单级蒸汽压缩式制冷循环
蒸气压缩式制冷的理论循环
蒸气压缩式制冷的理论循环1. 单级蒸气压缩式制冷的理论循环的形式单级蒸气压缩式制冷的理论循环是在逆卡诺循环的基础上，作了如下变化：（1）节流阀代替膨胀机；（2）干压缩代替湿压缩。
循环的特点是制冷剂在压缩机的吸入状态和冷凝器的出口状态都是饱和状态，又将理论循环称为饱和循环。
当然，理论循环还保留逆卡诺循环的其它假定。
循环原理图和循环状态点在T－S图上的表示如图1-2、图1-3所示。
单级蒸气压缩式制冷循环由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器四大部件组成。
制冷剂在循环过程中各点的状态分别是：压缩机吸入口状态1为低温低压的饱和蒸气；压缩机压缩后状态2为高温高压的过热蒸气状态；冷凝器出口状态3为常温高压的饱和液体状态；节流阀图1-2 理论循环原理图图1-3理论循环在T-S图上的表示出口状态4为低温低压的湿蒸气状态（由大部分低温饱和液体和小部分低温饱和蒸气组成）。
将这四个状态点的特性列成表来表示，见表1-1。
单级蒸气压缩式制冷理论循环各状态点特性表1-1循环过程中，各设备的作用是：压缩机起到了压缩和输送制冷剂，并造成蒸发器的低压作用；冷凝器起到了将低温物体的热量和压缩功转变的热量传给环境的作用；蒸发器则起到了吸收被冷却物体的热量的作用；节流阀起到节流降压、调节流量的作用。
制冷压缩机和节流阀将制冷系统分成高低压两个部分，高压部分从压缩机出口到节流阀进口；低压部分从节流阀出口到压缩机进口。
通过制冷循环，制冷剂不断吸收被冷却物体的热量，使被冷却物体温度维持在所需较低温度的水平，达到制冷的目的。
2. 单级蒸气压缩式制冷的理论循环在压焓图上的表示制冷循环中各过程的功量与热量的变化在压焓图中均可用过程初、终态制冷剂的焓值变化来计算，制冷工程广泛应用压焓图分析计算制冷循环。
（1）压焓图压焓图的示意图见1-4。
压焓图是以绝对压力为纵坐标（为了缩小图面，用对数坐标，其上的压力数值不需换算），以比焓为横坐标来表示制冷剂的状态。
二线、三区域、五种状态、六条等参数线。
第一节单级蒸汽压缩循环
压缩机： 制冷系统的“心脏”，压缩和输送制冷剂蒸
气
冷凝器： 输出热量 节流阀： 节流降压，并调节进入蒸发器的制冷剂流量 蒸发器： 吸收热量（输出冷量）从而制冷
5
等熵
四大部件的作用：
二、单级蒸汽压缩式制冷理论循环热力计算
冷凝器 3
等焓
水 2 压缩机
膨胀阀
等压、等温 4 蒸发器 冷 媒 1
1:出蒸发器进压缩机 2:出压缩机进冷凝器 3:出冷凝器进膨胀阀 4:出节流阀进蒸发器
5´ t0 1 q´0 q0
5
h
单位制= q0/v1
21
(1)其他条件不变，冷凝温度tk变化(升高)的影响 p t´ k 3´ 4´ 2´ tk 4 2 3 5´ t0 1 w w´
0
5
h
单位压缩功w 吸气比容v1 不变
w N
q0 制冷系数 w
22
问题：下列( )会使冷凝温度tk增高。
t0
2 2´
5´
5
t´ 0
1 1´
h
蒸发温度t0时：1-2-3-4-5-1 蒸发温度降低为t´0时：1´-2´-2-3-4-5´-1´
24
(2)其他条件不变，蒸发温度t0变化(降低)的影响 p 4
tk 3 t0 2 2´
5
5´
q´0 q0
t´ 0
1 1´
h
单位制冷量q0 吸气比容v1
Q0
25
(2)其他条件不变，蒸发温度t0变化(降低)的影响 p
(3)其他条件不变，液过冷度、的影响 p
4´ 4
pk
3
2
5´
5
p0
1
h
1-2-3-4- 5-1 无过冷过热时：
第三章-单级蒸汽压缩式制冷循环
3．1 单级蒸气压缩式制冷的理论循环
一、制冷系统与循环过程 1.制冷系统的组成 2. 制冷系统的循环过程 压缩过程 冷凝过程 节流过程 蒸发过程
3．1 单级蒸气压缩式制冷的理论循环
二、压焓图和温熵图
1.压焓图
一点：临界点C 三区：液相区、两相区、气相区。
五态：过冷液状态、饱和液状态、湿蒸气状态、
压缩机的压缩过程为等熵压缩；
制冷剂通过膨胀阀的节流过程为等焓过程； 制冷剂在蒸发和冷凝过程中为定压过程，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。
