第1章蒸气压缩式制冷的热力学原理.

1、第4章 制冷技术第一节 蒸气压缩式制冷的热力学原理1、蒸气压缩式制冷的工作原理任何液体在沸腾过程中将要吸收热量，液体的沸腾温度（即饱和温度）和吸热量随液体所处的压力而变化，压力越低，沸腾温度也越低。而且不同液体的饱和压力、沸腾温度和吸热量也各不相同。只要根据所用制冷液体（称制冷剂）的热力性质，创造一定的压力条件，就可以在一定范围内获得所要求的低温。要实现制冷循环必须要有一定的设备，而且要以消耗能量作为补偿。蒸气压缩式制冷循环就是用压缩机等设备，以消耗机械功作为补偿，对制冷剂的状态进行循环变化，从而使用冷场合获得连续和稳定的冷量及低温。研究蒸气压缩式制冷循环的主要目的，是为了分析影响制冷循环的各

2、种因素，寻求节省制冷能耗的途径。2、 理想制冷循环逆卡诺循环逆卡诺循环是使工质（制冷剂）在吸收低温热源的热量后通过制冷装置，并以外功作补偿，然后流向高温热源。逆向循环是一种消耗功的循环，制冷循环就是按逆向循环进行的，在温熵或压焓图上，循环的各个过程都是依次按逆时针方向变化的。逆卡诺循环由两个等温过程和两个绝热（等熵）过程组成，是一种理想循环。逆卡诺循环是可逆的理想制冷循环，它不考虑工质在流动和状态变化过程中的内部和外部不可逆损失。虽然逆卡诺循环无法实现，但是通过该循环的分析所得出的结论对实际制冷循环具有重要的指导意义。3、逆卡诺循环必须具备的条件利用液体气化制冷的逆卡诺循环必须具备的条件是：高

3、、低温热源温度恒定；工质在冷凝器和蒸发器中与外界热源之间无传热温差；工质在流经各个设备时无内部不可逆损失；膨胀机输出的功为压缩机所利用。作为实现逆卡诺循环的必要设备是压缩机、冷凝器、膨胀机和蒸发器。4制冷系数制冷循环常用制冷系数表示它的循环经济性能，制冷系数等于单位耗功量所制得的冷量。对于逆卡诺循环而言： 从公式可知，逆卡诺循环的制冷系数仅与高、低温热源温度有关，而与制冷剂的热物理性能无关。当升高，降低时，增大，这意味着单位耗功量所能制取的冷量增加，提高了制冷循环的节能型和经济性。与对制冷系数的影响是不等价的，的影响大于。同时，也意味着要实现温度较低的制冷具有更高的难度。由于逆卡诺循环不考虑各

4、种损失，而且压缩机利用了膨胀机对外输出的功，因此，在恒定的高、低温热源区间，逆卡诺循环的制冷系数最大，在该温度区间进行的其它各种制冷循环的制冷系数均小于，所以，逆卡诺循环制冷系数可用来评价其它制冷循环的热力完善度。5、具有传热温差的逆向可逆循环具有传热温差的制冷系数，总小于相同热源温度时的逆卡诺循环制冷系数，而且随传热温差和的增大而降低。1.1.4热泵的应用逆向循环以耗功作补偿，通过制冷剂的循环把从低温热源中吸收的热量（即制冷量）和耗功量一起在高温热源放出。因此，逆向循环可以用来制冷，也可以用来制冷，或者冷热共同使用。用来制冷的逆向循环装置，称为制冷装置，而用来供热时则称为热泵装置。在逆卡诺循

5、环中已作了介绍，1kg制冷剂在每次循环中向高温热源放出的热量为 (kJ/kg)则进行逆卡诺循环的热泵供热系数为 （1.4）公式（）表示，热泵系数恒大于1，这说明热泵装置在高温热源的放热量始终大于耗功量。因此，热泵供热肯定比直接用电供热耗省能，它是一种省能的供热方法，目前，它的研究和发展正日益受到重视。但是，必须指出，热泵的供热系数和制冷系数有关，而制冷系数的大小随高、低温热源温度，传热温差等变化。当高、低温热源温差或传热温差增大时，制冷系数下降，热泵供热系数也相应降低。因此，热泵供热虽然比直接电热省能，但是否比其他供热方法（如燃料的直接燃烧、蒸气供热等）省能和经济，还应根据提供热泵运行的具体条

