《建筑冷熱源》全冊(cè)配套最完整精品課件1冷熱源工程建環(huán)教研室第1章制冷的基本知識(shí)本章主要內(nèi)容1.1概述1.2理想制冷循環(huán)1.3蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)1.4蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)1.1概述本節(jié)主要內(nèi)容一.制冷的定義及研究內(nèi)容二.制冷技術(shù)的應(yīng)用三.制冷技術(shù)的發(fā)展歷程及研究方向四.常用的制冷方法1.1概述思考：為什么強(qiáng)調(diào)用“人工”的方法？天然冷源受地理、氣候等條件的限制而不可多得。A.受到地區(qū)條件的限制，不是處處都有；如冰（≤0℃）；地下水的水溫：東北地區(qū)4～14℃

西北地區(qū)18～20℃

華北地區(qū)15～19℃

華東地區(qū)19～20℃1.1概述B.溫度不能太低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)發(fā)展及人們生活水平提高對(duì)冷的要求。C.大量使用地下水會(huì)使地面下沉。D.大型系統(tǒng)使用天然冷源時(shí)，因其他方面的損失，不一定是經(jīng)濟(jì)的。1.1概述研究內(nèi)容：可以概括為以下四個(gè)方面：

(1)研究獲得低于環(huán)境溫度的方法、機(jī)理以及與此對(duì)應(yīng)的循環(huán)，并對(duì)循環(huán)進(jìn)行熱力學(xué)的分析和計(jì)算。

(2)研究循環(huán)中使用的工質(zhì)的性質(zhì)，從而為制冷機(jī)提供合適的工作介質(zhì)。因工質(zhì)在循環(huán)中發(fā)生狀態(tài)變化，所以工質(zhì)的熱物理性質(zhì)是進(jìn)行循環(huán)分析和計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，為了使這些工質(zhì)能實(shí)際應(yīng)用，還必須掌握它們的一般物理化學(xué)基礎(chǔ)。

(3)研究氣體液化和分離技術(shù)。例如液化氧、氮、氫、氦等氣體，將空氣或天然氣液化、分離，均涉及一系列的制冷或低溫技術(shù)。

(4)研究所需的各種機(jī)械和設(shè)備，包括它們的工作原理、性能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外還有熱絕緣問題，裝置的自動(dòng)化問題，等等。1.1概述上述前三個(gè)方面構(gòu)成制冷或低溫技術(shù)原理的基本研究內(nèi)容，第四方面涉及具體的設(shè)備和裝置。1.1概述三、制冷技術(shù)的發(fā)展歷程及研究方向

人們很早就懂得冷的利用。在我國古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑降溫。馬可·波羅在他的著作《馬可·波羅游記》中，對(duì)中國制冷和造冰窖的方法有詳細(xì)的記述。

1755年愛丁堡的化學(xué)教師庫侖利用乙醚蒸發(fā)使水結(jié)冰。他的學(xué)生布拉克從本質(zhì)上解釋了融化和氣化現(xiàn)象，提出了潛熱的概念，并發(fā)明了冰量熱器，標(biāo)志著現(xiàn)代制冷技術(shù)的開始。在普冷方面，1834年發(fā)明家波爾金斯造出了第一臺(tái)以乙醚為工質(zhì)的蒸氣壓縮式制冷機(jī)，并正式申請(qǐng)了英國第6662號(hào)專利。這是后來所有蒸氣壓縮式制冷機(jī)的雛型，但使用的工質(zhì)是乙醚，容易燃燒。1.1概述

1875年卡列和林德用氨作制冷劑，從此蒸氣壓縮式制冷機(jī)開始占有統(tǒng)治地位。在此期間，空氣絕熱膨脹會(huì)顯著降低空氣溫度的現(xiàn)象開始用于制冷。1844年，醫(yī)生高里用封閉循環(huán)的空氣制冷機(jī)為患者建立了一座空調(diào)站，空氣制冷機(jī)使他一舉成名。威廉·西門斯在空氣制冷機(jī)中引入了回?zé)崞鳎岣吡酥评錂C(jī)的性能。1859年，卡列發(fā)明了氨水吸收式制冷系統(tǒng)，申請(qǐng)了原理專利。1910年左右，馬利斯·萊蘭克發(fā)明了蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)。

20世紀(jì)，制冷技術(shù)有了更大發(fā)展。全封閉制冷壓縮機(jī)的研制成功；米里杰發(fā)現(xiàn)氟里昂制冷劑并用于蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，以及混合制冷劑的應(yīng)用；伯寧頓發(fā)明回?zé)崾匠凉衿餮h(huán)以及熱泵的出現(xiàn)，均推動(dòng)了制冷技術(shù)的發(fā)展。1.1概述協(xié)會(huì)：1888英國冷庫和冰協(xié)會(huì)

1903、1904美國制冷設(shè)備制造協(xié)會(huì)和美國制冷工程師協(xié)會(huì)

1908國際制冷學(xué)會(huì)（法）

1978中國加入1.1概述制冷技術(shù)研究的方向：

近期制冷技術(shù)的發(fā)展主要緣于世界范圍內(nèi)對(duì)食品、舒適和健康方面，以及在空間技術(shù)、國防建設(shè)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)方面的需要，從而使這門技術(shù)在20世紀(jì)的后半期得到飛速發(fā)展。受微電子、計(jì)算機(jī)、新型原材料和其它相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步的滲透和促進(jìn)，制冷技術(shù)取得了一些突破性的進(jìn)展，同時(shí)也面臨一場(chǎng)新的挑戰(zhàn)。

(1)微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用在基礎(chǔ)研究方面：計(jì)算機(jī)仿真制冷循環(huán)始于1960年。如今，普冷和低溫領(lǐng)域中的各種循環(huán)，如：吸收式制冷循環(huán)、熱電制冷循環(huán)；1.1概述利用聲制冷、光制冷、化學(xué)方法制冷的各種循環(huán)；以及各種新型的混合型循環(huán)。研究制冷系統(tǒng)的熱物理過程、系統(tǒng)及部件的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性以及單一工質(zhì)和混合工質(zhì)的性質(zhì)等等，也離不開微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。

在制冷產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造方面：計(jì)算機(jī)現(xiàn)已廣泛用于產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)和制造(CAD，CAM)。例如結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)的有限元法和有限差分法以及用計(jì)算機(jī)控制精密機(jī)械加工。計(jì)算機(jī)和微處理器對(duì)制冷技術(shù)的最大影響在于高級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)。這是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，涉及到先進(jìn)的控制方法、可靠的集成塊芯片及專門的控制模塊、精良的傳感器。當(dāng)前制冷系統(tǒng)采用電腦控制已極為普遍，控制模式正在發(fā)生變化，由簡單的機(jī)械式控制發(fā)展到綜合控制，為提高產(chǎn)品性能作出貢獻(xiàn)。1.1概述(2)新材料在制冷產(chǎn)品上的使用

陶瓷及陶瓷復(fù)合物(如熔融石英、穩(wěn)定氧化鋯、硼化鈦、氧化硅等)具有一系列優(yōu)良性質(zhì)：比鋼輕、強(qiáng)度和韌性好、耐磨、導(dǎo)熱系數(shù)小、表面光潔度高。將陶瓷用燒結(jié)法滲入溶膠體制成零件或用作零件的表面涂釉，可改善零件的性能。聚合材料(工程塑料、合成橡膠和復(fù)合材料等)用于制冷產(chǎn)品中作為電絕緣材料、減振件和軟管材料；利用聚合材料的熱塑性，以新工藝通過熱定型的方法制造壓縮機(jī)中的復(fù)雜零件(轉(zhuǎn)子、閥片等)。這些新材料的應(yīng)用，帶來產(chǎn)品性能、壽命的提高和成本的降低。1.1概述

(3)機(jī)器、設(shè)備的開發(fā)研究為滿足各種用冷的需要，新產(chǎn)品不斷推出，商品化程度不斷提高。壓縮機(jī)以高效、可靠、低振動(dòng)、低噪聲、結(jié)構(gòu)簡單、成本低為追求目標(biāo)，由往復(fù)式向回轉(zhuǎn)式發(fā)展。如新型螺桿式壓縮機(jī)、渦旋式壓縮機(jī)、擺線式壓縮機(jī)等，都具有優(yōu)良特性和競(jìng)爭(zhēng)力。在壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置上，將變頻器用于空調(diào)、熱泵及集中式制冷系統(tǒng)的變速驅(qū)動(dòng)，帶來了節(jié)能效果。1.1概述(4)工質(zhì)的開發(fā)研究

繼氟里昂和共沸混合工質(zhì)之后，由于1970年石油危機(jī)，節(jié)能意識(shí)提到重要地位，在開發(fā)新工質(zhì)上引人注目地研究出一系列非共沸工質(zhì)，收到了節(jié)能的效果和滿足一些特定需要。由于臭氧耗損和溫室效應(yīng)引起了嚴(yán)峻的環(huán)境保護(hù)問題，導(dǎo)致了80年代末開始全球禁止CFCs物質(zhì)，進(jìn)而波及到HCFC類物質(zhì)，這既是一次歷史性的沖擊，同時(shí)又提供了新的發(fā)展機(jī)遇。近年來在替代工質(zhì)開發(fā)及其熱物理性質(zhì)研究方面取得的成就即是證明。1.1概述1.1概述1.1概述溫差電制冷（半導(dǎo)體制冷）

