第三章 制冷的热力学基本原理-沈淳-2015.4.12----
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c
（1）应尽可能降低高温热源处的放热温度 Tk ，但通常向环
境放热，应使之接近环境温度 Tr1 最经济。
（2）在满足制冷能力的前提下，就尽可能提高低温热源处 的吸热的温度 T0 ，使之接近环境温度 Tr 2 。
Tr 2 一定）时，逆卡诺 （3）在恒定的高、低温热源内（ Tr1 、
循环的制冷系数最高。
chapter 3 The Essense of Thermodynamics
1 4
• 实际制冷循环都是不可逆的，其性能系数COP恒小于相同 条件下的可逆机的性能系数COPc。 • 用制冷循环的热力完善度η来评价实际制冷循环与可逆循环
的接近程度。
c
c
0 1
η越大，循环越好，热力学的不可逆损失越小。
0 Q0 / P0
qk h2 h3 Qk qm qk
0 / c
例3－2 :某空调用制冷系统，制冷工质为R22，所需制冷量Q0 为50kW，空调用冷水温度tc＝10℃，冷却水温度tw=32℃， 蒸发器端部传热温差取△t0＝5℃，冷凝器端部传热温差 取△tk＝8℃，试进行循环的热力计算。计算中取液体过 冷度△tg＝5℃，吸气管路有害过热度△tr＝5℃，压缩机 的输气系数λ＝0.8，指示效率ηi＝0.8。
1-2 可逆绝热 (定熵)压缩，耗功； Reversible adiabatic compress
2-3 可逆定温放热
Tk Tr1
；
Reversible constant-temperature, heat rejection 3-4 可逆绝热 (定熵)膨胀，对外作功；
Reversible adiabatic expansion
第三章 制冷的热力学基本原理
第三章 制冷的热力学基本原理
第一节 制冷系统的经济性指标
从热力学角度，制冷系统是利用逆向循环的能量转换系统。 按能量补偿方式，各种制冷方法主要归为两大类： （1）以机械能或电能为补偿
如：蒸汽压缩制冷，气体膨胀制冷，热电制冷，电化学制冷
（2）以热能为补偿
如：吸收式制冷，蒸汽喷射式制冷，固体吸附式制冷
P0 qm w0
i / c
3
2s
2ห้องสมุดไป่ตู้
1 4 1'
0
h
例3－3:某单位现有一台106F型制冷压缩机，欲用来配一座小 型冷库，库温要求为tc＝－10℃，水冷冷凝器的冷却水温 tw=30℃，试对循环进行热力计算。已知压缩机参数：缸 径D＝100mm，行程S＝70mm，气缸数Z＝6，转速n＝ 1440r/min，蒸发器传热温差取△t0＝10℃，冷凝器传热 温差取△tk＝5℃，制冷工质为R22，蒸发器出口的过热度 为5℃，管路过热为5℃，液体过冷温度为32℃，压缩机的 输气系数λ＝0.6，指示效率ηi＝0.65，机械效率ηm＝ 0.9。
19
三、单级蒸汽压缩制冷循环热力计算
0 t 10 C 例3-1：制冷工质为R22， 0 tk 35 0C
Q0 55kW
试对该理论循环进行热力计算。 解： 基本思路为： 首先由tk得到：Pk、h3、h4 由t0得到：P0、h1、v1 由pk、p0得到：h2
单位质量制冷量： q0 h1 h4 单位容积制冷量： qv q0 / v1 质量流量： 理论比功： 理论功率： 容积流量： 制冷系数： 单位热负荷： 热负荷： 热力完善度： qm Q0 / q0 w0 h2 h1 P0 qm w0 qV qm v1
2
单位放热量 heat rejection
q k Tk ( s4 s1 ) 面积23s4 s1 2 0
单位制冷量（单位吸热量）heat absorption ：
q 0 T0 ( s1 s4 ) 面积41s1s4 4 0
单位功耗：
w0 δq qk q0
（2）采用汽液分离器或过热蒸汽
• 为防止压缩机液击，进入压缩机中的工质 至少应为干饱和蒸汽，这样，压缩机虽多消耗一些功、工质平均放热温 度升高，但压缩机工作稳定、效率高、且制冷量也有所增加。 • 为保证进入压缩机的工质至少为干饱和蒸汽，应采用汽液分离器或采用 有一定过热度的过热蒸汽。 • 过热：有效过热—由蒸发器完成 有害过热—由外环境完成 有害过热主要是蒸发器至压缩机管道受热，使制冷量不变，但 压缩机耗功增加，最终使制冷系数降低。 所以，要求 对蒸发器至压缩机的管道保温。
