蒸气压缩式制冷循环原理

一、逆卡诺循环

实现逆卡诺循环必须具备的条件：
（1）高、低温热源温度恒定； （ 2 ）工质在冷凝器和蒸发器中与外界热源之间 无传热温差；
（3）工质流经各个设备时无内部不可逆损失；
（4）作为实现逆卡诺循环的必要设备是压缩机、 冷凝器、膨胀机和蒸发器。
逆卡诺循环示意图
T Tk T0
绝热 膨胀 3
等温 冷凝
tk＝40℃，t0＝0℃，t3＝35℃
2 3
4
1
tk＝40℃，t0＝0℃，t1＝5℃
2 3
4
1
冷凝
参数
tk (℃) Pk (MPa) t0 (℃)
蒸发
Pk (MPa)
h1 (kJ/kg)
h2 h3=h4 制冷系数 (kJ/kg) (kJ/kg) h1 h 4 h 2 h1
433 433 440.4 249.7 243.1 249.7 5.64 5.87 5.51
0 0 －5
0.498 0.498 0.421
405.4 405.4 403.5
430 433 437
243.1 249.7 249.7
例1.2
过冷循环和吸气过热循环
A工况：tk＝40℃，t0＝0℃； B工况：tk＝40℃，t0＝0℃， 过冷温度t3＝35℃;
C工况：tk＝40℃，t0＝0℃，
吸气过热温度t1＝5℃ 。
为什么要用膨胀阀代替膨胀机？
代替之后有什么影响呢？
损失膨胀功
T
2 Pk Tk T'k T' 0 T0 3 we 4' 0 4" 4 q 01 cb d a 3' 2' 1' 1" 2" 5 wb P0 1 q02
we=h3－h4’’
面积34”03 减少制冷量 △q01=h4－h4” 面积4”4bc4”
高、低温热源温度和传热温差对 制冷系数和热力完善度的影响
高温热 源温度 低温热 源温度
tk ’ 30
t0’ -5
有温差 冷凝器 蒸发器 逆卡诺 热力完 的逆卡 △tk 循环 善度 △t0 诺循环
0 0 7.66 － 1
40
40
-5
+5
0
0
0
0
5.96
7.94
－
－
1
1
5
40 +5 10
5
10
－
－
6.07
A工况 B工况 C工况
40 40 40
1.53 1.53 1.53
0 0 0
0.498 0.498 0.498
405.4 405.4 411.1
例1.3
回热循环
工况： tk＝30℃，t0＝－15℃，
t1’＝5℃；
制冷剂：R12、R717。
tk＝30℃，t0＝－15℃， t1’＝5℃
wc
q0
4
b 压缩机的净功 wc=qk－q0 =(Tk－T0)(Sa－Sb) 面积12341
S
绝热膨胀过程 膨胀机输出功we 面积3043
外界输给压缩机的 净功wc＝w －we 面积12341
衡量制冷循环经济性能的指标： 制冷系数（COP）
q0 T0 c w c Tk T0
制冷系数仅与高、低温热源的温度有关，而 与制冷剂的热物理性能无关。
lgP
t c s
等压线 等焓线
v
过冷液 体区
P
饱和液 体线
湿蒸 气区
干饱和 蒸气线
等温线
等比容线 等熵线 等干度线
过热蒸 气区
t
x x=0 x=1
0
h
二、热力计算
T
2 Tk T0 3 w 04 q0 1 P0 P0 Pk
lgP
Pk t0
tk 3 tk 2 t2 v1 4 t0 q0 qk 1 w
b
冷剂，其过热度范围可以大一些，如R12
等一般控制在10～40℃之内。
三、回热制冷循环
制冷剂液体过冷和吸气过热，是利用流出蒸发器 的低温饱和蒸气与流出冷凝器的饱和液体通过热交换 器的传热过程而产生的。
T
2' Tk T0 3' 3 0 4 4' w q0 1' 1 q0 dc 2 Pk
P0
q0 ba
S
1"
q 01
cb d
a
S
理论制冷循环 12341

理论制冷循环与逆卡诺循环（理想制冷 循环）的区别：
1．在冷凝器和蒸发器中，制冷剂按等压过 程循环，而且具有传热温差； 2．制冷剂用膨胀阀绝热节流，而非膨胀机 绝热膨胀； 3．压缩机吸入饱和蒸气，而不是湿蒸气。
一、用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失