1834年，法國科學(xué)家珀?duì)柼l(fā)現(xiàn)：兩種不同金屬組成的閉合電路中接上一個(gè)直流電源，則一個(gè)接點(diǎn)變冷（吸熱），另一個(gè)接點(diǎn)變熱（放熱），這種現(xiàn)象稱為珀?duì)柼?yīng)。這是溫差電制冷的理論基礎(chǔ)

1.1概述1.1概述制冷技術(shù)第二章蒸氣壓縮式制冷的熱力學(xué)原理蒸氣壓縮式制冷的熱力學(xué)原理1.理想制冷循環(huán)2.理論制冷循環(huán)3.制冷循環(huán)熱力計(jì)算1.理想制冷循環(huán)1.0常用術(shù)語1.1熱力學(xué)基本定律1.2制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析1.3理想制冷循環(huán)無溫差傳熱的逆向可逆循環(huán)

——逆卡諾循環(huán)1.4具有傳熱溫差的逆向可逆循環(huán)1.5具有變溫?zé)嵩吹睦硐胫评溲h(huán)-洛倫茲循環(huán)1.6熱泵的作用1.0常用術(shù)語一.物質(zhì)具有一定質(zhì)量并占據(jù)空間的任何物體稱為物質(zhì)。物質(zhì)通常以固、液、氣三態(tài)存在。蒸氣壓縮式制冷機(jī)都依靠內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)的工作物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)制冷過程。制冷機(jī)中的工作物質(zhì)稱為制冷劑。制冷裝置中用來傳遞冷量的工作物質(zhì)稱為載冷劑。

溫度是物體冷熱程度的量度。它是物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志尺度。

常用的溫度度量單位有攝氏溫標(biāo)t和開氏溫標(biāo)T(絕對(duì)溫標(biāo))。

T(k)=t(℃)+273.15圖2-1兩種常用溫標(biāo)的比較

二.溫度物體在熱過程中所放出或吸收的能量稱為熱量。

生產(chǎn)中常用制冷能力來衡量設(shè)備產(chǎn)冷量大小。

制冷能力：制冷設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)從冷庫取走的熱量。商業(yè)上常用冷噸來表示。

1冷噸：1噸0℃飽和水在24小時(shí)內(nèi)被冷凍到0℃的冰所需冷量。

三.熱量熱量單位換算：1大卡（kcal）=1000卡（cal）1焦(J)=0.2389卡（cal）≈0.24卡（cal）1英熱單位(Btu)=0.25大卡（kcal）（Britishthermalunit

）1英熱單位(Btu)=1.05千焦(kJ)1美國冷噸=3024kcal/h1日本冷噸=3320kcal/h

比熱是一個(gè)物性參數(shù)，意為單位度量的物質(zhì)溫度變化1k時(shí)所吸進(jìn)或放出的熱量。

體積比熱Cv(J/m3.k)

摩爾比熱Cp(J/mol.k)

四.比熱（specificheat）

不改變物質(zhì)的形態(tài)而引起其溫度變化的熱量稱為顯熱。

不改變物質(zhì)的溫度而引起其形態(tài)變化的熱量稱為潛熱。

制冷劑的汽化潛熱有何要求？五.顯熱和潛熱表1-1幾種制冷物質(zhì)的汽化潛熱

(kJ/kg)物質(zhì)水氨R12R22氯甲烷二氧化硫R114R502汽化熱2256.81369167.5234.5427.1397.8137.96150.02圖2-2絕對(duì)壓力、表壓力和真空度的關(guān)系

六.壓力垂直作用在單位面積上的力稱為壓力p(壓強(qiáng))。p是確定物質(zhì)狀態(tài)的基本參數(shù)之一。1bar=105pa

飽和壓力ps與飽和溫度ts的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

比容：每千克物質(zhì)所占有的容積。v是基本狀態(tài)參數(shù)。

.v=1

七.比容v和密度

表示材料傳導(dǎo)熱量的能力，是一個(gè)物性參數(shù)。數(shù)值上等于：1m厚的材料兩邊溫差1k時(shí)在1小時(shí)內(nèi)通過1m2表面積所傳導(dǎo)的熱量。單位：w/m.k

常用保溫材料的

值？八.導(dǎo)熱系數(shù)

物質(zhì)的熱力狀態(tài)性質(zhì)可以繪制成曲線圖的形式。制冷劑性質(zhì)曲線圖有多種形式。行業(yè)中最常用的是lgp-h圖。

lgp-h圖的構(gòu)成可以總結(jié)為一個(gè)臨界點(diǎn)、二條飽和線、三個(gè)狀態(tài)區(qū)、六組等值線。九.壓-焓圖(lgp-h)(a)壓-焓圖

(b)壓-焓圖上的主要曲線

圖2-3壓焓圖上的主要曲線

等壓線

—水平線等焓線

—垂直線等干度線x—濕蒸汽區(qū)域內(nèi)等熵線

—向右上方傾斜等容線

—向右上方傾斜等溫線

—垂直線（未）→水平線（濕）→向右下方彎曲（過）

莫里爾圖由于制冷裝置中，制冷劑的實(shí)際壓力并不太高，lgp-h圖靠近臨界點(diǎn)的高壓部分和濕蒸汽區(qū)域的中間部分在熱力計(jì)算中很少用到，為了使圖面清晰簡捷，往往將這兩部分截去。

課后練習(xí)：lgp-h圖中狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)的查取。圖2-4R22的lgp-h圖1.1熱力學(xué)基本定律熱力學(xué)第零定律:如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處于熱平衡。熱力學(xué)第一定律：在任何發(fā)生能量傳遞和轉(zhuǎn)換的熱力過程中，傳遞和轉(zhuǎn)換前后的能量總量維持恒定。

1.1熱力學(xué)基本定律熱力學(xué)第二定律：能量貶值原理。熱不能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳到高溫物體。熱力學(xué)第三定律：絕對(duì)溫度的零度是不可能達(dá)到。

1.2制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析

熱力學(xué)循環(huán)

正向循環(huán)

熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功逆向循環(huán)消耗功1.2制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析正向循環(huán)是使高溫?zé)嵩吹墓べ|(zhì)通過動(dòng)力裝置對(duì)外做功，然后再流向低溫?zé)嵩矗Q為動(dòng)力循環(huán)，即把熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的循環(huán)。所有的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)都是按正向循環(huán)工作的，在溫-熵或壓-焓圖上，循環(huán)的各個(gè)過程都是依次按順時(shí)針方向變化的；1.2制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析逆向循環(huán)，它是使工質(zhì)(制冷劑)在吸收低溫?zé)嵩吹臒崃亢笸ㄟ^制冷裝置，并以外功作補(bǔ)償，然后流向高溫?zé)嵩础Ｄ嫦蜓h(huán)是一種消耗功的循環(huán)，制冷循環(huán)就是按逆向循環(huán)進(jìn)行的，在溫-熵或壓-焓圖上，循環(huán)的各個(gè)過程都是依次按逆時(shí)針方向變化的。1.2制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析逆向循環(huán)又可分為可逆和不可逆兩種。可逆循環(huán)是一種理想循環(huán)，它不考慮工質(zhì)在流動(dòng)和狀態(tài)變化過程中的各種損失。如果在工質(zhì)循環(huán)過程中考慮了上述各種損失，即為不可逆循環(huán)。在制冷循環(huán)中，不可逆主要來自兩個(gè)方面：即制冷劑在流動(dòng)和狀態(tài)變化時(shí)因內(nèi)部摩擦、不平衡等引起的內(nèi)部不可逆損失，以及冷凝器、蒸發(fā)器等換熱器存在傳熱溫差的外部不可逆損失。1.2制冷循環(huán)的熱力學(xué)分析1.3理想制冷循環(huán)——逆卡諾循環(huán)

1.3.1逆卡諾循環(huán)循環(huán)過程1-2等熵壓縮→

耗功w12-3等溫冷凝放熱qk=(sa-sb)3-4等熵膨脹→做功w24-1等溫蒸發(fā)吸熱q0=T0(sa-sb)兩個(gè)恒溫?zé)嵩磧蓚€(gè)等溫過程兩個(gè)等熵過程1.3.2循環(huán)結(jié)果

從被冷卻介質(zhì)吸熱q0（單位制冷量）；向冷卻介質(zhì)放熱qk；循環(huán)凈耗功wc＝w－we＝qk－q0

1.3.3制冷系數(shù)制冷系數(shù)ε（COPcoefficientofperformence）表示它的循環(huán)經(jīng)濟(jì)性能，制冷系數(shù)等于單位耗功量制得的冷量g與所消耗功的比值。逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)，僅與高、低溫?zé)嵩礈囟扔嘘P(guān)，而與制冷劑的熱物理性質(zhì)無關(guān)。

T0↗或Tk↘ε↗

1.3.4逆卡諾循環(huán)特點(diǎn)T0與Tk對(duì)制冷系數(shù)的影響是不等價(jià)的，To的影響大于Tk。同時(shí)，也意味著要實(shí)現(xiàn)溫度降低的制冷具有更高的難度。由于逆卡諾循環(huán)不考慮各種損失，而且壓縮機(jī)利用了膨脹機(jī)對(duì)外輸出的功。因此，在恒定的高、低溫?zé)嵩磪^(qū)間，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)最大，在該溫度區(qū)間進(jìn)行的其它各種制冷循環(huán)的制冷系數(shù)均小于ε

，逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)可用來評(píng)價(jià)其它制冷循環(huán)的熱力完善度。1.3.4逆卡諾循環(huán)特點(diǎn)濕蒸汽區(qū)域內(nèi)進(jìn)行濕壓縮設(shè)備：蒸發(fā)器無傳熱溫差

冷凝器無傳熱溫差

壓縮機(jī)無摩擦運(yùn)動(dòng)

膨脹機(jī)不經(jīng)濟(jì)，且難以加工1.4具有傳熱溫差的逆向可逆循環(huán)1.4具有傳熱溫差的逆向可逆循環(huán)Tk’—冷卻介質(zhì)的溫度T0’—被冷卻介質(zhì)的溫度逆卡諾循環(huán)：1’-2’-3’-4’-1’Tk—冷凝器中制冷劑的溫度T0—蒸發(fā)器中制冷劑的溫度有傳熱溫差的循環(huán)：1-2-3-4-1耗功量增加：陰影面積制冷量減少：1-1’-4’-4-11.4具有傳熱溫差的逆向可逆循環(huán)有傳熱溫差的制冷循環(huán)的制冷系數(shù)εc’小于逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)εc

。蒸發(fā)器傳熱溫差對(duì)制冷系數(shù)的影響將大于冷凝器傳熱溫差1.4具有傳熱溫差的逆向可逆循環(huán)熱力完善度：工作于相同溫度間的實(shí)際制冷循環(huán)的制冷系數(shù)與逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)的比值。

η＝

εc’/εc

≤1η的大小反映了實(shí)際制冷循環(huán)接近逆卡諾循環(huán)的程度。

在制冷裝置的實(shí)際運(yùn)行中，高溫?zé)嵩矗ɡ鋮s介質(zhì)）和低溫?zé)嵩?被冷卻介質(zhì)）的溫度通常是不斷變化的。冷凝器中的冷卻水的溫度是逐步升高，而被冷卻介質(zhì)的溫度是不斷降低的。由于制冷劑在冷凝器和蒸發(fā)器中保持等溫冷凝和蒸發(fā)，這樣就增大了制冷劑和介質(zhì)之間的傳熱溫差，使循環(huán)不可逆損失增加，制冷系數(shù)和熱力完善度下降。為了減少不可逆?zhèn)鳠嵋鸬哪芰繐p失，制冷劑與冷卻和被冷卻介質(zhì)之間必需保持最小的傳熱溫差，并且所有各點(diǎn)應(yīng)保持定值。1.5具有變溫?zé)嵩吹睦硐胫评溲h(huán)-洛倫茲循環(huán)1.5具有變溫?zé)嵩吹睦硐胫评溲h(huán)-洛倫茲循環(huán)由兩個(gè)和熱源之間無溫差的熱交換過程以及兩個(gè)等熵過程所組成的逆向可逆循環(huán)，為洛倫茲循環(huán)，是消耗功最小的循環(huán)，即制冷系數(shù)最高的循環(huán)。前提：熱源溫度變化的條件下1.5具有變溫?zé)嵩吹睦硐胫评溲h(huán)-洛倫茲循環(huán)1.6熱泵的作用

逆向循環(huán)以耗功為補(bǔ)償，通過制冷劑的循環(huán)把從低溫?zé)嵩粗形盏臒崃浚ㄖ评淞浚┖秃墓α恳黄鹪诟邷責(zé)嵩捶懦觥Ｒ虼耍嫦蜓h(huán)可以用來制冷，也可用來供熱，或者冷、熱同時(shí)使用。用來制冷的逆向循環(huán)裝置，稱為制冷裝置，而用來供熱時(shí)則稱為熱泵裝置。在逆卡諾循環(huán)中，制冷劑在每次循環(huán)中向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃繛閝k’=qo’+wc則進(jìn)行逆卡諾循環(huán)的熱泵供熱系數(shù)為：μc=（qo’+wc）/wc=1+εc=Tk’/（Tk’-To’）表示熱泵系數(shù)恒大于1，這說明熱泵裝置在高溫?zé)嵩吹姆艧崃渴冀K大于耗功量。1.6熱泵的作用1.6熱泵的作用熱泵供熱比直接用電供熱耗能省，它是一種節(jié)能的供熱方式。但熱泵是否比其它供熱方法（如燃料的直接燃燒、蒸氣供熱等）節(jié)能和經(jīng)濟(jì)，還應(yīng)根據(jù)提供熱泵的具體條件進(jìn)行分析和比較。2.理論制冷循環(huán)2.1工作原理2.2理論循環(huán)在lgp-h圖上的表示2.3性能指標(biāo)2.4液體過冷和吸氣過熱對(duì)制冷循環(huán)的影響2.1理論制冷循環(huán)的工作原理單級(jí)理論循環(huán)的假設(shè)基礎(chǔ)：(1)壓縮過程為等熵過程，即在壓縮過程中不存在任何不可逆損失；(2)在冷凝器和蒸發(fā)器中，制冷劑的冷凝溫度等于冷卻介質(zhì)的溫度，蒸發(fā)溫度等于被冷卻介質(zhì)的溫度，且冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都是定值(3)離開蒸發(fā)器和進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑蒸氣為蒸發(fā)壓力下的飽和蒸氣，離開冷凝器和進(jìn)入膨脹閥的液體為冷凝壓力下的飽和液體；(4)制冷劑在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，沒有流動(dòng)阻力損失，忽略動(dòng)能變化，除了蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)的管子外，制冷劑與管外介質(zhì)之間沒有熱交換；（5）制冷劑在流過節(jié)流裝置時(shí)，流速變化很小，可以忽略不計(jì)，且與外界環(huán)境沒有熱交換。循環(huán)組成循環(huán)組成壓縮機(jī)：等熵壓縮；冷凝器：等壓放熱；節(jié)流閥：絕熱節(jié)流，等焓；蒸發(fā)器：等壓吸熱而制冷。

“四大件”作用壓縮機(jī)：“心臟”，壓縮和輸送制冷劑蒸汽；節(jié)流閥：節(jié)流降壓，并調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量；蒸發(fā)器：吸收熱量（輸出冷量）從而制冷；冷凝器：輸出熱量。

循環(huán)特點(diǎn)（對(duì)比逆卡諾循環(huán)）膨脹機(jī)膨脹閥低壓高干度濕蒸氣逆卡諾循環(huán)理論制冷循環(huán)高壓飽和蒸氣高壓飽和液體低壓低干度濕蒸氣高壓飽和液體過熱蒸氣低壓低干度濕蒸氣低壓干飽和蒸氣定溫放熱定溫吸熱定壓放熱定壓吸熱濕壓縮干壓縮循環(huán)特點(diǎn)（對(duì)比逆卡諾循環(huán)）制冷劑在冷凝器和蒸發(fā)器中按等壓過程循環(huán)，而且具有傳熱溫差；制冷劑用膨脹閥絕熱節(jié)流，而不是用膨脹機(jī)絕熱膨脹；壓縮機(jī)吸入飽和蒸氣（干壓縮）而不是濕蒸氣（濕壓縮）三種制冷循環(huán)在T-S圖上的表示理論循環(huán)制冷系數(shù)及其它參數(shù)的變化影響逆卡諾循環(huán)和具有傳熱溫差的逆向可逆循環(huán)制冷量、耗功量以及制冷系數(shù)的因素對(duì)理論制冷循環(huán)仍然有效，而且制冷劑在進(jìn)行理論循環(huán)過程中又產(chǎn)生了一些影響上述參數(shù)的其它因素。1、膨脹閥代替膨脹機(jī)后的節(jié)流損失2、用干壓縮代替濕壓縮后的飽和損失2.2理論循環(huán)在lgp-h圖上的表示理論循環(huán)在T-s圖（a）和lnp-h圖（b）上的表示補(bǔ)充：熱力學(xué)第一定律的基本能量方程式1).閉口系統(tǒng)的能量平衡工質(zhì)從外界吸熱Q后從狀態(tài)1變化到2，對(duì)外作功W。若工質(zhì)宏觀動(dòng)能和位能的變化忽略不計(jì)，則工質(zhì)儲(chǔ)存能的增加即為熱力學(xué)能的增加ΔU熱力學(xué)第一定律的解析式加給工質(zhì)的熱量一部分用于增加工質(zhì)的熱力學(xué)能儲(chǔ)存于工質(zhì)內(nèi)部，余下一部分以作功的方式傳遞至外界

對(duì)微元過程，第一定律解析式的微分形式(A)

對(duì)于1kg工質(zhì)A式對(duì)閉口系普遍適用。可逆過程

完成一循環(huán)后，工質(zhì)恢復(fù)原來狀態(tài)

閉口系完成一循環(huán)后，循環(huán)中與外界交換的熱量等于與外界交換的凈功量。2).開口系統(tǒng)的能量平衡圖示開口系統(tǒng)，dτ時(shí)間內(nèi)，質(zhì)量的微元工質(zhì)流入截面1-1，質(zhì)量微元工質(zhì)流出2-2，系統(tǒng)從外界得到熱量，對(duì)機(jī)器設(shè)備作功。圖2-5開口系統(tǒng)流動(dòng)過程中的能量平衡過程完成后系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量增加dm,系統(tǒng)總能增加dECV，由系統(tǒng)能量平衡的基本表達(dá)式有：由E=me,V=mv,h=u+pv,得穩(wěn)定流動(dòng)

