4.5　蒸气压缩循环制冷

4.5.1　单级蒸气压缩循环制冷

4.5.1.1　理论制冷循环

单级蒸气压缩循环制冷系统由压缩机、冷凝器、节流阀（或毛细管）和蒸发器四个主要部分组成，并通过管道连接起来，形成一个完整封闭的系统。制冷工质在系统中循环，将热量从低温热源转移到高温热源。如图4-13所示。

1—冷凝器；2—节流阀；3—蒸发器；4—压缩机

制冷工质在蒸发器（低温热源）中，在一定温度下，从低温热源（被冷却物体或空间）吸收热量，实现制冷；制冷工质发生相变，成为低温低压的蒸气，被吸入压缩机进行压缩，制冷工质的压力和温度均升高，然后进入冷凝器被冷凝，在冷凝温度下，工质将热量传递给环境冷却介质（水或空气）而液化，液化了的高压制冷工质经过节流阀（或毛细管）进入蒸发器，再次吸热汽化，完成制冷循环过程。这种循环为单级压缩制冷循环。

单级压缩制冷循环过程可以在压焓图和温熵图上表示。图4-14和图4-15分别为理论循环的温熵图和压焓图。

所谓理论循环是指在没有管路流动损耗、蒸发和冷凝过程没有温差、压缩过程为可逆绝热过程的理想条件下实现的。

理想循环排除了许多复杂因素，使问题得到简化，抓住了主要矛盾，便于用热力学的方法进行分析研究。以其作为研究实际循环的基础具有极大的意义。

在温熵（T-s）图和压焓（p-h）图上，线段1-2为饱和蒸气的等熵压缩过程；2-3-4为冷凝过程，包括冷却过程（2-3）及冷凝过程（3-4）两个阶段，过程中冷凝压力pk及冷凝温度Tk均保持不变，且Tk与环境介质温度相等，没有温差；4-5为节流膨胀过程，制冷工质在节流前后焓值不变，但压力、温度同时降低，进入两相区内；5-1为蒸发过程，在该过程中蒸发压力p0及蒸发温度T0均保持不变，而且蒸发温度T0与被冷却物体间温度相等、没有温差。

利用温熵（T-s）图和压焓（p-h）图，可以计算单级压缩制冷理论循环的单位制冷量、单位容积制冷量、单位功、单位冷凝热量、制冷系数以及循环效率等性能指标。

（1）单位制冷量（q0）

单位质量制冷工质循环一次所制取的冷量（在蒸发器内吸收的热量）称为单位制冷量，在T-s图上a-5-1-b-a包围的面积等于单位制冷量，在p-h图上点1和点5间的焓差等于单位制冷量。

（4-8）

单位制冷量还可以用式（4-9）表达：

（4-9）

式中　r0——制冷工质在蒸发温度T0时的汽化潜热；

        x5——制冷工质节流后湿蒸气的干度。

（2）单位容积制冷量（qv）

制冷压缩机吸入每立方米制冷工质蒸气所制取的冷量称为单位容积制冷量，它等于单位制冷量q0与吸入蒸气比容v1的比值。

（4-10）

（3）单位功（w0）

单位质量工质在循环过程中，外界对循环工质所做功与工质对外界所做功的代数和称之为单位功。由于在节流膨胀过程中制冷工质不对外做功，因此循环的单位功与单位压缩功是相等的，而在压焓图上单位压缩功是用终、始两点的焓坐标差表示。故

（4-11）

在T-s图上单位功可近似地用面积1-2-3-4-5-1来表示。

（4）制冷系数（ε0）

循环的单位制冷量与单位功之比称为制冷系数。是表征制冷循环性能的一个重要指标。在图4-14所示的理论循环的制冷系数为

（4-12）

制冷系数表示每消耗单位功所制取的冷量。对于给定的工作温度，制冷系数越大则循环的经济性越髙。

4.5.1.2　改进制冷理论循环及制冷实际循环

（1）改进制冷理论循环

①液体过冷循环　理论制冷循环中，认为冷凝后的制冷工质正好处于饱和状态，如图4-14和图4-15状态点4。而实际上，一般都使冷凝后液体从饱和点进一步降低温度，在节流前处于过冷状态，这会改善制冷循环的性能。图4-16所示为液体过冷循环制冷系统简图，液体过冷循环压焓图如图4-17所示。

