制冷原理和发展

制冷原理与发展

(陈剑飞Q09310108)

制冷就是使某一空间或某物体达到低于其周围环境介质的温度，并维持这个低温的过程。随着社会的进步，制冷技术已经广泛运用于各个行业，如食品工业、钢铁工业、石油化工、轻工业、农业、建筑业、军工业等，深入到了我们生活中的各个方面。随着科技的发展，许多产品对工艺环境的控制精确性及稳定性提出了更高的要求，制冷技术的作用更是不可替代。

一、制冷的热力学原理：理想制冷循环—逆卡诺循环

逆卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。假设低温热源（即被冷却物体）的温度为T0，高温热源（即环境介质）的温度为Tk, 则工质的温度在吸热过程中为T0，在放热过程中为Tk,就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行的。其循环过程为：首先工质在T0下从冷源（即被冷却物体）吸取热量q0，并进行等温膨胀4-1，然后通过绝热压缩1-2，使其温度由T0升高至环境介质的温度Tk,再在Tk下进行等温压缩2-3，并向环境介质（即高温热源）放出热量qk, 最后再进行绝热膨胀3-4，使其温度由Tk 降至T0即使工质回到初始状态4，从而完成一个循环。

对于逆卡诺循环来说，由图可知：

q0=T0(S1-S4）

qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4）

w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4）

则逆卡诺循环制冷系数εk为：T0/Tk-T0。由上式可见，逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关，只取决于冷源（即被冷却物体）的温度T0和热源（即环境介质）的温度Tk；降低Tk，提高T0，均可提高制冷系数。此外，由热力学第二定律还可以证明：“在给定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高”。任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。

综上所述，理想制冷循环应为逆卡诺循环。而实际上逆卡诺循环是无法实现的，但它可以用作评价实际制冷循环完善程度的指标。通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数ε与逆卡诺循环制冷系数εk之比，称为该制冷机循环的热力完善度，用符号η表示。即：η=ε/εk

热力完善度是用来表示制冷机循环接近逆卡诺循环循环的程度。它也是制冷循环的一个

技术经济指标，但它与制冷系数的意义不同，对于工作温度不同的制冷机循环无法按其制冷

系数的大小来比较循环的经济性好坏，而只能根据循环的热力完善度的大小来判断。

二、单级蒸气压缩式制冷循环

2.1、工作原理

蒸气压缩式制冷机有单级，多级和复叠式等多种形式。单级蒸气压缩式制冷机是目前应

用最广泛的一种。所谓单级压缩，是指制冷剂在一个循环中只经过一次压缩，图2.1给出了

单级蒸气压缩式制冷系统循环过程。

图2.1 单级蒸气压缩式制冷系统

1 压缩机

2 冷凝器

3 膨胀阀

4 蒸发器

图2.1的单级蒸气压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器四个基本部分组成；四部分之间用管道连接，形成一个封闭系统；制冷剂在系统内循环流动，发生一系列状态变化，并与外界进行能量交换，从而达到制冷的目的。具体的工作过程如下：工作时压缩机吸入蒸发器内产生的低压（低温）制冷剂蒸气，保持蒸发器内的低压状态，使蒸发器内制冷剂液体在低温下能够沸腾；吸入的蒸气经过压缩，压力和温度都升高，使制冷剂能够在常温下进行液化；高压高温的制冷剂蒸气排入冷凝器后，在压力不变的情况下被冷却介质（水或空气）冷却，放出热量温度降低，最后凝结成液体从冷凝器排出；高压制冷剂液体经节流阀节流降压，导致部分制冷剂液体汽化，吸收汽化潜热，使其本身的温度也相应降低，成为低压、低温的湿蒸气，然后进入蒸发器；在蒸发器中制冷剂液体在等压的情况下，吸收被冷却介质（空气、水或盐水等）的热量从而发生汽化，形成的低压低温蒸气再被压缩机吸走，如此不断进行循环。

2.2、单级蒸气压缩式制冷理论循环在压焓图和温熵图上的表示

理论制冷循环与实际循环是存在偏差的，但由于理论循环可使问题得到简化，便于对它

们进行分析研究，而且理论循环的各个过程均是实际循环的基础，它可作为实际循环的比较

标准，因此仍有必要对它加以详细的分析与讨论。对于理论制冷循环，通常作出如下的假设：（1）离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气是处于蒸发压力下的饱和蒸气；

（2）离开冷凝器和进入膨胀阀的液体是处于冷凝压力下的饱和液体；

（3）压缩机的压缩过程为等熵压缩；

（4）制冷剂通过膨胀阀的节流过程为等焓过程；

（5） 制冷剂在蒸发和冷凝过程中为定压过程，且没有传热温差，即制冷剂的冷凝温度

等于冷却介质温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度。

（6） 制冷剂在各设备的连接管道中流动没有流动损失，与外界不发生热量交换。 根据上述假设条件，单级蒸气压缩式制冷理论循环工作过程可清楚的表示在压焓图上，如图2.2所示。制冷循环中的各状态点及各个过程如下：

图2.2单级理论循环压焓图

过程线1－2表示等熵压缩过程，压力由蒸发压力0p 升高到冷凝压力k p 。点1表示制冷剂进人压缩机的状态，它对应于蒸发温度的饱和蒸气。根据压力与饱和温度的对应关系，该点位于蒸发压力0p 的等压线与饱和蒸气线的交点上；点2表示制冷剂出压缩机时的状态，也是进冷凝器时的状态。该点可通过1点的等熵线和冷凝压力k p 的等压线的交点来确定。由于压缩过程中外界对制冷剂作功，制冷剂温度升高，因此点2表示过热蒸气状态。

过程线2－3表示制冷剂在冷凝器中的冷却（2－2′）和冷凝（2′－3）过程。点3表示制冷剂出冷凝器时的状态，它是与冷凝温度k t 所对应的饱和液体。整个过程是在冷凝压力不变的情况下进行的，进入冷凝器的过热蒸气首先将部分热量放给冷却介质，在等压下冷却成饱和蒸气（点2′）。然后再在等压、等温条件下继续放出热量，直至最后冷凝成饱和液体（点

3）。因此，压力为k p 的等压线和饱和液体线的交点即为点3。

过程线3－4表示制冷剂在节流阀中的节流过程。点4表示制冷剂出节流阀时的状态，也是进入蒸发器时的状态。在该过程中，制冷剂的压力由冷凝压力k p 降至蒸发压力0p ，温度由冷凝温度k t 降到蒸发温度0t ，并进入两相区。由于节流前后制冷剂的焓值不变，因此由点3作等焓线与压力为0p 的等压线的交点即为点4。由于节流过程是一个不可逆过程，所以通常用虚线表示3—4过程。

过程线4—1表示制冷剂在蒸发器中的气化过程。该过程是在等温、等压下进行的，液体制冷剂吸取被冷却介质的热量而不断气化，制冷剂的状态沿等压线0p 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点1，从而完成一个完整的理论制冷循环。

同样单级蒸气压缩式制冷理论循环工作过程可清楚的表示在温熵图上，如图2.3所示。制冷循环中的各状态点及各个过程如下：