制冷循环原理

1、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、冷柜等都是米用蒸气压缩式制冷。 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。 阳3-1蒸气压缩制玲甜环装置示盘閔 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

2、 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。 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。 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

3、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。 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。 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

4、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： 压缩过程1-2是绝热压缩过程，前后熵值不变； 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 Pk保持不变；蒸发压力po不变； 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点一一压缩机吸气口； 2点一一压缩机排气口； 5点一一节流装置入口； 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

5、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，Po与to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tk。温度下降，状态授变，仍为气体。 3- 4段：凝结过程。在冷凝压力pk下，制冷剂放出潜热而由气态液化为液态，

6、 但温度没变，仍是冷凝温度 tk。 4- 5段：过冷过程。在冷凝压力pk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 pk降到低压Po,温度 由过冷温度t5降至蒸发温度to；状态由过冷液体变为气液共存状态。 ho、h3分别是压力po、pk下干饱和蒸气的焓，h4是压力pk下饱和液体的焓， 皆可由饱和蒸气表查得，h2可根据pk和(S2=Sl)由过热蒸气表确定，h5、hl分别根 据过冷度和过热度确定。 蒸气压缩制冷循环 o-1-2-3-4-5-6-o 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

7、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： 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qo表示，单位kJ/kg。 在压焓图3-2中，可用点6和点o两点的焓差值表示，即 qo =ho -h6 =ho 15 (kJ/kg) (3-1) 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wo表示，单位kJ/kg。

8、在图中用点2和点1两点的焓差表示，即 wo =h2 -hi (kJ/kg) (3-2) 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qk表示，单位是kJ/kg,在图中，可用点2和点5的焓差表示，即 qk =h2 5 (kJ/kg) (3-3) 单位容积制冷量I 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qv表示，单位是kJ/m3。它可以很方便地从qo换算出来，即 3 qv= qo /Vi 一( ho -i5)/Vi (kJ/ m )(3-4) 式中vi吸气状态时制冷剂蒸气的比体积，m3 /kg。 循环的制冷系数 = qo/( qi-q2)= (ho

9、-h6)/(h2-h5)-(hi-h6) = (ho-h6)/(h2-hi)(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 -10C，冷 凝温度为38C，压缩机入口是干饱和氨蒸气，要求制冷量为 lOOkW，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=-1OC，t3 =38 T。由氨的lgp-h图(见附录图2)查出各状态 点的参数为 hi =i43okJ/kg pi =o. 29MPa h2=i67okJ/kgp2 =i. 5MPa h4 =h3 =35okJ/kg 制冷剂流量 qo =hi -h4=(i43o-35o) kJ/kg=io8okJ/

10、kg 氨的质量流量为 m=ioo/io8o=o. o926kg/s 压缩机消耗的功率 wo =h2 -hl =i67o-i43o=24okJ/kg P=mw0 =0. 0926 2冰0=22. 22kW 制冷系数 = q0/ W0=1028/240=4.5 3.1.4单级蒸气压缩式制冷实际循环 实际压缩过程与理论循环过程存在很大区别，主要表现在以下几方面： 压缩过程不是等熵过程； 实际节流过程中由于与外界有热交换， 所以不是绝热节流， 而节流后焓值 是增大的； 制冷剂在蒸发器与冷凝器内传热过程， 由于压力变化， 制冷剂的温度是渐 变的； 制冷剂流经阀门、 管道和设备时因有阻力存在， 为使循环得

11、以实现， 故使 压缩机的排气压力增高，而吸气压力降低； 在吸气过程中由于有热交换，肯定有一定的有害过热。 由于实际压缩循环与理论压缩循环存在着多方面差别， 所以单级压缩制冷机 的实际循环的单位压缩功增大，单位制冷量减少，制冷系数低于理论循环。 由于实际过程比较复杂， 存在机械摩擦、 阻力及热交换等， 很难将实际循环 过程表示在 lgp-h 图上。在工程计算时，通常是先按理论循环计算，然后用各种 系数进行修正。 3.1.5 蒸气压缩式热泵循环 热泵装置与制冷装置的工作原理没有什么差别，只是二者的工作目的不同， 制冷装置是为了制冷，而热泵装置则是为了供热。如果将图 3-3 中的冷凝器放在 室内，则

12、当上述装置工作时， 就可以从低温环境中吸取热量并释放到室内来， 用 于取暖。 原则上，可以使一套设备具备制冷和供热两种功能。如图 3-3 所示，如 果用一只四通换向阀 A 来控制改变制冷工质在装置中的流向，就可以达到夏季 对室内制冷、冬季对室内供热的目的。有些国家（如美国和加拿大）早已将这种 采暖与制冷兼用装置用于火车车厢和远洋客货轮的空调， 以适应长途旅行运输时 各地区气候上的变化。 e】各于热皐箫环 图3 3制挣与热泵购用装習示意图 人一阿通换向阀；日-毛網竹概装肾；匚一隹绑机 热泵的经济性指标是供热系数 &，它等于制冷剂在冷凝器中放出的热量 qi 与压缩机消耗的功w之比，即=qi/w。

