第一章 蒸汽压缩式制冷原理

一、蒸汽压缩式制冷的基本原理

1.1 热力学基本定律 必考

热力学第一定律：能量守恒和转换定律。

热力学第二定律：热量不可能自发地从低温物体传向高温物体。要实现制冷，必须消耗机械能、电能或热能作为补偿。

易错：制冷不是「创造冷量」，而是「搬运热量」。

1.2 逆卡诺循环 必考

定义：由两个定温过程和两个定熵过程组成的理想制冷循环。

四个过程：

• 1-2：定熵压缩，耗功 $w_1$，温度从 $T_0$ 升到 $T_k$
• 2-3：定温放热，$q_k = T_k(s_a - s_b)$
• 3-4：定熵膨胀，做功 $w_2$
• 4-1：定温吸热，$q_0 = T_0(s_a - s_b)$

制冷系数：

$$\varepsilon_c = \frac{q_0}{w} = \frac{T_0}{T_k - T_0}$$

含义：消耗单位功量所能获得的制冷量。只取决于 $T_0$（蒸发温度）和 $T_k$（冷凝温度）。$T_0$ 越高或 $T_k$ 越低，经济性越好。

易错：逆卡诺循环在湿蒸气区域进行，实际难以实现（湿压缩导致液击，无温差传热不现实，膨胀机不经济）。

1.3 有传热温差的制冷循环 重点

实际中蒸发器制冷剂温度 $T_0$ 低于被冷却介质温度 $T_0'$，冷凝器制冷剂温度 $T_k$ 高于冷却介质温度 $T_k'$。

热力完善度：

$$\eta = \frac{\varepsilon}{\varepsilon_c} \leq 1$$

$\eta$ 越接近1，实际循环越接近逆卡诺循环。

二、蒸汽压缩制冷理论循环

2.1 循环组成 必考

2.2 与逆卡诺循环的区别 重点

• 干压缩代替湿压缩（点1为干饱和蒸汽状态，避免液击）
• 节流阀代替膨胀机（节流损失，但结构简单）
• 定压过程代替定温过程（实际换热器中有温差）

三、压焓图（lg p-h 图）

3.1 压焓图要素 必考

口诀：一点、两线、三区、五状态

• 定压线：水平线
• 定焓线：垂直线
• 定干度线：湿蒸气区域内曲线
• 定熵线：向右上方大斜率曲线
• 定容线：向右上方小斜率曲线
• 定温线：垂直线（液相区）--> 水平线（两相区）--> 向右下方弯曲（过热区）

3.2 状态点确定 必考

易错：$h_3 = h_4$ 是因为节流等焓，不是因为温度相等。

四、热力计算

4.1 核心公式 必考

• 单位质量制冷量：$q_0 = h_1 - h_4$（kJ/kg）-- 1kg制冷剂在蒸发器中吸收的热量
• 单位体积制冷量：$q_v = q_0 / v_1 = (h_1 - h_4) / v_1$（kJ/m3）
• 单位冷凝负荷：$q_k = h_2 - h_3$（kJ/kg）
• 单位理论压缩功：$w_0 = h_2 - h_1$（kJ/kg）
• 制冷系数：$\varepsilon_0 = q_0 / w_0 = (h_1 - h_4) / (h_2 - h_1)$

4.2 流量与负荷计算 必考

• 质量流量：$M_R = \Phi_0 / q_0$（kg/s）
• 体积流量：$V_R = M_R \times v_1$（m3/s）
• 冷凝负荷：$\Phi_k = M_R \times q_k = M_R(h_2 - h_3)$（kW）
• 压缩机理论耗功率：$P_{th} = M_R(h_2 - h_1)$（kW）
• 制冷效率：$\eta_R = \varepsilon_{th} / \varepsilon_c$

4.3 课堂练习例题 必考

题目：某空调系统需要26kW制冷量，R22，$t_0=2°C$，$t_k=40°C$，无再冷，无过热。

已知：$h_1=405.8$，$h_2=433$，$h_3=h_4=250$，$v_1=0.044$

计算过程：

• $q_0 = 405.8 - 250 = 155.8$ kJ/kg
• $q_v = 155.8 / 0.044 = 3540.9$ kJ/m3
• $M_R = 26 / 155.8 = 0.1669$ kg/s
• $V_R = 0.1669 \times 0.044 = 0.007344$ m3/s
• $\Phi_k = 0.1669 \times (433-250) = 30.54$ kW
• $P_{th} = 0.1669 \times (433-405.8) = 4.54$ kW
• $\varepsilon_{th} = 26 / 4.54 = 5.727$
• $\eta_R = 5.727 \times (40-2) / (2+273.15) = 79.1\%$

五、循环改善方法

5.1 液体过冷 重点

定义：将节流前的液态制冷剂冷却到低于冷凝温度的状态。

效果：单位制冷量增加 $\Delta q_0 = c_p \cdot \Delta t_{gl}$，耗功不变，制冷系数增大。

实现方法：冷凝器后装过冷器、增大冷凝器面积、设回热器。

适用条件：$t_0 \leq -5°C$ 的大型装置才采用。

5.2 蒸气过热 重点

定义：压缩机吸气温度高于饱和温度。

两种过热：

• 有效过热：热量来自被冷却介质，制冷量增加
• 有害过热：热量来自环境，制冷量不变，耗功增加

过热度选择：氨 5~8°C，氟利昂不超过 15°C。

5.3 回热循环 重点

原理：冷凝后液体与蒸发后蒸气热交换，同时实现过冷和过热。

特点：氨不采用（制冷系数降低），适合氟利昂系统。

六、实际循环

6.1 实际循环特点 了解

• 压缩非定熵、非可逆
• 存在传热温差
• 存在节流损失和流动损失
• 系统存在不凝性气体

6.2 实际循环热力计算 重点

工作参数确定：

• 蒸发温度 $t_0$：空气 $t_0 = t_{空气} - (8\sim10°C)$，水 $t_0 = t_{水} - (4\sim6°C)$
• 冷凝温度 $t_k$：风冷 $t_k = t_{空气} + 15°C$，水冷 $t_k = t_{水} + (5\sim7°C)$
• 过冷温度：$t_{gl} = t_k - (3\sim5°C)$
• 吸气温度：氨 $t_{gr} = t_0 + (5\sim8°C)$，氟利昂 $t_{gr} \leq 15°C$