《制冷原理与技术》教程2.1.2

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1、 制 冷 原 理 与 技 术（一）简单单级蒸气压缩式制冷 的理论循环计算单级理论循环是建立在以下一些假设的 基础上的：（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制 冷 原 理 与 技 术（4）制冷剂在管道内流动时，没有 流动阻力损失，忽略动能变化，除了蒸 发器和冷凝器内的管子外，制冷剂与管 外介质之间没有热交换（5）制冷剂在流过节流装置时，流速 变化很小，可以忽略不计，且与外界环境 没有热交换（3）离开蒸发器和进入压缩机的制冷 剂蒸气为蒸发压力下的饱

2、和蒸气，离开冷 凝器和进入膨胀阀的液体为冷凝压力下的 饱和液体制 冷 原 理 与 技 术图2-16理论循环在T-s图（a）和lnp-h图（b）上的表示 按照热力学第一定律，对于在控制容积中进 行的状态变化存在如下关系：（2-1） 制 冷 原 理 与 技 术这里，把自外界传入的功作为负值。对上式积 分可以得到整个过程的表达式 ：（2-2） 按照式（2-1）和式（2-2），单级压缩蒸气制 冷机循环的各个过程有如下关系：q0称为单位制冷量，习惯上取为正值， 在T-s图上用面积1-5-b-a-1代表，而在 lg p-h图上则用线段5-1表示。制 冷 原 理 与 技 术(2)冷凝过程： dw=0 dq=

3、dh qk=h2-h4 （2-4） (3) 节流过程：w=0 q=0 h=0h4=h5 （2-5） （1）压缩过程: dq=0,因而 dw=dhw=h2-h1 （2-3） （4）蒸发过程： dw=0因而 dq=dhq0=h1-h5=h1-h4 （2-6） 制 冷 原 理 与 技 术(1)单位制冷量q0压缩蒸气制冷循环单位制冷量可按式（2- 6）计算。单位制冷量也可以表示成汽化 潜热r0和节流后的干度x5的关系：为了说明单级压缩蒸气制冷机理论循环的 性能， 采用下列一些性能指标，这些性 能指标均可通过循环各点的状态参数计算 出来。 (2-7) 由式（3-7）可知，制冷剂的汽化潜热越 大，或节流所

4、形成的蒸气越少（x5越小） 则循环的单位制冷量就越大。制 冷 原 理 与 技 术(2)单位容积制冷量qv(2-8)(3)理论比功w0 对于单级蒸气压缩制冷机的理论循环来说，理 论比功可表示为(2-9) 单级压缩蒸气制冷机的理论比功也是随制冷剂 的种类和制冷机循环的工作温度而变的。制 冷 原 理 与 技 术(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(2-10) 比较式（2-6）、（2-9）和（2-10）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- 11)制 冷 原 理 与 技 术(5)制冷系数对于

5、单级压缩蒸气制冷机理论循环， 制冷系数为(2-12) 制冷系数愈大经济性愈好冷凝温度越高制冷系数越小蒸发温度越低制 冷 原 理 与 技 术(6)热力完善度单级压缩蒸气制冷机理论循环的热力完 善度按定义可表示为(2- 13) 这里c为在蒸发温度（T0）和压缩机 排气温度（T2）之间工作的逆卡诺循环 的制冷系数。热力完善度愈大，说明该 循环接近可逆循环的程度愈大。 制 冷 原 理 与 技 术（二）液体过冷、气体过热及回热对 理想循环性能的影响上面所述的循环，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

6、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。制 冷 原 理 与 技 术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。1. 液体过冷带有过冷的循环，叫做过冷循环。采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数 都是有利的制 冷 原 理 与 技 术图2-17 过冷循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示(2-14)与无过冷的循环1-2-3-4-5-1相比，过 冷循环的单位制冷量的增加量为制 冷 原 理 与 技 术在图2-17（a）中，q0以面积5-5- b-c表示，在图2-17（b）中，q0以 线段5-5表示。因两个循环的理论比 功w 0相同，过冷循环的制冷系数 比

