冷剂 传递冷量的物质，空调一般是用水做载冷剂。
●制冷量 单位——千瓦（Kw）、 大卡（Kcal）、冷吨（Rt）； 1千瓦（Kw）= 860大卡（Kcal）； 1 冷吨（Rt）= 3.517 Kw = 3024 Kcal ; 100Rt = 351.7 K w = 30万Kcal
●冷凝温度 气体液化时的温度（在一定压力下）同一物质冷凝温度是随压力变化而变化。
蒸汽压缩式制冷原理与设备
各点对应状态
3
膨 胀 阀
4
冷却介质
冷凝器 蒸发器
2
压缩机
1
被冷却介质
蒸气压缩式制冷的基本系统图
（1）1点：制冷剂进入压缩机的状态，
对应于蒸发温度To下的饱和蒸汽。
（2）2点：压缩机压缩后的排气状态，
对应于冷凝压力下的过热蒸汽。
（3）3点：制冷剂在冷凝器出口处的状态， 是与冷凝温度TK对应的饱和液体。
0 q m (h 1 h 4 ) q m (h 1 h 3 )kw
式中： qm—制冷剂的质量流量。 与压缩机的尺寸
说 明
制冷量 制冷剂的质量流量
和转速有关
制冷剂进出蒸发器的焓差 与制冷剂的种类和
工作条件有关
p
单位容积制冷量：
压缩机每吸入 1m3 制冷剂蒸气 （按压缩机吸气状态）所制取的冷量。
蒸汽压缩式制冷原理与设备
系统组成： 压缩机，节流阀，蒸发器和冷凝器等主要设备及辅助设备（过滤器，油分
离器，储液器）。
3
膨 胀 阀
4
冷却介质
冷凝器 蒸发器
2
压缩机
1
被冷却介质
蒸气压缩式制冷的基本系统图
蒸汽压缩式制冷原理与设备
3
膨 胀 阀
4
冷却介质
冷凝器 蒸发器
2
压缩机
1
被冷却介质
蒸气压缩式制冷的基本系统图