制冷循环及其基本参数
一、制冷循环原理
1.蒸气压缩式制冷循环原理
制冷设备的制冷过程是由压缩机使制冷系统内的制冷剂发生流动，并在密闭系统的循环中产生状态变化，即吸热及放热的过程。制冷剂是制冷设备完成制冷循环的工作介质。在蒸气压缩式制冷循环中，制冷剂与压缩机、冷凝器、毛细管及蒸发器等部件构成了制冷系统，通过制冷系统及一定的电能消耗使制冷剂在系统内循环流动，周期性地发生从蒸气到液体，再由液体变成蒸气的状态变化。
目前制冷与空调设备大多采用蒸气压缩式制冷方式和吸收式制冷方式，其中前者技术成熟、设备造价低廉，在工程中得到广泛应用。
蒸气压缩式制冷循环是利用压缩机对制冷剂进行压缩，把制冷剂由低压低温蒸气压缩为高压高温蒸气，并驱动制冷剂在一个密闭的系统内循环。单级蒸气压缩式制冷循环是指循环过程只经过一个压缩机即可完成制冷剂气—液一气的转换。从压缩机中排出的制冷剂蒸气在冷凝器中通过冷却介质的冷却而冷凝成高温高压的液体，放出大量的液化潜热。这种液体经过节流装置减压降温变成低压低温的液体，然后进入蒸发器，吸收其周围被冷却物质的热量，蒸发为低压低温的制冷剂气体，接着重新被制冷压缩机吸入，开始下一个制冷循环。即一个制冷循环所经历的四个过程为压缩、冷凝、节流、蒸发，如图2-5所示。
2.制冷系统组成
一个制冷循环过程中，系统中的各部件所起的作用各不相同，各自的工作原理对应着不同的结构类型。
(1)压缩机
压缩机是制冷系统中的一个重要组成部件，它为制冷剂的循环提供动力。人们形象地称制冷剂是制冷系统中的血液，压缩机是制冷系统中的“心脏”。根据工作原理，压缩机分为以下几种形式：往复活塞式、连杆活塞式、曲轴连杆活塞式、曲柄连杆活塞式、电磁振动活塞式、曲柄滑管式、旋转式转子刮板式、离心刮板式、涡旋式。
活塞式压缩机从吸气口吸进低压低温的制冷剂蒸气，活塞的往复运动对制冷剂气体进行压缩，使低温低压的制冷剂蒸气变成高温高压的过热蒸气，并从压缩机排气口排出。压缩的目的，一方面是使蒸气的压力高于冷凝温度所对应的压力，从而保证制冷剂蒸气能在常温下液化；另一方面是压缩机的吸、排气口的较高压差使得制冷剂得以循环流动，使制冷过程能连续进行。
(2)冷凝器
冷凝器是将制冷剂在制冷系统内吸收的热量传递给周围介质的热交换器。由压缩机中排出的高压过热蒸气进入冷凝器中，经过散热、冷却，冷凝成液体。
冷凝器可按冷却介质分为两类，一类为风冷式，包括强制风冷式和自然对流风冷式；另一类为水冷式。工业与小型制冷空调设备，大多采用水冷式和强制风冷式。家用制冷与空调设备中，电冰箱采用自然对流风冷式，空调器则采用强制风冷式。
(3)节流装置
节流装置的作用是节流降压，使从冷凝器来的高压制冷剂液体压力降到与蒸发温度相对应的蒸气压力。在实际应用中，通常采用毛细管或膨胀阀作为节流装置。毛细管细而长，膨胀阀开启度小。制冷剂流过节流装置时流动速度将加快，毛细管或膨胀阀的两端将形成较大的压差，制冷剂流量也将受到控制。由于经过节流装置压力下降，则制冷剂蒸发温度相应下降，同时由于制冷剂流量减小，制冷剂在蒸发器内可以充分吸热蒸发。
(4)蒸发器
蒸发器是将蒸发器周围的热量传递给制冷剂的热交换装置。液态制冷剂在蒸发器中吸收周围热量蒸发成为气态制冷剂。制冷剂在蒸发器中沸腾汽化时从被冷却空间介质吸收的热量，称为制冷系统的制冷量。蒸发器通常由一组或几组盘管组成。为了提高传热效果，在盘管上附加翅片。
制冷系统制冷量的大小与蒸发器的面积大小、蒸发器内液态制冷剂的多少、制冷剂蒸发温度及周围介质的温差有关。蒸发器面积越大，换热温差越大，制冷量相应增加。同时，制冷系统需要向蒸发器供给适量的制冷剂液体。
3.其他几种制冷形式
(1)吸收式制冷循环
