单级压缩蒸气制冷循环

第三章单级压缩蒸气制冷循环学习要点：

1、掌握单级压缩蒸气制冷基本循环的原理及其热力过程在T-S图和Lgp-h图上的表示;2、掌握单级压缩蒸气制冷循环各项参数的计算；3、掌握液体过冷、吸气过热及回热循环的热力过程在T-S图和Lgp-h图上的表示及各项性能指标分析；4、掌握非共沸混合制冷剂单级压缩基本循环的工作原理及其热力过程在T-S图和图上的表示；5、掌握单级压缩分凝循环流程的工作原理;6、掌握单级压缩蒸气制冷实际循环的特性及其热力过程在T-S图和Lgp-h图上的分析：

7、掌握实际循环的性能指标及热力计算；8、掌握单级压缩蒸气制冷循环的特性分析、制冷机的工况及名义工况；

第一节单级压缩蒸气制冷机的理论循环

一、基本原理1、单级压缩蒸气制冷机的流程图。2、单级理论循环的假设前提：①压缩过程为等熵过程，即在压缩过程中不存在任何不可逆损失；②在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝温度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发温度都是定值；③离开蒸发器和进入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；④制冷剂在管道内流动时，没有流动阻力损失，忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管外介质之间没有热交换；⑤制冷剂在流过节流装置时，流速变化很小，可以忽略不计，且与外界环境没有热交换。3、热力过程分析(1）压缩过程：dq=0(2)冷凝过程：dw=0

(3)节流过程：w=0,q=0

(4)蒸发过程：dw=0二、性能指标计算

1.单位制冷量

2.单位容积制冷量对某一具体的制冷剂来说，理论循环的蒸气比体积随蒸发温度（或蒸发压力）的降低而增大，若冷凝温度已经确定，则单位容积制冷量将随蒸发温度的降低而变小。3.理论比功:

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。4.单位冷凝热: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。5.制冷系数：6.热力完善度：为在蒸发温度（）和冷凝温度（）之间工作的逆卡诺循环的制冷系数。热力完善度愈大，说明该循环接近可逆循环的程度愈大。各点参数的确定法：1、先根据1点的温度查表得到对应的饱和蒸气压、比容、熵及焓值。2、再根据4点的温度查表得到对应的饱和蒸气压、比容及焓值。3、根据4点的饱和蒸气压和1点的熵在压－焓图上确定其温度和焓值。

按式(3-6)、式（3-8)、式（3-9)、式（3-10)、式（3-12)）计算循环性能指标如下：三、液体过冷、吸气过热及回热循环流程分析（一）液体过冷：将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温度的状态，称为液体过冷。由制冷剂的热力状态图可知，节流前液体的过冷度愈大，则节流后的干度就愈小，循环的单位制冷量就愈大。（二）吸气过热：压缩机吸入前的制冷剂蒸气的温度高于吸气压力下制冷剂的饱和温度时，称为吸气过热。如果吸入蒸气的过热发生在蒸发器的后部，或者发生在安装于被冷却空间内的吸气管道上，或者发生在两者皆有的情况下，那么由于过热而吸收的热量来自被冷却的空间，因而产生了有用的制冷效果。我们将这种过热称为有效过热。与无过热循环相比，有效过热循环的单位制冷量增大了。而循环的理论比功也增大了，因而有效过热循环的制冷系数可表示为：虽然有效过热的循环制冷量增大了，但耗功量也增大了。有效过热循环的制冷系数是大于还是小于无过热循环的制冷系数，取决于比值是大于还是小于。如果则过热有利。如果则过热不利。（三）回热循环利用回热使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换，使液体过冷、蒸气过热，称之为回热。具有回热的制冷循环，称为回热循环。回热循环系统示意图及其压-焓图

回热循环的单位容积制冷量和制冷系数，相对于无回热循环变化的程度是相同的。如果要使回热循环的单位容积制冷量及制冷系数比无回热循环高，其条件应是：显然，对于一定的蒸发温度来说，上式是否成立，只取决于制冷剂的物性。凡是满足上式条件的制冷剂，采用回热循环后制冷系数可以提高，单位容积制冷量可以增大，因此是有利的，在实际应用中宜采用回热循环。而对于不满足条件的制冷剂，回热循环的制冷系数及单位容积制冷量比无回热循环低。实际上，我们也可以通过与过热循环的比较来得到一些有用的结论。比较可知，回热循环制冷量以及制冷系数的改变量与有效过热循环一样，因此由图3－4和表3－1得出的结论同样适合于回热循环，即从单位容积制冷量和制冷系数角度看，R502、R290、R600a、R134a等制冷剂采用回热循环有利，而R717采用回热循环不利。此外，回热循环还具有过冷循环由于制冷剂液体过冷所带来的优点。四、非共沸混合制冷剂循环

