第一节 第一节 蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷

利用制冷剂液体在气化时（蒸发时）产生的吸热效应，达到制冷目的。

液体蒸发制冷的特征

液体蒸发制冷构成循环的四个基本过程是：

① 制冷剂液体在低压（低温）下蒸发，成为低压蒸气 ② 将该低压蒸气提高压在普通高压蒸气 ③ 将高压蒸气冷凝，使之成为高压液体 ④ 高压液体降低压力重新变为低压液体，返回到①从而完成循环。

制

冷

原

理

与

技

术

2.1.1 蒸气压缩式制冷循环

( 一 ) 单级蒸气压缩式制冷循环

1 ．朗肯循环2．劳伦茨循环3．跨临界循环

双筒型煤油燃烧器 釜式燃烧器 蒸发燃烧器 燃油喷雾燃烧器

（二）多级蒸气压缩式制冷循环

制

冷

原

理

与

技

术

2.1.1 蒸气压缩式制冷循环

制冷循环就是通过一定的能量补偿，从低温热源吸热，向高温热源排热。热源的温度决定制冷剂吸热与排热的温度与压力，相应地决定了制冷循环中的高低压侧的压力比。

制

冷

原

理

与

技

术

( 一 ) 单级蒸气压缩式制冷循环

容积式压缩机的单级压比受压缩机容积效率和压缩终了温度的制约

通常被限制在 8 ～ 10

离心式压缩机的单级压缩比受工质分子量大小与叶轮的周边速度制约

通常被限制在 2 ～ 4

制

冷

原

理

与

技

术

1 ．朗肯循环

单级蒸气压缩制冷的典型循环

空调、制冷、食品冷藏温度范围大量使用的循环

基本朗肯循环

有回热的朗肯循环

制

冷

原

理

与

技

术 图 2-1 基本朗肯循环

循环 T—S 图： 1—2 压缩过程 2—3 冷却冷凝过程

3—4 节流过程 4—1 蒸发吸热过程

朗肯循环图例T

S

1

2

4

3

制

冷

原

理

与

技

术 图 2-2 有回热的朗肯循环T—S 图： 1‘—2 压缩过程 2—3 冷凝过程 3—3’ 液体过冷过程

3 ＇— 4 节流过程 4 —1 蒸发过程 1—1 ＇ 吸气过热过程

T

S

1’

2

4

3’3

1

制

冷

原

理

与

技

术

制

冷

原

理

与

技

术

2 ．劳伦茨循环

朗肯循环的主要特征

循环中的两个相变过程变成伴随有降温的定压凝结和伴随有升温的定压蒸发。

有两个定压定温的相变过程与纯质制冷剂及共沸混合制冷剂的压力特性相适应。

劳伦茨循环

制

冷

原

理

与

技

术

劳伦茨循环图例

图 2-3 劳伦茨循环

T

S

1

2

4

3

制

冷

原

理

与

技

术

3 ．跨临界循环

将 CO2 作为制冷剂用于空调制冷的温度范围时，由于 CO2 的临界温度低（仅 30℃），排热将在超临界区进行。而吸热则在临界点以下进行，整个循环跨越临界点。

定义

制

冷

原

理

与

技

术 图 2-4 CO2 跨临界循环1—2 压缩过程； 2—3 气体冷却过程； 3—4 气体冷却过程； 4—5 节流过程；5—6 蒸发过程； 0—1 气体过热过程。

T

S

1

2

65

3

0

4

制

冷

原

理

与

技

术

制

冷

原

理

与

技

术

（二）多级蒸气压缩式制冷循环 单级蒸气压缩制冷机运行时制冷剂的冷凝压

力是由环境介质（如空气或水）温度所决定。

在一定的冷凝温度下

蒸发温度的降低

冷凝压力和蒸发压力之差（ pk-po ）增大

压缩比 pk / po 变大

制

冷

原

理

与

技

术

单级压缩循环所能达到的最低制冷温度是有限的。通常，最低只能达到 -40℃左右。原因 :

受单级活塞式压缩机的极限使用条件的限制。

我国活塞式制冷压缩机标准GB10875--89 中规定了不同制冷机使用温度在高温、中温和低温的不同温度范围。

制

冷

原

理

与

技

术

单级蒸气压缩活塞式制冷机，压缩比一般不超过 10 。当蒸发温度过低，超出极限使用条件时会带来如下问题：

(1) 压缩比增大时压缩机的输气系数 λ大为降低，压缩机的输气量及效率显著下降。(2) 压缩机排气温度过高，使润滑油的粘度急剧下降，影响压缩机的润滑。当排气温度与润滑油的闪点接近时，会使润滑油碳化，以致在阀片上产生结碳现象。

制

冷

原

理

与

技

术

所以，为了获得比较低的温度（－40 ～－ 70℃），同时又能使压缩机的工作压力控制在一个合适的范围内，就要采用多级压缩循环。

(3) 制冷剂节流损失增加，单位质量制冷量及单位容积制冷量下降过大，经济性下降。

制

冷

原

理

与

技

术

采用哪一种型式有利则与制冷剂种类、制冷剂容量及其它条件有关。常用的组成型式有：

1. 一级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环 （如图 2-5 所示）

2. 一级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环（如图 2-6 所示）

3. 两级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环 （如图 2-7 所示）

4. 两级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环（如图 2-8 所示） 5. 两级节流、具有中温蒸发器的中间完全冷却两级压缩制冷循环 （如图 2-9 所示）