1—压缩机；2—冷凝器；3—过冷器；4—节流阀；5—蒸发器

液体制冷工质节流膨胀后进入汽液两相区，产生的蒸气（又称闪发气体）量越少，则循环的单位制冷量越大。节流后所产生的蒸气量与节流前后的温度范围有关，由图4-17可知，进一步降低节流前液体制冷工质的温度，将节流前状态由4过冷至4'，就可以减小节流后的汽量，增大单位制冷量。在过冷过程中单位质量液体制冷工质放出的热量是：

（4-13）

式中　h4——液体制冷工质饱和点的焓值；

        h' ——液体制冷工质过冷后的焓值；

        c'——液体制冷工质的比热容；

        Δtg——过冷液体与饱和液体温差。

由图4-17可以看出，因为液体过冷后焓值降低，故过冷度越大，单位制冷量就越大。液体过冷循环的单位制冷量的增加量为：

（4-14）

此式表明过冷循环增加的制冷量等于过冷的液体制冷工质放出的热量。

不论过冷或不过冷，循环的功不变。这就说明过冷循环的制冷系数ε'提高了。

（4-15）

从改善循环性能的角度看，采用液体过冷是有利的，但采用液体过冷必须增加再冷却器，增大了初始投资费用。

②蒸气过热循环　理论循环中，压缩机吸入的制冷工质蒸气刚好是饱和蒸气，如图4-14和图4-15所示的1点。但实际制冷循环中，低温蒸气在吸气管道等部件中会吸取热量而温度升高；这样压缩机吸入的制冷工质蒸气就是过热蒸气。存在蒸气过热的循环称为蒸气过热循环，图4-18所示为蒸气过热循环的p-h图。

图4-18中，1-2-3-4-5-1为理论循环过程，1-1'-2'-2-3-4-5-1为吸气过热循环，其中1-1'为蒸气过热过程。吸气过热循环与理论循环相比较，存在如下特点：①单位功增大；②冷凝器的单位冷凝热量增加；③压缩机的进气比容增大，因而压缩机输气质量流量减少，亦即制冷工质在单位时间内的循环量减少，故而制冷机的制冷能力降低。

实际之中，蒸气过热有两种情况，一种情况是蒸气过热发生在蒸发器中，蒸气过热过程对被冷却物产生了制冷效应，这种过热为“有效过热”；另一种情况是饱和蒸气进入压缩机前在吸气管内吸取了热量而过热，此时蒸气虽吸热但没有对被冷却物产生制冷效应，这种过热为“有害过热”。

在“有效过热”情况下，虽然单位功增大了，但制冷量也有所增加，制冷系数是否变化取决于循环工质本身的性质。

在“有害过热”情况下，单位制冷量没有变化，而单位功和进气比容都增大了，致使制冷系数和单位容积制冷量都降低，并且加大了冷凝器的换热负荷。为了减轻有害过热的影响，低温吸气管路应很好地进行绝热保温。虽然蒸气过热对循环性能有不利影响，但在大多数情况下还是希望蒸气有适当过热度，这样可以避免未蒸发的液体制冷工质被吸入压缩机的气缸而造成冲缸事故。

在进行制冷循环计算时，当冷凝温度tk及蒸发温度t0确定后，必须要考虑蒸气应过热到什么温度，原则是蒸气过热温度应保证消除管路有害过热和不使压缩机排气温度超过限定值。

③回热循环　在制冷循环系统中采用一个回热器使节流前的液体和从蒸发器回流的低温蒸气进行热交换，这样既可以使节流前的液体降低温度，又可以使回流的低温蒸气升高温度而过热。这种采用回热器，使蒸气过热的同时使液体过冷的循环称为回热循环。

图4-19所示为回热循环的系统原理，图4-20所示为该循环的压焓图。由图可以看出，从冷凝器流出的饱和液体（压焓图中状态4）进入回热器，被来自蒸发器的低温蒸气进一步冷却至状态4'，而低温蒸气被加热，从状态1升温至状态1'，完成了循环的回热过程。

1—压缩机；2—冷凝器；3—回热器；4—节流阀；5—蒸发器

在忽略回热器与外界热量交换的情况下，根据热平衡关系可求得单位回热热量

（4-16）

式中　c'——液体制冷工质的比热容；

        ——制冷工质低温蒸气的定压比热容。

由于制冷工质液体的比热容较之蒸气气体的定压比热容大，故液体的温降总是小于蒸气的温升。

（2）单级制冷实际循环

前述单级压缩制冷理论循环是在假定的理想条件下得出的理想循环，即假定不存在任何实际损失。这样的假定简化是为了便于用热力学的方法进行分析。而实际循环过程中，由于存在各种损失，压缩过程、冷凝过程、节流过程、蒸发过程都是不可逆过程，加上压缩机的吸气和排气需要克服管道、阀门阻力等，与理想循环存在一些差异，归纳如下：

