1.1　蒸气压缩式制冷的基本原理

1.1.1　制冷的热力学基础

（1）热力学定律

在制冷系统中，能量的相互转移与转换需要通过制冷剂吸热或放热、膨胀或压缩等变化来完成，因此制冷的理论基础就是研究能量相互转换过程中所应遵循的科学规律，即热力学。热力学是从宏观角度研究物质的热运动性质及其规律的学科，主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律，总结了物质的宏观现象而得到的热力学理论，它研究系统在整体上表现出来的热现象及其变化发展所必须遵循的基本规律，其主要内容为热力学第一定律和热力学第二定律。

热力学第一定律是普遍的能量守恒和转化定律在一切涉及宏观热现象过程中的具体表现。热力学第一定律确认，在任何发生能量转换的热力过程中，转换前后能量的总量维持恒定，即制冷系统从周围介质吸收的热量、对工作介质所做的功和系统内能增量之间在数量上守恒。热力学第一定律仅指出能量转换在数量上的关系，然而遵循热力学第一定律的过程却未必能实现，还需同时遵循热力学第二定律，热力学第二定律揭示了能量交换和转换的条件、深度和方向。

热力学第二定律是限定实际热力学过程发生方向的热力学规律。它证实熵增原理成立，也就是说，热力学第二定律要求孤立系统中发生的过程沿着熵增加的方向进行，即达到平衡态的热力学系统的熵最大。热力学第一定律和热力学第二定律一起，构成了热力学理论的基础，它阐述了热量传递是不可逆的，热量总是自发地从高温物体传递到低温物体，而相反的过程是不可能自发地进行的，即不可能把热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响。所以，热力学第一定律告诉我们热量是可以转移的，热力学第二定律告诉我们热量在什么条件下可以朝着什么方向转移。并且，由热力学第二定律引出的卡诺定理指出了提高制冷机经济性的方向和限度。

（2）压焓图

制冷技术是利用热力学定律分析研究制冷过程中各种能量的转换关系，为了对制冷过程做定性定量分析计算，对制冷系统进行设计和优化，这就需要借助一种分析工具，帮助我们研究整个制冷循环，直观地表述制冷循环中各过程状态变化及其过程特点，这个工具就是制冷剂的压焓图和温熵图，这些制冷剂的热力状态图不仅可以对制冷循环进行分析和计算，而且还能使问题解决得到简化。

压焓图的结构如图1-1所示。以绝对压力为纵坐标（为了缩小图面，使低压部分表示清楚，通常采用对数坐标，即lgp），以比焓值为横坐标，即h。图上可以表示出一点、二线、三区域、五种状态、六条等值参数线。

“一点”为临界点K；

“二线”是以K点为界，K点左边为饱和液体线（称下界线）；右边为干饱和蒸气线（称上界线）；

“三区”是利用临界点K和上、下界线将图分成三个区域，下界线以左为过冷液体区；上界线以右为过热蒸气区；二者之间为湿蒸气区（即两相区），制冷剂在该区域内处于气、液混合状态；

“五种状态”包括过冷液体区内制冷剂液体状态；上界线上的饱和制冷剂液体状态；两相区中制冷剂湿蒸气状态；下界线上的饱和制冷剂气体状态；过热蒸气区内制冷剂气体状态；

“六条等值参数线”簇分别为：

①等压线——水平线。其大小从下向上逐渐增大。

②等焓线——垂直线。其大小从左向右逐渐增大。

③等温线——液体区几乎为垂直线，湿蒸气区与等压线重合为水平线，过热区为向右下方弯曲的倾斜线。其大小从下向上逐渐增大。

④等熵线——向右上方倾斜，且倾角较大的实线。注意等熵线不是一组平行线，越向右走，等熵线越平坦，其值变化越大。其大小从上向下逐渐增大。

⑤等容线——向右上方倾斜，但比等熵线平坦的虚线。其大小从上向下逐渐增大。

⑥等干度线——只在湿蒸气区域内，下界线为干度x=0的等值线；上界线为干度x=1的等值线；湿蒸气区域内等干度线方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近。其大小从左向右逐渐增大。

