02第1章原理-1

第一章 蒸气压缩式制冷的热力学原理蒸气压缩式制冷的工作原理是使制冷剂在压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等热力设备中进行压缩、放热冷凝、节流和吸热蒸发四个主要热力过程，从而完成制冷循环，实现对被冷却介质的制冷效果。

第一节 理想制冷循环一、逆卡诺循环卡诺循环（Carnot Cycle ）是在两个温度不相同的定温热源之间进行的理想热力循环。

图1-2所示的1→2→3→4→1是逆卡诺循环（Reverse Carnot Cycle ），也是理想循环。

0k q q w =+∑（1-1） 0q w ε=∑（1-2）00T T T k c '-''=ε （1-3）200)(T T T T k k c '-''='∂∂ε200)(T T T T k k c '-''='∂∂ε 因此k c c T T '∂∂>'∂∂εε0 热泵的经济性用供热系数μ表示，供热系数为单位耗功量所获取的热量，即图1-1 液体气化制冷原理图图 1-2 逆卡诺循环 T k ΄T T 0΄1+==∑εμw q k（1-4）二、劳仑兹循环劳仑兹循环（Lorenz Cycle ）是由两个等熵绝热过程和两个可逆多变过程组成的理想制冷循环。

劳仑兹循环的制冷系数m kmmk l T T T q q q w q 00000'-''=-==∑ε （1-5）第二节 蒸气压缩式制冷的理论循环一、蒸气压缩式制冷的理论循环图1-4 蒸气压缩式制冷的理论循环 （a ）工作过程；（b ）理论循环（a ）（b ）sT T oT a d T'0T'图1-3 劳仑兹循环实际采用的蒸气压缩式制冷的理论循环是由两个等压过程、一个绝热压缩过程和一个绝热节流过程组成，如图1-4所示。

它与理想制冷循环相比，有以下三个特点：（1） 用膨胀阀代替膨胀机； （2） 蒸气的压缩在过热区进行，而不是在湿蒸气区内进行； （3） 两个传热过程均为等压过程，并且具有传热温差。

二、蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算（一）压焓图的应用图1-6是压焓图上表示的蒸气压缩式制冷的理论循环。

014q h h =- kJ/kg （1-6） 32h h q k -= kJ/kg （1-7） 12h h w c -= kJ/kg（1-8） 43h h = kJ/kg （1-9） 0c k w q q =- kJ/kg（1-8a ）（二）蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算单位容积制冷能力是指压缩机吸入1m 3制冷剂所产生的冷量： 01411v q h h q v v -== kJ/m 3 （1-10）r M q φ=kg/s （1-11）1r r vV M v q φ==m 3/s（1-12）)(32h h M q M r k r k -==φ kW（1-13）lg h图1-5 压焓图lg 图1-6 蒸气压缩式制冷理论循环)(12h h M w M P r c r th -== kW（1-14）01421th thc q h h P w h h φε-===- （1-15）制冷效率ηR 是理论循环制冷系数εth 与考虑了传热温差的理想制冷循环的制冷系数),(0T T k c ε或),(0m km l T T ε之比，即c th R εεη=或 lth εε（1-16）用ηR 可以评价一个制冷循环与工作温度完全相同的理想制冷循环的接近程度；还可以评价制冷剂热力性能对制冷系数的影响程度。

热泵循环的理论供热系数μth （通常称为热泵的性能系数）是指单位理论耗功率的供热量，即 1232h h h h w q P c k thkth --===φμ （1-4a ）可也简化为th th εμ+=1（1-4b ）值得注意的是：式（1-4a ）是热泵循环供热系数的通用表达式，只有当热泵循环的工况（即冷凝温度、蒸发温度、再冷度、过热度）与制冷循环完全相同时，此时的理论供热系数μth 和理论制冷系数εth 之间才具有（1-4b ）式所示的关系。

第三节 蒸气压缩式制冷循环的改善一、膨胀阀前液态制冷剂再冷却为了使膨胀阀前液态制冷剂得到再冷却，可以采用再冷却器或回热循环。

（一）设置再冷却器图1-9（a ）为具有再冷却器的单级蒸气压缩式制冷的工作流程。

图1-9（b ）的3→3'就图1-7 例题1-1图 lgh是高压液态制冷剂再冷却过程线，其所达到的温度T s.c 称为再冷温度，冷凝温度T k 与它的差值Δt s.c 称为再冷度。

（a ） （b ） 图 1-9 具有再冷却器的蒸气压缩式制冷循环（a ）工作流程 ；（b ）理论循环◆（二）蒸气回热循环（a ） （b ）图 1-10 回热式蒸气压缩式制冷循环 （a ）工作流程；（b ）理论循环◆ 严格说液体等压线与饱和液线并不重合，但相差不大，故再冷过程线3→3'近似落在饱和液线上。

TT k T 0 T膨胀阀冷冻水T T T二、回收膨胀功（a ） （b ）图1-11 采用膨胀机的蒸气压缩式制冷循环（a ） 工作过程；（b ） 理论循环单位质量制冷能力增大 0000e q q q q =+∆> 压缩机理论耗功率减小 c e c e c w w w w =-< 理论制冷系数提高 000e t h e t h c e c eq q q w w w εε+∆==>-三、多级压缩制冷循环多级压缩制冷循环常采用闪发蒸气分离器和中间冷却器两种形式。

