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1、单级蒸气压缩式制冷的理论循环31单级蒸气压缩式制冷的理论循环311制冷系统与循环经过单级蒸气压缩式制冷系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四大部件组成，如图31所示。对制冷剂蒸气只进行一次压缩，称为蒸气单级压缩。整个循环经过主要由压缩经过、冷凝经过、节流经过以及蒸发经过四个经过组成，每个经过在不同的部件中完成，制冷剂在每个经过中的状态又各不一样，详细情况如下。图31单级蒸气压缩式制冷系统1压缩机2冷凝器3膨胀阀4蒸发器压缩经过：整个循环经过中，压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸气并造成蒸发器中低压和冷凝器中高压的作用，是整个系统的心脏。制冷循环的压缩经过是在压缩机中完成的：压缩机不断抽吸从蒸发器
2、中产生的压力为po、温度为to的制冷剂蒸气，将它压缩成压力为pk、温度为tk的过热蒸气，并输送到冷凝器中。在这个经过中，压缩机需要做功。冷凝经过：冷凝器是制冷系统中输出热量的设备，冷凝经过是在该部件中完成的。在压力pk下，来自于压缩机的制冷剂过热蒸气在冷凝器中首先被冷却成饱和蒸气，然后再逐步被冷凝成液体，制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质通常是水或空气。在冷凝经过中，与冷凝压力pk相对应的冷凝温度tk一定要高于冷却介质的温度，冷凝后的液体通过膨胀阀或其它节流元件进入蒸发器。节流经过：节流经过是在膨胀阀中完成的。当制冷剂液体经过膨胀阀时，压力由pk降至po，温度由tk降至to，部分液体气化
3、。所以离开膨胀阀的制冷剂为温度为to的两相混合物，该两相混合物进入蒸发器。蒸发经过：蒸发器是制冷系统中冷量输出设备，蒸发经过是在蒸发器中完成的。在蒸发器中，来自膨胀阀的两相混合物在压力p0和温度t0下蒸发，从被冷却介质中汲取它所需要的气化潜热，进而到达制取冷量的目的。在蒸发经过中，与蒸发压力p0相对应的蒸发温度t0一定要低于被冷却介质的温度。312压焓图和温熵图在制冷循环的分析和计算中，通常要用到两种工具，即压焓图和温熵图。1压焓图压焓图以绝对压力MPa为纵坐标，以焓值KJ/Kg为横坐标，如图32所示。为了提高低压区域的精度，通常纵坐标取对数坐标。所以，压焓图又称为lgph图。图32压焓图压焓
4、图能够用一点临界点、三区液相区、两相区、气相区、五态过冷液状态、饱和液状态、饱和蒸气状态、过热蒸气状态、湿蒸气状态和八线定压线、定焓线、饱和液线、饱和蒸气线、定干度线、定熵线、定比体积线、定温线来概括。如图32中所示，临界点K的左包络线为饱和液体线，线上任意一点代表一个饱和液体状态，对应的干度X=0；临界点K的右包络线为饱和蒸气线，线上任意一点代表一个饱和蒸气状态，对应的干度X=1。饱和液体线和饱和蒸气线将整个区域分为三个区：饱和液体线左边的是液相区，该区的液体称为过冷液体；饱和蒸气右边的是气相区，该区的蒸气成为过热蒸气；由饱和液体线和饱和气体线包围的区域为两相区，制冷剂在该区域内处于湿蒸气状
5、态。定压线即为水平线，定焓线即为垂直线；定温线在液体区几乎为垂直线，两相区内是水平线，在气相区为向右下方弯曲的倾斜线；定熵线为向右上方弯曲的倾斜线；定比体积线为向右上方弯曲的倾斜线，比定熵线平坦；定干度线只存在于两相区，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近，视干度大小而定。2温熵图温熵图以温度K为纵坐标，以熵KJ/Kg?K为横坐标，如图33所示。温熵图又称为TS图。温熵图同样能够用一点临界点、三区液相区、两相区、气相区、五态过冷液状态、饱和液状态、饱和蒸气状态、过热蒸气状态、湿蒸气状态和八线定压线、定焓线、饱和液线、饱和蒸气线、定干度线、定熵线、定比体积线、定温线来概括。图33温熵图如图33
6、中所示，临界点K的左包络线为饱和液体线，线上任意一点代表一个饱和液体状态，对应的干度X=0；临界点K的右包络线为饱和蒸气线，线上任意一点代表一个饱和蒸气状态，对应的干度X=1。饱和液体线和饱和蒸气线将整个区域分为三个区：饱和液体线左边的是液相区，该区的液体称为过冷液体；饱和蒸气右边的是气相区，该区的蒸气成为过热蒸气；由饱和液体线和饱和气体线包围的区域为两相区，制冷剂在该区域内处于湿蒸气状态。定温线即为水平线，定熵线即为垂直线；定压线在液体区密集于饱和液体线附近，近似可用饱和液体线来代替；定压线在两相区内是水平线，在气相区为向右上方弯曲的倾斜线；定焓线在液相区能够近似用同温度下饱和液体的焓值来代