6、件进行分析和比较，才能得出最后结论。目前，在我国，热泵供热主要在中、小型空调器上使用，在冬季为室内采暖提供热量，而大型热泵以及提高供热温度的热泵装置尚在研究阶段。6、蒸气压缩式制冷理论循环理论制冷循环不同于逆卡诺循环之处是：（1）制冷剂在冷凝器和蒸发器中按等压过程循环，而且具有传热温差；（2）制冷剂用膨胀阀绝热节流，而不是用膨胀机绝热膨胀；（3）压缩机吸入饱和蒸气而不是湿蒸气。用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失：不但增加了制冷循环的耗功量，还损失了制冷量。这两部分损失必然使制冷系数和热力完善度有所下降。用干压缩代替湿压缩后的过热损失：在蒸气压缩式制冷循环中，要实现等温冷凝或等温蒸发过程，只有在湿蒸

7、气区才有可能进行，因此，压缩机必然吸入湿蒸气。但是，在制冷压缩机的实际运行中，若气缸吸入湿蒸气，会因其中的液体而引起液击（即冲缸）现象，损坏压缩机的阀片和其它零部件。另外，过量的液体制冷剂进入气缸后，会与热的气缸壁产生强烈的热交换而迅速气化，占有气缸容积，使压缩机的吸气量减少，制冷量下降。为了避免产生上述现象，压缩机在实际运行中一定要吸入饱和蒸气或者过热蒸气。对于大多数制冷剂，采用用干压缩后，引起制冷系数和热力完善度的降低。过热损失和节流损失一样，不但与制冷循环工况有关，而且与制冷剂的物理性质也有关。1.2.2 理论循环在lgPh图上的表示在分析压缩式制冷循环时使用了制冷剂的温熵图（即TS图）

8、，因为温熵图中热力过程线下面的面积表示该过程中传递的热量，十分直观，便于分析比较。在制冷循环的热力计算中，通常用制冷剂的lgPh图。该图以制冷剂的比焓值h作横坐标，压力P做纵坐标，查阅更为方便（见图1.）。为了缩小图面，纵坐标P采用lgP分格（注意，从图上查得的数值仍为绝对压力值，而不是压力的对数值）。图中的c点为制冷剂的临界状态，c点左侧的粗实线为各个压力下的饱和液体线，该线上任何点的干度x=0。c点右侧的粗实线为各个压力下的饱和蒸气线（或称干饱和蒸气线），该线上任何点的干度x=1。这两条饱和线将图面分成三个区域，饱和液体线的左侧为过冷液体区（液体温度低于同压力下的饱和温度），饱和蒸气线的右

9、侧为过热蒸气区（蒸气温度高于同压力下的饱和温度），两条饱和线之间为湿蒸气区，制冷剂在湿蒸气区域内处于气液两相混合状态，它的温度等于所处压力下的饱和温度，各点的x值反映了湿蒸气在该状态下蒸气含量的百分比。图1.9 制冷剂的lgPh图lgPh图中绘出了六种等状态线簇，即等压、等焓、等温、等比容、等熵和等干度线。其中，等压线和等比焓线是最简单的，分别为水平线和垂直线。纯物质的等温线在两相区为水平线，在过冷液体区为略向左上方延伸的上凹曲线，非常接近于垂直线。这是因为压力对过冷液体比焓值的影响很小的缘故。有些图在该区域没有标出等温线，这时就用垂直线代替，不会导致很大的误差。在过热蒸气区，等温线是向右下方

10、延伸的下凹曲线。温度较高的等温线在压力较低也接近于垂直线，这是因为此时的制冷剂气体已接近于理想气体，因而比焓值与压力无关。在过热蒸气区，等比体积线和等比熵线都是向右上方延伸的下凹曲线，但等比熵线的斜率比等体积线大。利用压焓图查取热力学参数是很方便的，线簇的详细分布和具体数值可参阅各制冷剂的lgPh图。图1.10 蒸气压缩式制冷循环在T-S图上的表示 图1.11 蒸气压缩式制冷循环在lgPh图上的表示蒸气压缩式理论制冷循环在lgPh图上的表示见图1.11。12为绝热压缩过程，23为等压冷凝过程，34为绝热节流过程，41为等压蒸发过程。按照热力学第一定律，对于在控制容积中进行的状态变化存在如下关系

