制冷循环原理

制冷循环原理

3.1 蒸气压缩式制冷原理

如果制冷工质状态变化跨越液、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。

3.1.1 单级蒸气压缩制冷循环分析

家用冰箱、空调机、冷柜等制冷装置功能、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；从蒸发器出来状态1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，变成低温低压制冷剂蒸气。

②压缩过程1-2 为了维持一定蒸发温度，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，压缩机要消耗一定机械功，机械能又在此过程中转换为热能，所以制冷剂蒸气温度有所升高，制冷剂蒸气呈过热状态。

③冷凝过程2-3从制冷压缩机排出高温高压过热制冷剂蒸气，进入冷凝器后受到冷却物（如冷却水、空气等）冷却而变为液体。

④节流过程3-4从冷凝器出来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，从而达到连续制冷目。

3.1.2单级压缩式制冷循环在压-焓图上表示

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组成，这四大件由管道连接起来，便构成了一个最简单制冷系统（如图3-1所示）。

单级蒸气压缩式制冷理论循环假设条件是：

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、

蒸发器及连接管道中压力保持不变，冷凝压力p

k 保持不变；蒸发压力p

不变；

③节流过程为绝热过程，液态制冷剂节流前后焓值不变；

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；

6点——蒸发器入口。

图中各线段意义如下

6-0段：等温等压吸热汽化过程（蒸发过程）。压力P

为蒸发压力，温

度t

0为蒸发温度。6-0区间，P

及t

相对应。两点间焓值之差就是单位工

质制冷量。

0-1段：压力不变情况下吸气过热过程。在蒸发器出口段至压缩机入口段间管道由于吸收外界环境热量，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，由排气温度t

2：降至冷凝温度t

k

。温度下降，状态授变，仍为气体。

3-4段：凝结过程。在冷凝压力p

k

下，制冷剂放出潜热而由气态液化

为液态，但温度没变，仍是冷凝温度t

k

。

4-5段：过冷过程。在冷凝压力p

k

下，制冷剂液体继续散热，即向外放出显热。

5-6段：等焓节流过程。制冷剂通过节流装置，由高压p

k 降到低压P

，

温度由过冷温度t

5降至蒸发温度t

；状态由过冷液体变为气液共存状态。

h

0、h

3

分别是压力p

、p

k

下干饱和蒸气焓，h

4

是压力p

k

下饱和液体焓，

皆可由饱和蒸气表查得，h

2可根据p

k

和(S

2

=S

1

)由过热蒸气表确定，h

5

、h

1

分别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

焓图中表示如图3-2所示。因为蒸气压缩制冷循环吸热量、放热量以及所需功量皆可用工质在各状态点焓差来表示。所以制冷量、冷凝放热量以及压缩所需功都可以用图中线段长度表示。

3.1.3单级蒸气压缩式制冷理论循环热力计算

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

收热量称为单位制冷量，用符号q

表示，单位kJ/kg。

在压焓图3-2中，可用点6和点0两点焓差值表示，即

q

0 =h

-h

6

=h

–h

5

(kJ/kg) (3-1)

②单位压缩功压缩机绝热压缩lkg制冷剂所消耗功称为单位压缩

功，用符号w

表示，单位kJ/kg。在图中用点2和点1两点焓差表示，即

w

0 =h

2

–h

1

(kJ/kg) (3-2)