逆卡诺循环原理

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1、 广州市永诚制冷设备有限公司第 1 页 共 13 页第第 1 1 章章 空调制冷原理与基础空调制冷原理与基础采用压缩机使气态制冷剂增压的制冷机称蒸气压缩式制冷机 （简称蒸气制冷机） 。对制冷剂蒸气只进行一次压缩，称为蒸气单级 压缩。 单级蒸气压缩式制冷机是目前应用最广泛的一种制冷机。这类制冷 机设备比较紧凑，可以制成大、中、小型，以适应不同场合的需要， 能达到的制冷温度范围比较宽广，从稍低于环境温度至-150，在 普通制冷温度范围内具有较高的循环效率，被广泛地应用于国民经 济的各个领域中。 蒸气压缩式制冷循环，根据实际应用有单级、多级、复叠式等 循环之分，在各种蒸气压缩式制冷机中，单级压缩制冷

2、机应用最广， 是构成其他蒸气压缩式制冷机的基础，据不完全统计，全世界单级 蒸气压缩式制冷机的数量是制冷机总数的 75%以上。因此，我们的 介绍主要针对单级压缩式制冷机。广州市永诚制冷设备有限公司第 2 页 共 13 页1 1单级蒸气压缩式制冷循环单级蒸气压缩式制冷循环逆卡诺循环逆卡诺循环在日常生活中我们都有这样的体会，如果给皮肤上涂抹酒精液 体时，就会发现皮肤上的酒精很快干掉，并给皮肤带来凉快的感觉， 这是什么原因呢？这是因为酒精由液体变为气体时吸收了皮肤上热 量的缘故。由此可见，液体汽化时要从周围物体吸收热量。单级蒸 气压缩式制冷，就是利用制冷剂由液体状态汽化为蒸气状态过程中 吸收热量，被冷

3、却介质因失去热量而降低温度，达到制冷的目的。 制冷剂1.1 逆卡诺循环理想制冷循环几个概念焓 h=U+PV 表示工质流动能和内能之和。熵 S=Q/T表示工质热量变化与工质温度之商。温熵图它由两个等温过程和两个绝热过程组成。假设低温热源（即被冷却物体）的温度为 T0，高温热源（即环境介质）的温度为 Tk, 则工质的温度在吸热过程中为 T0， 在放热过程中为 Tk, 就是说在吸热广州市永诚制冷设备有限公司第 3 页 共 13 页和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行的。其循环过程为：首先工质在 T0下从冷源（即被冷却物体）吸取

4、热量 q0，并进行等温膨胀 4-1，然后通过绝热压缩 1-2，使其温度由 T0 升高至环境介质的温度 Tk, 再在 Tk下进行等温压缩 2-3，并向环境介质（即高温热源）放出热量 qk, 最后再进行绝热膨胀 3-4，使其温度由 Tk 降至 T0即使工质回到初始状态 4，从而完成一个循环。对于逆卡诺循环来说，由图可知： q0=T0(S1-S4） qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4）w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4）则逆卡诺循环制冷系数 k 为：k = w0/ qk=(Tk-T0) / Tk由上式可见，逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关

5、，只 取决于冷源（即被冷却物体）的温度 T0 和热源（即环境介质） 的温度 Tk；降低 Tk，提高 T0 ，均可提高制冷系数。此外，由 热力学第二定律还可以证明： “在给定的冷源和热源温度范围内工 作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高 ”。任何实际制冷 循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。 1.2 制冷循环过程 根据蒸气压缩式制冷原理构成的单级蒸气压缩式制冷循环系统， 是由不同直径的管道和在其中制冷剂会发生不同状态变化的部件组 成，串接成一个封闭的循环回路，在系统回路中装入制冷剂，制冷 剂在这个循环回路中能够不停地循环流动，即称为制冷循环系统。 制冷剂在流经制冷循环系统的各相关部位，

