制冷循环原理3.1 蒸气压缩式制冷原理如果制冷工质状态变化跨越液、气两态，则制冷循环称为蒸气压缩制冷循环。

蒸气压缩制冷装置是目前使用最广泛一种制冷装置，绝大多数家用冰箱、空调机、冷柜等都是采用蒸气压缩式制冷。

3.1.1 单级蒸气压缩制冷循环分析家用冰箱、空调机、冷柜等制冷装置功能、结构形式、整体布局虽然不同，其主要部件都包括压缩机、冷凝器、膨胀阀（或称节流阀）和蒸发器四部分。

通过简化如图3-1所示。

图3-1是蒸气压缩制冷装置制冷循环示意图。

其工作循环如下：经过膨胀阀（毛细管）绝热节流，降压降温至状态4湿蒸气进入蒸发器（冷库），进行定压蒸发吸热，离开蒸发器时已成为干饱和蒸气；从蒸发器出来状态1干饱和蒸气被吸入压缩机进行压缩，升压、升温至过热蒸气状态2；进入冷凝器，进行定压放热，凝结为液体3；从冷凝器出来液体经过膨胀阀（毛细管）节流降压至湿蒸气状态4进入蒸发器（冷库），从而完成了一个循环4-1-2-3-4。

蒸气压缩式制冷循环可概括为四个过程。

①蒸发过程4-1 低温低压液体制冷剂从冷库中以汽化潜热方式吸收被冷却物热量后，变成低温低压制冷剂蒸气。

②压缩过程1-2 为了维持一定蒸发温度，制冷剂蒸气必须不断地从蒸发器引出，从蒸发器出来制冷剂蒸气被压缩机吸入并被压缩成高压气体，且由于在压缩过程中，压缩机要消耗一定机械功，机械能又在此过程中转换为热能，所以制冷剂蒸气温度有所升高，制冷剂蒸气呈过热状态。

③冷凝过程2-3从制冷压缩机排出高温高压过热制冷剂蒸气，进入冷凝器后受到冷却物（如冷却水、空气等）冷却而变为液体。

④节流过程3-4从冷凝器出来制冷剂液体经过降压设备（如节流阀、膨胀阀等）减压到蒸发压力。

节流后制冷剂温度也下降到蒸发温度，并产生部分闪蒸气体。

节流后气液混合物进入蒸发器进行蒸发过程。

上述四个过程依次不断进行循环，从而达到连续制冷目。

3.1.2单级压缩式制冷循环在压-焓图上表示单级压缩式制冷循环主要由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器四大件所组成，这四大件由管道连接起来，便构成了一个最简单制冷系统（如图3-1所示）。

单级蒸气压缩式制冷理论循环假设条件是：①压缩过程1-2是绝热压缩过程，前后熵值不变；②不考虑制冷剂在流动时摩擦、阻力等损失，即制冷剂在流经冷凝器、蒸发器及连接管道中压力保持不变，冷凝压力pk 保持不变；蒸发压力p不变；③节流过程为绝热过程，液态制冷剂节流前后焓值不变；该制冷系统运行状态则可在压一焓图上绘制和表示出来，如图3-2所示。

其中各点表示位置是：0点——蒸发器出口；1点——压缩机吸气口；2点——压缩机排气口；5点——节流装置入口；6点——蒸发器入口。

图中各线段意义如下6-0段：等温等压吸热汽化过程（蒸发过程）。

压力P为蒸发压力，温度t0为蒸发温度。

6-0区间，P及t相对应。

两点间焓值之差就是单位工质制冷量。

0-1段：压力不变情况下吸气过热过程。

在蒸发器出口段至压缩机入口段间管道由于吸收外界环境热量，温度升高，而压力不变。

1-2段：等熵压缩过程。

在压缩过程中，气体温度、压力及焓值升高，比体积减小，熵值不变。

h：-九，就是压缩机械功。

2-3段：等压放热过程。

高压（冷凝压力）条件下，制冷剂气体放出显热，由排气温度t2：降至冷凝温度tk。

温度下降，状态授变，仍为气体。

3-4段：凝结过程。

在冷凝压力pk下，制冷剂放出潜热而由气态液化为液态，但温度没变，仍是冷凝温度tk。

4-5段：过冷过程。

在冷凝压力pk下，制冷剂液体继续散热，即向外放出显热。

5-6段：等焓节流过程。

制冷剂通过节流装置，由高压pk 降到低压P，温度由过冷温度t5降至蒸发温度t；状态由过冷液体变为气液共存状态。

h0、h3分别是压力p、pk下干饱和蒸气焓，h4是压力pk下饱和液体焓，皆可由饱和蒸气表查得，h2可根据pk和(S2=S1)由过热蒸气表确定，h5、h1分别根据过冷度和过热度确定。

