《建筑冷热源》全册配套最完整课件1

《建筑冷热源》全册配套最完整精品课件1冷热源工程建环教研室第1章制冷的基本知识本章主要内容1.1概述1.2理想制冷循环1.3蒸气压缩式制冷的理论循环1.4蒸气压缩式制冷的实际循环1.1概述本节主要内容一.制冷的定义及研究内容二.制冷技术的应用三.制冷技术的发展历程及研究方向四.常用的制冷方法1.1概述思考：为什么强调用“人工”的方法？天然冷源受地理、气候等条件的限制而不可多得。A.受到地区条件的限制，不是处处都有；如冰（≤0℃）；地下水的水温：东北地区4～14℃

西北地区18～20℃

华北地区15～19℃

华东地区19～20℃1.1概述B.温度不能太低，远远不能满足工农业生产、科学技术发展及人们生活水平提高对冷的要求。C.大量使用地下水会使地面下沉。D.大型系统使用天然冷源时，因其他方面的损失，不一定是经济的。1.1概述研究内容：可以概括为以下四个方面：

(1)研究获得低于环境温度的方法、机理以及与此对应的循环，并对循环进行热力学的分析和计算。

(2)研究循环中使用的工质的性质，从而为制冷机提供合适的工作介质。因工质在循环中发生状态变化，所以工质的热物理性质是进行循环分析和计算的基础数据。此外，为了使这些工质能实际应用，还必须掌握它们的一般物理化学基础。

(3)研究气体液化和分离技术。例如液化氧、氮、氢、氦等气体，将空气或天然气液化、分离，均涉及一系列的制冷或低温技术。

(4)研究所需的各种机械和设备，包括它们的工作原理、性能分析、结构设计。此外还有热绝缘问题，装置的自动化问题，等等。1.1概述上述前三个方面构成制冷或低温技术原理的基本研究内容，第四方面涉及具体的设备和装置。1.1概述三、制冷技术的发展历程及研究方向

人们很早就懂得冷的利用。在我国古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑降温。马可·波罗在他的著作《马可·波罗游记》中，对中国制冷和造冰窖的方法有详细的记述。

1755年爱丁堡的化学教师库仑利用乙醚蒸发使水结冰。他的学生布拉克从本质上解释了融化和气化现象，提出了潜热的概念，并发明了冰量热器，标志着现代制冷技术的开始。在普冷方面，1834年发明家波尔金斯造出了第一台以乙醚为工质的蒸气压缩式制冷机，并正式申请了英国第6662号专利。这是后来所有蒸气压缩式制冷机的雏型，但使用的工质是乙醚，容易燃烧。1.1概述

1875年卡列和林德用氨作制冷剂，从此蒸气压缩式制冷机开始占有统治地位。在此期间，空气绝热膨胀会显著降低空气温度的现象开始用于制冷。1844年，医生高里用封闭循环的空气制冷机为患者建立了一座空调站，空气制冷机使他一举成名。威廉·西门斯在空气制冷机中引入了回热器，提高了制冷机的性能。1859年，卡列发明了氨水吸收式制冷系统，申请了原理专利。1910年左右，马利斯·莱兰克发明了蒸气喷射式制冷系统。

20世纪，制冷技术有了更大发展。全封闭制冷压缩机的研制成功；米里杰发现氟里昂制冷剂并用于蒸气压缩式制冷循环，以及混合制冷剂的应用；伯宁顿发明回热式除湿器循环以及热泵的出现，均推动了制冷技术的发展。1.1概述协会：1888英国冷库和冰协会

1903、1904美国制冷设备制造协会和美国制冷工程师协会

1908国际制冷学会（法）

1978中国加入1.1概述制冷技术研究的方向：

近期制冷技术的发展主要缘于世界范围内对食品、舒适和健康方面，以及在空间技术、国防建设和科学实验方面的需要，从而使这门技术在20世纪的后半期得到飞速发展。受微电子、计算机、新型原材料和其它相关工业领域的技术进步的渗透和促进，制冷技术取得了一些突破性的进展，同时也面临一场新的挑战。

(1)微电子和计算机技术的应用在基础研究方面：计算机仿真制冷循环始于1960年。如今，普冷和低温领域中的各种循环，如：吸收式制冷循环、热电制冷循环；1.1概述利用声制冷、光制冷、化学方法制冷的各种循环；以及各种新型的混合型循环。研究制冷系统的热物理过程、系统及部件的稳态和瞬态特性以及单一工质和混合工质的性质等等，也离不开微电子和计算机技术的应用。

在制冷产品的设计制造方面：计算机现已广泛用于产品的辅助设计和制造(CAD，CAM)。例如结构零件设计的有限元法和有限差分法以及用计算机控制精密机械加工。计算机和微处理器对制冷技术的最大影响在于高级自动控制系统的开发。这是一项综合性技术，涉及到先进的控制方法、可靠的集成块芯片及专门的控制模块、精良的传感器。当前制冷系统采用电脑控制已极为普遍，控制模式正在发生变化，由简单的机械式控制发展到综合控制，为提高产品性能作出贡献。1.1概述(2)新材料在制冷产品上的使用

陶瓷及陶瓷复合物(如熔融石英、稳定氧化锆、硼化钛、氧化硅等)具有一系列优良性质：比钢轻、强度和韧性好、耐磨、导热系数小、表面光洁度高。将陶瓷用烧结法渗入溶胶体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、合成橡胶和复合材料等)用于制冷产品中作为电绝缘材料、减振件和软管材料；利用聚合材料的热塑性，以新工艺通过热定型的方法制造压缩机中的复杂零件(转子、阀片等)。这些新材料的应用，带来产品性能、寿命的提高和成本的降低。1.1概述

(3)机器、设备的开发研究为满足各种用冷的需要，新产品不断推出，商品化程度不断提高。压缩机以高效、可靠、低振动、低噪声、结构简单、成本低为追求目标，由往复式向回转式发展。如新型螺杆式压缩机、涡旋式压缩机、摆线式压缩机等，都具有优良特性和竞争力。在压缩机的驱动装置上，将变频器用于空调、热泵及集中式制冷系统的变速驱动，带来了节能效果。1.1概述(4)工质的开发研究

