《建筑冷熱源》全冊配套最完整精品課件1冷熱源工程建環教研室第1章制冷的基本知識本章主要內容1.1概述1.2理想制冷循環1.3蒸氣壓縮式制冷的理論循環1.4蒸氣壓縮式制冷的實際循環1.1概述本節主要內容一.制冷的定義及研究內容二.制冷技術的應用三.制冷技術的發展歷程及研究方向四.常用的制冷方法1.1概述思考：為什么強調用“人工”的方法？天然冷源受地理、氣候等條件的限制而不可多得。A.受到地區條件的限制，不是處處都有；如冰（≤0℃）；地下水的水溫：東北地區4～14℃

西北地區18～20℃

華北地區15～19℃

華東地區19～20℃1.1概述B.溫度不能太低，遠遠不能滿足工農業生產、科學技術發展及人們生活水平提高對冷的要求。C.大量使用地下水會使地面下沉。D.大型系統使用天然冷源時，因其他方面的損失，不一定是經濟的。1.1概述研究內容：可以概括為以下四個方面：

(1)研究獲得低于環境溫度的方法、機理以及與此對應的循環，并對循環進行熱力學的分析和計算。

(2)研究循環中使用的工質的性質，從而為制冷機提供合適的工作介質。因工質在循環中發生狀態變化，所以工質的熱物理性質是進行循環分析和計算的基礎數據。此外，為了使這些工質能實際應用，還必須掌握它們的一般物理化學基礎。

(3)研究氣體液化和分離技術。例如液化氧、氮、氫、氦等氣體，將空氣或天然氣液化、分離，均涉及一系列的制冷或低溫技術。

(4)研究所需的各種機械和設備，包括它們的工作原理、性能分析、結構設計。此外還有熱絕緣問題，裝置的自動化問題，等等。1.1概述上述前三個方面構成制冷或低溫技術原理的基本研究內容，第四方面涉及具體的設備和裝置。1.1概述三、制冷技術的發展歷程及研究方向

人們很早就懂得冷的利用。在我國古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑降溫。馬可·波羅在他的著作《馬可·波羅游記》中，對中國制冷和造冰窖的方法有詳細的記述。

1755年愛丁堡的化學教師庫侖利用乙醚蒸發使水結冰。他的學生布拉克從本質上解釋了融化和氣化現象，提出了潛熱的概念，并發明了冰量熱器，標志著現代制冷技術的開始。在普冷方面，1834年發明家波爾金斯造出了第一臺以乙醚為工質的蒸氣壓縮式制冷機，并正式申請了英國第6662號專利。這是后來所有蒸氣壓縮式制冷機的雛型，但使用的工質是乙醚，容易燃燒。1.1概述

1875年卡列和林德用氨作制冷劑，從此蒸氣壓縮式制冷機開始占有統治地位。在此期間，空氣絕熱膨脹會顯著降低空氣溫度的現象開始用于制冷。1844年，醫生高里用封閉循環的空氣制冷機為患者建立了一座空調站，空氣制冷機使他一舉成名。威廉·西門斯在空氣制冷機中引入了回熱器，提高了制冷機的性能。1859年，卡列發明了氨水吸收式制冷系統，申請了原理專利。1910年左右，馬利斯·萊蘭克發明了蒸氣噴射式制冷系統。

20世紀，制冷技術有了更大發展。全封閉制冷壓縮機的研制成功；米里杰發現氟里昂制冷劑并用于蒸氣壓縮式制冷循環，以及混合制冷劑的應用；伯寧頓發明回熱式除濕器循環以及熱泵的出現，均推動了制冷技術的發展。1.1概述協會：1888英國冷庫和冰協會

1903、1904美國制冷設備制造協會和美國制冷工程師協會

1908國際制冷學會（法）

1978中國加入1.1概述制冷技術研究的方向：

近期制冷技術的發展主要緣于世界范圍內對食品、舒適和健康方面，以及在空間技術、國防建設和科學實驗方面的需要，從而使這門技術在20世紀的后半期得到飛速發展。受微電子、計算機、新型原材料和其它相關工業領域的技術進步的滲透和促進，制冷技術取得了一些突破性的進展，同時也面臨一場新的挑戰。

(1)微電子和計算機技術的應用在基礎研究方面：計算機仿真制冷循環始于1960年。如今，普冷和低溫領域中的各種循環，如：吸收式制冷循環、熱電制冷循環；1.1概述利用聲制冷、光制冷、化學方法制冷的各種循環；以及各種新型的混合型循環。研究制冷系統的熱物理過程、系統及部件的穩態和瞬態特性以及單一工質和混合工質的性質等等，也離不開微電子和計算機技術的應用。

在制冷產品的設計制造方面：計算機現已廣泛用于產品的輔助設計和制造(CAD，CAM)。例如結構零件設計的有限元法和有限差分法以及用計算機控制精密機械加工。計算機和微處理器對制冷技術的最大影響在于高級自動控制系統的開發。這是一項綜合性技術，涉及到先進的控制方法、可靠的集成塊芯片及專門的控制模塊、精良的傳感器。當前制冷系統采用電腦控制已極為普遍，控制模式正在發生變化，由簡單的機械式控制發展到綜合控制，為提高產品性能作出貢獻。1.1概述(2)新材料在制冷產品上的使用

陶瓷及陶瓷復合物(如熔融石英、穩定氧化鋯、硼化鈦、氧化硅等)具有一系列優良性質：比鋼輕、強度和韌性好、耐磨、導熱系數小、表面光潔度高。將陶瓷用燒結法滲入溶膠體制成零件或用作零件的表面涂釉，可改善零件的性能。聚合材料(工程塑料、合成橡膠和復合材料等)用于制冷產品中作為電絕緣材料、減振件和軟管材料；利用聚合材料的熱塑性，以新工藝通過熱定型的方法制造壓縮機中的復雜零件(轉子、閥片等)。這些新材料的應用，帶來產品性能、壽命的提高和成本的降低。1.1概述

(3)機器、設備的開發研究為滿足各種用冷的需要，新產品不斷推出，商品化程度不斷提高。壓縮機以高效、可靠、低振動、低噪聲、結構簡單、成本低為追求目標，由往復式向回轉式發展。如新型螺桿式壓縮機、渦旋式壓縮機、擺線式壓縮機等，都具有優良特性和競爭力。在壓縮機的驅動裝置上，將變頻器用于空調、熱泵及集中式制冷系統的變速驅動，帶來了節能效果。1.1概述(4)工質的開發研究

繼氟里昂和共沸混合工質之后，由于1970年石油危機，節能意識提到重要地位，在開發新工質上引人注目地研究出一系列非共沸工質，收到了節能的效果和滿足一些特定需要。由于臭氧耗損和溫室效應引起了嚴峻的環境保護問題，導致了80年代末開始全球禁止CFCs物質，進而波及到HCFC類物質，這既是一次歷史性的沖擊，同時又提供了新的發展機遇。近年來在替代工質開發及其熱物理性質研究方面取得的成就即是證明。1.1概述1.1概述1.1概述溫差電制冷（半導體制冷）

1834年，法國科學家珀爾帖發現：兩種不同金屬組成的閉合電路中接上一個直流電源，則一個接點變冷（吸熱），另一個接點變熱（放熱），這種現象稱為珀爾帖效應。這是溫差電制冷的理論基礎