压焓图是进行制冷循环分析和计算的重要工具，应熟练掌握和应用。本书附录中列出了几种常用制冷剂的压焓图。

（3）温熵图

温熵图结构如图1-2所示。它以熵为横坐标，温度为纵坐标。一点、二线、三区域、六条等值参数线如图1-2所示。

图中临界点K的左边实线为饱和液体线，右边实线为饱和蒸气线；这两条线将温熵图划分为三个区域，饱和液体线以左为过冷液体区，饱和蒸气线以右为过热蒸气区，两线之间为湿蒸气两相区；在两线和三区上分别表示制冷剂的五种状态，即过冷液体区内制冷剂液体状态，饱和液体线上的制冷剂饱和液体状态，湿蒸气区中制冷剂气液混合状态；饱和蒸气线上的制冷剂饱和气体状态；过热蒸气区内制冷剂气体状态；制冷剂的状态由其状态参数表示：

①温度——等温线为水平实线。

②比熵——等熵线为垂直实线。

③压力——等压线在湿蒸气区与等温线重合，为水平线；在过冷液体区等压线密集于饱和液体线附近，可近似用x=0的线代替；过热蒸气区等压线为向右上方弯曲的倾斜线。

④比焓——湿蒸气区和过热蒸气区内，等焓线均为向右下方弯曲的倾斜线，但两者斜率不同，湿蒸气区内等焓线的斜率更大一些；液体过冷区的制冷剂焓值可近似用同温度下饱和液体的焓值代替。

⑤比容——等容线为向右上方倾斜的虚线。

⑥干度——等干度线只在湿蒸气区域内，其方向大致与饱和液体线或饱和蒸气线相近。

在温度、压力、比容、焓、熵、干度等参数中，只要知道其中任意两个状态参数，就可在压焓图或温熵图上确定其状态点，其余参数便可直接从图中读出。对于饱和液体和饱和气体，只需要一个状态参数就可以确定其状态。

对于一个制冷系统，制冷剂在制冷过程中不断发生状态变化，将其各个状态点表示在压焓图或温熵图上，就形成一个封闭的循环回路，即制冷循环。因此，一个制冷过程只能在压焓图或温熵图上画出一个制冷循环。

在表示制冷剂状态参数的多种图线中，制冷剂的温熵图，由于此图中热力过程线下面的面积为该过程所吸收的热量，很直观，便于分析比较，常常用于制冷循环的定性分析中；而制冷过程的吸热量、放热量以及绝热压缩过程的耗功量都可用过程初、终状态的制冷剂的焓值变化来计算，所以压焓图常被用于制冷循环的定量计算，因此压焓图在制冷工程设计中应用更为广泛。

1.1.2　单级蒸气压缩式制冷系统组成

蒸气压缩式制冷属于液体汽化法，是采用制冷剂液体蒸发时从周围被冷却物中吸收热量，从而实现被冷却物温度降低。为了使制冷连续地进行，把已蒸发的气体经压缩再冷凝，使之重新变为液体，再继续蒸发并吸热，这就是蒸气压缩式制冷。蒸气压缩式制冷有单级、多级和复叠式等多种形式。所谓单级压缩，是指制冷剂在制冷工作循环过程中只经历了一次压缩，单级蒸气压缩式制冷目前应用最为广泛。

