1.3 蒸气压缩式制冷的理论循环
1.3.1 理论制冷循环
由于理想制冷循环的制约因素限制，因此，根据实际情况将制冷循环进行调整，成为现实中可以采用的制冷循环，这就是蒸气压缩式制冷的理论循环，它是由一个绝热干压缩过程和一个绝热节流过程，以及两个等压条件下的换热过程组成的。
（1）绝热干压缩过程
如图1-9所示，用干压缩代替了湿压缩，即压缩机吸气状态由湿蒸气1'状态调整到饱和蒸气1状态，这一过程可由蒸发器将制冷剂汽化到饱和状态点。从图1-9（b）可以看出，压缩机吸气状态1可以在过热蒸气区进行1→2等熵压缩，这一变化使单位质量制冷量增加了Δq0（即面积11'a'a），同时压缩机单位耗功量增加了Δw0（即面积11'2'2），综合分析，制冷系数将略有降低。但是考虑压缩机运行的安全性，故实际蒸气压缩式制冷循环都是采用干压缩。
图1-9 蒸气压缩式制冷的理论循环
为了保证干压缩，还可以在压缩机前设置气液分离器，湿蒸气进入其中，气体由于速度降低而发生运动方向改变，液滴由于相对密度大、靠惯性沉于底部，实现气液分离，这样，只让气体进入压缩机保证干压缩，而液体流回蒸发器继续制冷；气液分离器另一个用途是分离高压液体节流后的闪发蒸气，只让液体进入蒸发器，因为闪发蒸气进入蒸发器不制冷且占据空间，影响制冷效率。
（2）绝热节流过程
节流过程是流体流动时由于通过截面突然缩小而使压力降低的热力过程。绝热节流前后流体的动能没有变化时﹐其焓值保持不变﹐但熵增加。因此，节流阀无法完成等熵节流，而是等焓节流。如图1-9所示，等焓节流3→4代替等熵节流3→4' ，单位质量制冷量减少了Δq'0（即面积44'b'b）；而放出的单位冷凝热量未变，所以单位耗功量增加了Δw'0 （即面积034'）。显然，采用节流阀理论上制冷系数降低了，其降低程度称为节流损失，这是不利之处，但由于节流阀结构简单，操作方便，目前广泛采用。
节流损失大小与冷凝温度和蒸发温度之差有关，Tk-T0越大，节流损失越大；同时，节流损失还与制冷剂的性质有关，由温熵图可见，制冷剂的饱和液线越平缓，比潜热越小，节流损失越大。
（3）等压条件下的换热过程
为了保证干压缩，压缩机吸入的是干饱和蒸气，则制冷剂吸气状态点1位于饱和蒸气线上，那么制冷剂的绝热压缩过程就必定在过热蒸气区进行，压缩终了状态点2成了过热蒸气。因此，制冷剂在冷凝器放热，首先进行的是显热交换，制冷剂由过热蒸气2变为饱和蒸气2'，这个过程在等压条件下完成（等温过程不可实现）；之后饱和蒸气2'继续放热进行冷凝相变，而两相区等温线和等压线一致，则相变既是等温变化过程也是等压变化过程，因此，冷凝器中的这个状态变化过程并非单纯的定温凝结过程，而是等压降温和等压冷凝过程。所以，制冷剂在蒸发器和冷凝器中进行的状态变化过程是等压换热。
综合上述，蒸气压缩式制冷的理论循环由等熵压缩、等压冷凝、等焓节流和等压蒸发四个过程组成。
1→2表示制冷剂在压缩机中等熵压缩。制冷剂的压力由蒸发压力p0升高到冷凝压力pk，温度由蒸发温度T0升高到冷凝温度Tk，成为pk压力下的过热蒸气。
2→2'→3表示制冷剂在冷凝器中等压冷凝放热。其中2→2'为过热蒸气冷却为饱和蒸气，放出显热；2'→3为饱和蒸气冷凝为饱和液体，放出潜热。
3→4表示制冷剂在节流阀中等焓节流。节流后，制冷剂压力由冷凝压力pk降到蒸发压力p0，温度由冷凝温度Tk降到蒸发温度T0（因部分液体汽化所致），但焓值不变。
4→1表示制冷剂在蒸发器中等压汽化吸热。
显然，上述制冷过程是经过简化后的理论制冷循环，与实际情况还是有偏差的，但便于进行分析研究，且可作为讨论实际循环的基础，因此单独加以详细分析和讨论。
1.3.2 理论制冷循环热力计算
