制冷循環(huán)原理(完整版）

1、制冷循環(huán)原理3.1蒸氣壓縮式制冷原理如果制冷工質(zhì)的狀態(tài)變化跨越液、氣兩態(tài)，則制冷循環(huán)稱為蒸氣壓縮制冷循 環(huán)。蒸氣壓縮制冷裝置是目前使用最廣泛的一種制冷裝置，絕大多數(shù)家用冰箱、 空調(diào)機、冷柜等都是米用蒸氣壓縮式制冷。3.1.1單級蒸氣壓縮制冷循環(huán)分析家用冰箱、空調(diào)機、冷柜等制冷裝置的功能、結(jié)構(gòu)形式、整體布局雖然不同, 其主要部件都包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥（或稱節(jié)流閥）和蒸發(fā)器四部分。通 過簡化如圖3-1所示。陽3-1蒸氣壓縮制玲甜環(huán)裝置示盤閔圖3-1是蒸氣壓縮制冷裝置制冷循環(huán)示意圖。其工作循環(huán)如下：經(jīng)過膨脹閥（毛細管）絕熱節(jié)流，降壓降溫至狀態(tài) 4的濕蒸氣進入蒸發(fā)器（冷庫），進行定 壓蒸發(fā)吸熱，

2、離開蒸發(fā)器時已成為干飽和蒸氣；從蒸發(fā)器出來的狀態(tài)1的干飽和 蒸氣被吸入壓縮機進行壓縮，升壓、升溫至過熱蒸氣狀態(tài)2;進入冷凝器，進行定壓放熱，凝結(jié)為液體3;從冷凝器出來的液體經(jīng)過膨脹閥（毛細管）節(jié)流降壓 至濕蒸氣狀態(tài)4進入蒸發(fā)器（冷庫），從而完成了一個循環(huán)4-1-2-3-4。蒸氣壓縮式制冷循環(huán)可概括為四個過程。 蒸發(fā)過程4-1低溫低壓的液體制冷劑從冷庫中以汽化潛熱方式吸收被冷 卻物熱量后，變成低溫低壓的制冷劑蒸氣。 壓縮過程1-2 為了維持一定的蒸發(fā)溫度，制冷劑蒸氣必須不斷地從蒸發(fā)器引出，從蒸發(fā)器出來的制冷劑蒸氣被壓縮機吸入并被壓縮成高壓氣體，且由于在壓縮過程中，壓縮機要消耗一定的機械功，機械能

3、又在此過程中轉(zhuǎn)換為熱能， 所以制冷劑蒸氣的溫度有所升高，制冷劑蒸氣呈過熱狀態(tài)。 冷凝過程2-3從制冷壓縮機排出的高溫高壓過熱的制冷劑蒸氣，進入冷凝器后受到冷卻物（如冷卻水、空氣等）的冷卻而變?yōu)橐后w。 節(jié)流過程3-4從冷凝器出來的制冷劑液體經(jīng)過降壓設(shè)備（如節(jié)流閥、膨脹 閥等）減壓到蒸發(fā)壓力。節(jié)流后的制冷劑溫度也下降到蒸發(fā)溫度， 并產(chǎn)生部分閃 蒸氣體。節(jié)流后的氣液混合物進入蒸發(fā)器進行蒸發(fā)過程。上述四個過程依次不斷進行循環(huán)，從而達到連續(xù)制冷的目的。3.1.2單級壓縮式制冷循環(huán)在壓-焓圖上的表示單級壓縮式制冷循環(huán)主要由壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器四大件所組 成，這四大件由管道連接起來，便構(gòu)成了一個

4、最簡單的制冷系統(tǒng)（如圖3-1所示）。單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的假設(shè)條件是： 壓縮過程1-2是絕熱壓縮過程，前后熵值不變； 不考慮制冷劑在流動時摩擦、阻力等損失，即制冷劑在流經(jīng)冷凝器、蒸發(fā) 器及連接管道中的壓力保持不變，冷凝壓力 Pk保持不變；蒸發(fā)壓力po不變； 節(jié)流過程為絕熱過程，液態(tài)制冷劑的節(jié)流前后焓值不變；該制冷系統(tǒng)運行狀態(tài)則可在壓一焓圖上繪制和表示出來，如圖3-2所示。其中各點表示的位置是：0點蒸發(fā)器出口；1點一一壓縮機吸氣口；2點一一壓縮機排氣口；5點一一節(jié)流裝置入口；6點 蒸發(fā)器入口。圖中各線段的意義如下6-0 段：等溫等壓吸熱汽化過程(蒸發(fā)過程) 。壓力 P0 為蒸發(fā)壓力，溫度

