制冷循环原理

制冷循环原理

3.1蒸气压缩式制冷原理

如果制冷工质的状态变化跨越液、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的一种制冷装置，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、冷柜等制冷装置的功能、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的湿蒸气进入蒸发器（冷库），进行定压蒸发吸热，离开蒸发器时已成为干饱和蒸气；从蒸发器出来的状态1的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；从冷凝器出来的液体经过膨胀阀（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低温低压的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，变成低温低压的制冷剂蒸气。

②压缩过程1-2为了维持一定的蒸发温度，制冷剂蒸气必须不断地从蒸发器引出，从蒸发器出来的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，压缩机要消耗一定的机械功，机械能又在此过程中转换为热能，所以制冷剂蒸气的温度有所升高，制冷剂蒸气呈过热状态。

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

④节流过程3-4从冷凝器出来的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。节流后的制冷剂温度也下降到蒸发温度，并产生部分闪蒸气体。节流后的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，从而达到连续制冷的目的。

3.1.2单级压缩式制冷循环在压-焓图上的表示

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的制冷系统（如图3-1所示）。

单级蒸气压缩式制冷理论循环的假设条件是：

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的压力保持不变，冷凝压力p k保持不变；蒸发压力p0不变；

③节流过程为绝热过程，液态制冷剂的节流前后焓值不变；

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。其中各点表示的位置是：

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。

图中各线段的意义如下

6-0段：等温等压吸热汽化过程（蒸发过程）。压力P0为蒸发压力，温度t0

为蒸发温度。6-0区间，P0与t0相对应。两点间焓值之差就是单位工质的制冷量。

0-1段：压力不变情况下的吸气过热过程。在蒸发器出口段至压缩机入口段间的管道由于吸收外界环境的热量，温度升高，而压力不变。

1-2段：等熵压缩过程。在压缩过程中，气体的温度、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t2：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P0，温度由过冷温度t5降至蒸发温度t0；状态由过冷液体变为气液共存状态。

h0、h3分别是压力p0、p k下干饱和蒸气的焓，h4是压力p k下饱和液体的焓，皆可由饱和蒸气表查得，h2可根据p k和(S2=S1)由过热蒸气表确定，h5、h1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在压焓图中的表

示如图3-2所示。因为蒸气压缩制冷循环的吸热量、放热量以及所需功量皆可

用工质在各状态点的焓差来表示。所以制冷量、冷凝放热量以及压缩所需的功

都可以用图中线段的长度表示。

3.1.3单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算

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的热力参数有：

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的热量称为单位制冷量，用符号q0表示，单位kJ/kg。

在压焓图3-2中，可用点6和点0两点的焓差值表示，即

q0=h0-h6=h0–h5(kJ/kg)(3-1)

②单位压缩功压缩机绝热压缩lkg制冷剂所消耗的功称为单位压缩功，用符号w0表示，单位kJ/kg。在图中用点2和点1两点的焓差表示，即w0=h2–h1(kJ/kg)(3-2)

③单位冷凝热负荷lkg制冷剂在冷凝器中放出的热量称为单位冷凝热负荷，用符号q k表示，单位是kJ/kg，在图中，可用点2和点5的焓差表示，即q k=h2–h5(kJ/kg)(3-3)

④单位容积制冷量l m3制冷剂在蒸发器所吸收的热量称单位容积制冷量，用符号q v表示，单位是kJ/m3。它可以很方便地从q0换算出来，即

q v=q0/V1一（h0–h5)/V l(kJ/m3)(3-4)

式中v1——吸气状态时制冷剂蒸气的比体积，m3/kg。

⑤循环的制冷系数

ε=q0/(q1-q2)=（h0-h6）/[(h2-h5)-(h1-h6)]=(h0-h6)/(h2-h1)(3-5)

【例题3-1】某压缩制冷设备用氨作制冷剂。已知氨的蒸发温度为-10℃，

冷凝温度为38℃，压缩机入口是干饱和氨蒸气，要求制冷量为l00kW，试计算

制冷剂流量、压缩机消耗的功率和制冷系数。

解根据题意t1=-10℃，t3=38℃。由氨的lgp-h图（见附录图2）查出各状态点的参数为

h1=1430kJ/kg p1=0.29MPa

h2=1670kJ/kg p2=1.5MPa

h4=h3=350kJ/kg

①制冷剂流量

q0=h1-h4=(1430-350)kJ/kg=1080kJ/kg

氨的质量流量为m=100/1080=0.0926kg/s

②压缩机消耗的功率

w0=h2-h l=1670-1430=240kJ/kg

P=mw0=0.0926×240=22.22kW

③制冷系数

ε=q0/w0=1028/240=4.5

3.1.4单级蒸气压缩式制冷实际循环