制冷原理与技术

简述制冷原理

(一)简单单级蒸气压缩式制冷 的理论循环计算制 冷 原 理 与 技 术 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

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制 冷 原 理 与 技 术

(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 (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

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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 ：

制 冷 原 理 与 技 术

q h w

(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。

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(1)压缩过程: dw=dh

dq=0,因而 (2-3) d w= 0 (2-4)

w=h2-h1

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(2)冷凝过程： d q= d h

qk=h2-h4

(3) 节流过程： w=0 q=0 Δ h=0 h4=h5 (4)蒸发过程： dq=dh dw=0因而

(2-5)

q0=h1-h5=h1-h4

(2-6)

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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。 (1)单位制冷量q0 压缩蒸气制冷循环单位制冷量可按式(26)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：

q0 r0 ( 1 x5 )

(2-7)

由式(3-7)可知，制冷剂的汽化潜热越 大，或节流所形成的蒸气越少(x5越小) 则循环的单位制冷量就越大。

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(2)单位容积制冷量qv

q0 h1 h4 qv v1 v1

(2-8)

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(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

w0 h2 h1

(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。

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(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

制 冷 原 理 与 技 术

qk h2 h3 h3 h4 h2 h4

(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

q k q0 w0

(2-11)

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(5)制冷系数 0制 冷 原 理 与 技 术对于单级压缩蒸气制冷

机理论循环， 制冷系数为

q 0 h1 h4 0 w0 h2 h1制冷系数愈大 冷凝温度越高 蒸发温度越低 制冷系数越小

(2-12)

经济性愈好

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(6)热力完善度制 冷 原 理 与 技 术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

0 h1 h4 T4 T0 c h2 h1 T0

(2-13)

这里ε 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。

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(二)液体过冷、气体过热及回热对 理想循环性能的影响制 冷 原 理 与 技 术

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。

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1. 液体过冷 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。 带有过冷的循环，叫做过冷循环。

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采用液体过冷对提高制冷量和制冷系数 都是有利的

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图2-17

过冷循环在T-s图(a)和lgp-h图(b)上的表示

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

q0 h5 h5 h4 h4

(2-14)

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在图2-17(a)中， q0以面积5‘-5b-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 比无过冷循环的制冷系数 要大。

h1 h4 h4 h4 h2 h1

c t 0 h2 h1

(2-15)

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2.吸入蒸气的过热制 冷 原 理 与 技 术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。

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图2-18过热循环在T-s图(a)和lgp-h图(b)上的表示

q0 h1' h1

(2-16)

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w0 ( h2' h1' ) ( h2 h1 )制 冷 原 理 与 技 术

(2-17)

有效过热循环的制冷系数可表示为

q q0 q0 w w0 w0' 0

(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(2-17),得

w0 0

(2-19)

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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。

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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

h4 h4 h1 h1

(2-20)

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图2-21 回热循环在T-s图(a)和lgp-h图(b)上的表示

c t k t4 c p0 t1 t0

(2-21)

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由式(2-21)可以求出

制 冷 原 理 与 技 术

t 4 t k

c p0 c

t1 t 0

(2-22)

回热循环的性能指标如下： 单位制冷量单位容积制冷量

q' 0 h1 h4 h1 h4

(2-23)

q' 0 q' v v1'

(2-24)

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单位功

w' h2 h1 制 冷 原 理 与 技 术制冷系数

(2-25)

q' 0 h1 h4 ' w' h2 h1

(2-26)

由图(2-21)可知，与无回热循环1-23-4-5-1相比较，回热循环的单位制冷 量增大了

q0 h4 h4 h1 h1 c p0 t R (2-27)

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但单位功也增大了制 冷 原 理 与 技 术

w0 w' w0 ( h2 h1 ) ( h2 h1 )

(2-28)

q' 0 q0 c p0 t R循环的单位功可近似地表示成

t R T1 w' w0 w0 1 T0 T0

(2-29)