第三章 蒸气压缩制冷循环

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1、第三章第三章 蒸气压缩制冷循环蒸气压缩制冷循环 3.0 预备知识预备知识u在普通制冷温度范围内，蒸气压缩式制冷是占主导地位的制冷方式，它属于液体蒸发制冷u液体蒸发制冷的特征是：利用制冷剂液体在气化时（蒸发时）产生的吸热效应，达到制冷目的u液体蒸发制冷构成循环的四个基本过程是： 制冷剂液体在低压（低温）下蒸发，成为低压蒸气； 将该低压蒸气提高压力成为高压蒸气； 将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体； 高压液体降低压力重新变为低压液体，从而完成循环。u上述四个过程中，是制冷剂从低温热源吸收热量的过程；是制冷剂向高温热源排放热量的过程；是循环的能量补偿过程。u能量补偿的方式有多种，所使用的补偿能量形式相

2、应的也有所不同。如果该过程的能量补偿方式是用压缩机对低压气体做功，使之因受压缩而提高压力，那么，这种制冷方式便称之为蒸气压缩式制冷循环（vapor compression refrigeration cycle） QoWu 在制冷系统中，我们将制冷剂在低压下蒸发的容器，称为蒸发器（evaporator） ，蒸发器是热交换设备，其作用是将蒸发器外被冷却对象的热量传递给蒸发器内制冷剂，制冷剂（在低温低压下）相变吸热而使被冷却对象的温度降低u 从蒸发器内源源不断地抽出制冷剂气体的装置称为制冷压缩机（refrigerant compressor） ，其作用之一是不断地将完成了吸热过程而汽化的制冷剂蒸气

3、从蒸发器中抽吸出来，使蒸发器维持低压状态，便于蒸发吸热过程能继续不断地进行下去 QoQkWu利用饱和温度和饱和压力一一对应这个原理，我们对制冷压缩机抽出的低温低压的制冷剂蒸气进行压缩，给它一个能量，使低温低压的制冷剂蒸气增压，从而提高制冷剂蒸气的温度，再送往冷凝器去冷凝 u制冷压缩机除了及时抽出蒸发器内蒸气，维持低温低压外，作用之二是通过压缩作用提高制冷剂蒸气的压力和温度，创造将制冷剂蒸气的热量向外界环境介质（空气或水）转移的条件u 冷凝器（Condenser）也是一个热交换设备，作用是利用环境冷却介质空气或水，将来自制冷压缩机的高温高压制冷剂蒸气的热量带走，使高温高压制冷剂蒸气冷却、冷凝成高

4、压常温的制冷剂液体。u 值得一提的是，冷凝器内制冷剂蒸气变为制冷剂液体的过程中，压力是不变的仍为高压u 高压常温的制冷剂液体不能直接送入低温低压的蒸发器。我们将再一次利用饱和压力（saturation pressure）与饱和温度一一对应原理，降低制冷剂液体的压力，从而降低制冷剂液体的温度。将高压常温的制冷剂液体通过降压装置膨胀阀（又称节流阀，expansion valve，throttle valve ），得到低温低压制冷剂，再送入蒸发器吸热蒸发，从而完成了一个制冷循环。 QoQkWQoQk压缩机压缩机节流阀节流阀冷凝器冷凝器蒸发器蒸发器WQoQk Compressor Expansion

5、Valve Condenser Evaporator W高压、过热蒸气高压、过热蒸气低压、气液两相低压、气液两相高压、饱和液体高压、饱和液体低压、低温蒸气低压、低温蒸气u单级蒸气压缩式制冷循环工作过程如下 制冷剂在蒸发器内，在压力 po、温度 to 下沸腾， to低于被冷物体的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸汽，并将它压缩到冷凝压力pk，然后送往冷凝器，在 pk 压力下等压冷凝成液体，同时，制冷剂放出冷凝热量，并传给冷却介质（通常是水或空气） 与冷凝压力pk相对应的冷凝温度tk ,一定要高于冷却介质的温度，冷凝后的液体通过膨胀阀或节流元件进入蒸发器 当制冷剂通过膨胀阀时，压力从 pk 降