系統(tǒng)只有單股流體進(jìn)出微量形式：當(dāng)流入質(zhì)量為m的流體時(shí)，穩(wěn)定流動(dòng)能量方程：能量方程式的應(yīng)用工質(zhì)流經(jīng)壓縮機(jī)時(shí)，機(jī)器對(duì)工質(zhì)做功wc,使工質(zhì)升壓，工質(zhì)對(duì)外放熱q每kg工質(zhì)需作功：

壓縮機(jī)圖2-6壓縮機(jī)能量平衡膨脹機(jī)膨脹過程均采用絕熱過程。穩(wěn)定流動(dòng)能量平衡方程：圖2-7膨脹機(jī)能量平衡工質(zhì)流經(jīng)換熱器時(shí)和外界有熱量交換而無功的交換，動(dòng)能差和位能差也可忽略不計(jì)。換熱器圖2-8換熱器能量平衡1kg的工質(zhì)吸熱量：

工質(zhì)流經(jīng)噴管和擴(kuò)壓管時(shí)不對(duì)設(shè)備作功，熱量交換可忽略不計(jì)。1kg工質(zhì)動(dòng)能的增加：

噴管圖2-9噴管能量轉(zhuǎn)換工質(zhì)流過閥門時(shí)流動(dòng)截面突然收縮，壓力下降，這種流動(dòng)稱為節(jié)流。節(jié)流設(shè)流動(dòng)絕熱，前后兩截面間的動(dòng)能差和位能差忽略，因過程無對(duì)外做功，故節(jié)流前后的焓相等該式只對(duì)節(jié)流前后穩(wěn)定段成立，而不適合節(jié)流過程段。

按照熱力學(xué)第一定律，對(duì)于在控制容積中進(jìn)行的狀態(tài)變化存在如下關(guān)系：（2-1）

這里，把自外界傳入的功作為負(fù)值。對(duì)上式積分可以得到整個(gè)過程的表達(dá)式：（2-2）

按照式（2-1）和式（2-2），單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)循環(huán)的各個(gè)過程有如下關(guān)系：q0稱為單位制冷量，習(xí)慣上取為正值，在T-s圖上用面積1-4-b-a-1代表，而在lgp-h圖上則用線段4-1表示。

（1）壓縮過程:δq=0,因而

δw=dhw=h2-h1

（2-3）(2)冷凝過程：

dw=0δq=dhqk=h2-h3

（2-4）

（4）蒸發(fā)過程：dw=0因而

δq=dhq0=h1-h4=h1-h3

（2-6）

(3)節(jié)流過程：

w=0q=0Δh=0h3=h4（2-5）

2.3性能指標(biāo)單位制冷量q0(1)單位制冷量壓縮蒸氣制冷循環(huán)單位制冷量可按式（2-6）計(jì)算。單位制冷量也可以表示成汽化潛熱r0和節(jié)流后的干度x4的關(guān)系：

(2-7)

由式（2-7）可知，制冷劑的汽化潛熱越大，或節(jié)流所形成的蒸氣越少（x4越小）則循環(huán)的單位制冷量就越大。（2-7）

2.3性能指標(biāo)(2)單位容積制冷量qv(2-8)(3)理論比功w0(2-9)（2-8）

對(duì)于單級(jí)蒸氣壓縮制冷機(jī)的理論循環(huán)來說，制冷劑在節(jié)流過程中不作外功，理論比功等于循環(huán)的理論比功，可表示為：

單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)的理論比功也是隨制冷劑的種類和制冷機(jī)循環(huán)的工作溫度而變的。（3）理論比功（2-9）

(4)單位冷凝熱qk單位（1kg）制冷劑蒸氣在冷凝器中放出的熱量，稱為單位冷凝熱。單位冷凝熱包括顯熱和潛熱兩部分。(2-10)

比較式（2-6）、（2-9）和（2-10）可以看出，對(duì)于單級(jí)壓縮式蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)，存在著下列關(guān)系：(2-11)

對(duì)于單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)，制冷系數(shù)為：制冷系數(shù)愈大經(jīng)濟(jì)性愈好（5）制冷系數(shù)(6)熱力完善度單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)的熱力完善度按定義可表示為(2-13)這里εc為在蒸發(fā)溫度（T0）和壓縮機(jī)排氣溫度（T3）之間工作的逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)。熱力完善度愈大，說明該循環(huán)接近可逆循環(huán)的程度愈大。

制冷系數(shù)與熱力完善度的不同意義制冷系數(shù)與熱力完善度都是用來評(píng)價(jià)循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)，但意義不同。1、制冷系數(shù)隨循環(huán)的工作溫度而變，因此只能評(píng)價(jià)相同熱源溫度下的循環(huán)經(jīng)濟(jì)性。2、不同溫度下工作的制冷循環(huán)需要通過熱力完善度來判斷其循環(huán)經(jīng)濟(jì)性。2.4液體過冷和吸氣過熱對(duì)制冷循環(huán)的影響上面所述的循環(huán)，是單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)的基本循環(huán)，也是最簡單的循環(huán)。在實(shí)用上，根據(jù)實(shí)際條件對(duì)循環(huán)往往要作一些改進(jìn)，以便提高循環(huán)的熱力完善度。在單級(jí)制冷機(jī)循環(huán)中，這一改進(jìn)主要有液體過冷、吸氣過熱及由此而產(chǎn)生的回?zé)嵫h(huán)將節(jié)流前的制冷劑液體冷卻到低于冷凝溫度的狀態(tài)，稱為過冷。帶有過冷的循環(huán)，叫做過冷循環(huán)。采用液體過冷對(duì)提高制冷量和制冷系數(shù)都是有利的2.4.1液體過冷2.4.2過冷循環(huán)的溫熵圖和壓焓圖過冷循環(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示

在圖（a）中，

q0以面積5‘-5-b-c表示，在圖（b）中，q0以線段5’-5表示。因兩個(gè)循環(huán)的理論比功w0相同，過冷循環(huán)的制冷系數(shù)比無過冷循環(huán)的制冷系數(shù)要大。與無過冷的循環(huán)1-2-3-4-5-1相比，過冷循環(huán)的單位制冷量的增加量為：2.5吸入過熱蒸氣對(duì)制冷循環(huán)的影響

壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣的溫度高于吸氣壓力下制冷劑的飽和溫度時(shí)，稱為過熱。具有吸氣過熱的循環(huán)，稱為過熱循環(huán)。2.5.2過熱循環(huán)的溫熵圖和壓焓圖過熱循環(huán)1-1‘-2’-3-4-5-1的T-s圖和lgp-h圖。圖中1-1‘是吸氣的過熱過程，其余與基本循環(huán)相同。

(2-16)

(2-17)(2-18)(2-19)僅與制冷劑性質(zhì)有關(guān)有害過熱無此增加制冷量有效過熱與有害過熱有效過熱的過熱度對(duì)制冷系數(shù)的影響過熱度℃R502R600aR290R134aR22NH3045.337.444.444.155.993.03073.965.772.172.986.3131.5過熱度對(duì)排氣溫度的影響2.6回?zé)嵫h(huán)利用回?zé)崾构?jié)流前的制冷劑液體與壓縮機(jī)吸入前的制冷劑蒸氣進(jìn)行熱交換，使液體過冷、蒸氣過熱，稱之為回?zé)帷；責(zé)嵫h(huán)T-S及l(fā)gP-h圖圖2-21回?zé)嵫h(huán)在T-s圖（a）和lgp-h圖（b）上的表示若不計(jì)回?zé)崞髋c環(huán)境空氣之間的熱交換，則液體過冷的放熱量等于使蒸氣過熱的吸熱量，其熱平衡關(guān)系為：

（2-22）回?zé)嵫h(huán)的性能指標(biāo)如下：單位制冷量（2-23）單位容積制冷量（2-24）單位功

（2-25）制冷系數(shù)（2-26）由回?zé)嵫h(huán)lgp-h圖可知，與無回?zé)嵫h(huán)1-2-3-4-5-1相比較，回?zé)嵫h(huán)的單位制冷量增大了但單位功也增大了（2-28）

循環(huán)的單位功可近似地表示成（2-29）單位容積制冷量和制冷系數(shù)可表示成（2-30）(2-31)如果要使回?zé)嵫h(huán)的單位容積制冷量及制冷系數(shù)比無回?zé)嵫h(huán)高，其條件應(yīng)是：即（2-32）制冷循環(huán)熱力計(jì)算是利用制冷循環(huán)的各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)計(jì)算出循環(huán)的性能指標(biāo)。循環(huán)的熱力計(jì)算，由于實(shí)際循環(huán)和理論循環(huán)有許多不同之處，為了更好的理解實(shí)際與理論循環(huán)的區(qū)別，以及分析對(duì)實(shí)際循環(huán)進(jìn)行的簡化是否合理，有必要對(duì)實(shí)際及理論制冷循環(huán)進(jìn)行一下對(duì)比分析。3、制冷循環(huán)熱力計(jì)算實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的比較