吸收式制冷循环使用两到三种制冷剂和吸收剂组成的溶液，由溶液的正循环和制冷剂的逆循环给予实现。主要由发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、溶液泵及节流器组成。
吸收式制冷是以二元溶液作为工质，利用溶液在一定条件下能析出低沸点组分的蒸气，在另一条件下又能强烈地吸收低沸点组分的蒸气这一特性，实现低沸点物质的汽化、吸收、冷凝、再汽化的制冷循环。其中低沸点溶液为制冷剂，高沸点溶液为吸收剂。吸收式制冷中使用的溶液主要有氨水溶液(NH₃·H₂O)和溴化锂水溶液(LiBr·H₂O),
前者多用于低温制冷系统，后者多用于空调制冷系统。
在吸收器中充有氨水稀溶液，用它来吸收从蒸发器流过来的氨气。溶液吸收氨气的过程是放热过程。因此，吸收器必须被冷却。吸收氨以后，氨水溶液就变成浓溶液。溶液泵使浓溶液提高压力，然后通过热交换器进入发生器。在发生器中溶液被加热到制冷剂沸腾。由于氨的沸点低，加热产生的氨气经过精馏后几乎是纯氨气，然后被送入冷凝器中冷凝。冷凝后的氨，经过节流阀I,进入蒸发器汽化吸热(制冷)后流回到吸收器。这样，制冷剂氨在完成一个流动循环的过程中，达到了在蒸发器处吸热制冷的目的。
在发生器中溶液被加热，由于氨的大量蒸发而变成稀溶液，它再通过热交换器和节流阀Ⅱ返回到吸收器，以便再次吸收氨气。为了保证发生器与吸收器之间的压力差，在它们的连接管道上安装了节流阀Ⅱ。
对发生器加热的方法可以采用蒸汽加热，也可以采用燃油、煤或天然气的方法直接加热。
吸收式制冷循环也包括高压制冷剂蒸气的冷凝过程、制冷剂液体的节流过程及其在低压下的蒸发过程。这些过程同压缩式制冷循环一样，所不同的是后者依靠压缩机的作用使低压制冷剂蒸气复原为高压蒸气，而在吸收式制冷机中则依靠发生器来完成。
(2)蒸汽喷射式制冷循环
蒸汽喷射式制冷循环是以高压水蒸气为工作动力的循环。在循环中，锅炉、凝水器(冷凝器)、喷射器、凝水泵组成热动力循环(正向循环);喷射器、冷凝器、节流器、蒸发器组成制冷循环(逆向循环)。正向循环与逆向循环通过喷射器、冷凝器互相联系。
锅炉提供的高温高压的水蒸气称为工作蒸汽，工作蒸汽被输送至蒸汽喷射器(主喷射器),在喷嘴中绝热膨胀并迅速降压而获得很大的流速(>1000m/s)。
在蒸发器中由于制取冷量而汽化的水蒸气被引入喷射器的混合室中，与绝热膨胀后的高速蒸汽混合，一同进入扩压管中，混合蒸汽在扩压管中将动能转变为势能而被压缩至相应的冷凝压力，然后进入冷凝器向环境介质放出热量，由冷凝器引出的凝结水分为两路，一路经节流器I节流降压到蒸发压力后在蒸发器中汽化吸热，另一路经冷凝水泵送回锅炉继续加热循环。
(3)半导体制冷
半导体制冷是应用半导体材料的珀尔帖效应实现的。珀尔帖效应指在两个不同导体A、B组成的回路中，通过直流电I时，在回路的一个接点处除产生焦耳热外，还会释放出某种其他热量，而在另一接点处出现吸收热量的现象，如图2-9所示。图中TL、Q0。分别是吸热端的温度和热量。TH、QH分别是放热端的温度和热量。
半导体制冷由热电堆、热交换器、壳体、附件和温控系统组成。热电堆的冷端通过热交换器吸收冷却空间和物品的热量，这部分热量就是半导体制冷的制冷量。热电堆产生的热量连同制冷吸收的热量通过热电偶被传送到热电堆的热端。在热电堆的热端，通过热交换器向冷却水或空气散热，从而将冷却空间或物品的热量转移到周围环境中去。温控系统用来调节制冷系统的工作，使冷却空间和物品保持稳定的温度。
半导体制冷采用半导体元件，不使用制冷剂，因此没有运动部件，也没有磨损、振动和噪声，工作可靠并且不受重力影响，改变电流方向即可从制冷工况转移到制热工况。但半导体制冷效率较低，适宜于要求消除振动和噪声的工作环境、高压或水下环境以及失重和移动的环境。
