作者：金文、杜鹃 主编
出版社：化学工业出版社
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制冷技术与工程应用试读：
前言
前 言本书是根据建筑环境与能源应用工程专业的课程教学要求，结合多年的教学经验和工程实践编写的。
本书介绍了蒸气压缩式制冷原理、制冷剂、载冷剂和润滑油、制冷压缩机等制冷设备、制冷系统、制冷机组、水系统、空调制冷站设计、吸收式制冷、热泵和蓄冷技术等内容，并附有多个工程设计实例，突出理论与工程实践的有机结合。
本书在编写过程中，编写人员结合高等学校建环专业本科指导性专业规范的指导意见，多次组织对本书的大纲及内容进行研讨，参考了相关专业书籍，并虚心听取了设计院、施工企业的技术专家和制冷系统运行管理一线技术人员的意见和建议，力求严谨、实用，遵循理论与实践相结合的原则，突出对学生工程实践能力的培养，内容上深入浅出，符合认知规律。
本书由不同高校中多年从事制冷技术课程教学的老师和设计院的暖通设计师共同编写，主编为金文教授和杜鹃副教授（分别是“制冷技术”国家级精品资源共享课程的负责人和主讲教师）。各章节具体编写情况为：绪论和第11章由长安大学宋慧编写，第1章由西安航空学院金文编写，第2章和第5章由西安科技大学张进编写，第3章和第6章（6.1、6.2和6.3）由西安航空学院王巧宁编写，第4章和第6章（6.4）由西安航空学院卢攀编写，第7章、第8章和第9章（9.1、9.2和9.3）由西安航空学院杜鹃编写，第9章（9.4）由西安市建筑设计研究院姚琳编写，第10章由西安工程大学文力编写。
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本书由金文、杜鹃主编，吕砚昭主审。本书在编写过程中得到了西安市建筑设计研究院暖通总工程师吕砚昭教授级高工的大力支持和帮助。吕砚昭教授级高工对本书进行了细致的审阅，提出了宝贵的修改意见和建议，在此表示衷心的感谢。
本书在编写过程中参考了相关的教材、专著、论文、规范和图集，在此一并表示衷心的感谢。由于编者水平有限，时间仓促，书中难免有不足之处，恳请专家和使用本书的读者批评指正。编 者2018年10月绪论0.1 制冷的概念
通俗地说，制冷就是研究如何制备低温并维持这个低温的一门科学技术。为了获得低温，通常有两种方法：一种是利用自然界存在的天然冷源，另一种就是利用制冷技术制备的人工冷源。天然冷源主要是指冬天储存下来的冰和夏季使用的深井水，天然冷源价格低廉，不需要复杂的工艺技术设备等，但它受到时间、地区和气候等的影响，且只能用于温度要求不是很低的空调和少量食品的短期储存。要想获得较低温度且能维持住这个低温，必须采用人工制冷的方式来实现。
所谓人工制冷，是借助一种专门的制冷装置，以消耗一定量的外界能量为代价，使热量从温度较低的被冷却物体或空间转移到温度较高的周围环境中，以获取和维持低于环境温度的低温的技术。这种专门装置称为制冷装置或制冷机。由于热量总是自发地从高温物体向低温物体传递，因此制冷必须消耗外界的能量为代价才能得以实现，所消耗的能量形式可以是机械能、电能、热能、太阳能等形式。制冷机中的流动工质为制冷剂，制冷剂在制冷机中循环流动，实现从低温物体吸收热量，并释放到高温物体中去。0.2 制冷技术的应用
制冷最早是用来保存食物和降低房间温度的，随着科学技术与社会文明的发展，制冷技术的应用几乎渗透到工业、农业、建筑、医疗、国防等各个科学领域。（1）空气调节
空调工程是制冷技术应用最为广泛的领域。所有的空调系统都需要冷源，需要利用制冷装置来控制空气的温度、湿度在一个合理的范围内。空气调节根据使用场合的不同，可以分为舒适性空调和工艺性空调。舒适性空调主要是满足人们工作和生活对室内温度、湿度、新鲜空气等的要求，为室内人员创造舒适健康环境的空调系统。工艺性空调是为生产工艺过程或设备运行创造必要环境条件的空调系统，主要是满足生产工艺过程对室内环境的温度、湿度、洁净度等的要求。（2）食品的加工和冷藏
在食品工业中应用制冷技术的场合很多。生产和加工乳制品、奶酪和其他一些饮品时，制冷是必不可少的。还有一些易腐食品，如肉类、海鲜类食品、部分水果蔬菜从加工到生产、储存、运输与销售的各个环节，均需要保持必要的低温环境，以避免食物变质。（3）医疗卫生
一些医疗手术，如心脏、肿瘤的切除以及低温麻醉等，都需要制冷技术提供低温环境，还有一些药物、血浆、疫苗以及特殊药品、器官或尸体的冷藏等均需要低温保存。（4）工业生产
工业的许多生产过程都需要在低温下进行，比如石油脱蜡、天然气液化、石油裂解以及合成纤维和化肥的生产等均需要在低温环境下进行。在材料回收方面，目前低温技术是回收钢结构轮胎中橡胶的唯一有效的方法，采用的是低温粉碎技术（利用材料在低温状态下的冷脆性能，对物料进行粉碎）。（5）国防工业与科学研究
高寒地区的汽车、坦克发动机等需要做环境模拟实验，火箭、航天器也需要在模拟高空的低温条件下进行实验，超导体的应用、半导体激光、红外线探测等都需要人工制冷技术。
除此之外，制冷技术在农业、生物技术、建筑工程、冰上运动、新型材料、微电子技术等领域也起着十分重要的作用。0.3 制冷技术的发展及分类
最初，人们有计划地储存和应用天然冰用于夏季的食品冷藏和防暑降温。14世纪后，开始使用冰和氯化钠的混合物冻藏食品。16世纪，出现水蒸发冷却空气。1748年，柯伦证明乙醚在真空下蒸发会产生制冷效应。1834年，美国成功研制第一台乙醚制冷机。1856年，以CO、SO、NH为制冷剂的压缩式制冷机问世。1875年，以223氨做制冷剂的制冷机大大减小了制冷设备的体积，这使得压缩式制冷机在制冷装置的生产和应用中占了统治地位。1929年，通用公司发现了氟利昂，氟利昂的出现极大地推动制冷装置的发展，为制冷技术带来了新的变革，制冷技术迅速发展。直至20世纪70年代以后，随着科学技术的发展，特别是计算机、新型材料等的迅速发展，人们对食品、舒适和健康方面的需求，以及在空间技术、国防建设和科学实验方面的需要，使得民用和工艺性空调所需求的制冷量飞速增长。制冷空调技术已经成为造福人类、开创未来不可或缺的技术。
制冷技术领域非常广，涵盖了制冷技术与设备、人工环境、冷藏与冻结以及一些低温行业等。制冷技术根据制冷温度的不同，大致可以分为三类：一类是普通制冷，其制冷温度高于-120℃；第二类是深度制冷，其制冷温度介于-120℃和20K之间；第三类为低温和超低温制冷，其制冷温度位于20K以下。空气调节用制冷技术属于普通制冷的范畴。0.4 人工制冷的方法
