制冷循環(huán)原理

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(jī)、冷柜等都是采用蒸氣壓縮式制冷。 單級蒸氣壓縮制冷循環(huán)分析家用冰箱、空調(diào)機(jī)、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(jī)、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。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(xì)管）絕熱節(jié)流，降壓降溫至狀態(tài)4的濕蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)器（冷庫），進(jìn)行定壓蒸發(fā)吸熱，離開蒸發(fā)器時(shí)已成為干飽和蒸氣；從蒸發(fā)器出來的狀態(tài)1的

2、干飽和蒸氣被吸入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，升壓、升溫至過熱蒸氣狀態(tài)2；進(jìn)入冷凝器，進(jìn)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(xì)管）節(jié)流降壓至濕蒸氣狀態(tài)4進(jìn)入蒸發(fā)器（冷庫），從而完成了一個(gè)循環(huán)4-1-2-3-4。蒸氣壓縮式制冷循環(huán)可概括為四個(gè)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(jī)吸入并被壓縮成高壓氣體，且由于在壓縮過程中，壓縮機(jī)要消耗一定的機(jī)械功，機(jī)械能又在此過程中轉(zhuǎn)換為熱能，所以制冷劑蒸氣的溫度有所升高，制冷劑

3、蒸氣呈過熱狀態(tài)。冷凝過程2-3從制冷壓縮機(jī)排出的高溫高壓過熱的制冷劑蒸氣，進(jìn)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(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)過程。上述四個(gè)過程依次不斷進(jìn)行循環(huán)，從而達(dá)到連續(xù)制冷的目的。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(jī)、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(gè)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

4、1-2是絕熱壓縮過程，前后熵值不變；不考慮制冷劑在流動(dòng)時(shí)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p0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(yùn)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(diǎn)表示的位置是：0點(diǎn)蒸發(fā)器出口；1點(diǎn)壓縮機(jī)吸氣口；2點(diǎn)壓縮機(jī)排氣口；5點(diǎn)節(jié)流裝置入口；6點(diǎn)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t0為蒸發(fā)溫度。6-0區(qū)間，P0與t0相對應(yīng)。兩點(diǎn)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

5、過程。在蒸發(fā)器出口段至壓縮機(jī)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(jī)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P0，溫度由過冷溫度t5降至

6、蒸發(fā)溫度t0；狀態(tài)由過冷液體變?yōu)闅庖汗泊鏍顟B(tài)。h0、h3分別是壓力p0、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=S1)由過熱蒸氣表確定，h5、h1分別根據(jù)過冷度和過熱度確定。蒸氣壓縮制冷循環(huán)0-1-2-3-4-5-6-0在壓焓圖中的表示如圖3-2所示。因?yàn)檎魵鈮嚎s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(diǎn)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可以用圖中線段的長度表示。單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)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：

7、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q0表示，單位kJ/kg。在壓焓圖3-2中，可用點(diǎn)6和點(diǎn)0兩點(diǎn)的焓差值表示，即 q0 =h0 -h6 =h0 h5 (kJ/kg) (3-1)單位壓縮功 壓縮機(jī)絕熱壓縮lkg制冷劑所消耗的功稱為單位壓縮功，用符號w0表示，單位kJ/kg。在圖中用點(diǎn)2和點(diǎn)1兩點(diǎn)的焓差表示，即 w0 =h2 h1 (kJ/kg) (3-2)單位冷凝熱負(fù)荷 lkg制冷劑在冷凝器中放出的熱量稱為單位冷凝熱負(fù)荷，用符號qk表示，單位是kJ/kg，在圖中，可用點(diǎn)2和點(diǎn)5的焓差表示，即 qk =h2 h5 (kJ/kg) (3-3)單

8、位容積制冷量 l 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q0換算出來，即 qv= q0 /V1一（h0 h5)/Vl (kJ/ m3) (3-4)式中v1吸氣狀態(tài)時(shí)制冷劑蒸氣的比體積，m3 /kg。循環(huán)的制冷系數(shù) = q0/( q1-q2) = （h0-h6）/(h2-h5)-(h1-h6) = (h0-h6)/(h2-h1) (3-5)【例題3-1】某壓縮制冷設(shè)備用氨作制冷劑。已知氨的蒸發(fā)溫度為-10，冷凝溫度為38，壓縮機(jī)入口是干飽和氨蒸氣，要求制冷量為l00kW，試計(jì)算制冷劑流量、壓縮機(jī)消耗的功率和制冷系數(shù)。解 根據(jù)題意t1=-

