本章提示：

　　重点掌握：蒸气压缩式制冷和蒸气吸收式制冷的热力学原理，系统组成，制冷循环及制冷机特性的理论分析和计算。

　　一般掌握：蒸气喷射式、吸附式制冷的制冷方法。

　　　　＊　　　　　＊　　　　　＊　　　　　＊

　　物质有三种集态气态、液态、固态。物质集态的改变称之为相变。相变过程中，由于物质分子的重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量。这种热量称作潜热。物质发生从质密态到质稀态的相变是将吸收潜热；反之，当它发生有质稀态向质密态的相变时，则放出潜热。

　　物质相变制冷是利用液体在低温下的蒸发过程及固体在低温下的熔化或升华过程向被冷却物体吸收热量---即制冷量。因此，相变制冷分为液体气化制冷与固体熔化与升华制冷，由于液体自身具有流动性，液体气化制冷是广泛应用的。液体汽化成蒸气的过程吸收热量，从而达到制冷的目的，为了使其连续不断地工作，成为一个循环，便必须使制冷剂在低压下蒸发汽化、蒸气升压、高压气体液化和高压液体降压。

　　蒸气压缩式制冷、吸收式制冷、蒸气喷射式和吸附式制冷都具备上述四个基本过程，属于液体汽化制冷。

1.1.1制冷的基本热力学原理

　 　从热力学角度说，制冷系统是利用逆向循环的能量转换系统。按补偿能量的形式（或驱动方式），前面所提及的制冷方法归为两大类：以机械能或电能为补偿的和以热能为补偿的。前者如蒸气压缩式、热电式制冷机等；后者如吸收、蒸气喷射、吸附式制冷机等。
两类制冷机的能量转换关系如图1所示。

图1 制冷机的能量转换关系
(a) 以电能或机械能驱动的制冷机　　　　　　　　(b) 以热能驱动的制冷机

　　热力学关心的是能量转换的经济性，即花费一定的补偿能，可以收到多少制冷效果（制冷量）。为此，对于机械或电驱动方式的制冷机引入制冷系数 来衡量；对于热能驱动方式的制冷机，引入热力系数来衡量。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 (1)　
　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　 (2)

式中 ----- 制冷机的制冷量；
―― ------ 冷机的输入功；
―― ----- 驱动热源向制冷机输入的热量。

　 　国外习惯上将制冷系数和热力系数统称为制冷机的性能系数COP(Coefficience of Performance)。我们要研究一定条件下COP的最高值。

　　对于电能或机械能驱动的制冷机，参见图1(a)。制冷机消耗功w实现从低温热源（被冷却对象，温度）吸热，向高温热源（通常为环境，温度 ）排热。假定两热源均为恒温热源，向高温热源的排热量为 ，由低温热源的吸热量（即制冷量）为，制冷机为可逆循环。

　 　由热力学第一定律有

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 　 　　　　　(3)　　

　 　由热力学第二定律，在两个恒温热源间工作的可逆机，一个循环的熵增等于零，即
　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　 　 　 　　 　 　　(4)

　 　将式(3)代入式(4)得　　　　　　　　　　

即　　　　　　　　　　　　　　 　　　 　　　　　　　　　　　　　　(5)

　 　由定义式(1)，则可逆制冷的制冷系数为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (6)

　 　式(6)说明：①两恒温热源间工作的可逆制冷机，其制冷系数只与热源温度有关，而与制冷机使用的制冷剂性质无关。② 的值与两热源温度的接低程度有关， 与 越接近（ /越小），则 越大；反之 越小。实际制冷机制冷系数 随热源温度的变化趋势与可逆机是一致的。

　 　对于以热能驱动的制冷机，参见图 。制冷机从驱动热源（温度为 ）吸收热量 作为补偿，完成从低温热原吸热，向高温热源排热的能量转换。我们假定驱动热源也是恒温热源，其它假定同前。那么类似地推导热能驱动的可逆制冷机的性能系数

　 　由热力学第一定律有：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(7)

　 　由热力学第二定律，循环中

即

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 　 　 　　　 (8)

　 　利用式(7)， (8)和定义式(2)得出，热能驱动的可逆制冷机的热力系数
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9)

　 　上式右边的第一个因子就是上面导出的在 ， 温度之间工作的可逆机械制冷机的制冷系数 ；而第二个因子 则是在 ， 温度之间工作的可逆热发动机的热效率。故它相当于用一个可逆热机，将驱动热源的热量 转换成机械功，= 再由去驱动一个可逆机械制冷机。见图2。这说明 与 在数量上不具备可比性，因为补偿能与 的品位不同。

图2 热能驱动的制冷机等价关系图

　　式(9)同样说明，热能驱动的可逆制冷机的性能系数（或热力系数）也只与热源的温度 ， 和 有关，而与工质的性质无关。 越高（驱动热源的品位越高）、与 越接近，则 越大；反之， 越小。

