第1章 蒸氣壓縮式制冷的熱力學(xué)原理

1、第4章 制冷技術(shù)第一節(jié) 蒸氣壓縮式制冷的熱力學(xué)原理1、蒸氣壓縮式制冷的工作原理任何液體在沸騰過程中將要吸收熱量，液體的沸騰溫度（即飽和溫度）和吸熱量隨液體所處的壓力而變化，壓力越低，沸騰溫度也越低。而且不同液體的飽和壓力、沸騰溫度和吸熱量也各不相同。只要根據(jù)所用制冷液體（稱制冷劑）的熱力性質(zhì)，創(chuàng)造一定的壓力條件，就可以在一定范圍內(nèi)獲得所要求的低溫。要實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)必須要有一定的設(shè)備，而且要以消耗能量作為補(bǔ)償。蒸氣壓縮式制冷循環(huán)就是用壓縮機(jī)等設(shè)備，以消耗機(jī)械功作為補(bǔ)償，對(duì)制冷劑的狀態(tài)進(jìn)行循環(huán)變化，從而使用冷場(chǎng)合獲得連續(xù)和穩(wěn)定的冷量及低溫。研究蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的主要目的，是為了分析影響制冷循環(huán)的各

2、種因素，尋求節(jié)省制冷能耗的途徑。2、 理想制冷循環(huán)逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)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?。逆向循環(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。逆卡諾循環(huán)由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱（等熵）過程組成，是一種理想循環(huán)。逆卡諾循環(huán)是可逆的理想制冷循環(huán)，它不考慮工質(zhì)在流動(dòng)和狀態(tài)變化過程中的內(nèi)部和外部不可逆損失。雖然逆卡諾循環(huán)無法實(shí)現(xiàn)，但是通過該循環(huán)的分析所得出的結(jié)論對(duì)實(shí)際制冷循環(huán)具有重要的指導(dǎo)意義。3、逆卡諾循環(huán)必須具備的條件利用液體氣化制冷的逆卡諾循環(huán)必須具備的條件是：高

3、、低溫?zé)嵩礈囟群愣?；工質(zhì)在冷凝器和蒸發(fā)器中與外界熱源之間無傳熱溫差；工質(zhì)在流經(jīng)各個(gè)設(shè)備時(shí)無內(nèi)部不可逆損失；膨脹機(jī)輸出的功為壓縮機(jī)所利用。作為實(shí)現(xiàn)逆卡諾循環(huán)的必要設(shè)備是壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹機(jī)和蒸發(fā)器。4制冷系數(shù)制冷循環(huán)常用制冷系數(shù)表示它的循環(huán)經(jīng)濟(jì)性能，制冷系數(shù)等于單位耗功量所制得的冷量。對(duì)于逆卡諾循環(huán)而言： 從公式可知，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅與高、低溫?zé)嵩礈囟扔嘘P(guān)，而與制冷劑的熱物理性能無關(guān)。當(dāng)升高，降低時(shí)，增大，這意味著單位耗功量所能制取的冷量增加，提高了制冷循環(huán)的節(jié)能型和經(jīng)濟(jì)性。與對(duì)制冷系數(shù)的影響是不等價(jià)的，的影響大于。同時(shí)，也意味著要實(shí)現(xiàn)溫度較低的制冷具有更高的難度。由于逆卡諾循環(huán)不考慮各

4、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，所以，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。5、具有傳熱溫差的逆向可逆循環(huán)具有傳熱溫差的制冷系數(shù)，總小于相同熱源溫度時(shí)的逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)，而且隨傳熱溫差和的增大而降低。1.1.4熱泵的應(yīng)用逆向循環(huán)以耗功作補(bǔ)償，通過制冷劑的循環(huán)把從低溫?zé)嵩粗形盏臒崃浚粗评淞浚┖秃墓α恳黄鹪诟邷責(zé)嵩捶懦?。因此，逆向循環(huán)可以用來制冷，也可以用來制冷，或者冷熱共同使用。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

