第三章單級(jí)壓縮蒸氣制冷循環(huán)學(xué)習(xí)要點(diǎn)：

1、掌握單級(jí)壓縮蒸氣制冷基本循環(huán)的原理及其熱力過(guò)程在T-S圖和Lgp-h圖上的表示;2、掌握單級(jí)壓縮蒸氣制冷循環(huán)各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算；3、掌握液體過(guò)冷、吸氣過(guò)熱及回?zé)嵫h(huán)的熱力過(guò)程在T-S圖和Lgp-h圖上的表示及各項(xiàng)性能指標(biāo)分析；4、掌握非共沸混合制冷劑單級(jí)壓縮基本循環(huán)的工作原理及其熱力過(guò)程在T-S圖和圖上的表示；5、掌握單級(jí)壓縮分凝循環(huán)流程的工作原理;6、掌握單級(jí)壓縮蒸氣制冷實(shí)際循環(huán)的特性及其熱力過(guò)程在T-S圖和Lgp-h圖上的分析：

7、掌握實(shí)際循環(huán)的性能指標(biāo)及熱力計(jì)算；8、掌握單級(jí)壓縮蒸氣制冷循環(huán)的特性分析、制冷機(jī)的工況及名義工況；

第一節(jié)單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)的理論循環(huán)

一、基本原理1、單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)的流程圖。2、單級(jí)理論循環(huán)的假設(shè)前提：①壓縮過(guò)程為等熵過(guò)程，即在壓縮過(guò)程中不存在任何不可逆損失；②在冷凝器和蒸發(fā)器中，制冷劑的冷凝溫度等于冷卻介質(zhì)的溫度，蒸發(fā)溫度等于被冷卻介質(zhì)的溫度，且冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都是定值；③離開(kāi)蒸發(fā)器和進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑蒸氣為蒸發(fā)壓力下的飽和蒸氣，離開(kāi)冷凝器和進(jìn)入膨脹閥的液體為冷凝壓力下的飽和液體；④制冷劑在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，沒(méi)有流動(dòng)阻力損失，忽略動(dòng)能變化，除了蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)的管子外，制冷劑與管外介質(zhì)之間沒(méi)有熱交換；⑤制冷劑在流過(guò)節(jié)流裝置時(shí)，流速變化很小，可以忽略不計(jì)，且與外界環(huán)境沒(méi)有熱交換。3、熱力過(guò)程分析(1）壓縮過(guò)程：dq=0(2)冷凝過(guò)程：dw=0

(3)節(jié)流過(guò)程：w=0,q=0

(4)蒸發(fā)過(guò)程：dw=0二、性能指標(biāo)計(jì)算

1.單位制冷量

2.單位容積制冷量對(duì)某一具體的制冷劑來(lái)說(shuō)，理論循環(huán)的蒸氣比體積隨蒸發(fā)溫度（或蒸發(fā)壓力）的降低而增大，若冷凝溫度已經(jīng)確定，則單位容積制冷量將隨蒸發(fā)溫度的降低而變小。3.理論比功:

理論循環(huán)中制冷壓縮機(jī)輸送單位(1kg)制冷劑所消耗的功稱(chēng)為理論比功。4.單位冷凝熱:單位（1kg)制冷劑蒸氣在冷凝器中放出的熱量，稱(chēng)為單位冷凝熱。單位冷凝熱包括顯熱和潛熱兩部分。5.制冷系數(shù)：6.熱力完善度：為在蒸發(fā)溫度（）和冷凝溫度（）之間工作的逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)。熱力完善度愈大，說(shuō)明該循環(huán)接近可逆循環(huán)的程度愈大。各點(diǎn)參數(shù)的確定法：1、先根據(jù)1點(diǎn)的溫度查表得到對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓、比容、熵及焓值。2、再根據(jù)4點(diǎn)的溫度查表得到對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓、比容及焓值。3、根據(jù)4點(diǎn)的飽和蒸氣壓和1點(diǎn)的熵在壓－焓圖上確定其溫度和焓值。