继氟里昂和共沸混合工质之后，由于1970年石油危机，节能意识提到重要地位，在开发新工质上引人注目地研究出一系列非共沸工质，收到了节能的效果和满足一些特定需要。由于臭氧耗损和温室效应引起了严峻的环境保护问题，导致了80年代末开始全球禁止CFCs物质，进而波及到HCFC类物质，这既是一次历史性的冲击，同时又提供了新的发展机遇。近年来在替代工质开发及其热物理性质研究方面取得的成就即是证明。1.1概述1.1概述1.1概述温差电制冷（半导体制冷）

1834年，法国科学家珀尔帖发现：两种不同金属组成的闭合电路中接上一个直流电源，则一个接点变冷（吸热），另一个接点变热（放热），这种现象称为珀尔帖效应。这是温差电制冷的理论基础

1.1概述1.1概述制冷技术第二章蒸气压缩式制冷的热力学原理蒸气压缩式制冷的热力学原理1.理想制冷循环2.理论制冷循环3.制冷循环热力计算1.理想制冷循环1.0常用术语1.1热力学基本定律1.2制冷循环的热力学分析1.3理想制冷循环无温差传热的逆向可逆循环

——逆卡诺循环1.4具有传热温差的逆向可逆循环1.5具有变温热源的理想制冷循环-洛伦兹循环1.6热泵的作用1.0常用术语一.物质具有一定质量并占据空间的任何物体称为物质。物质通常以固、液、气三态存在。蒸气压缩式制冷机都依靠内部循环流动的工作物质来实现制冷过程。制冷机中的工作物质称为制冷剂。制冷装置中用来传递冷量的工作物质称为载冷剂。

温度是物体冷热程度的量度。它是物质分子热运动剧烈程度的标志尺度。

常用的温度度量单位有摄氏温标t和开氏温标T(绝对温标)。

T(k)=t(℃)+273.15图2-1两种常用温标的比较

二.温度物体在热过程中所放出或吸收的能量称为热量。

生产中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小。

制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取走的热量。商业上常用冷吨来表示。

1冷吨：1吨0℃饱和水在24小时内被冷冻到0℃的冰所需冷量。

三.热量热量单位换算：1大卡（kcal）=1000卡（cal）1焦(J)=0.2389卡（cal）≈0.24卡（cal）1英热单位(Btu)=0.25大卡（kcal）（Britishthermalunit

）1英热单位(Btu)=1.05千焦(kJ)1美国冷吨=3024kcal/h1日本冷吨=3320kcal/h

比热是一个物性参数，意为单位度量的物质温度变化1k时所吸进或放出的热量。

体积比热Cv(J/m3.k)

摩尔比热Cp(J/mol.k)

四.比热（specificheat）

不改变物质的形态而引起其温度变化的热量称为显热。

不改变物质的温度而引起其形态变化的热量称为潜热。

制冷剂的汽化潜热有何要求？五.显热和潜热表1-1几种制冷物质的汽化潜热

(kJ/kg)物质水氨R12R22氯甲烷二氧化硫R114R502汽化热2256.81369167.5234.5427.1397.8137.96150.02图2-2绝对压力、表压力和真空度的关系

六.压力垂直作用在单位面积上的力称为压力p(压强)。p是确定物质状态的基本参数之一。1bar=105pa

饱和压力ps与饱和温度ts的对应关系。

比容：每千克物质所占有的容积。v是基本状态参数。

.v=1

七.比容v和密度

表示材料传导热量的能力，是一个物性参数。数值上等于：1m厚的材料两边温差1k时在1小时内通过1m2表面积所传导的热量。单位：w/m.k

常用保温材料的

值？八.导热系数

物质的热力状态性质可以绘制成曲线图的形式。制冷剂性质曲线图有多种形式。行业中最常用的是lgp-h图。

lgp-h图的构成可以总结为一个临界点、二条饱和线、三个状态区、六组等值线。九.压-焓图(lgp-h)(a)压-焓图

(b)压-焓图上的主要曲线

图2-3压焓图上的主要曲线

等压线

—水平线等焓线

—垂直线等干度线x—湿蒸汽区域内等熵线

—向右上方倾斜等容线

—向右上方倾斜等温线

—垂直线（未）→水平线（湿）→向右下方弯曲（过）

莫里尔图由于制冷装置中，制冷剂的实际压力并不太高，lgp-h图靠近临界点的高压部分和湿蒸汽区域的中间部分在热力计算中很少用到，为了使图面清晰简捷，往往将这两部分截去。

课后练习：lgp-h图中状态点参数的查取。图2-4R22的lgp-h图1.1热力学基本定律热力学第零定律:如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。热力学第一定律：在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传递和转换前后的能量总量维持恒定。

1.1热力学基本定律热力学第二定律：能量贬值原理。热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。热力学第三定律：绝对温度的零度是不可能达到。

1.2制冷循环的热力学分析

热力学循环

正向循环

热能转化为机械功逆向循环消耗功1.2制冷循环的热力学分析正向循环是使高温热源的工质通过动力装置对外做功，然后再流向低温热源，称为动力循环，即把热量转化为机械功的循环。所有的热力发动机都是按正向循环工作的，在温-熵或压-焓图上，循环的各个过程都是依次按顺时针方向变化的；1.2制冷循环的热力学分析逆向循环，它是使工质(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。1.2制冷循环的热力学分析逆向循环又可分为可逆和不可逆两种。可逆循环是一种理想循环，它不考虑工质在流动和状态变化过程中的各种损失。如果在工质循环过程中考虑了上述各种损失，即为不可逆循环。在制冷循环中，不可逆主要来自两个方面：即制冷剂在流动和状态变化时因内部摩擦、不平衡等引起的内部不可逆损失，以及冷凝器、蒸发器等换热器存在传热温差的外部不可逆损失。1.2制冷循环的热力学分析1.3理想制冷循环——逆卡诺循环

1.3.1逆卡诺循环循环过程1-2等熵压缩→

耗功w12-3等温冷凝放热qk=(sa-sb)3-4等熵膨胀→做功w24-1等温蒸发吸热q0=T0(sa-sb)两个恒温热源两个等温过程两个等熵过程1.3.2循环结果

从被冷却介质吸热q0（单位制冷量）；向冷却介质放热qk；循环净耗功wc＝w－we＝qk－q0

1.3.3制冷系数制冷系数ε（COPcoefficientofperformence）表示它的循环经济性能，制冷系数等于单位耗功量制得的冷量g与所消耗功的比值。逆卡诺循环制冷系数，仅与高、低温热源温度有关，而与制冷剂的热物理性质无关。