5、環(huán)中已作了介紹，1kg制冷劑在每次循環(huán)中向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃繛?(kJ/kg)則進(jìn)行逆卡諾循環(huán)的熱泵供熱系數(shù)為 （1.4）公式（）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。因此，熱泵供熱肯定比直接用電供熱耗省能，它是一種省能的供熱方法，目前，它的研究和發(fā)展正日益受到重視。但是，必須指出，熱泵的供熱系數(shù)和制冷系數(shù)有關(guān)，而制冷系數(shù)的大小隨高、低溫?zé)嵩礈囟龋瑐鳠釡夭畹茸兓?。?dāng)高、低溫?zé)嵩礈夭罨騻鳠釡夭钤龃髸r(shí)，制冷系數(shù)下降，熱泵供熱系數(shù)也相應(yīng)降低。因此，熱泵供熱雖然比直接電熱省能，但是否比其他供熱方法（如燃料的直接燃燒、蒸氣供熱等）省能和經(jīng)濟(jì)，還應(yīng)根據(jù)提供熱泵運(yùn)行的具體條

6、件進(jìn)行分析和比較，才能得出最后結(jié)論。目前，在我國(guó)，熱泵供熱主要在中、小型空調(diào)器上使用，在冬季為室內(nèi)采暖提供熱量，而大型熱泵以及提高供熱溫度的熱泵裝置尚在研究階段。6、蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)理論制冷循環(huán)不同于逆卡諾循環(huán)之處是：（1）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；（2）制冷劑用膨脹閥絕熱節(jié)流，而不是用膨脹機(jī)絕熱膨脹；（3）壓縮機(jī)吸入飽和蒸氣而不是濕蒸氣。用膨脹閥代替膨脹機(jī)后的節(jié)流損失：不但增加了制冷循環(huán)的耗功量，還損失了制冷量。這兩部分損失必然使制冷系數(shù)和熱力完善度有所下降。用干壓縮代替濕壓縮后的過熱損失：在蒸氣壓縮式制冷循環(huán)中，要實(shí)現(xiàn)等溫冷凝或等溫蒸發(fā)過程，只有在濕蒸

7、氣區(qū)才有可能進(jìn)行，因此，壓縮機(jī)必然吸入濕蒸氣。但是，在制冷壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，若氣缸吸入濕蒸氣，會(huì)因其中的液體而引起液擊（即沖缸）現(xiàn)象，損壞壓縮機(jī)的閥片和其它零部件。另外，過量的液體制冷劑進(jìn)入氣缸后，會(huì)與熱的氣缸壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱交換而迅速氣化，占有氣缸容積，使壓縮機(jī)的吸氣量減少，制冷量下降。為了避免產(chǎn)生上述現(xiàn)象，壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中一定要吸入飽和蒸氣或者過熱蒸氣。對(duì)于大多數(shù)制冷劑，采用用干壓縮后，引起制冷系數(shù)和熱力完善度的降低。過熱損失和節(jié)流損失一樣，不但與制冷循環(huán)工況有關(guān)，而且與制冷劑的物理性質(zhì)也有關(guān)。1.2.2 理論循環(huán)在lgPh圖上的表示在分析壓縮式制冷循環(huán)時(shí)使用了制冷劑的溫熵圖（即TS圖）