5、t0 為蒸發(fā)溫度。6-0區(qū)間，Po與to相對應。兩點間焓值之差就是單位工質(zhì)的制冷量。0-1 段：壓力不變情況下的吸氣過熱過程。在蒸發(fā)器出口段至壓縮機入口段 間的管道由于吸收外界環(huán)境的熱量，溫度升高，而壓力不變。1- 2 段：等熵壓縮過程。在壓縮過程中，氣體的溫度、壓力及焓值升高，比體積減小，熵值不變。h:-九，就是壓縮機械功。2- 3 段：等壓放熱過程。高壓(冷凝壓力)條件下，制冷劑氣體放出顯熱，由排氣溫度t2：降至冷凝溫度tk。溫度下降，狀態(tài)授變，仍為氣體。3- 4段：凝結(jié)過程。在冷凝壓力pk下，制冷劑放出潛熱而由氣態(tài)液化為液態(tài)， 但溫度沒變，仍是冷凝溫度 tk。4- 5段：過冷過程。在冷凝

6、壓力pk下，制冷劑液體繼續(xù)散熱，即向外放出顯 熱。5- 6段：等焓節(jié)流過程。制冷劑通過節(jié)流裝置，由高壓 pk降到低壓Po,溫度 由過冷溫度t5降至蒸發(fā)溫度to；狀態(tài)由過冷液體變?yōu)闅庖汗泊鏍顟B(tài)。ho、h3分別是壓力po、pk下干飽和蒸氣的焓，h4是壓力pk下飽和液體的焓， 皆可由飽和蒸氣表查得，h2可根據(jù)pk和(S2=Sl)由過熱蒸氣表確定，h5、hl分別根 據(jù)過冷度和過熱度確定。 蒸氣壓縮制冷循環(huán) o-1-2-3-4-5-6-o 在壓焓圖中的表示如 圖 3-2 所示。因為蒸氣壓縮制冷循環(huán)的吸熱量、放熱量以及所需功量皆可用工質(zhì) 在各狀態(tài)點的焓差來表示。 所以制冷量、 冷凝放熱量以及壓縮所需的功都

7、可以用 圖中線段的長度表示。3.1.3單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計算 單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)在壓焓圖上表示如圖 3-2 所示。在壓焓圖上表 示單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的熱力參數(shù)有： 單位質(zhì)量制冷量(簡稱單位制冷量)lkg制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)所吸收的熱量稱為單位制冷量，用符號qo表示，單位kJ/kg。在壓焓圖3-2中，可用點6和點o兩點的焓差值表示，即qo =ho -h6 =ho 15 (kJ/kg) (3-1) 單位壓縮功 壓縮機絕熱壓縮 lkg 制冷劑所消耗的功稱為單位壓縮功， 用 符號wo表示，單位kJ/kg。在圖中用點2和點1兩點的焓差表示，即wo =h2 -h1 (kJ/kg) (

8、3-2) 單位冷凝熱負荷lkg 制冷劑在冷凝器中放出的熱量稱為單位冷凝熱負荷，用符號qk表示，單位是kJ/kg，在圖中，可用點2和點5的焓差表示，即qk =h2 -h5 (kJ/kg) (3-3) 單位容積制冷量I m3制冷劑在蒸發(fā)器所吸收的熱量稱單位容積制冷量，用符號qv表示，單位是kJ/m3。它可以很方便地從qo換算出來，即3qv= qo /V1 一( ho -i5)/V i (kJ/ m )(3-4)式中V1吸氣狀態(tài)時制冷劑蒸氣的比體積，m3 /kg。 循環(huán)的制冷系數(shù)= qo/( q1-q2) = (ho-h6)/(h2-h5)-(h1-h6) = (ho-h6)/(h2-h1)(3-5

9、)【例題3-11某壓縮制冷設(shè)備用氨作制冷劑。已知氨的蒸發(fā)溫度為 -10C，冷 凝溫度為38C，壓縮機入口是干飽和氨蒸氣，要求制冷量為 I00kW，試計算制 冷劑流量、壓縮機消耗的功率和制冷系數(shù)。解根據(jù)題意t1=-10T，t3 =38r。由氨的lgp-h圖(見附錄圖2)查出各狀態(tài) 點的參數(shù)為h1 =143okJ/kgp1 =o. 29MPah2= 1 67okJ/kgp2 =1. 5MPah4 =h3 =35okJ/kg 制冷劑流量qo =h1 -h4=(143o-35o) kJ/kg=1o8okJ/kg 氨的質(zhì)量流量為 m=1oo/1o8o=o. o926kg/s 壓縮機消耗的功率wo =h2