二、制冷状态及其参数
在整个制冷循环过程中，制冷剂在蒸发器等设备中的状态及状态参数是制冷与空调作业人员应该掌握的基本概念。
1.蒸发和沸腾
物质从液态变为气态的现象，称为汽化。汽化有两种方式，即蒸发和沸腾。日常生活中，洗过的衣服经过一段时间的晾晒就干了，这是因为衣服表面的水分变成水蒸气跑到空气中的缘故；人出汗后被风扇一吹感觉凉爽，也是由于汗液蒸发时带走了一部分热量。仅在液体表面发生的汽化现象，称为蒸发。各种液体可以在任何温度下蒸发。蒸发过程为吸热过程。蒸发过程的快慢与该液体所处的环境温度、自身蒸发面积以及液面周围空气流动速度、空气的相对湿度等因素有关。
沸腾是一种液体表面和内部同时进行的汽化现象。当在一定压力下，任何一种液体只有达到与该压力相对应的温度时才会沸腾。沸腾时的温度称为沸点。不同的液体沸点也不相同。沸点与压力有关，压力越大，沸点越高；压力越小，沸点越低。
蒸发和沸腾虽然是两个不同的物理现象，但其实质是相同的，即都是部分液体分子吸收足够的热量而获得逸出功，并脱离液体表面进入空气中的过程。
制冷剂在蒸发器内不断吸收周围空气或水的热量，由液态制冷剂汽化为蒸气，常称为蒸发，但实际上是一个沸腾过程。当蒸发器内的压力一定时，制冷剂的汽化温度就是与其对应的沸点，在制冷技术中将蒸发压力所对应的温度称为蒸发温度。液体在沸腾时，虽然继续吸热，但其温度不再升高。例如在标准大气压下，氟利昂制冷剂R12在蒸发器内沸腾，其温度一直保持在-29.8℃。蒸发温度对应的压力称为蒸发压力。
2.冷凝
冷凝过程也称液化过程，即物质由气态变为液态的现象。气体的冷凝或液化过程一般属于放热过程，是汽化过程的逆过程。如水蒸气遇到较冷的物体会凝结成水滴；气态制冷剂被压缩机压缩到冷凝器后，通过冷凝器壁向其周围空气放出大量的热量变成液态制冷剂，供制冷系统循环使用。
气态制冷剂冷凝液化时的温度称为冷凝温度，此时的压力称为冷凝压力。
制冷系统内制冷剂的蒸发和冷凝都是在饱和状态下进行的。蒸发温度、蒸发压力和冷凝温度、冷凝压力分别是指相应状态下的饱和温度、饱和压力。
3.饱和温度和饱和压力
如图2-10所示，装在一密闭容器里的液体被加热汽化时，其液态分子变成气态脱离液面，使密闭容器的蒸气分子密度增大，同时做无规则运动。当蒸气分子浓度增高到一定程度时，汽化逸出的分子数便不再增加，这种状态称为饱和状态。
密闭容器内处于饱和状态的液体称为饱和液体；处于饱和状态的蒸气称为饱和蒸气。
(1)饱和温度
当液体与气体处于共存状态时，气、液彼此相互转换的饱和状态下的饱和蒸气温度和饱和液体温度是相同的，该温度称为饱和温度。
(2)饱和压力
在同一饱和状态下，饱和蒸气的压力和饱和液体的压力是相同的，该压力称为饱和压力。
饱和温度和饱和压力不是一定值，它随着工质吸收或放出热量的多少而发生相应的变化，但是工质的饱和压力和饱和温度是一一对应的，即工质在饱和状态下，有一饱和压力必对应一饱和温度。如水在1大气压下的饱和温度为100℃,水在100℃时的饱和压力就是1大气压；而在高原地区，由于空气压力低于1大气压，相应的水不到100℃就会沸腾汽化，即在此地区空气压力下，水的饱和温度低于100℃,其饱和压力也比1大气压低。同一工质，随着压力的升高，饱和温度也升高，温度升高对应的饱和压力也增大。
液态工质在饱和压力下沸腾汽化时维持不变的温度称为沸点；气态工质在饱和压力下冷凝液化时所维持不变的温度称为液化点。在制冷技术中，沸点即工质在饱和压力下的蒸发温度；液化点即工质在饱和压力下的冷凝温度。蒸发和冷凝都是在饱和温度下进行的，压力越低，饱和温度也越低。在制冷过程中，保持较低的压力，可使制冷剂在低温下进行蒸发而吸收周围介质的热量，从而起到降低环境温度的作用。提高制冷剂的饱和压力，可使其在较高的温度下进行冷凝，从而使较高温度的制冷剂蒸气在冷凝过程中向周围环境放出热量。