对一个制冷循环进行热力计算，主要目的在于设计一个经济性高的制冷系统，使之运行安全、稳定、节能。而一个最简单的制冷系统由压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器四个设备组成，这四个设备怎样选用，它们之间能否匹配，这些问题都与设备的选型参数有关，这就需要对这个制冷循环进行定量计算，即热力计算。进行制冷循环的热力计算之前，首先应确定制冷循环的工作参数，即确定制冷循环的工作压力和工作温度，其中主要为蒸发温度和冷凝温度；然后确定完成制冷循环的制冷剂，在该制冷剂的压焓图上绘制制冷循环过程，确定循环各有关状态点的参数值；最后计算出制冷循环的性能指标，为制冷设备选择提供原始数据。
（1）确定制冷循环的工作参数
①蒸发温度t0：即制冷工质在蒸发器中汽化吸热时的温度。它主要取决于被冷却介质的温度、冷却方式和蒸发器的结构形式，取值方法见表1-1。
表1-1 蒸发温度的确定
②冷凝温度tk：即制冷工质在冷凝器中凝结放热时的温度。它取决于当地气象、水文条件、选用冷却介质和冷凝器的结构形式，取值方法见表1-2。
表1-2 冷凝温度的确定
（2）绘制制冷循环的压焓图
选用已确定的制冷剂的压焓图，根据工作参数在压焓图上绘制蒸气压缩式制冷的理论循环，如图1-10所示：
图1-10 蒸气压缩式制冷理论循环
①在压焓图上绘出冷凝压力pk和蒸发压力p0等值线。
②状态点1表示蒸发器出口和进入压缩机的制冷剂的状态。它是蒸发压力p0下的干饱和蒸气，在压焓图上为蒸发压力p0等值线与干饱和蒸气线的交点。
③状态点2表示压缩机排气及进入冷凝器的制冷剂状态。它是冷凝压力pk下的过热蒸气，在压焓图上为状态点1在过热蒸气区沿等熵线与冷凝压力pk等值线的交点。
④状态点3表示制冷剂离开冷凝器的状态。它是冷凝压力pk下的饱和液体，在压焓图上为冷凝压力pk等值线与饱和液体线的交点。
⑤状态点4表示制冷剂离开节流阀进入蒸发器的状态。它是蒸发压力p0下的湿蒸气，在压焓图上为状态点3在湿蒸气区沿等焓线与蒸发压力p0等值线的交点。
⑥将状态点1、2、3、4、1连成一个回路，就是一个完整的制冷理论循环。过程线1→2为压缩机等熵压缩过程，通过消耗外功使制冷剂压力、温度升高；过程线2→3为制冷剂在冷凝器中等压冷凝过程，过热蒸气区部分为冷却过程，放出过热热量，温度降低，两相区部分为冷凝过程，放出冷凝潜热，温度不变；过程线3→4为节流阀的等焓节流过程，节流前后制冷剂的焓值不变，压力、温度降低，并有部分液体制冷剂闪发成饱和蒸气（闪发蒸气），由于节流过程是不可逆过程，因此一般在图上用虚线表示；过程线4→1为制冷剂在蒸发器中等压蒸发过程，在这一过程中利用制冷剂液体在低压低温下汽化吸收被冷却物体的热量使其温度降低而达到制冷的目的。
（3）单级蒸气压缩式制冷理论循环的热力计算
在压焓图上绘制好制冷循环后，就可以查出四个状态点的状态参数。一般制冷循环的热力计算需要已知的状态参数主要有四个状态点的焓值h1、h2、h3、h4（其中h3=h4），和压缩机吸气点的比容ν1。
①单位质量制冷量q0：即1kg制冷剂在蒸发器内完成一次制冷循环所制取的冷量。该值与蒸发器的制冷量有关，折算为蒸发器制冷量Q0，这是蒸发器的选型参数——蒸发面积的计算依据。
q0=h1-h4 （kJ/kg） （1-6）
②单位容积制冷量qv：即制冷压缩机每吸入1m3制冷剂蒸气在该制冷系统内所能制取的冷量。该值能够评价在制取一定冷量时制冷系统体积的大小。
（1-7）
式中 ν1——压缩机吸入制冷剂蒸气的比容，m3/kg。
③制冷剂质量流量MR：制冷系统中制冷剂每秒流通的制冷剂质量，主要针对液态制冷剂。该值可将制冷系统中的各个参数单位量，折算为总量。
（1-8）
式中 Q0——制冷系统的制冷量，kW。
④制冷剂体积流量VR：制冷系统中压缩机每秒吸入的气体制冷剂体积量，针对的是制冷剂气体。假定制冷系统没有泄漏，该值也称为压缩机实际输气量，它与压缩机的选型参数——压缩机理论输气量Vh有着直接关系。
（1-9）
