制冷原理与设备 第 1 章 单级蒸气压缩式制冷循环

1. 制冷原理与设备第1章 单级蒸气压缩式制冷循环 主 编 李晓东

2. 第1章 单级蒸气压缩式制冷循环 • 1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 • 引课 • 1.1.1 制冷循环系统的基本组成 • 1.1.2 制冷循环过程 • 1.1.3 制冷系统各部件的主要用途 • 1.1.4 制冷剂的变化过程 • 小结 • 作业

3. 1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 • 日常生活中我们都有这样的疑问:怎样才能制冷制热呢? 1.1.1 制冷循环系统的基本组成 利用制冷剂由液体状态汽化为蒸气状态过程中吸收热量，被冷却介质因失去热量而降低温度，达到制冷的目的。

4. 1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 制冷剂 • 制冷剂在变为蒸气之后，需要对它进行压缩、冷凝、继而进行再次汽化吸热。对制冷剂蒸气只进行一次压缩，称为蒸气单级压缩。 单级蒸气压缩式制冷 单级蒸气压缩式制冷系统由压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器组成。

5. 1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 • 1.1.1 制冷循环系统的基本组成 • 制冷循环系统 : • 根据蒸气压缩式制冷原理构成的单级蒸气压缩式制冷循环系统，是由不同直径的管道和在其中制冷剂会发生不同状态变化的部件组成，串接成一个封闭的循环回路，在系统回路中装入制冷剂，制冷剂在这个循环回路中能够不停地循环流动 • 蒸气压缩式制冷循环系统图

6. 1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 1.1.2 制冷循环过程 • 制冷剂蒸气压缩、冷凝成液体，放出热量

7. 1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 1.1.2 制冷循环过程 冷凝后的制冷剂流经节流元件进入蒸发器。从入口端的高压pk降低到 低压p0，从高温tk降低到t0，并出现少量液体汽化变为蒸气。

8. 1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 1.1.2 制冷循环过程 制冷剂蒸汽回到压缩机中压缩

9. 1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 1.1.3 制冷系统各部件的主要用途 放热，使高压高温制冷剂蒸气冷却、冷凝成高压常温的制冷剂液体 压缩制冷剂蒸气，提高压力和温度 得到低温低压制冷剂 制冷剂液体吸热、蒸发、制冷

10. 1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 • 1.1.4 制冷剂的变化过程 • 制冷剂在制冷压缩机中的变化 • 制冷剂蒸气由蒸发器的末端进入压缩机吸气口时，压力越高温度越高，压力越低温度越低。 • 制冷剂蒸气在压缩机中被压缩成过热蒸气，压力由蒸发压力p0升高到冷凝压力pk。为绝热压缩过程。外界的能量对制冷剂做功，使得制冷剂蒸气的温度再进一步升高，压缩机排出的蒸气温度高于冷凝温度。

11. 1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 制冷剂的变化过程(flash)

12. 1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 • 1.1.4 制冷剂的变化过程 • 制冷剂在冷凝器中的变化 • 过热蒸气进入冷凝器后，在压力不变的条件下，先是散发出一部分热量，使制冷剂过热蒸气冷却成饱和蒸气。 • 饱和蒸气在等温条件下，继续放出热量而冷凝产生了饱和液体。 • 制冷剂在节流元件中的变化 • 饱和液体制冷剂经过节流元件，由冷凝压力pk降至蒸发压力p0，温度由tk降至t0。为绝热膨胀过程。

13. 1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 • 1.1.4 制冷剂的变化过程 • 制冷剂在蒸发器中的变化 • 以液体为主的的制冷剂，流入蒸发器不断汽化，全部汽化变时，又重新流回到压缩机的吸气口，再次被压缩机吸入、压缩、排出，进入下一次循环。