區(qū)別1）制冷壓縮機(jī)的壓縮過程不是等熵過程，且有摩擦損失和散熱損失。2）實(shí)際制冷循環(huán)中壓縮機(jī)吸入的制冷劑往往是過熱蒸氣，節(jié)流前往往是過冷液體，即存在氣體過熱、液體過冷情況。3）熱交換過程中，存在著傳熱溫差，被冷卻介質(zhì)溫度高于制冷劑的蒸發(fā)溫度，環(huán)境冷卻介質(zhì)溫度低于制冷劑冷凝溫度。4）制冷劑在設(shè)備及管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，存在著流動(dòng)阻力損失，且與外界有熱量交換。5）實(shí)際節(jié)流過程不完全是絕熱的等焓過程，節(jié)流后的焓值有所增加。實(shí)際循環(huán)的簡化為工程設(shè)計(jì)方便，做如下簡化忽略冷凝器蒸發(fā)器中壓降，以壓縮機(jī)排氣壓力作冷凝壓力（或排氣壓力減去壓降后），以壓縮機(jī)吸氣壓力作蒸發(fā)壓力（或吸氣壓力加上吸氣壓降），認(rèn)為T0，TK為定植。壓縮過程簡化為有損失的簡單壓縮過程。節(jié)流為等焓過程單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)(簡化后）簡化后的實(shí)際循環(huán)P—h圖：簡化后的循環(huán)的性能指標(biāo)的表達(dá)式，各下標(biāo)對(duì)應(yīng)于上圖所示的狀態(tài)點(diǎn)。1．單位制冷量、單位容積制冷量及單位理論功

這些同理論循環(huán)的計(jì)算完全一致。2．單位冷凝熱上式中點(diǎn)2狀態(tài)的焓值用下式計(jì)算式中

為壓縮機(jī)的指示效率，它被定義為等熵壓縮過程耗功量與實(shí)際壓縮過程耗功量之比。3．制冷劑的循環(huán)流量

式中為制冷量，通常由設(shè)計(jì)任務(wù)給出。

（2-36）（2-37）（2-38）4．壓縮機(jī)的實(shí)際功率5．實(shí)際制冷系數(shù)例題1.試計(jì)算氟利昂22(R22)制冷劑在下列工況下的理論制冷系數(shù)ε，并進(jìn)行比較和討論。A工況：tk=35℃，to=0℃；B工況：tk=40℃，to=0℃；C工況：tk=40℃，to=-5℃；各狀態(tài)點(diǎn)焓值工況冷凝蒸發(fā)h1h2h3=h4溫度tk壓力pk溫度to壓力poA工況3513.504.98405.4430243.16.60B工況4015.304.98405.4433249.75.64C工況4015.3-54.21403.5437249.74.59B工況較A工況，tk升高5℃，制冷系數(shù)下降，下降14.5%；C工況較B工況，to降低5℃，制冷系數(shù)下降，下降18.6%。2.試計(jì)算氟利昂22（R22）制冷劑在下列工況下循環(huán)時(shí)的理論制冷系數(shù)ε，并進(jìn)行比較和討論。A工況：tk=40℃，to=0℃；B工況：tk=40℃，to=0℃，t3‘=35℃各狀態(tài)點(diǎn)焓值工況冷凝蒸發(fā)h1h2節(jié)流前焓值h3制冷系數(shù)ε溫度tk壓力pk溫度to壓力poA工況4015.304.98405.4433249.75.64B工況4015.304.98405.4433243.15.88在相同冷凝溫度和蒸發(fā)溫度條件下，采用過冷能提高循環(huán)的制冷系數(shù)。本例中的過冷度tk-t3’=5℃3.一臺(tái)單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)工作在高溫?zé)嵩礈囟葹?0℃，低溫?zé)嵩礈囟葹?0℃，試求分別用R134a、R22和R717工作時(shí)的理論循環(huán)的性能指標(biāo)。狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)（單位）R134aR22R7171p1(kpa)132.7244.9190.1t1(℃)-20-20-20v1(m3/kg)0.14720.092130.6232h1(kJ/kg)384.7396.461437.122t2(℃)48.467.6135.2p2(kpa)1016.41533.61555.5h2(kJ/kg)427.31443.061757.034t4(℃)404040p4(kpa)1016.41533.61555.5h4(kJ/kg)256.2249.44393.995h5(kJ/kg)256.2249.44393.99各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)循環(huán)性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果制冷劑單位制冷量單位容積制冷量單位理論功單位冷凝熱制冷系數(shù)卡諾循環(huán)制冷系數(shù)熱力完善度q0=h1-h5qv=q0/v1W0=h2-h1qk=h2-h5ε0=q0/W0εc=T0/(T4-T0)η=ε0/εcR134a128.5827.942.6171.13.0164.2190.715R22147.01595.946.59193.623.1554.2190.748R7171043.11673.9319.91363.033.2164.2190.7334、一臺(tái)活塞式單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)，工作在高溫?zé)嵩礈囟葹?0℃，低溫?zé)嵩礈囟葹?23℃，制冷劑為R134a，采用回?zé)嵫h(huán)，壓縮機(jī)的吸氣溫度為0℃，試進(jìn)行制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算。狀態(tài)點(diǎn)1：p1=1.16(×102kpa)；t1=-23℃；h0=382.9(kJ/kg)狀態(tài)點(diǎn)1’：p1’=1.16(×102kpa)；t1’=0℃；h1’=401.6(kJ/kg)；v1’=0.185(m3/kg)狀態(tài)點(diǎn)2’：p2’=10.16(×102kpa)；t2’=71.5℃；h2’=452.1(kJ/kg)狀態(tài)點(diǎn)4：p4=10.16(×102kpa)；t4=40℃；h4=256.2(kJ/kg)狀態(tài)點(diǎn)4’：p4’=10.16(×102kpa)；t4’=27.3℃；h4’=237.5(kJ/kg)項(xiàng)目計(jì)算公式單位制冷量q0=h1-h4’145.4單位容積制冷量qv=q0/v1’785.9單位理論功W0=h2’-h1’50.5單位冷凝熱qk=h2’-h4195.9制冷系數(shù)ε0=q0/W02.879卡諾循環(huán)制冷系數(shù)εc=T1/(T4-T1)3.968單位回?zé)崞髫?fù)荷qR=h1’-h1=h4-h4’18.7熱力完善度η=ε0/εc0.726第三章蒸氣壓縮式制冷第一節(jié)可逆制冷循環(huán)第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的

理論循環(huán)第三節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的

實(shí)際循環(huán)第四節(jié)蒸氣壓縮式制冷中的制冷劑第三章蒸氣壓縮式制冷第五節(jié)采用混合制冷劑的單級(jí)

蒸氣壓縮式制冷循環(huán)第六節(jié)多級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)第七節(jié)復(fù)疊式制冷第八節(jié)CO2制冷第一節(jié)可逆制冷循環(huán)內(nèi)容提要一、壓縮式制冷的熱力學(xué)原理概述二、逆卡諾制冷循環(huán)三、勞倫茨循環(huán)第一節(jié)可逆制冷循環(huán)

一、壓縮式制冷的熱力學(xué)原理概述

制冷系統(tǒng)是利用逆向循環(huán)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，通過能量補(bǔ)償，使制冷劑在循環(huán)中不斷地從溫度較低的被冷卻對(duì)象中吸取熱量，并向溫度較高的冷卻介質(zhì)排放熱量。一般將流出熱量的對(duì)象(制冷劑從中吸收熱量)稱為熱源；將流入熱量的對(duì)象(制冷劑向其排放熱量)稱為熱匯。

制冷循環(huán)的熱力學(xué)本質(zhì)是：用能量補(bǔ)償?shù)姆绞桨褵崃繌牡蜏責(zé)嵩磁诺礁邷責(zé)釁R。從這一本質(zhì)出發(fā)，制冷循環(huán)不但可以實(shí)現(xiàn)使物體降到環(huán)境溫度以下的制冷目的，而且可以用于使物體升到環(huán)境溫度以上的加熱目的。第一節(jié)可逆制冷循環(huán)1.制冷機(jī)與熱泵在制冷機(jī)中人們以環(huán)境(環(huán)境溫度的水或空氣)為高溫?zé)釁R，利用逆向循環(huán)在低溫下從低溫?zé)嵩次鼰幔找媸侵评淞俊Ｈ绻原h(huán)境為低溫?zé)嵩矗醚h(huán)在高溫下向高溫?zé)釁R排熱，收益是供熱量，便可用此熱量將某空間或物體加熱到環(huán)境溫度以上。具有這種用途的機(jī)器叫做“熱泵”。可見，熱泵與制冷機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)本質(zhì)完全相同。這就是將熱泵納入制冷技術(shù)范疇的理由。它們的區(qū)別僅在于使用目的。單一用于制冷的機(jī)器叫制冷機(jī)；單一用于供熱的機(jī)器叫熱泵。制冷機(jī)可以做成在一些時(shí)候用來制冷，在另一些時(shí)候用來供熱，這樣的制冷機(jī)叫做熱泵型制冷機(jī)。第一節(jié)可逆制冷循環(huán)

制冷機(jī)和熱泵的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3－1所示。圖中，制冷劑從低溫?zé)嵩次盏臒崃坑肣L(或Q0)表示，向高溫?zé)釁R排放的熱量用QH表示，補(bǔ)償能用E表示。

