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1、武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 marine marine refrigerating plant 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 一、单级蒸汽压缩制冷循环 单级蒸气压缩式制冷系统组成： 由压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器组成。用管 道将它们连接成一个密封系统。 第十一章第十一章 船舶制冷装置船舶制冷装置 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 单级蒸汽压缩制冷系统 ，是由制冷压缩机、冷 凝器、蒸发器和节流阀 四个基本部件组成。 它们之间用管道依次连 接，形成一个密闭的系 统，制冷剂在系统中不 断地循环流动，发生状 态变化，与外界进
2、行热 量交换。其工作过程如 下图所示。 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 Q1 Q2 Q3 常温高压液体 高温高压蒸汽 低温低压蒸汽 低温低压90%液体和 10%蒸汽 单级蒸汽压缩制冷循环 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 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； 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 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 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
3、吸入。 如此周而复始，不断循环。 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 压焓图： 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 ，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。 临界点K左边的粗实线为饱和液体线，线上的任 何一点代表一个饱和液体状态，干度 x=0。 临界点K右边的粗实线为饱和蒸气线，线上任何 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 为三个区域： 1. 饱和液体线的左边为过冷液体区，过冷液体 的温度低于相同压力下饱和液体的温度； 2. 饱和蒸气线的 右边是过热蒸气区，该区域内 的蒸气称为过热蒸气，它的温度高于同一压
4、 力下饱和蒸气的温度； 3. 两条线之间的区域为两相区，制冷剂在该区 域内处于气、液混合状态（湿蒸气区）。 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 制冷剂压焓图制冷剂压焓图 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 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1所示。它由压缩 机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。其工作过程如下： 制冷剂在蒸发压力下沸腾， 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， 并将它压缩到冷凝压力， 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
5、却和冷凝时放出的 热量传给冷却介质（通常是水或空气） 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 体通过膨胀阀或其它节流元件进入蒸发器。 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 气化，剩余液体的温度降至蒸发温度，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。 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 。 2.单级蒸气压缩制冷的实际循环及热力计算 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 在整个循环过程中: 压缩机起着压缩和输送制
6、冷剂蒸气并造 成蒸发器中低压力、冷凝器中高压力的 作用，是整个系统的心脏； 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 到制取冷量的目的； 冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中 吸取的热量连同压缩机消耗的功所转化 的热量的冷凝器中被冷却介质带走。 根据热力学第二定律， 压缩机所消耗的 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 热，从而完整个制冷循环。 制冷原理演示 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 各部件的作用 压缩机: 压缩和输送制冷蒸汽，并造成蒸发 器中低压、
7、冷凝器中高压，是整个系统的心脏。 提高制冷剂蒸汽的露点。 冷凝器: 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 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。降低制冷剂液体的沸 点。 蒸发器: 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 的。 制冷原理演示 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 30 大气+30+40 16 30 低温饱和气体 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 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 节流机构是压缩式制
8、冷循环不可缺少的四个主要 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 体的数量。 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(毛细管)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 面，产生合适的局部阻力损失(或沿程损失)，使制冷 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。 机构 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 压焓图： 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 ，提高低
9、压区域的精度， 通常纵坐标取对数坐标），以焓值为横坐标。 临界点K左边的粗实线为饱和液体线，线上的任 何一点代表一个饱和液体状态，干度 x=0。 临界点K右边的粗实线为饱和蒸气线，线上任何 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 为三个区域： 1. 饱和液体线的左边为过冷液体区，过冷液体 的温度低于相同压力下饱和液体的温度； 2. 饱和蒸气线的 右边是过热蒸气区，该区域内 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； 3. 两条线之间的区域为两相区，制冷剂在该区 域内处于气、液混合状态（湿蒸气区）。 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 图中共有
10、 六种等参数线簇： 1）等压线-水平线； 2）等焓线-垂直线； 3）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； 4）等熵线-向右上方倾斜的实 线； 5）等容线-向右上方倾斜的虚 线，比等熵线平坦； 6）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。 压焓图： 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 过程线1-2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 升高 到冷凝压力 。因此该点可通过1点的等熵线和压力为冷凝压力的
11、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。 点2表示制冷剂出压缩机时的状态， 也就是进冷凝器时的状态。 点1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： 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 过程线2-2-3表示制冷剂在冷凝器内的 冷却（2-2）和冷凝（2-3）的过程。 由于这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 将部分热量放给外界冷却介质，在 等压下冷却成饱和蒸气（点2），然后 再在等压、等温下继续放出热量， 直 至最后冷凝成饱和液体（点3）。因此 ，冷凝压力的等压线和x0
12、的饱和液 体线的交点即为点3的状态。 点3表示制冷剂出冷凝器时的状态。 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。 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 力由冷凝压力降到 蒸发压力 ，温度由冷凝温度降到蒸发温度 ，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作等焓线与蒸发压力的等压线的 交点即为点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3-4 过程。 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 各部件的作用 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 示在压焓图上，如图3所示。 对
13、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 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 饱和液体； 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； 制冷剂在蒸发和冷凝过程中没有压力损失； 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 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。显然，上述条件与实际循环是存在着偏差 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
14、的分析与讨论。 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 过程线4-1表示制冷剂在蒸发器中 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 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 沿蒸发压力的等压线 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。 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 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 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。 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
15、 的能量方程可表示为 (1) 式中： Q 和 P 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； h是比焓;下标1和2分别表示流体流进系统和离开系统的 状态点。 当热量和功朝向系统时,Q 和 P 取正值. 单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 制冷剂液体通过节流孔口时绝热膨 胀，对外不作功, P=0,故方程式(1)变为 因此，可认为节流前后其值不变.节流阀 出口处（点4）为两相混合物，它的焓值 也可由下式表示： 式中 hf0 和hg0 分别为蒸发压力p0 下饱和液 体和饱和蒸汽的焓值；x4 为制冷剂出节 流阀时的干度。将上式移项并整理得: (1) 节流阀 武汉理工大学武汉理工大学 轮机工程系轮机工程系 点4比容为 式中 Vf0 和V
