第三章 蒸气压缩制冷循环

蒸发器
制冷剂的蒸发过程是一个定压吸热过程，从外界吸收热量 Qo ，与 外界没有功率交换。因此
冷凝过程中，制冷剂状态变化如下： • 制冷剂蒸气从过热蒸气状态 2 →饱和蒸气状态 3（冷却过程） → 饱和液状态 4（冷凝过程） • 制冷剂蒸气从高温 t2 → 冷凝温度 tk=t3=t4（一般为常温）
• 冷凝过程定压且为高压 pk
膨胀阀
膨胀阀中制冷剂液体的膨胀过程是一个绝热过程，与外界没有热 交换，也不作功。因此
次利用饱和压力（saturation pressure）与饱和温度一一对应原理，降
低制冷剂液体的压力，从而降低制冷剂液体的温度。将高压常温的制 冷剂液体通过降压装置——膨胀阀（又称节流阀，expansion valve， throttle valve ），得到低温低压制冷剂，再送入蒸发器吸热蒸发，从 而完成了一个制冷循环。
W
Qo
冷凝器（Condenser）也是一个热交换设备，作用是利用环境冷却介 质空气或水，将来自制冷压缩机的高温高压制冷剂蒸气的热量带走， 使高温高压制冷剂蒸气冷却、冷凝成高压常温的制冷剂液体。
值得一提的是，冷凝器内制冷剂蒸气变为制冷剂液体的过程中，压力
是不变的仍为高压 高压常温的制冷剂液体不能直接送入低温低压的蒸发器。我们将再一
制冷压缩机
制冷压缩机对制冷剂蒸气的压缩过程是一个等熵过程。因此
Q0
带入式（3-1），有
hout hin Pm
在图中表示为1-2过程，为循环的压缩过程，故上式可写成
h2 h1 m wo Po m
环的制冷剂蒸气所消耗的功率
（3 －2 ）
式中：Po —— 理论功率（Idea power） ，kW，表示制冷压缩机因压缩循
Qk
W
Qo
Qk
冷凝器 节流阀 压缩机
W
蒸发器
Qo
Qk
高压、饱和液体 Condenser Compressor 高压、过热蒸气
Expansion Valve
W
Evaporator
低压、气液两相
低压、低温蒸气
Qo
单级蒸气压缩式制冷循环工作过程如下
制冷剂在蒸发器内，在压力 po、温度 to 下沸腾， to低于被冷物体 的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸汽，并将它压缩到 冷凝压力pk，然后送往冷凝器，在 pk 压力下等压冷凝成液体，同 时，制冷剂放出冷凝热量，并传给冷却介质（通常是水或空气）
理论制冷循环中，热量从被冷却对象通过制冷剂传递给环境介质空 气或水，即从低温物体传向高温物体，是非自发过程，因而需要制
冷压缩机消耗功率 Po 才能够实现。
压缩过程中，制冷剂状态变化如下： • 制冷剂蒸气从干饱和蒸气状态 1 → 过热蒸气状态 2
• 制冷剂蒸气从低压 po →高压 pk
• 制冷剂蒸气从低温 t1 →高温 t2（依制冷剂不同而不同） • 压缩过程是一个等熵过程
过程线 5—1 表示制冷剂在蒸发器中的汽化（蒸发）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物体的热量而 不断汽化，所以制冷剂的状态沿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，从而完成了一个理论制冷循环
p=常数
tk、pk
蒸发过程
Evaporation Process
h
点 1 表示制冷剂进入压缩机的状态它是对应于蒸发温度 to 下的饱和蒸
气，该点位于等压线 po 与饱和蒸气线的交点上
点 2 表示制冷剂出压缩机的状态，也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（s1=s2），由蒸发
冷凝器
冷凝器中制冷剂蒸气的冷凝过程是一个定压放热过程，向外界放出
热量 Qk ，但与外界没有功率交换。因此
P0
hout hin Qk m h4 h2 m h2 h4 m qk Qk m
（3－3）
式中：Qk —— 冷凝热（Condenser heat） ，kW，表示单位时间内循 环的制冷剂在冷凝器中放出的热量（负号仅表示放出热 量，可省略） qk —— 单位冷凝热负荷，kJ/kg，表示1kg制冷剂蒸气冷凝为同 等压力下的饱和液体在冷凝器中放出的热量