圖3－1制冷機(jī)和熱泵的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系圖第一節(jié)可逆制冷循環(huán)2．制冷循環(huán)的性能系數(shù)COP和循環(huán)效率η

性能系數(shù)用來反映消耗一定的補(bǔ)償能可以獲得多少收益能。性能系數(shù)的定義為：循環(huán)中收益能數(shù)值與補(bǔ)償能數(shù)值之比，即

COP=收益能量/補(bǔ)償能量

循環(huán)用于制冷時(shí)，制冷機(jī)的性能系數(shù)為

COPR=Q0/E(3－1)

循環(huán)用于供熱時(shí)，熱泵的性能系數(shù)為

COPH=QH/E(3－2)

按熱力學(xué)第一定律，有

QH=Q0+E(3－3)

所以COPH=COPR+1(3－4)第一節(jié)可逆制冷循環(huán)

由式(3－4)可知，熱泵的性能系數(shù)恒大于1。這說明，用熱泵供暖，可以獲得比所消耗補(bǔ)償能量更多的供熱量。因?yàn)樵谡魵鈮嚎s制冷機(jī)或熱泵中，補(bǔ)償能是向壓縮機(jī)輸入的電能或機(jī)械能，記作W。同時(shí)，制冷行業(yè)中習(xí)慣上將壓縮式制冷機(jī)的性能系數(shù)又叫做制冷系數(shù)，將熱泵的性能系數(shù)又叫做供熱系數(shù)。所以，壓縮式制冷機(jī)和熱泵中

COPR=Q0/W(3－5)

COPH=QH/W(3－6)

以后的論述主要針對(duì)制冷機(jī)，其性能系數(shù)簡單記作COP，不再出現(xiàn)下標(biāo)“R”。第一節(jié)可逆制冷循環(huán)

循環(huán)效率(也稱為熱力完善度)用來說明制冷循環(huán)與可逆制冷循環(huán)的接近程度。熱力學(xué)上最為完善的循環(huán)是可逆循環(huán)。制冷循環(huán)的循環(huán)效率定義為：一個(gè)制冷循環(huán)的性能系數(shù)COP與相同低溫?zé)嵩础⒏邷責(zé)釁R溫度下可逆制冷循環(huán)的性能系數(shù)COPc之比，即

η=COP/COPc(3－7)

實(shí)際制冷循環(huán)中總會(huì)存在各種不可逆因素，其循環(huán)效率的值介于0－1之間。η越接近1，說明越接近可逆循環(huán)，循環(huán)的熱力學(xué)完善程度越高。第一節(jié)可逆制冷循環(huán)

二、卡諾制冷循環(huán)設(shè)有恒溫?zé)嵩春秃銣責(zé)釁R，其溫度分別為TL和TH。在這兩個(gè)溫度之間工作的可逆制冷循環(huán)是卡諾制冷循環(huán)。

逆向卡諾循環(huán)由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)等熵過程組成，如圖3－2a所示。工質(zhì)在循環(huán)中以TL溫度從低溫?zé)嵩吹葴匚鼰?過程4－1)，再等熵壓縮到溫度升至TH(過程1－2)，又在TH下向高溫?zé)釁R等溫放熱(過程2－3)，然后等熵膨脹到溫度降至TL(過程3－4)，回到循環(huán)開始狀態(tài)。循環(huán)中的一些參數(shù)按以下公式確定：

循環(huán)的吸熱量

循環(huán)的排熱量

循環(huán)的凈輸入功第一節(jié)可逆制冷循環(huán)圖3－2卡諾制冷循環(huán)第一節(jié)可逆制冷循環(huán)

由能量守衡有性能系數(shù)為

(3－8)

式(3－8)給出卡諾制冷循環(huán)性能系數(shù)的表達(dá)式，它是相同的低溫?zé)嵩础⒏邷責(zé)釁R溫度條件下制冷循環(huán)性能系數(shù)在理論上的最高值。式(3－8)表明：

(1)卡諾制冷循環(huán)的性能系數(shù)COPc只與熱源和熱匯的溫度有關(guān)，而與制冷劑的性質(zhì)無關(guān)。

(2)COPc的大小隨TH/TL改變，TH/TL越大則COPc越小。TH一定時(shí)，TL越低則COPc越小。圖3－2b給出不同TH、TL時(shí)COPc變化的具體數(shù)值。第一節(jié)可逆制冷循環(huán)

以上結(jié)論對(duì)于評(píng)價(jià)制冷機(jī)經(jīng)濟(jì)性的意義在于：

(1)制冷機(jī)的COP與熱源和熱匯的溫度條件有關(guān)。

(2)用COP值來評(píng)價(jià)或比較制冷機(jī)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)性時(shí)，只有指明TH、TL評(píng)價(jià)才有意義；只有在同樣的TH、TL條件下，才可以用COP值來比較兩臺(tái)或幾臺(tái)制冷機(jī)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)性。

(3)循環(huán)效率η的定義本身已包含了相同熱源和熱匯條件下的比較，所以根據(jù)η值的大小可以直接評(píng)價(jià)和比較各種制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。第一節(jié)可逆制冷循環(huán)

三、勞倫茨循環(huán)恒溫?zé)嵩春秃銣責(zé)釁R條件下的可逆制冷循環(huán)是卡諾制冷循環(huán)。恒溫?zé)嵩春蜔釁R的假定意味著熱源和熱匯的熱容量無窮大。事實(shí)上，熱源(匯)的熱容量有限，熱源在放熱過程中溫度將降低，熱匯在吸熱過程中溫度將升高，即它們是溫度變化的熱源(匯)。

針對(duì)變溫?zé)嵩春妥儨責(zé)釁R條件，制冷劑變溫吸熱、變溫排熱的循環(huán)是勞倫茨循環(huán)。勞倫茨循環(huán)如圖3－3所示。循環(huán)由兩個(gè)變溫過程和兩個(gè)等熵過程組成。過程1－2為制冷劑等熵壓縮過程；2－3過程為變溫放熱過程；3－4過程為等熵膨脹過程；過程4－1為變溫吸熱過程。第一節(jié)可逆制冷循環(huán)圖3－3勞倫茨循環(huán)第一節(jié)可逆制冷循環(huán)

如果上述循環(huán)中滿足：對(duì)于變溫放熱過程2－3，制冷劑在放熱時(shí)溫度的變化與熱匯的溫度變化相一致，二者之間沒有傳熱溫差；對(duì)于變溫吸熱過程4－1，制冷劑在吸熱時(shí)溫度的變化與熱源的溫度變化相一致，二者之間沒有傳熱溫差。那么，該循環(huán)的各個(gè)過程都是可逆過程，為可逆勞倫茨循環(huán)。可逆勞倫茨循環(huán)是變溫源(匯)條件下熱力學(xué)上最理想的循環(huán)。分析可逆勞倫茨循環(huán)時(shí)引入平均當(dāng)量溫度的概念。設(shè)Tm是放熱過程的平均當(dāng)量溫度；T0m是吸熱過程的平均當(dāng)量溫度。

2－3過程單位質(zhì)量的放熱量

(3－9)第一節(jié)可逆制冷循環(huán)

4－1過程單位質(zhì)量的吸熱量

(3－10)

循環(huán)的單位質(zhì)量輸入功

(3－1l)

循環(huán)的性能系數(shù)

(3－12)

可見，勞倫茨制冷循環(huán)的性能系數(shù)的值，相當(dāng)于在Tm和T0m恒溫源(匯)條件下工作的卡諾制冷循環(huán)的性能系數(shù)。第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷

的理論循環(huán)內(nèi)容提要一、特點(diǎn)及工作過程二、制冷劑的狀態(tài)圖三、理論循環(huán)第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

一、特點(diǎn)及工作過程

單級(jí)蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)如圖3－4所示。它由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器四個(gè)基本部件組成，并用管道將它們串連成一個(gè)封閉的系統(tǒng)，制冷劑在這個(gè)封閉的系統(tǒng)中循環(huán)。工作過程如下：制冷劑在壓力p0、溫度T0下沸騰，T0低于被冷卻對(duì)象的溫度。壓縮機(jī)不斷抽吸蒸發(fā)器中產(chǎn)生的制冷劑蒸氣，并將它壓縮到冷凝壓力pk，排出后送到冷凝器,在壓力pk下等壓冷卻凝結(jié)成液體，制冷劑冷卻和凝結(jié)時(shí)放出的熱量傳給冷卻介質(zhì)。與冷凝壓力pk相對(duì)應(yīng)的冷凝溫度Tk一定要高于冷卻介質(zhì)的溫度。冷凝后的制冷劑高壓液體通過膨脹閥或其他節(jié)流元件進(jìn)入蒸發(fā)器。當(dāng)制冷劑通過節(jié)流元件時(shí)，壓第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)圖3－4單級(jí)蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)1—壓縮機(jī)；2—冷凝器；3—膨脹閥；4—蒸發(fā)器