8、，因?yàn)闇仂貓D中熱力過程線下面的面積表示該過程中傳遞的熱量，十分直觀，便于分析比較。在制冷循環(huán)的熱力計(jì)算中，通常用制冷劑的lgPh圖。該圖以制冷劑的比焓值h作橫坐標(biāo)，壓力P做縱坐標(biāo)，查閱更為方便（見圖1.）。為了縮小圖面，縱坐標(biāo)P采用lgP分格（注意，從圖上查得的數(shù)值仍為絕對(duì)壓力值，而不是壓力的對(duì)數(shù)值）。圖中的c點(diǎn)為制冷劑的臨界狀態(tài)，c點(diǎn)左側(cè)的粗實(shí)線為各個(gè)壓力下的飽和液體線，該線上任何點(diǎn)的干度x=0。c點(diǎn)右側(cè)的粗實(shí)線為各個(gè)壓力下的飽和蒸氣線（或稱干飽和蒸氣線），該線上任何點(diǎn)的干度x=1。這兩條飽和線將圖面分成三個(gè)區(qū)域，飽和液體線的左側(cè)為過冷液體區(qū)（液體溫度低于同壓力下的飽和溫度），飽和蒸氣線的右

9、側(cè)為過熱蒸氣區(qū)（蒸氣溫度高于同壓力下的飽和溫度），兩條飽和線之間為濕蒸氣區(qū)，制冷劑在濕蒸氣區(qū)域內(nèi)處于氣液兩相混合狀態(tài)，它的溫度等于所處壓力下的飽和溫度，各點(diǎn)的x值反映了濕蒸氣在該狀態(tài)下蒸氣含量的百分比。圖1.9 制冷劑的lgPh圖lgPh圖中繪出了六種等狀態(tài)線簇，即等壓、等焓、等溫、等比容、等熵和等干度線。其中，等壓線和等比焓線是最簡(jiǎn)單的，分別為水平線和垂直線。純物質(zhì)的等溫線在兩相區(qū)為水平線，在過冷液體區(qū)為略向左上方延伸的上凹曲線，非常接近于垂直線。這是因?yàn)閴毫?duì)過冷液體比焓值的影響很小的緣故。有些圖在該區(qū)域沒有標(biāo)出等溫線，這時(shí)就用垂直線代替，不會(huì)導(dǎo)致很大的誤差。在過熱蒸氣區(qū)，等溫線是向右下方

10、延伸的下凹曲線。溫度較高的等溫線在壓力較低也接近于垂直線，這是因?yàn)榇藭r(shí)的制冷劑氣體已接近于理想氣體，因而比焓值與壓力無關(guān)。在過熱蒸氣區(qū)，等比體積線和等比熵線都是向右上方延伸的下凹曲線，但等比熵線的斜率比等體積線大。利用壓焓圖查取熱力學(xué)參數(shù)是很方便的，線簇的詳細(xì)分布和具體數(shù)值可參閱各制冷劑的lgPh圖。圖1.10 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)在T-S圖上的表示 圖1.11 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)在lgPh圖上的表示蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)在lgPh圖上的表示見圖1.11。12為絕熱壓縮過程，23為等壓冷凝過程，34為絕熱節(jié)流過程，41為等壓蒸發(fā)過程。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

11、： （1.5）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： （1.6）按照公式（1.5）和公式（1.6），單擊壓縮蒸氣制冷機(jī)循環(huán)的各個(gè)過程有如下關(guān)系：（1）壓縮過程：因而 （1.7）w稱為單位理論功，在lgPh圖上以橫座標(biāo)軸上的線段的長(zhǎng)度表示。（2）冷凝過程：因而 （1.8）稱為單位冷凝熱，在lgPh圖上以橫座標(biāo)軸上的線段的長(zhǎng)度表示。（3）節(jié)流過程：節(jié)流過程為一不可逆過程，不能用微分符號(hào)表示，但對(duì)整個(gè)節(jié)流過程前后可用積分式表示，即 w=0，q=0因而 （1.9）這就是說節(jié)流過程前后焓值相等，3、4兩點(diǎn)在等焓線上。（4）蒸發(fā)過程：因而 (1.10)稱為單位制冷量，習(xí)慣上取