　 　式(6)和式(9)给出一定热源条件下制冷机性能系数的最高值 ， 。故它们是价实际制冷机性能系数的基准值。实际制冷机循环中的不可逆损失总是存在的，其性能系数COP恒小于相同热源条件下可逆机的性能系数COPc。用制冷循环效率 评价实际制冷循环的热力学完善程度（与可逆循环的接近程度）， 又叫制冷循环的热力完善。定义
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 (10)
或　　　　　　　　　　　　　　　　　（机械能或电能驱动的制冷机） (11a)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　（热能驱动的制冷机） 　　 　　(11b)
恒有 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 　 　 　 　 　 　 　 　 (12)

　 　越大，说明循环越好，热力学的不可逆损失越小；反之， 越小，则说明循环中热力学不可逆损失越大。

　 　性能系数COP和热力完善度 都是反映制冷循环经济性的指标。但二者的含义不同，COP反映制冷循环中收益能与补偿能在数量上的比值。不涉及二者的能量品位。COP的数值可能大于1、小于1或等于1。COP的大小，对于实际制冷机来说，与工作温度、制冷剂性质和制冷机各组成部件的效率有关；对于理想（可逆）制冷机来说，只与热源温度有关。所以用COP值的大小来比较两台实际制冷机的循环经济性时，必须是同类制冷机，并以相同热源条件为前提才具有可比性。而 则反映制冷机循环臻于热力学完善（可逆循环）的程度。用 作评价指标，使任意两台制冷机在循环的热力学经济性方面具有可比性，无论它们是否同类机，也无论它们的热源条件相同或是不同。

1.1.2 物质相变制冷概述

冰相变冷却

　　冰相变冷却是最早使用的降温方法，现在仍在广泛应用于日常生活、农业、科学研究等各种领域。冰融化和冰升华均可用于冷却。实际主要是利用冰融化的潜热。

　　常压下冰在0摄氏度融化,冰的汽化潜热为335kj/kg。能够满足0摄氏度以上的制冷要求。

　　冰冷却时，常借助空气或水作中间介质以吸收贝冷却对象的潜热。此时，换热过程发生在水或空气与冰表面之间。被冷却物体所能达到的温度一般比冰的溶解温度高5-10摄氏度。厚度10厘米左右的冰块，其比表面积在25-30平方米/立方米之间。为了增大比表面积，可以将冰粉碎成碎冰。水到冰的表面传热系数为116W/（平方米*K）。空气到冰表面的表面传热系数与二者之间的温度差以及空气的运动情况有关。

冰盐相变冷却

　　冰盐是指冰和盐类的混合物。用冰盐制作制冷剂可以获得更低的温度。

　　冰盐冷却是利用冰盐融化过程的吸热。冰盐融化过程的吸热包括冰融化吸热和盐溶解吸热这两种作用。起初，冰吸热在0摄氏度下融化，融化水在冰表面形成一层水膜；接着，盐溶解于水，变成盐水膜，由于溶解要吸收溶解热，造成盐水膜的温度降低；继而，在较低的温度下冰进一步溶化，并通过其表层的盐水膜与被冷却对象发生热交换。这样的过程一直进行到冰的全部融化，与盐形成均匀的盐水溶液。 冰盐冷却能到达的低温程度与盐的种类和混合物中盐与水的比例有关。

　　工业上应用最广的冰盐是冰块与工业食盐NaCl的混合物。

干冰相变冷却

　　固态CO2俗称干冰。

　　CO2的三相点参数为：温度-56摄氏度，压力0.52MPa。干冰在三相点以上吸热时融化为液态二氧化碳；在三相点和三相点一下吸热时，则直接升华为二氧化碳蒸气。

　　干冰是良好的制冷剂，它化学性质稳定，对人体无害。早在19世纪，干冰冷却就用于食品工业、冷藏运输、医疗、人工降雨、机械零件冷处理和冷配合等方面。

其他固体升华冷却

　　近代科学研究中心为了冷却红外探测器、射线探测器、机载红外设备等的需要。采用了固态制冷剂升华的制冷系统。其制冷温度取决于固体的种类、系统中的压力和被冷却对象的热负荷。通过改变升华气体的流量来调节系统中的被压和温度，就可以保持一个特定的温度。这种制冷系统的工作寿命由固体制冷剂的用量和被冷却对象的热负荷决定，有达1年之久的。固体升华制冷的主要优点是升华潜热大，制冷温度低，固体制冷剂的贮存密度大。

液体蒸发制冷

　　液体气化形成蒸汽，利用该过程的吸热效应制冷的方法称液体蒸发制冷。

　　当液体处在密闭的容器内时，若容器内除了液体和液体本身的蒸汽外不含任何其它气体，那么液体和蒸气在某一压力下将达到平衡。这种状态称饱和状态。如果将一部分饱和蒸汽从容器中抽出，液体就必然要再气化出一部分蒸汽来维持平衡。我们以该液体为制冷剂，制冷剂液体气化时要吸收气化潜热，该热量来自被冷却对象，只要液体的蒸发温度比环境温度低，便可使被冷却对象变冷或者使它维持在环境温度下的某一低温。