按式(3-6)、式（3-8)、式（3-9)、式（3-10)、式（3-12)）計(jì)算循環(huán)性能指標(biāo)如下：三、液體過(guò)冷、吸氣過(guò)熱及回?zé)嵫h(huán)流程分析（一）液體過(guò)冷：將節(jié)流前的制冷劑液體冷卻到低于冷凝溫度的狀態(tài)，稱(chēng)為液體過(guò)冷。由制冷劑的熱力狀態(tài)圖可知，節(jié)流前液體的過(guò)冷度愈大，則節(jié)流后的干度就愈小，循環(huán)的單位制冷量就愈大。（二）吸氣過(guò)熱：壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣的溫度高于吸氣壓力下制冷劑的飽和溫度時(shí)，稱(chēng)為吸氣過(guò)熱。如果吸入蒸氣的過(guò)熱發(fā)生在蒸發(fā)器的后部，或者發(fā)生在安裝于被冷卻空間內(nèi)的吸氣管道上，或者發(fā)生在兩者皆有的情況下，那么由于過(guò)熱而吸收的熱量來(lái)自被冷卻的空間，因而產(chǎn)生了有用的制冷效果。我們將這種過(guò)熱稱(chēng)為有效過(guò)熱。與無(wú)過(guò)熱循環(huán)相比，有效過(guò)熱循環(huán)的單位制冷量增大了。而循環(huán)的理論比功也增大了，因而有效過(guò)熱循環(huán)的制冷系數(shù)可表示為：雖然有效過(guò)熱的循環(huán)制冷量增大了，但耗功量也增大了。有效過(guò)熱循環(huán)的制冷系數(shù)是大于還是小于無(wú)過(guò)熱循環(huán)的制冷系數(shù)，取決于比值是大于還是小于。如果則過(guò)熱有利。如果則過(guò)熱不利。（三）回?zé)嵫h(huán)利用回?zé)崾构?jié)流前的制冷劑液體與壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣進(jìn)行熱交換，使液體過(guò)冷、蒸氣過(guò)熱，稱(chēng)之為回?zé)?。具有回?zé)岬闹评溲h(huán)，稱(chēng)為回?zé)嵫h(huán)?；?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)示意圖及其壓-焓圖

回?zé)嵫h(huán)的單位容積制冷量和制冷系數(shù)，相對(duì)于無(wú)回?zé)嵫h(huán)變化的程度是相同的。如果要使回?zé)嵫h(huán)的單位容積制冷量及制冷系數(shù)比無(wú)回?zé)嵫h(huán)高，其條件應(yīng)是：顯然，對(duì)于一定的蒸發(fā)溫度來(lái)說(shuō)，上式是否成立，只取決于制冷劑的物性。凡是滿(mǎn)足上式條件的制冷劑，采用回?zé)嵫h(huán)后制冷系數(shù)可以提高，單位容積制冷量可以增大，因此是有利的，在實(shí)際應(yīng)用中宜采用回?zé)嵫h(huán)。而對(duì)于不滿(mǎn)足條件的制冷劑，回?zé)嵫h(huán)的制冷系數(shù)及單位容積制冷量比無(wú)回?zé)嵫h(huán)低。實(shí)際上，我們也可以通過(guò)與過(guò)熱循環(huán)的比較來(lái)得到一些有用的結(jié)論。比較可知，回?zé)嵫h(huán)制冷量以及制冷系數(shù)的改變量與有效過(guò)熱循環(huán)一樣，因此由圖3－4和表3－1得出的結(jié)論同樣適合于回?zé)嵫h(huán)，即從單位容積制冷量和制冷系數(shù)角度看，R502、R290、R600a、R134a等制冷劑采用回?zé)嵫h(huán)有利，而R717采用回?zé)嵫h(huán)不利。此外，回?zé)嵫h(huán)還具有過(guò)冷循環(huán)由于制冷劑液體過(guò)冷所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。四、非共沸混合制冷劑循環(huán)

由于非共沸混合制冷劑在定壓相變時(shí)溫度會(huì)發(fā)生變化，所以用非共沸混合制冷劑來(lái)近似實(shí)現(xiàn)洛倫茲循環(huán)是非共沸混合制冷劑的一大優(yōu)點(diǎn)。（一）單級(jí)壓縮基本循環(huán)