制

冷

原

理

与

技

术图 2-5 一级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环 ( a ) 流程图 b ) lgp-h 图

制

冷

原

理

与

技

术

制

冷

原

理

与

技

术图 2-6 一级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环

( a ) 流程图 ( b ) lgp-h 图

制

冷

原

理

与

技

术

制

冷

原

理

与

技

术图 2-7 　两级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环

( a ) 流程图 ( b ) lgp-h 图

制

冷

原

理

与

技

术

制

冷

原

理

与

技

术图 2-8 两级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环

( a ) 流程图 ( b ) lgp-h 图

制

冷

原

理

与

技

术

制

冷

原

理

与

技

术图 2-9 两级节流、具有中温蒸发器的中间完全冷却两级压缩制冷循环

( a ) 流程图 ( b ) lgp-h 图

制

冷

原

理

与

技

术

制

冷

原

理

与

技

术

（四）复叠式蒸气压缩式制冷循环

由两个（或数个）不同制冷剂工作的单级（也可以是多级）制冷系统组合而成。

定义

制

冷

原

理

与

技

术

最低蒸发温度

制冷剂 制冷循环型式

-80℃ R22-R23 R22 —单级或两级压缩 R23单级压缩组合的复叠式循环

R507-R23 R507 —单级或两级压缩 R23单级压缩组合的复叠式循环

R290-R23 R290 —两级压缩 R23单级压缩组合的复叠式循环

-100℃ R22-R23 R22 —两级压缩 R23单级或两级压缩组合的复叠式循环

R507-R23 R507 —两级压缩 R23单级或两级压缩组合的复叠式循环

R22-R1150 R22 —两级压缩 R1150单级压缩组合的复叠式循环

R507-R1150 R507 —两级压缩 R1150单级压缩组合的复叠式循环

-120℃ R22-R1150 R22 —两级压缩 R1150两级压缩组合的复叠式循环

R507-R1150 R507 —两级压缩 R1150两级压缩组合的复叠式循环

R22-R23-R50 R22 —单级压缩 R23 —单级压缩 R50单级压缩组合的复叠式循环

R507-R23-R50 R507 —单级压缩 R23 —单级压缩 R50单级压缩组合的复叠式循环

制

冷

原

理

与

技

术

1. 两个单级压缩循环组成的复叠式制冷机

高温压缩机

冷凝器

节流阀

冷凝蒸发器

高温系统

制冷剂 R23

制

冷

原

理

与

技

术

压缩机

冷凝蒸发器

回热器

节流阀

蒸发器

膨胀容器组成

低温系统

制冷剂 R22

制

冷

原

理

与

技

术

图 2-10 　 由两个单级系统组成的复叠式制冷机 a) 制冷循环系统 b) T-s 图

制

冷

原

理

与

技

术

制

冷

原

理

与

技

术

2. 一个两级压缩循环和一个单级压缩循环组成的复叠式制冷机

高温部分

一级节流

中间不完全冷却

节流前液体过冷

带回热的两级压缩循环

制

冷

原

理

与

技

术

R22 或 R507

低温部分 带回热的单级压缩循环

制冷剂低温

高温

最低蒸发温度可达 -110℃

R23 或 R1150

制

冷

原

理

与

技

术图 2-11 高温部分为两级压缩循环、低温部分为单级压缩循环组成的复叠式制冷循环系统原理图 a1— 低温部分压缩机 a2— 高温部分低压级压缩机 a3— 高温部分高压级压缩机 b— 冷凝器 c1、 c2、 c3— 节流阀 d— 蒸发器 d12冷凝 - 蒸发器 e1— 低温部分气 - 液热交换器 e2— 高

温部分气 - 液热交换器 f— 高温部分中间冷却器

制

冷

原

理

与

技

术图 2-12 高温部分为两级压缩循环、低温部分为

单级压缩循环组成的复叠式制冷循环 lgp-h 图(a) 高温部分 (b) 低温部分

制

冷

原

理

与

技

术

3. 三个单级压缩循环组成的复叠式制冷机

循环 中温高温

低温

中温 R23

高温 R22 或 R507

低温 R50 、 R1150 或 R170

制冷剂

最低蒸发温度可达－ 120℃～－ 140℃

制

冷

原

理

与

技

术

制

冷

原

理

与

技

术

制

冷

原

理

与

技

术

开式半开式

4. 用 CO2 作为第二制冷剂的复叠式制冷机

二氧化碳 液体 干冰冷凝 节流降压

制冷机

制

冷

原

理

与

技

术

图 2-14 CO2 的压力—焓示意图

制

冷

原

理

与

技

术图 2-15 生产干冰的复叠式循环原理图及温熵

图(a) 系统原理图 (b) T-S 图

制

冷

原

理

与

技

术