在制冷技术中，人工制冷方法很多，目前广泛使用的制冷方法有以下几种。（1）相变制冷
物质有三态：固态、液态、气态。物质的状态发生改变称为相变。相变过程中，由于物质分子重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量，这种热量称为潜热。一般固体融化为液体、固体升华为气体、液体汽化为气体都要产生吸热效应。
所谓相变制冷就是利用物质在一定的低温下相变吸热来制冷。有制冷效应的相变过程有熔解、汽化和升华，其中广泛应用的是液体汽化制冷，它常见的应用形式有四种：蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、吸附式制冷和蒸汽喷射式制冷。在空气调节用制冷技术中，蒸气压缩式制冷和吸收式制冷应用最为广泛。
1） 蒸气压缩式制冷图0-1 蒸气压缩式制冷系统流程图
在普通制冷温度范围内，蒸气压缩式制冷是应用最为广泛的制冷系统，它属于液体汽化相变制冷，以消耗一定的电能或机械能为代价实现热量由低温物体向高温物体的转移。系统流程图如图0-1所示，蒸气压缩式制冷系统由蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀4个基本部件构成，通过制冷剂管道将它们连接为一个系统。
其工作过程为：低温低压的制冷剂液体在蒸发器内吸收被冷却物体的热量（制备冷量）汽化为低温低压的制冷剂蒸气，被压缩机吸入、压缩为高温高压的制冷剂蒸气，进入到冷凝器，将热量释放给冷却介质水或空气后，高温高压的制冷剂蒸气冷凝为高温高压的制冷剂液体，再进入膨胀阀节流降压为低温低压的制冷剂液体，之后又进入到蒸发器吸收被冷却物体的热量实现制冷，如此循环往复。
2） 吸收式制冷
在普通的制冷温度范围内，吸收式制冷的应用也比较广泛。吸收式制冷也是利用制冷剂液体在低温下吸热汽化来实现制冷，与蒸气压缩式不同的是消耗热能而非机械能。吸收式制冷的工作与原理如图0-2所示，系统主要由四个热交换设备组成，即发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器组成，它们组成两个循环：制冷剂循环和吸收剂循环。图0-2 吸收式制冷的工作与原理
其工作过程为：图0-2左半部分所示的为制冷剂循环，蒸发器内的制冷剂吸收了被冷却物体的热量变成制冷剂蒸气，被吸收器内的吸收剂吸收后，由溶液泵输送至发生器，在发生器内吸收外界的热量，制冷剂从制冷剂-吸收剂溶液中分离出来进入到冷凝器，在冷凝器中向环境介质放热，冷凝为高压常温液体后，经节流装置节流成低温低压的气-液混合物进入蒸发器，在蒸发器中吸收被冷却物体的热量，汽化成低温低压的制冷剂蒸气，如此循环往复。图0-2所示的右半部分为吸收剂循环（图中虚线部分），属正循环，主要有吸收器、发生器和溶液泵组成。吸收器中的液体吸收剂不断吸收蒸发器中产生的低压制冷剂蒸气，以达到维持蒸发器内低压的目的。吸收剂吸收制冷剂蒸气后形成的制冷剂-吸收剂溶液，经溶液泵升压后进入发生器。在发生器中，该溶液吸收外界供给的热量后被加热、沸腾，其中低沸点的制冷剂汽化形成高压气态制冷剂，与吸收剂分离进入冷凝器，浓缩后的吸收剂溶液经降压后返回吸收器，再次吸收来自蒸发器的低温低压的制冷剂蒸气。整个吸收剂循环相当于蒸气压缩式制冷循环中的制冷压缩机。
3） 蒸汽喷射式制冷图0-3 蒸汽喷射式制冷系统图1—锅炉；2—喷嘴；3—混合室；4—扩压器；5—冷凝器；6—膨胀阀；7—蒸发器；8—循环泵
蒸汽喷射式制冷和吸收式制冷相同，都是通过消耗一定的热能、利用液体汽化时吸收热量来实现制冷。蒸汽喷射式制冷系统图如图0-3所示，系统主要由喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀、锅炉及泵几部分组成，其中喷射器由喷嘴、混合室和扩压器三部分组成。
工作过程：用锅炉产生高温高压的工作蒸汽，将其送入喷嘴，膨胀并高速流动（流速可达1000m/s以上），于是在喷嘴出口处，造成很低的压力，由于混合室和蒸发器相连，所以蒸发器中的压力也会很低，低温低压的部分水吸热汽化，将未汽化的水温度降低，这部分低温水用来制冷，蒸发器中产生的制冷剂水蒸气和工作蒸汽在喷嘴出口处混合，一起进入扩压器，在扩压器中，流速降低压力升高后进入冷凝器，被外部的冷却水冷却而变成液态冷凝水再经冷凝器分两路流出，一路经节流降压后进蒸发器，继续蒸发制冷，另一路经泵升压后回锅炉，重新生产工作蒸汽。
蒸汽喷射式制冷的特点：可以利用余热、废热，结构简单，加工方便，没有运动部件，使用寿命长，但它对工作蒸汽的要求较高，喷射器（包括喷嘴、混合室和扩压器）的流动损失大，效率比较低。
4） 吸附式制冷
吸附式制冷和吸收式制冷相同，都是通过消耗一定的热能、利用液体汽化时吸收热量来实现制冷，其系统图如图0-4所示。吸附式制冷系统由吸附器、蒸发器、冷凝器以及膨胀阀等几部分组成。
工作过程：首先是利用固体吸附剂对某种制冷剂有吸附作用，吸附能力与吸附温度有关。固体吸附剂受热，吸附床内压力不断上升，上升到冷凝压力开始解析出制冷剂，并在冷凝器里冷凝为液体，节流降压后进入蒸发器。同时，当固体吸附剂冷却后，吸附床内压力下降，下降到低于蒸发压力时开始吸附制冷剂蒸气，蒸发器中的制冷剂吸热汽化产生冷量，实现制冷过程。图0-4 吸附式制冷系统图
从工作过程可以看出，由加热、解吸、冷凝与冷却、吸附、蒸发交替进行，它是一种间歇式制冷。要实现连续制冷输出，就必须采用两台或多台吸附器，通过多台吸附器加热/冷却运行状态的切换，实现连续供冷。
目前，比较成熟的工质对有：活性炭-甲醇、沸石-水、活性炭-氨、硅胶-水、金属氢化物-氢、氯化钙-氨以及氯化锶-氨等，目前应该用最广泛的是活性炭-甲醇。
吸附式制冷的特点：吸附式制冷可以以太阳能、工业余热等低品位能源作为驱动力，采用非氟氯烃类物质为制冷剂，系统中运动部件少，有节能、环保、结构简单、无噪声、运行稳定等优点，但是系统循环周期太长、制冷量相对较小、COP有待进一步提高。（2）热电制冷
热电制冷的机理完全不同于蒸气压缩式制冷、吸收式制冷。热电制冷利用的是温差电效应（珀尔帖效应）的原理来实现制冷的。