S
因为绝热节流过程前、后焓值不变，即
h3 = h 4
所以 we = △q01
这表明制冷剂在绝热膨胀中的作功能力全部 用来克服绝热节流过程中的各种阻力损失，而这 些损失最终转化为热量，被流过膨胀阀的制冷剂 吸收，使部分制冷剂汽化，增加了干度，降低了 湿蒸气中的液体含量，减少了其制冷能力，此损 失称为制冷剂通过膨胀阀的节流损失。
压缩机的单位质量 绝热压缩耗功量
w＝h2－h1 (kJ/kg) 制冷剂在冷凝器中 的单位质量放热量
h
qk＝h2－h3 (kJ/kg)
制冷剂的单位容积制冷量：
q0 (kJ/m3) qv v1 若已知总制冷量为Q0(kW)，则制冷剂的质量循环量：
Q0 Mr q0
(kg/s)
压缩机的吸气体积流量：
a
S
h 3= h 4
h1
h2
h
1－2为绝热压缩过程，2－3为等压冷凝过程， 3－4为绝热节流过程，4－1为等压蒸发过程。
lgP
Pk t0 P0
tk 3 tk 2 t2 v1 4 t0 q0 qk h 3= h 4 h1 h2 1 w
制冷剂在蒸发器中 的单位质量制冷量 q0＝h1－h4 (kJ/kg)

影响节流损失大小的因素

（Tk－T0）取决于制冷循环工况 饱和液体线的斜率取决于液态制冷剂的物性 比热 制冷剂节流后的干度取决于其潜热


用膨胀阀代替膨胀机后，增加了 we ，损失了 △q01，这使制冷系数和热力完善度下降。
二、用干压缩代替湿压缩后的饱和损失

为什么要用干压缩代替湿压缩

在制冷压缩机的实际运行中，若气缸吸入 湿蒸气，会引起液击现象，损坏压缩机的 阀片和其他零部件。 过量的液体制冷剂进入高温的气缸后，会 发生强烈的热交换而迅速汽化，占有气缸 容积，使吸气量减少，制冷量下降。
一、液体过冷对制冷循环的影响
T3称为过冷温度；
（Tk － T3）称为过冷度；
Tk
T
2' 3' 3 0 4 4' w q0 1'
Pk
增加制冷量△q03，其随 T3的降低而增加； 压缩机耗功量不变；
P0
T0
q 03 cb a
制冷系数增加。
S
二、吸气过热对制冷循环的影响
T
2' Tk T0 0 3' w 4' q0 1' 1 2 Pk T2 w P0 T1
2 1
绝热 压缩
4 a
等温 b 蒸发
S
逆卡诺循环的热量和功量
在每个制冷循环中，1kg的制冷剂：
从低温热源吸热 q0=T0(Sa－Sb) 面积4ab14
T Tk 3
0 we qk
2 1 a
两者相等
绝热压缩过程 外界输入功w 面积123041
向低温热源放热 T0 qk=Tk(Sa－Sb) 面积3ab23

qk w c q0 Tk c 1 1 c wc wc Tk T0
例：


有一台冷暖两用的热泵型空调器，假设 其按照逆卡诺循环运行，压缩机的净功 率是1030W，夏季的制冷量为3200W，问 制冷系数为多少？在冬季运行时，制热 量和供热系数各为多少？ ε＝3.11 qk=4230W，μc=4.11
4.87
0.76
0.61
10
5
－
5.46
0.69
二、变温热源的逆向循环
冷却介质
被冷却介质
图1.4 恒温热源逆向循环
冷却介质
被冷却介质
图1.5 变温热源逆向循环
单一物质制冷剂无法实现变温逆向循环，
非共沸混合制冷剂可以实现。
三、热泵的应用
逆向循环可以用来制冷，也可以用来供 热，或者冷、热同时使用。 用来制冷的逆向循环装置，称为制冷装 置；用来供热时则称为热泵装置。 供热系数：

适当增加吸气过热度能使润滑油较顺利 地返回压缩机，并能进一步防止在气缸 中发生液击现象。因此，即使对于吸气 过热会降低制冷系数的制冷剂，仍然应 保持一定的过热度。

对于增大吸气过热度会使制冷系数下降的
制冷剂，其过热度应控制在较小范围之内，
如氨一般控制在3～5℃；

对于增大吸气过热度能提高制冷系数的制
第二节 理论制冷循环
T
2 Tk T0 0 3 w 4 q0 b a 1 P0 Pk
S
三种制冷循环过程在T-S图上的表示
T
2 Pk
Tk T'k 3 2"
3' 4' 0 4" 4 2' 1'
逆卡诺循环 1’2’3’4’1’
5 wb P0 1 q02
we
T' 0 T0
具有温差的逆 卡诺循环 1”2”34”1”