7、无过冷循环的制冷系数要大。(2-15)制 冷 原 理 与 技 术2.吸入蒸气的过热压缩机吸入前的制冷剂蒸气的温度高于 吸气压力下制冷剂的饱和温度时，称为过 热。具有吸气过热的循环，称为过热循环 。图2-18示出了过热循环1-1-2-3-4-5-1的T -s图和lg p-h图。图中1-1是吸气的过热 过程，其余与基本循环相同。 制 冷 原 理 与 技 术图2-18过热循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示(2-16)制 冷 原 理 与 技 术( 2-17)有效过热循环的制冷系数可表示为(2-18)由制冷剂的T-s图我们可以得到，在过热 区，过热度越大，其等熵线的斜率越大， 根据式（2-

8、17），得 （2-19）制 冷 原 理 与 技 术图2-19有效过热的过热度对制冷系数的影响过热过热 度R502 R600a R290 R134aR22NH3045.337.444.444.155.993.03073.965.772.172.986.3 131.5表2-2过热度对排气温度的影响制 冷 原 理 与 技 术(2-20) 若不计回热器与环境空气之间的热交换 ，则液体过冷的热量等于使蒸气过热的 热量，其热平衡关系为 3.回热循环利用回把热使节流前的制冷剂液体与压 缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换， 使液体过冷、蒸气过热，称之为回热。制 冷 原 理 与 技 术制 冷 原 理 与 技 术图

9、2-21 回热循环在T-s图（a）和lgp-h图（b）上的表示（2-21） 制 冷 原 理 与 技 术由式（2-21）可以求出 （2-22）回热循环的性能指标如下： 单位制冷量（2-23）单位容积制冷量（2-24）制 冷 原 理 与 技 术单位功 制冷系数（2-26）由图（2-21）可知，与无回热循环1-2-3 -4-5-1相比较，回热循环的单位制冷量 增大了（2-27）（2-25）制 冷 原 理 与 技 术循环的单位功可近似地表示成（2-29）但单位功也增大了（2-28） 制 冷 原 理 与 技 术单位容积制冷量和制冷系数可表示成（2-30）(2-31)制 冷 原 理 与 技 术即 （2-3

10、2）如果要使回热循环的单位容积制冷 量及制冷系数比无回热循环高，其 条件应是制 冷 原 理 与 技 术（三）单级蒸气压缩式制冷实际循环计算实际循环和理论循环有许多不同之处 ，除了压缩机中的工作过程以外，主要还 有下列一些差别：1流动过程有压力损失。 2制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热 交换。3热交换器中存在温差。制 冷 原 理 与 技 术图2-22 实际循环在T-s图（a）和lg p-h图（b）上的表示制 冷 原 理 与 技 术图2-23 简化后的实际循环在lg p-h图上的表示制 冷 原 理 与 技 术下面是按照这样简化后的循环的性能指标 的表达式，各下标对应于图2-23所示的状 态点

11、。（2-33） 这些同理论循环的计算完全一致。1单位制冷量、单位容积制冷量及 单位理论功制 冷 原 理 与 技 术2单位冷凝热（2-34）上式中点2状态的焓值用下式计算（2-35）式中 为压缩机的指示效率，它被定 义为等熵压缩过程耗功量与实际压缩过程 耗功量之比。制 冷 原 理 与 技 术3制冷剂的循环流量式中 为制冷量，通常由设计任务给出。 （2-36）4压缩机的理论功率和指示功率分别为（2-37）（2-38）制 冷 原 理 与 技 术5实际制冷系数（2-39）6冷凝器的热负荷（2-40）式中为压缩机的机械效率。制 冷 原 理 与 技 术（四）两级压缩制冷循环计算在图2-5 图2-9所示的二

