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制冷原理与发展 (陈剑飞 制冷就是使某一空间或某物体达到低于其周围环境介质的温度，并维持这个低温的过程。由两个等温过程和两个绝热过程组成。假设低温热源（即被冷却物体）的温度为T0，高温热源（即环境介质）的温度为Tk, 则工质的温度在吸热过程中为T0，在放热过程中为Tk,就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行的。其循环过程为： 首先工质在T0下从冷源（即被冷却物体）吸取热量q0，并进行等温膨胀4-1，然后通过绝热压缩1-2，使其温度由T0升高至环境介质的温度Tk,再在Tk下进行等温压缩2-3，并向环境介质（即高温热源）放出热量qk, 最后再进行绝热膨胀3-4，使其温度由Tk 降至T0即使工质回到初始状态4，从而完成一个循环。 对于逆卡诺循环来说，由图可知： 　　q0=T0(S1-S4） 　　qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4） 　　w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4） 　　则逆卡诺循环制冷系数εk为：T0/Tk-T0由上式可见，逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关，只取决于冷源（即被冷却物体）的温度T0和热源（即环境介质）的温度Tk；降低Tk，提高T0，均可提高制冷系数。此外，由热力学第二定律还可以证明：“在给定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高”。任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。 上所述，理想制冷循环应为逆卡诺循环。而实际上逆卡诺循环是无法实现的，但它可以用作评价实际制冷循环完善程度的指标。通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数ε与逆卡诺循环制冷系数εk之比，称为该制冷机循环的热力完善度，用符号η表示。即： η=ε/εk 热力完善度是用来表示制冷机循环接近逆卡诺循环循环的程度。它也是制冷循环的一个技术经济指标，但它与制冷系数的意义不同，对于工作温度不同的制冷机循环无法按其制冷系数的大小来比较循环的经济性好坏，而只能根据循环的热力完善度的大小来判断。 图2.1 单级蒸气压缩式制冷系统 1 压缩机 2 冷凝器 3 膨胀阀 4 蒸发器 图2.1的单级蒸气压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器四个基本部分组成；四部分之间用管道连接，形成一个封闭系统；制冷剂在系统内循环流动，发生一系列状态变化，并与外界进行能量交换，从而达到制冷的目的。具体的工作过程如下： 工作时压缩机吸入蒸发器内产生的低压（低温）制冷剂蒸气，保持蒸发器内的低压状态，使蒸发器内制冷剂液体在低温下能够沸腾；吸入的蒸气经过压缩，压力和温度都升高，使制冷剂能够在常温下进行液化；高压高温的制冷剂蒸气排入冷凝器后，在压力不变的情况下被冷却介质（水或空气）冷却，放出热量温度降低，最后凝结成液体从冷凝器排出；高压制冷剂液体经节流阀节流降压，导致部分制冷剂液体汽化，吸收汽化潜热，使其本身的温度也相应降低，成为低压、低温的湿蒸气，然后进入蒸发器；在蒸发器中制冷剂液体在等压的情况下，吸收被冷却介质（空气、水或盐水等）的热量从而发生汽化，形成的低压低温蒸气再被压缩机吸走，如此不断进行循环。 2.2、单级蒸气压缩式制冷理论循环在压焓图和温熵图上的表示 理论制冷循环与实际循环是存在偏差的，但由于理论循环可使问题得到简化，便于对它们进行分析研究，而且理论循环的各个过程均是实际循环的基础，它可作为实际循环的比较标准，因此仍有必要对它加以详细的分析与讨论。对于理论制冷循环，通常作出如下的假设： （1） （2） （3） （4） （5） （6） 图2.2单级理论循环压焓图 过程线1－2表示等熵压缩过程，压力由蒸发压力升高到冷凝压力。点1表示制冷剂进人压缩机的状态，它对应于蒸发温度的饱和蒸气。根据压力与饱和温度的对应关系，该点位于蒸发压力的等压线与饱和蒸气线的交点上；点2表示制冷剂出压缩机时的状态，也是进冷凝器时的状态。该点可通过1点的等熵线和冷凝压力的等压线的交点来确定。由于压缩过程中外界对制冷剂作功，制冷剂温度升高，因此点2表示过热蒸气状态。 过程线2－3表示制冷剂在冷凝器中的冷却（2－2′）和冷凝（2′－3）过程。点3表示制冷剂出冷凝器时的状态，它是与冷凝温度所对应的饱和液体。整个过程是在冷凝压力不变的情况下进行的，进入冷凝器的过热蒸气首先将部分热量放给冷却介质，在等压下冷却成饱和蒸气（点2′）。然后再在等压、等温条件下继续放出热量，直至最后冷凝成饱和液体（点3）。因此，压力为的等压线和饱和液体线的交点即为点3。 过程线3－4表示制冷剂在节流阀中的节流过程。点4表示制冷剂出节流阀时的状态，也是进入蒸发器时的状态。在该过程中，制冷剂的压力由冷凝压力降至蒸发压