1.1概述1.1概述制冷技術第二章蒸氣壓縮式制冷的熱力學原理蒸氣壓縮式制冷的熱力學原理1.理想制冷循環2.理論制冷循環3.制冷循環熱力計算1.理想制冷循環1.0常用術語1.1熱力學基本定律1.2制冷循環的熱力學分析1.3理想制冷循環無溫差傳熱的逆向可逆循環

——逆卡諾循環1.4具有傳熱溫差的逆向可逆循環1.5具有變溫熱源的理想制冷循環-洛倫茲循環1.6熱泵的作用1.0常用術語一.物質具有一定質量并占據空間的任何物體稱為物質。物質通常以固、液、氣三態存在。蒸氣壓縮式制冷機都依靠內部循環流動的工作物質來實現制冷過程。制冷機中的工作物質稱為制冷劑。制冷裝置中用來傳遞冷量的工作物質稱為載冷劑。

溫度是物體冷熱程度的量度。它是物質分子熱運動劇烈程度的標志尺度。

常用的溫度度量單位有攝氏溫標t和開氏溫標T(絕對溫標)。

T(k)=t(℃)+273.15圖2-1兩種常用溫標的比較

二.溫度物體在熱過程中所放出或吸收的能量稱為熱量。

生產中常用制冷能力來衡量設備產冷量大小。

制冷能力：制冷設備單位時間內從冷庫取走的熱量。商業上常用冷噸來表示。

1冷噸：1噸0℃飽和水在24小時內被冷凍到0℃的冰所需冷量。

三.熱量熱量單位換算：1大卡（kcal）=1000卡（cal）1焦(J)=0.2389卡（cal）≈0.24卡（cal）1英熱單位(Btu)=0.25大卡（kcal）（Britishthermalunit

）1英熱單位(Btu)=1.05千焦(kJ)1美國冷噸=3024kcal/h1日本冷噸=3320kcal/h

比熱是一個物性參數，意為單位度量的物質溫度變化1k時所吸進或放出的熱量。

體積比熱Cv(J/m3.k)

摩爾比熱Cp(J/mol.k)

四.比熱（specificheat）

不改變物質的形態而引起其溫度變化的熱量稱為顯熱。

不改變物質的溫度而引起其形態變化的熱量稱為潛熱。

制冷劑的汽化潛熱有何要求？五.顯熱和潛熱表1-1幾種制冷物質的汽化潛熱

(kJ/kg)物質水氨R12R22氯甲烷二氧化硫R114R502汽化熱2256.81369167.5234.5427.1397.8137.96150.02圖2-2絕對壓力、表壓力和真空度的關系

六.壓力垂直作用在單位面積上的力稱為壓力p(壓強)。p是確定物質狀態的基本參數之一。1bar=105pa

飽和壓力ps與飽和溫度ts的對應關系。

比容：每千克物質所占有的容積。v是基本狀態參數。

.v=1

七.比容v和密度

表示材料傳導熱量的能力，是一個物性參數。數值上等于：1m厚的材料兩邊溫差1k時在1小時內通過1m2表面積所傳導的熱量。單位：w/m.k

常用保溫材料的

值？八.導熱系數

物質的熱力狀態性質可以繪制成曲線圖的形式。制冷劑性質曲線圖有多種形式。行業中最常用的是lgp-h圖。

lgp-h圖的構成可以總結為一個臨界點、二條飽和線、三個狀態區、六組等值線。九.壓-焓圖(lgp-h)(a)壓-焓圖

(b)壓-焓圖上的主要曲線

圖2-3壓焓圖上的主要曲線

等壓線

—水平線等焓線

—垂直線等干度線x—濕蒸汽區域內等熵線

—向右上方傾斜等容線

—向右上方傾斜等溫線

—垂直線（未）→水平線（濕）→向右下方彎曲（過）

莫里爾圖由于制冷裝置中，制冷劑的實際壓力并不太高，lgp-h圖靠近臨界點的高壓部分和濕蒸汽區域的中間部分在熱力計算中很少用到，為了使圖面清晰簡捷，往往將這兩部分截去。

課后練習：lgp-h圖中狀態點參數的查取。圖2-4R22的lgp-h圖1.1熱力學基本定律熱力學第零定律:如果兩個熱力學系統中的每一個都與第三個熱力學系統處于熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處于熱平衡。熱力學第一定律：在任何發生能量傳遞和轉換的熱力過程中，傳遞和轉換前后的能量總量維持恒定。

1.1熱力學基本定律熱力學第二定律：能量貶值原理。熱不能自發地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體。熱力學第三定律：絕對溫度的零度是不可能達到。

1.2制冷循環的熱力學分析

熱力學循環

正向循環

熱能轉化為機械功逆向循環消耗功1.2制冷循環的熱力學分析正向循環是使高溫熱源的工質通過動力裝置對外做功，然后再流向低溫熱源，稱為動力循環，即把熱量轉化為機械功的循環。所有的熱力發動機都是按正向循環工作的，在溫-熵或壓-焓圖上，循環的各個過程都是依次按順時針方向變化的；1.2制冷循環的熱力學分析逆向循環，它是使工質(制冷劑)在吸收低溫熱源的熱量后通過制冷裝置，并以外功作補償，然后流向高溫熱源。逆向循環是一種消耗功的循環，制冷循環就是按逆向循環進行的，在溫-熵或壓-焓圖上，循環的各個過程都是依次按逆時針方向變化的。1.2制冷循環的熱力學分析逆向循環又可分為可逆和不可逆兩種。可逆循環是一種理想循環，它不考慮工質在流動和狀態變化過程中的各種損失。如果在工質循環過程中考慮了上述各種損失，即為不可逆循環。在制冷循環中，不可逆主要來自兩個方面：即制冷劑在流動和狀態變化時因內部摩擦、不平衡等引起的內部不可逆損失，以及冷凝器、蒸發器等換熱器存在傳熱溫差的外部不可逆損失。1.2制冷循環的熱力學分析1.3理想制冷循環——逆卡諾循環

1.3.1逆卡諾循環循環過程1-2等熵壓縮→

耗功w12-3等溫冷凝放熱qk=(sa-sb)3-4等熵膨脹→做功w24-1等溫蒸發吸熱q0=T0(sa-sb)兩個恒溫熱源兩個等溫過程兩個等熵過程1.3.2循環結果

從被冷卻介質吸熱q0（單位制冷量）；向冷卻介質放熱qk；循環凈耗功wc＝w－we＝qk－q0

1.3.3制冷系數制冷系數ε（COPcoefficientofperformence）表示它的循環經濟性能，制冷系數等于單位耗功量制得的冷量g與所消耗功的比值。逆卡諾循環制冷系數，僅與高、低溫熱源溫度有關，而與制冷劑的熱物理性質無關。

T0↗或Tk↘ε↗

1.3.4逆卡諾循環特點T0與Tk對制冷系數的影響是不等價的，To的影響大于Tk。同時，也意味著要實現溫度降低的制冷具有更高的難度。由于逆卡諾循環不考慮各種損失，而且壓縮機利用了膨脹機對外輸出的功。因此，在恒定的高、低溫熱源區間，逆卡諾循環的制冷系數最大，在該溫度區間進行的其它各種制冷循環的制冷系數均小于ε