1834年法国物理学家珀尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，在将两根铋丝分别接到直流电源的正、负极上，通电后，发现一个接头变热，另一个接头变冷，这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸、放热现象，这就是珀尔帖效应。它就是热电制冷的依据。图0-5 热电制冷原理图
珀尔帖效应的大小主要取决于两种材料的热电性。纯金属的导电性好、导热性好，其金属电偶回路产生的珀尔帖效应也很小，制冷效率不到1%。半导体材料内部结构的特点，决定了它产生的温差电效应要比其他金属更加显著，所以热电制冷都采用半导体材料，故热电制冷也称为半导体制冷。其原理图如图0-5所示，它由金属片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和导线将P型半导体和N型半导体连接成一个回路，回路由低压直流电源供电。当电流经金属片Ⅰ进入N型半导体时，在连接处就会放出热量，形成热端；当电流由N型半导体进入金属片Ⅲ时，连接处就会吸收热量，形成冷端；当电流由金属片进入到P型半导体时，在与金属片Ⅱ的连接处会放出热量，形成热端。
热电制冷是靠P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子在运动中直接传递能量来实现的，不需要制冷剂来实现能量的转移。热电制冷没有压缩机、没有机械装置，工作时无噪声、无污染，设备尺寸小、重量轻、启动快、使用灵活；但是热电制冷用的半导体材料价格高、耗电多、效率低，因此不适合在大规模的用冷场合。（3）气体膨胀制冷
气体膨胀制冷是人工制冷方法中发明最早的方法之一，是利用高压气体的绝热膨胀来达到低温，并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制冷，其原理如图0-6所示。气体膨胀制冷系统由制冷换热器、压缩机、冷却器以及膨胀机四部分组成。图0-6 气体膨胀制冷原理图
工作过程：低温低压的空气或制冷剂在制冷换热器中低压吸热升温后进入压缩机，被绝热压缩升温升压，然后进入冷却器冷却到常温（将热量释放给环境介质水或空气）后进入膨胀机，在膨胀机内进行绝热膨胀，降温降压后进入制冷换热器内继续吸收被冷却物体的热量（实现制冷），温度升高后又被吸入到压缩机进行新的循环。
常用的制冷工质为空气、二氧化碳、氮气等。（4）涡流管制冷
涡流管制冷与蒸气压缩式制冷、吸收式制冷的制冷机理完全不同。它是一种借助涡流管的作用使高速气流产生漩涡分离出冷、热两股气流，利用冷气流而获得制冷的方法。涡流管主要由喷嘴、涡流室、冷端管、热端管、热端控制阀以及压缩气体等组成，其工作原理如图0-7所示。压缩气体进入涡流管后，在喷嘴中膨胀减压增速，从切线方向射向涡流室，在涡流室中高速旋转，形成自由涡流，经过自由涡流层与层之间的动能和热量交换，产生能量分离效应，分离成温度不同的两部分气流。中心部分的气流温度较低，外层部分的气流温度较高。高温流体经过热端控制阀的边缘部分流出，低温流体碰撞热端控制阀中心部位后返流至涡流室冷孔板中心孔流出，可以同时获得制冷和制热两种效应。通过调节热端控制阀的开度可以调节冷、热气流的比例，可以得到最佳制冷效应或最佳制热效应。图0-7 涡流管制冷工作原理图
涡流管制冷无运动部件、启动快、轻巧、方便携带，不需要用电、制冷剂等，但是涡流管制冷效率较低、噪声较大，适用于有高压气源或可以廉价获得高压气体的场合。0.5 制冷的发展趋势（1）环保
臭氧层的破坏和全球气候变暖是当今世界所面临的主要环保问题。由于制冷装置广泛采用的制冷剂HCFC（据研究表明氟利昂中的一个氯原子可以破坏约一万个O分子）使平流层中O浓度大幅度减33少，让太阳产生的到达地球表面的紫外线大大增加，对人类的健康以及地球的生态环境产生了非常不利的影响。1992年通过了《蒙特利尔议定书哥本哈根修正案》，议案规定：1995年年底停止使用CFCs（氯氟烃）物质，发达国家于2030年完全停止消费HCFCs（氢氯氟烃）物质，2040年完全停止消费HCFCs。目前我国的空调、制冷机组、热泵以及其他制冷装置中的制冷剂主要是R22和R134a。基于环保的需要，研究主要集中在新型制冷剂的研发以及与新型制冷剂有关的新技术、新设备、新材料和新的制冷理论和实践两方面。
当前对新型制冷剂的发展趋势主要是HFC（氢氟烃）和自然工质。在HFC的研究中，作为R22替代物的R407C、R401A以及一些共沸制冷剂都有一定量的使用，这些制冷剂在满足特定需要的同时，也有一定的节能效果。但HFC虽然解决了臭氧层问题，可其产生的温室效应不容忽视。从与环境的相容性来说，自然工质是最好的替代物，如NH、CO等，如果能解决其与润滑油、材料的相容性、能效等问32题，自然工质是最完美的选择。当然在研发新型制冷剂时还应考虑其他环境因素，如设计出的新型制冷剂是否会在一定条件下发生分解等产生一些潜在危险（如毒性或形成酸雨）。
除了新型制冷剂以及相关新技术新设备等的研究外，新的制冷技术也有突破，代表性的有热声制冷和磁制冷研究。它们与传统的蒸气压缩式制冷相比具有很大的优势：它们无需使用传统的制冷剂，不会导致臭氧层的破坏和温室效应，无需往复运转的设备以及密封、润滑等构件，寿命大大延长。其中热声制冷在红外传感、雷达、计算机芯片以及其他低温电子器件的降温中已有应用；磁制冷在卫星、宇宙飞船等航天器中有应用；高温磁制冷还在进一步的研究中。（2） 节能
随着我国经济发展的突飞猛进，用能需求也迅猛增长，同时节能减排指标迅速提高，使得新能源有了巨大的发展空间。建筑能耗占社会总耗能的20%～30%，其中冷热源设备及系统占建筑能耗的60%左右。可见，在国家大力提倡节能与能源合理利用、推行清洁能源工程、鼓励开发可再生能源的前提下，冷热源系统的节能对于建筑节能起着举足轻重的作用。
节能，一方面是减少各种损失，改善各种设备的效率；另一方面是提高各种低位能源的品位来达到节能的目的。目前制冷节能新技术中发展迅速的有热泵技术和冰蓄冷技术。
