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1、第二节第二节 蒸汽压缩式制冷装置的工作原理蒸汽压缩式制冷装置的工作原理单级蒸汽压缩制冷系统，单级蒸汽压缩制冷系统，是由是由制冷压缩机、冷凝制冷压缩机、冷凝器、蒸发器器、蒸发器和和节流阀节流阀四四个基本部件组成。个基本部件组成。它们之间用管道依次连它们之间用管道依次连接，形成一个密闭的系接，形成一个密闭的系统，制冷剂在系统中不统，制冷剂在系统中不断地循环流动，发生状断地循环流动，发生状态变化，与外界进行热态变化，与外界进行热量交换。其工作过程如量交换。其工作过程如下图所示。下图所示。Q1Q2Q3 常温高压液体常温高压液体 高温高压蒸汽高温高压蒸汽低温低压蒸汽低温低压蒸汽低温低压低温低压90%液体
2、和液体和10%蒸汽蒸汽单级蒸汽压缩制冷循环单级蒸汽压缩制冷循环制冷剂液体在蒸发器内以低温与被冷却对象发生热交换，制冷剂液体在蒸发器内以低温与被冷却对象发生热交换，吸收被冷却对象的热量并气化；吸收被冷却对象的热量并气化；产生的低压蒸汽被压缩机吸入，经压缩后以高压排出；产生的低压蒸汽被压缩机吸入，经压缩后以高压排出；压缩机排出的高压气态制冷剂进冷凝器，被常温的冷却水压缩机排出的高压气态制冷剂进冷凝器，被常温的冷却水或空气冷却，凝结成高压液体；或空气冷却，凝结成高压液体；高压液体流经膨胀阀时节流，变成低压低温的气液两相高压液体流经膨胀阀时节流，变成低压低温的气液两相混合物，进入蒸发器，其中的液态制冷
3、剂在蒸发器中蒸发混合物，进入蒸发器，其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷，产生的低压蒸汽再次被压缩机吸入。制冷，产生的低压蒸汽再次被压缩机吸入。如此周而复始，不断循环。如此周而复始，不断循环。压焓图：压焓图：压焓图的结构如下图压焓图的结构如下图2所示。以绝对压力为纵坐标（为了缩小图的尺寸，所示。以绝对压力为纵坐标（为了缩小图的尺寸，提高低压区域的精度，提高低压区域的精度，通常纵坐标取对数坐标），以焓值为横坐标。通常纵坐标取对数坐标），以焓值为横坐标。临界点临界点K左边的粗实线为左边的粗实线为饱和液体线饱和液体线，线上的任，线上的任何一点代表一个饱和液体状态，干度何一点代表一个饱和液体状态，干度x
4、=0。临界点临界点K右边的粗实线为右边的粗实线为饱和蒸气线饱和蒸气线，线上任何，线上任何一点代表一个饱和蒸气状态，干度一点代表一个饱和蒸气状态，干度x=1。这两条粗实线将图分这两条粗实线将图分为三个区域：为三个区域：1.饱和液体线的左边为饱和液体线的左边为过冷液体区过冷液体区，过冷液体，过冷液体的温度低于相同压力下饱和液体的温度；的温度低于相同压力下饱和液体的温度；2.饱和蒸气线的饱和蒸气线的右边是右边是过热蒸气区过热蒸气区，该区域内，该区域内的蒸气称为过热蒸气，它的温度高于同一压的蒸气称为过热蒸气，它的温度高于同一压力下饱和蒸气的温度；力下饱和蒸气的温度；3.两条线之间的区域为两相区，制冷剂