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。
3．1 单级蒸气压缩式制冷的理论循环
4. 单级蒸气压缩式制冷理论循环在压焓图上的表示 1-2：压缩过程 2-3：冷凝过程 3-4：膨胀过程
剂分配的均匀性，影响制冷效果。
3．2 单级蒸气压缩式制冷的实际循环
6. 蒸发器 假定不改变蒸发器出口制冷剂的状态，为了克服制冷剂在蒸发器中的 流动阻力，必须提高制冷剂进蒸发器时的压力，从而提高了蒸发过程中 的平均蒸发温度，使传热温差减小，要求的传热面积增大，但对循环的 性能没有什么影响。如果假定不改变蒸发过程中的平均温度，那么蒸发 器出口制冷剂的压力应稍有降低，压缩机吸气比容增大，压缩比增大， 压缩机比功增加，制冷系数下降。
3．2 单级蒸气压缩式制冷的实际循环
2. “有效过热”性能分析
(1) 单位比功w0增大，单位质量制冷量q0增大， 单位容积制冷量增大，制冷系数的大小与制冷剂 性质有关； (2) 如果给定制冷量Q0，则质量流量qm减小，容
1 1'
lg p 3 pk 2 2'
p0 4
单级压缩式制冷理论循环
得到低温低压制冷剂
制冷剂液体吸热、蒸发、制冷
21
1.1 单级蒸气压缩式制冷循环 的基本工作原理
制冷剂的变化过程(flash)
22
制冷剂的变化过程
制冷剂在制冷压缩机中的变化
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
5
T0
1
TL
44
3） 制冷剂液体在节流前无过冷，为饱 和液体。
4） 制冷剂在管路中流动时无任何状态 变化，即无流阻压降，无传热。
5） 节流为绝热过程，节流前后焓值相 等。
45
qK
P
4
2
w0
5
1
q0
单级蒸汽压缩制冷循环
ht 液相区
C 气相区 s
两相区
v
x=0 x
x
p
x=1 t
h
46
3、理论循环的热力状态图 p-h 图
吸热蒸发，变成低温低压制冷剂气
26
作业：
简单描述单级蒸汽压缩式制冷循环。 蒸气压缩制冷循环系统主要由哪些部件
组成，各有何作用？
27
二、理论的单级蒸气压缩式制冷循环及 热力计算
28
单级蒸汽压缩式制冷理论循环组成：
制冷压缩机 冷凝器 节流器 蒸发器
单级蒸气压缩式制冷循环，是指制冷剂在一 次循环中只经过一次压缩，最低蒸发温度可 达-40～-30℃。单级蒸气压缩式制冷广泛用 于制冷、冷藏、工业生产过程的冷却，以及 空气调节等各种低温要求不太高的制冷工程。
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。
制冷剂在节流元件中的变化
制冷与低温技术原理第3章蒸气压缩式制冷单级蒸气压缩制冷循环
从蒸发器出来的低温 制冷剂蒸气，在通过吸 气管道进入压缩机之前 ，从周围环境中吸收热 量而过热，该过热对被 冷却物体不产生任何制 冷作用。
p
无效过热对循环性能的影响
3
pk, TK
2 2’
po, To
4
1 1’
0 有吸气过热的循环 h
单位制冷量
不变 q 0 h1 h4
给定压缩机
制冷量 减少
Q 0 q m q 0
➢ 蒸发温度越低，过冷使性能的相对提高越大。
（6）实现过冷的措施：
➢ 利用冷凝器直接过冷；
• 采用逆流管套式换热器最易获得过冷。 • 过冷度提高不多，一般可获得1-5℃过冷度。
➢ 利用再冷却器或过冷器获得过冷；
• 在冷凝器和膨胀阀之间增设一台过冷器，在过冷器 中通入温度更低的冷却介质（如深井水）；
各点对应状态
3
膨 胀 阀
4
冷却介质
冷凝器 蒸发器
2
压缩机
1
被冷却介质
蒸气压缩式制冷的基本系统图
（1）1点：制冷剂进入压缩机的状态， 对应于蒸发温度To下的饱和蒸汽。
（2）2点：压缩机压缩后的排气状态， 对应于冷凝压力下的过热蒸汽。
（3）3点：制冷剂在冷凝器出口处的状态， 是与冷凝温度TK对应的饱和液体。
循环比功 略增大
w
' 0
h
2'
h
1'
w 0 ( h 2 ' h 1' ) ( h 2 h1)
p
3 pk, TK 2 2’
po, To
4
1
1’
0 吸气过热பைடு நூலகம்比功变化 h
冷凝器的热负荷 增加
单级蒸气压缩式制冷的理论循环
3．1 单级蒸气压缩式制冷的理论循环3．1．1 制冷系统与循环过程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3－1所示。