第三章 蒸气压缩制冷循环
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3.0 预备知识
在普通制冷温度范围内，蒸气压缩式制冷是占主导地位的制 冷方式，它属于液体蒸发制冷 液体蒸发制冷的特征是：利用制冷剂液体在气化时（蒸发时） 产生的吸热效应，达到制冷目的 液体蒸发制冷构成循环的四个基本过程是：
制冷剂液体在低压（低温）下蒸发，成为低压蒸气；
1、理论制冷循环的假定条件
压缩过程为等熵过程（Isentropic process ），即压缩过程与外界没有 热交换 冷凝、蒸发过程均为定压过程（Isobaric process） ，没有传热温差。 即制冷剂的冷凝温度（Condensing temperature）等于环境介质（空气 或水）温度；制冷剂的蒸发温度（Evaporating temperature）等于被冷
Q0
上式可写成
P0
hout hin 0 m h4 h5
式（3－4）表明节流前后焓值不变 （3－4）
节流过程中，制冷剂状态变化如下： • 制冷剂液体从饱和液状态 4 → 湿蒸气状态 5 • 制冷剂液体从高压 pk → 低压 po • 制冷剂液体从冷凝温度 tk → 蒸发温度 to • 节流过程绝热而且焓值不变
却对象温度；且各温度均为定值
离开蒸发器和进入制冷压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气； 离开冷凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体
除膨胀阀产生节流降压外，制冷剂在设备管道内的流动没有流动阻力
损失（即没有压力降），同时与外界环境没有热交换 节流过程为绝热的焓值不变过程（Isenthalpic process）
W
压状态，便于蒸发吸热过程能继续不断地进行下
去
Qo
Qk
或 水 ） 转 移 的 条 件 温 度 ， 创 造 将 制 冷 剂 蒸 气 的 热 量 向 外 界 环 境 介 质 （ 空 气 外 ， 作 用 之 二 是 通 过 压 缩 作 用 提 高 制 冷 剂 蒸 气 的 压 力 和 制 冷 压 缩 机 除 了 及 时 抽 出 蒸 发 器 内 蒸 气 ， 维 持 低 温 低 压 冷 剂 蒸 气 的 温 度 ， 再 送 往 冷 凝 器 去 冷 凝 一 个 能 量 ， 使 低 温 低 压 的 制 冷 剂 蒸 气 增 压 ， 从 而 提 高 制 冷 压 缩 机 抽 出 的 低 温 低 压 的 制 冷 剂 蒸 气 进 行 压 缩 ， 给 它 利 用 饱 和 温 度 和 饱 和 压 力 一 一 对 应 这 个 原 理 ， 我 们 对 制
h=常数
s=常数 p=常数
t o 、 po
3、理论循环中各设备的功、热变化
理论制冷循环中，制冷剂的流动过程可认为是稳定流动过程。即： 制冷剂流过系统任何断面的质量不随时间改变； 系统中任何位置上制冷剂的状态参数都保持一定，不随时间改变； 系统与外界的热量和功量传递不随时间改变。
根据热力学第一定律，忽略位能和动能变化，稳定流动过程的能量方程 可表示为（参见《工程热力学》热力学第一定律中的稳定流动能量方程）
压力po 压缩到冷凝压力 pk，因此点 2 可由通过点 1 的等熵线和压力为
pk 的等压线的交点来确定。点 2 处于过热蒸气状态，注意在点 2 时的 制冷剂温度比点 3 时的制冷剂温度高，此温度我们也称作压缩机排气 温度（Discharge temperature）
点 4 表示制冷剂出冷凝器的状态，它是与冷凝压力 pk 所对应的饱和液 体，过程线 2—3—4 表示制冷剂在冷凝器内冷却（2—3）和冷凝 （3—4）过程。由于整个冷凝过程的压力不变，因此，压力为 pk 的等
3.1 单级蒸气压缩式制冷循环
3.1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环