4.单级蒸气压缩制冷循环过程
单级蒸气压缩制冷循环是指用一台制冷压缩机对制冷剂蒸气只进行一次压缩的制冷循环，如图2—11所示。图中px、t分别表示制冷剂的冷凝压力、冷凝温度。Po、to分别表示制冷剂的蒸发压力、蒸发温度。
(1)绝热压缩过程
图2—11中点1表示制冷剂进入压缩机吸气口时的状态，它位于压力为p₀的等压线与干度为1的蒸气线交点处，制冷剂处于温度为蒸发温度的干饱和蒸气状态。点2表示制冷剂从压缩机排出时的状态，也为刚进入冷凝器时的状态。
过程1-2为压缩过程。它表示制冷剂蒸气在压缩机中压缩成高压、高温的蒸气，其焓值由i1提高到i₂,所以点2处制冷剂为过热蒸气状态。由于不考虑其他能量损失，所以此压缩过程理论上分析是绝热压缩过程。
(2)等压冷凝过程
点2'是压力为pk的等压线与干度为1的饱和蒸气线的交点。它的温度是冷凝温度tk。点3表示制冷剂流出冷凝器进入节流阀前的状态，该点处于等压线Pr与干度为零的饱和液相线的交点处，其温度为tk。
过程2-2'-3说明制冷剂压力始终为ph,在冷凝器中进行等压冷却，等压冷凝，使制冷剂蒸气不断向外界放出大量的热，逐渐变为液态。其中2—2'为等压冷却过程，此时制冷剂物态不发生变化，只是温度下降。2'-3为等压冷凝过程，此时制冷剂物态发生变化，由气态变为液态，而温度不变。随着冷凝过程的进行，制冷剂在饱和区内干度逐渐下降，饱和蒸气逐渐减少，而饱和液体逐渐增加。由于饱和区内饱和压力和饱和温度是一一对应的，因此等压冷凝过程也是等温冷凝过程。
(3)等焓节流过程
点4表示制冷剂流出节流装置开始进入蒸发器时的状态。点4是过点3的等焓线与等压线po的交点。
过程3—4通过节流装置使制冷剂压力从pk降至p0,温度由t降至t0,并成为气、液两相状态。由于节流前后理论上焓值不变，所以此过程称为等焓节流过程。另外节流过程中会有少量液态制冷剂汽化，因此节流装置出口(也是蒸发器入口)处点4表示的制冷剂状态为含有少量蒸气的液态。
(4)等温蒸发过程
过程4—1为制冷剂在蒸发器中的汽化过程，液体制冷剂在蒸发器内不断汽化吸收其周围介质的热量，焓值不断增加，饱和液体逐渐减少，饱和蒸气逐渐增多，直至制冷剂全部蒸发为止，即重新达到干度为1的饱和蒸气状态点1之后，再次被压缩机吸入而进入下一次制冷循环。
三、制冷剂的蒸气状态参数
1.制冷剂的压一焓图及状态参数
蒸气压缩式制冷循环中，制冷剂在制冷系统中经历了汽化、压缩、冷凝、节流膨胀等状态变化过程。
(1)湿蒸气和干度
制冷剂在冷凝器或蒸发器的前端同时存在制冷剂的饱和气体和饱和液体，这种饱和液体和饱和气体的混合物称为湿蒸气。
在一定温度下，蒸气达到饱和状态时，只存在饱和蒸气而不存在饱和液体，称为干饱和蒸气，简称为干蒸气。蒸发器的末端和出口处，制冷剂通常处于干饱和蒸气状态。
湿蒸气中所存在的蒸气量与湿蒸气总质量的比值称为干度。干度表示湿蒸气中饱和蒸气含量的多少，用符号x表示。
x=mv/mw
式中 x——湿蒸气的干度；
mv——湿蒸气中的蒸气量，kg;
mw——湿蒸气的总质量，kg。
由干度定义可以看出：0≤x≤1。
当x=0时，制冷剂为饱和液体状态。