14. 1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 • 小结 • 单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成：制冷压缩机 冷凝器 节流器 蒸发器 • 压缩过程（压缩机中进行） • 通过压缩使制冷剂由低温低压的蒸汽变为高温高压气体。 • 冷却冷凝过程（冷凝器中进行） • 在冷凝器中冷却冷凝成制冷剂液体。 • 节流过程（节流阀中进行） • 压力、温度降低，焓值不变 • 蒸发过程（蒸发器中进行） • 吸热蒸发，变成低温低压制冷剂气

15. 1.1 单级蒸气压缩式制冷循环的基本工作原理 • 作业 • 蒸气压缩制冷循环系统主要由哪些部件组成，各有何作用？ • 蒸发器内制冷剂的汽化过程是蒸发吗？

16. 1.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环 • 引课 • 1.2.1 理论循环的假设条件和压焓图 • 1.2.2 理论循环的性能指标及其计算 • 小结 • 作业

17. 1.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环 • 单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成： • 制冷压缩机 • 冷凝器 • 节流器 • 蒸发器 • 单级蒸气压缩式制冷循环，是指制冷剂在一次循环中只经过一次压缩，最低蒸发温度可达-40～-30℃。单级蒸气压缩式制冷广泛用于制冷、冷藏、工业生产过程的冷却，以及空气调节等各种低温要求不太高的制冷工程。

18. 1.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环 • 1.2.1 理论循环的假设条件和压焓图 • 1.理论循环的假设条件 • 压缩过程为等熵过程； • 冷凝和蒸发是与冷、热源换热； • 出蒸发器的为饱和蒸气，出冷凝器的为饱和液体； • 制冷剂流动过程中没有流动阻力损失； • 节流过程中与外界没有热量交换。

19. 气相区 液相区 两相区 1.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环 • 一点： • 临界点C • 三区： • 液相区、 • 两相区、 • 气相区。 • 五态： • 过冷液状态、 • 饱和液状态、 • 湿蒸气状态、 • 饱和蒸气状态、 • 过热蒸气状态。 • 八线： • 等压线p（水平线） • 等焓线h（垂直线） • 饱和液线x=0， • 饱和蒸气线x=1， • 无数条等干度线x • 等熵线s • 等比体积线v • 等温线t

20. 1.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环 3.理论循环过程在压焓图上的表示 1）制冷压缩机压缩过程 2）制冷压缩机冷凝过程 3）制冷压缩机膨胀过程 4）制冷压缩机蒸发过程

21. 1.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环 1.2.2 理论循环的性能指标及其计算 1.单位质量制冷量 制冷压缩机每输送1kg制冷剂经循环从被冷却介质中制取的冷量称为单位质量制冷量，用q0表示。 q0=h1-h4=r0（1-x4） （1-1） 式中 q0单位质量制冷量（kJ/kg）； h1与吸气状态对应的比焓值（kJ/kg）； h4节流后湿蒸气的比焓值（kJ/kg）； r0蒸发温度下制冷剂的汽化潜热（kJ/kg）； x4节流后气液两相制冷剂的干度。

22. 1.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环 • 2.单位容积制冷量 • 制冷压缩机每吸入1m3制冷剂蒸气（按吸气状态计）经循环从被冷却介质中制取的冷量，称为单位容积制冷量，用qv表示。 式中　qv单位容积制冷量（kJ/m3）； v1制冷剂在吸气状态时的比体积（m3/kg） 3.理论比功 制冷压缩机按等熵压缩时每压缩输送1kg制冷剂蒸气所消耗的功，称为理论比功，用w0表示。 w0=h2-h1 式中 w0理论比功（kJ/kg）； h2压缩机排气状态制冷剂的比焓值（kJ/kg）； h1压缩机吸气状态制冷剂的比焓值（kJ/kg）