12、為正值，在lgPh圖上以橫座標(biāo)軸上的線段的長(zhǎng)度表示。1.2.3 性能指標(biāo)為了說明單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)的性能，采用下列一些性能指標(biāo)，這些性能指標(biāo)均可通過循環(huán)各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)計(jì)算出來。1單位制冷量q0壓縮蒸氣制冷循環(huán)單位制冷量可按式（1.10）計(jì)算。單位制冷量也可以表示成汽化熱r0和節(jié)流后的干度x4的函數(shù)： (1.11)由式（1.11）制冷劑的汽化熱越大，或節(jié)流所形成的蒸氣越少，則循環(huán)的單位制冷量就越大。2單位容積制冷量qv （1.12）為了制取一定的制冷量，若選用qv大的制冷劑，則壓縮機(jī)需要提供的輸氣量就小。我們已經(jīng)知道，循環(huán)的單位容積制冷量不僅隨制冷劑的種類而變，而且還隨壓縮機(jī)的吸氣狀態(tài)而

13、變。對(duì)某一具體的制冷劑來說，理論循環(huán)的蒸氣比體積v1隨蒸發(fā)溫度（或蒸發(fā)壓力）的降低而增大，若冷凝溫度已經(jīng)確定，則單位容積制冷量qv將隨蒸發(fā)溫度的降低而變小。3比理論功w0理論循環(huán)中制冷壓縮機(jī)輸送單位（1kg）制冷劑所消耗的功稱為理論比功。由于制冷劑在節(jié)流過程中不作外功，因此，壓縮機(jī)所消耗的理論比功即等于循環(huán)的理論比功。對(duì)于單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)的理論循環(huán)來說，理論比功可表示為： （1.13）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。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 （1.14）比較式（1.

14、10）（1.13）和（1.14）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： （1.15）這和熱力學(xué)第一定律分析循環(huán)時(shí)得出的結(jié)論完全一致。5制冷系數(shù)0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： （1.16）在冷凝溫度和蒸發(fā)溫度給定的情況下，制冷系數(shù)越大，表示循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性越好。由于q0和w0都隨循環(huán)的工作溫度而變，冷凝溫度越高，蒸發(fā)溫度越低，則制冷系數(shù)越小。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： （1.17）這里c為在蒸發(fā)溫度（T0）和冷凝溫度（T4）之間工作的逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)。熱力完善度越大，說明該循環(huán)接近可逆循環(huán)的程度越大。制冷系數(shù)和熱力完善

15、度都是用來評(píng)價(jià)循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)，但是它們的意義是不同的。制冷系數(shù)是隨循環(huán)的工作溫度而變的，因此只能用來評(píng)價(jià)相同熱源溫度下循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性；而對(duì)于在不同溫度下工作的制冷循環(huán)，需要通過熱力完善度的數(shù)值大?。ń咏?的程度）來判斷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。1.2.4 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(jiǎn)單的循環(huán)。在實(shí)用上，根據(jù)實(shí)際條件對(duì)循環(huán)往往要做一些改進(jìn)，以便提高循環(huán)的熱力完善度。如使制冷劑在到達(dá)膨脹閥前已處于過冷狀態(tài)（即液態(tài)制冷劑溫度已低于冷凝溫度），而壓縮機(jī)吸入蒸氣為過熱蒸氣（即吸氣溫度高于蒸發(fā)溫度），液體過冷和吸氣過熱在TS圖上的表示如圖1.12所示。圖1

16、.12 液體過冷和吸氣過熱循環(huán)一、 液體過冷對(duì)制冷循環(huán)的影響在圖1.12中，溫度稱為制冷劑的過冷溫度（或用表示），而（）稱為制冷劑的過冷度。由圖可知，過冷液體節(jié)流比飽和液體節(jié)流增加了制冷量，而且制冷量隨過冷溫度的降低而增加（或者隨過冷度的增加而增加）。采用制冷劑液體過冷能增加制冷量，但并沒有增加壓縮機(jī)的耗功量（在TS圖中，仍為面積），因此，液體過冷能增加循環(huán)的制冷系數(shù)。即： 此外，一定的過冷度還可以防止進(jìn)入節(jié)流裝置前的制冷劑處于兩相狀態(tài)，使節(jié)流機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用中，通常使制冷劑與冷卻介質(zhì)之間按逆流方式傳熱，以及適當(dāng)增加冷凝器的傳熱面積，即能使飽和液體制冷劑達(dá)到一定的過冷度。由于制冷劑在冷