系统，制冷量5kW, 蒸发温度为5℃，冷凝温 度为60℃，过热度10 ℃，过冷度5 ℃，压气
机指示效率0.91，(或已知压缩机排气温度85
℃ )，设该压缩机为开启式的，压缩机的机 械效率取为0.90，容积效率为0.8。试进行该
循环的热力计算。
补充概念：
chapter 3 The Essense of Thermodynamics
1 5
第二节 蒸汽压缩制冷循环的热力学分析
一、逆卡诺循环
The reversed Carnot Cycle
4-1 可逆定温吸热
T0 Tr2
。
Reversible constant-temperature , heat absorption
R22压焓图
R134a压焓图
3. 压-焓图 （ ln p-h图 ）
4-1 可逆定温吸热 吸热量即制冷量 1-2 可逆绝热压缩
q0 h1 h4
w0 ( ws )c h2 h1
2-3 可逆定温放热
3-4 绝热节流
qk h3 h2
h3 h4
q2 h1 h4 制冷系数 w0 h2 h1
12
3. 压-焓图 （ ln p-h图 ）
压焓图（一点两线三区五态六参数）
等压线 — 水平线
等焓线 — 垂直线 等干度线 — 湿蒸气区域内曲线 等熵线 — 向右上方大斜率曲线 等容线 — 向右上方小斜率曲线 等温线 — 垂直线（液相区）→水平线（两相区） →向右下方弯曲（过热蒸气区）
R717压焓图
制冷剂质量流量： qm qVs / v1' 制冷量： 理论功率： 指示功率： 轴功率： Q 0 qm q0 P0 qm w0 Pi qm wi Pe Pi / m
0 q0 / w0 i q0 / wi
h2s -h1' 冷凝器热负荷： h2 =h1'+ i Q k =q m(h2 -h3 )
4
二、蒸气压缩制冷循环 vapor-compression refrigeration cycle
温熵图
一点：临界点 三区：气相区、液相区、 湿蒸气区 五态：过冷液体、饱和液体、
饱和蒸气、过热蒸气、
湿蒸气
八线：等压线、等焓线、等温线、
等熵线、饱和蒸气线、饱和液体线、
二、蒸气压缩制冷循环 vapor-compression refrigeration cycle 1. 湿蒸汽区逆卡诺循环的理论实现
制冷系统的经济性指标 以机械能或电能驱动的制冷机，引入制冷系数 以热能驱动方式的制冷机，引入热力系数 国外习惯上将制冷系数和热力系数统称为制冷机的性能系数 COP ( Coefficient of performance )
• 以机械能或电能驱动的制冷机，其制冷系数
Q0 W0
对开启式 ， 轴功率
补充概念：
压缩机的指示功Ni :直接用于气体压缩消耗的功，
可用仪器测得的压缩机示功图计算得到。
lg p
3 2s 2
压缩机的理论功N : 按等熵压缩过程消耗的功。
N 理论功（率） 压缩机的指示效率ηi ：i N i 指示功（率）
0
1 4 1'
h
补充概念：
• 轴功率 Shaft Power ，N b ： 压缩机的传动机构存在各种机械摩擦损失，如轴承、连 杆、活塞环等各摩擦件所消耗的功率、曲轴驱动油泵工作也需 要消耗功率，这些耗功率损失可用机械效率 m 来表示，相应 的功率为压缩机的轴功率。
Nb
m
Ni
N
i m
kW
指示效率 i 和机械效率 m 的乘积通常称为压缩机的总效率， 它能反映压缩机在某工况下运行时的各种损失。
23
单位质量制冷量： q0 h1 h4 单位容积制冷量： qv q0 / v1' 质量流量： 理论比功： 指示比动： h2 h1' wi 理论功率：
三、单级蒸汽压缩制冷循环热力计算 1. 一台以R134a 为工质的单级蒸汽压缩制冷 系统，蒸发温度为-20℃，冷凝温度为40℃，
过热度10 ℃，过冷度5 ℃，试进行理论循环
的热力计算。
chapter 3 The Essense of Thermodynamics
27