壓縮機(jī)出來(lái)的高壓制冷劑氣體，組成為,溫度為,進(jìn)入冷卻器被冷卻成飽和蒸氣(即露點(diǎn)，溫度為）后再進(jìn)入冷凝器，制冷劑在冷凝器里放熱冷凝成為飽和液體（即泡點(diǎn)，溫度為),然后進(jìn)入節(jié)流閥節(jié)流降壓。和的選擇是根據(jù)冷卻介質(zhì)的溫度變化情況并考慮一定的傳熱溫差而確定。選定和后，根據(jù)壓縮機(jī)的排氣壓力實(shí)際情況，來(lái)確定混合制冷劑的組成。這里的混合制冷劑組成確定僅考慮冷凝過(guò)程的泡、露點(diǎn)溫度匹配因素，實(shí)際上，我們還必須考慮蒸發(fā)過(guò)程的溫度匹配問(wèn)題。

從節(jié)流閥里出來(lái)的制冷劑為兩相狀態(tài)（點(diǎn)6），壓力為蒸發(fā)壓力，溫度為，對(duì)應(yīng)液相的組成為，汽相組成為。這些兩相的制冷劑在蒸發(fā)器里吸熱蒸發(fā)到露點(diǎn)狀態(tài)（點(diǎn)0），此時(shí)溫度為蒸發(fā)壓力下的露點(diǎn)溫度。然后，它們經(jīng)回?zé)崞骰責(zé)岷?，回到制冷壓縮機(jī)。和的選擇是根據(jù)被冷卻介質(zhì)的溫度變化情況同時(shí)考慮一定的傳熱溫差而確定。在和確定后，再根據(jù)蒸發(fā)壓力來(lái)決定混合制冷劑的組成。這里得到的僅考慮蒸發(fā)溫度的匹配情況。它與根據(jù)冷凝過(guò)程溫度匹配得到的通常是不一樣的。最終是選擇哪一個(gè)要綜合考慮各方面的因素而最后確定。（二）單級(jí)壓縮分凝循環(huán)1、分凝循環(huán)的工作原理：壓縮機(jī)A將氣態(tài)混合制冷劑壓縮為高壓狀態(tài)，經(jīng)冷凝器B冷卻冷凝后在精餾塔C底部進(jìn)一步放熱，在節(jié)流閥J1中稍微降壓后進(jìn)入精餾塔，在精餾塔中混合制冷劑經(jīng)熱質(zhì)交換分離成高沸點(diǎn)組分和低沸點(diǎn)組分兩部分。在塔底的高沸點(diǎn)組分液體經(jīng)J2節(jié)流降壓降溫后進(jìn)入精餾塔頂部，在這里少量制冷劑液體吸熱蒸發(fā)使管外的低沸點(diǎn)制冷劑少量冷凝成為液體，作為精餾塔的回流液。大部分高沸點(diǎn)制冷劑在冷凝蒸發(fā)器D中吸熱蒸發(fā)成為氣態(tài)。另一方面，從精餾塔頂部出來(lái)的低沸點(diǎn)制冷劑蒸氣在冷凝蒸發(fā)器中被冷凝，經(jīng)氣液分離器E、回?zé)崞鱂后進(jìn)入節(jié)流閥J3，在這里降壓降溫后進(jìn)入蒸發(fā)器G吸熱蒸發(fā)，從而產(chǎn)生制冷效果。從蒸發(fā)器出來(lái)的低溫蒸氣在回?zé)崞鱂中回?zé)岷?，與高沸點(diǎn)制冷劑蒸氣匯合后回到壓縮機(jī)，從而完成一個(gè)循環(huán)。優(yōu)點(diǎn)：由于在蒸發(fā)器里蒸發(fā)的是低沸點(diǎn)制冷劑液體，在相同的蒸發(fā)壓力下，低沸點(diǎn)制冷劑將具有更低的蒸發(fā)溫度，從而實(shí)現(xiàn)較低的制冷溫度。如果采用單一低沸點(diǎn)制冷劑單級(jí)壓縮循環(huán)，則所需的冷凝壓力將非常高，通常難以實(shí)現(xiàn)。在分凝循環(huán)中，低沸點(diǎn)制冷劑的冷凝是由高沸點(diǎn)制冷劑的蒸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因而無(wú)需很高的壓力。

