制冷原理与设备 第2节 蒸气压缩式制冷循环
主要内容
• 2.1 单级蒸气压缩式制冷循环 • 2.2 双级蒸气压缩式制冷循环 • 2.3 复叠式制冷循环
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
• 2.1.1 基本工作原理
– 引课 2.1.1.1 制冷循环系统的基本组成 2.1.1.2 制冷循环过程 2.1.1.3 制冷系统各部件的主要用途 2.1.1.4 制冷剂的变化过程 小结 作业
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
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）；
– 两相区、
– 气相区。
• 五态：
气相区
– 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，
– 无数条等等温线t
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
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。
嗯，好凉快呀！
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
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系统由压缩机， 冷凝器，膨胀阀和蒸发器组成。
制冷剂的变化过程(flash)
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
（2）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。
（3）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。
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
• 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。
2.1.3.2 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，1-2-3-41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。
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
从制冷系数变化的角度对比如下：
理论循环
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℃
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
的影响
• 2.1.3.6 实际制冷循环在压焓图上的表示及性 能指标
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
• 2.1.3.1 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。
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
• 2.1.3.1 单级蒸气压缩式制冷实际循环与理论 循环的区别
• 2.1.3.2 液体过冷、吸气过热及回热循环 • 2.1.3.3 热交换及压力损失对制冷循环的影响 • 2.1.3.4 不凝性气体对制冷循环的影响 • 2.1.3.5 冷凝、蒸发过程传热温差对循环性能
• 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。
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
从制冷量和制冷系数变化角度对比来说明
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
2.1.1.3 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
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
• 2.1.1.4 制冷剂的变化过程
（1）制冷剂在制冷压缩机中的变化
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
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
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，
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
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。
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
2.1.1.2 制冷循环过程
制冷剂蒸气压缩、冷凝成液体，放出热量
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
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。
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
制冷剂蒸汽回到压缩机中压缩
• 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。
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
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=0.3471192.086=66.67kW
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
• 作业
1. 制冷剂在蒸气压缩制冷循环中，热力状态是如何变 化的？
2. 单级蒸气压缩式制冷理论循环有哪些假设条件？
理论循环
过热循环 1-2-3-4-1
1-2-3-4-1
有效过热
有害过热
q0=h1-h4 w0=h2-h1
q0=h1-h4=（h1-h4） q0=h1-h4= q0
+（h1- h1） =q0+q0
w0=h2-h1=w0+w0 w0=h2-
h1=w0+w0
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
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。
（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。
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
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。
• 作业
1.蒸气压缩制冷循环系统主要由哪些部件组成， 各有何作用？
2.蒸发器内制冷剂的汽化过程是蒸发吗？
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
– 引课 – 2.1.2.1 理论循环的假设条件和压焓图 – 2.1.2.2 理论循环的性能指标及其计算 – 小结 – 作业
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
• 单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成：
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）
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
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）
3.理论循环过程在压焓图上的表示
1）压缩过程 2）冷凝过程 3）膨胀过程 4）蒸发过程
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
2.1.2.2 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）
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
2.1.3.3单级蒸气压缩式制冷实际循环
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
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=0.347133.645=11.68kW
2.1 单级蒸气压缩式制冷循环
过冷循环
1-2-3-4-1
1-2-3-4-1
q0=h1-h4 q0 =h1-h4 =（h1-h4）+（h4- h4）=
q0+q0