5、在该区两条线之间的区域为两相区，制冷剂在该区域内处于域内处于气、液混合状态（湿蒸气区）气、液混合状态（湿蒸气区）。制冷剂压焓图制冷剂压焓图单级蒸汽压缩制冷的理论循环工作过程：单级蒸气压缩式制冷系统如下图单级蒸气压缩式制冷系统如下图1所示。它由压缩所示。它由压缩机、冷凝器、膨胀阀和机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器蒸发器组成。其工作过程如下：组成。其工作过程如下：制冷剂在蒸发压力下沸腾，制冷剂在蒸发压力下沸腾，蒸发温度低于被冷却物体或蒸发温度低于被冷却物体或流体的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸气，流体的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸气，并将它压缩到冷凝压力，并将它压缩到冷凝压力，然后送往
6、冷凝器，在冷凝压力然后送往冷凝器，在冷凝压力下等压冷却和冷凝成液体，制冷剂冷却和冷凝时放出的下等压冷却和冷凝成液体，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）热量传给冷却介质（通常是水或空气）与冷凝压力相对与冷凝压力相对应的冷凝温度一定要高于冷却介质的温度，冷凝后的液应的冷凝温度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。体通过膨胀阀或其它节流元件进入蒸发器。当制冷剂通当制冷剂通过膨胀阀时，压力从冷凝压力降到蒸发压力，部分液体过膨胀阀时，压力从冷凝压力降到蒸发压力，部分液体气化，剩余液体的温度降至蒸发温度，于是离开膨胀阀气化，剩余液体的温度降至蒸发
7、温度，于是离开膨胀阀的制冷剂变成温度为蒸发温度的两相混合物。的制冷剂变成温度为蒸发温度的两相混合物。混合物中混合物中的液体在蒸发器中蒸发，从被冷却物体中吸取它所需要的液体在蒸发器中蒸发，从被冷却物体中吸取它所需要的气化潜热。混合物中的蒸气通常称为闪发蒸气，在它的气化潜热。混合物中的蒸气通常称为闪发蒸气，在它被压缩机重新吸入之前几乎不再起吸热作用被压缩机重新吸入之前几乎不再起吸热作用。2.单级蒸气压缩制冷的实际循环及热力计算单级蒸气压缩制冷的实际循环及热力计算在整个循环过程中在整个循环过程中:压缩机压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸气并造起着压缩和输送制冷剂蒸气并造成蒸发器中低压力、冷凝器中高压力的成
8、蒸发器中低压力、冷凝器中高压力的作用，是整个系统的心脏；作用，是整个系统的心脏；节流阀节流阀对制冷剂起节流降压作用并调节对制冷剂起节流降压作用并调节进入蒸发器的制冷剂流量；进入蒸发器的制冷剂流量；蒸发器蒸发器是输出冷量的设备，制冷剂在蒸是输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物体的热量，从而达发器中吸收被冷却物体的热量，从而达到制取冷量的目的；到制取冷量的目的；冷凝器冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中是输出热量的设备，从蒸发器中吸取的热量连同压缩机消耗的功所转化吸取的热量连同压缩机消耗的功所转化的热量的冷凝器中被冷却介质带走。的热量的冷凝器中被冷却介质带走。根据热力学第二定律，根据热力学第
9、二定律，压缩机所消耗的压缩机所消耗的功（电能）起了补偿作用，使制冷剂不功（电能）起了补偿作用，使制冷剂不断从低温物体中吸热，并向高温物体放断从低温物体中吸热，并向高温物体放热，从而完整个制冷循环。热，从而完整个制冷循环。制冷原理演示各部件的作用各部件的作用压缩机压缩机:压缩和输送制冷蒸汽，并造成蒸发压缩和输送制冷蒸汽，并造成蒸发器中低压、冷凝器中高压，是整个系统的心脏。器中低压、冷凝器中高压，是整个系统的心脏。提高制冷剂蒸汽的露点。提高制冷剂蒸汽的露点。冷凝器冷凝器:是输出热量的设备，将制冷剂在蒸是输出热量的设备，将制冷剂在蒸发器中吸收的热量和压缩机消耗功所转化的热量发器中吸收的热量和压缩机消