，逆卡諾循環制冷系數可用來評價其它制冷循環的熱力完善度。1.3.4逆卡諾循環特點濕蒸汽區域內進行濕壓縮設備：蒸發器無傳熱溫差

冷凝器無傳熱溫差

壓縮機無摩擦運動

膨脹機不經濟，且難以加工1.4具有傳熱溫差的逆向可逆循環1.4具有傳熱溫差的逆向可逆循環Tk’—冷卻介質的溫度T0’—被冷卻介質的溫度逆卡諾循環：1’-2’-3’-4’-1’Tk—冷凝器中制冷劑的溫度T0—蒸發器中制冷劑的溫度有傳熱溫差的循環：1-2-3-4-1耗功量增加：陰影面積制冷量減少：1-1’-4’-4-11.4具有傳熱溫差的逆向可逆循環有傳熱溫差的制冷循環的制冷系數εc’小于逆卡諾循環的制冷系數εc

。蒸發器傳熱溫差對制冷系數的影響將大于冷凝器傳熱溫差1.4具有傳熱溫差的逆向可逆循環熱力完善度：工作于相同溫度間的實際制冷循環的制冷系數與逆卡諾循環制冷系數的比值。

η＝

εc’/εc

≤1η的大小反映了實際制冷循環接近逆卡諾循環的程度。

在制冷裝置的實際運行中，高溫熱源（冷卻介質）和低溫熱源(被冷卻介質）的溫度通常是不斷變化的。冷凝器中的冷卻水的溫度是逐步升高，而被冷卻介質的溫度是不斷降低的。由于制冷劑在冷凝器和蒸發器中保持等溫冷凝和蒸發，這樣就增大了制冷劑和介質之間的傳熱溫差，使循環不可逆損失增加，制冷系數和熱力完善度下降。為了減少不可逆傳熱引起的能量損失，制冷劑與冷卻和被冷卻介質之間必需保持最小的傳熱溫差，并且所有各點應保持定值。1.5具有變溫熱源的理想制冷循環-洛倫茲循環1.5具有變溫熱源的理想制冷循環-洛倫茲循環由兩個和熱源之間無溫差的熱交換過程以及兩個等熵過程所組成的逆向可逆循環，為洛倫茲循環，是消耗功最小的循環，即制冷系數最高的循環。前提：熱源溫度變化的條件下1.5具有變溫熱源的理想制冷循環-洛倫茲循環1.6熱泵的作用

逆向循環以耗功為補償，通過制冷劑的循環把從低溫熱源中吸收的熱量（制冷量）和耗功量一起在高溫熱源放出。因此，逆向循環可以用來制冷，也可用來供熱，或者冷、熱同時使用。用來制冷的逆向循環裝置，稱為制冷裝置，而用來供熱時則稱為熱泵裝置。在逆卡諾循環中，制冷劑在每次循環中向高溫熱源放出的熱量為qk’=qo’+wc則進行逆卡諾循環的熱泵供熱系數為：μc=（qo’+wc）/wc=1+εc=Tk’/（Tk’-To’）表示熱泵系數恒大于1，這說明熱泵裝置在高溫熱源的放熱量始終大于耗功量。1.6熱泵的作用1.6熱泵的作用熱泵供熱比直接用電供熱耗能省，它是一種節能的供熱方式。但熱泵是否比其它供熱方法（如燃料的直接燃燒、蒸氣供熱等）節能和經濟，還應根據提供熱泵的具體條件進行分析和比較。2.理論制冷循環2.1工作原理2.2理論循環在lgp-h圖上的表示2.3性能指標2.4液體過冷和吸氣過熱對制冷循環的影響2.1理論制冷循環的工作原理單級理論循環的假設基礎：(1)壓縮過程為等熵過程，即在壓縮過程中不存在任何不可逆損失；(2)在冷凝器和蒸發器中，制冷劑的冷凝溫度等于冷卻介質的溫度，蒸發溫度等于被冷卻介質的溫度，且冷凝溫度和蒸發溫度都是定值(3)離開蒸發器和進入壓縮機的制冷劑蒸氣為蒸發壓力下的飽和蒸氣，離開冷凝器和進入膨脹閥的液體為冷凝壓力下的飽和液體；(4)制冷劑在管道內流動時，沒有流動阻力損失，忽略動能變化，除了蒸發器和冷凝器內的管子外，制冷劑與管外介質之間沒有熱交換；（5）制冷劑在流過節流裝置時，流速變化很小，可以忽略不計，且與外界環境沒有熱交換。循環組成循環組成壓縮機：等熵壓縮；冷凝器：等壓放熱；節流閥：絕熱節流，等焓；蒸發器：等壓吸熱而制冷。

“四大件”作用壓縮機：“心臟”，壓縮和輸送制冷劑蒸汽；節流閥：節流降壓，并調節進入蒸發器的制冷劑流量；蒸發器：吸收熱量（輸出冷量）從而制冷；冷凝器：輸出熱量。

循環特點（對比逆卡諾循環）膨脹機膨脹閥低壓高干度濕蒸氣逆卡諾循環理論制冷循環高壓飽和蒸氣高壓飽和液體低壓低干度濕蒸氣高壓飽和液體過熱蒸氣低壓低干度濕蒸氣低壓干飽和蒸氣定溫放熱定溫吸熱定壓放熱定壓吸熱濕壓縮干壓縮循環特點（對比逆卡諾循環）制冷劑在冷凝器和蒸發器中按等壓過程循環，而且具有傳熱溫差；制冷劑用膨脹閥絕熱節流，而不是用膨脹機絕熱膨脹；壓縮機吸入飽和蒸氣（干壓縮）而不是濕蒸氣（濕壓縮）三種制冷循環在T-S圖上的表示理論循環制冷系數及其它參數的變化影響逆卡諾循環和具有傳熱溫差的逆向可逆循環制冷量、耗功量以及制冷系數的因素對理論制冷循環仍然有效，而且制冷劑在進行理論循環過程中又產生了一些影響上述參數的其它因素。1、膨脹閥代替膨脹機后的節流損失2、用干壓縮代替濕壓縮后的飽和損失2.2理論循環在lgp-h圖上的表示理論循環在T-s圖（a）和lnp-h圖（b）上的表示補充：熱力學第一定律的基本能量方程式1).閉口系統的能量平衡工質從外界吸熱Q后從狀態1變化到2，對外作功W。若工質宏觀動能和位能的變化忽略不計，則工質儲存能的增加即為熱力學能的增加ΔU熱力學第一定律的解析式加給工質的熱量一部分用于增加工質的熱力學能儲存于工質內部，余下一部分以作功的方式傳遞至外界

對微元過程，第一定律解析式的微分形式(A)

對于1kg工質A式對閉口系普遍適用。可逆過程

完成一循環后，工質恢復原來狀態

閉口系完成一循環后，循環中與外界交換的熱量等于與外界交換的凈功量。2).開口系統的能量平衡圖示開口系統，dτ時間內，質量的微元工質流入截面1-1，質量微元工質流出2-2，系統從外界得到熱量，對機器設備作功。圖2-5開口系統流動過程中的能量平衡過程完成后系統內工質質量增加dm,系統總能增加dECV，由系統能量平衡的基本表達式有：由E=me,V=mv,h=u+pv,得穩定流動