对制冷剂蒸气只进行一次压缩，称为蒸气单级压缩。
整个循环过程主要由压缩过程、冷凝过程、节流过程以及蒸发过程四个过程组成,每个过程在不同的部件中完成，制冷剂在每个过程中的状态又各不相同，具体情况如下。
图3－1 单级蒸气压缩式制冷系统1 压缩机2 冷凝器3 膨胀阀4 蒸发器压缩过程：整个循环过程中，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。
制冷循环的压缩过程是在压缩机中完成的：压缩机不断抽吸从蒸发器中产生的压力为p o、温度为t o的制冷剂蒸气，将它压缩成压力为p k、温度为t k的过热蒸气,并输送到冷凝器中。
在这个过程中，压缩机需要做功。
冷凝过程：冷凝器是制冷系统中输出热量的设备，冷凝过程是在该部件中完成的.在压力p k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，然后再逐渐被冷凝成液体，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）。
在冷凝过程中,与冷凝压力p k相对应的冷凝温度t k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。
节流过程:节流过程是在膨胀阀中完成的。
当制冷剂液体经过膨胀阀时，压力由p k降至p o，温度由t k降至t o,部分液体气化。
所以离开膨胀阀的制冷剂为温度为t o的两相混合物，该两相混合物进入蒸发器。
蒸发过程：蒸发器是制冷系统中冷量输出设备，蒸发过程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，从被冷却介质中吸取它所需要的气化潜热，从而达到制取冷量的目的。
在蒸发过程中，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。
3．1．2 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3－2所示。
单级蒸气压缩制冷循环
2．系统组成及部件的作用
1）组成 制冷压缩机 冷凝器 节流器 蒸发器 单级蒸气压缩式制冷循环是制冷剂在一次循环 中只经过一次压缩，最低蒸发温度可达-40～30℃。单级蒸气压缩式制冷广泛用于制冷、冷 藏、工业生产过程的冷却，以及空气调节等各种 低温要求不太高的制冷工程。
2）四个部件的作用 压缩机：压缩、输送 节流阀：降压并调节入蒸发器的流量 冷凝器：输出热量 蒸发器：输出冷量。吸收被冷却物的热量。
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， 属无效过热，但有过冷过程伴随。
2.2.2蒸汽过热对循环性能的影响
2）实现过热的方法：蒸发器设计，设回热器 3）在p-h图上表示
4）对循环性能的影响
（1）无效过热： q0 =h1-h4
a)压缩机容积qv不变: v1增加,q0不变， Φ0 =qvq0/v1,
lgP
X=0 干度线
饱和液线
湿蒸气区
压焓图
等熵线 X=1
比容线
等压线 等温线 干蒸气线
h
温度-比熵图
一点：
– 临界点C
三区： – 过冷液体区、 – 两相区、 – 过热蒸气区。
五态： – 过冷液体状态、 – 饱和液体状态、 – 湿蒸气状态、 – 饱和蒸气状态、 – 过热蒸气状态。
八线： – 等温线t（水平线） – 等比熵线s（垂直线）
2.2.5不凝气体对循环性能的影响
冷凝压力增加，pk增加，比功ω0增加，COP0减 小。
2.2.6单级压缩式实际制冷循环
4-1表示制冷剂在蒸发器汽化和压降过程； 1-1表示制冷剂蒸气的过热（有益或有害）和压降过程； 1-2s表示制冷剂蒸气在制冷压缩机内实际的非等熵压缩过程；
制冷技术单级蒸气压缩式制冷循环
制冷技术单级蒸气压缩式制冷循环单级蒸气压缩式制冷循环是一种常用的制冷技术，广泛应用于家用、商用及工业领域。
该制冷循环通过压缩制冷剂，使其在高温高压下变成高温高压气体，然后通过冷凝器对其进行冷却并变成高压液体，最后通过膨胀阀使其变成低温低压液体，完成整个循环过程。