17、凝器中的冷凝和過冷通常采用環(huán)境溫度條件下的水或空氣，因此過冷溫度必然受到這些冷卻介質(zhì)本身溫度和傳熱溫差的限制，它的溫度也不可能太低。在正常情況下，過冷溫度一般比冷凝溫度低5左右，除非流出冷凝器的液態(tài)制冷劑再經(jīng)過冷卻器用冷卻水或深井水冷卻，才能得到更低的過冷溫度。顯然，采用這種過冷方式必須付出一定代價(jià)，目前，空調(diào)制冷系統(tǒng)中一般不采用這種過冷方式，只是在一些大型低溫冷庫的制冷系統(tǒng)中尚能見到。二、 吸氣過熱對(duì)制冷循環(huán)的影響在圖1.12中，溫度為壓縮機(jī)的吸氣過熱溫度，而（）稱為吸氣過熱度。提高壓縮機(jī)的吸氣過熱度能增加制冷量，但是也增加了壓縮機(jī)的耗功量。故吸氣過熱循環(huán)是否能提高制冷系數(shù)，取決于值是否能大

18、于理論循環(huán)的制冷系數(shù)值。若，則過熱循環(huán)能提高制冷系數(shù)，否則將使制冷系數(shù)降低。應(yīng)該指出，上述析中的過熱制冷量是在蒸發(fā)器內(nèi)或安裝于被冷卻空間內(nèi)的吸氣管道上產(chǎn)生的，增加的冷量為有效制冷量，如果是因在被冷卻空間以外吸收環(huán)境空氣中的熱量而損失，這種吸氣過熱稱為有害過熱。由于有害過熱的制冷量未能被利用，因此無論值是否大于值，均使制冷系數(shù)下降。為此，壓縮機(jī)的吸氣管應(yīng)具有良好的隔熱措施，盡量減少制冷劑的有害過熱，尤其是在蒸發(fā)溫度較低時(shí)，流出蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣溫度與環(huán)境溫度相差較大，良好的絕熱措施更為重要。吸氣過熱制冷量與增加的耗功量之比值僅僅與制冷劑的性質(zhì)有關(guān)。理論計(jì)算和試驗(yàn)均可證明，對(duì)于氟利昂134a、氟利

19、昂600a等制冷劑采用吸氣有效過熱能提高制冷系數(shù)，而對(duì)氨、氟利昂22等制冷劑則會(huì)降低制冷系數(shù)。但是，實(shí)際制冷循環(huán)是否采用吸氣過熱并不完全取決于對(duì)制冷系數(shù)的影響，還需觀察吸氣過熱后對(duì)其他參數(shù)和循環(huán)效果的影響。由圖1.12可知，當(dāng)壓縮機(jī)吸氣過熱度增加時(shí)，它的排氣溫度也隨之上升，過高的排氣溫度不但使?jié)櫥偷恼扯茸兿?，影響摩擦件的?rùn)滑，損壞機(jī)件，而且會(huì)使?jié)櫥吞炕?，閥片表面積碳，影響閥片的啟閉和壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。因此，吸氣過熱即使對(duì)制冷系數(shù)有利的制冷劑，它的過熱度也應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi)。另外，對(duì)于使用氟利昂的低溫制冷系統(tǒng)，適當(dāng)增加吸氣過熱度能使?jié)櫥洼^順利地返回壓縮機(jī)。同時(shí)，當(dāng)壓縮機(jī)吸入的蒸氣具有一定