2、循環(huán)流程原理圖

單級(jí)壓縮分凝循環(huán)流程圖混合工質(zhì)圖分凝循環(huán)流程工作點(diǎn)在圖上的表示

第二節(jié)單級(jí)壓縮蒸氣制冷實(shí)際循環(huán)一、實(shí)際循環(huán)的特性實(shí)際循環(huán)和理論循環(huán)的不同之處：（1）流動(dòng)過(guò)程阻力，有壓力損失（2）制冷劑流經(jīng)管道及閥門(mén)時(shí)同環(huán)境介質(zhì)間有熱交換，尤其是自節(jié)流閥以后，制冷劑溫度降低，熱量便會(huì)從環(huán)境介質(zhì)傳給制冷劑，導(dǎo)致漏熱，引起冷量損失。（3）熱交換器中存在溫差，例如冷卻水或空氣的溫度低于冷凝溫度，且T是變化的（進(jìn)口溫度低，出口溫度高),載冷劑或冷卻對(duì)象的溫度高于蒸發(fā)溫度。（一）流動(dòng)過(guò)程阻力的影響1.吸入管道、2.排出管道、3.液體管道、4.兩相管道、5.蒸發(fā)器、6.冷凝器（二）漏熱的影響兩相管道和蒸發(fā)器的漏熱是制冷量的直接損失，使系統(tǒng)的制冷量降低，能耗提高，而吸入管道的漏熱產(chǎn)生的后果與第一節(jié)討論過(guò)的無(wú)效過(guò)熱的后果一樣。因此，在實(shí)際系統(tǒng)中，我們應(yīng)該盡量減小這些漏熱。

二、實(shí)際循環(huán)的T-S圖和Lgp-h圖分析：

5－6為實(shí)際蒸發(fā)過(guò)程，它與被冷卻物質(zhì)之間存在溫差。同時(shí)，由于熱交換器中有流動(dòng)損失，使制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)有壓力降，因此5－6是一條向右下方傾斜的直線。6－1s是蒸發(fā)器至壓縮機(jī)開(kāi)始?jí)嚎s前這一過(guò)程中的壓力和溫度變化。為了表示清楚起見(jiàn)，我們把過(guò)程6-1s看作制冷劑先由點(diǎn)6等壓過(guò)熱至狀態(tài)點(diǎn)a，然后等焓節(jié)流至1s。

1s-2s是壓縮過(guò)程

，壓縮終了的氣體狀態(tài)為2s。由氣缸內(nèi)的點(diǎn)2s排到冷凝器時(shí)的過(guò)程，也是一個(gè)有壓力降低和溫度降低的過(guò)程，2s-b表示排氣過(guò)程的冷卻情況，b-c表示排氣管道中的壓降。c-3-4表示在冷凝器中的冷卻及冷凝過(guò)程。在這一過(guò)程中由于有流動(dòng)阻力損失，因此壓力是漸漸降低的，冷凝溫度也是變化的，同時(shí)，與冷卻介質(zhì)(如水、空氣）之間存在著變化的溫差。4-5是實(shí)際的節(jié)流過(guò)程。它也是一個(gè)同環(huán)境介質(zhì)有熱交換的過(guò)程，過(guò)程前后焓值也稍有變化。三、實(shí)際循環(huán)的性能指標(biāo)及熱力計(jì)算工程設(shè)計(jì)中的簡(jiǎn)化途徑是：1、忽略冷凝器及蒸發(fā)器中的微小壓力變化，即以壓縮機(jī)出口壓力作為冷凝壓力，以壓縮機(jī)進(jìn)口壓力作為蒸發(fā)壓力，同時(shí)認(rèn)為冷凝溫度和蒸發(fā)溫度均為定值；2、將壓縮機(jī)內(nèi)部過(guò)程簡(jiǎn)化成一個(gè)從吸氣壓力到排氣壓力的有損失的簡(jiǎn)單壓縮過(guò)程；3、節(jié)流過(guò)程仍認(rèn)為是前后焓相等的過(guò)程。經(jīng)過(guò)上述簡(jiǎn)化，則實(shí)際循環(huán)的壓－焓圖如右圖所示，可直接利用此圖進(jìn)行循環(huán)的性能指標(biāo)的計(jì)算，且由此而產(chǎn)生的誤差也不會(huì)很大。