2. 一台以R134a 为工质的单级蒸汽压缩制冷
制冷量 对封闭式 ， 电功率
1
制冷量
• 以热能驱动方式的制冷机，其热力系数
Q0 Qg
------ 驱动热源向制冷机输入的热量
以热能驱动方式的制冷机，从驱动热源吸收热量，完成 从低温热源吸热、向高温热源放热的能量转换，从而达到制 冷目的。 可分析得到，热能驱动的可逆制冷剂的热力系数也只与 驱动热源温度、高温热源温度、低温热源温度有关，而与工 质的性质无关。驱动热源的品位越高，高低温热源温度越接 近，则热力系数越大。
• 由于蒸发、冷凝过程是等温等压的吸热、放热过程，
从理论上讲，在湿蒸气区，蒸汽压缩制冷循环完全可 以实现逆卡诺循环，以获得最大的制冷系数。 • 一般工质的汽化潜热比较大，利用工质相变可获得 相当大的单位制冷量，使制冷能力较大。
5
2.实际循环 （1）以节流阀取代膨胀机
虽损失了一些功（膨胀机作功） 和制冷量，但设备简单可靠， 且用节流阀也便于调节。
17
4. 真正的实际循环
由于传热温差、流动阻力存在，使 在相同的蒸发温度、冷凝温度范围内， 真正的实际循环与理想循环存在一些差 别。 （1）传热温差的存在
→使2’3’线高于23线，4’1’线低于41线。
冷却水或冷却空气的温度低于冷凝温度Tk，且是变化 （入口温度低、出口温度高）；载冷剂或冷库的温度高于蒸 发温度，载冷剂或冷库的温度也是变化的（入口温度高、出 口温度低）。
lg p
指示功率： 容积流量： 理论容积流量： 制冷系数：
Pi
i
P0
qm Q0 / q0 w0 h2 s h1' wi w0
qV qm v1' qVh qV
i
0 Q0 / P0
qk h2 h3 Qk qm qk
i Q0 / Pi
单位热负荷： 热负荷： 热力完善度： tc c t w tc
(Tk T0 )( s4 s1 ) 面积12345 0
制冷系数COP： R 对热泵，供热系数COP ： HP
Q0 T0 W0 Tk T0
Qk Tk W0 Tk T0
3
Q0 T0 R W0 Tk T0
可见，工质放热温度 Tk ，工质吸热温度 T0
18
（2）吸入压缩机的蒸汽并非绝热压缩。 蒸汽首先被汽缸壁加热，压缩后的蒸 汽温度高于汽缸壁，又通过缸壁放热，压 缩中蒸汽温度与缸壁温差较小，近乎绝热。
（3）流动阻力的存在
→压力下降，使2’3’线、4’1’成为斜线，并非完全定温过程。
压缩机进气阀、排气阀处气阀阻力的存在，导致压力下 降；蒸发器、冷凝器中流动阻力的存在，也导致压降，使2’3’ 线、4’1’线成为斜线，并非完全定温过程。
11
（3）工质过冷
• 由于蒸汽的存在会使制冷工质流过节流阀时流动不稳定、质 量流量减少，常在冷凝器中使制冷工质具有一定的过冷度。
• 节流前的制冷工质液体冷却到低于冷凝温度的称液体过冷， 该温差称为过冷度，有液体过冷的循环称过冷循环。
• 在耗功不变的情况下，过冷可增加制冷量，使制冷系数增加。
chapter 3 The Essense of Thermodynamics
lg p
3 2s 2
4
1 1'
0
h
循环特性： 压力比：＝pk /p0 单位质量制冷量： q0 h1 h4 单位容积制冷量： qv q0 / v1' 理论比功： 指示比动： 制冷系数： 实际制冷系数： w0 h2 s h1' wi w0 i
制冷机特性参数：
2 理论输气量： q Vh = D SnZ 4 实际输气量： qVs qVh
（1）应尽可能降低高温热源处的放热温度 Tk ，但通常向环
境放热，应使之接近环境温度 Tr1 最经济。
（2）在满足制冷能力的前提下，就尽可能提高低温热源处 的吸热的温度 T0 ，使之接近环境温度 Tr 2 。
Tr 2 一定）时，逆卡诺 （3）在恒定的高、低温热源内（ Tr1 、
循环的制冷系数最高。
chapter 3 The Essense of Thermodynamics
1 4
• 实际制冷循环都是不可逆的，其性能系数COP恒小于相同 条件下的可逆机的性能系数COPc。 • 用制冷循环的热力完善度η来评价实际制冷循环与可逆循环
的接近程度。
c