20、的過熱度后，就能進(jìn)一步防止在氣缸中產(chǎn)生液擊現(xiàn)象。因此，吸氣過熱即使會(huì)降低制冷系數(shù)的制冷劑，其過熱度應(yīng)控制在較小范圍之內(nèi)，例如氨，一般控制在35。增大吸氣過熱度能提高制冷系數(shù)的制冷劑，其過熱度范圍可以大一些。三、 回?zé)嶂评溲h(huán)回?zé)嶂评溲h(huán)及其在T-S圖上的表示如圖1.13所示。在該循環(huán)中，制冷劑液體過冷和吸氣過熱不是與外界的冷卻介質(zhì)和被冷卻介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換而產(chǎn)生，它是利用流出蒸發(fā)器的低溫飽和蒸氣與流出冷凝器的飽和液體通過熱交換熱的傳熱過程而產(chǎn)生。由于制冷劑的蒸發(fā)溫度T0遠(yuǎn)低于冷凝溫度Tk，所以，回?zé)嵫h(huán)的制冷劑過冷度和吸氣過熱度不受冷卻介質(zhì)和被冷卻介質(zhì)溫度的限制，能使制冷劑獲得較大的過冷度和過

21、熱度。所以回?zé)嵫h(huán)特別適用于增加吸氣過熱度能提高其循環(huán)制冷系數(shù)、以及絕熱指數(shù)較小，絕熱壓縮后排氣溫度較低的制冷劑，如R134a（絕熱指數(shù)k1.110）等，對(duì)于氨制冷劑，因?yàn)樘岣呶鼩膺^熱度后會(huì)降低其制冷系數(shù)，氨的絕熱指數(shù)也較大（k1.310），所以，不宜采用回?zé)嵫h(huán)。a) 回?zé)嶂评溲h(huán) b) 回?zé)嶂评溲h(huán)在TS圖上的表示圖1.13 回?zé)嶂评溲h(huán)及其在T-S圖上的表示在回?zé)嵫h(huán)的熱交換器中，如果忽略制冷劑與外部介質(zhì)的傳熱，則制冷劑過冷時(shí)的放熱量等于其過熱時(shí)的吸熱量。所以 （kJ/kg）由于液體比熱C總大于其氣體的比熱C，所以液體溫度的降低總小于吸氣溫度的提高（或者過冷度的增加總小于過熱度的增加）。

22、如果熱交換器具有足夠大的傳熱面積，它可以使壓縮機(jī)的吸氣溫度T1接近流出冷凝器的液體制冷劑溫度，而流出熱交換器的制冷劑過冷溫度T4決不可能接近流入熱交換器的制冷劑氣體溫度T1。1.3制冷循環(huán)熱力計(jì)算為了說明單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)理論循環(huán)的性能，采用一些性能指標(biāo)進(jìn)行熱力計(jì)算，這些性能指標(biāo)均可通過循環(huán)各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)計(jì)算出來。蒸氣壓縮式理論制冷循環(huán)在TS圖和lgph圖上的表示見圖1.10和圖1.11所示。由于兩圖的坐標(biāo)參數(shù)不同，同一制冷循環(huán)在兩個(gè)圖上的循環(huán)曲線也不一樣，但是各個(gè)熱力過程和狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)是相同的。四個(gè)熱力過程中的能量變化可通過穩(wěn)定流動(dòng)方程式進(jìn)行計(jì)算。制冷劑在蒸發(fā)器中的單位制冷量為（kJ/kg）