分析单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环（Ideal Single-Stage Cycle）的目 的是运用热力学原理对制冷循环内在联系和外部影响，进行的理论分 析，是制冷系统安装、调试、运行管理和维护的理论基础。它对制冷 循环的能量转换及转换后效率进行的理论分析，是制冷系统能否节能、 环保、可持续发展的理论根据 鉴于实际的制冷循环是一个动态且复杂的循环过程，不便于定性和定 量分析，我们将从简单但符合实际规律的理论制冷循环入手，用热力 学理论对其进行透彻的分析和计算，在此基础上再修正复杂、多变的 实际制冷循环，指导实际制冷循环的应用，使之更有效、更安全地为 我们服务。对制冷循环进行的热力计算，是制冷系统机器、设备设计 和选型的理论依据
有所不同。如果该过程的能量补偿方式是用压缩机对低压
气体做功，使之因受压缩而提高压力，那么，这种制冷方 式便称之为蒸气压缩式制冷循环（vapor compression refrigeration cycle）
在制冷系统中，我们将制冷剂在低压下蒸发的容 器，称为蒸发器（evaporator） ，蒸发器是热 交换设备，其作用是将蒸发器外被冷却对象的热 量传递给蒸发器内制冷剂，制冷剂（在低温低压 下）相变吸热而使被冷却对象的温度降低 从蒸发器内源源不断地抽出制冷剂气体的装置称 为制冷压缩机（refrigerant compressor） ，其 作用之一是不断地将完成了吸热过程而汽化的制 冷剂蒸气从蒸发器中抽吸出来，使蒸发器维持低
压线和饱和液体线的交点即为点4的状态
点 5 表示制冷剂出节流阀的状态，也就是进入蒸发器的状态。过程线 4—5 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 pk 降到 po，温度也由 tk 降到 to，进入两相区。由于节流前后
制冷剂的焓值不变，因此，由点 4 作等焓线与等压线 po 的交点即为点 5 的状态。因节流过程是不可逆过程，所以过程线 4—5 往往用虚线表 示。可以看出，点 5 落入了两相区，意味着制冷剂从冷凝压力饱和液 体状态经节流阀节流后有一部分成为闪发气体
将该低压蒸气提高压力成为高压蒸气； 将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体；
高压液体降低压力重新变为低压液体，从而完成循环。
上述四个过程中，①是制冷剂从低温热源吸收热量的过程；
③是制冷剂向高温热源排放热量的过程；②是循环的能量
补偿过程。 能量补偿的方式有多种，所使用的补偿能量形式相应的也
hout hin QP m
式中：Q —— 单位时间内外界加给系统的热量，kW； P —— 单位时间内外界加给系统的功率，kW；
（3－1）
—— 流出或流进该系统的稳定质量流量，kg/s； m
hout、hin —— 1kg制冷剂在系统出、进口处的比焓，kJ/kg。
该方程可以单独适用于制冷系统中的每一个设备。
—— 质量流量（Mass flow rate），kg/s，表示单位时间内循环的 m
制冷剂的流量 wo —— 理论比功（单位压缩功，Compress work per mass） ， kJ/kg，表示制冷压缩机每输送 1kg 制冷剂蒸气所消耗的功。
热力学中，非自发过程的发生需要伴随能量的补偿
2、理论制冷循环在温-熵图和压-焓图上的表示
冷凝器
压缩机 节 流 阀
电动机
蒸发器
T
冷凝
冷却
统称为“冷凝”
2
4
TK To
3 1
节流
5 x＝0
压缩
蒸发
x＝1
S
lgP
x＝ 0
冷凝过程
Condensation Process
节流过程
Throttle Process
4
PK Po
1
x＝1
3
2
5
压缩过 程
Compression Process
与冷凝压力pk相对应的冷凝温度tk ,一定要高于冷却介质的温度， 冷凝后的液体通过膨胀阀或节流元件进入蒸发器 当制冷剂通过膨胀阀时，压力从 pk 降到 po ，少部分液体气化，极 大部分剩余液体的温度降至 to，这部分液体在蒸发器中蒸发，并 从被冷却的物体中吸取它所需要的蒸发热。而气化的这部分蒸汽 称为闪发蒸汽，在它被压缩机吸入之前几乎不再起吸热作用