1、制冷循環原理3.1蒸氣壓縮式制冷原理如果制冷工質的狀態變化跨越液、氣兩態，則制冷循環稱為蒸氣壓縮制冷循環。蒸氣壓縮制冷裝置是目前使用最廣泛的一種制冷裝置，絕大多數家用冰箱、空調機、冷柜等都是采用蒸氣壓縮式制冷。單級蒸氣壓縮制冷循環分析家用冰箱、空調機、冷柜等制冷裝置的功能、結構形式、整體布局雖然不同，其主要部件都包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥（或稱節流閥）和蒸發器四部分。通過簡化如圖 3-1 所示。圖 3-1 是蒸氣壓縮制冷裝置制冷循環示意圖。其工作循環如下：經過膨脹閥（毛細管）絕熱節流，降壓降溫至狀態 4 的濕蒸氣進入蒸發器（冷庫），進行定壓蒸發吸熱，離開蒸發器時已成為干飽和蒸氣；從蒸發器出來的

2、狀態1 的干飽和蒸氣被吸入壓縮機進行壓縮，升壓、升溫至過熱蒸氣狀態 2；進入冷凝器，進行定壓放熱，凝結為液體 3；從冷凝器出來的液體經過膨脹閥（毛細管）節流降壓至濕蒸氣狀態 4 進入蒸發器（冷庫），從而完成了一個循環 4-1-2-3-4。蒸氣壓縮式制冷循環可概括為四個過程。蒸發過程 4-1 低溫低壓的液體制冷劑從冷庫中以汽化潛熱方式吸收被冷卻物熱量后，變成低溫低壓的制冷劑蒸氣。壓縮過程 1-2 為了維持一定的蒸發溫度，制冷劑蒸氣必須不斷地從蒸發器引出，從蒸發器出來的制冷劑蒸氣被壓縮機吸入并被壓縮成高壓氣體，且由于在壓縮過程中，壓縮機要消耗一定的機械功，機械能又在此過程中轉換為熱能，所以制冷劑蒸

3、氣的溫度有所升高，制冷劑蒸氣呈過熱狀態。冷凝過程 2-3 從制冷壓縮機排出的高溫高壓過熱的制冷劑蒸氣，進入冷凝器后受到冷卻物（如冷卻水、空氣等）的冷卻而變為液體。節流過程 3-4 從冷凝器出來的制冷劑液體經過降壓設備（如節流閥、膨脹閥等）減壓到蒸發壓力。節流后的制冷劑溫度也下降到蒸發溫度，并產生部分閃蒸氣體。節流后的氣液混合物進入蒸發器進行蒸發過程。上述四個過程依次不斷進行循環，從而達到連續制冷的目的。單級壓縮式制冷循環在壓 -焓圖上的表示單級壓縮式制冷循環主要由壓縮機、冷凝器、節流裝置和蒸發器四大件所組成，這四大件由管道連接起來，便構成了一個最簡單的制冷系統（如圖3-1所示）。單級蒸氣壓縮式

4、制冷理論循環的假設條件是：壓縮過程 1-2 是絕熱壓縮過程，前后熵值不變；不考慮制冷劑在流動時摩擦、阻力等損失，即制冷劑在流經冷凝器、蒸發器及連接管道中的壓力保持不變，冷凝壓力pk 保持不變；蒸發壓力 p0 不變；節流過程為絕熱過程，液態制冷劑的節流前后焓值不變；該制冷系統運行狀態則可在壓一焓圖上繪制和表示出來，如圖3-2 所示。其中各點表示的位置是：0 點蒸發器出口；1 點壓縮機吸氣口；2 點壓縮機排氣口；5 點節流裝置入口；6 點蒸發器入口。圖中各線段的意義如下6-0 段：等溫等壓吸熱汽化過程（蒸發過程）。壓力 P0 為蒸發壓力，溫度 t0 為蒸發溫度。 6-0 區間， P0 與 t0 相

