蒸汽压缩式制冷的原理

第二节蒸汽压缩式制冷的原理

自然界中的物质是以三种不同的聚集态存在的，即：固态、液态和气态。

一、蒸气压缩式制冷的热力学原理

物质集态的改变称之为相变。相变过程中，由于物质分子的重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量。这种热量称作潜热物质发生从质密态到质稀态的相变是将吸收潜；反之,当它发生有质稀态向质密态的相变时则放出潜热。

液体气化形成蒸汽，利用该过程的吸热效应制冷的方法称液体蒸发制冷。当液体处在密闭的容器内时，若容器内除了液体和液体本身的蒸汽外不含任何其它气体，那么液体和蒸气在某一压力下将达到平衡。这种状态称饱和状态。如果将一部分饱和蒸汽从容器中抽出，液体就必然要再气化出一部分蒸汽来维持平衡。我们以该液体为制冷剂，制冷剂液体气化时要吸收气化潜热，该热量来自被冷却对象，只要液体的蒸发温度比环境温度低，便可使被冷却对象变冷或者使它维持在环境温度下的某一低温。

为了使上述过程得以连续进行，必须不断地从容器中抽走制冷剂蒸汽，再不断地将其液体补充进去。通过一定的方法将蒸汽抽出，再令其凝结为液体后返回到容器中，就能满足这一要求。为使制冷剂蒸气的冷凝过程可以在常温下实现，需要将制冷剂蒸气的压力提高到常温下的饱和压力，这样，制冷剂将在低温低压下蒸发，产生制冷效应；又在常温和高压下凝结向环境温度的介质排放热量。凝结后的制冷剂液体由于压力较高，返回容器之前需要先降低压力。由此可见，液体蒸发制冷循环必须具备以下四个基本过程：制冷剂液体在低压下气化产生低压蒸汽，将低压蒸汽抽出并提高压力变成高压气。将高压气冷凝为高压液体，高压液体再降低压力回到初始的低压状态。其中将低压蒸汽提高压力需要能量补偿。

利用沸点很低的制冷剂相态变化过程所发生的吸放热现象，借助于压缩机的抽吸压缩、冷凝器的放热冷凝、节流阀的节流降压、蒸发器的吸热汽化的不停循环过程，达到使被冷对象温度下降目的的制冷方法。

二、蒸气压缩式制冷的系统组成

单级蒸气压缩式制冷系统由压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器组成。其工作过程如下：制冷剂在压力温度下沸腾，低于被冷却物体或流体的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸气，并将它压缩到冷凝压力，然后送往冷凝器，在压力下等压冷却和冷凝成液体，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)，与冷凝压力相对应的冷凝温度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他节流元件进入蒸发器。单级蒸气压缩式制冷系统如下图1－2所示。

图1-2 单级蒸气压缩式制冷系统图

1、组成部件的功用：

（1）压缩机一一抽吸制冷剂，维持蒸发器低温；压缩制冷剂，促进制冷剂循环。 （2）冷凝器——使高压高温气态制冷剂放热冷凝成液态。 （3）节流阀——节流降压制冷剂，制造蒸发器低温。 （4）蒸发器——使低压低温液态制冷剂吸热汽化成气态。 2、单级蒸气压缩式制冷系统的工作过程： 其工作过程如下：制冷剂在蒸发压力下沸腾， 蒸发温度低于被冷却物体或流体的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸气，并将它压缩到冷凝压力， 然后送往冷凝器，在冷凝压力下等压冷却和冷凝成液体，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） 与冷凝压力相对应的冷凝温度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。 当制冷剂通过膨胀阀时，压力从冷凝压力降到蒸发压力，部分液体气化，剩余液体的温度降至蒸发温度，于是离开膨胀阀的制冷剂变成温度为蒸发温度的两相混合物。 混合物中的液体在蒸发器中蒸发，从被冷却物体中吸取它所需要的气化潜热。混合物中的蒸气通常称为闪发蒸气，在它被压缩机重新吸入之前几乎不再起吸热作用 。

3、工况参数对制冷工作的影响

1）当其他条件不变时，冷凝温度tk 变化的影响： 2）当其他条件不变时，蒸发温度t0变化的影响：

3）其他条件不变，供液过冷度和吸气过热度的影响； 各种实际因素对循环的影响 1） 液体过冷：

概念：过冷

过冷度：33'-=∆T T T g 过冷循环：

33'-=∆T T T g ，g T c h h h ∆'=-=∆'33

过冷循环与饱和循环对比：

↑↑→∆COP q q T zv ,,0

实现过冷的方法： （1） 利用冷凝器 （2） 利用增加过冷器 （3） 利用回热

过冷状态3'点比焊的确定： Tg c h h ∆'-='33 or ： )(33'⋅

'=T h h s 2） 吸气过热：

过热循环的P-h 图

过热度：11T T T r -=∆' 有用过热：

无用（有害）过热：

有用过热是否使zv q ，COP 增加取决于制冷剂性质，

增加幅度与过热度大小有关。

3） 回热（循环）：

系统组成及工作过程。

回热器，气－液热交换器

回热循环的性能指标：

① 回热器热平衡

441133h h h h h h -=-=-'''

② 41410h h h h q -=-=''

与理论循环对比，其等价于用有用过热循环与理论循环对比， 前者的结论适用。

蒸发温度低的制冷机适合采用回热。

工况对压缩制冷的影响

温度条件变化 制冷量

轴功率

制冷系数

冷在温度t k ↑ ↓（因为q 0↓、λ↓） ↑（因为w 0↑>G ↓） ↓（因为w 0↑、q 0↓） 蒸发温度t 0↓

↓(因为v 1↑使G ↓)

当 P k ／P 0＞3左右时 ↓（因为G ↓>w 0↑）

↓（因为w 0↑、q 0不变）

供液过冷度（t k -t 3）↑ ↑（因为q 0↑）

不变

↑（因为q 0↑;w 0不变）

吸气过热度（t 1－t 0）↑

R12：（因为q 0↑）>G ↓) R22：（因为q 0↑=G ↓） R717：（因为q 0↑〈G ↓〉

↓（因为G ↓>w 0↑） R12：（因为q 0↑>w 0↑） R22：稍↓

R717：（因为q 0↑〈w 0↑〉