单级蒸气压缩式制冷循环主要由四个部分组成，分别是压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。
这些部分都有各自的功能和特点，下面将逐一介绍。
1. 压缩机：是整个制冷循环的核心部分，其作用是将低压低温制冷剂压缩成高温高压气体。
在压缩机内部，制冷剂通过旋转或往复运动的活塞被压缩，使其温度和压力都升高，然后排出到冷凝器中。
2. 冷凝器：主要作用是对高温高压气体进行冷却，使其冷却成高压液体。
在冷凝器中，高压气体通过散热器散发出热量，同时被冷却的制冷剂也变成高压液体。
3. 膨胀阀：是制冷循环中的节流装置，其作用是将高压液体膨胀成低温低压液体。
膨胀阀的流道十分窄小，制冷剂在经过时会发生流速的急剧降低，从而产生一定的压缩膨胀效应，使其温度和压力都降低。
4. 蒸发器：主要作用是对低温低压液体进行蒸发，从而吸收蒸发时需要的热量。
在蒸发器中，低温低压液体通过翅片式散热器散发出热量，同时由于蒸发带走了一定的热量，制冷剂变成低温低压气体，然后重新进入压缩机进行再次压缩。
以上四个部分形成的制冷循环流程是一个不断循环的过程，从而达到制冷的目的。
制冷循环中每个部件的功能及性能特点，都对整个制冷循环的效率、能耗有很大的影响。
因此，在实际应用中需要根据具体的环境和要求，选择合适的制冷剂和设备，调整制冷循环的工作参数，以满足不同的制冷需求。
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5
p0 1
q0
w
h
理论循环在p-h图上的表示
3 4
B C
5D
T
2
1A
2
4 Tk
3
5
T0
1
单级蒸气压缩式 制冷系统图 A—压缩机； B—冷凝器； C—节流阀； D—蒸发器
q0 s
理论循环在T-s图上的表示
2.1.4 单级蒸气压缩式制冷理论循环的热 力计算
单级理论循环是建立在以下一些假设的基础上的：
系统的心脏。
冷凝器: 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 转化的热量排放给冷却介质。
节流阀: 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。
蒸发器: 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 到制冷的目的。
2.1.2 压焓图和温熵图
p
T
s
2.1.1系统与循环
液体蒸发制冷构成循环的四个基本过程是：
①制冷剂液体在低压（低温）下蒸发， 成为低压蒸气
②将该低压蒸气提高压力为高压蒸气 ③将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体 ④高压液体降低压力重新变为低压液体， 返回到①从而完成循环。
压缩机:
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
qk q0 w0
(2-10)
(5)制冷系数 0
对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，
制冷系数为
0
q0 w0
h1 h4 h2 h1
(2-11)
在蒸ห้องสมุดไป่ตู้温度和冷凝温度相同的条
件下：
制冷系数愈大
经济性愈好
(6)压缩终温 t2
影响到制冷剂的分解和润滑油结炭。
(7)热力完善度
单级压缩蒸气制冷机理论循环的热 力完善度按定义可表示为
h
v x
p
h
压焓图
等压线----水平线；
等焓线----垂直线；
等温线----液体区几乎为垂直线。两相区内，因制 冷剂状态的变化是在等压、等温下进行，故等 温线 与等压线重合，是水平线。过热蒸气区为向右下方 弯曲的倾斜线；
等熵线----向右上方倾斜的实线；
等容线----向右上方倾斜的虚线，比等熵线平坦；
0 h1 h4 1 h1 h4 Tk T0
c h2 h1 Tk 1 h2 h1 T0
T0
(2-12)
这里εc为在蒸发温度（T0）和冷
凝温度（Tk）之间工作的逆卡诺循环的
制冷系数。热力完善度愈大，说明该循
环接近可逆循环的程度愈大。
2.2单级蒸气压缩式制冷的实际循环
2.2.1 液体过冷对循环性能的影响 2.2.2 蒸气过热对循环性能的影响 2.2.3 气-液热交换器对循环性能的影响 2.2.4 不凝性气体的存在对循环性能的影响 2.2.5 单级压缩实际制冷循环的热力计算