系統只有單股流體進出微量形式：當流入質量為m的流體時，穩定流動能量方程：能量方程式的應用工質流經壓縮機時，機器對工質做功wc,使工質升壓，工質對外放熱q每kg工質需作功：

壓縮機圖2-6壓縮機能量平衡膨脹機膨脹過程均采用絕熱過程。穩定流動能量平衡方程：圖2-7膨脹機能量平衡工質流經換熱器時和外界有熱量交換而無功的交換，動能差和位能差也可忽略不計。換熱器圖2-8換熱器能量平衡1kg的工質吸熱量：

工質流經噴管和擴壓管時不對設備作功，熱量交換可忽略不計。1kg工質動能的增加：

噴管圖2-9噴管能量轉換工質流過閥門時流動截面突然收縮，壓力下降，這種流動稱為節流。節流設流動絕熱，前后兩截面間的動能差和位能差忽略，因過程無對外做功，故節流前后的焓相等該式只對節流前后穩定段成立，而不適合節流過程段。

按照熱力學第一定律，對于在控制容積中進行的狀態變化存在如下關系：（2-1）

這里，把自外界傳入的功作為負值。對上式積分可以得到整個過程的表達式：（2-2）

按照式（2-1）和式（2-2），單級壓縮蒸氣制冷機循環的各個過程有如下關系：q0稱為單位制冷量，習慣上取為正值，在T-s圖上用面積1-4-b-a-1代表，而在lgp-h圖上則用線段4-1表示。

（1）壓縮過程:δq=0,因而

δw=dhw=h2-h1

（2-3）(2)冷凝過程：

dw=0δq=dhqk=h2-h3

（2-4）

（4）蒸發過程：dw=0因而

δq=dhq0=h1-h4=h1-h3

（2-6）

(3)節流過程：

w=0q=0Δh=0h3=h4（2-5）

2.3性能指標單位制冷量q0(1)單位制冷量壓縮蒸氣制冷循環單位制冷量可按式（2-6）計算。單位制冷量也可以表示成汽化潛熱r0和節流后的干度x4的關系：

(2-7)

由式（2-7）可知，制冷劑的汽化潛熱越大，或節流所形成的蒸氣越少（x4越小）則循環的單位制冷量就越大。（2-7）

2.3性能指標(2)單位容積制冷量qv(2-8)(3)理論比功w0(2-9)（2-8）

對于單級蒸氣壓縮制冷機的理論循環來說，制冷劑在節流過程中不作外功，理論比功等于循環的理論比功，可表示為：

單級壓縮蒸氣制冷機的理論比功也是隨制冷劑的種類和制冷機循環的工作溫度而變的。（3）理論比功（2-9）

(4)單位冷凝熱qk單位（1kg）制冷劑蒸氣在冷凝器中放出的熱量，稱為單位冷凝熱。單位冷凝熱包括顯熱和潛熱兩部分。(2-10)

比較式（2-6）、（2-9）和（2-10）可以看出，對于單級壓縮式蒸氣制冷機理論循環，存在著下列關系：(2-11)

對于單級壓縮蒸氣制冷機理論循環，制冷系數為：制冷系數愈大經濟性愈好（5）制冷系數(6)熱力完善度單級壓縮蒸氣制冷機理論循環的熱力完善度按定義可表示為(2-13)這里εc為在蒸發溫度（T0）和壓縮機排氣溫度（T3）之間工作的逆卡諾循環的制冷系數。熱力完善度愈大，說明該循環接近可逆循環的程度愈大。

制冷系數與熱力完善度的不同意義制冷系數與熱力完善度都是用來評價循環經濟性的指標，但意義不同。1、制冷系數隨循環的工作溫度而變，因此只能評價相同熱源溫度下的循環經濟性。2、不同溫度下工作的制冷循環需要通過熱力完善度來判斷其循環經濟性。2.4液體過冷和吸氣過熱對制冷循環的影響上面所述的循環，是單級壓縮蒸氣制冷機的基本循環，也是最簡單的循環。在實用上，根據實際條件對循環往往要作一些改進，以便提高循環的熱力完善度。在單級制冷機循環中，這一改進主要有液體過冷、吸氣過熱及由此而產生的回熱循環將節流前的制冷劑液體冷卻到低于冷凝溫度的狀態，稱為過冷。帶有過冷的循環，叫做過冷循環。采用液體過冷對提高制冷量和制冷系數都是有利的2.4.1液體過冷2.4.2過冷循環的溫熵圖和壓焓圖過冷循環在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示

在圖（a）中，

q0以面積5‘-5-b-c表示，在圖（b）中，q0以線段5’-5表示。因兩個循環的理論比功w0相同，過冷循環的制冷系數比無過冷循環的制冷系數要大。與無過冷的循環1-2-3-4-5-1相比，過冷循環的單位制冷量的增加量為：2.5吸入過熱蒸氣對制冷循環的影響

壓縮機吸入前的制冷劑蒸氣的溫度高于吸氣壓力下制冷劑的飽和溫度時，稱為過熱。具有吸氣過熱的循環，稱為過熱循環。2.5.2過熱循環的溫熵圖和壓焓圖過熱循環1-1‘-2’-3-4-5-1的T-s圖和lgp-h圖。圖中1-1‘是吸氣的過熱過程，其余與基本循環相同。

(2-16)

(2-17)(2-18)(2-19)僅與制冷劑性質有關有害過熱無此增加制冷量有效過熱與有害過熱有效過熱的過熱度對制冷系數的影響過熱度℃R502R600aR290R134aR22NH3045.337.444.444.155.993.03073.965.772.172.986.3131.5過熱度對排氣溫度的影響2.6回熱循環利用回熱使節流前的制冷劑液體與壓縮機吸入前的制冷劑蒸氣進行熱交換，使液體過冷、蒸氣過熱，稱之為回熱。回熱循環T-S及lgP-h圖圖2-21回熱循環在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示若不計回熱器與環境空氣之間的熱交換，則液體過冷的放熱量等于使蒸氣過熱的吸熱量，其熱平衡關系為：

（2-22）回熱循環的性能指標如下：單位制冷量（2-23）單位容積制冷量（2-24）單位功

（2-25）制冷系數（2-26）由回熱循環lgp-h圖可知，與無回熱循環1-2-3-4-5-1相比較，回熱循環的單位制冷量增大了但單位功也增大了（2-28）

循環的單位功可近似地表示成（2-29）單位容積制冷量和制冷系數可表示成（2-30）(2-31)如果要使回熱循環的單位容積制冷量及制冷系數比無回熱循環高，其條件應是：即（2-32）制冷循環熱力計算是利用制冷循環的各狀態點的參數計算出循環的性能指標。循環的熱力計算，由于實際循環和理論循環有許多不同之處，為了更好的理解實際與理論循環的區別，以及分析對實際循環進行的簡化是否合理，有必要對實際及理論制冷循環進行一下對比分析。3、制冷循環熱力計算實際循環與理論循環的比較

