蒸气压缩制冷循环详解

蒸气压缩制冷循环实现了制冷剂气、液两相交替变化。若保持冷凝压力和蒸发压力恒定，可使冷凝温度和蒸发温度也不变，因而在理论上可实现逆卡诺循环，以取得较高的制冷系数。制冷剂在相变时具有较大的比汽化潜热值，使单位质量制冷剂的制冷量较大，使制冷装置的结构较紧凑。这是蒸气压缩制冷循环得到广泛应用的原因。

一、蒸气压缩制冷的理想循环

图12-1是蒸气压缩制冷循环的设备示意图。这个装置主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四大部件组成。循环的过程如下：

1—2为制冷剂在压缩机中的绝热压缩过程，消耗外界的比轴功为w C＝h2－h1。

2—3为制冷剂在冷凝器中的定压放热过程，先由过热蒸气在定压下冷却为干饱和蒸气，再由干饱和蒸气在定压定温下凝结为饱和液体。单位质量制冷剂放热量为q1＝h2－h3，在T-s图上可用面积23da2来表示。3—4为制冷剂在膨胀阀中的绝热节流过程，制冷剂的压力和温度都急速下降，绝热节流过程是非准静态过程，在T-s图上用虚线表示，节流前后比焓相等，即h3＝h4.

4—1为制冷剂在蒸发器中的定压定温汽化过程，制冷剂由湿蒸气变为干饱和蒸气。这个过程中产生制冷效果，单位质量制冷剂吸热量为q2＝h1－h4，在T-s图上用面积41ac4表示。这种在T-s图上用12341表示的制冷循环，由于没有考虑到在压缩机、冷凝器和蒸发器中实际过程的不可逆性，所以称为“蒸气压缩制冷的理想循环”。循环中，单位质量制冷剂吸热量为

q2＝h1－h4

该循环消耗外界的比净功就是压缩机消耗的比轴功，即

w＝wc＝h2－h1

因为这一理想循环12341并不全是由可逆过程所组成，其中在膨胀阀中的绝热节流过程3—4为非准静态过程，所以循环的比净功w不能用T-s图上循环12341所包围的面积表示。根据热力学第一定律，对循环有

w＝q1－q2＝面积23da2－面积41ac4＝面积1234′1＋面积4′4cd4

因为h3＝h4，所以h3－h5＝h4－h5，即面积53de5＝面积54ce5，于是有面积534′5＝面积4′4cd4′，因此，比净功w应以面积12351表示，即

w＝面积1234′1＋面积534′5＝面积12351

该蒸气压缩制冷理想循环的制冷系数为

图12-1 蒸气压缩制冷循环

由图12-1，用实际的节流过程3—4替代理想的绝热膨胀过程3—4′，制冷量减小了面积4′4cd4′，耗功还增加了面积34′53。实际工程中用“干压”（压缩机吸入的是干饱和蒸气或过热蒸气）代替逆卡诺循环的“湿压”（压缩机吸入的是湿蒸气，由于湿蒸气中的液体的不可压缩性，容易造成液滴的猛烈撞击，以致损伤压缩机），所增加的制冷量1ab1′1与所增加耗功122″1′12之比明显小于原逆卡诺循环制冷系数。所以，蒸气压缩制冷理想循环的制冷系数ε较逆卡诺循环的制冷系数εc有显著的降低。

二、制冷剂及其p-h图

1.对制冷剂的热力学要求

（1）在标准大气压下制冷剂的饱和温度（沸点）要低，一般应低于﹣10℃

（2）蒸发温度所对应的饱和压力不应过低，以稍高于大气压力最为适宜，可以防止空气漏入系统。冷凝温度所对应的饱和压力不宜过高，以降低对设备耐压和密封的要求。

（3）在工作温度（蒸发温度和冷凝温度）范围内，汽化潜热要大，以便使单位工质有较大的制冷能力。

（4）制冷剂在T-s图上的上下界限线都要陡峭，以便冷凝过程更加接近定温放热过程。下界线陡削表明液态的cp小，这样可以减少绝热节流引起的制冷能力的下降。

（5）临界温度应远高于环境温度，使循环不在临界点附近运行，而运行于具有较大汽化潜热的范围之内。

（6）凝固点要低，以免在低温下凝固阻塞管路。而且饱和蒸气的比体积要小，以减少设备的体积。

此外，并要求制冷剂传热性能良好、溶油性好、化学性质稳定、无腐蚀作用、不可燃、无毒、泄漏易被检测和价廉等，并特别要求对环境及生态没有伤害，如氟利昂产品，特别是R12，严重破坏大气同温层中的臭氧层，已在全世界范围内禁用。

2.制冷剂的p-h图

用T-s图来分析蒸气压缩制冷循环时，有关耗功和制冷量、冷凝放热量都用相应的面积来表示。用面积来进行对比，较为形象，但用来进行分析计算，却很不方便。下面介绍制冷剂的p-h图。它是以logp为纵坐标，以h为横坐标的半对数坐标图。在该图上蒸气压缩制冷循环的有关功量和热量都可用横坐标上相应线段的长度来表示。因而在制冷工程上用各种制冷剂的p-h图来进行分析计算得到了广泛的应用。

12-2 制冷剂p-h图的结构示意图

图12-2为制冷剂p-h图的结构示意图。图中除绘有饱和液体线（x＝0）、饱和蒸气线（x＝1）和临界点C之外，还绘有四组定参数线：定干度线、定温线、定熵线和定比体积线。