第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

力從pk降到p0，有一部分液體汽化，剩余的液體溫度降到T0，于是節(jié)流后的制冷劑以低溫低壓(p0，T0)氣液兩相混合狀態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器。混合物中的液體在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，并從被冷卻對(duì)象吸熱，產(chǎn)生制冷作用。節(jié)流過程產(chǎn)生的那部分蒸氣是閃發(fā)(flash)出來的，該蒸氣通常稱之為閃蒸氣，它在蒸發(fā)器中幾乎不產(chǎn)生制冷作用。在整個(gè)循環(huán)過程中，壓縮機(jī)起著壓縮和輸送制冷劑蒸氣，并造成蒸發(fā)器中低壓、冷凝器中高壓的作用，是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，有了它制冷劑才得以在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。節(jié)流閥對(duì)制冷劑起節(jié)流降壓作用，并調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量。蒸發(fā)器是輸出冷量的設(shè)備，制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)時(shí)要吸收被冷卻對(duì)象的熱量，從而達(dá)到制冷的目的。冷凝器第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

是輸出熱量的設(shè)備，制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量和壓縮機(jī)消耗功所轉(zhuǎn)化的熱量，均帶到冷凝器，排放給冷卻介質(zhì)。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，以壓縮機(jī)所消耗的功為補(bǔ)償，使制冷劑不斷從低溫物體中吸收熱量，并不斷向高溫物體排放熱量，從而完成整個(gè)制冷循環(huán)。該系統(tǒng)中，來自蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸氣被壓縮機(jī)吸入后經(jīng)一次壓縮，壓力提高到冷凝所對(duì)應(yīng)的高壓，因此稱它為單級(jí)蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)。第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

二、制冷劑的狀態(tài)圖分析制冷循環(huán)，需要借助于制冷劑的狀態(tài)圖描述出制冷劑熱力狀態(tài)的循環(huán)變化。因?yàn)榧冑|(zhì)制冷劑的熱力狀態(tài)由兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)參數(shù)確定，所以任何一種制冷劑都可用平面狀態(tài)圖反映其熱力性質(zhì)，可以用任意兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)分別作平面圖的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)繪制狀態(tài)圖，并以這兩個(gè)坐標(biāo)參數(shù)命名狀態(tài)圖，如T－s圖、p－h(huán)圖、h－s圖、p－v圖等。狀態(tài)圖上繪出各狀態(tài)參數(shù)的等值線簇、制冷劑的相區(qū)(液相、氣相、兩相)。狀態(tài)圖上的一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)熱力狀態(tài)；利用狀態(tài)圖可以描述熱力狀態(tài)的變化過程，以及由各種過程所組成的循環(huán)，并能直觀描述循環(huán)中的各狀態(tài)變化和分析這些變化對(duì)循環(huán)的影響。第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

制冷循環(huán)的分析與計(jì)算中，通常借助于T-s圖和p-h圖。由于單位質(zhì)量制冷劑循環(huán)的各個(gè)過程中功與熱量的變化均可以用比焓的變化計(jì)算，因此p-h圖在制冷工程計(jì)算中得到更為廣泛的應(yīng)用。

1．壓力－比焓圖壓力－比焓圖簡稱壓－焓圖，即p－h(huán)圖。它的縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，表示絕對(duì)壓力；橫坐標(biāo)為比焓。壓－焓圖的結(jié)構(gòu)如圖3－5所示。第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)圖3－5壓力－比焓圖第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

圖中的粗實(shí)線為相界線。相界線上的點(diǎn)C為臨界點(diǎn)。點(diǎn)C左側(cè)的相界線是飽和液體線；右側(cè)的相界線是飽和蒸氣線。飽和液體線上的點(diǎn)代表飽和液體狀態(tài)；飽和蒸氣線上的點(diǎn)代表飽和蒸氣狀態(tài)。相界線將制冷劑的狀態(tài)平面分成三個(gè)區(qū)：飽和液體線左側(cè)為過冷液體區(qū)；飽和蒸氣線右側(cè)為過熱蒸氣區(qū)；飽和液體線與飽和蒸氣線所圍成的區(qū)域?yàn)闅猓簝上鄥^(qū)。兩相區(qū)是飽和氣－液共存的狀態(tài)(濕蒸氣狀態(tài))，其中飽和氣所占的份額稱做干度x。圖中各參數(shù)的等值線簇為：

等壓線—水平線；

等比焓線—垂直線；第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

等溫線—液體區(qū)幾乎為垂直線；兩相區(qū)為水平線，與相應(yīng)的等壓線重合；過熱蒸氣區(qū)為向右下方彎曲的傾斜線；

等比熵線—向右上方傾斜的實(shí)線；

等比體積線—向右上方傾斜的虛線，比等比熵線平坦；

等干度線—只存在于兩相區(qū)內(nèi)，與相界線的走向有相似趨勢(shì)。

2．溫度－比熵圖溫度－比熵圖簡稱溫－熵圖，即T－s圖，是以溫度為縱坐標(biāo)、以比熵值為橫坐標(biāo)的制冷劑熱力狀態(tài)圖。溫度－比熵圖的結(jié)構(gòu)及各狀態(tài)參數(shù)的等值線簇形狀如圖3－6所示。第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)圖3－6溫度－比熵圖第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

三、理論循環(huán)

1．理論循環(huán)的假定

理論循環(huán)基于以下假定：

(1)高溫?zé)釁R和低溫?zé)嵩吹臏囟萒H、TL恒定，且制冷劑在相變(冷凝、蒸發(fā))過程中與熱源(匯)之間沒有傳熱溫差，即冷凝溫度Tk=TH，蒸發(fā)溫度T0=TL；

(2)制冷劑出蒸發(fā)器的狀態(tài)為飽和蒸氣，出冷凝器的狀態(tài)為飽和液體；

(3)制冷劑除在壓縮機(jī)和膨脹閥處發(fā)生壓力的升降外，在整個(gè)循環(huán)的其他流動(dòng)過程中沒有流動(dòng)壓力損失；

(4)除兩個(gè)熱交換器(冷凝器和蒸發(fā)器)外，制冷劑在整個(gè)循環(huán)的其他流動(dòng)過程中與外界不發(fā)生熱交換；第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

(5)壓縮過程為等熵壓縮。

2．理論循環(huán)在狀態(tài)圖上的描述按以上假定，理論循環(huán)由兩個(gè)等壓過程、一個(gè)等熵壓縮過程和一個(gè)絕熱節(jié)流過程組成。圖3－7示出理論循環(huán)在狀態(tài)圖上的描述。對(duì)照?qǐng)D3－7，循環(huán)中各特征狀態(tài)和各過程說明如下：

點(diǎn)l代表制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)的狀態(tài)，它是對(duì)應(yīng)于蒸發(fā)溫度(壓力)下的飽和蒸氣。點(diǎn)1位于p0等壓線(或T0等溫線)與飽和蒸氣線(等干度線x=1)的交點(diǎn)上。

點(diǎn)2表示經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后排出的制冷劑狀態(tài)，也是制冷劑在冷凝器入口處的狀態(tài)。過程線1－2表示制冷劑氣體在壓縮機(jī)中的等熵壓縮過程，有s1=s2。所以點(diǎn)2位于等熵線s1第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)圖3－7理論循環(huán)在狀態(tài)圖上的描述第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

與等壓線pk的交點(diǎn)上。大多數(shù)制冷劑飽和蒸氣經(jīng)等熵壓縮后成為過熱蒸氣，點(diǎn)2為過熱蒸氣狀態(tài)。

點(diǎn)3表示制冷劑在冷凝器出口處的狀態(tài)，也是制冷劑節(jié)流前的狀態(tài)。點(diǎn)3為飽和液體狀態(tài)。冷凝器中的過程2－2'－3是定壓過程，過程2－2'表示過熱蒸氣定壓冷卻到飽和蒸氣的過程；過程2'－3表示從飽和蒸氣定壓凝結(jié)到飽和液體的過程。點(diǎn)2'位于等壓線pk與等干度線x=1的交點(diǎn)上；點(diǎn)3位于等壓線pk與等干度線x=0的交點(diǎn)上。

點(diǎn)4表示節(jié)流后的制冷劑狀態(tài)，也是制冷劑在蒸發(fā)器入口處的狀態(tài)。點(diǎn)4為低壓兩相狀態(tài)。因?yàn)楣?jié)流過程是絕熱的，所以h3=h4；節(jié)流后壓力達(dá)到蒸發(fā)壓力，點(diǎn)4位于p0等壓線與h3等焓線的交點(diǎn)上。第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

過程4－1表示發(fā)生在蒸發(fā)器中的定壓蒸發(fā)過程。至此，完成一個(gè)理論循環(huán)過程。

3．理論循環(huán)特性用循環(huán)特性指標(biāo)反映單位質(zhì)量(1kg)制冷劑和單位體積(以壓縮機(jī)吸入狀態(tài)計(jì)1m3)制冷劑完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，各個(gè)過程中的功與熱量的轉(zhuǎn)換與變化。循環(huán)特性還包括循環(huán)中的一些重要特征參數(shù)。理論循環(huán)的特性指標(biāo)如下：

(1)單位質(zhì)量制冷量q0(簡稱單位制冷量)

表示1kg制冷劑完成循環(huán)時(shí)從低溫?zé)嵩此盏臒崃俊Ｈ≌舭l(fā)器為隔離體，它等于制冷劑在蒸發(fā)器出口處與入口處的比焓之差，即

kJ/kg(3－13)第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

(2)單位容積制冷量qZV

表示以壓縮機(jī)吸入狀態(tài)計(jì)，單位體積(1m3)制冷劑完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，從低溫?zé)嵩此盏臒崃浚?/p>

kJ/m3(3－l4)