13、由于qi =w+q2，所以热泵的供热系数恒大于1,它优于其他供暖装置（如电 加热器等）之处，就在于消耗同样多的机械功对室内供暖， 可比用其他方法得到 更多的热量，即除了由机械功所转换的热量外，还包括制冷剂在蒸发器中所吸收 的热量。 热泵装置还可以将大量较低品位（即较低温度）的热能提升为较高品位（即 较高温度）的热能，以满足生产上的需要。另外，采用热泵供热取代锅炉供热还 有利于保护环境不受污染。但是，热泵的使用受到其他条件的限制，例如，我国 东北地区冬季室外温度在-20-30C或更低，用热泵供热就很不经济，并且由于 室内外温差太大，热泵的供热系数将很低，不利于节能；又例如对工业欠发达的 国家或地

14、区，热泵装置的造价往往比其他采暖设备高出很多，这也影响了热泵的 使用与推广。 3.2双级蒸气压缩式制冷循环 3.2.1双级蒸气压缩式制冷理论循环 单级制冷压缩机若要制取较低温度时， 蒸发温度就很低，相应的蒸发压力就 很低，造成制冷机的压缩比（冷凝压力与蒸发压力之间绝对压力的比值） 显著增 大。当压力比增大到一定程度时，单机制冷压缩机就不能正常工作。这是因为： 压缩比增大，压缩机的输气量减少，使制冷量下降， 压缩比增大，使压缩机的排气温度升高，汽缸壁温度上升，影响润滑条件, 甚至会出现润滑油的碳化等不正常现象； 压缩比增大，液态制冷剂节流所引起的损失增大，即节流后产生的闪蒸气 体增多，使制冷系数

15、降低。 因此，当需制取-25C以下低温时一般采用双级压缩。 两级压缩制冷的压缩过程分两个阶段进行： 来自蒸发器的制冷剂蒸气先在低 压压缩机中压缩到中间压力；经过中间冷却，然后再进入高压压缩机压缩到冷凝 压力。两级压缩制冷循环，由于节流级数以及液体和蒸气冷却方式的不同，因而 有不同的循环形式。 例如，有两级节流和一级节流循环，中间完全冷却和中间不完全冷却循环等。 实际应用的大都是一级节流循环。 两级压缩制冷都采用中间冷却。经过中间冷却 后，高压级的排气温度就不致过高。两级压缩制冷机的中间冷却方式是随制冷剂 的种类不同而有所不同。对于氨，通常是让低压级的排气冷却到中间压力下的饱 和温度，称为中间完

16、全冷却；对于氟里昂，则是让低压级的排气与中间冷却器中 蒸发的蒸气相汇合，称为中间不完全冷却。 3.2.2两级压缩氨制冷循环与系统组成 两级氨压缩制冷机中，大多数是应用一级节流中间完全冷却循环。 该循环的 系统如图3-4所示。 图3 4-级节流中间完嚐障却两级压黯制冷番环系统图 A低压压缩枇B-A压圧箱机；c 忡擬牯丄n-再冷却轟； E最碇器；F中间瞼却醸 G,只一習洗岡；I旁通糊器 来自蒸发器E的低压氨蒸气，首先在低压压缩机A中被压缩到中间压力pz， 排入到中间冷却器F中，被其中的氨冷却到中间压力下的饱和温度 tz,再进入高 压压缩机B中继续被压缩到冷凝压力 pk，然后进入冷凝器中被冷凝成液体

17、。由 3-5 级节流中闾完全挣却 悶级压跚氮制冷的汕图 液在中间冷却器F的盘管内被冷却后流经节流阀 H节流到蒸发压力Po，再进入 冷凝器C引出的氨液，经过再冷却器 D进一 步降低温度，然后分成两路：一路经节流阀G 降压到中间压力Pz，进入中间冷却器F中， 利用它的蒸发来冷却低压压缩机的排气和盘 管内的高压氨液，中间冷却器中蒸发出来的氨 蒸气（中间压力pz下的饱和蒸气），随同低压 压缩机的排气（降温到中间压力下的饱和温 度）一起进入高压压缩机中被压缩，另一路氨 图3 6阴级压缩抵里昂制冷祈环原则性系烧图 A压鞘机；R-麝圧用鋼机f忙一拧駐器；裁炭胖卜 F-节襯脚；F叩间专削器1 G节施阀 蒸发器

18、E中进行蒸发制冷。进入蒸发器的这一部分氨液，在节流以前，首先进 入中间冷却器冷却，这样可以减少节流损失，从而使单位制冷量增大。如果高压 氨液不需要在盘管内冷却，可让高压氨液经旁通阀I流过，直接经节流阀H进入 蒸发器 图3-5为该循环的p-h图。图中1-2为氨蒸气在低压压缩机中的压缩过程； 2-3为低压压缩机的排气在中间冷却器中的冷却过程，3-6为制冷剂蒸气在高压 压缩机中的压缩过程；6-7-8为氨蒸气在冷凝器中的冷却和冷凝过程，8-9为氨液 的过冷过程。以后氨液分为两路：9-10为氨液进人中间冷却器的路，在节流 阀G中的节流过程，10-3为进入中间冷却器的氨液，在其中的蒸发吸热过程； 9-4为另路进入蒸发器的氨液，在中间冷却器盘管内的冷却过程，4-5为这部 分氨液在节流阀H中的节流过程，5-1