5、對應。兩點間焓值之差就是單位工質的制冷量。0-1 段：壓力不變情況下的吸氣過熱過程。在蒸發器出口段至壓縮機入口段間的管道由于吸收外界環境的熱量，溫度升高，而壓力不變。1-2 段：等熵壓縮過程。在壓縮過程中，氣體的溫度、壓力及焓值升高，比體積減小，熵值不變。 h：-九，就是壓縮機械功。2-3 段：等壓放熱過程。高壓（冷凝壓力）條件下，制冷劑氣體放出顯熱，由排氣溫度t2：降至冷凝溫度 tk。溫度下降，狀態授變，仍為氣體。3-4 段：凝結過程。在冷凝壓力 pk 下，制冷劑放出潛熱而由氣態液化為液態，但溫度沒變，仍是冷凝溫度tk。4-5 段：過冷過程。在冷凝壓力 pk 下，制冷劑液體繼續散熱，即向外放

6、出顯熱。5-6 段：等焓節流過程。制冷劑通過節流裝置，由高壓 pk 降到低壓 P0，溫度由過冷溫度 t5 降至蒸發溫度 t0；狀態由過冷液體變為氣液共存狀態。h0、h3 分別是壓力 p0、pk 下干飽和蒸氣的焓， h4 是壓力 pk 下飽和液體的焓，皆可由飽和蒸氣表查得， h2 可根據 pk 和 (S2=S1)由過熱蒸氣表確定， h5、 h1 分別根據過冷度和過熱度確定。蒸氣壓縮制冷循環0-1-2-3-4-5-6-0 在壓焓圖中的表示如圖 3-2 所示。因為蒸氣壓縮制冷循環的吸熱量、放熱量以及所需功量皆可用工質在各狀態點的焓差來表示。所以制冷量、冷凝放熱量以及壓縮所需的功都可以用圖中線段的長度

7、表示。單級蒸氣壓縮式制冷理論循環的熱力計算單級蒸氣壓縮式制冷理論循環在壓焓圖上表示如圖 3-2 所示。在壓焓圖上表示單級蒸氣壓縮式制冷循環的熱力參數有：單位質量制冷量（簡稱單位制冷量）lkg 制冷劑在蒸發器內所吸收的熱量稱為單位制冷量，用符號q0 表示，單位 kJ/kg。在壓焓圖 3-2 中，可用點 6 和點 0 兩點的焓差值表示，即q0 =h0 -h6 =h0 h5 (kJ/kg)(3-1)單位壓縮功壓縮機絕熱壓縮 lkg 制冷劑所消耗的功稱為單位壓縮功，用符號 w0 表示，單位 kJ/kg。在圖中用點 2 和點 1 兩點的焓差表示，即w0 =h2 h1(kJ/kg)(3-2)單位冷凝熱負荷

8、lkg 制冷劑在冷凝器中放出的熱量稱為單位冷凝熱負荷，用符號k 表示，單位是，在圖中，可用點2和點5的焓差表示，即qkJ/kgqk =h2 h5 (kJ/kg)(3-3)單位容積制冷量 l m3 制冷劑在蒸發器所吸收的熱量稱單位容積制冷量，用符號 qv 表示，單位是 kJ/m3。它可以很方便地從 q0 換算出來，即qv= q0 /V 1 一（ h0 h5)/Vl(kJ/ m3 )(3-4)式中 v1吸氣狀態時制冷劑蒸氣的比體積，m3 /kg。循環的制冷系數= q /( q -q ) =h -h/(h-h )-(h-h ) = (h -h )/(h -h )(3-5)01 2（ 06）25160

