《制冷原理及设备》第2章单级蒸气压缩式制冷循环
第二章 制冷原理
制冷原理 五、制冷剂
制冷剂是进行制冷循环的工作物质。 对制冷剂的要求 理想的制冷剂要求化学性质是无毒、无刺激性气味、对金属腐蚀作用小、与润滑油 不起化学反应，不易燃烧、不易爆炸、并且要求制冷剂有良好的热力学性质，即在 大气压力下它在蒸发器内的蒸发温度要低、蒸发压力最好与大气压相近；制冷剂在 冷凝器中、冷凝温度对应的压力要适中，单位制冷量要大，汽化热要大，而液体的 比热要小，气体的比热要大。要求制冷剂的物理性质：凝固温度要低、临界温度要 高 (最好高于环境温度)，导热系数和放热系数要大，比重和粘度要小，泄漏性要小。
制冷原理
德玛仕技术部 主讲人：印定兵 2018年08月15日
第二章
制冷原理
制冷原理
制冷原理 一、蒸气压缩式制冷原理
蒸气制冷是利用某些低沸点的液态制冷剂在不同压力下汽化时吸热的性质来实现 人工制冷的。 在制冷技术中，蒸发是指液态制冷剂达到沸腾时变成气态的过程。液态变成气态 必须从外界吸收热能才能实现，因此是吸热过程，液态制冷剂蒸发汽化时的温度叫做 蒸发温度，凝结是指蒸汽冷却到等于或低于饱和温度，使蒸汽转化为液态。 在日常生活中，我们能够观察到许多蒸发吸热的现象。比如，我们在手上擦一些 酒精，酒精很快蒸发，这时我们感到擦酒精部分反应很凉。又如常用的制冷剂氟利昂 F-12液体喷洒在物体上时，我们会看到物体表面很快结上一层白霜，这是因为F-12的液 体喷到物体表面立即吸热，使物体表面温度迅速下降(当然这是不实用的制冷方法，制 冷剂F-12不能回收和循环使用)。目前一些医疗机构采用的冷冻疗法即是利用了这一原 理。 蒸气压缩式制冷是利用液态制冷剂汽化时吸热，蒸汽凝结时放热的原理进行制冷的。
单级蒸气压缩制冷理论循环讲解
w=0、? c ? 0、 q=0
故：? h ? 0 ，h4=h3
即这一过程的起点和终点处于同一等 焓线上。
蒸发过程4-0
在此过程中，制冷剂在t0、p0保持不 变的情况下气化，吸收气化潜热，而所 吸收的热量来自被冷却对象。
理论条件
理论循环是在理论条件下构造出的模型，这些理 论条件是：
1)制冷剂的冷凝温度等于高温热源的温度，蒸发 温度等于低温热源的温度，且冷凝温度与蒸发温度恒 定不变。
2)在制冷系统中，除节流膨胀产生压力降外，无 任何其他流动阻力损失。
3)压缩过程为等熵过程。 4)在节流过程中，流速变化可以忽略不计。 5)除换热设备外，与外界无任何热交换。 6)制冷剂是纯净的。
ε0=q0/w0 对于理论循环：
ε0=q0/w0 =(h0-h3)/(h2-h0) 制冷系数是制冷循环的一个重要指标。在给 定冷凝温度和蒸发温度的条件下，制冷系数越 大，就表示循环的经济性越好。由于 q0和w0都 随循环的工作温度而变，当冷凝温度越高、蒸 发温度越低，制冷系数就越小。
2)单位容积制冷量 qv 定义为按吸入状 态计压缩机每吸入单位容积的制冷剂蒸 气所能获得的制冷量。
qv=q0/v0=(h0-h3)/v0 (kJ/m3)
3)单位理论功 w0 w0表示在理论循环中 制冷压缩机每压缩并输送单位质量制冷 剂蒸气所消耗的功。由于在节流过程中 w=0，因此，压缩机所消耗的单位理论功 即为循环的单位理论功：
在温熵图上， 0点是饱和蒸气， 0－2是等熵 线；2点是过热蒸气（高压排气温度）， 3点冷 凝温度，压力处在饱和液体线上； 4点四处于
第2章单级蒸气压缩制冷循环09
1）输气系数: λ=qv / qvh qvh=π/4D2SnZ 2）制冷量：Q0= qvh﹒λ﹒q0 /v1 3）指示效率：ηi=ω0/ωs 实际压缩 4）机械效率：ηm=ωi/ωs 含机械磨擦 5）轴效率：ηk=ηi﹒ηi 6）实际制冷系数（性能系数、单位轴功率制冷量）：
w0=h2-h1=w0+w0
2．2．4热交换及压力损失对循环性能的影响
（1）吸入管道
1）无效热交换 2）压力损失 在p-h图上表示1-1
对循环性能的影响： v1增加，q0 /v1减小， 循环比功ω0增加，ε0减小。 压比增加。 改善办法：增大管径
（2）排出管道
1）热交换减少q k 2）压力损失 在p-h图上表示
3）对循环性能的影响 q0 =( h1-h4/) 增加 a)对固定的压缩机
Q0=qv( h1-h4/)/v1 因压缩机容积qv不变， Q0增加.循环比功ω0不变，P0不变. ε0增加.