10、耗功所转化的热量排放给冷却介质。排放给冷却介质。节流阀节流阀:对制冷剂起节流降压作用，并调节对制冷剂起节流降压作用，并调节进入蒸发器的制冷剂流量。进入蒸发器的制冷剂流量。降低制冷剂液体的沸降低制冷剂液体的沸点。点。蒸发器蒸发器:是输出冷量的设备，制冷剂在蒸发是输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却对象的热量，从而达到制冷的目器中吸收被冷却对象的热量，从而达到制冷的目的。的。制冷原理演示30大气大气+30+401630低温饱和气体低温饱和气体低温过热气体低温过热气体蒸发器膨胀阀电磁阀视镜过滤器冷凝器过热（过冷）器 节流机构是压缩式制冷循环不可缺少的四个主要过节流机构是压缩式制冷循环不可缺少的
11、四个主要过程之一。节流机构的作用有两点：一是对从冷凝器中程之一。节流机构的作用有两点：一是对从冷凝器中出来的高压液体制冷剂进行节流降压为蒸发压力；二出来的高压液体制冷剂进行节流降压为蒸发压力；二是根据系统负荷变化，调整进入蒸发器的制冷剂液体是根据系统负荷变化，调整进入蒸发器的制冷剂液体的数量。的数量。常用的节流机构有手动膨胀阀、浮球式膨胀阀、常用的节流机构有手动膨胀阀、浮球式膨胀阀、热力膨胀阀以及阻流式膨胀阀热力膨胀阀以及阻流式膨胀阀(毛细管毛细管)等。它们的基等。它们的基本原理都是使高压液态制冷剂受迫流过一个小过流截本原理都是使高压液态制冷剂受迫流过一个小过流截面，产生合适的局部阻力损失面，
12、产生合适的局部阻力损失(或沿程损失或沿程损失)，使制冷，使制冷剂压力骤降，与此同时一部分液态制冷剂汽化，吸收剂压力骤降，与此同时一部分液态制冷剂汽化，吸收潜热，使节流后的制冷剂成为低压低温状态。潜热，使节流后的制冷剂成为低压低温状态。机构机构压焓图：压焓图：压焓图的结构如下图压焓图的结构如下图2所示。以绝对压力为纵坐标（为了缩小图的尺寸，所示。以绝对压力为纵坐标（为了缩小图的尺寸，提高低压区域的精度，提高低压区域的精度，通常纵坐标取对数坐标），以焓值为横坐标。通常纵坐标取对数坐标），以焓值为横坐标。临界点临界点K左边的粗实线为左边的粗实线为饱和液体线饱和液体线，线上的任，线上的任何一点代表一个
13、饱和液体状态，干度何一点代表一个饱和液体状态，干度x=0。临界点临界点K右边的粗实线为右边的粗实线为饱和蒸气线饱和蒸气线，线上任何，线上任何一点代表一个饱和蒸气状态，干度一点代表一个饱和蒸气状态，干度x=1。这两条粗实线将图分这两条粗实线将图分为三个区域：为三个区域：1.饱和液体线的左边为饱和液体线的左边为过冷液体区过冷液体区，过冷液体，过冷液体的温度低于相同压力下饱和液体的温度；的温度低于相同压力下饱和液体的温度；2.饱和蒸气线的饱和蒸气线的右边是右边是过热蒸气区过热蒸气区，该区域内，该区域内的蒸气称为过热蒸气，它的温度高于同一压的蒸气称为过热蒸气，它的温度高于同一压力下饱和蒸气的温度；力下
14、饱和蒸气的温度；3.两条线之间的区域为两相区，制冷剂在该区两条线之间的区域为两相区，制冷剂在该区域内处于域内处于气、液混合状态（湿蒸气区）气、液混合状态（湿蒸气区）。图中共有图中共有六种等参数线簇：六种等参数线簇：1）等压线）等压线-水平线；水平线；2）等焓线）等焓线-垂直线；垂直线；3）等温线）等温线-液体区几乎为垂直液体区几乎为垂直线。两相区内，因制冷剂状态的变化线。两相区内，因制冷剂状态的变化是在等压、等温下进行，故等是在等压、等温下进行，故等温线与温线与等压线重合，是水平线。过热蒸气区等压线重合，是水平线。过热蒸气区为向右下方弯曲的倾斜线；为向右下方弯曲的倾斜线；4）等熵线）等熵线-向