23. 1.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环 4.单位冷凝热负荷 制冷压缩机每输送1kg制冷剂在冷凝器中放出的热量，称为单位冷凝热负荷，用qk表示。 qk=（h2-h2）+（h2-h3）=h2-h3 式中 qk单位冷凝热负荷（kJ/kg）； h2与冷凝压力对应的干饱和蒸气状态所具有的比焓值（kJ/kg）； h3与冷凝压力对应的饱和液状态所具有的比焓值（kJ/kg）； 对于单级蒸气压缩式制冷理论循环，存在着下列关系 qk = q0 +w0 5.制冷系数 单位质量制冷量与理论比功之比，即理论循环的收益和代价之比，称为理论循环制冷系数，用0表示，

24. 1.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环 例1-1　假定循环为单级蒸气压缩式制冷的理论循环，蒸发温度t0=-10℃，冷凝温度tk=35℃，工质为R22，循环的制冷量Q0=55kW，试对该循环进行热力计算。 • 解　 • 点1：t1=t0= 10℃，p1=p0=0.3543MPa，h1=401.555kJ/kg，v1=0.0653m3/kg • 点3：t3=tk=35℃，p3=pk=1.3548MPa，h3=243.114 kJ/kg， 由图可知，h2=435.2 kJ/kg， t2=57℃

25. 1.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环 1）单位质量制冷量 q0=h1-h4= h1-h3=401.555-243.114=158.441kJ/kg 4）理论比功 w0=h2-h1=435.2-401.555=33.645kJ/kg 5）压缩机消耗的理论功率 P0=qmw0=0.347133.645=11.68kW

26. 1.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环 7）冷凝器单位热负荷 qk=h2-h3 =435.2-243.114=192.086kJ/kg 8）冷凝器热负荷 Qk=qmqk=0.3471192.086=66.67kW

27. 1.2 单级蒸气压缩式制冷理论循环 • 作业 • 3. 制冷剂在蒸气压缩制冷循环中，热力状态是如何变化的？ • 4. 制冷剂在通过节流元件时压力降低，温度也大幅下降，可以认为节流过程近似为绝热过程，那么制冷剂降温时的热量传给了谁？ • 5 单级蒸气压缩式制冷理论循环有哪些假设条件？

28. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 • 1.3.1 单级蒸气压缩式制冷实际循环与理论循环的区别 • 1.3.2 液体过冷、吸气过热及回热循环 • 1.3.3 热交换及压力损失对制冷循环的影响 • 1.3.4 不凝性气体对制冷循环的影响 • 1.3.5 冷凝、蒸发过程传热温差对循环性能的影响 • 1.3.6 实际制冷循环在压焓图上的表示及性能指标

29. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 • 1.3.1 单级蒸气压缩式制冷实际循环与理论循环的区别 • 1）制冷压缩机的压缩过程不是等熵过程，且有摩擦损失。 • 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、液体过冷现象。 • 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。 • 6）制冷系统中存在着不凝性气体。

30. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 1.3.2 液体过冷、吸气过热及回热循环 下图为具有液体过冷的循环和理论循环的对比图，1-2-3-4-1为理论循环，1-2-3'-4'-1表示过冷循环。 两个循环的比功相同，过冷循环中单位制冷量增加，从而导致过冷循环的制冷系数增加。

31. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 从制冷系数变化的角度对比如下：

32. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 2.吸气过热 制冷压缩机吸入前的制冷剂蒸气温度高于蒸发压力下的饱和温度时，称为吸气过热，两者温度之差称为过热度。具有吸气过热的循环，称为过热循环。

33. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 • 过热分为有效过热和有害过热两种 • 实际循环中，形成制冷循环中吸气过热现象的原因很多，主要有： • 1）蒸发器的蒸发面积的选择大于设计所需的蒸发面积，制冷剂在蒸发器内吸收被冷却介质的热量而过热，属有效过热。 • 2）制冷剂蒸气在压缩机的吸气管路中吸收外界环境的热量而过热，属有害过热。 • 3）在半封闭、全封闭制冷压缩机中，低压制冷剂蒸气进入压缩以前，吸收电动机绕组和运转时所产生的热量而过热，属有害过热，但是必须的。 • 4）制冷系统设置了回热器，制冷剂蒸气在回热器中吸收制冷剂液体的热量而过热，属有害过热，但有过冷过程伴随。

34. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 从制冷量和制冷系数变化角度对比来说明

35. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 有效过热对循环是否有益与制冷剂本身的特性有关。如图所示，该图是在蒸发温度为0℃、冷凝温度为40℃的条件下计算所得的结果

36. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环

37. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 回热循环与理论循环相比较，制冷系数的变化情况如下

38. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 • 1.3.3 热交换及压力损失对制冷循环的影响 • 1.吸气管道 • 从蒸发器出口到压缩机吸气入口之间的管道称为吸气管道 • 吸入管道对循环性能的影响最大。 • 吸入管道中的压力降始终是有害的，它使得吸 气比容增大，压缩机的压力比增大，单位容积制冷量减少，压缩机容积效率降低，比压力增大，制冷系数下降。 • 2.排气管道 • 在压缩机的排出管道中，热量由高温制冷剂蒸气传给周围空气，它不会引起性能 的改变，仅仅是减少了冷凝器中的热负荷。

39. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 • 3.液体管道 • 在冷凝器到膨胀阀这段管路中，热量通常由液体制冷剂传给周围空气，使液体制 冷剂过冷，制冷量增大。然而，也可能水冷冷凝器中的冷却水温度很低，冷凝温度低于环境温度，热量由空气传给液体制冷剂，可能导致部分液体气化，这不仅使单位制冷量下降，而且使得膨胀阀不能正常工作。 • 4.两相管道 • 通常膨胀阀是紧靠蒸发器安装的。倘若将它安装在被冷却空间内，传给管道的热 量将产生有效制冷量；若安装在室外，热量的传递使制冷量减少，因而此段管道必须保温。 • 5.蒸发器 • 如果假定不改变制冷剂出蒸发器时的状态，它仅使蒸发器中的传热温差减小，要求传热面积增大而已。 • 如果假定不改变蒸发过程中的平均传热温差，其结果与吸气管道阻力引起的结果一样。

40. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 • 6.冷凝器 • 假定出冷凝器的压力不变，为克服冷凝器中制冷剂的流动阻力，必须提高进冷凝 器时制冷剂的压力，这必须导致压缩机的排气压力升高，压力比增大，压缩机耗功增加，制冷系数下降。 • 7.压缩机 • 在理论循环中，假设压缩过程为等熵过程。而实际上，整个过程是一个压缩指数 在不断变化的多方过程。另外，由于压缩机气缸中有余隙容积的存在，气体经过吸、排气阀及通道出有热量交换及流动阻力，这些因素都会使压缩机的输气量减少，制冷量下降，消耗的功率增大。

41. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 • 1.3.4 不凝性气体对制冷循环的影响 • 系统中的不凝性气体往往积存在冷凝器上部，因为它不能通过冷凝器的液封。不 凝性气体的存在将使冷凝器内的压力增加，从而导致压缩机排气压力提高，比功增加制冷系数下降，压缩机容积效率降低。应及时加以排除。 • 1.3.5 冷凝、蒸发过程传热温差对循环性能的影响 • 由于冷凝器与蒸发器中传热温差的存在，会使实际的冷凝温度比理论循环的冷凝温度高，蒸发温度则比理论循环的蒸发温度低，从而使循环的制冷系数下降。制冷循环中制冷剂与热源之间的传热温差越大，制冷循环的效率越低。 • 但传热温差的存在并不影响理论制冷循环的热力计算用于实际制冷循环。

42. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 2s-2s表示制冷压缩机压缩后的制冷剂蒸气经过排气阀的压降过程； 2s-3表示制冷剂蒸气经排气管进入冷凝器的冷却、冷凝和压降过程； 3-3表示制冷剂液体的过冷和压降过程； 3-4表示制冷剂液体的非绝热节流过程 4-1表示制冷剂在蒸发器汽化和压降过程； 1-1表示制冷剂蒸气的过热（有益或有害）和压降过程； 1-2s表示制冷剂蒸气在制冷压缩机内实际的非等熵压缩过程；

43. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 Lg p 2-3-4表示制冷剂在冷凝压力pk下的等压冷却、冷凝过程 4-5表示制冷剂在冷凝压力下的过冷过程 , p 4 k 3 (2) 2 5 5-6表示制冷剂在等焓下的节流过程 1-2表示实际增熵压缩过程 p 0 6-1表示制冷剂在蒸发压力p0下的等压汽化过程 , 6 1 1 1-1表示蒸气的过热过程 h 实际循环可表示为图中的1-1-2-3-4-5-6-1

44. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 1.单位质量制冷量q0和单位容积制冷量qv q0=h1-h6 2.理论比功w0、指示比功wi和指示效率i 按等熵压缩时每压缩输送1kg制冷剂蒸气所消耗的功，称为理论比功 w0=h2-h1 压缩输送1kg制冷剂蒸气实际消耗的功，称为指示比功 wi=h2-h1 理论比功w0与指示比功wi之比，称为制冷压缩机的指示效率i

45. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 3.单位冷凝热负荷qk qk=h2-h4 4.制冷剂质量流量qm 5.压缩机的理论功率P0和指示功率Pi P0=qmw0 6.冷凝器的热负荷Qk Qk=qmqk

46. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 7.实际制冷系数 8.热力完善度 制冷循环接近它理想情况的程度，接近完善的程度 实际制冷循环的制冷系数与工作在相同热源温度条件下，它的理想制冷循环（逆卡诺循环）的制冷系数c的比值 越大，说明制冷循环经济性越好，热力学的不可逆损失越小；反之，则制冷循环效果差，效率低。永远小于1

47. 1.3 单级蒸气压缩式制冷实际循环 • 作业 • 试画出单级蒸气压缩式制冷理论循环的lgp-h图，并说明图中各过程线的含义。 • 8. 已知R22的压力为0.1MPa，温度为10℃。求该状态下R22的比焓、比熵和比体积。 • 9. 已知工质R134a和下表填入的参数值，请查找lgp-h图填入未知项。 • p/MPat/℃h/kJ/kgv/m3/kgs/kJ/(kgK)x0.30.1250.3701.8510. 有一个单级蒸气压缩式制冷系统，高温热源温度为30℃，低温热源温度为-15℃，分别采用R22和R717为制冷剂，试求其工作时理论循环的性能指标。 • 11. 一台单级蒸气压缩式制冷机，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和R22工作时，理论循环的性能指标。 • 12. 有一单级蒸气压缩式制冷循环用于空调，假定为理论制冷循环，工作条件如下：蒸发温度t0=5℃，冷凝温度tk=40℃，制冷剂为R134a。空调房间需要的制冷量是3kW，试求：该理论制冷循环的单位质量制冷量q0、制冷剂质量流量qm、理论比功w0、压缩机消耗的理论功率P0、制冷系数0和冷凝器热负荷Qk。

48. 1.4 单级蒸气压缩式制冷机的性能及工况 1.4.1 单级蒸气压缩式制冷机的性能

49. t´k 3´ 2´ tk 3 2 t0 4´ 4 1 1-2-3-4-1 冷凝温度tk时： 冷凝温度升高为t´k时： 1-2´-3´- 4´-1 (1)其他条件不变，冷凝温度tk变化(升高)的影响 p h

50. p t´k 3´ 2´ tk 3 2 4 t0 4´ 4 1 q´0 h q0 单位制冷量q0 qv 输气系数 Q0 吸气比容v1 (1)其他条件不变，冷凝温度tk变化(升高)的影响 不变