(ε0= Q0 / P0= q0 /ω0) b)对确定的Q0
可选较小容积qv压缩机，循环比功ω0不变，P0 减小，ε0增加.
八线：
– 等压线p（水平线） – 等焓线h（垂直线） – 饱和液体线x=0， – 饱和蒸气线x=1， – 无数条等干度线x – 等熵线s – 等容线v – 等温线t
2．1．2压焓图
六种等参数线： 等压线—水平 等焓线—垂直 等温线—过冷液体区：垂直线； 两相区：水平； 过热蒸汽区：右下弯曲。 等熵线—右上倾斜。 等容线—右上倾斜虚线，较等熵线平坦。 等干度线—位于两相区，与饱和液体线和饱和蒸 汽线相近。 (t、p、v、h、s、x)中两个独立变量，两相区仅 一个独立变量。
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
单级蒸气压缩式制冷的理论循环
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。
制冷原理与设备吴业正第二版复习大全A
制冷原理与设备考试复习资料制冷技术是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的。
一、人工制冷是指用人为的方法不断地从被冷却系统（物体或空间）吸收热量并排至环境介质（空气或水）中去，并在必要长的时间内维持所必要的低温的一门技术。
二、制冷技术的研究内容1）研究获得低温的方法和有关机理，以及与此相应的制冷循环，并对制冷循环进行热力计算。
2）研究制冷工质的性质3）研究制冷循环所必需的各种机械设备、控制仪表和系统等，以及它们的工作原理、性能分析、结构设计、组织流程、系统配套、设备隔热及自动化运行制冷技术的应用1）空调工程对环境的温度、湿度、洁净度进行控制。
2）食品工程保持稳定的低温环境，延长和提高食品的质量。
3）机械及冶金工业 4）医疗卫生事业5）国防工业和现代科技6）石油化工、有机合成 7）轻工业、精密仪表工业8）农业、水产业 9）建筑及水利 10）日常生活第一章制冷的方法一、制冷的方法1、相变：是利用某些物质在发生相变时的吸热效应进行制冷的方法。
2、气体膨胀制冷是利用压缩气体的绝热膨胀效应，从而获得低温气流的制冷技术。
3、热电制冷（半导体制冷）是利用帕尔帖效应的原理来达到制冷的目的。
4、固体吸附式制冷某些固体物质在一定的温度和压力下能吸附某种工质的气体或水蒸气，在另一温度及压力下又能将它释放出来。
5、气体涡流制冷是利用压缩气体经过涡流管产生的涡流，使气流分离成冷、热两股气流。
6、磁制冷是一种以磁性材料为工质的制冷技术。
其基本原理是借助次制冷材料的可逆磁热效应（磁卡效应），即磁制冷材料等温磁化时，向外界放出热量，而绝热退磁时因温度降低，从外界吸收热量。
二、各种制冷方法的原理1、蒸汽压缩式制冷2、蒸汽吸收式制冷3、蒸汽喷射式制冷4、吸附式制冷5、热电制冷（半导体制冷）6、气体膨胀制冷（空气制冷）7、涡流管制冷第2章单极蒸汽压缩式制冷循环一、单级蒸汽压缩式制冷循环的基本工作原理1、制冷循环系统的基本组成基本组成：制冷压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器基本原理图2 、制冷循环过程压缩过程（升压）、冷凝过程（放热）、节流过程（降压）、蒸发过程（吸热）3、制冷系统各部件的主要作用1）制冷压缩机作用：将来自蒸发器的制冷剂蒸汽由蒸发压力提高至冷凝压力。
制冷原理与设备教材(PDF 136页)
3.制冷的分类
按照制冷所得到的低温范围，制冷技术划分为以 下4个领域：
普通制冷 120K以上 深度制冷 120K~20K 低温制冷 20K~0.3K 低温制冷 超低温制冷 0.3K以下 本课程主要讲普通制冷。
4.制冷技术的研究内容及理论基础
制冷技术主要研究以下三个方面： (1)研究获得低温的方法和有关的机理以及与此相应的制冷循环，并 对制冷循环进行热力学的分析和计算。（比如压缩式制冷） (2)研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供性能满意的工作介质。 (3)研究实现制冷循环所必需的各种机械和技术设备，包括他们的工 作原理、性能分析、结构设计，以及制冷装置的流程组织、系统配 套设计。此外，还有热绝缘问题、制冷装置的自动化问题等等。
制冷与低温技术的应用领域举例 1. 空气调节
制冷和空调
的关系相互
联系又独立
图1-26 制冷与空调的关系
制冷在空调中的作用 (1)干式冷却
(2)减湿冷却
(3)减湿与干式冷却混合方式
2.人工环境
用人工方法构成各种人们所希望达到的环境条件，包 括地面的各种气候变化和高空宇宙及其它特殊的要求。
与制冷有关的人工环境试验有以下几种 (1) 低温环境试验 (2) 湿热试验 (3) 盐雾试验 (4) 多种气候试验 (5) 空间模拟试验