由于非共沸混合制冷剂在定压相变时温度会发生变化，所以用非共沸混合制冷剂来近似实现洛伦兹循环是非共沸混合制冷剂的一大优点。（一）单级压缩基本循环

压缩机出来的高压制冷剂气体，组成为,温度为,进入冷却器被冷却成饱和蒸气(即露点，温度为）后再进入冷凝器，制冷剂在冷凝器里放热冷凝成为饱和液体（即泡点，温度为),然后进入节流阀节流降压。和的选择是根据冷却介质的温度变化情况并考虑一定的传热温差而确定。选定和后，根据压缩机的排气压力实际情况，来确定混合制冷剂的组成。这里的混合制冷剂组成确定仅考虑冷凝过程的泡、露点温度匹配因素，实际上，我们还必须考虑蒸发过程的温度匹配问题。

从节流阀里出来的制冷剂为两相状态（点6），压力为蒸发压力，温度为，对应液相的组成为，汽相组成为。这些两相的制冷剂在蒸发器里吸热蒸发到露点状态（点0），此时温度为蒸发压力下的露点温度。然后，它们经回热器回热后，回到制冷压缩机。和的选择是根据被冷却介质的温度变化情况同时考虑一定的传热温差而确定。在和确定后，再根据蒸发压力来决定混合制冷剂的组成。这里得到的仅考虑蒸发温度的匹配情况。它与根据冷凝过程温度匹配得到的通常是不一样的。最终是选择哪一个要综合考虑各方面的因素而最后确定。（二）单级压缩分凝循环1、分凝循环的工作原理：压缩机A将气态混合制冷剂压缩为高压状态，经冷凝器B冷却冷凝后在精馏塔C底部进一步放热，在节流阀J1中稍微降压后进入精馏塔，在精馏塔中混合制冷剂经热质交换分离成高沸点组分和低沸点组分两部分。在塔底的高沸点组分液体经J2节流降压降温后进入精馏塔顶部，在这里少量制冷剂液体吸热蒸发使管外的低沸点制冷剂少量冷凝成为液体，作为精馏塔的回流液。大部分高沸点制冷剂在冷凝蒸发器D中吸热蒸发成为气态。另一方面，从精馏塔顶部出来的低沸点制冷剂蒸气在冷凝蒸发器中被冷凝，经气液分离器E、回热器F后进入节流阀J3，在这里降压降温后进入蒸发器G吸热蒸发，从而产生制冷效果。从蒸发器出来的低温蒸气在回热器F中回热后，与高沸点制冷剂蒸气汇合后回到压缩机，从而完成一个循环。优点：由于在蒸发器里蒸发的是低沸点制冷剂液体，在相同的蒸发压力下，低沸点制冷剂将具有更低的蒸发温度，从而实现较低的制冷温度。如果采用单一低沸点制冷剂单级压缩循环，则所需的冷凝压力将非常高，通常难以实现。在分凝循环中，低沸点制冷剂的冷凝是由高沸点制冷剂的蒸发来实现的，因而无需很高的压力。

2、循环流程原理图

单级压缩分凝循环流程图混合工质图分凝循环流程工作点在图上的表示

第二节单级压缩蒸气制冷实际循环一、实际循环的特性实际循环和理论循环的不同之处：（1）流动过程阻力，有压力损失（2）制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热交换，尤其是自节流阀以后，制冷剂温度降低，热量便会从环境介质传给制冷剂，导致漏热，引起冷量损失。（3）热交换器中存在温差，例如冷却水或空气的温度低于冷凝温度，且T是变化的（进口温度低，出口温度高),载冷剂或冷却对象的温度高于蒸发温度。（一）流动过程阻力的影响1.吸入管道、2.排出管道、3.液体管道、4.两相管道、5.蒸发器、6.冷凝器（二）漏热的影响两相管道和蒸发器的漏热是制冷量的直接损失，使系统的制冷量降低，能耗提高，而吸入管道的漏热产生的后果与第一节讨论过的无效过热的后果一样。因此，在实际系统中，我们应该尽量减小这些漏热。