⑤单位冷凝热负荷qk：即1kg制冷剂在冷凝器内对外所释放的热量。该值与冷凝器选择计算有关。
（1-10）
⑥冷凝器热负荷Qk：单位时间冷凝器与冷却介质进行热交换量。该值是计算冷凝器的设计选型参数——冷凝换热面积的依据。
Qk=MRqk （kW） （1-11）
⑦单位理论功w0：制冷压缩机每压缩1kg制冷剂蒸气所消耗的功。该值与制冷压缩机及其配备电动机选择计算有关。
w0=h2-h1 （kJ/kg） （1-12）
⑧压缩机理论耗功率Pth：制冷压缩机在压缩制冷剂蒸气过程中所消耗的功率。功率是制冷压缩机匹配的电动机的选型参数。
Pth=MRw0=MR（h2-h1） （kW） （1-13）
⑨理论制冷系数ε0：指理论制冷循环中，制冷系统制取冷量与所消耗功率的比值。该值评价制冷系统的经济性，即投入多少功率，能产出多少冷量。
（1-14）
⑩热力完善度η：表示理论制冷循环接近理想制冷循环的程度。
（1-15）
例1-1 某空气调节系统需制冷量20kW，假定循环为单级蒸气压缩式制冷理论基本循环，且选用氨作为制冷剂，工作条件为：蒸发温度t0=5℃，冷凝温度tk=40℃。试对该理论制冷循环进行热力计算。
解 工作条件：蒸发温度t0=5℃，冷凝温度tk=40℃
图1-11 例题1-1图
在制冷剂氨的压焓图上画出相应的制冷循环（图1-11）：根据t0=5℃和tk=40℃在压焓图上绘制两条等压线，与两条饱和线分别交出制冷压缩机吸气点1和冷凝器出液点3，过点1作等熵线得制冷压缩机排气点2，过点3作等焓线得蒸发器入口点4，1→2→3→4→1组成该理论制冷循环。
在氨的压焓图上查取相应的热力状态参数值：
h1=1461.69kJ/kg
h2=1633.47kJ/kg
h3=h4=390.25kJ/kg
v1=0.24114m3/kg
①单位质量制冷量：
q0=h1-h4=1461.69-390.25=1071.44 （kJ/kg）
②单位容积制冷量：
③质量流量：
④体积流量：
VR=MRν1=0.0187×0.24114=0.00450 （m3/s）
⑤单位冷凝热负荷：
qk=h2-h3=1633.47-390.25=1243.22 （kJ/kg）
⑥冷凝器热负荷：
Qk=MRqk=0.0187×1243.22=23.248 （kW）
⑦单位理论功：
w0=h2-h1=1633.47-1461.69=171.78 （kJ/kg）
⑧压缩机理论耗功率：
Pth=MRw0=MR（h2-h1）=0.0187×171.78=3.212 （kW）
⑨理论制冷系数：
⑩热力完善度：
讨论 制冷理论循环中，q0+w0=qk
Q0+N0=Qk
符合能量守恒的基本原则。
例1-2 某冷水机组制冷量20kW，采用R407C做制冷剂，要求将冷冻水水温由12℃降至7℃，冷却水水温由32℃升至37℃。不考虑其他实际因素影响，试对该冷水机组的理论制冷循环进行热力计算。
解 工作条件由表1-1和表1-2可得：
蒸发温度：
冷凝温度：
h1=412.4kJ/kg
h2=436.2kJ/kg
h3=h4=255.5kJ/kg
v1=0.0407m3/kg
①单位质量制冷量：
q0=h1-h4=412.4-255.5=156.9 （kJ/kg）
②单位容积制冷量：
③质量流量：
④体积流量：
VR=MRν1=0.1274×0.0407=0.0052 （m3/s）
⑤单位冷凝热负荷：
qk=h2-h3=436.2-255.5=180.7 （kJ/kg）
⑥冷凝器热负荷：
Qk=MRqk=0.1274×180.7=23.02 （kW）
⑦单位理论功：
w0=h2-h1=436.2-412.4=23.8 （kJ/kg）
⑧压缩机理论耗功率：
Pth=MRw0=MR（h2-h1）=0.1274×23.8=3.03 （kW）
⑨理论制冷系数：
⑩热力完善度：