热泵是备受全世界关注的新能源技术。它是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置。热泵通常从自然界的空气、土壤或水中获取低位热能，再以消耗一定的功为代价，可以为热用户提供可利用的高品位热能。热泵技术不断创新，发展十分迅速，在空调领域应用越来越广泛。
冰蓄冷利用夜间电网低谷期制冰将冷量储存在蓄冰装置中，白天电网高峰时段再将蓄冰装置中的冰融化释放冷量来满足空调负荷需求。冰蓄冷对于电网来说，实现削峰填谷，平衡电力负荷、改变发电机组效率；对于制冷机组而言，可以改善制冷机组运行效率以及减少系统的装机容量。业内人士普遍认为，蓄冷空调是节能、节约投资的最佳技术之一。（3）智能化
制冷系统是一个封闭系统，要求有很好的密闭性。为了保障制冷设备的正常运转，并达到所有要求（如空调系统负荷运行工况多、干扰因素较多、温湿度相关联等），需要把控制温度、压力、流量、湿度等许多热工参数的一些热工仪表、调节元件等组合起来，形成一个控制系统。通过控制系统可以对制冷系统各设备参数进行及时的检测、调节，一个综合节能控制的制冷空调系统节能效果会更加客观。
随着计算机技术的不断发展，整个制冷系统都在向全自动化方向发展。对制冷装置有关参数的最佳综合调节、实现系统整体节能等是制冷系统的必然趋势。思考与练习
1.什么叫制冷？实现制冷由哪两种途径？
2.什么叫人工制冷？人工制冷有哪些方法？最常用的是什么方法？
3.根据制冷温度的不同，制冷技术分为哪几类？
4.制冷目前在人类社会中有哪些应用？
5.制冷技术的发展趋势是什么？第1章 单级蒸气压缩式制冷原理
目标要求：
①理解蒸气压缩式制冷系统的基本组成及各部分功能；
②熟悉单级蒸气压缩式制冷循环的经济性评价指标及影响因素；
③掌握单级蒸气压缩式制冷热力学基础以及理想制冷循环、理论制冷循环、实际制冷循环特点和工程应用方法；
④熟练应用压焓图对单级蒸气压缩式制冷循环进行热力计算。
制冷是指用人工的方法将被冷却对象的热量转移到周围环境介质，使得被冷却对象达到比环境介质更低的温度，并在所需的时间内维持这个低温。制冷与冷却都是一个降温过程，但冷却是热量从高温对象传向低温对象的过程，是一个自发的过程；而制冷是将热量从低温对象传给高温对象，是一个非自发的过程，需要使用一定的设备，消耗外界能量作为补偿。同时，热量的转移需要一种能够携带热量的工作物质来完成，这种工作物质在制冷系统中称为制冷剂。制冷就是通过制冷剂热力状态不断发生变化来完成的。
蒸气压缩式制冷是利用制冷剂液体在汽化过程中从周围介质（被冷却物）吸收热量（汽化潜热）而产生冷效应来实现的。我们知道，液体工质在不同压力下其饱和温度（沸点）不同，液体压力越低，对应的饱和温度越低，因此只要创造一定的低压条件，就可以利用液体汽化的方法获取所要求的低温。1.1 蒸气压缩式制冷的基本原理1.1.1 制冷的热力学基础（1）热力学定律
在制冷系统中，能量的相互转移与转换需要通过制冷剂吸热或放热、膨胀或压缩等变化来完成，因此制冷的理论基础就是研究能量相互转换过程中所应遵循的科学规律，即热力学。热力学是从宏观角度研究物质的热运动性质及其规律的学科，主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律，总结了物质的宏观现象而得到的热力学理论，它研究系统在整体上表现出来的热现象及其变化发展所必须遵循的基本规律，其主要内容为热力学第一定律和热力学第二定律。
热力学第一定律是普遍的能量守恒和转化定律在一切涉及宏观热现象过程中的具体表现。热力学第一定律确认，在任何发生能量转换的热力过程中，转换前后能量的总量维持恒定，即制冷系统从周围介质吸收的热量、对工作介质所做的功和系统内能增量之间在数量上守恒。热力学第一定律仅指出能量转换在数量上的关系，然而遵循热力学第一定律的过程却未必能实现，还需同时遵循热力学第二定律，热力学第二定律揭示了能量交换和转换的条件、深度和方向。
热力学第二定律是限定实际热力学过程发生方向的热力学规律。它证实熵增原理成立，也就是说，热力学第二定律要求孤立系统中发生的过程沿着熵增加的方向进行，即达到平衡态的热力学系统的熵最大。热力学第一定律和热力学第二定律一起，构成了热力学理论的基础，它阐述了热量传递是不可逆的，热量总是自发地从高温物体传递到低温物体，而相反的过程是不可能自发地进行的，即不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响。所以，热力学第一定律告诉我们热量是可以转移的，热力学第二定律告诉我们热量在什么条件下可以朝着什么方向转移。并且，由热力学第二定律引出的卡诺定理指出了提高制冷机经济性的方向和限度。（2）压焓图
制冷技术是利用热力学定律分析研究制冷过程中各种能量的转换关系，为了对制冷过程做定性定量分析计算，对制冷系统进行设计和优化，这就需要借助一种分析工具，帮助我们研究整个制冷循环，直观地表述制冷循环中各过程状态变化及其过程特点，这个工具就是制冷剂的压焓图和温熵图，这些制冷剂的热力状态图不仅可以对制冷循环进行分析和计算，而且还能使问题解决得到简化。图1-1 压焓图
压焓图的结构如图1-1所示。以绝对压力为纵坐标（为了缩小图面，使低压部分表示清楚，通常采用对数坐标，即lgp），以比焓值为横坐标，即h。图上可以表示出一点、二线、三区域、五种状态、六条等值参数线。“一点”为临界点K；“二线”是以K点为界，K点左边为饱和液体线（称下界线）；右边为干饱和蒸气线（称上界线）；“三区”是利用临界点K和上、下界线将图分成三个区域，下界线以左为过冷液体区；上界线以右为过热蒸气区；二者之间为湿蒸气区（即两相区），制冷剂在该区域内处于气、液混合状态；“五种状态”包括过冷液体区内制冷剂液体状态；上界线上的饱和制冷剂液体状态；两相区中制冷剂湿蒸气状态；下界线上的饱和制冷剂气体状态；过热蒸气区内制冷剂气体状态；“六条等值参数线”簇分别为：
①等压线——水平线。其大小从下向上逐渐增大。
②等焓线——垂直线。其大小从左向右逐渐增大。
③等温线——液体区几乎为垂直线，湿蒸气区与等压线重合为水平线，过热区为向右下方弯曲的倾斜线。其大小从下向上逐渐增大。
④等熵线——向右上方倾斜，且倾角较大的实线。注意等熵线不是一组平行线，越向右走，等熵线越平坦，其值变化越大。其大小从上向下逐渐增大。
⑤等容线——向右上方倾斜，但比等熵线平坦的虚线。其大小从上向下逐渐增大。