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0 1
η越大，循环越好，热力学的不可逆损失越小。
0 Q0 / P0
qk h2 h3 Qk qm qk
0 / c
例3－2 :某空调用制冷系统，制冷工质为R22，所需制冷量Q0 为50kW，空调用冷水温度tc＝10℃，冷却水温度tw=32℃， 蒸发器端部传热温差取△t0＝5℃，冷凝器端部传热温差 取△tk＝8℃，试进行循环的热力计算。计算中取液体过 冷度△tg＝5℃，吸气管路有害过热度△tr＝5℃，压缩机 的输气系数λ＝0.8，指示效率ηi＝0.8。
1-2 可逆绝热 (定熵)压缩，耗功； Reversible adiabatic compress
2-3 可逆定温放热
Tk Tr1
；
Reversible constant-temperature, heat rejection 3-4 可逆绝热 (定熵)膨胀，对外作功；
Reversible adiabatic expansion
第三章 制冷的热力学基本原理
第三章 制冷的热力学基本原理
第一节 制冷系统的经济性指标
从热力学角度，制冷系统是利用逆向循环的能量转换系统。 按能量补偿方式，各种制冷方法主要归为两大类： （1）以机械能或电能为补偿
如：蒸汽压缩制冷，气体膨胀制冷，热电制冷，电化学制冷
（2）以热能为补偿
如：吸收式制冷，蒸汽喷射式制冷，固体吸附式制冷
P0 qm w0
i / c
3
2s
2ห้องสมุดไป่ตู้
1 4 1'
0
h
例3－3:某单位现有一台106F型制冷压缩机，欲用来配一座小 型冷库，库温要求为tc＝－10℃，水冷冷凝器的冷却水温 tw=30℃，试对循环进行热力计算。已知压缩机参数：缸 径D＝100mm，行程S＝70mm，气缸数Z＝6，转速n＝ 1440r/min，蒸发器传热温差取△t0＝10℃，冷凝器传热 温差取△tk＝5℃，制冷工质为R22，蒸发器出口的过热度 为5℃，管路过热为5℃，液体过冷温度为32℃，压缩机的 输气系数λ＝0.6，指示效率ηi＝0.65，机械效率ηm＝ 0.9。
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三、单级蒸汽压缩制冷循环热力计算
0 t 10 C 例3-1：制冷工质为R22， 0 tk 35 0C
Q0 55kW
试对该理论循环进行热力计算。 解： 基本思路为： 首先由tk得到：Pk、h3、h4 由t0得到：P0、h1、v1 由pk、p0得到：h2
单位质量制冷量： q0 h1 h4 单位容积制冷量： qv q0 / v1 质量流量： 理论比功： 理论功率： 容积流量： 制冷系数： 单位热负荷： 热负荷： 热力完善度： qm Q0 / q0 w0 h2 h1 P0 qm w0 qV qm v1
2
单位放热量 heat rejection
q k Tk ( s4 s1 ) 面积23s4 s1 2 0
单位制冷量（单位吸热量）heat absorption ：
q 0 T0 ( s1 s4 ) 面积41s1s4 4 0
单位功耗：
w0 δq qk q0
（2）采用汽液分离器或过热蒸汽
• 为防止压缩机液击，进入压缩机中的工质 至少应为干饱和蒸汽，这样，压缩机虽多消耗一些功、工质平均放热温 度升高，但压缩机工作稳定、效率高、且制冷量也有所增加。 • 为保证进入压缩机的工质至少为干饱和蒸汽，应采用汽液分离器或采用 有一定过热度的过热蒸汽。 • 过热：有效过热—由蒸发器完成 有害过热—由外环境完成 有害过热主要是蒸发器至压缩机管道受热，使制冷量不变，但 压缩机耗功增加，最终使制冷系数降低。 所以，要求 对蒸发器至压缩机的管道保温。
系统，制冷量5kW, 蒸发温度为5℃，冷凝温 度为60℃，过热度10 ℃，过冷度5 ℃，压气
机指示效率0.91，(或已知压缩机排气温度85
℃ )，设该压缩机为开启式的，压缩机的机 械效率取为0.90，容积效率为0.8。试进行该
循环的热力计算。
补充概念：
chapter 3 The Essense of Thermodynamics