T0↗或Tk↘ε↗

1.3.4逆卡诺循环特点T0与Tk对制冷系数的影响是不等价的，To的影响大于Tk。同时，也意味着要实现温度降低的制冷具有更高的难度。由于逆卡诺循环不考虑各种损失，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ε

，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。1.3.4逆卡诺循环特点湿蒸汽区域内进行湿压缩设备：蒸发器无传热温差

冷凝器无传热温差

压缩机无摩擦运动

膨胀机不经济，且难以加工1.4具有传热温差的逆向可逆循环1.4具有传热温差的逆向可逆循环Tk’—冷却介质的温度T0’—被冷却介质的温度逆卡诺循环：1’-2’-3’-4’-1’Tk—冷凝器中制冷剂的温度T0—蒸发器中制冷剂的温度有传热温差的循环：1-2-3-4-1耗功量增加：阴影面积制冷量减少：1-1’-4’-4-11.4具有传热温差的逆向可逆循环有传热温差的制冷循环的制冷系数εc’小于逆卡诺循环的制冷系数εc

。蒸发器传热温差对制冷系数的影响将大于冷凝器传热温差1.4具有传热温差的逆向可逆循环热力完善度：工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数与逆卡诺循环制冷系数的比值。

η＝

εc’/εc

≤1η的大小反映了实际制冷循环接近逆卡诺循环的程度。

在制冷装置的实际运行中，高温热源（冷却介质）和低温热源(被冷却介质）的温度通常是不断变化的。冷凝器中的冷却水的温度是逐步升高，而被冷却介质的温度是不断降低的。由于制冷剂在冷凝器和蒸发器中保持等温冷凝和蒸发，这样就增大了制冷剂和介质之间的传热温差，使循环不可逆损失增加，制冷系数和热力完善度下降。为了减少不可逆传热引起的能量损失，制冷剂与冷却和被冷却介质之间必需保持最小的传热温差，并且所有各点应保持定值。1.5具有变温热源的理想制冷循环-洛伦兹循环1.5具有变温热源的理想制冷循环-洛伦兹循环由两个和热源之间无温差的热交换过程以及两个等熵过程所组成的逆向可逆循环，为洛伦兹循环，是消耗功最小的循环，即制冷系数最高的循环。前提：热源温度变化的条件下1.5具有变温热源的理想制冷循环-洛伦兹循环1.6热泵的作用

逆向循环以耗功为补偿，通过制冷剂的循环把从低温热源中吸收的热量（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，也可用来供热，或者冷、热同时使用。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。在逆卡诺循环中，制冷剂在每次循环中向高温热源放出的热量为qk’=qo’+wc则进行逆卡诺循环的热泵供热系数为：μc=（qo’+wc）/wc=1+εc=Tk’/（Tk’-To’）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。1.6热泵的作用1.6热泵的作用热泵供热比直接用电供热耗能省，它是一种节能的供热方式。但热泵是否比其它供热方法（如燃料的直接燃烧、蒸气供热等）节能和经济，还应根据提供热泵的具体条件进行分析和比较。2.理论制冷循环2.1工作原理2.2理论循环在lgp-h图上的表示2.3性能指标2.4液体过冷和吸气过热对制冷循环的影响2.1理论制冷循环的工作原理单级理论循环的假设基础：(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。循环组成循环组成压缩机：等熵压缩；冷凝器：等压放热；节流阀：绝热节流，等焓；蒸发器：等压吸热而制冷。

“四大件”作用压缩机：“心脏”，压缩和输送制冷剂蒸汽；节流阀：节流降压，并调节进入蒸发器的制冷剂流量；蒸发器：吸收热量（输出冷量）从而制冷；冷凝器：输出热量。

循环特点（对比逆卡诺循环）膨胀机膨胀阀低压高干度湿蒸气逆卡诺循环理论制冷循环高压饱和蒸气高压饱和液体低压低干度湿蒸气高压饱和液体过热蒸气低压低干度湿蒸气低压干饱和蒸气定温放热定温吸热定压放热定压吸热湿压缩干压缩循环特点（对比逆卡诺循环）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；制冷剂用膨胀阀绝热节流，而不是用膨胀机绝热膨胀；压缩机吸入饱和蒸气（干压缩）而不是湿蒸气（湿压缩）三种制冷循环在T-S图上的表示理论循环制冷系数及其它参数的变化影响逆卡诺循环和具有传热温差的逆向可逆循环制冷量、耗功量以及制冷系数的因素对理论制冷循环仍然有效，而且制冷剂在进行理论循环过程中又产生了一些影响上述参数的其它因素。1、膨胀阀代替膨胀机后的节流损失2、用干压缩代替湿压缩后的饱和损失2.2理论循环在lgp-h图上的表示理论循环在T-s图（a）和lnp-h图（b）上的表示补充：热力学第一定律的基本能量方程式1).闭口系统的能量平衡工质从外界吸热Q后从状态1变化到2，对外作功W。若工质宏观动能和位能的变化忽略不计，则工质储存能的增加即为热力学能的增加ΔU热力学第一定律的解析式加给工质的热量一部分用于增加工质的热力学能储存于工质内部，余下一部分以作功的方式传递至外界

对微元过程，第一定律解析式的微分形式(A)

对于1kg工质A式对闭口系普遍适用。可逆过程

完成一循环后，工质恢复原来状态

闭口系完成一循环后，循环中与外界交换的热量等于与外界交换的净功量。2).开口系统的能量平衡图示开口系统，dτ时间内，质量的微元工质流入截面1-1，质量微元工质流出2-2，系统从外界得到热量，对机器设备作功。图2-5开口系统流动过程中的能量平衡过程完成后系统内工质质量增加dm,系统总能增加dECV，由系统能量平衡的基本表达式有：由E=me,V=mv,h=u+pv,得稳定流动

系统只有单股流体进出微量形式：当流入质量为m的流体时，稳定流动能量方程：能量方程式的应用工质流经压缩机时，机器对工质做功wc,使工质升压，工质对外放热q每kg工质需作功：