干压缩代替湿压缩后的影响
T
2 Pk Tk T'k T' 0 T0 3 we 4' 0 4" 4 q 01 cb d a 3' 2' 1' 1" 2" 5 wb P0 1 q02
饱和损失 面积522”5 增加制冷量 △q02=h1－h1”
面积1”1ad1
增加耗功量△wb
S
面积122”1”1
第三节 液体过冷和吸气过热 对制冷循环的影响
Q0 Vr M r v1 qv
(m3/s)
冷凝器的热负荷： Qk = Mrqk (kW) 压缩机的理论耗功量： N = Mrw (kW)
理论制冷系数： Q 0 q 0 h1 h 4 N w h 2 h1
例1.1
理论循环
A工况：tk＝35℃，t0＝0℃； B工况：tk＝40℃，t0＝0℃； C工况：tk＝40℃，t0＝－5℃。
回热循环特别适用于增加吸气过热度能提 高其循环制冷系数、以及绝热指数较小， 绝热压缩后排气温度较低的制冷剂，如 R12（K = 1.136）、R22、R502。 对氨（ K = 1.310 ）、 R11 等，因为绝热指 数较大，提高过热度后会降低其制冷系数， 所以不采用回热循环。

热交换器中的热量平衡
T1称为吸气过热温度；
（T1－T0）称为过热度；
增加制冷量△q04；
增加压缩机耗功量△w；
制冷系数是否提高取决于
q 04 b ad
S
是否
q04 q0 。 w w

有效过热：在蒸发器中发生，其增加的制冷量 为有效制冷量；

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有害过热：在压缩机吸气管中因吸收环境空气
中的热量而产生的吸气过热，其必使制冷系数
T
2' Tk T0 3' 3 0 4 4' w q0 1' 1 2
Pk
C(T3’ －T3)＝C’(T1－T1’) 面积1’1cd1’等于面积44’ab4
P0
q0 ba dc
q0
S
由于液体比热C总大 于气体比热C’，所以 液体温度的降低总小 于吸气温度的提高。
第四节 理论制冷循环的热力计算
一、制冷剂的压-焓图（lgP-h图）
下降；

因此压缩机的吸气管应具有良好的隔热措施， 尽量减少制冷剂的有害过热。

吸气过热度增加，排气温度也随之上升， 这将使润滑油的粘度变稀，影响摩擦件的 润滑，损坏机件，并使润滑油炭化，阀片 表面积炭，影响阀片的启闭和压缩机的正 常运行。因此，吸气过热即使对制冷系数 有利的制冷剂，它的过热度也应控制在一 定范围之内。
tk＝35℃，t0＝0℃
3
2
4
1
冷凝 参数
tk (℃) Pk (MPa)
蒸发
t0 (℃) Pk (MPa) h1 (kJ/kg) h2 h3=h4 (kJ/kg) (kJ/kg) 制冷系数

h1 h 4 h 2 h1
6.60 5.64 4.59
A工况 B工况 C工况
35 40 40
1.35 1.53 1.53

表明具有传热温差的不可逆循环的制冷 系数，总小于相同冷热源温度时的逆卡 诺循环制冷系数，而且随传热温差△T0 和△Tk的增大而降低。

蒸发器传热温差△T0对制冷系数的影响 大于冷凝器传热温差△Tk 。

相同冷热源温度时，实际循环和逆卡诺 循环制冷系数的比值，可用来表示实际 循环的热力完善度。
c ' 1 c

通过对εc分别求T0和Tk的偏导数，可以得 知T0和Tk对εc的影响是不等价的，并且T0 的影响大于Tk 。
冷凝器和蒸发器的传热温差分别△Tk和△T0时
T
Tk T' k T' 0 T0 Tk 3 3' 4' T0 4 b a 2 2' 1' 1
S
T0 T0 ' T0 c ' c Tk T0 (Tk ' T0 ') (Tk T0 )
蒸气压缩式 制冷循环原理
第一节 逆向可逆循环
正 向 循 环 —— 动 力 循 环 逆 向 循 环 —— 制 冷 循 环

可逆循环：是一种理想循环，它不考虑 工质在流动和状态变化过程中的各种损 失。 不可逆循环：在工质循环过程中考虑了 上述各种损失。

不可逆损失主要是指制冷剂在流动和 状态变化时因内部摩擦、不平衡等因素引 起的内部不可逆损失，以及冷凝器、蒸发 器等换热器存在传热温差的外部不可逆损 失。