7、替，在气相区和两相区，定焓线均为向右下方弯曲的倾斜线，但在两相区内曲线的斜率更大；定比体积线为向右上方弯曲的倾斜线；定干度线只存在于两相区，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近，视干度大小而定。3单级蒸气压缩式制冷理论循环在压焓图和温熵图上的表示理论制冷循环与实际循环是存在偏差的，但由于理论循环可使问题得到简化，便于对它们进行分析研究，而且理论循环的各个经过均是实际循环的基础，它可作为实际循环的比拟标准，因而仍有必要对它加以具体的分析与讨论。对于理论制冷循环，通常作出如下的假设：1离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气是处于蒸发压力下的饱和蒸气；2离开冷凝器和进入膨胀阀的液体是处于冷凝压力下的饱
8、和液体；3压缩机的压缩经过为等熵压缩；4制冷剂通过膨胀阀的节流经过为等焓经过；5制冷剂在蒸发和冷凝经过中为定压经过，且没有传热温差，即制冷剂的冷凝温度等于冷却介质温度，蒸发温度等于被冷却介质的温度。6制冷剂在各设备的连接管道中流动没有流动损失，与外界不发生热量交换。根据上述假设条件，单级蒸气压缩式制冷理论循环工作经过可清楚的表示在压焓图上，如图34所示。制冷循环中的各状态点及各个经过如下：图34单级理论循环压焓图经过线12表示等熵压缩经过，压力由蒸发压力p0升高到冷凝压力pk。点1表示制冷剂进人压缩机的状态，它对应于蒸发温度的饱和蒸气。根据压力与饱和温度的对应关系，该点位于蒸发压力p0的等压线
9、与饱和蒸气线的交点上；点2表示制冷剂出压缩机时的状态，也是进冷凝器时的状态。该点可通过1点的等熵线和冷凝压力pk的等压线的交点来确定。由于压缩经过中外界对制冷剂作功，制冷剂温度升高，因而点2表示过热蒸气状态。经过线23表示制冷剂在冷凝器中的冷却22和冷凝23经过。点3表示制冷剂出冷凝器时的状态，它是与冷凝温度tk所对应的饱和液体。整个经过是在冷凝压力不变的情况下进行的，进入冷凝器的过热蒸气首先将部分热量放给冷却介质，在等压下冷却成饱和蒸气点2。然后再在等压、等温条件下继续放出热量，直至最后冷凝成饱和液体点3。因而，压力为pk的等压线和饱和液体线的交点即为点3。经过线34表示制冷剂在节流阀中的节
10、流经过。点4表示制冷剂出节流阀时的状态，也是进入蒸发器时的状态。在该经过中，制冷剂的压力由冷凝压力pk降至蒸发压力p0，温度由冷凝温度tk降到蒸发温度t0，并进入两相区。由于节流前后制冷剂的焓值不变，因而由点3作等焓线与压力为p0的等压线的交点即为点4。由于节流经过是一个不可逆经过，所以通常用虚线表示34经过。经过线41表示制冷剂在蒸发器中的气化经过。该经过是在等温、等压下进行的，液体制冷剂汲取被冷却介质的热量而不断气化，制冷剂的状态沿等压线p0向干度增大的方向变化，直到全部变为饱和蒸气为止。这样，制冷剂的状态又重新回到进入压缩机前的状态点1，进而完成一个完好的理论制冷循环。同样单级蒸气压缩式
11、制冷理论循环工作经过可清楚的表示在温熵图上，如图35所示。制冷循环中的各状态点及各个经过如下：图35单级理论循环温熵图经过线12表示等熵压缩经过，温度由蒸发温度t0升高到冷凝温度tk。点1表示制冷剂进人压缩机的状态，它对应于蒸发温度的饱和蒸气，所以该点位于温度为蒸发温度t0的等温线与饱和蒸气线的交点上；点2表示制冷剂出压缩机时的状态，也是进冷凝器时的状态。该点可通过1点的等嫡线和压力pk的等压线的交点来确定。由于压缩经过中外界对制冷剂作功，制冷剂温度升高，因而点2表示过热蒸气状态。经过线23表示制冷剂在冷凝器中的冷却22和冷凝23经过。点3表示制冷剂出冷凝器时的状态，它是与冷凝温度tk所对应的
12、饱和液体。整个经过是在冷凝压力不变的情况下进行的，进入冷凝器的过热蒸气首先将部分热量放给冷却介质，在等压下冷却成饱和蒸气点2。然后再在等压、等温下继续放出热量，直至最后冷凝成饱和液体点3。因而，温度为tk的等温线和饱和液体线的交点即为点3。经过线34表示制冷剂在节流阀中的节流经过。点4表示制冷剂出节流阀时的状态，也是进入蒸发器时的状态。在该经过中，制冷剂的温度由冷凝温度tk降到蒸发温度t0，压力由冷凝压力pk降至蒸发压力p0，并进入两相区。由于节流前后制冷剂的焓值不变，因而由点3作等焓线与温度为t0的等温线的交点即为点4。由于节流经过是一个不可逆经过，所以通常用虚线表示34经过。经过线41表示制冷剂在蒸发器中的气化经过。该经过是在等温、等压下进行的，液体制冷剂汲取被冷却介质的热量而不断气化，制冷剂的状态沿等温线t0向干度增大的方向变化，直到全部变为饱和蒸气为止。这样，制冷剂的状态又重新回到进入压缩机前的状态点1，进而完成一个完好的理论制冷循环。