11、： （1.5）这里，把自外界传入的功作为负值。对上式积分可以得到整个过程的表达式： （1.6）按照公式（1.5）和公式（1.6），单击压缩蒸气制冷机循环的各个过程有如下关系：（1）压缩过程：因而 （1.7）w称为单位理论功，在lgPh图上以横座标轴上的线段的长度表示。（2）冷凝过程：因而 （1.8）称为单位冷凝热，在lgPh图上以横座标轴上的线段的长度表示。（3）节流过程：节流过程为一不可逆过程，不能用微分符号表示，但对整个节流过程前后可用积分式表示，即 w=0，q=0因而 （1.9）这就是说节流过程前后焓值相等，3、4两点在等焓线上。（4）蒸发过程：因而 (1.10)称为单位制冷量，习惯上取

12、为正值，在lgPh图上以横座标轴上的线段的长度表示。1.2.3 性能指标为了说明单级压缩蒸气制冷机理论循环的性能，采用下列一些性能指标，这些性能指标均可通过循环各点的状态参数计算出来。1单位制冷量q0压缩蒸气制冷循环单位制冷量可按式（1.10）计算。单位制冷量也可以表示成汽化热r0和节流后的干度x4的函数： (1.11)由式（1.11）制冷剂的汽化热越大，或节流所形成的蒸气越少，则循环的单位制冷量就越大。2单位容积制冷量qv （1.12）为了制取一定的制冷量，若选用qv大的制冷剂，则压缩机需要提供的输气量就小。我们已经知道，循环的单位容积制冷量不仅随制冷剂的种类而变，而且还随压缩机的吸气状态而

13、变。对某一具体的制冷剂来说，理论循环的蒸气比体积v1随蒸发温度（或蒸发压力）的降低而增大，若冷凝温度已经确定，则单位容积制冷量qv将随蒸发温度的降低而变小。3比理论功w0理论循环中制冷压缩机输送单位（1kg）制冷剂所消耗的功称为理论比功。由于制冷剂在节流过程中不作外功，因此，压缩机所消耗的理论比功即等于循环的理论比功。对于单级压缩蒸气制冷机的理论循环来说，理论比功可表示为： （1.13）单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随制冷剂的种类和制冷机循环的工作温度而变的。4单位冷凝热qk单位（1kg）制冷剂蒸气在冷凝器中放出的热量，称为单位冷凝热。单位冷凝热包括显热和潜热两部分 （1.14）比较式（1.

14、10）（1.13）和（1.14）可以看出，对于单级压缩式蒸气制冷机理论循环，存在着下列关系： （1.15）这和热力学第一定律分析循环时得出的结论完全一致。5制冷系数0对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，制冷系数为： （1.16）在冷凝温度和蒸发温度给定的情况下，制冷系数越大，表示循环的经济性越好。由于q0和w0都随循环的工作温度而变，冷凝温度越高，蒸发温度越低，则制冷系数越小。6热力完善度单级压缩蒸气制冷机理论循环的热力完善度按定义可表示为： （1.17）这里c为在蒸发温度（T0）和冷凝温度（T4）之间工作的逆卡诺循环的制冷系数。热力完善度越大，说明该循环接近可逆循环的程度越大。制冷系数和热力完善

15、度都是用来评价循环经济性的指标，但是它们的意义是不同的。制冷系数是随循环的工作温度而变的，因此只能用来评价相同热源温度下循环的经济性；而对于在不同温度下工作的制冷循环，需要通过热力完善度的数值大小（接近1的程度）来判断循环的经济性。1.2.4 液体过冷和吸气过热对制冷循环的影响上面所述的循环，是单级压缩蒸气制冷机的基本循环，也是最简单的循环。在实用上，根据实际条件对循环往往要做一些改进，以便提高循环的热力完善度。如使制冷剂在到达膨胀阀前已处于过冷状态（即液态制冷剂温度已低于冷凝温度），而压缩机吸入蒸气为过热蒸气（即吸气温度高于蒸发温度），液体过冷和吸气过热在TS图上的表示如图1.12所示。图1

