【文章內(nèi)容簡介】 ，即制冷劑在蒸發(fā)器中所吸收的熱量，常用符號 Q表示。 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 77 制冷技術(shù)的應(yīng)用及人工制冷的方法 制冷技術(shù)在現(xiàn)代社會中的作用越來越大，除軍事方面的應(yīng)用外，主要應(yīng)用于冷藏行業(yè)（如食品、藥品等的低溫貯存，需要冰箱、冷庫等）、 空調(diào)冷源（許多生產(chǎn)工藝過程均需要有恒溫、恒濕的空氣環(huán)境，這就需要有制冷技術(shù)的支持，如光學(xué)儀器、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)芯片等生產(chǎn)工藝。 實(shí)現(xiàn)人工制冷的方法有許多種，在制冷溫度高于 120℃ 的普通制冷范圍內(nèi)，常用的人工制冷方法是利用液體汽化時(shí)吸熱的原理進(jìn)行制冷，包括： （ 1）蒸氣壓縮式制冷； （ 2）吸收式制冷； （ 3）蒸氣噴射式制冷。 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 78 在單元 2中已提到，最理想的制冷循環(huán)為逆卡諾循環(huán)，由兩個(gè)可逆的等溫過程和兩個(gè)可逆的絕熱過程組成，系統(tǒng)組成如 圖 (a)所示。逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)是所有制冷循環(huán)中最大的，但是實(shí)際的制冷循環(huán)卻不能按逆卡諾循環(huán)進(jìn)行。 蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán) 圖 (a) 制冷系統(tǒng)； (b)制冷循環(huán) 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 79 蒸汽壓縮式制冷基本理論循環(huán) 蒸氣壓縮式制冷基本理論循環(huán)裝置如 圖 (a)所示，實(shí)際工程中進(jìn)入膨脹機(jī)的是液態(tài)制冷劑，在 pk→p o的膨脹過程中體積變化很小，所產(chǎn)生的膨脹功甚至不足以克服膨脹機(jī)本身的摩擦阻力，因此，在蒸氣壓縮式制冷循環(huán)中，用膨脹閥來代替理想制冷循環(huán)中的膨脹機(jī)，既簡化了制冷裝置，又可通過膨脹閥調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的流量（所以工程中常將膨脹閥稱為調(diào)節(jié)閥）。而膨脹節(jié)流過程是不可逆的，過程很快，可認(rèn)為是絕熱節(jié)流，則節(jié)流前后的焓值不變，所以在溫 熵（ Ts）圖或壓 焓（ ph）圖上此過程用沿等焓線變化的虛線表示，但絕不是等焓過程。 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 80 從圖 ，理想制冷循環(huán)的壓縮過程是在濕蒸氣區(qū)進(jìn)行的，這在實(shí)際運(yùn)行中是絕對禁止的（如用活塞式壓縮機(jī)則會發(fā)生沖缸現(xiàn)象，即將氣缸吸排氣閥片擊碎，甚至破壞氣缸蓋）。所以，進(jìn)入制冷壓縮機(jī)的制冷劑至少要求是干飽和蒸氣。這就形成了圖 的蒸氣壓縮制冷基本制冷循環(huán)。 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 81 圖 （ a）制冷裝置；（ b）制冷循環(huán)在 Ts圖上的表示； （ c）制冷循環(huán)在 lgph圖上的表示 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 82 具有液體過冷和蒸氣過熱的理論制冷循環(huán) （ 1）制冷劑液體過冷的目的及方法 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 83 圖 (a) 過冷循環(huán)裝置； (b) 過冷循環(huán)在 lgph圖上的表示 1— 壓縮機(jī)； 2— 冷凝器； 3— 貯液器； 4— 過冷器； 5— 節(jié)流閥； 6— 蒸發(fā)器 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 84 （ 2）制冷劑蒸氣過熱的原因及其影響 基本理論制冷循環(huán)中壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)為飽和蒸氣（圖 1點(diǎn)），而實(shí)際制冷循環(huán)中卻一般都要產(chǎn)生蒸氣過熱，即如 圖 1— 1′的定壓升溫過程。原因有二：首先，蒸發(fā)器至壓縮機(jī)吸 氣口的管段盡管要進(jìn)行保 溫，但仍然要發(fā)生制冷劑 蒸氣升溫過程；其次，許 多非滿液式蒸發(fā)器（多用 于氟利昂系統(tǒng)）本身設(shè)計(jì) 的出口溫度就處于過熱狀 態(tài)。所以，單級蒸汽壓縮 制冷循環(huán)一般均具有液體 過冷和蒸氣過熱。 