⑥等干度线——只在湿蒸气区域内，下界线为干度x=0的等值线；上界线为干度x=1的等值线；湿蒸气区域内等干度线方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近。其大小从左向右逐渐增大。
压焓图是进行制冷循环分析和计算的重要工具，应熟练掌握和应用。本书附录中列出了几种常用制冷剂的压焓图。（3）温熵图
温熵图结构如图1-2所示。它以熵为横坐标，温度为纵坐标。一点、二线、三区域、六条等值参数线如图1-2所示。图1-2 温熵图
图中临界点K的左边实线为饱和液体线，右边实线为饱和蒸气线；这两条线将温熵图划分为三个区域，饱和液体线以左为过冷液体区，饱和蒸气线以右为过热蒸气区，两线之间为湿蒸气两相区；在两线和三区上分别表示制冷剂的五种状态，即过冷液体区内制冷剂液体状态，饱和液体线上的制冷剂饱和液体状态，湿蒸气区中制冷剂气液混合状态；饱和蒸气线上的制冷剂饱和气体状态；过热蒸气区内制冷剂气体状态；制冷剂的状态由其状态参数表示：
①温度——等温线为水平实线。
②比熵——等熵线为垂直实线。
③压力——等压线在湿蒸气区与等温线重合，为水平线；在过冷液体区等压线密集于饱和液体线附近，可近似用x=0的线代替；过热蒸气区等压线为向右上方弯曲的倾斜线。
④比焓——湿蒸气区和过热蒸气区内，等焓线均为向右下方弯曲的倾斜线，但两者斜率不同，湿蒸气区内等焓线的斜率更大一些；液体过冷区的制冷剂焓值可近似用同温度下饱和液体的焓值代替。
⑤比容——等容线为向右上方倾斜的虚线。
⑥干度——等干度线只在湿蒸气区域内，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近。
在温度、压力、比容、焓、熵、干度等参数中，只要知道其中任意两个状态参数，就可在压焓图或温熵图上确定其状态点，其余参数便可直接从图中读出。对于饱和液体和饱和气体，只需要一个状态参数就可以确定其状态。
对于一个制冷系统，制冷剂在制冷过程中不断发生状态变化，将其各个状态点表示在压焓图或温熵图上，就形成一个封闭的循环回路，即制冷循环。因此，一个制冷过程只能在压焓图或温熵图上画出一个制冷循环。
在表示制冷剂状态参数的多种图线中，制冷剂的温熵图，由于此图中热力过程线下面的面积为该过程所吸收的热量，很直观，便于分析比较，常常用于制冷循环的定性分析中；而制冷过程的吸热量、放热量以及绝热压缩过程的耗功量都可用过程初、终状态的制冷剂的焓值变化来计算，所以压焓图常被用于制冷循环的定量计算，因此压焓图在制冷工程设计中应用更为广泛。1.1.2 单级蒸气压缩式制冷系统组成
蒸气压缩式制冷属于液体汽化法，是采用制冷剂液体蒸发时从周围被冷却物中吸收热量，从而实现被冷却物温度降低。为了使制冷连续地进行，把已蒸发的气体经压缩再冷凝，使之重新变为液体，再继续蒸发并吸热，这就是蒸气压缩式制冷。蒸气压缩式制冷有单级、多级和复叠式等多种形式。所谓单级压缩，是指制冷剂在制冷工作循环过程中只经历了一次压缩，单级蒸气压缩式制冷目前应用最为广泛。图1-3 单级蒸气压缩式制冷系统图
单级蒸气压缩式制冷系统基本组成如图1-3所示，它包括压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器四部分。对于液体汽化法，首先需要一个换热设备能使制冷剂从被冷却介质中吸热汽化从而实现制冷目的，这个设备称为蒸发器。制冷剂进入蒸发器时是液体，离开时变为气体，为了将气态制冷剂变回液体，使制冷剂能够循环工作，这就需要冷凝器。冷凝器也是一种热交换设备，在冷凝器中，制冷剂向环境（环境介质通常为空气或水）释放热量，制冷剂由气态冷凝变回液态，即进入冷凝器时是气体制冷剂，离开时变为液体制冷剂。但是，制冷剂冷凝是向常温常压下的环境介质放热，而制冷后离开蒸发器的气态制冷剂温度很低，低于环境温度（制冷的定义告诉我们制冷是使被冷却物低于环境温度并保持的），这个低温的制冷剂是无法向环境自发放热冷凝的，这就需要一种设备将蒸发器出口的低温低压的气态制冷剂，变为冷凝器入口的高温高压气态的制冷剂，这个设备就是压缩机。压缩机是耗能设备，通过对制冷剂蒸气做功，将低温低压制冷剂压缩为高温高压制冷剂。这样，我们发现制冷剂在蒸发器处于低温低压状态，在冷凝器处于高温高压状态，蒸发器与冷凝器不能直接连接，蒸发器出口与冷凝器入口通过压缩机提高压力实现连接，那么冷凝器出口与蒸发器入口也要有一个完成降压作用的连接设备，这就是节流机构。节流机构一方面将高温高压液态制冷剂节流降压，满足蒸发器工作条件，另一方面还可以调节蒸发器的供液量，满足被冷却物降温变化的要求。因此，完成一个制冷过程所需最基本的组成设备包括压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器，它们通常称为制冷四大件。其中，压缩机是制冷系统的“心脏”，负责压缩和输送制冷剂蒸气；冷凝器输出热量，将制冷剂蒸气变回液体；节流阀是节流降压设备，供给蒸发器需要的制冷剂状态和流量；蒸发器吸收热量（输出冷量）从而实现制冷。1.1.3 单级蒸气压缩式制冷循环过程
压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器四个部件依次用管道连接成封闭的系统，充注适当制冷剂，就组成了最简单的制冷机。其工作过程如下：
压缩机吸入来自蒸发器的低温低压（蒸发温度t，蒸发压力p）00制冷剂蒸气，经压缩机压缩，变为高温高压（冷凝温度t，冷凝压力kp）制冷剂蒸气，之后送入冷凝器，在冷凝压力p条件下向冷却介质kk（通常是常温常压下的水或空气）放出热量，并由高温高压气态冷凝成高温高压液体。液化后的高温高压制冷剂液体进入节流机构，通过节流降温降压，达到蒸发压力p后进入蒸发器。由于在饱和状态下制0冷剂压力由p降为p，导致其中部分液体会汽化，因此节流后的制冷k0剂为低温低压的两相混合物，其中低温低压制冷剂液体在蒸发压力p0条件下吸收被冷却介质的热量，汽化沸腾变成低温低压的蒸气，随即再次被压缩机吸入，重复上述过程；而两相混合物中的气体进入蒸发器并不能够吸热汽化，因此也无制冷能力，这部分气体被称为闪发蒸气。制冷剂在制冷系统中周而复始的发生状态变化的工作过程叫作制冷循环。通过制冷循环制冷剂不断吸收周围空气或物体的热量，从而使室温或物体温度降低，以达到制冷的目的。