制冷技术的理论基础主要为热工的三大基础课程，即《工程热 力学》、《工程流体力学》、《传热学》。尤其是《工程热力 学》，学习和从事质量工作的人员应主要在这三门课程方面打好坚 实的理论基础。
5.制冷技术的发展历史
制冷技术的发展概括起来可分为两个阶段：
（1）天然冷源的应用阶段
是从古代~18世纪中期。 采水。
制冷原理与设备
热能教研室
2.单级蒸气压缩式制冷循环解析
2. 2.1 液体过冷对循环性能的影晌
制冷剂液体的温度低于同一压力下饱和状态的 温度称为过冷，两者温度之差称为过冷度。 在实际制冷循环中，制冷剂液体离开冷凝器进 入流阀之前往往具有一定的过冷度，过冷度的大小 取决于冷凝系统的设计和制冷剂与冷却介质之间的 温差。
具有液体过冷的制冷循环
液体过冷后使
单位制冷量有所增 加，增加量可4′-4
在系统中增加一个气一液热交换器—又 称回热器，使节流前的液体和来自蒸发器的 低温蒸气进行内部热交换。热交换的结果使
制冷剂液体过冷，低温蒸气有效过热。这样，
不仅增加了单位制冷量，而且减少了蒸气有 害过热。 单位制冷量的增加量： 循环的比功增加量：
采用回热循环后制冷系数可能增加，也可能减少，它的变化规律与前面所
各种制冷剂在过热区内 单位容积制冷量的变化情况
各种制冷剂在过热区内 制冷系数的变化情况
单位容积制冷量随过热度的变化规律 与制冷系数的变化规律 是一致的。对于氨、R11和R22而言，吸人蒸气过热使单位容积 制冷量下降，制冷系数降低；但对于R12、R502、CO2和丙烷而 言， 正好相反。
2.2.3气一液热交换器对循环性能的影响
2. 1 . 2 压烩图及温熵图
2. 1. 3 制冷循环过程在压烩图上的表示
蒸气压缩式制冷理论循环的T-s图和p-h图
1-2：等熵压缩过程； 2-3-4：等压冷却和冷凝过程 ： 4-5：等焓节流过程； 5-1：等压吸热气化过程。
2.1.4单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
1kg制冷剂每完成一个理论制冷循环，所获得的制冷量 及耗功率： *单位质量制冷量q0 q0=h1－h5=h1－h4 （kJ/kg） *单位容积制冷量qv
Q0 q0 h1 h4 0 N t wc h2 h1
蒸汽压缩式制冷原理
在空调器中，冷却周围的空气，达到对空 气降温、除湿的作用。蒸发器内制冷剂的蒸发温 度越低，被冷却物的温度也越低。在电冰箱中一 般制冷剂的蒸发温度调整在-20~26℃，在空调器 中调整在5~8℃。
二、蒸发器的类型
满液式卧式壳管式
冷却液体的蒸发器
直立管式
冷水箱
螺旋管式
冷风机——干式蒸发器
类型 冷却空气的蒸发器
并且要用没有吸湿性的材料充分隔热；
3. 热力膨胀阀
◆热力膨胀阀常见故障分析与排除 ①压缩机运转时，膨胀阀不能开启供液； ②压缩机启动后，膨胀阀很快被堵塞，造成吸 入压力迅速降低。 ③膨胀阀进液口段结霜。 ④膨胀阀“咝咝”作响。 ⑤膨胀阀供液量时多时少。 ⑥膨胀阀关闭不严或无法关闭。
4. 毛细管
◆原理：节流，利用孔径和长度变化产生压力差， 控制制冷剂流量。
结构：高压贮液器 低压循环贮液器
五、集油器
◆作用：收集并放出润滑油； ◆位置：与油分离器、冷凝器、贮液器、蒸发器
等设备相连。
六、过滤器和干燥器
◆过滤器： 气体过滤器：压缩机吸气管路上或压缩机吸气腔； 液体过滤器：调节阀或自动控制阀前的液体管路上。
◆干燥器：只在氟利昂系统中使用，吸附水分，防 止冰塞。 位置：冷凝器（或贮液器）与热力膨胀阀之间。 特点：常与过滤器结合做成干燥过滤器，既干燥 又过滤。
◆结构：
七、安全保护装置
1.紧急泄氨器：紧急情况时，快速排掉贮液器、蒸 发器中的氨液。
2.安全阀：防止设备压力过高发生危险。
八、自控装置与自动调节
《制冷技术与原理》——第2章 单级蒸汽压缩式制冷循环
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
q k h 2 h 3 h 3 h 4 h 2 h 4(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
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
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
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。
2.2.1 液体过冷对循环性能的影响
将节流前的制冷剂液体冷却到低于冷凝 温度的状态，称为过冷。 带有过冷的循环，叫做过冷循环。
qkq0w 0
(2-10)
(5)制冷系数 0
对于单级压缩蒸气制冷机理论循环，