23、 （1.18）壓縮機(jī)的單位質(zhì)量絕熱壓縮耗功量為（kJ/kg） （1.19）制冷劑在冷凝器中的單位質(zhì)量放熱量為（kJ/kg） （1.20）制冷劑節(jié)流前、后的焓值不變即 （kJ/kg） （1.21）制冷劑的單位容積制冷量，是指壓縮機(jī)每吸入1制冷劑蒸氣所產(chǎn)生的制冷量即 （kJ/） （1.22）式中，為壓縮機(jī)吸入蒸氣的比容，/kg。若已知制冷循環(huán)的總制冷量為（kW），則制冷劑的質(zhì)量循環(huán)量（及流過每一個(gè)主件的制冷劑流量）為 （kg/s） （1.23）壓縮機(jī)的吸氣體積流量為 （/s） （1.24）冷凝器的熱負(fù)荷為（kW） (1.25)壓縮機(jī)的理論耗功率N為 （kW） (1.26)理論制冷系數(shù)為 （1.27

24、）例1.1 試計(jì)算氟利昂22（R22）制冷劑在下列工況下循環(huán)的理論制冷系數(shù)，并進(jìn)行比較和討論（見圖1.13）圖1.13 各狀態(tài)點(diǎn) 解 A工況 =35 =0B工況 =40 =0C工況 =40 =-5由表1.2可知A，B兩工況的蒸發(fā)溫度相同，但B工況的比A工況的升高5，則制冷系數(shù)下降，下降的百分?jǐn)?shù)為表1.2 各狀態(tài)點(diǎn)焓值和計(jì)算結(jié)果 參數(shù)工況冷凝蒸發(fā)（kJ/kg）（kJ/kg）（kJ/kg）制冷系數(shù)溫度（）壓力溫度（）壓力A工況3513.504.98405.4430243.16.60B工況4015.304.98405.4433249.75.64C工況4015.3-54.21403.5437249.7

25、4.59B，C兩工況的冷凝溫度相同，但C工況的比B工況降低5，則制冷系數(shù)下降，下降的百分?jǐn)?shù)為從上述計(jì)算結(jié)果可知，蒸發(fā)溫度的變化對(duì)制冷系數(shù)的影響大于冷凝溫度變化的影響。這一結(jié)果完全符合逆卡諾循環(huán)的結(jié)論。例1.2 試計(jì)算氟利昂22（R22）制冷劑在下列兩工況下循環(huán)時(shí)的理論制冷系數(shù)，并進(jìn)行比較和討論（見圖1.14）圖1.14 各狀態(tài)點(diǎn) 解 A工況 =40 =0B工況 =40 =0 =35 表1.3 各狀態(tài)點(diǎn)焓值和計(jì)算結(jié)果 參數(shù)工況冷凝蒸發(fā)（kJ/kg）（kJ/kg）節(jié)流前焓值（kJ/kg）制冷系數(shù)溫度（）壓力溫度（）壓力A工況3515.304.98405.4433249.75.64B工況4015.3

26、04.98405.4433243.15.87由表1.2可知，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)。本例中的過冷度為=5，制冷系數(shù)提高的百分?jǐn)?shù)為例1.3 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下，試求分別用R134a、R22和R717工作時(shí)理論循環(huán)的性能指標(biāo)。解 循環(huán)的T-s圖和lgp-h圖見圖1.10和圖1.11，各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)根據(jù)各制冷劑相應(yīng)的lgp-h圖查得，下表為查得的結(jié)果：表1.4 各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)單位R134aR22R7171p1kPa132.7244.9190.1t1-20-20-20v1m3/kg0.14720.092130

27、.6232h1kJ/kg384.70396.461437.122t248.467.6135.2p2kPa1016.41533.61555.5h2kJ/kg427.31443.061757.033t3404040p3kPa1016.41533.61555.5h3kJ/kg256.2249.44393.994h4kJ/kg256.2249.44393.99計(jì)算循環(huán)性能指標(biāo)如下：表1.5 循環(huán)性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目計(jì)算公式單位R134aR22R717單位制冷量kJ/kg128.5147.01043.1單位容積制冷量kJ/m3827.91595.91673.9單位理論功kJ/kg42.6046.5931

