单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。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lgp－h图。

图3－2 压焓图

压焓图可以用一点（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3－2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3－3所示。温熵图又称为T－S图。温熵图同样可以用一点（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3－3 温熵图

如图3－3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；定焓线在液相区可以近似用同温度下饱和液体的焓值来代替，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过程均是实际循环的基础，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。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和液体；

（3）压缩机的压缩过程为等熵压缩；

（4）制冷剂通过膨胀阀的节流过程为等焓过程；

（5）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。

（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过程可清楚的表示在压焓图上，如图3－4所示。制冷循环中的各状态点及各个过程如下：

图3－4 单级理论循环压焓图

过程线1－2表示等熵压缩过程，压力由蒸发压力p0升高到冷凝压力p k。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p k的等压线的交点来确定。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表示过热蒸气状态。

过程线2－3表示制冷剂在冷凝器中的冷却（2－2′）和冷凝（2′－3）过程。点3表示制冷剂出冷凝器时的状态，它是与冷凝温度t k所对应的饱和液体。整个过程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）。因此，压力为p k的等压线和饱和液体线的交点即为点3。

过程线3－4表示制冷剂在节流阀中的节流过程。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。在该过程中，制冷剂的压力由冷凝压力p k降至蒸发压力p0，温度由冷凝温度t k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，因此由点3作等焓线与压力为p0的等压线的交点即为点4。由于节流过程是一个不可逆过程，所以通常用虚线表示3—4过程。

过程线4—1表示制冷剂在蒸发器中的气化过程。该过程是在等温、等压下进行的，液体制冷剂吸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，从而完成一个完整的理论制冷循环。

同样单级蒸气压缩式制冷理论循环工作过程可清楚的表示在温熵图上，如图3－5所示。制冷循环中的各状态点及各个过程如下：