压缩机图2-6压缩机能量平衡膨胀机膨胀过程均采用绝热过程。稳定流动能量平衡方程：图2-7膨胀机能量平衡工质流经换热器时和外界有热量交换而无功的交换，动能差和位能差也可忽略不计。换热器图2-8换热器能量平衡1kg的工质吸热量：

工质流经喷管和扩压管时不对设备作功，热量交换可忽略不计。1kg工质动能的增加：

喷管图2-9喷管能量转换工质流过阀门时流动截面突然收缩，压力下降，这种流动称为节流。节流设流动绝热，前后两截面间的动能差和位能差忽略，因过程无对外做功，故节流前后的焓相等该式只对节流前后稳定段成立，而不适合节流过程段。

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：（2-1）

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：（2-2）

按照式（2-1）和式（2-2），单级压缩蒸气制冷机循环的各个过程有如下关系：q0称为单位制冷量，习惯上取为正值，在T-s图上用面积1-4-b-a-1代表，而在lgp-h图上则用线段4-1表示。

（1）压缩过程:δq=0,因而

δw=dhw=h2-h1

（2-3）(2)冷凝过程：

dw=0δq=dhqk=h2-h3

（2-4）

（4）蒸发过程：dw=0因而

δq=dhq0=h1-h4=h1-h3

（2-6）

(3)节流过程：

w=0q=0Δh=0h3=h4（2-5）

2.3性能指标单位制冷量q0(1)单位制冷量压缩蒸气制冷循环单位制冷量可按式（2-6）计算。单位制冷量也可以表示成汽化潜热r0和节流后的干度x4的关系：

(2-7)

由式（2-7）可知，制冷剂的汽化潜热越大，或节流所形成的蒸气越少（x4越小）则循环的单位制冷量就越大。（2-7）

2.3性能指标(2)单位容积制冷量qv(2-8)(3)理论比功w0(2-9)（2-8）

对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说，制冷剂在节流过程中不作外功，理论比功等于循环的理论比功，可表示为：

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。（3）理论比功（2-9）

(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。(2-10)

比较式（2-6）、（2-9）和（2-10）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：(2-11)

对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，制冷系数为：制冷系数愈大经济性愈好（5）制冷系数(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(2-13)这里εc为在蒸发温度（T0）和压缩机排气温度（T3）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。

制冷系数与热力完善度的不同意义制冷系数与热力完善度都是用来评价循环经济性的指标，但意义不同。1、制冷系数随循环的工作温度而变，因此只能评价相同热源温度下的循环经济性。2、不同温度下工作的制冷循环需要通过热力完善度来判断其循环经济性。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作一些改进，以便提高循环的热力完善度。在单级制冷机循环中，这一改进主要有液体过冷、吸气过热及由此而产生的回热循环将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝温度的状态，称为过冷。带有过冷的循环，叫做过冷循环。采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数都是有利的2.4.1液体过冷2.4.2过冷循环的温熵图和压焓图过冷循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示

在图（a）中，

q0以面积5‘-5-b-c表示，在图（b）中，q0以线段5’-5表示。因两个循环的理论比功w0相同，过冷循环的制冷系数比无过冷循环的制冷系数要大。与无过冷的循环1-2-3-4-5-1相比，过冷循环的单位制冷量的增加量为：2.5吸入过热蒸气对制冷循环的影响

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，称为过热。具有吸气过热的循环，称为过热循环。2.5.2过热循环的温熵图和压焓图过热循环1-1‘-2’-3-4-5-1的T-s图和lgp-h图。图中1-1‘是吸气的过热过程，其余与基本循环相同。

(2-16)

(2-17)(2-18)(2-19)仅与制冷剂性质有关有害过热无此增加制冷量有效过热与有害过热有效过热的过热度对制冷系数的影响过热度℃R502R600aR290R134aR22NH3045.337.444.444.155.993.03073.965.772.172.986.3131.5过热度对排气温度的影响2.6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。回热循环T-S及lgP-h图图2-21回热循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示若不计回热器与环境空气之间的热交换，则液体过冷的放热量等于使蒸气过热的吸热量，其热平衡关系为：

（2-22）回热循环的性能指标如下：单位制冷量（2-23）单位容积制冷量（2-24）单位功

（2-25）制冷系数（2-26）由回热循环lgp-h图可知，与无回热循环1-2-3-4-5-1相比较，回热循环的单位制冷量增大了但单位功也增大了（2-28）

循环的单位功可近似地表示成（2-29）单位容积制冷量和制冷系数可表示成（2-30）(2-31)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：即（2-32）制冷循环热力计算是利用制冷循环的各状态点的参数计算出循环的性能指标。循环的热力计算，由于实际循环和理论循环有许多不同之处，为了更好的理解实际与理论循环的区别，以及分析对实际循环进行的简化是否合理，有必要对实际及理论制冷循环进行一下对比分析。3、制冷循环热力计算实际循环与理论循环的比较

区别1）制冷压缩机的压缩过程不是等熵过程，且有摩擦损失和散热损失。2）实际制冷循环中压缩机吸入的制冷剂往往是过热蒸气，节流前往往是过冷液体，即存在气体过热、液体过冷情况。3）热交换过程中，存在着传热温差，被冷却介质温度高于制冷剂的蒸发温度，环境冷却介质温度低于制冷剂冷凝温度。4）制冷剂在设备及管道内流动时，存在着流动阻力损失，且与外界有热量交换。5）实际节流过程不完全是绝热的等焓过程，节流后的焓值有所增加。实际循环的简化为工程设计方便，做如下简化忽略冷凝器蒸发器中压降，以压缩机排气压力作冷凝压力（或排气压力减去压降后），以压缩机吸气压力作蒸发压力（或吸气压力加上吸气压降），认为T0，TK为定植。压缩过程简化为有损失的简单压缩过程。节流为等焓过程单级蒸气压缩式制冷的实际循环(简化后）简化后的实际循环P—h图：简化后的循环的性能指标的表达式，各下标对应于上图所示的状态点。1．单位制冷量、单位容积制冷量及单位理论功