图12-3为蒸气压缩制冷理想循环的p-h图。图中：1—2为制冷剂在压缩机中的绝热压缩过程，w C＝h2－h1可用图中点1和点2之间的水平距离表示；2—3为制冷剂在冷凝器中的定压放热过程，q1＝h2－h3，可用图中线段2—3的水平距离表示；3—4为制冷剂在膨胀阀中的绝热节流过程，其焓值不变，h3＝h4，在图中为垂直线；4—1为制冷剂在蒸发器中的定压定温气化过程，q2＝h1－h4，可用图中线段4—1的水平距离表示。

三、影响制冷系数ε的主要因素

1.蒸发温度

图12-3 蒸汽压缩制冷循环在p-h图上的表示

如图12-4所示，原循环为12341，当冷凝压力不变，把蒸发温度由T4提高到T4′，构成新的循环1′2′34′1′，原循环的制冷系数为

新循环的制冷系数为(www.xing528.com)

由图可见，h1′－h4′＞h1－h4，h2′－h1′＜h2－h1，显然ε′＞ε。蒸发温度主要取决于制冷对象的温度要求，不能随意变动，但在制冷对象允许情况下，取较高的蒸发温度有利于提高循环的制冷系数。一般蒸发温度比冷库温度低5～7℃，以保证传热需要。

2.冷凝温度

如图12-5所示，原循环12341，若蒸发温度不变，降低冷凝温度，则循环变为12′3′4′1。原循环的制冷系数为

新循环12′3′4′1的制冷系数为

由图可见，h1－h4′＞h1－h4，h2′－h1＜h2－h1，显然ε′＞ε。冷凝温度取决于冷却介质（大气或冷却水等）的温度，不能随意变动。但在允许选择冷却介质的温度时，比如冰箱、冰柜，从提高制冷系数出发，应放置在房间温度较低的地方。一般冷凝温度要高于冷却介质温度5～7℃，以保证必要的传热温差。

图12-4 蒸发温度对制冷系数的影响

图12-5 冷凝温度对制冷系数的影响

3.过冷度

如图12-6所示，原循环12341中进入膨胀阀的为饱和液体，若使进入膨胀阀的制冷剂液体为过冷液体，而其他条件不变时，则循环变为123′4′1。由图可见，在这两种循环中，压缩机消耗的比轴功相等，均为（h2－h1）；而新循环的比制冷量比原循环增加了（h4－h4′）。因此，新循环比原循环的制冷系数大，而且过冷度越大，制冷系数增加越多。制冷剂液体离开冷凝器的温度取决于冷却介质的温度，过冷度一般很小。多数制冷装置专设一回热器，使从冷凝器出来的制冷剂液体通过回热器进一步冷却，增大过冷度。回热器的冷却介质通常为离开蒸发器的低温低压蒸气。

图12-6 过冷度对制冷系数的影响

例12-1 以R22为制冷剂的制冷装置，其p-h图见图12-7，制冷剂的蒸发温度t4＝﹣20℃，压缩机的吸气温度t1＝﹣20 ℃，冷凝温度t3＝20 ℃，试求该循环的制冷系数。

解 由附图3的p-h图上找出给定的各点，并查出各点的焓值如下：

h1＝397.469kJ/kg h2＝433.0kJ/kg h3＝h4＝224.084kJ/kg

1kg制冷剂在一个循环中的制冷量为

q2＝h1－h4＝397.469－224.084 ＝173.385kJ/kg

1kg制冷剂在一个循环中所消耗的功为

w ＝h2－h1＝433.0－397.469＝35.53kJ/kg

所以，制冷系数为

例12-2 以HFC134a为制冷剂的制冷装置，其制冷量Q＝41686kJ/h。如图12-8所示，制冷循环的工作条件是：冷凝温度为30℃，过冷度Δt＝5℃，蒸发温度为﹣15℃，压缩机的吸气温度t1＝﹣5。℃，试求：（1）单位质量制冷量；（2）每小时的循环量qm；（3）制冷剂在冷凝器中每小时的放热量Q1；（4）压缩机每小时消耗的理论功W和功率N；（5）制冷系数ε。

图12-7 例12-1用

解根据给定条件在p-h图上画出制冷循环示意图，见图12-8。由图中查出各点的焓值为

图12-8 例12-2用

h1＝396kJ/kg，h2＝435kJ/kg，h3＝h4＝234kJ/kg

（1）单位质量制冷量为

q2＝h1－h4＝396－234.0＝162kJ/kg

（2）每小时制冷剂的循环量为

（3）制冷剂每小时在冷凝器中的放热量为

（4）压缩机每小时消耗的理论功W和功率N分别为

（5）制冷系数为

四、单级压缩双蒸发器的制冷循环

船舶制冷装置往往需要用一台压缩机同时保持肉库（﹣15℃左右）和菜库（5℃左右）的低温。图12-9所示是具有一台压缩机和两个蒸发器的制冷系统。其相应的T-s图及p-h图如图12-10所示。

图12-9 单级压缩双蒸发器制冷系统

菜库中的蒸发器叫做高压蒸发器，肉库中的蒸发器叫做低压蒸发器。每个蒸发器前各有一个膨胀阀，以便制冷剂节流降压降温并自动控制制冷剂的流量。低压蒸发器的蒸发压力由压缩机的吸入压力来控制；高压蒸发器的蒸发压力由蒸发器后面的背压阀来控制，使之具有较高的蒸发温度。装置的其余部分与前述单级压缩制冷装置相同。

图12-10单级压缩双蒸发器制冷系统T-s图及p-h图