（1）压缩过程为等熵过程，即在压缩过程 中不存在任何不可逆损失
（2）在冷凝器和蒸发器中，制冷剂的冷凝 温度等于冷却介质的温度，蒸发温度等于被 冷却介质的温度，且冷凝温度和蒸发温度都 是定值
（3）离开蒸发器和进入压缩机的制冷剂蒸 气为蒸发压力下的饱和蒸气，离开冷凝器和进 入膨胀阀的液体为冷凝压力下的饱和液体
q0 r0 (1 x5 )
(2-6)
由式（2-6）可知，制冷剂的汽化潜热越
大，或节流所形成的蒸气越少（x5越小）则单
位制冷量就越大。
(2)单位容积制冷量
qv
qv
q0 v1
h1 h4 v1
(3)理论比功 w0
(2-7)
对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来 说，理论比功可表示为
w0 h2 h1
(2-8)
第2章单级蒸气压缩制冷循环
2.1 单级压缩制冷的理论循环 2.2 单级压缩制冷的实际循环 2.3 工况与性能
2.1 单级蒸气压缩制冷的理论循环
2.1.1 系统与循环 2.1.2 压焓图及温熵图 2.1.3 制冷循环过程在压焓图和温
熵图上的表示 2.1.4 单级蒸气压缩式制冷理论循
环的热力计算
上面所述的循环，是单级压缩蒸气制 冷机的基本循环，也是最简单的循环。在 实用上，根据实际条件对循环往往要作一 些改进，以便提高循环的热力完善度。在 单级制冷机循环中，这一改进主要有液体 过冷、吸气过热及由此而产生的回热循环。
等干度线----只存在于湿蒸气区域内，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。
v T
s
p
h
x T
s
温熵图
等温线----水平线； 等熵线----垂直线；
等压线----两相区内是水平线；过热蒸气区 为向右上方弯曲的倾斜线；过冷区可用饱和 线代替。
等焓线----过热区和两相区内为向右下方倾 斜的实线；过冷液体区可近似用同温度下的 饱和液体的焓值代替；
压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器都可以单 独作为一个控制体进行分析。
w
h
h h
q
按照热力学第一定律，对于在控制容积中进行 的状态变化存在如下关系：
q h w
（2-1）
这里，把自外界传入的功作为负值。
（1）压缩过程: q 0 w h2 h1
(2)冷凝过程： w 0
（2-2）
qk h2 h4
单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随 制冷剂的种类和制冷机循环的工作温度而变
的。
(4)单位冷凝热
qk
单位（1kg）制冷剂蒸气在冷凝器中 放出的热量，称为单位冷凝热。单位冷凝 热包括显热和潜热两部分
qk h2 h3 h3 h4 h2 h4 (2-9)
比较式（2-5）、（2-8）和（2-9） 可以看出，对于单级压缩式蒸气制冷机理 论循环，存在着下列关系
等容线----向右上方倾斜的虚线；
等干度线----只存在于湿蒸气区域内，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。
2.1.3 制冷循环过程在压焓图 和温熵图上的表示
3 4
B C
5D
p
2 1A
单级蒸气压缩 式制冷系统图
A—压缩机； B—冷凝器； C—节流阀； D—蒸发器。
4
pk 3 2
（4）制冷剂在管道内流动时，没有流动阻 力损失，忽略动能变化，除了蒸发器和冷凝器 内的管子外，制冷剂与管外介质之间没有热交 换
（5）制冷剂在流过节流装置时，流速变化 很小，可以忽略不计，且与外界环境没有热交 换
p
T
4
pk 3 2
5
p0 1
q0 w
h
2 4 Tk 3
5 T0 1 q0
b
as
理论循环在p-h图和T-s图上的表示
（2-3）
(3) 节流过程： w 0, q 0
h4 h5
（2-4）
（4）蒸发过程： w 0
q0 h1 h5 h1 h4 （2-5）
为了说明单级压缩蒸气制冷机理论循环 的性能， 采用下列一些性能指标。
(1)单位制冷量 q0
单位制冷量可按式（2-5）计算。单位制
冷量也可以表示成汽化潜热r0和节流后的干度 x5的关系：