區別1）制冷壓縮機的壓縮過程不是等熵過程，且有摩擦損失和散熱損失。2）實際制冷循環中壓縮機吸入的制冷劑往往是過熱蒸氣，節流前往往是過冷液體，即存在氣體過熱、液體過冷情況。3）熱交換過程中，存在著傳熱溫差，被冷卻介質溫度高于制冷劑的蒸發溫度，環境冷卻介質溫度低于制冷劑冷凝溫度。4）制冷劑在設備及管道內流動時，存在著流動阻力損失，且與外界有熱量交換。5）實際節流過程不完全是絕熱的等焓過程，節流后的焓值有所增加。實際循環的簡化為工程設計方便，做如下簡化忽略冷凝器蒸發器中壓降，以壓縮機排氣壓力作冷凝壓力（或排氣壓力減去壓降后），以壓縮機吸氣壓力作蒸發壓力（或吸氣壓力加上吸氣壓降），認為T0，TK為定植。壓縮過程簡化為有損失的簡單壓縮過程。節流為等焓過程單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環(簡化后）簡化后的實際循環P—h圖：簡化后的循環的性能指標的表達式，各下標對應于上圖所示的狀態點。1．單位制冷量、單位容積制冷量及單位理論功

這些同理論循環的計算完全一致。2．單位冷凝熱上式中點2狀態的焓值用下式計算式中

為壓縮機的指示效率，它被定義為等熵壓縮過程耗功量與實際壓縮過程耗功量之比。3．制冷劑的循環流量

式中為制冷量，通常由設計任務給出。

（2-36）（2-37）（2-38）4．壓縮機的實際功率5．實際制冷系數例題1.試計算氟利昂22(R22)制冷劑在下列工況下的理論制冷系數ε，并進行比較和討論。A工況：tk=35℃，to=0℃；B工況：tk=40℃，to=0℃；C工況：tk=40℃，to=-5℃；各狀態點焓值工況冷凝蒸發h1h2h3=h4溫度tk壓力pk溫度to壓力poA工況3513.504.98405.4430243.16.60B工況4015.304.98405.4433249.75.64C工況4015.3-54.21403.5437249.74.59B工況較A工況，tk升高5℃，制冷系數下降，下降14.5%；C工況較B工況，to降低5℃，制冷系數下降，下降18.6%。2.試計算氟利昂22（R22）制冷劑在下列工況下循環時的理論制冷系數ε，并進行比較和討論。A工況：tk=40℃，to=0℃；B工況：tk=40℃，to=0℃，t3‘=35℃各狀態點焓值工況冷凝蒸發h1h2節流前焓值h3制冷系數ε溫度tk壓力pk溫度to壓力poA工況4015.304.98405.4433249.75.64B工況4015.304.98405.4433243.15.88在相同冷凝溫度和蒸發溫度條件下，采用過冷能提高循環的制冷系數。本例中的過冷度tk-t3’=5℃3.一臺單級壓縮蒸氣制冷機工作在高溫熱源溫度為40℃，低溫熱源溫度為20℃，試求分別用R134a、R22和R717工作時的理論循環的性能指標。狀態點參數（單位）R134aR22R7171p1(kpa)132.7244.9190.1t1(℃)-20-20-20v1(m3/kg)0.14720.092130.6232h1(kJ/kg)384.7396.461437.122t2(℃)48.467.6135.2p2(kpa)1016.41533.61555.5h2(kJ/kg)427.31443.061757.034t4(℃)404040p4(kpa)1016.41533.61555.5h4(kJ/kg)256.2249.44393.995h5(kJ/kg)256.2249.44393.99各狀態點參數循環性能指標計算結果制冷劑單位制冷量單位容積制冷量單位理論功單位冷凝熱制冷系數卡諾循環制冷系數熱力完善度q0=h1-h5qv=q0/v1W0=h2-h1qk=h2-h5ε0=q0/W0εc=T0/(T4-T0)η=ε0/εcR134a128.5827.942.6171.13.0164.2190.715R22147.01595.946.59193.623.1554.2190.748R7171043.11673.9319.91363.033.2164.2190.7334、一臺活塞式單級壓縮蒸氣制冷機，工作在高溫熱源溫度為40℃，低溫熱源溫度為-23℃，制冷劑為R134a，采用回熱循環，壓縮機的吸氣溫度為0℃，試進行制冷理論循環的熱力計算。狀態點1：p1=1.16(×102kpa)；t1=-23℃；h0=382.9(kJ/kg)狀態點1’：p1’=1.16(×102kpa)；t1’=0℃；h1’=401.6(kJ/kg)；v1’=0.185(m3/kg)狀態點2’：p2’=10.16(×102kpa)；t2’=71.5℃；h2’=452.1(kJ/kg)狀態點4：p4=10.16(×102kpa)；t4=40℃；h4=256.2(kJ/kg)狀態點4’：p4’=10.16(×102kpa)；t4’=27.3℃；h4’=237.5(kJ/kg)項目計算公式單位制冷量q0=h1-h4’145.4單位容積制冷量qv=q0/v1’785.9單位理論功W0=h2’-h1’50.5單位冷凝熱qk=h2’-h4195.9制冷系數ε0=q0/W02.879卡諾循環制冷系數εc=T1/(T4-T1)3.968單位回熱器負荷qR=h1’-h1=h4-h4’18.7熱力完善度η=ε0/εc0.726第三章蒸氣壓縮式制冷第一節可逆制冷循環第二節單級蒸氣壓縮式制冷的

理論循環第三節單級蒸氣壓縮式制冷的

實際循環第四節蒸氣壓縮式制冷中的制冷劑第三章蒸氣壓縮式制冷第五節采用混合制冷劑的單級

蒸氣壓縮式制冷循環第六節多級蒸氣壓縮制冷循環第七節復疊式制冷第八節CO2制冷第一節可逆制冷循環內容提要一、壓縮式制冷的熱力學原理概述二、逆卡諾制冷循環三、勞倫茨循環第一節可逆制冷循環

一、壓縮式制冷的熱力學原理概述

制冷系統是利用逆向循環的能量轉換系統，通過能量補償，使制冷劑在循環中不斷地從溫度較低的被冷卻對象中吸取熱量，并向溫度較高的冷卻介質排放熱量。一般將流出熱量的對象(制冷劑從中吸收熱量)稱為熱源；將流入熱量的對象(制冷劑向其排放熱量)稱為熱匯。

制冷循環的熱力學本質是：用能量補償的方式把熱量從低溫熱源排到高溫熱匯。從這一本質出發，制冷循環不但可以實現使物體降到環境溫度以下的制冷目的，而且可以用于使物體升到環境溫度以上的加熱目的。第一節可逆制冷循環1.制冷機與熱泵在制冷機中人們以環境(環境溫度的水或空氣)為高溫熱匯，利用逆向循環在低溫下從低溫熱源吸熱，收益是制冷量。如果以環境為低溫熱源，利用循環在高溫下向高溫熱匯排熱，收益是供熱量，便可用此熱量將某空間或物體加熱到環境溫度以上。具有這種用途的機器叫做“熱泵”。可見，熱泵與制冷機循環的熱力學本質完全相同。這就是將熱泵納入制冷技術范疇的理由。它們的區別僅在于使用目的。單一用于制冷的機器叫制冷機；單一用于供熱的機器叫熱泵。制冷機可以做成在一些時候用來制冷，在另一些時候用來供熱，這樣的制冷機叫做熱泵型制冷機。第一節可逆制冷循環