①实际压缩过程不可逆，是一个多变指数不断变化着的多变过程；即压缩过程是熵增过程。

②冷凝和蒸发的传热过程温差不可能为零，都是存在温差的情况下进行的。这就是说冷凝和蒸发也是不可逆过程。

③制冷工质流经管道和换热器时有阻力存在。

④制冷剂在通过循环的各部件时，与外界存在热交换。

图4-21示出单级压缩实际制冷循环的p-h图，图中，表示理论循环，表示实际循环。实际循环中，表示蒸气在回热器及吸气管中的流动过程，存在压力降和过热；表示蒸气经过吸气阀门进入气缸的过程，由于进气阀阻力，存在压力降；表示实际压缩过程，是不可逆多变过程；表示蒸气排出压缩机排气阀的过程，存在压力降；2's-4's表示蒸气流经排气管、进入冷凝器及液体流经管路的流动过程，存在流动阻力引起的压力降和不可逆热交换；为节流过程；表示制冷工质在蒸发器中蒸发过程，存在流动阻力引起的压力降和不可逆热交换。

从上述分析可知，实际循环过程中由于制冷工质存在流动阻力以及不可逆热交换等因素，导致热力过程为不可逆过程，导致循环功耗增大，制冷量减小，故循环的制冷系数要小于理论循环。

4.5.1.3　单级蒸气压缩制冷循环热力计算

在工程实际中，根据制冷应用场合和制冷量需求等基础输入条件，首先要选定循环型式和制冷工质，之后就需要进行热力计算。制冷循环热力计算的目的就是要算出实际循环的性能指标、压缩机的容量、功率以及换热器的热负荷，为设计选配压缩机及热交换器提供基础数据。

（1）确定工作参数

在进行热力计算时，应先确定工作参数，即确定制冷机的工作温度及工作压力，包括蒸发温度t0、蒸发压力p0、蒸发温差Δt0、冷凝温度tk、冷凝压力pk、冷凝温差Δtk、过冷温度Δtg、过热温度Δtgr等。工作参数的确定原则和方法如下。

