蒸气压缩式制冷的热力学原理

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1、第一章蒸气压缩式制冷的热力学原理蒸气压缩式制冷原理就是利用液体气化时要吸收热量的这一物理特性来达到制冷的目的。在制冷装置中用来实现制冷循环的工作物质称为制冷剂或工质。在冷藏库中对食品的冷冻或冷藏，就是利用某一种液体（氨或氟利昂）气化时吸收库内空气和食品的热量来实现的。一、理想制冷循环卡诺循环分为正卡诺循环和逆卡诺循环。理想的制冷循环是按逆卡诺循环进行的。实现逆卡诺循环的重要条件：①高、低温热源温度恒定；②工质在冷凝器和蒸发器中与外界热源之间的换热无传热温差；③制冷工质流经各个设备时无摩擦损失及其它内部不可逆损失。逆卡诺循环是由两个定温和两个绝热过程组成。在湿蒸气区区域内进行的逆卡

2、诺循环的必要设备是压缩机、冷凝器、膨胀机和蒸发器，其制冷循环以及循环过程在T-S图上的表示如下页图1-1所示。第一节蒸气压缩式制冷的基本原理仅供教材参考，请勿他用图1-1逆卡诺循环过程第一节蒸气压缩式制冷的基本原理仅供教材参考，请勿他用制冷剂在逆卡诺制冷循环中包括四个热过程。1′—2′为绝热压缩过程，制冷剂由状态1′经过绝热压缩（等熵压缩）到状态2′，消耗机械功Wc，制冷剂的温度由To′升至Tk′。2′—3′为等温冷凝过程，制冷剂在TK′下向冷却剂放出冷凝热量qK，然后被冷却到状态3′。3′—4′为绝热膨胀过程，制冷剂由状态3′绝热膨胀（等熵膨胀）到状态4′，膨胀机输出功We，制

3、冷剂的温度由Tk′降到To′。4′—1′为等温吸热过程,制冷剂由状态4′等温To′下从被冷却物体中吸取热量qo（即制取单位制冷量qo），这时制冷剂又恢复到初始状态1′，这样便完成了一个制冷循环。如果循环继续重复进行，则要不断地消耗机械功，才能不断地进行制冷。第一节蒸气压缩式制冷的基本原理仅供教材参考，请勿他用在制冷循环中，制冷剂之所以能从低温物体（被冷却物体）中吸取热量qo送至高温物体（冷却剂），是由于消耗了能量（压缩功）的缘故。在逆卡诺循环中，1kg制冷剂从被冷却物体（低温热源）吸取的热量qo，连同循环所消耗的功∑W（即压缩机的耗功量Wc减去膨胀机膨胀时所作的功We）一起转移至

4、温度较高的冷却剂（高温热源），根据能量守恒，则qk=qo+∑W（1-1）∑W=Wc–We第一节蒸气压缩式制冷的基本原理仅供教材参考，请勿他用制冷循环常用制冷系数ε表示它的循环经济性能，制冷剂从被冷却物体中吸取的热量qo与循环中所消耗功∑W的比值称为制冷系数，即qoε=——∑W对于逆卡诺循环，1kg制冷剂从被冷却物体（低温热源）吸取的热量为qo=To′(Sa–Sb)向冷却剂（高温热原）放出的热量为qk=Tk′(Sa–Sb)制冷循环中所消耗的净功为∑W=qk–qo=（Tk′–To′）（Sa–Sb）则逆卡诺循环制冷系数：qoTo′(Sa–Sb)To′εc=———=———————————

5、=——————（1-2）∑ω（Tk′–To′）(Sa–Sb)Tk′–To′第一节蒸气压缩式制冷的基本原理仅供教材参考，请勿他用从公式（1-2）可知，逆卡诺循环的制冷系数只与被冷却物体的温度TO′和冷却剂的温度TK′有关，与制冷剂性质无关。当TO′升高，TK′降低时，εc增大，制冷循环的经济性越好。而且，TO′对εC的影响要比TK′大，这点通过公式（1-2）求两个偏导数的绝对值可以看出。аεcTo′———=————————аTk′（Tk′–To′）2аεcTk′———=————————To′（Tk′–To′）2由于Tk′>To′,所以аεcаεc———>———（1-3)а

6、To′аTk′第一节蒸气压缩式制冷的基本原理仅供教材参考，请勿他用由公式（1-3）可知，To′与Tk′对制冷系数ε的影响不是相等的，To′的影响大于TK′。图1-2有传热温差的制冷循环第一节蒸气压缩式制冷的基本原理仅供教材参考，请勿他用二、有传热温差的制冷循环前面讲过实现逆卡诺循环的一个重要条件是制冷剂与被冷却物和冷却剂之间必须在无温差情况下相互传热，而实际的热交换器总是在有温差的情况下进行传热的，因为蒸发器和冷凝器不可能具有无限大的传热面积。所以，实际有传热温差的制冷循环，制冷系数εC′不仅与被冷却物体温度TO′和冷却剂温度TK′有关，还与热交换过程的传热温差有关。例如被冷却物

7、体（如冷冻水）在蒸发器中的平均温度为To′，而冷却水在冷凝器中的平均温度为Tk′时，逆卡诺循环可用图1-2中的1′—2′—3′—4′—1′表示。由于有传热温差存在，在蒸发器内制冷剂的蒸发温度应低于TO′，即TO=TO′–△TO；而冷凝器内制冷剂的冷凝温度TK应高于TK′，即Tk=Tk′+△Tk。此时有传热温差的制冷循环可用图1-2中的1—2—3—4—1表示，所消耗的功量为面积12341，比逆卡诺循环多消耗的功可用2′233′2′和11′4′41表示，减少的制冷量为面积11′4′4