15、右上方倾斜的实向右上方倾斜的实线；线；5）等容线）等容线-向右上方倾斜的虚向右上方倾斜的虚线，比等熵线平坦；线，比等熵线平坦；6）等干度线）等干度线-只存在于湿蒸气只存在于湿蒸气区域内，其方向大致与饱和液体线或区域内，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。饱和蒸气线相近，视干度大小而定。压焓图压焓图：过程线过程线1-2表示制冷剂蒸气在压缩机中的等熵压缩过程表示制冷剂蒸气在压缩机中的等熵压缩过程，压力由蒸发压力，压力由蒸发压力升高升高到冷凝压力到冷凝压力。因此该点可通过。因此该点可通过1点的等熵线和压力为冷凝压力的等压线的交点点的等熵线和压力为冷凝压力的等压线的交点来确定。由于
16、压缩过程中外界对制冷剂作功，制冷剂温度升高，因此点来确定。由于压缩过程中外界对制冷剂作功，制冷剂温度升高，因此点2表示表示过热蒸气状态。过热蒸气状态。点点2表示制冷剂出压缩机时的状态，表示制冷剂出压缩机时的状态，也就是进冷凝器时的状态。也就是进冷凝器时的状态。点点1表示制冷剂进入压缩机的状态。表示制冷剂进入压缩机的状态。压焓图中各状态点及各个过程叙述如下：压焓图中各状态点及各个过程叙述如下：过程线过程线2-2-3表示制冷剂在冷凝器内的表示制冷剂在冷凝器内的冷却（冷却（2-2）和冷凝（）和冷凝（2-3）的过程。）的过程。由于这个过程是在冷凝压力由于这个过程是在冷凝压力不变的情不变的情况下进行的，
17、进入冷凝器的过热蒸气首况下进行的，进入冷凝器的过热蒸气首先先将部分热量放给外界冷却介质，在将部分热量放给外界冷却介质，在等压下冷却成饱和蒸气（点等压下冷却成饱和蒸气（点2），然后），然后再在等压、等温下继续放出热量，再在等压、等温下继续放出热量，直直至最后冷凝成饱和液体（点至最后冷凝成饱和液体（点3）。因此，）。因此，冷凝压力的等压线和冷凝压力的等压线和x0的饱和液体的饱和液体线的交点即为点线的交点即为点3的状态。的状态。点点3表示制冷剂出冷凝器时的状态。表示制冷剂出冷凝器时的状态。点点4表示制冷剂出节流阀时的状态，也就是进入蒸发器时的状态。表示制冷剂出节流阀时的状态，也就是进入蒸发器时的状态
18、。过程线过程线3-4表示制冷剂在通过节流阀时的节流过程。在这一过程中，制冷剂的压表示制冷剂在通过节流阀时的节流过程。在这一过程中，制冷剂的压力由冷凝压力降到力由冷凝压力降到蒸发压力蒸发压力，温度由冷凝温度降到蒸发温度，温度由冷凝温度降到蒸发温度，并进入两相区。，并进入两相区。由于节流前后制冷剂的焓值不变，因此由点由于节流前后制冷剂的焓值不变，因此由点3作等焓线与蒸发压力的等压线的交作等焓线与蒸发压力的等压线的交点即为点点即为点4的状态。由于节流过程是一个不可逆过程，所以用一虚线表示的状态。由于节流过程是一个不可逆过程，所以用一虚线表示3-4过过程。程。各部件的作用各部件的作用制冷循环过程在压焓