当0 当x=1时，制冷剂为干饱和蒸气状态。 在制冷系统的蒸发器中，制冷剂的饱和液体吸收热量逐渐汽化为饱和蒸气，干度逐渐增大；与此相反，在冷凝器中制冷剂饱和蒸气放出热量逐渐液化为饱和液体，干度逐渐减小。 (2)湿度 湿度是表示空气中含水蒸气量多少的物理量，分为绝对湿度和相对湿度两种。 绝对湿度是每立方米湿空气中含有的水蒸气量，单位为kg/m3。但绝对湿度使用起来不方便，因为水分蒸发和凝结时，湿空气中的水蒸气质量是变化的，而且湿空气的体积还随温度而变，因此即使水蒸气质量不变，由于湿空气的体积改变，绝对湿度也将相应地变化，因而不能确切地反映湿空气中水蒸气量的多少。 相对湿度是指某一温度时，空气中所含水蒸气质量与同一温度下空气中的饱和水蒸气的质量之比(以百分数表示)。相对湿度越小，蒸发越快，说明空气吸收水汽的能力强。反之，则说明空气吸收水汽的能力弱。 (3)过热蒸气 处于饱和状态下的制冷剂，在饱和压力不变的条件下，继续使饱和蒸气加热，使其温度高于饱和温度，此时制冷剂蒸气的状态称为过热状态。 过热状态时的蒸气称为过热蒸气。在压缩式制冷系统中，为避免压缩机吸人液态制冷剂而造成液击事故，通常要求压缩机吸入稍过热的蒸气，再经压缩机压缩排到冷凝器中。 过热蒸气的温度高于饱和压力所对应的饱和温度，它们的差值称为过热度。例如蒸发器中制冷剂的饱和温度(蒸发温度)为-20℃时，其蒸发压力为0.15MPa,若压缩机吸气温度为-15℃,则过热度为5℃。 (4)过冷液体 处于饱和状态下的制冷剂，在饱和压力不变的条件下继续冷却，使其温度低于饱和温度，此时制冷剂液体的状态称为过冷状态。过冷状态的液体称为过冷液体。过冷液体的温度低于饱和压力所对应的饱和温度，它们的差值称为过冷度。例如制冷压缩机空调工况规定制冷剂R22在冷凝器中冷凝液化时的温度为40℃,过冷温度为35℃,所以过冷度为这两者的差值5℃。 制冷剂液体在进入节流装置前要过冷，目的是在不增加制冷压缩机功耗的前提下，使制冷剂液体的温度低于饱和温度，因而可吸收相对更多的热量，同时可以减少节流过程中产生的闪发气体量，减小节流损失，从而提高单位制冷剂的制冷量，使制冷系统更经济有效地运行。 2.制冷剂的压一焓图(lgp—h图) (1)压一焓图的构成 制冷剂的状态参数如压力(p)、温度(t)、比体积(v)、比焓(h)中的任意两个参数均可构成热力图。以制冷剂绝对压力的对数值1gp为纵坐标，以制冷剂的比焓h(制冷剂的能量)为横坐标组成的热力图，即为制冷剂的压一焓图，如图2—12所示。 图中有一特殊点C,它表示制冷剂的临界状态，两条黑粗实曲线相交于此点。左边的黑粗实线是干度x=0的饱和液线，右边的黑粗实线是干度x=1的饱和蒸气线，也称干饱和蒸气线。饱和液线和干饱和蒸气线将整个图面分成三个区域： I区为饱和液线和干饱和蒸气线之间的区域，在此区域内制冷剂气液共存，故称为饱和区或湿蒸气区(x=0和x=1两条黑实线所围成的舌形线之内)。 Ⅱ区为干饱和蒸气线右方区域，称为过热蒸气区，制冷剂以蒸气状态存在。 Ⅲ区为饱和液线左方区域，称为不饱和液区或过冷区。 (2)制冷剂压—焓图中各线条所代表的意义 1)等压线p:等压线是将不同区域压力相等的点连成的直线。在压焓图上它是平行于横坐标的线簇，在饱和区(I区)内等压线也是等温线。 2)等温线t:等温线是将不同区域温度相等的点连成的线(图上为点画线)。等温线在过冷区内为垂直横坐标的线簇；在过热蒸气区内向下稍弯曲接近竖直的弧线簇；在饱和区内为平行横坐标的线簇，等温线也是等压线。等温线在不同区域的线型不同，查图时应注意。 3)等比体积线v:等比体积线是将不同区域比体积相等的点连成的线，它是向右上方稍弯曲向上的曲线簇。 4)等焓线h:等焓线是将不同区域焓值相等的点连成的直线，它是平行于纵坐标的线簇。 5)等熵线s:等熵线是将不同区域熵值相等的点连成的线，它是向右上方弯曲，但比等比体积线陡度大一些的曲线簇。 6)等干度线x:等干度线是将干度相等的点连成的线，它是自临界点向下方发散的曲线簇。它在饱和区内，边界线为干度是零的饱和液线和干度是1的干饱和蒸气线，自左向右由x=0逐渐增至x=1。