10、 -hl =167o-143o=24okJ/kgP=mwo =0. 0926 2冰0=22. 22kW 制冷系數(shù)= qo/ W0=1028/240=4.53.1.4單級蒸氣壓縮式制冷實際循環(huán)實際壓縮過程與理論循環(huán)過程存在很大區(qū)別，主要表現(xiàn)在以下幾方面： 壓縮過程不是等熵過程； 實際節(jié)流過程中由于與外界有熱交換， 所以不是絕熱節(jié)流， 而節(jié)流后焓值 是增大的； 制冷劑在蒸發(fā)器與冷凝器內(nèi)傳熱過程，由于壓力變化， 制冷劑的溫度是漸變的； 制冷劑流經(jīng)閥門、 管道和設(shè)備時因有阻力存在， 為使循環(huán)得以實現(xiàn)， 故使 壓縮機的排氣壓力增高，而吸氣壓力降低； 在吸氣過程中由于有熱交換，肯定有一定的有害過熱。 由于

11、實際壓縮循環(huán)與理論壓縮循環(huán)存在著多方面差別， 所以單級壓縮制冷機的實際循環(huán)的單位壓縮功增大，單位制冷量減少，制冷系數(shù)低于理論循環(huán)。由于實際過程比較復雜， 存在機械摩擦、 阻力及熱交換等， 很難將實際循環(huán) 過程表示在 lgp-h 圖上。在工程計算時，通常是先按理論循環(huán)計算，然后用各種 系數(shù)進行修正。3.1.5蒸氣壓縮式熱泵循環(huán) 熱泵裝置與制冷裝置的工作原理沒有什么差別，只是二者的工作目的不同， 制冷裝置是為了制冷，而熱泵裝置則是為了供熱。如果將圖 3-3中的冷凝器放在 室內(nèi)，則當上述裝置工作時， 就可以從低溫環(huán)境中吸取熱量并釋放到室內(nèi)來， 用 于取暖。原則上，可以使一套設(shè)備具備制冷和供熱兩種功能

12、。如圖 3-3所示，如 果用一只四通換向閥 A 來控制改變制冷工質(zhì)在裝置中的流向，就可以達到夏季 對室內(nèi)制冷、冬季對室內(nèi)供熱的目的。有些國家（如美國和加拿大）早已將這種 米暖與制冷兼用裝置用于火車車廂和遠洋客貨輪的空調(diào)， 以適應長途旅行運輸時 各地區(qū)氣候上的變化。e】各于熱皐簫環(huán)圖3 3制掙與熱泵購用裝習示意圖人一阿通換向閥；日-毛網(wǎng)竹概裝腎；匚一隹綁機熱泵的經(jīng)濟性指標是供熱系數(shù) &，它等于制冷劑在冷凝器中放出的熱量 qi 與壓縮機消耗的功w之比，即=qi/w。由于qi =w+q2，所以熱泵的供熱系數(shù)恒大于1，它優(yōu)于其他供暖裝置（如電 加熱器等）之處，就在于消耗同樣多的機械功對室內(nèi)供暖， 可比

13、用其他方法得到 更多的熱量，即除了由機械功所轉(zhuǎn)換的熱量外，還包括制冷劑在蒸發(fā)器中所吸收 的熱量。熱泵裝置還可以將大量較低品位（即較低溫度）的熱能提升為較高品位（即 較高溫度）的熱能，以滿足生產(chǎn)上的需要。另外，采用熱泵供熱取代鍋爐供熱還 有利于保護環(huán)境不受污染。但是，熱泵的使用受到其他條件的限制，例如，我國 東北地區(qū)冬季室外溫度在-20-30C或更低，用熱泵供熱就很不經(jīng)濟，并且由于 室內(nèi)外溫差太大，熱泵的供熱系數(shù)將很低，不利于節(jié)能；又例如對工業(yè)欠發(fā)達的 國家或地區(qū)，熱泵裝置的造價往往比其他采暖設(shè)備高出很多，這也影響了熱泵的使用與推廣。3.2雙級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)3.2.1雙級蒸氣壓縮式制冷理論循

14、環(huán)單級制冷壓縮機若要制取較低溫度時， 蒸發(fā)溫度就很低，相應的蒸發(fā)壓力就 很低，造成制冷機的壓縮比（冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之間絕對壓力的比值） 顯著增 大。當壓力比增大到一定程度時，單機制冷壓縮機就不能正常工作。這是因為： 壓縮比增大，壓縮機的輸氣量減少，使制冷量下降， 壓縮比增大，使壓縮機的排氣溫度升高，汽缸壁溫度上升，影響潤滑條件, 甚至會出現(xiàn)潤滑油的碳化等不正?，F(xiàn)象； 壓縮比增大，液態(tài)制冷劑節(jié)流所引起的損失增大，即節(jié)流后產(chǎn)生的閃蒸氣 體增多，使制冷系數(shù)降低。因此，當需制取-25C以下低溫時一般采用雙級壓縮。兩級壓縮制冷的壓縮過程分兩個階段進行： 來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣先在低 壓壓縮機中壓縮到中

