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） 0

q w ε=

∑

（1-2）

00T T T k c '

-''

=

ε （1-3）

200)(T T T T k k c '-''

='∂∂ε

200)(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 km

m

k 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 ）

s

T T o

T 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： 014

11

v q h h q v v -=

= kJ/m 3 （1-10）

r M q φ=

kg/s （1-11）

1r r v

V 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）

014

21

th th

c 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 l

th 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 1

23

2h h h h w q P c k th

k

th --=

=

=

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 lg

h

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。

T

T k T 0 T

膨胀阀

冷冻水

T T T