这些同理论循环的计算完全一致。2．单位冷凝热上式中点2状态的焓值用下式计算式中

为压缩机的指示效率，它被定义为等熵压缩过程耗功量与实际压缩过程耗功量之比。3．制冷剂的循环流量

式中为制冷量，通常由设计任务给出。

（2-36）（2-37）（2-38）4．压缩机的实际功率5．实际制冷系数例题1.试计算氟利昂22(R22)制冷剂在下列工况下的理论制冷系数ε，并进行比较和讨论。A工况：tk=35℃，to=0℃；B工况：tk=40℃，to=0℃；C工况：tk=40℃，to=-5℃；各状态点焓值工况冷凝蒸发h1h2h3=h4温度tk压力pk温度to压力poA工况3513.504.98405.4430243.16.60B工况4015.304.98405.4433249.75.64C工况4015.3-54.21403.5437249.74.59B工况较A工况，tk升高5℃，制冷系数下降，下降14.5%；C工况较B工况，to降低5℃，制冷系数下降，下降18.6%。2.试计算氟利昂22（R22）制冷剂在下列工况下循环时的理论制冷系数ε，并进行比较和讨论。A工况：tk=40℃，to=0℃；B工况：tk=40℃，to=0℃，t3‘=35℃各状态点焓值工况冷凝蒸发h1h2节流前焓值h3制冷系数ε温度tk压力pk温度to压力poA工况4015.304.98405.4433249.75.64B工况4015.304.98405.4433243.15.88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tk-t3’=5℃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℃，试求分别用R134a、R22和R717工作时的理论循环的性能指标。状态点参数（单位）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各状态点参数循环性能指标计算结果制冷剂单位制冷量单位容积制冷量单位理论功单位冷凝热制冷系数卡诺循环制冷系数热力完善度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℃，制冷剂为R134a，采用回热循环，压缩机的吸气温度为0℃，试进行制冷理论循环的热力计算。状态点1：p1=1.16(×102kpa)；t1=-23℃；h0=382.9(kJ/kg)状态点1’：p1’=1.16(×102kpa)；t1’=0℃；h1’=401.6(kJ/kg)；v1’=0.185(m3/kg)状态点2’：p2’=10.16(×102kpa)；t2’=71.5℃；h2’=452.1(kJ/kg)状态点4：p4=10.16(×102kpa)；t4=40℃；h4=256.2(kJ/kg)状态点4’：p4’=10.16(×102kpa)；t4’=27.3℃；h4’=237.5(kJ/kg)项目计算公式单位制冷量q0=h1-h4’145.4单位容积制冷量qv=q0/v1’785.9单位理论功W0=h2’-h1’50.5单位冷凝热qk=h2’-h4195.9制冷系数ε0=q0/W02.879卡诺循环制冷系数εc=T1/(T4-T1)3.968单位回热器负荷qR=h1’-h1=h4-h4’18.7热力完善度η=ε0/εc0.726第三章蒸气压缩式制冷第一节可逆制冷循环第二节单级蒸气压缩式制冷的

理论循环第三节单级蒸气压缩式制冷的

实际循环第四节蒸气压缩式制冷中的制冷剂第三章蒸气压缩式制冷第五节采用混合制冷剂的单级

蒸气压缩式制冷循环第六节多级蒸气压缩制冷循环第七节复叠式制冷第八节CO2制冷第一节可逆制冷循环内容提要一、压缩式制冷的热力学原理概述二、逆卡诺制冷循环三、劳伦茨循环第一节可逆制冷循环

一、压缩式制冷的热力学原理概述

制冷系统是利用逆向循环的能量转换系统，通过能量补偿，使制冷剂在循环中不断地从温度较低的被冷却对象中吸取热量，并向温度较高的冷却介质排放热量。一般将流出热量的对象(制冷剂从中吸收热量)称为热源；将流入热量的对象(制冷剂向其排放热量)称为热汇。

制冷循环的热力学本质是：用能量补偿的方式把热量从低温热源排到高温热汇。从这一本质出发，制冷循环不但可以实现使物体降到环境温度以下的制冷目的，而且可以用于使物体升到环境温度以上的加热目的。第一节可逆制冷循环1.制冷机与热泵在制冷机中人们以环境(环境温度的水或空气)为高温热汇，利用逆向循环在低温下从低温热源吸热，收益是制冷量。如果以环境为低温热源，利用循环在高温下向高温热汇排热，收益是供热量，便可用此热量将某空间或物体加热到环境温度以上。具有这种用途的机器叫做“热泵”。可见，热泵与制冷机循环的热力学本质完全相同。这就是将热泵纳入制冷技术范畴的理由。它们的区别仅在于使用目的。单一用于制冷的机器叫制冷机；单一用于供热的机器叫热泵。制冷机可以做成在一些时候用来制冷，在另一些时候用来供热，这样的制冷机叫做热泵型制冷机。第一节可逆制冷循环

制冷机和热泵的能量转换关系如图3－1所示。图中，制冷剂从低温热源吸收的热量用QL(或Q0)表示，向高温热汇排放的热量用QH表示，补偿能用E表示。

图3－1制冷机和热泵的能量转换关系图第一节可逆制冷循环2．制冷循环的性能系数COP和循环效率η

性能系数用来反映消耗一定的补偿能可以获得多少收益能。性能系数的定义为：循环中收益能数值与补偿能数值之比，即

COP=收益能量/补偿能量

循环用于制冷时，制冷机的性能系数为

COPR=Q0/E(3－1)

循环用于供热时，热泵的性能系数为

COPH=QH/E(3－2)

按热力学第一定律，有

QH=Q0+E(3－3)

所以COPH=COPR+1(3－4)第一节可逆制冷循环

由式(3－4)可知，热泵的性能系数恒大于1。这说明，用热泵供暖，可以获得比所消耗补偿能量更多的供热量。因为在蒸气压缩制冷机或热泵中，补偿能是向压缩机输入的电能或机械能，记作W。同时，制冷行业中习惯上将压缩式制冷机的性能系数又叫做制冷系数，将热泵的性能系数又叫做供热系数。所以，压缩式制冷机和热泵中

COPR=Q0/W(3－5)

COPH=QH/W(3－6)

以后的论述主要针对制冷机，其性能系数简单记作COP，不再出现下标“R”。第一节可逆制冷循环

循环效率(也称为热力完善度)用来说明制冷循环与可逆制冷循环的接近程度。热力学上最为完善的循环是可逆循环。制冷循环的循环效率定义为：一个制冷循环的性能系数COP与相同低温热源、高温热汇温度下可逆制冷循环的性能系数COPc之比，即

η=COP/COPc(3－7)