19、图上的表示制冷循环过程在压焓图上的表示单级蒸气压缩制冷理论循环工作过程可清楚地表单级蒸气压缩制冷理论循环工作过程可清楚地表示在压焓图上，如图示在压焓图上，如图3所示。所示。对于最简单的理论循环（或称简单的饱和循环）：对于最简单的理论循环（或称简单的饱和循环）：离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸气是处于蒸发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；压力下的饱和蒸气；离开冷凝器和进入膨胀阀的液体是处于冷凝压力下的离开冷凝器和进入膨胀阀的液体是处于冷凝压力下的饱和液体；饱和液体；压缩机的压缩过程为等熵压缩；压缩机的压缩过程为等熵压缩；制冷剂通过膨胀阀节流时，其前、后焓值相等；制冷剂
20、通过膨胀阀节流时，其前、后焓值相等；制冷剂在蒸发和冷凝过程中没有压力损失；制冷剂在蒸发和冷凝过程中没有压力损失；在各设在各设备的连接管道中制冷剂不发生状态变化；制冷剂的冷备的连接管道中制冷剂不发生状态变化；制冷剂的冷凝温度等于冷却介质温度，凝温度等于冷却介质温度，蒸发温度等于被冷却介蒸发温度等于被冷却介质的温度。显然，上述条件与实际循环是存在着偏差质的温度。显然，上述条件与实际循环是存在着偏差的，的，但由于理论循环可使问题得到简化，便于对它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过程均是们进行分析研究，而且理论循环的各个过程均是实实际循环的基础，它可作为实际循
21、环的比较标准，因此际循环的基础，它可作为实际循环的比较标准，因此仍有必要对它加以详细的分析与讨论。仍有必要对它加以详细的分析与讨论。过程线过程线4-1表示制冷剂在蒸发器中表示制冷剂在蒸发器中的气化过程。由于这一过程是在的气化过程。由于这一过程是在等温、等压下进行的，液体制冷等温、等压下进行的，液体制冷剂吸取被冷却介质的热量（即制剂吸取被冷却介质的热量（即制冷）而不断气化，制冷剂的状态冷）而不断气化，制冷剂的状态沿蒸发压力的等压线沿蒸发压力的等压线向干度增大向干度增大的方向变化，直到全部变为饱和的方向变化，直到全部变为饱和蒸气为止。这样，制冷剂的状态蒸气为止。这样，制冷剂的状态又重新回到进入压缩
22、机前的状态又重新回到进入压缩机前的状态点点1，从而完成一个完整的理论制，从而完成一个完整的理论制冷循环。冷循环。在进行制冷循环的热力计算之前在进行制冷循环的热力计算之前,需要了解系统中各设备内功需要了解系统中各设备内功和热量的变化情况和热量的变化情况,然后再对循环的性能指标进行分析和计算。然后再对循环的性能指标进行分析和计算。根据热力学第一定律，如果忽略位能和动能的变化，稳定流动根据热力学第一定律，如果忽略位能和动能的变化，稳定流动的能量方程可表示为的能量方程可表示为(1)式中：式中：Q和和P是单位时间内加给系统的热量和功是单位时间内加给系统的热量和功;qm是流进或流出该系统的稳定质量流量；是
23、流进或流出该系统的稳定质量流量；h是比焓是比焓;下标下标1和和2分别表示流体流进系统和离开系统的分别表示流体流进系统和离开系统的状态点。状态点。当热量和功朝向系统时当热量和功朝向系统时,Q和和P取正值取正值.单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算制冷剂液体通过节流孔口时绝热膨制冷剂液体通过节流孔口时绝热膨胀，对外不作功胀，对外不作功,P=0,P=0,故方程式故方程式(1)(1)变为变为 因此，可认为节流前后其值不变因此，可认为节流前后其值不变.节流阀节流阀出口处（点出口处（点4 4）为两相混合物，它的焓值）为两相混合物，它的焓值也可由下式表示：也可由下式表示：