　　为了使上述过程得以连续进行，必须不断地从容器中抽走制冷剂蒸汽，再不断地将其液体补充进去。通过一定的方法将蒸汽抽出，再令其凝结为液体后返回到容器中，就能满足这一要求。为使制冷剂蒸气的冷凝过程可以在常温下实现，需要将制冷剂蒸气的压力提高到常温下的饱和压力，这样，制冷剂将在低温低压下蒸发，产生制冷效应；又在常温和高压下凝结向环境温度的介质排放热量。凝结后的制冷剂液体由于压力较高，返回容器之前需要先降低压力。由此可见，液体蒸发制冷循环必须具备以下四个基本过程：制冷剂液体在低压下气化产生低压蒸汽，将低压蒸汽抽出并提高压力变成高压气。将高压气冷凝为高压液体，高压液体再降低压力回到初始的低压状态。其中将低压蒸汽提高压力需要能量补偿。

 1.1.3蒸汽压缩式制冷系统

　　要求掌握：专业术语（如制冷量、单位质量制冷量、单位体积制冷量等）；单级蒸气压缩式制冷循环的特点及工作过程，压焓图，理论制冷循环的定义和热力计算，影响实际制冷循环的因素，蒸发温度和冷凝温度的变化对单级蒸气压缩式制冷机性能的影响，制冷剂和载冷剂的定义、性质和使用的温度范围；双级压缩制冷循环中最常见的两种循环方式的流程和热力计算，中间压力的确定；复叠式制冷循环的流程和热力计算。

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　　蒸汽压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成，用管道将它们连接成一个密封系统。制冷剂液体在蒸发器内以低温与被冷却对象发生热交换，吸收被冷却对象的热量并气化，产生的低压蒸汽被压缩机吸入，经压缩后以高压排出。压缩机排出的高压气态制冷剂进冷凝器，被常温的冷却水或空气冷却，凝结成高压液体。高压液体流经膨胀阀时节流，变成低压低温的气液两相混合物，进入蒸发器，其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷，产生的低压蒸汽再次被压缩机吸入。如此周而复始，不断循环。

　　蒸气压缩式制冷机是得到最广泛应用的制冷机，因此它是本书的重点内容之一。

　　

可逆制冷循环        逆卡诺制冷循环 　　定义：设有恒温热源和恒温热汇，其温度分别为TL 和TH ，在这两个温度 之间的可逆制冷循环是卡诺制冷循环。卡诺制冷循环的原理图如下所示： 图1 逆卡诺循环        劳伦茨循环 　　劳仑兹循环热源的热容量是有限的，在与制冷工质进行热量交换过程中， 热源的温度也将发生变化，即被冷却物体（冷源）的温度将逐渐下降，环境介质（热源） 的温度将逐渐上升。为了达到变温条件下耗功最小的目的，应使制冷工质在吸、 排热过程中其温度也发生变化，而且变化趋势与冷、热源的变化趋势完全一样， 使制冷工质与冷、热源之间进行热交换过程中的传热温差始终为无限小，没有不可逆换热损失， 另外两个过程仍分别为可逆绝热压缩与可逆绝热膨胀过程，如图2所示。这样， 1-2-3-4-1即为一个变温条件下的可逆逆向循环--劳仑兹循环。显然，实现这一循环所消耗 的功为最小，制冷系数达到在给定条件下的最大值。 图2 劳仑兹循环 　　为了表达变温条件下可逆循环的制冷系数，可采用平均当量温度这一概念。若用T0m表示工质的 平均吸热温度，用Tm表示工质的平均放热温度，则 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2) 　　与的大小分别可用面积41562和23652表示，平均吸热温度 T0m与平均放热温度 Tm就是以熵差为底、面积分别等于41564和23652的矩形的高度。变温情况下可逆循环的制冷系数可表示为 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3) 即相当于工作在T0m，Tm 之间的逆卡诺循环的制冷系数。 　　劳伦茨循环如右图所示，循环由两个变温过程和两个等熵过程组成。        单级蒸气压缩混合工质制冷循环 　　制冷机在实际工作过程中，冷却介质和被冷却物体的温度将发生变化，冷凝器和蒸发器中也不可 避免地存在因温差传热而引起的不可逆损失。为了减少这种不可逆损失，制冷工质和传热介质之间应 保持尽可能小的传热温差。 　　非共沸混合制冷剂在等压下冷凝或蒸发时温度均发生变化，冷凝时温度由Tk 逐渐降低至Tk'， 蒸发时温度由T0逐渐升高至T0' ，我们利用这一特性，采用非共沸混合工质就可以达到减少传热温差的目的， 如图3所示。极限情况下循环即变为劳仑兹循环。 图3 变温热源时逆卡诺循环 　　非共沸混合制冷剂单级蒸气压缩制冷循环的T-S图及p-h 图如图4所示。它与纯制冷剂循环的区别仅 在于制冷剂在冷凝和蒸发晨温度在不为断地变化。 　　　　　　　　　　　 (a)T-S图　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)p-h图 图4 非共沸混合制冷剂单级蒸汽压缩制冷循环的T-S图及p-h图 　　采用非共沸混合工质不仅可以达到节能，而且可以扩大温度使用范围。