9、621【例題3-1】某壓縮制冷設備用氨作制冷劑。已知氨的蒸發溫度為 -10，冷凝溫度為38，壓縮機入口是干飽和氨蒸氣，要求制冷量為l00kW ，試計算制冷劑流量、壓縮機消耗的功率和制冷系數。解 根據題意 t1=-10， t3=38。由氨的 lgp-h 圖（見附錄圖 2）查出各狀態點的參數為h1 =1430kJ/kgp1 =0. 29MPah2=1670kJ/kgp2 =1. 5MPah4 =h3 =350kJ/kg制冷劑流量q0 =h1 -h4 =(1430-350)kJ/kg=1080kJ/kg氨的質量流量為 m=100/1080=0. 0926kg/s壓縮機消耗的功率w0 =h2 -hl

10、=1670-1430=240kJ/kgP=mw0 =0. 0926×240=22. 22kW制冷系數= q0/ w0=1028/240=4.5單級蒸氣壓縮式制冷實際循環實際壓縮過程與理論循環過程存在很大區別，主要表現在以下幾方面：壓縮過程不是等熵過程；實際節流過程中由于與外界有熱交換，所以不是絕熱節流，而節流后焓值是增大的；制冷劑在蒸發器與冷凝器內傳熱過程，由于壓力變化，制冷劑的溫度是漸變的；制冷劑流經閥門、管道和設備時因有阻力存在，為使循環得以實現，故使壓縮機的排氣壓力增高，而吸氣壓力降低；在吸氣過程中由于有熱交換，肯定有一定的有害過熱。由于實際壓縮循環與理論壓縮循環存在著多方面差

11、別，所以單級壓縮制冷機的實際循環的單位壓縮功增大，單位制冷量減少，制冷系數低于理論循環。由于實際過程比較復雜，存在機械摩擦、阻力及熱交換等，很難將實際循環過程表示在 lgp-h 圖上。在工程計算時，通常是先按理論循環計算，然后用各種系數進行修正。蒸氣壓縮式熱泵循環熱泵裝置與制冷裝置的工作原理沒有什么差別，只是二者的工作目的不同，制冷裝置是為了制冷，而熱泵裝置則是為了供熱。如果將圖 3-3 中的冷凝器放在室內，則當上述裝置工作時，就可以從低溫環境中吸取熱量并釋放到室內來，用于取暖。原則上，可以使一套設備具備制冷和供熱兩種功能。如圖3-3 所示，如果用一只四通換向閥A 來控制改變制冷工質在裝置中的

12、流向，就可以達到夏季對室內制冷、冬季對室內供熱的目的。有些國家（如美國和加拿大）早已將這種采暖與制冷兼用裝置用于火車車廂和遠洋客貨輪的空調，以適應長途旅行運輸時各地區氣候上的變化。熱泵的經濟性指標是供熱系數，它等于制冷劑在冷凝器中放出的熱量q1與壓縮機消耗的功w 之比，即 1=q/w。由于 q1=w+q2，所以熱泵的供熱系數恒大于 1，它優于其他供暖裝置（如電加熱器等）之處，就在于消耗同樣多的機械功對室內供暖，可比用其他方法得到更多的熱量，即除了由機械功所轉換的熱量外，還包括制冷劑在蒸發器中所吸收的熱量。熱泵裝置還可以將大量較低品位（即較低溫度）的熱能提升為較高品位（即較高溫度）的熱能，以滿足

13、生產上的需要。另外，采用熱泵供熱取代鍋爐供熱還有利于保護環境不受污染。但是，熱泵的使用受到其他條件的限制，例如，我國東北地區冬季室外溫度在 -20-30或更低，用熱泵供熱就很不經濟，并且由于室內外溫差太大，熱泵的供熱系數將很低，不利于節能；又例如對工業欠發達的國家或地區，熱泵裝置的造價往往比其他采暖設備高出很多，這也影響了熱泵的使用與推廣。3.2 雙級蒸氣壓縮式制冷循環雙級蒸氣壓縮式制冷理論循環單級制冷壓縮機若要制取較低溫度時，蒸發溫度就很低，相應的蒸發壓力就很低，造成制冷機的壓縮比（冷凝壓力與蒸發壓力之間絕對壓力的比值）顯著增大。當壓力比增大到一定程度時，單機制冷壓縮機就不能正常工作。這是因