（一）闪发蒸气分离器闪发蒸气分离器也称为经济器（Economizer ）。

该循环称为二次节流、中间不完全冷却双级压缩制冷循环。

sT T 0T膨胀机0e sT k T 图1-12 多级压缩制冷循环图1-13 带闪发蒸气分离器的双级压缩制冷循环（a ）工作流程；（b ）理论循环（二）中间冷却器图1-14示出一次节流、完全中间冷却的双级压缩制冷原理图；图1-15示出一次节流、不完全中间冷却的双级压缩制冷原理图。

图1-14 一次节流完全中间冷却的双级压缩制冷循环（a ）工作流程；（b ）理论循环图1-15 带回热器的一次节流不完全中间冷却的双级压缩制冷循环（a ）工作流程；（b ）理论循环1. 双级蒸气压缩制冷的中间压力（a ）（b ）lg（b ）（a ）sT T 0T 冷却水膨胀阀②lg（a ）（b ）m p = （1-17）2. 关于制冷剂质量流量 0118r M h h φ=- （1-18）)()()(632751321h h M h h M h h M r r r -=-+- （1-19）16375322)()(r r M h h h h h h M --+-=（1-20）235727121136362703617()()1kg/s ()()r r r r r h h h h h h M M M M M h h h h h h h h h h φ⎡⎤-+--=+=+=⎢⎥--⎣⎦-=--（1-21）)(3221133h h M M M h h r r r '-++'= （1-22）08063731637521))((1φh h h h h h M hh h h M M M r r r r --'-'=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-'-+=+=（1-23）四、复叠式制冷循环复叠式制冷循环有两种类型，其一是由中温制冷剂和低温制冷剂两套独立制冷循环嵌套而成的双系统复叠式制冷循环（Refrigeration Cascade system ，简称复叠式制冷循环），另一类则是采用非共沸混合制冷剂的单系统内复叠制冷循环（Auto-Refrigeration Cascade system ）。

图1-16（a ）是（双系统）复叠式蒸气压缩制冷的工作流程图。

图1-16 复叠式蒸气压缩制冷循环 (a) 工作过程；(b) 理论循环的lg p -h 图lg p(b) p 0p k p k p 0(a)蒸发器冷凝器高温级R22 低温级R23内复叠制冷循环系统是一种采用多元非共沸混合制冷剂（如R134a/R23等）的制冷系统，如图1-17所示[2]，它使用单台压缩机，混合制冷剂经压缩后在循环过程中经过一次或多次的气液分离，使得整个制冷循环中有两种以上成分的混合制冷剂同时流动和传递能量，在高沸点组分和低沸点组分之间实现复叠，从而达到制取低温（－60℃以下）的目的。

第四节 跨临界制冷循环对于高温与中温制冷剂，在普通制冷范围内，由于制冷循环的冷凝压力远离制冷剂的临界压力，故称之为亚临界循环。

亚临界循环是目前制冷、空调领域广泛应用的循环形式。

然而，一些低温制冷剂在普通制冷范围内，利用冷却水或室外空气作为冷却介质时，压缩机的排气压力位于制冷剂临界压力之上，而蒸发压力位于临界压力之下，故将此类循环称为跨临界循环（Transcritical Cycle ）或超临界循环（Supercritical Cycle ）[4]。

目前出现的以CO 2（R744）为制冷剂的空气源热泵热水器就采用跨临界循环。

一、CO 2跨临界制冷循环制冷剂高压端热交换器不再称为冷凝器（Condenser ），而称为气体冷却器（Gas Cooler ）。

（a ） （b ）图1-18 简单单级CO 2跨临界制冷循环（a ）循环原理图；（b ）压焓图[2] 彦启森 主编. 制冷技术及其应用[M]，北京：中国建筑工业出版社，2006.[4] Neksa P, Rekstal H, Zakeri G R. CO2-heat pump water heater. characteristics, system design and experimental results.InternationalJournal Refrigeration[J], 1998,21(3): p172-179.图1-17 内复叠制冷循环系统原理图A-压缩机；B-冷凝器；C1-高沸点制冷剂贮液器；C2-低沸点制冷剂贮液器； D-气液分离器；E-蒸发冷凝器；F-蒸发器；G-回热器；J1、J2-节流装置hlg014q h h =- kJ/kg （1-6΄◆） 21c w h h =- kJ/kg （1-7΄） 23k q h h =- kJ/kg（1-8΄） 43h h = kJ/kg （1-9΄） 0c k w q q =- kJ/kg01421th c q h h w h h ε-==- （1-15΄）当蒸发温度t 0、气体冷却器出口温度t 3保持恒定时，随着高压侧压力p 2（或压缩比p 2/ p 1）的升高，单位质量耗功量呈直线规律上升，而单位质量制冷量的上升幅度却有逐渐减小的趋势，二者综合作用的结果使得制冷系数εth 先逐渐升高再逐渐下降，在某压力p 2下出现最大值εthm ，对应于εthm 的压力称之为最优高压侧压力p 2opt 。