6、将发生由液态变为 气态，再由气态变为液态的重复性的不断变化。利用制冷剂汽化时 吸收其他物质的热量，冷凝时向其他介质放出热量的性质，当制冷 剂汽化吸热时，某物质必然放出热量而使其温度下降，这样就达到 了制冷的目的。依照上述要求，蒸气压缩式制冷循环系统如图 1-1广州市永诚制冷设备有限公司第 4 页 共 13 页所示。 蒸气压缩制冷循环系统主要由四大部件组成，即压缩机、冷凝 器、节流元件和蒸发器，用不同直径的管道把它们串接起来，就形 成了一个能使制冷剂循环流动的封闭系统。 制冷压缩机由原动机如电机拖动而工作，不断地抽吸蒸发器中 的制冷剂蒸气，压缩成高压（pk）、过热蒸气而排出并送入冷凝器， 正是由

7、于这一高压存在，使制冷剂蒸气在冷凝器中放出热量，把热 量传递给周围的环境介质水或空气，从而使制冷剂蒸气冷凝成 液体，当然，制冷剂蒸气冷凝时的温度一定要高于周围介质的温度。冷凝后的液体仍处于高压状态，流经节流元件进入蒸发器。制 冷剂在节流元件中，从入口端的高压 pk降低到低压 p0，从高温 tk降 低到 t0，并出现少量液体汽化变为蒸气。 1.3 制冷系统四大部件 1.制冷压缩机 制冷压缩机是制冷循环的动力，它由原动机如 电机拖动而工作，它除了及时抽出蒸发器内蒸气，维持低温低压外， 作用之二是通过压缩作用提高制冷剂蒸气的压力和温度，创造将制 冷剂蒸气的热量向外界环境介质转移的条件。即将低温低压制

8、冷剂 蒸气压缩至高温高压状态，以便能用常温的空气或水作冷却介质来 冷凝制冷剂蒸气。 2.冷凝器 冷凝器是一个热交换设备，作用是利用环境冷却介 质空气或水，将来自制冷压缩机的高温高压制冷蒸气的热量带走， 使高温高压制冷剂蒸气冷却、冷凝成高压常温的制冷剂液体。冷凝 器向冷却介质散发热量的多少，与冷凝器的面积大小成正比，与制 冷剂蒸气温度和冷却介质温度之间的温度差成正比。所以，要散发 一定的热量，就需要足够大的冷凝器面积，也需要一定的换热温度 差。 3.节流元件 高压常温的制冷剂液体不能直接送入低温低压的 蒸发器。根据饱和压力与饱和温度一一对应原理，降低制冷剂液体 的压力，从而降低制冷剂液体的温度。

9、将高压常温的制冷剂液体通 过降压装置节流元件，得到低温低压制冷剂，再送入蒸发器吸 热汽化。目前，蒸气压缩式制冷系统中常用的节流元件有膨胀阀和 毛细管。 4.蒸发器 蒸发器也是一个热交换设备。节流后的低温低压制 冷剂液体在其内蒸发（沸腾）变为蒸气，吸收被冷却介质的热量， 使被冷却介质温度下降，达到制冷的目的。蒸发器吸收热量的多少 与蒸发器的面积大小成正比，与制冷剂的蒸发温度和被冷却介质温 度之间的温度差成正比。当然，也与蒸发器内液体制冷剂的多少有广州市永诚制冷设备有限公司第 5 页 共 13 页关。所以，蒸发器要吸收一定的热量，就需要与之相匹配的蒸发器 面积，也需要一定的换热温度差，还需要供给蒸

10、发器适量的液体制 冷剂。 1.4 制冷剂的变化过程 制冷剂在循环系统中不停地流动，其状态也不断地变化，它在 循环系统的每一部位的状态都是各不相同的。 1.制冷剂在制冷压缩机中的变化 按压缩机工作原理的要求， 制冷剂蒸气由蒸发器的末端进入压缩机吸气口时，应该处于饱和蒸 气状态。但这是很难实现的。制冷剂的饱和压力和饱和温度存在着 一一对应关系，即压力越高温度越高，压力越低温度越低。其饱和 压力值和饱和温度值的对应关系，可从各种制冷剂的热力性质表中 查阅。 制冷剂蒸气在压缩机中被压缩成过热蒸气，压力由蒸发压力 p0 升高到冷凝压力 pk。由于压缩过程是在瞬间完成的，制冷剂蒸气与 外界几乎来不及发生热