圖 吸氣過熱的循環(huán)在 lgph圖上的表示 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 85 對于蒸氣過熱產(chǎn)生的影響，要注意以下幾點(diǎn)： 第一 ，蒸氣過熱是有效過熱還是無效過熱（又稱有害過熱）。 第二 ，蒸氣過熱后的壓縮功（ h2′h1′）大于吸入飽和蒸氣時(shí)的壓縮功（ h2h1），同時(shí) v1′v1。 第三 ，為了保證壓縮機(jī)不吸入液態(tài)制冷劑，通常人為地控制產(chǎn)生一定的過熱度（ t1′t1）。 （ 3）回?zé)嵫h(huán) 與蒸氣過熱統(tǒng)一考慮，使過熱成為有效的冷量回收。如 圖，從冷凝器中流出的飽和液體（狀態(tài)點(diǎn) 4）在回?zé)崞髦蟹艧峤o從蒸發(fā)器流出的飽和蒸氣（狀態(tài)點(diǎn) 1），液體定壓冷卻至 4′點(diǎn)，同時(shí)蒸氣定壓過熱至 1′點(diǎn)，二者換熱量 Δqo=h4h4′=h1′h1=h5h5′。 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 86 采用回?zé)嵫h(huán)可增大制冷量 Δqo，但壓縮機(jī)耗功量也增加。經(jīng)實(shí)測及理論分析，氨制冷系統(tǒng)不應(yīng)采用回?zé)嵫h(huán)，氟利昂系統(tǒng)可考慮采用，但也應(yīng)該進(jìn)行設(shè)備投資、熱力計(jì)算等分析比較后再確定。 圖 回?zé)嶂评溲h(huán) (a) 回?zé)嵫h(huán)裝置；（ b）回?zé)嶂评溲h(huán)在 lgph圖上的表示 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 87 一般情況下，制冷循環(huán)熱力計(jì)算的目的有兩個(gè)： ① 設(shè)計(jì)選型計(jì)算：主要是計(jì)算制冷循環(huán)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如壓縮機(jī)的輸氣量、功率、冷凝器負(fù)荷等，為制冷壓縮機(jī)及換熱器（冷凝器、蒸發(fā)器、冷卻塔等）等設(shè)備選型提供依據(jù)。 ② 校核計(jì)算：針對已有設(shè)備參數(shù)經(jīng)熱力計(jì)算校核其是否滿足所需制冷量要求。 對于設(shè)計(jì)計(jì)算，制冷量（即空調(diào)冷負(fù)荷）是已知的，再按照具體客觀條件和相關(guān)規(guī)范確定冷卻方式、環(huán)境參數(shù)及制冷工況后，即可進(jìn)行熱力計(jì)算。所謂制冷工況系指蒸發(fā)溫度 to、冷凝溫度 tk、液體過冷度 Δtg及蒸氣過熱度 Δtr這樣一組工作參數(shù)。 單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)熱力計(jì)算 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 88 制冷劑的壓焓圖 在制冷循環(huán)的分析與計(jì)算中，猶如水蒸氣計(jì)算要借助于焓熵圖 (hs)一樣，通常需要借助于制冷工質(zhì)的壓焓圖(lgph圖 )來進(jìn)行。在分析蒸氣壓縮式制冷循環(huán)和進(jìn)行制冷循環(huán)的熱力計(jì)算時(shí)，應(yīng)用該圖很直觀，便于分析。壓焓圖結(jié)構(gòu)見 圖 。書后附圖 2給出氟利昂 22的壓焓圖。 1 制冷劑的壓焓圖 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 89 壓焓圖以絕對壓力為縱坐標(biāo)，為提高低壓區(qū)域的精度而采用對數(shù)坐標(biāo)，即 lgp (MPa)，以比焓 h(kJ／ kg)為橫坐標(biāo)。圖中主要內(nèi)容有： 一點(diǎn) ：臨界點(diǎn) C(有時(shí)也用 k表示 )。 兩線 ：臨界點(diǎn) C左邊的粗實(shí)線為飽和液體線，其干度x=0；右邊的粗實(shí)線為飽和蒸氣線，其干度 x=1。 三區(qū) ：液相區(qū)、氣液兩相共存區(qū)（濕蒸氣區(qū)）、氣相區(qū)。 五種狀態(tài) ：過冷液體狀態(tài)、飽和液體狀態(tài)、濕蒸氣狀態(tài)、飽和蒸氣狀態(tài)、過熱蒸氣狀態(tài)。 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 90 六種等參數(shù)線簇 ：等壓線 —— 水平線；等焓線 —— 垂直線；等溫線 —— 在液相區(qū)幾乎為垂直線，在兩相區(qū)為水平線（與等壓線重和），在氣相區(qū)為向右下方彎曲的傾斜曲線；等熵線 —— 向右上方傾斜的實(shí)線；等容線 —— 向右上方傾斜的點(diǎn)畫線，其斜率比等熵線平坦；等干度線 —— 只存在于兩相區(qū)內(nèi)，其方向視干度大小而定。 