①蒸发温度t0、蒸发温差Δt0、冷凝温度tk、冷凝温差Δtk。

制冷机的蒸发温度取决于被冷却物的温度t及传热温差，冷凝温度决定于环境介质的温度te及传热温差，而传热温差是根据换热器等具体情况选定。

（4-17）

（4-18）

对于水冷式冷凝器及冷却盐水的蒸发器通常选择Δt=5℃左右；对于空气冷却的冷凝器及冷却空气的蒸发器，通常选择Δt=10℃左右。

一般情况，为了使蒸发温度尽可能高一些和降低低温换热的不可逆损失，蒸发器的传热温差应选得比冷凝器的小一些，一般Δt0=2～4℃。

②蒸发压力p0、冷凝压力pk。

蒸发温度及冷凝温度确定后，根据所选制冷工质的物性图表，就可以确定蒸发压力p0和冷凝压力pk。

③过冷温度Δtg、过热温度Δtgr。

采用水过冷器的循环，液体过冷后的温度取决于冷却水温度及过冷器的传热温差，由于过冷器用的冷却介质是水，并且过冷器的热负荷小，故应选用较小的传热温差。

制冷工质蒸气在进入压缩机前的过热温度则应根据蒸气离开蒸发器时的情况及在进气管道中的传热情况去确定，或按给定的过热度去确定。

采用回热循环的系统，首先按照过热温度应保证消除管路有害过热和不使压缩机排气温度超过限定值的原则确定过热度，然后根据式（4-16）可求出过冷温度。

（2）确定其他循环参数

确定了制冷机的工作参数后，就可以通过热力计算确定其他循环参数，具体步骤和方法如下。

①根据前述确定的工作参数，在工质的压焓图上画出循环过程图。参见图4-15、图4-17、图4-18及图4-20。

②从压焓图上查得各状态点的焓值、比容等参数。根据4.3.1.1中相应公式求出单位制冷量（q0）、单位容积制冷量（qv）、单位功（w0）及制冷系数（ε0）。

③计算制冷工质流量及压缩机理论容积。

制冷工质的质量流量

（4-19）

制冷工质的容积流量

（4-20）

压缩机的理论容积

（4-21）

式中，λ为压缩机的输气系数，是压缩机实际输气量与理论输气量（等于理论容积）之比。一般可查压缩机的性能参数表得到。

根据求得的压缩机的理论容积可以选配或设计所需压缩机。

④计算压缩机功率。

压缩机的理论功率

（4-22）

压缩机的指示功率

（4-23）

式中，ηi为压缩机的指示效率，是单位理论功与压缩机在实际过程中压缩蒸气所消耗的单位功（称之为单位指示功）之比。

压缩机的轴功率

（4-24）

式中，ηm为压缩机的机械效率，是指示功与压缩机实际消耗的功之比，此效率是由于压缩机克服机械摩擦所引起。

⑤制冷机的冷凝放热量（冷凝器负荷）。

冷凝放热量

（4-25）

4.5.2　复叠式蒸气压缩制冷循环

在真空工程应用中，针对真空捕水汽及模拟空间低温环境等需求，要求的温度远低于单级蒸气压缩制冷循环所能达到的范围。为了获得更低的温度，可以采用单一制冷剂的两级压缩循环，但采用单一的中温制冷剂两级压缩获得低温，受到蒸发压力过低的限制；用单一的低温制冷剂又受到冷凝压力过高或在超临界区工作的限制。应用两种工质的复叠式制冷循环可以很好解决这个难题。

复叠式制冷机通常是由两个（或两个以上）采用不同工作区间制冷工质工作的单级制冷循环嵌套组合而成的制冷系统。通常把这两部分称为高温循环和低温循环，高温循环使用中温制冷剂，低温循环使用低温制冷剂。这两个部分各自成为一个使用单一制冷剂的制冷系统，其中高温循环中制冷剂的蒸发用来使低温循环中的制冷剂冷凝，采用一个冷凝蒸发器将两个循环嵌套联系起来，冷凝蒸发器既是低温循环的冷凝器，也是高温循环的蒸发器。低温循环将制冷剂吸收的热量（即制冷量）传给高温循环的制冷剂，而高温循环的制冷剂再将热量传给环境介质。

图4-22所示为由两个单级压缩系统组成的复叠式制冷循环的系统原理，图4-23所示为循环的T-s图。它的高温及低温循环中分别采用R22及R23为制冷剂，蒸发温度可达-80～-90℃。1-2-3-4-5-1为低温循环，6-7-8-9-10-6为高温循环。

1—高温压缩机；2—冷凝器；3，7—节流阀；4—冷凝蒸发器；5—低温压缩机；6—蒸发器

状态1的低温制冷工质R23以低压状态被吸入低温循环压缩机，经过压缩，蒸气的压力和温度同时升高，至状态2，然后进入冷凝蒸发器将热量传递给高温循环工质R22，使R22蒸发，同时R23被冷却、冷凝至状态4，状态4的R23液体经过等焓节流膨胀至蒸发压力，温度降低，进入汽液两相区状态5，之后进入蒸发器对被冷却介质制冷，R23吸热汽化至状态1，完成循环。

在高温循环中，10-6过程，R22工质在冷凝蒸发器中吸收低温工质R23冷凝热而汽化，这是一个等温吸热过程；6-7过程，高温循环压缩机对被吸入的低压气态R22进行压缩，蒸气压力和温度同时升高，至状态7；7-8-9过程为高温高压R22气体冷凝过程，工质将热量通过冷凝器传给环境介质而自身被冷凝为高压液体；9-10为等焓膨胀过程，液体工质通过节流元件后压力和温度降低，成为汽液两相混合物，进入蒸发过程，完成循环。

复叠制冷循环系统（以两级复叠机为例）由高温循环和低温循环两部分组成，如图4-24所示。高温循环主要包含压缩机、油分离器、冷凝器、干燥过滤器、过冷器、节流元件、冷凝蒸发器等部件，低温循环主要包含压缩机、油分离器、预冷器、冷凝蒸发器、干燥过滤器、节流元件、蒸发器、膨胀容器等部件。

高温部分（R22）：1—压缩机；2—油分离器；3—冷凝器；4—干燥过滤器；5—过冷器；6—膨胀阀；7—冷凝蒸发器；低温部分（R23）：8—压缩机；9—油分离器；10—干燥过滤器；11—膨胀容器；12—预冷器；13—膨胀阀；14—蒸发器

高温循环与普通单级制冷循环没有区别，低温循环多了一个膨胀容器，这是因为复叠式制冷机停机后，系统内温度升高到与环境温度相同时，低温工质就会全部汽化成过热蒸气，低温部分压力就会升高而可能超过最大工作压力。为了解决这个问题，在低温系统中接入一个膨胀容器，以便在停机后部分低温制冷工质蒸气进入膨胀容器而不致使系统中的压力过度升高。膨胀容器可接于压缩机吸气管，也可接于压缩机排气管。