实际制冷循环中总会存在各种不可逆因素，其循环效率的值介于0－1之间。η越接近1，说明越接近可逆循环，循环的热力学完善程度越高。第一节可逆制冷循环

二、卡诺制冷循环设有恒温热源和恒温热汇，其温度分别为TL和TH。在这两个温度之间工作的可逆制冷循环是卡诺制冷循环。

逆向卡诺循环由两个等温过程和两个等熵过程组成，如图3－2a所示。工质在循环中以TL温度从低温热源等温吸热(过程4－1)，再等熵压缩到温度升至TH(过程1－2)，又在TH下向高温热汇等温放热(过程2－3)，然后等熵膨胀到温度降至TL(过程3－4)，回到循环开始状态。循环中的一些参数按以下公式确定：

循环的吸热量

循环的排热量

循环的净输入功第一节可逆制冷循环图3－2卡诺制冷循环第一节可逆制冷循环

由能量守衡有性能系数为

(3－8)

式(3－8)给出卡诺制冷循环性能系数的表达式，它是相同的低温热源、高温热汇温度条件下制冷循环性能系数在理论上的最高值。式(3－8)表明：

(1)卡诺制冷循环的性能系数COPc只与热源和热汇的温度有关，而与制冷剂的性质无关。

(2)COPc的大小随TH/TL改变，TH/TL越大则COPc越小。TH一定时，TL越低则COPc越小。图3－2b给出不同TH、TL时COPc变化的具体数值。第一节可逆制冷循环

以上结论对于评价制冷机经济性的意义在于：

(1)制冷机的COP与热源和热汇的温度条件有关。

(2)用COP值来评价或比较制冷机的循环经济性时，只有指明TH、TL评价才有意义；只有在同样的TH、TL条件下，才可以用COP值来比较两台或几台制冷机的循环经济性。

(3)循环效率η的定义本身已包含了相同热源和热汇条件下的比较，所以根据η值的大小可以直接评价和比较各种制冷循环的经济性。第一节可逆制冷循环

三、劳伦茨循环恒温热源和恒温热汇条件下的可逆制冷循环是卡诺制冷循环。恒温热源和热汇的假定意味着热源和热汇的热容量无穷大。事实上，热源(汇)的热容量有限，热源在放热过程中温度将降低，热汇在吸热过程中温度将升高，即它们是温度变化的热源(汇)。

针对变温热源和变温热汇条件，制冷剂变温吸热、变温排热的循环是劳伦茨循环。劳伦茨循环如图3－3所示。循环由两个变温过程和两个等熵过程组成。过程1－2为制冷剂等熵压缩过程；2－3过程为变温放热过程；3－4过程为等熵膨胀过程；过程4－1为变温吸热过程。第一节可逆制冷循环图3－3劳伦茨循环第一节可逆制冷循环

如果上述循环中满足：对于变温放热过程2－3，制冷剂在放热时温度的变化与热汇的温度变化相一致，二者之间没有传热温差；对于变温吸热过程4－1，制冷剂在吸热时温度的变化与热源的温度变化相一致，二者之间没有传热温差。那么，该循环的各个过程都是可逆过程，为可逆劳伦茨循环。可逆劳伦茨循环是变温源(汇)条件下热力学上最理想的循环。分析可逆劳伦茨循环时引入平均当量温度的概念。设Tm是放热过程的平均当量温度；T0m是吸热过程的平均当量温度。

2－3过程单位质量的放热量

(3－9)第一节可逆制冷循环

4－1过程单位质量的吸热量

(3－10)

循环的单位质量输入功

(3－1l)

循环的性能系数

(3－12)

可见，劳伦茨制冷循环的性能系数的值，相当于在Tm和T0m恒温源(汇)条件下工作的卡诺制冷循环的性能系数。第二节单级蒸气压缩式制冷

的理论循环内容提要一、特点及工作过程二、制冷剂的状态图三、理论循环第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

一、特点及工作过程

单级蒸气压缩式制冷系统如图3－4所示。它由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器四个基本部件组成，并用管道将它们串连成一个封闭的系统，制冷剂在这个封闭的系统中循环。工作过程如下：制冷剂在压力p0、温度T0下沸腾，T0低于被冷却对象的温度。压缩机不断抽吸蒸发器中产生的制冷剂蒸气，并将它压缩到冷凝压力pk，排出后送到冷凝器,在压力pk下等压冷却凝结成液体，制冷剂冷却和凝结时放出的热量传给冷却介质。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。冷凝后的制冷剂高压液体通过膨胀阀或其他节流元件进入蒸发器。当制冷剂通过节流元件时，压第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环图3－4单级蒸气压缩式制冷系统1—压缩机；2—冷凝器；3—膨胀阀；4—蒸发器

第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

力从pk降到p0，有一部分液体汽化，剩余的液体温度降到T0，于是节流后的制冷剂以低温低压(p0，T0)气液两相混合状态进入蒸发器。混合物中的液体在蒸发器中蒸发，并从被冷却对象吸热，产生制冷作用。节流过程产生的那部分蒸气是闪发(flash)出来的，该蒸气通常称之为闪蒸气，它在蒸发器中几乎不产生制冷作用。在整个循环过程中，压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸气，并造成蒸发器中低压、冷凝器中高压的作用，是整个系统的心脏，有了它制冷剂才得以在系统内循环。节流阀对制冷剂起节流降压作用，并调节进入蒸发器的制冷剂流量。蒸发器是输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中蒸发时要吸收被冷却对象的热量，从而达到制冷的目的。冷凝器第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

是输出热量的设备，制冷剂在蒸发器中吸收的热量和压缩机消耗功所转化的热量，均带到冷凝器，排放给冷却介质。根据热力学第二定律，以压缩机所消耗的功为补偿，使制冷剂不断从低温物体中吸收热量，并不断向高温物体排放热量，从而完成整个制冷循环。该系统中，来自蒸发器的低压制冷剂蒸气被压缩机吸入后经一次压缩，压力提高到冷凝所对应的高压，因此称它为单级蒸气压缩式制冷系统。第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