11、量交换压缩就已完成，所以称为绝热压缩过 程。蒸气的被压缩是由于外界施给能量而实现的，即外界的能量对 制冷剂做功，这就使得制冷剂蒸气的温度再进一步升高，使蒸气进 一步过热。即压缩机排出的蒸气温度高于冷凝温度。 2.制冷剂在冷凝器中的变化 过热蒸气进入冷凝器后，在压力 不变的条件下，先是散发出一部分热量，使制冷剂过热蒸气冷却成 饱和蒸气。然后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。继续不断地冷凝，饱和液体会越来越多，饱和蒸气越 来越少，最终会把制冷剂蒸气全部冷凝为饱和液体，这时饱和液体 仍维持冷凝压力 pk和冷凝温度 tk。冷凝温度 tk由设备的工况条件确 定，对应的冷凝压力可从

12、该制冷剂的热力性质表中查阅。 3.制冷剂在节流元件中的变化 饱和液体制冷剂经过节流元件， 由冷凝压力 pk降至蒸发压力 p0，温度由 tk降至 t0。由节流元件出口 流出的制冷剂变为液体约占 80%、气体约占 20%的两相混合状态， 这其中少量蒸气的产生，是由于压力下降液体膨胀而出现的闪发气 体，汽化时吸收的热量来源于制冷剂本身，与外界几乎不存在热量 的交换，故称为绝热膨胀过程。 4.制冷剂在蒸发器中的变化 以液体为主的两相状态的制冷剂， 流人蒸发器内吸收被冷却介质的热量而不断汽化，制冷剂在等压等 温条件下的不断汽化，使得液体越来越少，蒸气越来越多，直到制 冷剂液体全部汽化变为饱和蒸气时，又重

13、新流回到压缩机的吸气口， 再次被压缩机吸入、压缩、排出，进入下一次循环。 以上是制冷剂的一个完整的状态变化过程，也称为一个完整的 制冷循环过程。正是由于制冷循环的存在和制冷剂的合理状态变化，广州市永诚制冷设备有限公司第 6 页 共 13 页通过制冷剂的流动，实现了在蒸发器周围吸收热量，在冷凝器周围 又放出热量，起到了把热量搬运、转移的作用，达到蒸发器周围温 度下降，即制冷的目的。1.5 单级蒸气压缩式制冷理论循环1 单级蒸气压缩式制冷理论循环单级蒸气压缩式制冷理论循环 实际的制冷循环极为复杂，难以获得完全真实的全部状态参数。 因此，在分析和计算单级蒸气压缩式制冷循环时，通常采用理论制 冷循环。

14、 1.理论循环的假设条件 理论循环是建立在以下假设基础上： 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）离开蒸发器和进入制冷压缩机的制冷剂蒸气为蒸发压力下的 饱和蒸气；离开冷凝器和进入节流元件的液体为冷凝压力下的饱和 液体。 4）除节流元件产生节流降压外，制冷剂在设备、管道内的流动 没有阻力损失（压力降)，与外界环境没有热交换。 5）节流过程为绝热过程，即与外界不发生热交换。 2.制冷剂的压焓图 为了对蒸气压缩式制冷循环有一个全面的 认识，不仅要

15、知道循环中每一个过程，而且要了解各个过程之间的 关系以及某一过程发生变化时对其它过程的影响。在制冷循环的分 析和计算中，通常借助于压焓图，可使整个循环问题简化，并可以 看到循环中各状态的变化以及这些变化对循环的影响。 压焓图的结构如图 1-2 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。其中有：广州市永诚制冷设备有限公司第 7 页 共 13 页图 1-2 压焓图（lgp-h 图） 一点：临界点 K。 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、饱和蒸气状态、 过热蒸气状态。 八线：等压线 p（水平线）

16、 ，等焓线 h（垂直线） ，饱和液线 a， 饱和蒸气线 b，无数条等干度线 x（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） ，等熵线 s（向右上方倾斜的实线） ，等比体积线 v（向右上方倾斜的虚线，比 等熵线平坦） ，等温线 t（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） 。 在温度、压力、比体积、比焓、比熵、干度等参数中，只要知 道其中任意两个状态参数，就可以在压焓图中确定过热蒸气及过冷 液体的状态点，其它状态参数便可直接从图中读出。对于饱和蒸气 及饱和液体，只需知道一个状态参数就能确定其状态。 3.理论循环过程在压焓图上的表示 根据理论循环的假设条件， 单级蒸气压缩式制冷理论循环工作过程，在压焓图上的表示如图 1-3广州市永诚制冷设备有限公司第