二、实际循环的T-S图和Lgp-h图分析：

5－6为实际蒸发过程，它与被冷却物质之间存在温差。同时，由于热交换器中有流动损失，使制冷剂在蒸发器内有压力降，因此5－6是一条向右下方倾斜的直线。6－1s是蒸发器至压缩机开始压缩前这一过程中的压力和温度变化。为了表示清楚起见，我们把过程6-1s看作制冷剂先由点6等压过热至状态点a，然后等焓节流至1s。

1s-2s是压缩过程

，压缩终了的气体状态为2s。由气缸内的点2s排到冷凝器时的过程，也是一个有压力降低和温度降低的过程，2s-b表示排气过程的冷却情况，b-c表示排气管道中的压降。c-3-4表示在冷凝器中的冷却及冷凝过程。在这一过程中由于有流动阻力损失，因此压力是渐渐降低的，冷凝温度也是变化的，同时，与冷却介质(如水、空气）之间存在着变化的温差。4-5是实际的节流过程。它也是一个同环境介质有热交换的过程，过程前后焓值也稍有变化。三、实际循环的性能指标及热力计算工程设计中的简化途径是：1、忽略冷凝器及蒸发器中的微小压力变化，即以压缩机出口压力作为冷凝压力，以压缩机进口压力作为蒸发压力，同时认为冷凝温度和蒸发温度均为定值；2、将压缩机内部过程简化成一个从吸气压力到排气压力的有损失的简单压缩过程；3、节流过程仍认为是前后焓相等的过程。经过上述简化，则实际循环的压－焓图如右图所示，可直接利用此图进行循环的性能指标的计算，且由此而产生的误差也不会很大。

压缩机的指示功率为：

第四节单级压缩蒸气制冷循环的特性分析一、冷凝温度变化对制冷机性能的影响若冷凝温度由升高到则：

（1）单位制冷量由减小到（2）单位压缩功由增大到（3）吸入状态的比体积不变。若忽略压缩机输气系数的变化，则制冷剂的质量流量不变。（4）由于不变，减小到，增大到，因而制冷机的制冷量由减小到，而理论功率将由增大到。（5）由于减小至，而不变，因此将减小到。

结论：当蒸发温度不变而冷凝温度升高时，对于同一台制冷机来说，它的制冷量将要减小，而消耗的功率将要增大。因此，制冷系数将要降低。

二、蒸发温度变化对制冷机性能的影响当冷凝温度不变，而蒸发温度由降低到，则：（1）单位制冷量由降低到。（2）吸气比体积由增大到，流过制冷机的制冷剂流量由减小到，因而制冷量由减小到。（3）单位压缩功由增大到，但由于制冷剂的循环量减小，因此不能直接看出制冷机的功率是增大还是减小。（4）随着的降低，循环的制冷系数必然减小。结论：当不变而降低时，制冷机的制冷量，制冷剂流量及制冷系数都是降低的，而压缩机的功率是增大还是减小，与变化前后的压比值有关。当开始逐渐降低时，压缩机的功率有一最大值。

对于大多数制冷剂而言，当其压比大约等于3时，制冷机的功率最大。

三、单级压缩制冷机的工况所谓工况，是指制冷系统的工作条件。一般应包括制冷机的蒸发温度、冷凝器温度、过冷温度、吸气过热温度等。与名义参数（通常规定在有关标准、产品铭牌或样本上）相应的温度条件称为名义工况。容积式制冷压缩机及机组的名义工况

热泵型压缩机及机组的名义工况

第五节制冷循环的热力学第二定律分析

一、熵分析法由热力学理论可知，对于一个由制冷机及其环境（包括被冷却物体及冷却介质）所构成的孤立系统，当其中进行的过程完全可逆时系统的熵保持不变。若过程不可逆，则系统的熵要增大，即：式中，表示系统各部分由于发生不可逆过程导致的熵的增量。对于逆向循环，不可逆过程将导致循环多消耗一部分附加功。由斯托道拉原理可知，不可逆过程引起的附加功等于大气环境的温度与系统由于发生不可逆过程导致熵的增量的乘积。若某一不可逆过程引起的系统的熵增为

，则它多消耗的附加功可表示为而循环的各个不可逆过程引起的总的附加功应等于各个过程的附加功的总和若制冷循环所消耗的功为w，它比完全可逆循环所消耗的功要大，因此

由此，实际循环的热力完善