在制冷过程中，蒸发器源源不断地从被冷却介质中吸收热量Q，即对被冷却介质产生制冷量Q，而这些热量通过制冷剂载送到00冷凝器，再释放给冷却介质，同时制冷剂在传送热量过程中需要压缩机做功耗能W，在冷凝器也一并释放给冷却介质，因此冷凝器传出的热量包括两个方面，即制冷量Q和压缩功率，这部分热量称为冷凝0热负荷Q。制冷过程热量传递情况如图1-4所示。kQ=Q+W （1-1）k0
在蒸气压缩式制冷循环中，制冷剂不断发生状态变化，并有多种状态存在于系统当中，为了更好地了解制冷剂在不同位置所处的状态，我们可以将制冷系统横向分为两部分，如图1-5（a）所示，上部为高压部分，制冷剂在这部分处于高压——冷凝压力p状态下，下部k为低压部分，制冷剂在这部分处于低压——蒸发压力p状态下；将0制冷系统纵向也可分为两部分，如图1-5（b）所示，左部为液态部分，以液体制冷剂为主要存在形式（含少量闪发蒸气），右部为气态部分，制冷剂在此为气体状态。图1-4 制冷过程热量传递示意图图1-5 制冷系统中制冷剂的状态变化1.2 蒸气压缩式制冷的理想循环1.2.1 理想制冷循环图1-6 理想制冷循环T-S图
由两个等温过程和两个绝热过程组成的可逆正循环叫作卡诺循环，在给定的两个高低温热源条件下，按卡诺循环工作，热效率最高，卡诺热机是效率为100%的理想热机，在实际中是不存在的。如果工质按卡诺循环的逆向循环进行工作，则叫作逆卡诺循环，逆卡诺循环是理想制冷循环，其热力过程如图1-6所示，工质的工作过程1→2→3→4→1是按照逆时针方向运行：工质从点1状态沿等熵线1→2被绝热压缩至点2状态，温度由T'升至T'；之后，工质在高温热源温度T'条0kk件下，沿等温线2→3由点2状态等温压缩放热至点3状态，向高温热源放出热量q；随后，工质沿等熵线3→4从点3状态绝热膨胀至点4状k态，温度由T'降至T'；最后，工质在低温热源温度T'条件下，沿等k00温线4→1由点4状态吸热膨胀至点1状态，从低温热源吸收热量q，0实现对低温热源制冷目的。图1-7 热机、热泵、制冷机类比关系图
逆卡诺循环1→2→3→4→1是存在于高温热源T'和低温热源T'之k0间的理想制冷循环，它是在两个恒温热源之间，由两个定温过程和两个绝热过程组成的。完成逆卡诺循环的结果是，消耗了一定数量的机械功，并从冷源取得热量一起排给热源。由于热量由低温向高温转移，类似采用泵将水从低处送到高位处，所以按逆卡诺循环工作的“机器”称为制冷机或热泵。三者之间的关系如图1-7所示。
从热力学理论上讲，每一次制冷循环，通过单位制冷剂将热量q0从低温热源（被冷却介质）转移至高温热源（冷却介质），同时消耗了机械功w，并且也转化为热量传给高温热源（冷却介质），传出总热量q。k
这样，通过单位质量制冷剂在每一个制冷循环中可制取冷量q，0消耗功量w，两者之比即为该制冷循环的性能指标——制冷系数ε。制冷系数表示为单位耗功量所能制取的冷量，定义式为： （1-2）
对于理想制冷循环，即逆卡诺循环来说制冷系数为： （1-3）
由上式可知：
①在一定温度条件下，理想制冷循环的制冷系数ε最大，任何实c际制冷循环的制冷系数ε都小于ε；c
②理想制冷循环的制冷系数ε只与两个热源（冷却介质和被冷却c介质）的温度有关，与制冷剂性质等其他因素无关；
③冷热源温差（T' -T'）越大，理想制冷循环的制冷系数ε就越k0c小，制冷循环的经济性就越差；
④冷源（被冷却介质）的温度变化比热源（冷却介质）温度变化对制冷系数影响更大，从下面偏导数分析中可以看出：
因为
所以
从热泵角度进行分析，热泵是凭借消耗机械功将热量从自然环境转移至需要的较高温度的环境中去，它可以有效地利用低温热源的热量，是目前研究及应用的热点。热泵的经济性用供热系数来衡量。供热系数是单位耗功量所能获取的热量，定义式为： （1-4）
从这里可以看出，热泵的经济性大于制冷机，而且热泵的供热量永远大于所消耗的功，其效率必大于1，因此，热泵是能源综合利用很有价值的装置。1.2.2 制约理想制冷循环的主要因素
理想制冷循环实现的关键条件是：高、低温热源恒定，制冷剂在冷凝器和蒸发器中与两个热源间无传热温差，制冷工质流经各个设备中不考虑任何损失，因此，逆卡诺循环是理想制冷循环，它的制冷系数是最高的。
但是在实际工程中，要想满足理想制冷循环的几个关键条件是不现实的，也是无法实现的，主要表现在：
①压缩过程在湿蒸气区中进行，危害性很大。若压缩机吸入的是湿蒸气，在压缩过程中必会产生湿压缩，而湿压缩危害很大，容易产生液击，有时候还会因缸壁温度骤降而收缩，造成与活塞环“咬死”事故，严重时甚至毁坏压缩机，在实际运行时湿压缩应严禁发生。因此，在实际蒸气压缩式的制冷循环中必须采用干压缩，即进入压缩机的制冷剂为干饱和蒸气或过热蒸气。
②膨胀机进行等熵膨胀不现实。因为蒸气压缩式制冷循环中，制冷剂液体在绝热膨胀前后体积变化很小，而节流损耗较大，以致使所能获得的膨胀功不足以克服机器本身的工作损耗，且高精度的膨胀机很难加工。因此，在实际蒸气压缩式制冷循环中，均由节流机构（如节流阀、膨胀阀、毛细管等）代替膨胀机。
③在实际工程中，无温差传热是不可能实现的，否则理论上要求蒸发器和冷凝器应具有无限大传热面积，这在实际中当然是不可能的。所以在实际制冷循环过程中，制冷剂工作的温度与两个热源的温度必须存在一定温差，即：制冷剂的蒸发温度（T）低于低温热源的0温度（被冷却介质T'），制冷剂的冷凝温度（T）高于高温热源的温0k度（冷却工质T'），这样制冷剂才能从低温热源吸热，再通过制冷循k环传到高温热源中去。
因为：制冷剂的蒸发温度（T）≠被冷却介质的温度（低温热源0T'），0
制冷剂的冷凝温度（T）≠冷却介质的温度（高温热源T'）。kk
且：制冷剂的蒸发温度（T）<被冷却介质的温度（低温热源0T'），0
制冷剂的冷凝温度（T）>冷却介质的温度（高温热源T'）。kk图1-8 带传热温差制冷循环
所以，对于实际蒸气压缩式制冷循环是在制冷剂的冷凝温度（T）和蒸发温度（T）之间进行的，而非两个稳定的高低温热源之k0间进行，制冷剂与高低温热源之间的传热也将导致制冷循环效率降低。如图1-8所示，低温热源平均温度为T'，高温热源平均温度为T'0k时，逆卡诺循环为图1-8中1'→ 2'→ 3'→ 4'→ 1'。由于有传热温差存在，在蒸发器内制冷剂的蒸发温度T应低于被冷却物体温度T'，即00T=T'-ΔT；而冷凝器内制冷剂的冷凝温度T应高于冷却介质温度T'，000kk即T=T'+ΔT。此时有传热温差的制冷循环可用图1-8中的1→2→3→kkk4→1表示。从图中可以看出，有传热温差的制冷循环所消耗的功量增大了，多消耗的功量为图中两部分阴影面积2'233'2'与11'4'41之和，而制冷量却减少了，减少量为11'4'41面积。这时制冷循环的制冷系数为：