15、間壓力；經(jīng)過中間冷卻，然后再進入高壓壓縮機壓縮到冷凝 壓力。兩級壓縮制冷循環(huán)，由于節(jié)流級數(shù)以及液體和蒸氣冷卻方式的不同，因而有不同的循環(huán)形式。例如，有兩級節(jié)流和一級節(jié)流循環(huán)，中間完全冷卻和中間不完全冷卻循環(huán)等。 實際應用的大都是一級節(jié)流循環(huán)。 兩級壓縮制冷都采用中間冷卻。經(jīng)過中間冷卻 后，高壓級的排氣溫度就不致過高。兩級壓縮制冷機的中間冷卻方式是隨制冷劑 的種類不同而有所不同。對于氨，通常是讓低壓級的排氣冷卻到中間壓力下的飽 和溫度，稱為中間完全冷卻；對于氟里昂，則是讓低壓級的排氣與中間冷卻器中 蒸發(fā)的蒸氣相匯合，稱為中間不完全冷卻。3.2.2兩級壓縮氨制冷循環(huán)與系統(tǒng)組成兩級氨壓縮制冷機中，大

16、多數(shù)是應用一級節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)。 該循環(huán)的 系統(tǒng)如圖3-4所示。圖3 4-級節(jié)流中間完嚐障卻兩級壓黯制冷番環(huán)系統(tǒng)圖A低壓壓縮枇B-A壓圧箱機；c 忡擬牯丄n-再冷卻轟； E最碇器；F中間瞼卻醸 G,只一習洗岡；I旁通糊器來自蒸發(fā)器E的低壓氨蒸氣，首先在低壓壓縮機A中被壓縮到中間壓力pz， 排入到中間冷卻器F中，被其中的氨冷卻到中間壓力下的飽和溫度 tz,再進入高 壓壓縮機B中繼續(xù)被壓縮到冷凝壓力 pk，然后進入冷凝器中被冷凝成液體。由3-5 級節(jié)流中閭完全掙卻 悶級壓跚氮制冷的汕圖液在中間冷卻器F的盤管內(nèi)被冷卻后流經(jīng)節(jié)流閥H節(jié)流到蒸發(fā)壓力Po，再進入冷凝器C引出的氨液，經(jīng)過再冷卻器 D進一

17、 步降低溫度，然后分成兩路：一路經(jīng)節(jié)流閥G 降壓到中間壓力Pz，進入中間冷卻器F中， 利用它的蒸發(fā)來冷卻低壓壓縮機的排氣和盤 管內(nèi)的高壓氨液，中間冷卻器中蒸發(fā)出來的氨 蒸氣（中間壓力pz下的飽和蒸氣），隨同低壓 壓縮機的排氣（降溫到中間壓力下的飽和溫 度）一起進入高壓壓縮機中被壓縮，另一路氨圖3 6陰級壓縮抵里昂制冷祈環(huán)原則性系燒圖A壓鞘機；R-麝圧用鋼機f忙一擰駐器；裁炭胖卜F-節(jié)襯腳；F叩間專削器1 G節(jié)施閥蒸發(fā)器E中進行蒸發(fā)制冷。進入蒸發(fā)器的這一部分氨液，在節(jié)流以前，首先進入中間冷卻器冷卻，這樣可以減少節(jié)流損失，從而使單位制冷量增大。如果高壓 氨液不需要在盤管內(nèi)冷卻，可讓高壓氨液經(jīng)旁通閥I流過，直接經(jīng)節(jié)流閥H進入 蒸發(fā)器圖3-5為該循環(huán)的p-h圖。圖中1-2為氨蒸氣在低壓壓縮機中的壓縮過程；2-3為低壓壓縮機的排氣在中間冷卻器中的冷卻過程，3-6為制冷劑蒸氣在高壓壓縮機中的壓縮過程；6-7-8為氨蒸氣在冷凝器中的冷卻和冷凝過程，8-9為氨液 的過冷過程。以后氨液分為兩路：9-10為氨液進人中間冷卻器的路，在節(jié)流 閥G中的節(jié)流過程，10-3為進入中間冷卻器的氨液，在其中的蒸發(fā)吸熱過程；9-4為另路進入蒸發(fā)器的氨液，在中間冷卻器盤管內(nèi)的冷卻過程，4-5為這部分氨液在節(jié)流閥H中的節(jié)流過程，5-1為低壓