通常情況下，在以上六個(gè)參數(shù)中，只要知道其中任意兩個(gè)參數(shù)，就可以在 lgph圖上確定制冷工質(zhì)的狀態(tài)點(diǎn)，從而可以在圖上直接查讀出其他未知的狀態(tài)參數(shù)。對于飽和液體和飽和蒸氣共存區(qū)，溫度和壓力是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，還需再有一個(gè)參數(shù)才可以在圖上確定其位置。本書附錄中給出了一些常用制冷劑工質(zhì)的飽和液體及蒸氣的熱力性質(zhì)表和相應(yīng)的壓焓圖。 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 91 單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)的熱力計(jì)算 在運(yùn)行工況的各參數(shù)確定后，就可在 lgph圖上繪出制冷循環(huán)過程 (圖 )，進(jìn)而計(jì)算以下各項(xiàng)內(nèi)容。 （ 1） 單位質(zhì)量制冷量 qo，是指在制冷循環(huán)中每 kg制冷劑所產(chǎn)生的制冷量，單位是 kJ/kg； qo=h1h5 （ ） 蒸氣壓縮式制冷 循環(huán)在壓焓圖上的表示 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 92 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 93 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 94 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 95 （ 1）實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的區(qū)別 盡管前面敘及的理論制冷循環(huán)較理想制冷循環(huán)更接近于實(shí)際，但和工程實(shí)際的制冷循環(huán)仍存在以下差別： ① 制冷劑蒸氣在壓縮機(jī)中進(jìn)行的壓縮過程不是等熵絕熱過程，而是一個(gè)多變過程； ② 制冷劑通過壓縮機(jī)吸、排氣閥時(shí)有較大局部阻力，和氣缸有熱交換； ③ 制冷劑在蒸發(fā)器、冷凝器中的換熱過程不是定壓過程，有阻力損失，而且存在溫差傳熱； ④ 制冷劑在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)有阻力損失并與外界有熱量交換。 蒸氣壓縮實(shí)際制冷循環(huán) 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 96 （ 2）實(shí)際蒸氣壓縮制冷循環(huán)在 lgph圖上的表示 考慮上述區(qū)別，實(shí)際蒸氣壓縮制冷循環(huán)在 lgph圖上的表示如 圖 。 圖 實(shí)際制冷循環(huán)示意 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 97 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 98 蒸汽壓縮式制冷循環(huán)性能與制冷運(yùn)行工況的關(guān)系 制冷運(yùn)行工況及其對制冷循環(huán)性能的影響 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 99 圖 冷凝溫度對制冷量的影響 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 100 圖 蒸發(fā)溫度對制冷量的影響 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 101 制冷機(jī)的名義工況 所謂名義工況，就是人為規(guī)定的為進(jìn)行制冷機(jī)性能比較的基準(zhǔn)性能工況。 表 《 活塞式單級制冷壓縮機(jī) 》 給出的名義工況。 表 有機(jī)制冷劑壓縮機(jī)名義工況（ ℃ ） 蒸氣壓縮式制冷循環(huán)及熱力計(jì)算 102 吸收式制冷是液體汽化制冷的一種，它和蒸氣壓縮式制冷一樣，也是利用液態(tài)制冷劑在一定條件下汽化以達(dá)到制冷的目的。所不同的是，蒸氣壓縮式制冷是依靠消耗機(jī)械能（或電能）使熱量從低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移；而吸收式制冷則依靠消耗熱能來完成這種非自發(fā)過程。另外，吸收式制冷采用由稀釋劑和制冷劑組成的溶液（通常稱為工質(zhì)對）作為工質(zhì)。按照所用工質(zhì)對不同，目前常用的吸收式水溶液，氨為制冷劑，水為吸收劑，它的制冷溫度在+1～ 45℃ 范圍內(nèi)。由于氨吸收式制冷機(jī)構(gòu)造非常復(fù)雜、熱力系數(shù)較低、有爆炸危險(xiǎn)等緣故，故空調(diào)中很少應(yīng)用，多用于工藝生產(chǎn)過程的冷源。另一種吸收式制冷機(jī)是溴化液作為工質(zhì)，其制冷溫度只能在 0℃ 以上，主要用于