制冷機和熱泵的能量轉換關系如圖3－1所示。圖中，制冷劑從低溫熱源吸收的熱量用QL(或Q0)表示，向高溫熱匯排放的熱量用QH表示，補償能用E表示。

圖3－1制冷機和熱泵的能量轉換關系圖第一節可逆制冷循環2．制冷循環的性能系數COP和循環效率η

性能系數用來反映消耗一定的補償能可以獲得多少收益能。性能系數的定義為：循環中收益能數值與補償能數值之比，即

COP=收益能量/補償能量

循環用于制冷時，制冷機的性能系數為

COPR=Q0/E(3－1)

循環用于供熱時，熱泵的性能系數為

COPH=QH/E(3－2)

按熱力學第一定律，有

QH=Q0+E(3－3)

所以COPH=COPR+1(3－4)第一節可逆制冷循環

由式(3－4)可知，熱泵的性能系數恒大于1。這說明，用熱泵供暖，可以獲得比所消耗補償能量更多的供熱量。因為在蒸氣壓縮制冷機或熱泵中，補償能是向壓縮機輸入的電能或機械能，記作W。同時，制冷行業中習慣上將壓縮式制冷機的性能系數又叫做制冷系數，將熱泵的性能系數又叫做供熱系數。所以，壓縮式制冷機和熱泵中

COPR=Q0/W(3－5)

COPH=QH/W(3－6)

以后的論述主要針對制冷機，其性能系數簡單記作COP，不再出現下標“R”。第一節可逆制冷循環

循環效率(也稱為熱力完善度)用來說明制冷循環與可逆制冷循環的接近程度。熱力學上最為完善的循環是可逆循環。制冷循環的循環效率定義為：一個制冷循環的性能系數COP與相同低溫熱源、高溫熱匯溫度下可逆制冷循環的性能系數COPc之比，即

η=COP/COPc(3－7)

實際制冷循環中總會存在各種不可逆因素，其循環效率的值介于0－1之間。η越接近1，說明越接近可逆循環，循環的熱力學完善程度越高。第一節可逆制冷循環

二、卡諾制冷循環設有恒溫熱源和恒溫熱匯，其溫度分別為TL和TH。在這兩個溫度之間工作的可逆制冷循環是卡諾制冷循環。

逆向卡諾循環由兩個等溫過程和兩個等熵過程組成，如圖3－2a所示。工質在循環中以TL溫度從低溫熱源等溫吸熱(過程4－1)，再等熵壓縮到溫度升至TH(過程1－2)，又在TH下向高溫熱匯等溫放熱(過程2－3)，然后等熵膨脹到溫度降至TL(過程3－4)，回到循環開始狀態。循環中的一些參數按以下公式確定：

循環的吸熱量

循環的排熱量

循環的凈輸入功第一節可逆制冷循環圖3－2卡諾制冷循環第一節可逆制冷循環

由能量守衡有性能系數為

(3－8)

式(3－8)給出卡諾制冷循環性能系數的表達式，它是相同的低溫熱源、高溫熱匯溫度條件下制冷循環性能系數在理論上的最高值。式(3－8)表明：

(1)卡諾制冷循環的性能系數COPc只與熱源和熱匯的溫度有關，而與制冷劑的性質無關。

(2)COPc的大小隨TH/TL改變，TH/TL越大則COPc越小。TH一定時，TL越低則COPc越小。圖3－2b給出不同TH、TL時COPc變化的具體數值。第一節可逆制冷循環

以上結論對于評價制冷機經濟性的意義在于：

(1)制冷機的COP與熱源和熱匯的溫度條件有關。

(2)用COP值來評價或比較制冷機的循環經濟性時，只有指明TH、TL評價才有意義；只有在同樣的TH、TL條件下，才可以用COP值來比較兩臺或幾臺制冷機的循環經濟性。

(3)循環效率η的定義本身已包含了相同熱源和熱匯條件下的比較，所以根據η值的大小可以直接評價和比較各種制冷循環的經濟性。第一節可逆制冷循環

三、勞倫茨循環恒溫熱源和恒溫熱匯條件下的可逆制冷循環是卡諾制冷循環。恒溫熱源和熱匯的假定意味著熱源和熱匯的熱容量無窮大。事實上，熱源(匯)的熱容量有限，熱源在放熱過程中溫度將降低，熱匯在吸熱過程中溫度將升高，即它們是溫度變化的熱源(匯)。

針對變溫熱源和變溫熱匯條件，制冷劑變溫吸熱、變溫排熱的循環是勞倫茨循環。勞倫茨循環如圖3－3所示。循環由兩個變溫過程和兩個等熵過程組成。過程1－2為制冷劑等熵壓縮過程；2－3過程為變溫放熱過程；3－4過程為等熵膨脹過程；過程4－1為變溫吸熱過程。第一節可逆制冷循環圖3－3勞倫茨循環第一節可逆制冷循環

如果上述循環中滿足：對于變溫放熱過程2－3，制冷劑在放熱時溫度的變化與熱匯的溫度變化相一致，二者之間沒有傳熱溫差；對于變溫吸熱過程4－1，制冷劑在吸熱時溫度的變化與熱源的溫度變化相一致，二者之間沒有傳熱溫差。那么，該循環的各個過程都是可逆過程，為可逆勞倫茨循環。可逆勞倫茨循環是變溫源(匯)條件下熱力學上最理想的循環。分析可逆勞倫茨循環時引入平均當量溫度的概念。設Tm是放熱過程的平均當量溫度；T0m是吸熱過程的平均當量溫度。

2－3過程單位質量的放熱量

(3－9)第一節可逆制冷循環

4－1過程單位質量的吸熱量

(3－10)

循環的單位質量輸入功

(3－1l)

循環的性能系數

(3－12)

可見，勞倫茨制冷循環的性能系數的值，相當于在Tm和T0m恒溫源(匯)條件下工作的卡諾制冷循環的性能系數。第二節單級蒸氣壓縮式制冷

的理論循環內容提要一、特點及工作過程二、制冷劑的狀態圖三、理論循環第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

一、特點及工作過程

單級蒸氣壓縮式制冷系統如圖3－4所示。它由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器四個基本部件組成，并用管道將它們串連成一個封閉的系統，制冷劑在這個封閉的系統中循環。工作過程如下：制冷劑在壓力p0、溫度T0下沸騰，T0低于被冷卻對象的溫度。壓縮機不斷抽吸蒸發器中產生的制冷劑蒸氣，并將它壓縮到冷凝壓力pk，排出后送到冷凝器,在壓力pk下等壓冷卻凝結成液體，制冷劑冷卻和凝結時放出的熱量傳給冷卻介質。與冷凝壓力pk相對應的冷凝溫度Tk一定要高于冷卻介質的溫度。冷凝后的制冷劑高壓液體通過膨脹閥或其他節流元件進入蒸發器。當制冷劑通過節流元件時，壓第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環圖3－4單級蒸氣壓縮式制冷系統1—壓縮機；2—冷凝器；3—膨脹閥；4—蒸發器

第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

力從pk降到p0，有一部分液體汽化，剩余的液體溫度降到T0，于是節流后的制冷劑以低溫低壓(p0，T0)氣液兩相混合狀態進入蒸發器。混合物中的液體在蒸發器中蒸發，并從被冷卻對象吸熱，產生制冷作用。節流過程產生的那部分蒸氣是閃發(flash)出來的，該蒸氣通常稱之為閃蒸氣，它在蒸發器中幾乎不產生制冷作用。在整個循環過程中，壓縮機起著壓縮和輸送制冷劑蒸氣，并造成蒸發器中低壓、冷凝器中高壓的作用，是整個系統的心臟，有了它制冷劑才得以在系統內循環。節流閥對制冷劑起節流降壓作用，并調節進入蒸發器的制冷劑流量。蒸發器是輸出冷量的設備，制冷劑在蒸發器中蒸發時要吸收被冷卻對象的熱量，從而達到制冷的目的。冷凝器第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