16、.12 液体过冷和吸气过热循环一、 液体过冷对制冷循环的影响在图1.12中，温度称为制冷剂的过冷温度（或用表示），而（）称为制冷剂的过冷度。由图可知，过冷液体节流比饱和液体节流增加了制冷量，而且制冷量随过冷温度的降低而增加（或者随过冷度的增加而增加）。采用制冷剂液体过冷能增加制冷量，但并没有增加压缩机的耗功量（在TS图中，仍为面积），因此，液体过冷能增加循环的制冷系数。即： 此外，一定的过冷度还可以防止进入节流装置前的制冷剂处于两相状态，使节流机构工作稳定。在实际应用中，通常使制冷剂与冷却介质之间按逆流方式传热，以及适当增加冷凝器的传热面积，即能使饱和液体制冷剂达到一定的过冷度。由于制冷剂在冷

17、凝器中的冷凝和过冷通常采用环境温度条件下的水或空气，因此过冷温度必然受到这些冷却介质本身温度和传热温差的限制，它的温度也不可能太低。在正常情况下，过冷温度一般比冷凝温度低5左右，除非流出冷凝器的液态制冷剂再经过冷却器用冷却水或深井水冷却，才能得到更低的过冷温度。显然，采用这种过冷方式必须付出一定代价，目前，空调制冷系统中一般不采用这种过冷方式，只是在一些大型低温冷库的制冷系统中尚能见到。二、 吸气过热对制冷循环的影响在图1.12中，温度为压缩机的吸气过热温度，而（）称为吸气过热度。提高压缩机的吸气过热度能增加制冷量，但是也增加了压缩机的耗功量。故吸气过热循环是否能提高制冷系数，取决于值是否能大

18、于理论循环的制冷系数值。若，则过热循环能提高制冷系数，否则将使制冷系数降低。应该指出，上述析中的过热制冷量是在蒸发器内或安装于被冷却空间内的吸气管道上产生的，增加的冷量为有效制冷量，如果是因在被冷却空间以外吸收环境空气中的热量而损失，这种吸气过热称为有害过热。由于有害过热的制冷量未能被利用，因此无论值是否大于值，均使制冷系数下降。为此，压缩机的吸气管应具有良好的隔热措施，尽量减少制冷剂的有害过热，尤其是在蒸发温度较低时，流出蒸发器的制冷剂蒸气温度与环境温度相差较大，良好的绝热措施更为重要。吸气过热制冷量与增加的耗功量之比值仅仅与制冷剂的性质有关。理论计算和试验均可证明，对于氟利昂134a、氟利

19、昂600a等制冷剂采用吸气有效过热能提高制冷系数，而对氨、氟利昂22等制冷剂则会降低制冷系数。但是，实际制冷循环是否采用吸气过热并不完全取决于对制冷系数的影响，还需观察吸气过热后对其他参数和循环效果的影响。由图1.12可知，当压缩机吸气过热度增加时，它的排气温度也随之上升，过高的排气温度不但使润滑油的粘度变稀，影响摩擦件的润滑，损坏机件，而且会使润滑油炭化，阀片表面积碳，影响阀片的启闭和压缩机的正常运行。因此，吸气过热即使对制冷系数有利的制冷剂，它的过热度也应控制在一定范围之内。另外，对于使用氟利昂的低温制冷系统，适当增加吸气过热度能使润滑油较顺利地返回压缩机。同时，当压缩机吸入的蒸气具有一定

20、的过热度后，就能进一步防止在气缸中产生液击现象。因此，吸气过热即使会降低制冷系数的制冷剂，其过热度应控制在较小范围之内，例如氨，一般控制在35。增大吸气过热度能提高制冷系数的制冷剂，其过热度范围可以大一些。三、 回热制冷循环回热制冷循环及其在T-S图上的表示如图1.13所示。在该循环中，制冷剂液体过冷和吸气过热不是与外界的冷却介质和被冷却介质之间进行热交换而产生，它是利用流出蒸发器的低温饱和蒸气与流出冷凝器的饱和液体通过热交换热的传热过程而产生。由于制冷剂的蒸发温度T0远低于冷凝温度Tk，所以，回热循环的制冷剂过冷度和吸气过热度不受冷却介质和被冷却介质温度的限制，能使制冷剂获得较大的过冷度和过