9、10，t3 =38。由氨的lgp-h圖（見附錄圖2）查出各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)為 h1 =1430kJ/kg p1 =0. 29MPa h2=1670kJ/kg p2 =1. 5MPa h4 =h3 =350kJ/kg制冷劑流量 q0 =h1 -h4=(1430-350) kJ/kg=1080kJ/kg 氨的質(zhì)量流量為m=100/1080=0. 0926kg/s壓縮機(jī)消耗的功率 w0 =h2 -hl =1670-1430=240kJ/kg P=mw0 =0. 0926240=22. 22kW制冷系數(shù) = q0/ w0=1028/240=4.5 單級蒸氣壓縮式制冷實(shí)際循環(huán)實(shí)際壓縮過程與理論循環(huán)過程存在很

10、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(shí)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(shí)因有阻力存在，為使循環(huán)得以實(shí)現(xiàn)，故使壓縮機(jī)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。由于實(shí)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(jī)的實(shí)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(shí)際過程比較復(fù)雜，存在機(jī)械摩擦、阻力及熱交換等，很難將實(shí)際循環(huán)過程表示在lgp-h圖上。在工程計(jì)算時(shí)，通常是先按理論循

11、環(huán)計(jì)算，然后用各種系數(shù)進(jìn)行修正。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(dāng)上述裝置工作時(shí)，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。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(dá)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）早已將這種采暖與制冷兼用裝置用于火車車廂和遠(yuǎn)洋客貨輪的空調(diào)，以適應(yīng)長途旅行運(yùn)輸時(shí)各地區(qū)氣候上的變化。熱泵的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)是供熱系數(shù)，它等于制冷劑

12、在冷凝器中放出的熱量q1與壓縮機(jī)消耗的功w之比，即=q1/w。由于q1 =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(jī)械功對室內(nèi)供暖，可比用其他方法得到更多的熱量，即除了由機(jī)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(hù)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-20-30或更低，用熱泵供熱就很不經(jīng)濟(jì)，并且由于室內(nèi)外溫差太大，熱泵的供熱系數(shù)將很低，

13、不利于節(jié)能；又例如對工業(yè)欠發(fā)達(dá)的國家或地區(qū)，熱泵裝置的造價(jià)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)雙級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)單級制冷壓縮機(jī)若要制取較低溫度時(shí)，蒸發(fā)溫度就很低，相應(yīng)的蒸發(fā)壓力就很低，造成制冷機(jī)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(dāng)壓力比增大到一定程度時(shí)，單機(jī)制冷壓縮機(jī)就不能正常工作。這是因?yàn)椋簤嚎s比增大，壓縮機(jī)的輸氣量減少，使制冷量下降，壓縮比增大，使壓縮機(jī)的排氣溫度升高，汽缸壁溫度上升，影響潤滑條件，甚至?xí)霈F(xiàn)潤滑油的碳化等不正常現(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

14、系數(shù)降低。因此，當(dāng)需制取-25以下低溫時(shí)一般采用雙級壓縮。兩級壓縮制冷的壓縮過程分兩個(gè)階段進(jìn)行：來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣先在低壓壓縮機(jī)中壓縮到中間壓力；經(jīng)過中間冷卻，然后再進(jìn)入高壓壓縮機(jī)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(shí)際應(yīng)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(jī)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

15、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。 兩級壓縮氨制冷循環(huán)與系統(tǒng)組成兩級氨壓縮制冷機(jī)中，大多數(shù)是應(yīng)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。來自蒸發(fā)器E的低壓氨蒸氣，首先在低壓壓縮機(jī)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(jìn)入高壓壓縮機(jī)B中繼續(xù)被壓縮到冷凝壓力pk，然后進(jìn)入冷凝器中被冷凝成液體。由冷凝器C引出的氨液，經(jīng)過再冷卻器D進(jìn)一步降低溫度，然后分成兩路：一路經(jīng)節(jié)流閥G降壓到中間壓力pz，進(jìn)入中間冷卻器F中，利用它的蒸發(fā)來冷卻低壓壓縮機(jī)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

16、壓力pz下的飽和蒸氣），隨同低壓壓縮機(jī)的排氣（降溫到中間壓力下的飽和溫度）一起進(jìn)入高壓壓縮機(jī)中被壓縮，另一路氨液在中間冷卻器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P0，再進(jìn)入蒸發(fā)器E中進(jìn)行蒸發(fā)制冷。進(jìn)入蒸發(fā)器的這一部分氨液，在節(jié)流以前，首先進(jìn)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(jìn)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(jī)中的壓縮過程；2-3為低壓壓縮機(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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為低壓氨液