二、制冷剂的状态图分析制冷循环，需要借助于制冷剂的状态图描述出制冷剂热力状态的循环变化。因为纯质制冷剂的热力状态由两个独立的状态参数确定，所以任何一种制冷剂都可用平面状态图反映其热力性质，可以用任意两个状态参数分别作平面图的横坐标和纵坐标绘制状态图，并以这两个坐标参数命名状态图，如T－s图、p－h图、h－s图、p－v图等。状态图上绘出各状态参数的等值线簇、制冷剂的相区(液相、气相、两相)。状态图上的一个点代表一个热力状态；利用状态图可以描述热力状态的变化过程，以及由各种过程所组成的循环，并能直观描述循环中的各状态变化和分析这些变化对循环的影响。第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

制冷循环的分析与计算中，通常借助于T-s图和p-h图。由于单位质量制冷剂循环的各个过程中功与热量的变化均可以用比焓的变化计算，因此p-h图在制冷工程计算中得到更为广泛的应用。

1．压力－比焓图压力－比焓图简称压－焓图，即p－h图。它的纵坐标为对数坐标，表示绝对压力；横坐标为比焓。压－焓图的结构如图3－5所示。第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环图3－5压力－比焓图第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

图中的粗实线为相界线。相界线上的点C为临界点。点C左侧的相界线是饱和液体线；右侧的相界线是饱和蒸气线。饱和液体线上的点代表饱和液体状态；饱和蒸气线上的点代表饱和蒸气状态。相界线将制冷剂的状态平面分成三个区：饱和液体线左侧为过冷液体区；饱和蒸气线右侧为过热蒸气区；饱和液体线与饱和蒸气线所围成的区域为气－液两相区。两相区是饱和气－液共存的状态(湿蒸气状态)，其中饱和气所占的份额称做干度x。图中各参数的等值线簇为：

等压线—水平线；

等比焓线—垂直线；第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

等温线—液体区几乎为垂直线；两相区为水平线，与相应的等压线重合；过热蒸气区为向右下方弯曲的倾斜线；

等比熵线—向右上方倾斜的实线；

等比体积线—向右上方倾斜的虚线，比等比熵线平坦；

等干度线—只存在于两相区内，与相界线的走向有相似趋势。

2．温度－比熵图温度－比熵图简称温－熵图，即T－s图，是以温度为纵坐标、以比熵值为横坐标的制冷剂热力状态图。温度－比熵图的结构及各状态参数的等值线簇形状如图3－6所示。第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环图3－6温度－比熵图第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

三、理论循环

1．理论循环的假定

理论循环基于以下假定：

(1)高温热汇和低温热源的温度TH、TL恒定，且制冷剂在相变(冷凝、蒸发)过程中与热源(汇)之间没有传热温差，即冷凝温度Tk=TH，蒸发温度T0=TL；

(2)制冷剂出蒸发器的状态为饱和蒸气，出冷凝器的状态为饱和液体；

(3)制冷剂除在压缩机和膨胀阀处发生压力的升降外，在整个循环的其他流动过程中没有流动压力损失；

(4)除两个热交换器(冷凝器和蒸发器)外，制冷剂在整个循环的其他流动过程中与外界不发生热交换；第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

(5)压缩过程为等熵压缩。

2．理论循环在状态图上的描述按以上假定，理论循环由两个等压过程、一个等熵压缩过程和一个绝热节流过程组成。图3－7示出理论循环在状态图上的描述。对照图3－7，循环中各特征状态和各过程说明如下：

点l代表制冷剂进入压缩机的状态，它是对应于蒸发温度(压力)下的饱和蒸气。点1位于p0等压线(或T0等温线)与饱和蒸气线(等干度线x=1)的交点上。

点2表示经压缩机压缩后排出的制冷剂状态，也是制冷剂在冷凝器入口处的状态。过程线1－2表示制冷剂气体在压缩机中的等熵压缩过程，有s1=s2。所以点2位于等熵线s1第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环图3－7理论循环在状态图上的描述第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

与等压线pk的交点上。大多数制冷剂饱和蒸气经等熵压缩后成为过热蒸气，点2为过热蒸气状态。

点3表示制冷剂在冷凝器出口处的状态，也是制冷剂节流前的状态。点3为饱和液体状态。冷凝器中的过程2－2'－3是定压过程，过程2－2'表示过热蒸气定压冷却到饱和蒸气的过程；过程2'－3表示从饱和蒸气定压凝结到饱和液体的过程。点2'位于等压线pk与等干度线x=1的交点上；点3位于等压线pk与等干度线x=0的交点上。

点4表示节流后的制冷剂状态，也是制冷剂在蒸发器入口处的状态。点4为低压两相状态。因为节流过程是绝热的，所以h3=h4；节流后压力达到蒸发压力，点4位于p0等压线与h3等焓线的交点上。第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

过程4－1表示发生在蒸发器中的定压蒸发过程。至此，完成一个理论循环过程。

3．理论循环特性用循环特性指标反映单位质量(1kg)制冷剂和单位体积(以压缩机吸入状态计1m3)制冷剂完成一个循环时，各个过程中的功与热量的转换与变化。循环特性还包括循环中的一些重要特征参数。理论循环的特性指标如下：

(1)单位质量制冷量q0(简称单位制冷量)

表示1kg制冷剂完成循环时从低温热源所吸收的热量。取蒸发器为隔离体，它等于制冷剂在蒸发器出口处与入口处的比焓之差，即

kJ/kg(3－13)第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

(2)单位容积制冷量qZV

表示以压缩机吸入状态计，单位体积(1m3)制冷剂完成一个循环时，从低温热源所吸收的热量，即

kJ/m3(3－l4)

式中：v1—为状态点1的比体积。

(3)比功w

表示1kg制冷剂完成循环时所消耗的压缩功(技术功)。它等于制冷剂在压缩机吸入与排出口处的比焓之差，即

kJ/kg(3－15)

(4)容积比功wV

表示以压缩机吸入状态计，单位体积(1m3)制冷剂完成一个循环所消耗的压缩功(技术功)，即第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

kJ/m3

(3－16)

(5)单位冷凝热负荷qk

表示1kg制冷剂完成循环时向高温热汇所排放的热量。它等于制冷剂在冷凝器出口处与入口处的比焓之差，即

kJ/kg(3－17)

(6)压力比π

循环中压缩机的排气压力与吸气压力之比，即

(3－18)

(7)排气温度T2

制冷剂气体压缩终了的温度。

(8)循环的性能系数COP(3－19)第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

(9)循环效率(热力完善度)(3－20)