21、热度。所以回热循环特别适用于增加吸气过热度能提高其循环制冷系数、以及绝热指数较小，绝热压缩后排气温度较低的制冷剂，如R134a（绝热指数k1.110）等，对于氨制冷剂，因为提高吸气过热度后会降低其制冷系数，氨的绝热指数也较大（k1.310），所以，不宜采用回热循环。a) 回热制冷循环 b) 回热制冷循环在TS图上的表示图1.13 回热制冷循环及其在T-S图上的表示在回热循环的热交换器中，如果忽略制冷剂与外部介质的传热，则制冷剂过冷时的放热量等于其过热时的吸热量。所以 （kJ/kg）由于液体比热C总大于其气体的比热C，所以液体温度的降低总小于吸气温度的提高（或者过冷度的增加总小于过热度的增加）。

22、如果热交换器具有足够大的传热面积，它可以使压缩机的吸气温度T1接近流出冷凝器的液体制冷剂温度，而流出热交换器的制冷剂过冷温度T4决不可能接近流入热交换器的制冷剂气体温度T1。1.3制冷循环热力计算为了说明单级压缩蒸气制冷机理论循环的性能，采用一些性能指标进行热力计算，这些性能指标均可通过循环各点的状态参数计算出来。蒸气压缩式理论制冷循环在TS图和lgph图上的表示见图1.10和图1.11所示。由于两图的坐标参数不同，同一制冷循环在两个图上的循环曲线也不一样，但是各个热力过程和状态点的参数是相同的。四个热力过程中的能量变化可通过稳定流动方程式进行计算。制冷剂在蒸发器中的单位制冷量为（kJ/kg）

23、 （1.18）压缩机的单位质量绝热压缩耗功量为（kJ/kg） （1.19）制冷剂在冷凝器中的单位质量放热量为（kJ/kg） （1.20）制冷剂节流前、后的焓值不变即 （kJ/kg） （1.21）制冷剂的单位容积制冷量，是指压缩机每吸入1制冷剂蒸气所产生的制冷量即 （kJ/） （1.22）式中，为压缩机吸入蒸气的比容，/kg。若已知制冷循环的总制冷量为（kW），则制冷剂的质量循环量（及流过每一个主件的制冷剂流量）为 （kg/s） （1.23）压缩机的吸气体积流量为 （/s） （1.24）冷凝器的热负荷为（kW） (1.25)压缩机的理论耗功率N为 （kW） (1.26)理论制冷系数为 （1.27

24、）例1.1 试计算氟利昂22（R22）制冷剂在下列工况下循环的理论制冷系数，并进行比较和讨论（见图1.13）图1.13 各状态点 解 A工况 =35 =0B工况 =40 =0C工况 =40 =-5由表1.2可知A，B两工况的蒸发温度相同，但B工况的比A工况的升高5，则制冷系数下降，下降的百分数为表1.2 各状态点焓值和计算结果 参数工况冷凝蒸发（kJ/kg）（kJ/kg）（kJ/kg）制冷系数温度（）压力温度（）压力A工况3513.504.98405.4430243.16.60B工况4015.304.98405.4433249.75.64C工况4015.3-54.21403.5437249.7

25、4.59B，C两工况的冷凝温度相同，但C工况的比B工况降低5，则制冷系数下降，下降的百分数为从上述计算结果可知，蒸发温度的变化对制冷系数的影响大于冷凝温度变化的影响。这一结果完全符合逆卡诺循环的结论。例1.2 试计算氟利昂22（R22）制冷剂在下列两工况下循环时的理论制冷系数，并进行比较和讨论（见图1.14）图1.14 各状态点 解 A工况 =40 =0B工况 =40 =0 =35 表1.3 各状态点焓值和计算结果 参数工况冷凝蒸发（kJ/kg）（kJ/kg）节流前焓值（kJ/kg）制冷系数温度（）压力温度（）压力A工况3515.304.98405.4433249.75.64B工况4015.3