单级蒸气压缩式制冷系统基本组成如图1-3所示，它包括压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器四部分。对于液体汽化法，首先需要一个换热设备能使制冷剂从被冷却介质中吸热汽化从而实现制冷目的，这个设备称为蒸发器。制冷剂进入蒸发器时是液体，离开时变为气体，为了将气态制冷剂变回液体，使制冷剂能够循环工作，这就需要冷凝器。冷凝器也是一种热交换设备，在冷凝器中，制冷剂向环境（环境介质通常为空气或水）释放热量，制冷剂由气态冷凝变回液态，即进入冷凝器时是气体制冷剂，离开时变为液体制冷剂。但是，制冷剂冷凝是向常温常压下的环境介质放热，而制冷后离开蒸发器的气态制冷剂温度很低，低于环境温度（制冷的定义告诉我们制冷是使被冷却物低于环境温度并保持的），这个低温的制冷剂是无法向环境自发放热冷凝的，这就需要一种设备将蒸发器出口的低温低压的气态制冷剂，变为冷凝器入口的高温高压气态的制冷剂，这个设备就是压缩机。压缩机是耗能设备，通过对制冷剂蒸气做功，将低温低压制冷剂压缩为高温高压制冷剂。这样，我们发现制冷剂在蒸发器处于低温低压状态，在冷凝器处于高温高压状态，蒸发器与冷凝器不能直接连接，蒸发器出口与冷凝器入口通过压缩机提高压力实现连接，那么冷凝器出口与蒸发器入口也要有一个完成降压作用的连接设备，这就是节流机构。节流机构一方面将高温高压液态制冷剂节流降压，满足蒸发器工作条件，另一方面还可以调节蒸发器的供液量，满足被冷却物降温变化的要求。因此，完成一个制冷过程所需最基本的组成设备包括压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器，它们通常称为制冷四大件。其中，压缩机是制冷系统的“心脏”，负责压缩和输送制冷剂蒸气；冷凝器输出热量，将制冷剂蒸气变回液体；节流阀是节流降压设备，供给蒸发器需要的制冷剂状态和流量；蒸发器吸收热量（输出冷量）从而实现制冷。

1.1.3　单级蒸气压缩式制冷循环过程

压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器四个部件依次用管道连接成封闭的系统，充注适当制冷剂，就组成了最简单的制冷机。其工作过程如下：

压缩机吸入来自蒸发器的低温低压（蒸发温度t₀，蒸发压力p₀）制冷剂蒸气，经压缩机压缩，变为高温高压（冷凝温度t_k，冷凝压力p_k）制冷剂蒸气，之后送入冷凝器，在冷凝压力p_k条件下向冷却介质（通常是常温常压下的水或空气）放出热量，并由高温高压气态冷凝成高温高压液体。液化后的高温高压制冷剂液体进入节流机构，通过节流降温降压，达到蒸发压力p₀后进入蒸发器。由于在饱和状态下制冷剂压力由p_k降为p₀，导致其中部分液体会汽化，因此节流后的制冷剂为低温低压的两相混合物，其中低温低压制冷剂液体在蒸发压力p₀条件下吸收被冷却介质的热量，汽化沸腾变成低温低压的蒸气，随即再次被压缩机吸入，重复上述过程；而两相混合物中的气体进入蒸发器并不能够吸热汽化，因此也无制冷能力，这部分气体被称为闪发蒸气。制冷剂在制冷系统中周而复始的发生状态变化的工作过程叫作制冷循环。通过制冷循环制冷剂不断吸收周围空气或物体的热量，从而使室温或物体温度降低，以达到制冷的目的。

在制冷过程中，蒸发器源源不断地从被冷却介质中吸收热量Q₀，即对被冷却介质产生制冷量Q₀，而这些热量通过制冷剂载送到冷凝器，再释放给冷却介质，同时制冷剂在传送热量过程中需要压缩机做功耗能W，在冷凝器也一并释放给冷却介质，因此冷凝器传出的热量包括两个方面，即制冷量Q₀和压缩功率，这部分热量称为冷凝热负荷Q_k。制冷过程热量传递情况如图1-4所示。

Q_k=Q₀+W　　（1-1）

在蒸气压缩式制冷循环中，制冷剂不断发生状态变化，并有多种状态存在于系统当中，为了更好地了解制冷剂在不同位置所处的状态，我们可以将制冷系统横向分为两部分，如图1-5（a）所示，上部为高压部分，制冷剂在这部分处于高压——冷凝压力p_k状态下，下部为低压部分，制冷剂在这部分处于低压——蒸发压力p₀状态下；将制冷系统纵向也可分为两部分，如图1-5（b）所示，左部为液态部分，以液体制冷剂为主要存在形式（含少量闪发蒸气），右部为气态部分，制冷剂在此为气体状态。