14、為：壓縮比增大，壓縮機的輸氣量減少，使制冷量下降，壓縮比增大，使壓縮機的排氣溫度升高，汽缸壁溫度上升，影響潤滑條件，甚至會出現潤滑油的碳化等不正常現象；壓縮比增大，液態制冷劑節流所引起的損失增大，即節流后產生的閃蒸氣體增多，使制冷系數降低。因此，當需制取 -25以下低溫時一般采用雙級壓縮。兩級壓縮制冷的壓縮過程分兩個階段進行：來自蒸發器的制冷劑蒸氣先在低壓壓縮機中壓縮到中間壓力；經過中間冷卻，然后再進入高壓壓縮機壓縮到冷凝壓力。兩級壓縮制冷循環，由于節流級數以及液體和蒸氣冷卻方式的不同，因而有不同的循環形式。例如，有兩級節流和一級節流循環，中間完全冷卻和中間不完全冷卻循環等。實際應用的大都是一

15、級節流循環。兩級壓縮制冷都采用中間冷卻。經過中間冷卻后，高壓級的排氣溫度就不致過高。兩級壓縮制冷機的中間冷卻方式是隨制冷劑的種類不同而有所不同。對于氨，通常是讓低壓級的排氣冷卻到中間壓力下的飽和溫度，稱為中間完全冷卻；對于氟里昂，則是讓低壓級的排氣與中間冷卻器中蒸發的蒸氣相匯合，稱為中間不完全冷卻。兩級壓縮氨制冷循環與系統組成兩級氨壓縮制冷機中，大多數是應用一級節流中間完全冷卻循環。該循環的系統如圖 3-4 所示。來自蒸發器 E 的低壓氨蒸氣，首先在低壓壓縮機 A 中被壓縮到中間壓力pz，排入到中間冷卻器 F 中，被其中的氨冷卻到中間壓力下的飽和溫度 tz，再進入高壓壓縮機 B 中繼續被壓縮到

16、冷凝壓力pk，然后進入冷凝器中被冷凝成液體。由冷凝器 C 引出的氨液，經過再冷卻器D 進一步降低溫度，然后分成兩路：一路經節流閥 G 降壓到中間壓力 pz，進入中間冷卻器F 中，利用它的蒸發來冷卻低壓壓縮機的排氣和盤管內的高壓氨液，中間冷卻器中蒸發出來的氨蒸氣（中間壓力pz 下的飽和蒸氣），隨同低壓壓縮機的排氣（降溫到中間壓力下的飽和溫度）一起進入高壓壓縮機中被壓縮，另一路氨液在中間冷卻器 F 的盤管內被冷卻后流經節流閥 H 節流到蒸發壓力 P0，再進入蒸發器 E 中進行蒸發制冷。進入蒸發器的這一部分氨液，在節流以前，首先進入中間冷卻器冷卻，這樣可以減少節流損失，從而使單位制冷量增大。如果高壓氨液不需要在盤管內冷卻，可讓高壓氨液經旁通閥I 流過，直接經節流閥H 進入蒸發器。圖 3-5 為該循環的 p-h 圖。圖中 1-2 為氨蒸氣在低壓壓縮機中的壓縮過程；2-3 為低壓壓縮機的排氣在中間冷卻器中的冷卻過程，3-6 為制冷劑蒸氣在高壓壓縮機中的壓縮過程； 6-7-8 為氨蒸氣在冷凝器中的冷卻和冷凝過程，8-9 為氨液的過冷過程。以后氨液分為兩路：9-10 為氨液進人中間冷卻器的路，在節流閥 G 中的節流過程， 10-3 為進入中間冷卻器的氨液，在其中的蒸發吸熱過程；9-4 為另路進入蒸發器的氨液，在中間冷卻器盤管內的冷卻過程，4-5 為這部分氨液在節流閥 H 中的節流過程， 5-1