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第二节 蒸汽压缩制冷循环的热力学分析
一、逆卡诺循环
The reversed Carnot Cycle
4-1 可逆定温吸热
T0 Tr2
。
Reversible constant-temperature , heat absorption
R22压焓图
R134a压焓图
3. 压-焓图 （ ln p-h图 ）
4-1 可逆定温吸热 吸热量即制冷量 1-2 可逆绝热压缩
q0 h1 h4
w0 ( ws )c h2 h1
2-3 可逆定温放热
3-4 绝热节流
qk h3 h2
h3 h4
q2 h1 h4 制冷系数 w0 h2 h1
12
3. 压-焓图 （ ln p-h图 ）
压焓图（一点两线三区五态六参数）
等压线 — 水平线
等焓线 — 垂直线 等干度线 — 湿蒸气区域内曲线 等熵线 — 向右上方大斜率曲线 等容线 — 向右上方小斜率曲线 等温线 — 垂直线（液相区）→水平线（两相区） →向右下方弯曲（过热蒸气区）
R717压焓图
制冷剂质量流量： qm qVs / v1' 制冷量： 理论功率： 指示功率： 轴功率： Q 0 qm q0 P0 qm w0 Pi qm wi Pe Pi / m
0 q0 / w0 i q0 / wi
h2s -h1' 冷凝器热负荷： h2 =h1'+ i Q k =q m(h2 -h3 )
4
二、蒸气压缩制冷循环 vapor-compression refrigeration cycle
温熵图
一点：临界点 三区：气相区、液相区、 湿蒸气区 五态：过冷液体、饱和液体、
饱和蒸气、过热蒸气、
湿蒸气
八线：等压线、等焓线、等温线、
等熵线、饱和蒸气线、饱和液体线、
二、蒸气压缩制冷循环 vapor-compression refrigeration cycle 1. 湿蒸汽区逆卡诺循环的理论实现
制冷系统的经济性指标 以机械能或电能驱动的制冷机，引入制冷系数 以热能驱动方式的制冷机，引入热力系数 国外习惯上将制冷系数和热力系数统称为制冷机的性能系数 COP ( Coefficient of performance )
• 以机械能或电能驱动的制冷机，其制冷系数
Q0 W0
对开启式 ， 轴功率
补充概念：
压缩机的指示功Ni :直接用于气体压缩消耗的功，
可用仪器测得的压缩机示功图计算得到。
lg p
3 2s 2
压缩机的理论功N : 按等熵压缩过程消耗的功。
N 理论功（率） 压缩机的指示效率ηi ：i N i 指示功（率）
0
1 4 1'
h
补充概念：
• 轴功率 Shaft Power ，N b ： 压缩机的传动机构存在各种机械摩擦损失，如轴承、连 杆、活塞环等各摩擦件所消耗的功率、曲轴驱动油泵工作也需 要消耗功率，这些耗功率损失可用机械效率 m 来表示，相应 的功率为压缩机的轴功率。
Nb
m
Ni
N
i m
kW
指示效率 i 和机械效率 m 的乘积通常称为压缩机的总效率， 它能反映压缩机在某工况下运行时的各种损失。
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单位质量制冷量： q0 h1 h4 单位容积制冷量： qv q0 / v1' 质量流量： 理论比功： 指示比动： h2 h1' wi 理论功率：
三、单级蒸汽压缩制冷循环热力计算 1. 一台以R134a 为工质的单级蒸汽压缩制冷 系统，蒸发温度为-20℃，冷凝温度为40℃，
过热度10 ℃，过冷度5 ℃，试进行理论循环
的热力计算。
chapter 3 The Essense of Thermodynamics
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2. 一台以R134a 为工质的单级蒸汽压缩制冷
制冷量 对封闭式 ， 电功率
1
制冷量
• 以热能驱动方式的制冷机，其热力系数
Q0 Qg
------ 驱动热源向制冷机输入的热量