是輸出熱量的設備，制冷劑在蒸發器中吸收的熱量和壓縮機消耗功所轉化的熱量，均帶到冷凝器，排放給冷卻介質。根據熱力學第二定律，以壓縮機所消耗的功為補償，使制冷劑不斷從低溫物體中吸收熱量，并不斷向高溫物體排放熱量，從而完成整個制冷循環。該系統中，來自蒸發器的低壓制冷劑蒸氣被壓縮機吸入后經一次壓縮，壓力提高到冷凝所對應的高壓，因此稱它為單級蒸氣壓縮式制冷系統。第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

二、制冷劑的狀態圖分析制冷循環，需要借助于制冷劑的狀態圖描述出制冷劑熱力狀態的循環變化。因為純質制冷劑的熱力狀態由兩個獨立的狀態參數確定，所以任何一種制冷劑都可用平面狀態圖反映其熱力性質，可以用任意兩個狀態參數分別作平面圖的橫坐標和縱坐標繪制狀態圖，并以這兩個坐標參數命名狀態圖，如T－s圖、p－h圖、h－s圖、p－v圖等。狀態圖上繪出各狀態參數的等值線簇、制冷劑的相區(液相、氣相、兩相)。狀態圖上的一個點代表一個熱力狀態；利用狀態圖可以描述熱力狀態的變化過程，以及由各種過程所組成的循環，并能直觀描述循環中的各狀態變化和分析這些變化對循環的影響。第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

制冷循環的分析與計算中，通常借助于T-s圖和p-h圖。由于單位質量制冷劑循環的各個過程中功與熱量的變化均可以用比焓的變化計算，因此p-h圖在制冷工程計算中得到更為廣泛的應用。

1．壓力－比焓圖壓力－比焓圖簡稱壓－焓圖，即p－h圖。它的縱坐標為對數坐標，表示絕對壓力；橫坐標為比焓。壓－焓圖的結構如圖3－5所示。第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環圖3－5壓力－比焓圖第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

圖中的粗實線為相界線。相界線上的點C為臨界點。點C左側的相界線是飽和液體線；右側的相界線是飽和蒸氣線。飽和液體線上的點代表飽和液體狀態；飽和蒸氣線上的點代表飽和蒸氣狀態。相界線將制冷劑的狀態平面分成三個區：飽和液體線左側為過冷液體區；飽和蒸氣線右側為過熱蒸氣區；飽和液體線與飽和蒸氣線所圍成的區域為氣－液兩相區。兩相區是飽和氣－液共存的狀態(濕蒸氣狀態)，其中飽和氣所占的份額稱做干度x。圖中各參數的等值線簇為：

等壓線—水平線；

等比焓線—垂直線；第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

等溫線—液體區幾乎為垂直線；兩相區為水平線，與相應的等壓線重合；過熱蒸氣區為向右下方彎曲的傾斜線；

等比熵線—向右上方傾斜的實線；

等比體積線—向右上方傾斜的虛線，比等比熵線平坦；

等干度線—只存在于兩相區內，與相界線的走向有相似趨勢。

2．溫度－比熵圖溫度－比熵圖簡稱溫－熵圖，即T－s圖，是以溫度為縱坐標、以比熵值為橫坐標的制冷劑熱力狀態圖。溫度－比熵圖的結構及各狀態參數的等值線簇形狀如圖3－6所示。第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環圖3－6溫度－比熵圖第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

三、理論循環

1．理論循環的假定

理論循環基于以下假定：

(1)高溫熱匯和低溫熱源的溫度TH、TL恒定，且制冷劑在相變(冷凝、蒸發)過程中與熱源(匯)之間沒有傳熱溫差，即冷凝溫度Tk=TH，蒸發溫度T0=TL；

(2)制冷劑出蒸發器的狀態為飽和蒸氣，出冷凝器的狀態為飽和液體；

(3)制冷劑除在壓縮機和膨脹閥處發生壓力的升降外，在整個循環的其他流動過程中沒有流動壓力損失；

(4)除兩個熱交換器(冷凝器和蒸發器)外，制冷劑在整個循環的其他流動過程中與外界不發生熱交換；第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

(5)壓縮過程為等熵壓縮。

2．理論循環在狀態圖上的描述按以上假定，理論循環由兩個等壓過程、一個等熵壓縮過程和一個絕熱節流過程組成。圖3－7示出理論循環在狀態圖上的描述。對照圖3－7，循環中各特征狀態和各過程說明如下：

點l代表制冷劑進入壓縮機的狀態，它是對應于蒸發溫度(壓力)下的飽和蒸氣。點1位于p0等壓線(或T0等溫線)與飽和蒸氣線(等干度線x=1)的交點上。

點2表示經壓縮機壓縮后排出的制冷劑狀態，也是制冷劑在冷凝器入口處的狀態。過程線1－2表示制冷劑氣體在壓縮機中的等熵壓縮過程，有s1=s2。所以點2位于等熵線s1第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環圖3－7理論循環在狀態圖上的描述第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

與等壓線pk的交點上。大多數制冷劑飽和蒸氣經等熵壓縮后成為過熱蒸氣，點2為過熱蒸氣狀態。

點3表示制冷劑在冷凝器出口處的狀態，也是制冷劑節流前的狀態。點3為飽和液體狀態。冷凝器中的過程2－2'－3是定壓過程，過程2－2'表示過熱蒸氣定壓冷卻到飽和蒸氣的過程；過程2'－3表示從飽和蒸氣定壓凝結到飽和液體的過程。點2'位于等壓線pk與等干度線x=1的交點上；點3位于等壓線pk與等干度線x=0的交點上。

點4表示節流后的制冷劑狀態，也是制冷劑在蒸發器入口處的狀態。點4為低壓兩相狀態。因為節流過程是絕熱的，所以h3=h4；節流后壓力達到蒸發壓力，點4位于p0等壓線與h3等焓線的交點上。第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

過程4－1表示發生在蒸發器中的定壓蒸發過程。至此，完成一個理論循環過程。

3．理論循環特性用循環特性指標反映單位質量(1kg)制冷劑和單位體積(以壓縮機吸入狀態計1m3)制冷劑完成一個循環時，各個過程中的功與熱量的轉換與變化。循環特性還包括循環中的一些重要特征參數。理論循環的特性指標如下：

(1)單位質量制冷量q0(簡稱單位制冷量)

表示1kg制冷劑完成循環時從低溫熱源所吸收的熱量。取蒸發器為隔離體，它等于制冷劑在蒸發器出口處與入口處的比焓之差，即

kJ/kg(3－13)第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

(2)單位容積制冷量qZV

表示以壓縮機吸入狀態計，單位體積(1m3)制冷劑完成一個循環時，從低溫熱源所吸收的熱量，即

kJ/m3(3－l4)