6、到 po ，少部分液体气化，极大部分剩余液体的温度降至 to，这部分液体在蒸发器中蒸发，并从被冷却的物体中吸取它所需要的蒸发热。而气化的这部分蒸汽称为闪发蒸汽，在它被压缩机吸入之前几乎不再起吸热作用3.1 单级蒸气压缩式制冷循环单级蒸气压缩式制冷循环u 分析单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环（Ideal Single-Stage Cycle）的目的是运用热力学原理对制冷循环内在联系和外部影响，进行的理论分析，是制冷系统安装、调试、运行管理和维护的理论基础。它对制冷循环的能量转换及转换后效率进行的理论分析，是制冷系统能否节能、环保、可持续发展的理论根据u 鉴于实际的制冷循环是一个动态且复杂的循环过

7、程，不便于定性和定量分析，我们将从简单但符合实际规律的理论制冷循环入手，用热力学理论对其进行透彻的分析和计算，在此基础上再修正复杂、多变的实际制冷循环，指导实际制冷循环的应用，使之更有效、更安全地为我们服务。对制冷循环进行的热力计算，是制冷系统机器、设备设计和选型的理论依据 3.1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环单级蒸气压缩式制冷循环的理论循环1、理论制冷循环的假定条件、理论制冷循环的假定条件 u 压缩过程为等熵过程（Isentropic process ），即压缩过程与外界没有热交换u 冷凝、蒸发过程均为定压过程（Isobaric process） ，没有传热温差。即制冷剂的冷凝温度（

8、Condensing temperature）等于环境介质（空气或水）温度；制冷剂的蒸发温度（Evaporating temperature）等于被冷却对象温度；且各温度均为定值u 离开蒸发器和进入制冷压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的饱和蒸气；离开冷凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体u 除膨胀阀产生节流降压外，制冷剂在设备管道内的流动没有流动阻力损失（即没有压力降），同时与外界环境没有热交换u 节流过程为绝热的焓值不变过程（Isenthalpic process） 2、理论制冷循环在温、理论制冷循环在温-熵图和压熵图和压-焓图上的表示焓图上的表示图2-4 布雷顿热泵流程电动机压缩机节

9、流阀蒸发器冷凝器5x1ToTKx021S34T压缩节流蒸发冷凝冷却统称为统称为“冷凝冷凝”2PKh1x15Po34lgPx0压缩过程Compression Process节流过程Throttle Process蒸发过程Evaporation Process 冷凝过程Condensation Processu 点 1 表示制冷剂进入压缩机的状态它是对应于蒸发温度 to 下的饱和蒸气，该点位于等压线 po 与饱和蒸气线的交点上 u 点 2 表示制冷剂出压缩机的状态，也是进冷凝器时的状态。过程线 12 表示制冷剂蒸气在压缩机中的等熵压缩过程（s1=s2），由蒸发压力po 压缩到冷凝压力 pk，因此点

10、 2 可由通过点 1 的等熵线和压力为 pk 的等压线的交点来确定。点 2 处于过热蒸气状态，注意在点 2 时的制冷剂温度比点 3 时的制冷剂温度高，此温度我们也称作压缩机排气温度（Discharge temperature） u 点 4 表示制冷剂出冷凝器的状态，它是与冷凝压力 pk 所对应的饱和液体，过程线 234 表示制冷剂在冷凝器内冷却（23）和冷凝（34）过程。由于整个冷凝过程的压力不变，因此，压力为 pk 的等压线和饱和液体线的交点即为点4的状态 u 点 5 表示制冷剂出节流阀的状态，也就是进入蒸发器的状态。过程线45 表示制冷剂在通过节流阀时的节流过程，在这一过程中，制冷剂的压力

11、由 pk 降到 po，温度也由 tk 降到 to，进入两相区。由于节流前后制冷剂的焓值不变，因此，由点 4 作等焓线与等压线 po 的交点即为点5 的状态。因节流过程是不可逆过程，所以过程线 45 往往用虚线表示。可以看出，点 5 落入了两相区，意味着制冷剂从冷凝压力饱和液体状态经节流阀节流后有一部分成为闪发气体 u 过程线 51 表示制冷剂在蒸发器中的汽化（蒸发）过程。由于这一过程是在等温、等压下进行的，液体制冷剂吸取被冷却物体的热量而不断汽化，所以制冷剂的状态沿等压线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，从而完成了一个理论制冷循环t