以热能驱动方式的制冷机，从驱动热源吸收热量，完成 从低温热源吸热、向高温热源放热的能量转换，从而达到制 冷目的。 可分析得到，热能驱动的可逆制冷剂的热力系数也只与 驱动热源温度、高温热源温度、低温热源温度有关，而与工 质的性质无关。驱动热源的品位越高，高低温热源温度越接 近，则热力系数越大。
• 由于蒸发、冷凝过程是等温等压的吸热、放热过程，
从理论上讲，在湿蒸气区，蒸汽压缩制冷循环完全可 以实现逆卡诺循环，以获得最大的制冷系数。 • 一般工质的汽化潜热比较大，利用工质相变可获得 相当大的单位制冷量，使制冷能力较大。
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2.实际循环 （1）以节流阀取代膨胀机
虽损失了一些功（膨胀机作功） 和制冷量，但设备简单可靠， 且用节流阀也便于调节。
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4. 真正的实际循环
由于传热温差、流动阻力存在，使 在相同的蒸发温度、冷凝温度范围内， 真正的实际循环与理想循环存在一些差 别。 （1）传热温差的存在
→使2’3’线高于23线，4’1’线低于41线。
冷却水或冷却空气的温度低于冷凝温度Tk，且是变化 （入口温度低、出口温度高）；载冷剂或冷库的温度高于蒸 发温度，载冷剂或冷库的温度也是变化的（入口温度高、出 口温度低）。
lg p
指示功率： 容积流量： 理论容积流量： 制冷系数：
Pi
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qm Q0 / q0 w0 h2 s h1' wi w0
qV qm v1' qVh qV
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0 Q0 / P0
qk h2 h3 Qk qm qk
i Q0 / Pi
单位热负荷： 热负荷： 热力完善度： tc c t w tc
(Tk T0 )( s4 s1 ) 面积12345 0
制冷系数COP： R 对热泵，供热系数COP ： HP
Q0 T0 W0 Tk T0
Qk Tk W0 Tk T0
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Q0 T0 R W0 Tk T0
可见，工质放热温度 Tk ，工质吸热温度 T0
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（2）吸入压缩机的蒸汽并非绝热压缩。 蒸汽首先被汽缸壁加热，压缩后的蒸 汽温度高于汽缸壁，又通过缸壁放热，压 缩中蒸汽温度与缸壁温差较小，近乎绝热。
（3）流动阻力的存在
→压力下降，使2’3’线、4’1’成为斜线，并非完全定温过程。
压缩机进气阀、排气阀处气阀阻力的存在，导致压力下 降；蒸发器、冷凝器中流动阻力的存在，也导致压降，使2’3’ 线、4’1’线成为斜线，并非完全定温过程。
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（3）工质过冷
• 由于蒸汽的存在会使制冷工质流过节流阀时流动不稳定、质 量流量减少，常在冷凝器中使制冷工质具有一定的过冷度。
• 节流前的制冷工质液体冷却到低于冷凝温度的称液体过冷， 该温差称为过冷度，有液体过冷的循环称过冷循环。
• 在耗功不变的情况下，过冷可增加制冷量，使制冷系数增加。
chapter 3 The Essense of Thermodynamics
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1 1'
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循环特性： 压力比：＝pk /p0 单位质量制冷量： q0 h1 h4 单位容积制冷量： qv q0 / v1' 理论比功： 指示比动： 制冷系数： 实际制冷系数： w0 h2 s h1' wi w0 i
制冷机特性参数：
2 理论输气量： q Vh = D SnZ 4 实际输气量： qVs qVh