式中：v1—為狀態點1的比體積。

(3)比功w

表示1kg制冷劑完成循環時所消耗的壓縮功(技術功)。它等于制冷劑在壓縮機吸入與排出口處的比焓之差，即

kJ/kg(3－15)

(4)容積比功wV

表示以壓縮機吸入狀態計，單位體積(1m3)制冷劑完成一個循環所消耗的壓縮功(技術功)，即第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

kJ/m3

(3－16)

(5)單位冷凝熱負荷qk

表示1kg制冷劑完成循環時向高溫熱匯所排放的熱量。它等于制冷劑在冷凝器出口處與入口處的比焓之差，即

kJ/kg(3－17)

(6)壓力比π

循環中壓縮機的排氣壓力與吸氣壓力之比，即

(3－18)

(7)排氣溫度T2

制冷劑氣體壓縮終了的溫度。

(8)循環的性能系數COP(3－19)第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

(9)循環效率(熱力完善度)(3－20)

制冷機的性能主要用制冷機的制冷量φ0、壓縮機消耗功率P和制冷機性能系數COP反映。設壓縮機的理論輸氣量為qvh(m3/s)，理論循環的制冷機性能計算如下：

(1)制冷劑的循環質量(循環中的質量流量)

kg/s(3－21)(2)制冷量

kW(3－22)(3)壓縮機功率

kW(3－23)第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

(4)制冷機性能系數

(3－24)4．理論循環的意義在構造理論循環時做了一系列的理想化假定，那么理論循環是否是可逆循環呢？我們將圖3－7b與圖3－2放到一起來比較，如圖3－8所示。可以看出，理論循環假定中排除了蒸發器中相變傳熱的不可逆、壓縮過程的不可逆和冷凝器中相變傳熱部分的不可逆，但仍存在兩部分的不可逆損失：一是冷凝器中過熱氣非相變傳熱部分存在傳熱溫差；二是絕熱節流過程為不可逆過程。這兩部分的不可逆損失如圖中陰影所示。所以，理論循環并非可逆循環。第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環圖3－8理論循環與可逆循環的比較第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

盡管如此，理論循環是針對蒸氣壓縮式制冷系統部件組成條件下的理想化循環，它已最大限度地排除了機器設備(壓縮機、冷凝器、蒸發器)本身的不完備因素，所以在給定熱源和熱匯溫度情況下，理論循環是蒸氣壓縮式制冷循環的基準。理論循環特性與熱源(匯)溫度有關，與制冷劑的性質有關。當熱源和熱匯溫度給定或冷凝溫度和蒸發溫度給定時，理論循環在制冷劑的狀態圖上就唯一地確定下來，各種制冷劑有各自確定的狀態圖，所以，在相同Tk、T0條件下，理論循環特性唯一地取決于制冷劑的熱力性質。第二節單級蒸氣壓縮式制冷的理論循環

綜上所述，理論循環的作用和意義在于：

(1)它是實際循環的基準和參照，用于分析研究實際循環的各種不完善因素和應做出的改進。

(2)用于評價制冷劑。相同Tk、T0條件下，通過不同制冷劑的理論循環特性比較，可以評價它們在熱力性質方面的適宜程度。

表3－1給出一些制冷劑在30℃/－15℃時的理論循環特性。運用某種制冷劑時，通過pk、p0反映系統內的壓力水準；通過壓力比、壓力差和排氣溫度，了解壓縮機的工作條件；用q0和qZV反映其制冷能力；COP反映循環的經濟性。這樣，對于某種特定的制冷要求，流體物質是否適宜用作制冷劑，及其作制冷劑時的長處與短處便一目了然。第三節單級蒸氣壓縮式制冷

的實際循環內容提要一、實際循環二、各種實際因素對循環的影響三、單級蒸氣壓縮式制冷機的熱力計算四、單級蒸氣壓縮式制冷機的變工況特性第三節單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環

一、實際循環就循環的外部條件而言，低溫熱源和高溫熱匯均為有限源(匯)，它們是有限流量的空氣、水或其他流體。冷卻流體流過冷凝器時吸收制冷劑的排熱，其溫度要升高；被冷卻流體流過蒸發器時其溫度要降低；它們與制冷劑發生熱交換時，必然有傳熱溫差。就循環的內部條件而言，制冷劑出蒸發器和進入壓縮機的狀態未必恰好是飽和蒸氣往往有一定的過熱；制冷劑在膨脹閥前的狀態也未必恰好是飽和液體；制冷劑在系統中循環流動，經過設備的連接管道(包括管件、閥門等)、熱交換器管道時均存在流動阻力，造成壓力損失，并且通過管道與外界存在熱交換。另外，壓縮機的實際壓縮過程也存在不可逆損失。第三節單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環

考慮以上各種實際因素，實際循環與理論循環的比較如圖3－9所示。比較中忽略了熱源和熱匯的溫度變化，仍視之為恒溫熱源和熱匯。實際循環詳述如下。由于相變傳熱部分存在傳熱溫差，所以制冷劑的蒸發過程線位于理論循環的蒸發過程線下方；制冷劑的冷凝過程線位于理論循環的冷凝過程線上方。

4－0－1a表示制冷劑在蒸發器中的蒸發過程，因在蒸發器中的流動阻力損失，蒸發過程溫度和壓力均有所下降。另外，制冷劑出蒸發器時蒸氣稍有過熱(狀態點1a)。

1a－1b－1表示制冷劑氣體出蒸發器后經吸氣管、壓縮機吸氣腔、吸氣閥和氣缸時的壓降和溫升，在圖上將該過程分解為等壓過熱(1a－1b)和等比焓降壓(1b－1)兩部分。第三節單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環圖3－9實際循環與理論循環的比較第三節單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環

點1表示制冷劑氣體開始壓縮的狀態。壓縮過程初期，氣體溫度較低，被氣缸壁加熱，為吸熱的壓縮過程，比熵增加；隨著壓縮過程的進行，氣體溫度逐漸升高到高于氣缸壁溫度，氣體又向氣缸壁散熱，這階段為放熱的壓縮過程，比熵減小。所以，整個壓縮過程中先是比熵增加，后是比熵減小，用1－2表示。點2代表壓縮終了狀態。高壓氣體經排氣閥、排氣腔到排氣管的流動過程存在壓降，用2－2a表示。

2a－3表示高壓氣體在排氣管和冷凝器中的冷卻－凝結過程。該過程伴隨有流動阻力引起的壓力降，且過程終了高壓液體有一定的過冷(狀態點3)。第三節單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環

3－4表示高壓液體的節流過程。由于制冷劑經膨脹閥時流速很快，來不及換熱，仍視為絕熱節流，故點3與點4的比焓相等。第三節單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環

二、各種實際因素對循環的影響

1．高壓液體過冷的影響

制冷劑液體的溫度若低于它所處壓力下的飽和溫度，則稱為過冷液體。過冷液體溫度與其飽和溫度之間的差值稱過冷度。以理論循環作為比較基準，若節流前的高壓液體處于過冷狀態，過冷對循環的影響可以由圖3－10分析得出。圖中1－2－3－4－1是理論循環，1－2－3'－4'－1是高壓液體有過冷的循環。節流前過冷的高壓液體狀態點為3'，其過冷度為

(3－25)

過冷液體的比焓比飽和液體的比焓有所降低，降低值為第三節單級蒸氣壓縮式制冷的實際循環圖3－10高壓液體有過冷的循環