复叠式制冷系统制冷工质应具有环境可接受性，制冷剂的臭氧破坏指数（ODP）和温室效应指数（GWP）为零或尽可能小，符合国际公约和国家法规要求。较早的复叠制冷循环一般采用R12、R13、R14等制冷剂，自从发现CFC类和HCFC类制冷剂对大气层的臭氧有破坏作用后，对这类物质的生产和使用进行了限制，所以在选配制冷工质时首先要考虑环境保护方面的要求，再根据具体制冷温度等需求选取。目前一般高温部分使用中温制冷剂如R134a、R22、R404A及丙烷（C3H8）等；低温部分使用R23、乙烯（C2H4）、乙烷（C2H6）等o

复叠式制冷系统计算可以看作两个单级制冷循环的联立计算。根据制冷应用场合和制冷量需求等基础输入条件，首先要选定制冷工质，然后就需要确定中间温度，也就是确定高温循环的蒸发温度tL0或低温循环的冷凝温度tHk。中间温度的确定以制冷系数最大和各个压缩机的压力比大致相等为原则。但中间温度在一定范围内变化时对制冷系数影响不大，所以还是按各级压力比大致相等来确定中间温度，冷凝蒸发器传热温差一般取5～10℃。

确定中间温度后，高温循环及低温循环的蒸发温度、蒸发压力、蒸发温差、冷凝温度、冷凝压力、冷凝温差、过冷温度、过热温度等工作参数参见4.5.1.3节内容确定，再依据4.5.1.3节内容中方法，使高温循环的制冷量等于低温循环的冷凝热，分别进行两个单级循环的热力计算即可。

复叠制冷机膨胀容器体积可按式（4-26）计算

（4-26）

式中　mx——低温系统中（不包括膨胀容器）在工作状态时制冷剂的充灌量；

        Vx，t——低温系统（不包括膨胀容器）的总容积；

        vp——在环境温度及平衡压力时制冷剂的比容；

        vx——在环境温度及吸气压力时制冷剂的比容。

停机后系统中低温循环工质保持的平衡压力一般取1.0～1.5MPa。

4.5.3　内复叠式蒸气压缩制冷循环

利用非共沸混合工质在相平衡时气、液相成分不同的特点，压缩后的混合工质蒸气通过冷凝和气液分离将高沸点工质和低沸点工质分离并分别进入两个制冷循环进行循环制冷，实现与复叠式制冷相同的制冷效果，称为内复叠式（或自复叠）压缩制冷，如图4-25所示。系统采用一台压缩机实现复叠制冷，这是该循环最明显的特征。

图4-25所示循环为单级压缩单级分凝循环，循环工质这里以R22和R23混合工质为例。R22（标准沸点-40.8℃）和R23（标准沸点-82.1℃）混合工质高温蒸气经冷凝器向冷却介质（水或空气）放热冷却，由于两组分的沸点不同，在冷凝器中大部分高沸点的R22和少量低沸点的R23先冷凝成液体，而大部分R23仍保持气态。气液两相混合工质出冷凝器后进入气液分离器，富R23气体和富R22液体分离。液态工质经节流阀节流降温降压后进入冷凝蒸发器吸热蒸发，使得进入冷凝蒸发器的富R23气体冷凝成液体。富R23液体从冷凝蒸发器出来后经节流阀进入蒸发器，吸收被冷却物的热量完成蒸发过程，实现制冷。气态的R23和气态的R22混合后被压缩机吸入压缩，成为高温高压蒸气，完成循环过程。

单级分凝内复叠循环通常使用二元混合工质，但根据要制取的温度，也可以使用多元混合工质。

为了获得更低的温度，可以采用单级压缩多级分凝的内复叠系统。图4-26所示是一个三级内复叠循环。通过合适的混合工质组分的选用，可以实现上一级制冷剂的节流及蒸发，为下一级制冷剂的冷凝提供冷量，直至最低沸点的制冷剂冷凝成液体，经过节流获得极低的温度，甚至可制取70K左右的温度。

内复叠制冷系统的工质选择除了遵从一般原则外，还要满足一些特殊原则。首先，各组元制冷剂混合时要相容但不共沸；其次，混合工质各组分必须有较大的沸点差，沸点差太小所需的复叠级数就增多，使得系统结构复杂，一般情况下选择标准沸点差在40～80℃范围内。

内复叠制冷系统工质可采用一般复叠制冷系统的制冷工质。另外用于获得极低制冷温度时，N2、O2、Ne、Ar和一些碳氢化合物等亦可作为混合工质组分。