28、9.90單位冷凝熱kJ/kg171.10193.621363.03制冷系數(shù)3.0163.1553.216卡諾循環(huán)制冷系數(shù)4.2194.1294.219熱力完善度0.7150.7480.733分析計(jì)算結(jié)果可以看出：在相同工作條件下：R22、R717的單位容積制冷量很接近，而R134a的單位容積制冷量則小得多（約小45）；三種制冷劑的制冷系數(shù)和熱力完善度相差不大。例1.4 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?3下，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)行制冷劑理論循環(huán)的熱力計(jì)算。解 圖1.15 各狀態(tài)點(diǎn)表1.6 各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)單位數(shù)

29、值注0p0102kPa1.16t0-23h0kJ/kg382.91p1102kPa1.16t10v1kg/m30185h1kJ/kg401.62p2102kPa10.16t271.5h2kJ/kg452.13p3102kPa10.16t340h3kJ/kg256.24p4102kPa10.16根據(jù)熱平衡式算出t427.3h4kJ/kg237.5計(jì)算循環(huán)性能指標(biāo)如下：表1.7 循環(huán)性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目計(jì)算公式單位數(shù)值單位制冷量kJ/kg145.4單位容積制冷量kJ/m3785.9單位理論功kJ/kg50.5制冷系數(shù)2.879卡諾循環(huán)制冷系數(shù)3.968熱力完善度0.726單位冷凝熱kJ/kg468

30、.9單位回?zé)崞髫?fù)荷kJ/kg18.7復(fù)習(xí)思考題（1） 為什么說逆卡諾循環(huán)是理想制冷循環(huán)？既然難以實(shí)現(xiàn)又為什么要進(jìn)行分析？（2） 在分析具有傳熱溫差的逆卡諾循環(huán)中得出了什么重要結(jié)論？（3） 制冷循環(huán)的制冷系數(shù)和熱力完善度有什么區(qū)別？試用表1.1中的數(shù)值證明，在高低溫?zé)嵩礈囟认嗤瑫r(shí)，制冷循環(huán)的制冷系數(shù)和熱力完善度是等價(jià)的。（4） 為什么提出變溫?zé)嵩茨嫦蜓h(huán)？對(duì)制冷劑有什么要求？（5） 理想制冷循環(huán)和逆卡諾循環(huán)有哪些區(qū)別？（6） 何謂節(jié)流損失，與哪些因素有關(guān)？（7） 試述液體的過冷溫度、過冷度，吸氣過熱溫度、過熱度。（8） 增加吸氣過熱度對(duì)哪些制冷劑有利，對(duì)哪些制冷劑不利？試用公式分析，對(duì)任何制冷劑

31、，有害過熱肯定使制冷系數(shù)降低。（9） 為什么回?zé)嶂评溲h(huán)僅適用于某些制冷劑？（10） 制冷劑的絕熱指數(shù)對(duì)排氣溫度有何影響？（11） 試比較理論制冷循環(huán)在T-S圖和lgP-h圖上的區(qū)別。（12） 試比較制冷劑的單位質(zhì)量制冷量q0和單位容積制冷量qv之間的區(qū)別。（13） 制冷劑單位容積制冷量qv的大小，對(duì)制冷壓縮機(jī)的冷量有何影響？（14） 既然熱泵的供熱量總大于電熱供熱量，那么是否可用熱泵代替所有的電加熱器，以節(jié)省電能，為什么？（15） 在進(jìn)行制冷循環(huán)熱力計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)確定哪些工況參數(shù)？（16） 制冷循環(huán)熱力計(jì)算通常應(yīng)包括哪些內(nèi)容？作業(yè)（1） 在逆卡諾循環(huán)中，被冷卻介質(zhì)的溫度恒定為5，冷卻介質(zhì)的溫度恒定為35，求該循環(huán)的制冷系數(shù)。若冷凝器和蒸發(fā)器的傳熱溫差為3和5時(shí)，試求這兩種情況下具有傳熱溫差的逆卡諾循環(huán)制