蒸气压缩制冷循环0-1-2-3-4-5-6-0在压焓图中表示如图3-2所示。

因为蒸气压缩制冷循环吸热量、放热量以及所需功量皆可用工质在各状态点焓差来表示。

所以制冷量、冷凝放热量以及压缩所需功都可以用图中线段长度表示。

3.1.3单级蒸气压缩式制冷理论循环热力计算单级蒸气压缩式制冷理论循环在压焓图上表示如图3-2所示。

在压焓图上表示单级蒸气压缩式制冷循环热力参数有：①单位质量制冷量（简称单位制冷量） lkg制冷剂在蒸发器内所吸收热量称为单位制冷量，用符号q表示，单位kJ/kg。

在压焓图3-2中，可用点6和点0两点焓差值表示，即q0 =h-h6=h–h5(kJ/kg) (3-1)②单位压缩功压缩机绝热压缩lkg制冷剂所消耗功称为单位压缩功，用符号w表示，单位kJ/kg。

在图中用点2和点1两点焓差表示，即w0 =h2–h1(kJ/kg) (3-2)③单位冷凝热负荷 lkg 制冷剂在冷凝器中放出热量称为单位冷凝热负荷，用符号q k 表示，单位是kJ/kg ，在图中，可用点2和点5焓差表示，即q k =h 2 –h 5 (kJ/kg) (3-3)④单位容积制冷量 l m 3制冷剂在蒸发器所吸收热量称单位容积制冷量，用符号q v 表示，单位是kJ/m 3。

它可以很方便地从q 0换算出来，即q v = q 0 /V 1一（h 0 –h 5)/V l (kJ/ m 3) (3-4)式中v 1——吸气状态时制冷剂蒸气比体积，m 3 /kg 。

⑤循环制冷系数ε = q 0/( q 1-q 2) = （h 0-h 6）/[(h 2-h 5)-(h 1-h 6)] = (h 0-h 6)/(h 2-h 1) (3-5)【例题3-1】某压缩制冷设备用氨作制冷剂。

已知氨蒸发温度为-10℃，冷凝温度为38℃，压缩机入口是干饱和氨蒸气，要求制冷量为l00kW ，试计算制冷剂流量、压缩机消耗功率和制冷系数。

解 根据题意t 1=-10℃，t 3 =38℃。

由氨lgp-h 图（见附录图2）查出各状态点参数为h 1 =1430kJ/kg p 1 =0. 29MPah 2=1670kJ/kg p 2 =1. 5MPah 4 =h 3 =350kJ/kg①制冷剂流量q 0 =h 1 -h 4=(1430-350) kJ/kg=1080kJ/kg氨质量流量为m=100/1080=0. 0926kg/s②压缩机消耗功率w0 =h2-hl=1670-1430=240kJ/kgP=mw=0. 0926×240=22. 22kW ③制冷系数ε = q0/ w=1028/240=4.53.1.4单级蒸气压缩式制冷实际循环实际压缩过程及理论循环过程存在很大区别，主要表现在以下几方面：①压缩过程不是等熵过程；②实际节流过程中由于及外界有热交换，所以不是绝热节流，而节流后焓值是增大；③制冷剂在蒸发器及冷凝器内传热过程，由于压力变化，制冷剂温度是渐变；④制冷剂流经阀门、管道和设备时因有阻力存在，为使循环得以实现，故使压缩机排气压力增高，而吸气压力降低；⑤在吸气过程中由于有热交换，肯定有一定有害过热。