壓縮機(jī)的指示功率為：

第四節(jié)單級(jí)壓縮蒸氣制冷循環(huán)的特性分析一、冷凝溫度變化對(duì)制冷機(jī)性能的影響若冷凝溫度由升高到則：

（1）單位制冷量由減小到（2）單位壓縮功由增大到（3）吸入狀態(tài)的比體積不變。若忽略壓縮機(jī)輸氣系數(shù)的變化，則制冷劑的質(zhì)量流量不變。（4）由于不變，減小到，增大到，因而制冷機(jī)的制冷量由減小到，而理論功率將由增大到。（5）由于減小至，而不變，因此將減小到。

結(jié)論：當(dāng)蒸發(fā)溫度不變而冷凝溫度升高時(shí)，對(duì)于同一臺(tái)制冷機(jī)來(lái)說(shuō)，它的制冷量將要減小，而消耗的功率將要增大。因此，制冷系數(shù)將要降低。

二、蒸發(fā)溫度變化對(duì)制冷機(jī)性能的影響當(dāng)冷凝溫度不變，而蒸發(fā)溫度由降低到，則：（1）單位制冷量由降低到。（2）吸氣比體積由增大到，流過(guò)制冷機(jī)的制冷劑流量由減小到，因而制冷量由減小到。（3）單位壓縮功由增大到，但由于制冷劑的循環(huán)量減小，因此不能直接看出制冷機(jī)的功率是增大還是減小。（4）隨著的降低，循環(huán)的制冷系數(shù)必然減小。結(jié)論：當(dāng)不變而降低時(shí)，制冷機(jī)的制冷量，制冷劑流量及制冷系數(shù)都是降低的，而壓縮機(jī)的功率是增大還是減小，與變化前后的壓比值有關(guān)。當(dāng)開(kāi)始逐漸降低時(shí)，壓縮機(jī)的功率有一最大值。

對(duì)于大多數(shù)制冷劑而言，當(dāng)其壓比大約等于3時(shí)，制冷機(jī)的功率最大。

三、單級(jí)壓縮制冷機(jī)的工況所謂工況，是指制冷系統(tǒng)的工作條件。一般應(yīng)包括制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度、冷凝器溫度、過(guò)冷溫度、吸氣過(guò)熱溫度等。與名義參數(shù)（通常規(guī)定在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品銘牌或樣本上）相應(yīng)的溫度條件稱(chēng)為名義工況。容積式制冷壓縮機(jī)及機(jī)組的名義工況

熱泵型壓縮機(jī)及機(jī)組的名義工況

第五節(jié)制冷循環(huán)的熱力學(xué)第二定律分析

一、熵分析法由熱力學(xué)理論可知，對(duì)于一個(gè)由制冷機(jī)及其環(huán)境（包括被冷卻物體及冷卻介質(zhì)）所構(gòu)成的孤立系統(tǒng)，當(dāng)其中進(jìn)行的過(guò)程完全可逆時(shí)系統(tǒng)的熵保持不變。若過(guò)程不可逆，則系統(tǒng)的熵要增大，即：式中，表示系統(tǒng)各部分由于發(fā)生不可逆過(guò)程導(dǎo)致的熵的增量。對(duì)于逆向循環(huán)，不可逆過(guò)程將導(dǎo)致循環(huán)多消耗一部分附加功。由斯托道拉原理可知，不可逆過(guò)程引起的附加功等于大氣環(huán)境的溫度與系統(tǒng)由于發(fā)生不可逆過(guò)程導(dǎo)致熵的增量的乘積。若某一不可逆過(guò)程引起的系統(tǒng)的熵增為

，則它多消耗的附加功可表示為而循環(huán)的各個(gè)不可逆過(guò)程引起的總的附加功應(yīng)等于各個(gè)過(guò)程的附加功的總和若制冷循環(huán)所消耗的功為w，它比完全可逆循環(huán)所消耗的功要大，因此

由此，實(shí)際循環(huán)的熱力完善