12、级压缩制冷循环中， 制取冷量的都是低压部分的蒸发过程，其单位制 冷量：q0=h1-h4 低压压缩机的单位理论功：wd=h2-h1 当制冷机的冷负荷为Q0时，低压级制冷剂循 环量：=(2-41)制 冷 原 理 与 技 术从而可算出低压压缩机消耗的理论功率：（2-42）Ptd=对于中间完全冷却的两级循环：qmgh9+qmdh2=qmgh3+qmdh4qmg =qmd(h2-h4) /( h3- h9) （2-43）制 冷 原 理 与 技 术高压压缩机的单位理论功为wg=h7-h3 由此可得高压压缩机的理论功率：Ptg= (2-44)根据制冷系数的定义，两级压缩制冷循 环的理论制冷系数为（2-45）

13、制 冷 原 理 与 技 术（2-46）对于中间不完全冷却的两级循环，根据中间 冷却器的热平衡关系qmg h9=（qmg-qmd）h3+qmdh4可得到流经高压级压缩机的制冷剂流量：qmg =qmd(h3-h4) /( h3- h9) (2-47)高压压缩机的单位理论功为 wg=h7-h6 制 冷 原 理 与 技 术qmg h6=( qmg qmd) h3 + qmd h2 h6=（2-48）高压压缩机消耗的理论功率：Ptg=qmgwg=（2-49）中间不完全冷却的两级循环的理论制冷系数为（2-50）制 冷 原 理 与 技 术于前述两级节流、具有中温蒸发器的中间完全 冷却两级压缩制冷循环进行高压

14、级压缩机制冷 剂流量计算时，应该加上流经中温蒸发器的制 冷剂流量qmm。qmm=式中,Qm为中温蒸发器的制冷量。对于这一制冷系统，流经高压级压缩机的制 冷剂流量和低压级压缩机的制冷剂流量之间有 下列关系qmg= qmd + qmm 制 冷 原 理 与 技 术根据中间冷却器的热平衡关系可求得高压压缩 机和低压压缩机的制冷剂流量比 循环理论制冷系数为（2-52） qmdh2+qmgh9+qmmh3（2-51） =qmdh4+qmgh3+qmmh4制 冷 原 理 与 技 术压缩机实际过程的排气焓值为（2-53）高压压缩机实际过程的排气焓值（中间完 全冷却）为 （2-54）制 冷 原 理 与 技 术一

15、些文献曾给出了确定中间压力（或 中间温度）的经验公式或图线。下 面列举几个推荐应用的公式：按压压力的比例中项项确定中间压间压 力(2-55)式中Pm ,Po和Pk分别为中间压力、蒸发压 力和冷凝压力,单位MPa。制 冷 原 理 与 技 术按式求出的中间压力和制冷循环的最佳 中间压力有一定的偏差。但公式很简单 ，可用于初步估算。按温度的比例中项项确定中间压间压 力(2-56)式中Tm ,To和Tk分别为中间温度，蒸发温 度和冷凝温度,单位均为K。 制 冷 原 理 与 技 术用经验公式直接计算最佳中间压力对于两级氨制冷循环，拉赛(A.Rasi) 提出了较为简单的最佳中间温度计算 式：tm=0.4t

16、k+ 0.6to+3 (2-57)式中，tm , tk和to分别表示中间温度， 冷凝温度和蒸发温度，单位均为。 上式不只适用于氨，在4040温度 范围内，对于R12也能得到满意的结果。制 冷 原 理 与 技 术图2-24 最佳中间温度的确定制 冷 原 理 与 技 术（五）复叠式制冷循环计算复叠式制冷循环是由单级或两级压缩制冷循 环组成的，在制冷机循环中除个别兼供中温冷 量的循环外，制取冷量的均是低温部分的蒸发 过程5-1（参见图2-10），其单位质量制冷量 为qod =h1-h5 (2- 58)低温部分消耗的单位理论功：wd =h2-h1 (2- 59)低温部分的制冷量为Qod时，则其循环制冷剂流 量为：qmd=(2-60)制 冷 原 理 与 技 术压缩机的轴功率为：Pd= qmd（2-61)式中,id为低温部分压缩机的指示效率； md为低温部分缩机的机械效率。 压缩机的理论输气量为：qvtd=