由于实际压缩循环及理论压缩循环存在着多方面差别，所以单级压缩制冷机实际循环单位压缩功增大，单位制冷量减少，制冷系数低于理论循环。

由于实际过程比较复杂，存在机械摩擦、阻力及热交换等，很难将实际循环过程表示在lgp-h图上。

在工程计算时，通常是先按理论循环计算，然后用各种系数进行修正。

3.1.5蒸气压缩式热泵循环热泵装置及制冷装置工作原理没有什么差别，只是二者工作目不同，制冷装置是为了制冷，而热泵装置则是为了供热。

如果将图3-3中冷凝器放在室内，则当上述装置工作时，就可以从低温环境中吸取热量并释放到室内来，用于取暖。

原则上，可以使一套设备具备制冷和供热两种功能。

如图3-3所示，如果用一只四通换向阀A来控制改变制冷工质在装置中流向，就可以达到夏季对室内制冷、冬季对室内供热目。

有些国家（如美国和加拿大）早已将这种采暖及制冷兼用装置用于火车车厢和远洋客货轮空调，以适应长途旅行运输时各地区气候上变化。

热泵经济性指标是供热系数ε’，它等于制冷剂在冷凝器中放出热量q 1及压缩机消耗功w之比，即ε’=q1/w。

由于q1=w+q2，所以热泵供热系数恒大于1，它优于其他供暖装置（如电加热器等）之处，就在于消耗同样多机械功对室内供暖，可比用其他方法得到更多热量，即除了由机械功所转换热量外，还包括制冷剂在蒸发器中所吸收热量。

热泵装置还可以将大量较低品位（即较低温度）热能提升为较高品位（即较高温度）热能，以满足生产上需要。

另外，采用热泵供热取代锅炉供热还有利于保护环境不受污染。

但是，热泵使用受到其他条件限制，例如，我国东北地区冬季室外温度在-20～-30℃或更低，用热泵供热就很不经济，并且由于室内外温差太大，热泵供热系数将很低，不利于节能；又例如对工业欠发达国家或地区，热泵装置造价往往比其他采暖设备高出很多，这也影响了热泵使用及推广。

3.2双级蒸气压缩式制冷循环3.2.1双级蒸气压缩式制冷理论循环单级制冷压缩机若要制取较低温度时，蒸发温度就很低，相应蒸发压力就很低，造成制冷机压缩比（冷凝压力及蒸发压力之间绝对压力比值）显著增大。

当压力比增大到一定程度时，单机制冷压缩机就不能正常工作。

这是因为：①压缩比增大，压缩机输气量减少，使制冷量下降，②压缩比增大，使压缩机排气温度升高，汽缸壁温度上升，影响润滑条件，甚至会出现润滑油碳化等不正常现象；③压缩比增大，液态制冷剂节流所引起损失增大，即节流后产生闪蒸气体增多，使制冷系数降低。

因此，当需制取-25℃以下低温时一般采用双级压缩。

两级压缩制冷压缩过程分两个阶段进行：来自蒸发器制冷剂蒸气先在低压压缩机中压缩到中间压力；经过中间冷却，然后再进入高压压缩机压缩到冷凝压力。

两级压缩制冷循环，由于节流级数以及液体和蒸气冷却方式不同，因而有不同循环形式。

例如，有两级节流和一级节流循环，中间完全冷却和中间不完全冷却循环等。

实际应用大都是一级节流循环。

两级压缩制冷都采用中间冷却。

经过中间冷却后，高压级排气温度就不致过高。

两级压缩制冷机中间冷却方式是随制冷剂种类不同而有所不同。

对于氨，通常是让低压级排气冷却到中间压力下饱和温度，称为中间完全冷却；对于氟里昂，则是让低压级排气及中间冷却器中蒸发蒸气相汇合，称为中间不完全冷却。

3.2.2 两级压缩氨制冷循环及系统组成两级氨压缩制冷机中，大多数是应用一级节流中间完全冷却循环。

该循环系统如图3-4所示。

来自蒸发器E低压氨蒸气，首先在低压压缩机A中被压缩到中间压力p z ，排入到中间冷却器F中，被其中氨冷却到中间压力下饱和温度tz，再进入高压压缩机B中继续被压缩到冷凝压力pk，然后进入冷凝器中被冷凝成液体。

由冷凝器C引出氨液，经过再冷却器D进一步降低温度，然后分成两路：一路经节流阀G降压到中间压力pz，进入中间冷却器F中，利用它蒸发来冷却低压压缩机排气和盘管内高压氨液，中间冷却器中蒸发出来氨蒸气（中间压力p下饱和蒸气），随同z低压压缩机排气（降温到中间压力下饱和温度）一起进入高压压缩机中被压缩，另一路氨液在中间冷却器F盘管内被冷却后，再进入流经节流阀H节流到蒸发压力P蒸发器E中进行蒸发制冷。