26、04.98405.4433243.15.87由表1.2可知，在相同冷凝温度和蒸发温度条件下，采用过冷能提高循环的制冷系数。本例中的过冷度为=5，制冷系数提高的百分数为例1.3 一台单级压缩蒸气制冷机工作在高温热源温度为40，低温热源温度为20下，试求分别用R134a、R22和R717工作时理论循环的性能指标。解 循环的T-s图和lgp-h图见图1.10和图1.11，各状态点参数根据各制冷剂相应的lgp-h图查得，下表为查得的结果：表1.4 各状态点参数状态点参数单位R134aR22R7171p1kPa132.7244.9190.1t1-20-20-20v1m3/kg0.14720.092130

27、.6232h1kJ/kg384.70396.461437.122t248.467.6135.2p2kPa1016.41533.61555.5h2kJ/kg427.31443.061757.033t3404040p3kPa1016.41533.61555.5h3kJ/kg256.2249.44393.994h4kJ/kg256.2249.44393.99计算循环性能指标如下：表1.5 循环性能指标计算结果项目计算公式单位R134aR22R717单位制冷量kJ/kg128.5147.01043.1单位容积制冷量kJ/m3827.91595.91673.9单位理论功kJ/kg42.6046.5931

28、9.90单位冷凝热kJ/kg171.10193.621363.03制冷系数3.0163.1553.216卡诺循环制冷系数4.2194.1294.219热力完善度0.7150.7480.733分析计算结果可以看出：在相同工作条件下：R22、R717的单位容积制冷量很接近，而R134a的单位容积制冷量则小得多（约小45）；三种制冷剂的制冷系数和热力完善度相差不大。例1.4 一台活塞式单级压缩蒸气制冷机，工作在高温热源温度为40，低温热源温度为23下，制冷剂为R134a，采用回热循环，压缩机的吸气温度为0，试进行制冷剂理论循环的热力计算。解 图1.15 各状态点表1.6 各状态点参数状态点参数单位数

29、值注0p0102kPa1.16t0-23h0kJ/kg382.91p1102kPa1.16t10v1kg/m30185h1kJ/kg401.62p2102kPa10.16t271.5h2kJ/kg452.13p3102kPa10.16t340h3kJ/kg256.24p4102kPa10.16根据热平衡式算出t427.3h4kJ/kg237.5计算循环性能指标如下：表1.7 循环性能指标计算结果项目计算公式单位数值单位制冷量kJ/kg145.4单位容积制冷量kJ/m3785.9单位理论功kJ/kg50.5制冷系数2.879卡诺循环制冷系数3.968热力完善度0.726单位冷凝热kJ/kg468

30、.9单位回热器负荷kJ/kg18.7复习思考题（1） 为什么说逆卡诺循环是理想制冷循环？既然难以实现又为什么要进行分析？（2） 在分析具有传热温差的逆卡诺循环中得出了什么重要结论？（3） 制冷循环的制冷系数和热力完善度有什么区别？试用表1.1中的数值证明，在高低温热源温度相同时，制冷循环的制冷系数和热力完善度是等价的。（4） 为什么提出变温热源逆向循环？对制冷剂有什么要求？（5） 理想制冷循环和逆卡诺循环有哪些区别？（6） 何谓节流损失，与哪些因素有关？（7） 试述液体的过冷温度、过冷度，吸气过热温度、过热度。（8） 增加吸气过热度对哪些制冷剂有利，对哪些制冷剂不利？试用公式分析，对任何制冷剂

31、，有害过热肯定使制冷系数降低。（9） 为什么回热制冷循环仅适用于某些制冷剂？（10） 制冷剂的绝热指数对排气温度有何影响？（11） 试比较理论制冷循环在T-S图和lgP-h图上的区别。（12） 试比较制冷剂的单位质量制冷量q0和单位容积制冷量qv之间的区别。（13） 制冷剂单位容积制冷量qv的大小，对制冷压缩机的冷量有何影响？（14） 既然热泵的供热量总大于电热供热量，那么是否可用热泵代替所有的电加热器，以节省电能，为什么？（15） 在进行制冷循环热力计算时，首先应确定哪些工况参数？（16） 制冷循环热力计算通常应包括哪些内容？作业（1） 在逆卡诺循环中，被冷却介质的温度恒定为5，冷却介质的温度恒定为35，求该循环的制冷系数。若冷凝器和蒸发器的传热温差为3和5时，试求这两种情况下具有传热温差的逆卡诺循环制