上式推导出ε<ε，这表明具有传热温差的制冷循环的制冷系数总c要小于逆卡诺循环的制冷系数。
由于一切实际制冷循环均为不可逆循环，因此，实际循环的制冷系数ε总是小于工作在相同热源温度下的逆卡诺循环的制冷系数ε。c实际制冷循环的制冷系数ε与逆卡诺循环的制冷系数ε之比称为热力c完善度，定义式为： （1-5）
热力完善度η是小于1的数，它愈接近1，表明实际循环的不可逆程度越小，循环的经济性越好，它的大小反映了实际制冷循环接近逆卡诺循环的程度。
综上可知，虽然逆卡诺循环制冷系数最大，但只是一个理想制冷循环，在实际工程中无法实现，但是通过该循环的分析所得出的结论对实际制冷循环具有重要的指导意义，对提高制冷系统经济性指出了重要的方向。1.3 蒸气压缩式制冷的理论循环1.3.1 理论制冷循环
由于理想制冷循环的制约因素限制，因此，根据实际情况将制冷循环进行调整，成为现实中可以采用的制冷循环，这就是蒸气压缩式制冷的理论循环，它是由一个绝热干压缩过程和一个绝热节流过程，以及两个等压条件下的换热过程组成的。（1）绝热干压缩过程
如图1-9所示，用干压缩代替了湿压缩，即压缩机吸气状态由湿蒸气1'状态调整到饱和蒸气1状态，这一过程可由蒸发器将制冷剂汽化到饱和状态点。从图1-9（b）可以看出，压缩机吸气状态1可以在过热蒸气区进行1→2等熵压缩，这一变化使单位质量制冷量增加了Δq（即面积11'a'a），同时压缩机单位耗功量增加了Δw（即面积0011'2'2），综合分析，制冷系数将略有降低。但是考虑压缩机运行的安全性，故实际蒸气压缩式制冷循环都是采用干压缩。图1-9 蒸气压缩式制冷的理论循环
为了保证干压缩，还可以在压缩机前设置气液分离器，湿蒸气进入其中，气体由于速度降低而发生运动方向改变，液滴由于相对密度大、靠惯性沉于底部，实现气液分离，这样，只让气体进入压缩机保证干压缩，而液体流回蒸发器继续制冷；气液分离器另一个用途是分离高压液体节流后的闪发蒸气，只让液体进入蒸发器，因为闪发蒸气进入蒸发器不制冷且占据空间，影响制冷效率。（2）绝热节流过程
节流过程是流体流动时由于通过截面突然缩小而使压力降低的热力过程。绝热节流前后流体的动能没有变化时﹐其焓值保持不变﹐但熵增加。因此，节流阀无法完成等熵节流，而是等焓节流。如图1-9所示，等焓节流3→4代替等熵节流3→4' ，单位质量制冷量减少了Δq'（即面积44'b'b）；而放出的单位冷凝热量未变，所以单位耗功量0增加了Δw' （即面积034'）。显然，采用节流阀理论上制冷系数降低0了，其降低程度称为节流损失，这是不利之处，但由于节流阀结构简单，操作方便，目前广泛采用。
节流损失大小与冷凝温度和蒸发温度之差有关，T-T越大，节k0流损失越大；同时，节流损失还与制冷剂的性质有关，由温熵图可见，制冷剂的饱和液线越平缓，比潜热越小，节流损失越大。（3）等压条件下的换热过程
为了保证干压缩，压缩机吸入的是干饱和蒸气，则制冷剂吸气状态点1位于饱和蒸气线上，那么制冷剂的绝热压缩过程就必定在过热蒸气区进行，压缩终了状态点2成了过热蒸气。因此，制冷剂在冷凝器放热，首先进行的是显热交换，制冷剂由过热蒸气2变为饱和蒸气2'，这个过程在等压条件下完成（等温过程不可实现）；之后饱和蒸气2'继续放热进行冷凝相变，而两相区等温线和等压线一致，则相变既是等温变化过程也是等压变化过程，因此，冷凝器中的这个状态变化过程并非单纯的定温凝结过程，而是等压降温和等压冷凝过程。所以，制冷剂在蒸发器和冷凝器中进行的状态变化过程是等压换热。
综合上述，蒸气压缩式制冷的理论循环由等熵压缩、等压冷凝、等焓节流和等压蒸发四个过程组成。
1→2表示制冷剂在压缩机中等熵压缩。制冷剂的压力由蒸发压力p升高到冷凝压力p，温度由蒸发温度T升高到冷凝温度T，成为0k0kp压力下的过热蒸气。k
2→2'→3表示制冷剂在冷凝器中等压冷凝放热。其中2→2'为过热蒸气冷却为饱和蒸气，放出显热；2'→3为饱和蒸气冷凝为饱和液体，放出潜热。
3→4表示制冷剂在节流阀中等焓节流。节流后，制冷剂压力由冷凝压力p降到蒸发压力p，温度由冷凝温度T降到蒸发温度T（因k0k0部分液体汽化所致），但焓值不变。
4→1表示制冷剂在蒸发器中等压汽化吸热。
显然，上述制冷过程是经过简化后的理论制冷循环，与实际情况还是有偏差的，但便于进行分析研究，且可作为讨论实际循环的基础，因此单独加以详细分析和讨论。1.3.2 理论制冷循环热力计算
对一个制冷循环进行热力计算，主要目的在于设计一个经济性高的制冷系统，使之运行安全、稳定、节能。而一个最简单的制冷系统由压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器四个设备组成，这四个设备怎样选用，它们之间能否匹配，这些问题都与设备的选型参数有关，这就需要对这个制冷循环进行定量计算，即热力计算。进行制冷循环的热力计算之前，首先应确定制冷循环的工作参数，即确定制冷循环的工作压力和工作温度，其中主要为蒸发温度和冷凝温度；然后确定完成制冷循环的制冷剂，在该制冷剂的压焓图上绘制制冷循环过程，确定循环各有关状态点的参数值；最后计算出制冷循环的性能指标，为制冷设备选择提供原始数据。（1）确定制冷循环的工作参数
①蒸发温度t：即制冷工质在蒸发器中汽化吸热时的温度。它主0要取决于被冷却介质的温度、冷却方式和蒸发器的结构形式，取值方法见表1-1。表1-1 蒸发温度的确定
②冷凝温度t：即制冷工质在冷凝器中凝结放热时的温度。它取k决于当地气象、水文条件、选用冷却介质和冷凝器的结构形式，取值方法见表1-2。表1-2 冷凝温度的确定 （2）绘制制冷循环的压焓图
选用已确定的制冷剂的压焓图，根据工作参数在压焓图上绘制蒸气压缩式制冷的理论循环，如图1-10所示：图1-10 蒸气压缩式制冷理论循环
①在压焓图上绘出冷凝压力p和蒸发压力p等值线。k0
②状态点1表示蒸发器出口和进入压缩机的制冷剂的状态。它是蒸发压力p下的干饱和蒸气，在压焓图上为蒸发压力p等值线与干饱00和蒸气线的交点。