式中：v1—為狀態(tài)點(diǎn)1的比體積。

(3)比功w

表示1kg制冷劑完成循環(huán)時(shí)所消耗的壓縮功(技術(shù)功)。它等于制冷劑在壓縮機(jī)吸入與排出口處的比焓之差，即

kJ/kg(3－15)

(4)容積比功wV

表示以壓縮機(jī)吸入狀態(tài)計(jì)，單位體積(1m3)制冷劑完成一個(gè)循環(huán)所消耗的壓縮功(技術(shù)功)，即第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

kJ/m3

(3－16)

(5)單位冷凝熱負(fù)荷qk

表示1kg制冷劑完成循環(huán)時(shí)向高溫?zé)釁R所排放的熱量。它等于制冷劑在冷凝器出口處與入口處的比焓之差，即

kJ/kg(3－17)

(6)壓力比π

循環(huán)中壓縮機(jī)的排氣壓力與吸氣壓力之比，即

(3－18)

(7)排氣溫度T2

制冷劑氣體壓縮終了的溫度。

(8)循環(huán)的性能系數(shù)COP(3－19)第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

(9)循環(huán)效率(熱力完善度)(3－20)

制冷機(jī)的性能主要用制冷機(jī)的制冷量φ0、壓縮機(jī)消耗功率P和制冷機(jī)性能系數(shù)COP反映。設(shè)壓縮機(jī)的理論輸氣量為qvh(m3/s)，理論循環(huán)的制冷機(jī)性能計(jì)算如下：

(1)制冷劑的循環(huán)質(zhì)量(循環(huán)中的質(zhì)量流量)

kg/s(3－21)(2)制冷量

kW(3－22)(3)壓縮機(jī)功率

kW(3－23)第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

(4)制冷機(jī)性能系數(shù)

(3－24)4．理論循環(huán)的意義在構(gòu)造理論循環(huán)時(shí)做了一系列的理想化假定，那么理論循環(huán)是否是可逆循環(huán)呢？我們將圖3－7b與圖3－2放到一起來比較，如圖3－8所示。可以看出，理論循環(huán)假定中排除了蒸發(fā)器中相變傳熱的不可逆、壓縮過程的不可逆和冷凝器中相變傳熱部分的不可逆，但仍存在兩部分的不可逆損失：一是冷凝器中過熱氣非相變傳熱部分存在傳熱溫差；二是絕熱節(jié)流過程為不可逆過程。這兩部分的不可逆損失如圖中陰影所示。所以，理論循環(huán)并非可逆循環(huán)。第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)圖3－8理論循環(huán)與可逆循環(huán)的比較第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

盡管如此，理論循環(huán)是針對(duì)蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)部件組成條件下的理想化循環(huán)，它已最大限度地排除了機(jī)器設(shè)備(壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器)本身的不完備因素，所以在給定熱源和熱匯溫度情況下，理論循環(huán)是蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的基準(zhǔn)。理論循環(huán)特性與熱源(匯)溫度有關(guān)，與制冷劑的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)熱源和熱匯溫度給定或冷凝溫度和蒸發(fā)溫度給定時(shí)，理論循環(huán)在制冷劑的狀態(tài)圖上就唯一地確定下來，各種制冷劑有各自確定的狀態(tài)圖，所以，在相同Tk、T0條件下，理論循環(huán)特性唯一地取決于制冷劑的熱力性質(zhì)。第二節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的理論循環(huán)

綜上所述，理論循環(huán)的作用和意義在于：

(1)它是實(shí)際循環(huán)的基準(zhǔn)和參照，用于分析研究實(shí)際循環(huán)的各種不完善因素和應(yīng)做出的改進(jìn)。

(2)用于評(píng)價(jià)制冷劑。相同Tk、T0條件下，通過不同制冷劑的理論循環(huán)特性比較，可以評(píng)價(jià)它們?cè)跓崃π再|(zhì)方面的適宜程度。

表3－1給出一些制冷劑在30℃/－15℃時(shí)的理論循環(huán)特性。運(yùn)用某種制冷劑時(shí)，通過pk、p0反映系統(tǒng)內(nèi)的壓力水準(zhǔn)；通過壓力比、壓力差和排氣溫度，了解壓縮機(jī)的工作條件；用q0和qZV反映其制冷能力；COP反映循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。這樣，對(duì)于某種特定的制冷要求，流體物質(zhì)是否適宜用作制冷劑，及其作制冷劑時(shí)的長處與短處便一目了然。第三節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷

的實(shí)際循環(huán)內(nèi)容提要一、實(shí)際循環(huán)二、各種實(shí)際因素對(duì)循環(huán)的影響三、單級(jí)蒸氣壓縮式制冷機(jī)的熱力計(jì)算四、單級(jí)蒸氣壓縮式制冷機(jī)的變工況特性第三節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)

一、實(shí)際循環(huán)就循環(huán)的外部條件而言，低溫?zé)嵩春透邷責(zé)釁R均為有限源(匯)，它們是有限流量的空氣、水或其他流體。冷卻流體流過冷凝器時(shí)吸收制冷劑的排熱，其溫度要升高；被冷卻流體流過蒸發(fā)器時(shí)其溫度要降低；它們與制冷劑發(fā)生熱交換時(shí)，必然有傳熱溫差。就循環(huán)的內(nèi)部條件而言，制冷劑出蒸發(fā)器和進(jìn)入壓縮機(jī)的狀態(tài)未必恰好是飽和蒸氣往往有一定的過熱；制冷劑在膨脹閥前的狀態(tài)也未必恰好是飽和液體；制冷劑在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，經(jīng)過設(shè)備的連接管道(包括管件、閥門等)、熱交換器管道時(shí)均存在流動(dòng)阻力，造成壓力損失，并且通過管道與外界存在熱交換。另外，壓縮機(jī)的實(shí)際壓縮過程也存在不可逆損失。第三節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)

考慮以上各種實(shí)際因素，實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的比較如圖3－9所示。比較中忽略了熱源和熱匯的溫度變化，仍視之為恒溫?zé)嵩春蜔釁R。實(shí)際循環(huán)詳述如下。由于相變傳熱部分存在傳熱溫差，所以制冷劑的蒸發(fā)過程線位于理論循環(huán)的蒸發(fā)過程線下方；制冷劑的冷凝過程線位于理論循環(huán)的冷凝過程線上方。

4－0－1a表示制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程，因在蒸發(fā)器中的流動(dòng)阻力損失，蒸發(fā)過程溫度和壓力均有所下降。另外，制冷劑出蒸發(fā)器時(shí)蒸氣稍有過熱(狀態(tài)點(diǎn)1a)。

1a－1b－1表示制冷劑氣體出蒸發(fā)器后經(jīng)吸氣管、壓縮機(jī)吸氣腔、吸氣閥和氣缸時(shí)的壓降和溫升，在圖上將該過程分解為等壓過熱(1a－1b)和等比焓降壓(1b－1)兩部分。第三節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)圖3－9實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的比較第三節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)

點(diǎn)1表示制冷劑氣體開始?jí)嚎s的狀態(tài)。壓縮過程初期，氣體溫度較低，被氣缸壁加熱，為吸熱的壓縮過程，比熵增加；隨著壓縮過程的進(jìn)行，氣體溫度逐漸升高到高于氣缸壁溫度，氣體又向氣缸壁散熱，這階段為放熱的壓縮過程，比熵減小。所以，整個(gè)壓縮過程中先是比熵增加，后是比熵減小，用1－2表示。點(diǎn)2代表壓縮終了狀態(tài)。高壓氣體經(jīng)排氣閥、排氣腔到排氣管的流動(dòng)過程存在壓降，用2－2a表示。

2a－3表示高壓氣體在排氣管和冷凝器中的冷卻－凝結(jié)過程。該過程伴隨有流動(dòng)阻力引起的壓力降，且過程終了高壓液體有一定的過冷(狀態(tài)點(diǎn)3)。第三節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)

3－4表示高壓液體的節(jié)流過程。由于制冷劑經(jīng)膨脹閥時(shí)流速很快，來不及換熱，仍視為絕熱節(jié)流，故點(diǎn)3與點(diǎn)4的比焓相等。第三節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)

二、各種實(shí)際因素對(duì)循環(huán)的影響

1．高壓液體過冷的影響

制冷劑液體的溫度若低于它所處壓力下的飽和溫度，則稱為過冷液體。過冷液體溫度與其飽和溫度之間的差值稱過冷度。以理論循環(huán)作為比較基準(zhǔn)，若節(jié)流前的高壓液體處于過冷狀態(tài)，過冷對(duì)循環(huán)的影響可以由圖3－10分析得出。圖中1－2－3－4－1是理論循環(huán)，1－2－3'－4'－1是高壓液體有過冷的循環(huán)。節(jié)流前過冷的高壓液體狀態(tài)點(diǎn)為3'，其過冷度為

(3－25)

過冷液體的比焓比飽和液體的比焓有所降低，降低值為第三節(jié)單級(jí)蒸氣壓縮式制冷的實(shí)際循環(huán)圖3－10高壓液體有過冷的循環(huán)