制冷机的性能主要用制冷机的制冷量φ0、压缩机消耗功率P和制冷机性能系数COP反映。设压缩机的理论输气量为qvh(m3/s)，理论循环的制冷机性能计算如下：

(1)制冷剂的循环质量(循环中的质量流量)

kg/s(3－21)(2)制冷量

kW(3－22)(3)压缩机功率

kW(3－23)第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

(4)制冷机性能系数

(3－24)4．理论循环的意义在构造理论循环时做了一系列的理想化假定，那么理论循环是否是可逆循环呢？我们将图3－7b与图3－2放到一起来比较，如图3－8所示。可以看出，理论循环假定中排除了蒸发器中相变传热的不可逆、压缩过程的不可逆和冷凝器中相变传热部分的不可逆，但仍存在两部分的不可逆损失：一是冷凝器中过热气非相变传热部分存在传热温差；二是绝热节流过程为不可逆过程。这两部分的不可逆损失如图中阴影所示。所以，理论循环并非可逆循环。第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环图3－8理论循环与可逆循环的比较第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

尽管如此，理论循环是针对蒸气压缩式制冷系统部件组成条件下的理想化循环，它已最大限度地排除了机器设备(压缩机、冷凝器、蒸发器)本身的不完备因素，所以在给定热源和热汇温度情况下，理论循环是蒸气压缩式制冷循环的基准。理论循环特性与热源(汇)温度有关，与制冷剂的性质有关。当热源和热汇温度给定或冷凝温度和蒸发温度给定时，理论循环在制冷剂的状态图上就唯一地确定下来，各种制冷剂有各自确定的状态图，所以，在相同Tk、T0条件下，理论循环特性唯一地取决于制冷剂的热力性质。第二节单级蒸气压缩式制冷的理论循环

综上所述，理论循环的作用和意义在于：

(1)它是实际循环的基准和参照，用于分析研究实际循环的各种不完善因素和应做出的改进。

(2)用于评价制冷剂。相同Tk、T0条件下，通过不同制冷剂的理论循环特性比较，可以评价它们在热力性质方面的适宜程度。

表3－1给出一些制冷剂在30℃/－15℃时的理论循环特性。运用某种制冷剂时，通过pk、p0反映系统内的压力水准；通过压力比、压力差和排气温度，了解压缩机的工作条件；用q0和qZV反映其制冷能力；COP反映循环的经济性。这样，对于某种特定的制冷要求，流体物质是否适宜用作制冷剂，及其作制冷剂时的长处与短处便一目了然。第三节单级蒸气压缩式制冷

的实际循环内容提要一、实际循环二、各种实际因素对循环的影响三、单级蒸气压缩式制冷机的热力计算四、单级蒸气压缩式制冷机的变工况特性第三节单级蒸气压缩式制冷的实际循环

一、实际循环就循环的外部条件而言，低温热源和高温热汇均为有限源(汇)，它们是有限流量的空气、水或其他流体。冷却流体流过冷凝器时吸收制冷剂的排热，其温度要升高；被冷却流体流过蒸发器时其温度要降低；它们与制冷剂发生热交换时，必然有传热温差。就循环的内部条件而言，制冷剂出蒸发器和进入压缩机的状态未必恰好是饱和蒸气往往有一定的过热；制冷剂在膨胀阀前的状态也未必恰好是饱和液体；制冷剂在系统中循环流动，经过设备的连接管道(包括管件、阀门等)、热交换器管道时均存在流动阻力，造成压力损失，并且通过管道与外界存在热交换。另外，压缩机的实际压缩过程也存在不可逆损失。第三节单级蒸气压缩式制冷的实际循环

考虑以上各种实际因素，实际循环与理论循环的比较如图3－9所示。比较中忽略了热源和热汇的温度变化，仍视之为恒温热源和热汇。实际循环详述如下。由于相变传热部分存在传热温差，所以制冷剂的蒸发过程线位于理论循环的蒸发过程线下方；制冷剂的冷凝过程线位于理论循环的冷凝过程线上方。

4－0－1a表示制冷剂在蒸发器中的蒸发过程，因在蒸发器中的流动阻力损失，蒸发过程温度和压力均有所下降。另外，制冷剂出蒸发器时蒸气稍有过热(状态点1a)。

1a－1b－1表示制冷剂气体出蒸发器后经吸气管、压缩机吸气腔、吸气阀和气缸时的压降和温升，在图上将该过程分解为等压过热(1a－1b)和等比焓降压(1b－1)两部分。第三节单级蒸气压缩式制冷的实际循环图3－9实际循环与理论循环的比较第三节单级蒸气压缩式制冷的实际循环

点1表示制冷剂气体开始压缩的状态。压缩过程初期，气体温度较低，被气缸壁加热，为吸热的压缩过程，比熵增加；随着压缩过程的进行，气体温度逐渐升高到高于气缸壁温度，气体又向气缸壁散热，这阶段为放热的压缩过程，比熵减小。所以，整个压缩过程中先是比熵增加，后是比熵减小，用1－2表示。点2代表压缩终了状态。高压气体经排气阀、排气腔到排气管的流动过程存在压降，用2－2a表示。

2a－3表示高压气体在排气管和冷凝器中的冷却－凝结过程。该过程伴随有流动阻力引起的压力降，且过程终了高压液体有一定的过冷(状态点3)。第三节单级蒸气压缩式制冷的实际循环

3－4表示高压液体的节流过程。由于制冷剂经膨胀阀时流速很快，来不及换热，仍视为绝热节流，故点3与点4的比焓相等。第三节单级蒸气压缩式制冷的实际循环

二、各种实际因素对循环的影响

1．高压液体过冷的影响

制冷剂液体的温度若低于它所处压力下的饱和温度，则称为过冷液体。过冷液体温度与其饱和温度之间的差值称过冷度。以理论循环作为比较基准，若节流前的高压液体处于过冷状态，过冷对循环的影响可以由图3－10分析得出。图中1－2－3－4－1是理论循环，1－2－3'－4'－1是高压液体有过冷的循环。节流前过冷的高压液体状态点为3'，其过冷度为

(3－25)

过冷液体的比焓比饱和液体的比焓有所降低，降低值为第三节单级蒸气压缩式制冷的实际循环图3－10高压液体有过冷的循环