③状态点2表示压缩机排气及进入冷凝器的制冷剂状态。它是冷凝压力p下的过热蒸气，在压焓图上为状态点1在过热蒸气区沿等熵k线与冷凝压力p等值线的交点。k
④状态点3表示制冷剂离开冷凝器的状态。它是冷凝压力p下的k饱和液体，在压焓图上为冷凝压力p等值线与饱和液体线的交点。k
⑤状态点4表示制冷剂离开节流阀进入蒸发器的状态。它是蒸发压力p下的湿蒸气，在压焓图上为状态点3在湿蒸气区沿等焓线与蒸0发压力p等值线的交点。0
⑥将状态点1、2、3、4、1连成一个回路，就是一个完整的制冷理论循环。过程线1→2为压缩机等熵压缩过程，通过消耗外功使制冷剂压力、温度升高；过程线2→3为制冷剂在冷凝器中等压冷凝过程，过热蒸气区部分为冷却过程，放出过热热量，温度降低，两相区部分为冷凝过程，放出冷凝潜热，温度不变；过程线3→4为节流阀的等焓节流过程，节流前后制冷剂的焓值不变，压力、温度降低，并有部分液体制冷剂闪发成饱和蒸气（闪发蒸气），由于节流过程是不可逆过程，因此一般在图上用虚线表示；过程线4→1为制冷剂在蒸发器中等压蒸发过程，在这一过程中利用制冷剂液体在低压低温下汽化吸收被冷却物体的热量使其温度降低而达到制冷的目的。（3）单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
在压焓图上绘制好制冷循环后，就可以查出四个状态点的状态参数。一般制冷循环的热力计算需要已知的状态参数主要有四个状态点的焓值h、h、h、h（其中h=h），和压缩机吸气点的比容ν。1234341
①单位质量制冷量q：即1kg制冷剂在蒸发器内完成一次制冷循0环所制取的冷量。该值与蒸发器的制冷量有关，折算为蒸发器制冷量Q，这是蒸发器的选型参数——蒸发面积的计算依据。0q=h-h （kJ/kg） （1-6）0143
②单位容积制冷量q：即制冷压缩机每吸入1m制冷剂蒸气在该v制冷系统内所能制取的冷量。该值能够评价在制取一定冷量时制冷系统体积的大小。 （1-7）3式中 ν——压缩机吸入制冷剂蒸气的比容，m/kg。1
③制冷剂质量流量M：制冷系统中制冷剂每秒流通的制冷剂质R量，主要针对液态制冷剂。该值可将制冷系统中的各个参数单位量，折算为总量。 （1-8）式中 Q——制冷系统的制冷量，kW。0
④制冷剂体积流量V：制冷系统中压缩机每秒吸入的气体制冷R剂体积量，针对的是制冷剂气体。假定制冷系统没有泄漏，该值也称为压缩机实际输气量，它与压缩机的选型参数——压缩机理论输气量V有着直接关系。h （1-9）
⑤单位冷凝热负荷q：即1kg制冷剂在冷凝器内对外所释放的热k量。该值与冷凝器选择计算有关。 （1-10）
⑥冷凝器热负荷Q：单位时间冷凝器与冷却介质进行热交换k量。该值是计算冷凝器的设计选型参数——冷凝换热面积的依据。Q=Mq （kW） （1-11）kRk
⑦单位理论功w：制冷压缩机每压缩1kg制冷剂蒸气所消耗的功。0该值与制冷压缩机及其配备电动机选择计算有关。w=h-h （kJ/kg） （1-12）021
⑧压缩机理论耗功率P：制冷压缩机在压缩制冷剂蒸气过程中th所消耗的功率。功率是制冷压缩机匹配的电动机的选型参数。P=Mw=M（h-h） （kW） （1-13）thR0R21
⑨理论制冷系数ε：指理论制冷循环中，制冷系统制取冷量与所0消耗功率的比值。该值评价制冷系统的经济性，即投入多少功率，能产出多少冷量。 （1-14）
⑩热力完善度η：表示理论制冷循环接近理想制冷循环的程度。 （1-15）
例1-1 某空气调节系统需制冷量20kW，假定循环为单级蒸气压缩式制冷理论基本循环，且选用氨作为制冷剂，工作条件为：蒸发温度t=5℃，冷凝温度t=40℃。试对该理论制冷循环进行热力计算。0k
解 工作条件：蒸发温度t=5℃，冷凝温度t=40℃0k图1-11 例题1-1图
在制冷剂氨的压焓图上画出相应的制冷循环（图1-11）：根据t=5℃和t=40℃在压焓图上绘制两条等压线，与两条饱和线分别交0k出制冷压缩机吸气点1和冷凝器出液点3，过点1作等熵线得制冷压缩机排气点2，过点3作等焓线得蒸发器入口点4，1→2→3→4→1组成该理论制冷循环。
在氨的压焓图上查取相应的热力状态参数值：
h=1461.69kJ/kg1
h=1633.47kJ/kg2
h=h=390.25kJ/kg343
v=0.24114m/kg1
①单位质量制冷量：q=h-h=1461.69-390.25=1071.44 （kJ/kg）014
②单位容积制冷量：
③质量流量：
④体积流量：3V=Mν=0.0187×0.24114=0.00450 （m/s）RR1
⑤单位冷凝热负荷：q=h-h=1633.47-390.25=1243.22 （kJ/kg）k23
⑥冷凝器热负荷：Q=Mq=0.0187×1243.22=23.248 （kW）kRk
⑦单位理论功：w=h-h=1633.47-1461.69=171.78 （kJ/kg）021
⑧压缩机理论耗功率：P=Mw=M（h-h）=0.0187×171.78=3.212 （kW）thR0R21
⑨理论制冷系数：
⑩热力完善度：
讨论 制冷理论循环中，q+w=q00k
Q+N=Q00k
符合能量守恒的基本原则。
例1-2 某冷水机组制冷量20kW，采用R407C做制冷剂，要求将冷冻水水温由12℃降至7℃，冷却水水温由32℃升至37℃。不考虑其他实际因素影响，试对该冷水机组的理论制冷循环进行热力计算。
解 工作条件由表1-1和表1-2可得：
蒸发温度：
冷凝温度：
h=412.4kJ/kg1
h=436.2kJ/kg2
h=h=255.5kJ/kg343
v=0.0407m/kg1
①单位质量制冷量：q=h-h=412.4-255.5=156.9 （kJ/kg）014
②单位容积制冷量：
③质量流量：
④体积流量：3V=Mν=0.1274×0.0407=0.0052 （m/s）RR1
⑤单位冷凝热负荷：q=h-h=436.2-255.5=180.7 （kJ/kg）k23
⑥冷凝器热负荷：Q=Mq=0.1274×180.7=23.02 （kW）kRk
⑦单位理论功：w=h-h=436.2-412.4=23.8 （kJ/kg）021
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]