24、式中式中 h hf0f0 和和h hg0g0 分别为蒸发压力分别为蒸发压力p p0 0 下下饱和液饱和液体体和和饱和蒸汽饱和蒸汽的焓值；的焓值；x x4 4 为制冷剂出节为制冷剂出节流阀时的干度。将上式移项并整理得流阀时的干度。将上式移项并整理得:(1)节流阀节流阀 点点4 4比容为比容为 式式中中 V Vf0f0 和和V Vg0g0 分别为蒸发温度分别为蒸发温度t t0 0 下下饱和液体饱和液体和和饱和蒸汽饱和蒸汽的比容。的比容。如果忽略压缩机与外界环境如果忽略压缩机与外界环境所交换的热量，则由式（所交换的热量，则由式（1）得）得（5）式中式中（h2-h1)表示压缩机每压缩并表示压缩机每压缩
25、并输送输送1kg的制冷剂所消耗的功，称的制冷剂所消耗的功，称为理论比功。为理论比功。（2）压缩机压缩机被冷却物质通过蒸发器向制冷被冷却物质通过蒸发器向制冷剂传送剂传送Q0,因为蒸发器不作功，故因为蒸发器不作功，故方程式（方程式（1）变为）变为（6）由上式可以看出制冷量与两个由上式可以看出制冷量与两个因数有关：因数有关：制冷剂的质量流量制冷剂的质量流量qm和制冷剂进和制冷剂进出口蒸发器的焓差出口蒸发器的焓差(h1-h4)。(h1-h4)称为单位质量制冷量，它称为单位质量制冷量，它表示表示1kg制冷剂在蒸发器内从被冷制冷剂在蒸发器内从被冷却物质中吸取的热量，用却物质中吸取的热量，用q0表示。表示。
26、（3）蒸发器蒸发器质量流量与容积质量流量与容积qv有如下关系：有如下关系：（7）用压缩机进口出用压缩机进口出V1代入上式得：代入上式得：（8）将方程（将方程（8）代入（）代入（6）得）得:（9）假设制冷剂在冷凝器中向外界放假设制冷剂在冷凝器中向外界放出热量为出热量为Qk,那么那么（10）式中式中(h2-h3)称为冷凝器单位热负荷，称为冷凝器单位热负荷，用用qv表示。它表示表示。它表示1kg制冷剂蒸汽在冷制冷剂蒸汽在冷凝器中放出的热量。凝器中放出的热量。(5)(5)制冷系数制冷系数 按定义，在理论循环中，制冷系按定义，在理论循环中，制冷系数可用下式表示数可用下式表示（11）在下一页我们通过一个例
27、题来讲在下一页我们通过一个例题来讲解热力计算过程解热力计算过程（4）冷凝器冷凝器 例题：假定循环为单级压缩蒸气制冷的理论循环，蒸发温度例题：假定循环为单级压缩蒸气制冷的理论循环，蒸发温度t0=10,冷凝温度冷凝温度tk为为35，工质为，工质为R22，循环的制冷量，循环的制冷量Q0=55kw,试对该循环试对该循环进行热力计算。进行热力计算。解：该循环的压焓图如下所示：解：该循环的压焓图如下所示：根据根据R22的热力性质表，查出处于饱和线上的热力性质表，查出处于饱和线上的有关状态参数值：的有关状态参数值：h1=401.555kJ/kgv1=0.0653m3/kgh3=h4=243.114kJ/kg
28、p0=0.3543MPapk=1.3548MPa由图可知：由图可知：h2=435.2kJ/kgt2=57pkpototkh3h4h1h21单位质量制冷量单位质量制冷量q0=h1h4=158.441kJ/kg2单位容积制冷量单位容积制冷量3制冷剂质量流量制冷剂质量流量4理论比功理论比功w0=h2h1=33.645kJ/kg5压缩机消耗的理论功率压缩机消耗的理论功率P0=qmw0=11.68kw6压缩机吸入的容积压缩机吸入的容积V=qmv1=0.0227m3/s7制冷系数制冷系数8冷凝器单位热负荷冷凝器单位热负荷qk=h2h3=192.086kJ/kg9冷凝器热负荷冷凝器热负荷Qk=qmqk=66.67kw