制冷循環及其基本參數
一、制冷循環原理
1.蒸氣壓縮式制冷循環原理
制冷設備的制冷過程是由壓縮機使制冷系統內的制冷劑發生流動，并在密閉系統的循環中產生狀態變化，即吸熱及放熱的過程。制冷劑是制冷設備完成制冷循環的工作介質。在蒸氣壓縮式制冷循環中，制冷劑與壓縮機、冷凝器、毛細管及蒸發器等部件構成了制冷系統，通過制冷系統及一定的電能消耗使制冷劑在系統內循環流動，周期性地發生從蒸氣到液體，再由液體變成蒸氣的狀態變化。
目前制冷與空調設備大多采用蒸氣壓縮式制冷方式和吸收式制冷方式，其中前者技術成熟、設備造價低廉，在工程中得到廣泛應用。
蒸氣壓縮式制冷循環是利用壓縮機對制冷劑進行壓縮，把制冷劑由低壓低溫蒸氣壓縮為高壓高溫蒸氣，并驅動制冷劑在一個密閉的系統內循環。單級蒸氣壓縮式制冷循環是指循環過程只經過一個壓縮機即可完成制冷劑氣—液一氣的轉換。從壓縮機中排出的制冷劑蒸氣在冷凝器中通過冷卻介質的冷卻而冷凝成高溫高壓的液體，放出大量的液化潛熱。這種液體經過節流裝置減壓降溫變成低壓低溫的液體，然后進入蒸發器，吸收其周圍被冷卻物質的熱量，蒸發為低壓低溫的制冷劑氣體，接著重新被制冷壓縮機吸入，開始下一個制冷循環。即一個制冷循環所經歷的四個過程為壓縮、冷凝、節流、蒸發，如圖2-5所示。
2.制冷系統組成
一個制冷循環過程中，系統中的各部件所起的作用各不相同，各自的工作原理對應著不同的結構類型。
(1)壓縮機
壓縮機是制冷系統中的一個重要組成部件，它為制冷劑的循環提供動力。人們形象地稱制冷劑是制冷系統中的血液，壓縮機是制冷系統中的“心臟”。根據工作原理，壓縮機分為以下幾種形式：往復活塞式、連桿活塞式、曲軸連桿活塞式、曲柄連桿活塞式、電磁振動活塞式、曲柄滑管式、旋轉式轉子刮板式、離心刮板式、渦旋式。
活塞式壓縮機從吸氣口吸進低壓低溫的制冷劑蒸氣，活塞的往復運動對制冷劑氣體進行壓縮，使低溫低壓的制冷劑蒸氣變成高溫高壓的過熱蒸氣，并從壓縮機排氣口排出。壓縮的目的，一方面是使蒸氣的壓力高于冷凝溫度所對應的壓力，從而保證制冷劑蒸氣能在常溫下液化；另一方面是壓縮機的吸、排氣口的較高壓差使得制冷劑得以循環流動，使制冷過程能連續進行。
(2)冷凝器
冷凝器是將制冷劑在制冷系統內吸收的熱量傳遞給周圍介質的熱交換器。由壓縮機中排出的高壓過熱蒸氣進入冷凝器中，經過散熱、冷卻，冷凝成液體。
冷凝器可按冷卻介質分為兩類，一類為風冷式，包括強制風冷式和自然對流風冷式；另一類為水冷式。工業與小型制冷空調設備，大多采用水冷式和強制風冷式。家用制冷與空調設備中，電冰箱采用自然對流風冷式，空調器則采用強制風冷式。
(3)節流裝置
節流裝置的作用是節流降壓，使從冷凝器來的高壓制冷劑液體壓力降到與蒸發溫度相對應的蒸氣壓力。在實際應用中，通常采用毛細管或膨脹閥作為節流裝置。毛細管細而長，膨脹閥開啟度小。制冷劑流過節流裝置時流動速度將加快，毛細管或膨脹閥的兩端將形成較大的壓差，制冷劑流量也將受到控制。由于經過節流裝置壓力下降，則制冷劑蒸發溫度相應下降，同時由于制冷劑流量減小，制冷劑在蒸發器內可以充分吸熱蒸發。
(4)蒸發器
蒸發器是將蒸發器周圍的熱量傳遞給制冷劑的熱交換裝置。液態制冷劑在蒸發器中吸收周圍熱量蒸發成為氣態制冷劑。制冷劑在蒸發器中沸騰汽化時從被冷卻空間介質吸收的熱量，稱為制冷系統的制冷量。蒸發器通常由一組或幾組盤管組成。為了提高傳熱效果，在盤管上附加翅片。
制冷系統制冷量的大小與蒸發器的面積大小、蒸發器內液態制冷劑的多少、制冷劑蒸發溫度及周圍介質的溫差有關。蒸發器面積越大，換熱溫差越大，制冷量相應增加。同時，制冷系統需要向蒸發器供給適量的制冷劑液體。
3.其他幾種制冷形式
(1)吸收式制冷循環
吸收式制冷循環使用兩到三種制冷劑和吸收劑組成的溶液，由溶液的正循環和制冷劑的逆循環給予實現。主要由發生器、吸收器、冷凝器、蒸發器、溶液泵及節流器組成。
吸收式制冷是以二元溶液作為工質，利用溶液在一定條件下能析出低沸點組分的蒸氣，在另一條件下又能強烈地吸收低沸點組分的蒸氣這一特性，實現低沸點物質的汽化、吸收、冷凝、再汽化的制冷循環。其中低沸點溶液為制冷劑，高沸點溶液為吸收劑。吸收式制冷中使用的溶液主要有氨水溶液(NH₃·H₂O)和溴化鋰水溶液(LiBr·H₂O),
前者多用于低溫制冷系統，后者多用于空調制冷系統。
在吸收器中充有氨水稀溶液，用它來吸收從蒸發器流過來的氨氣。溶液吸收氨氣的過程是放熱過程。因此，吸收器必須被冷卻。吸收氨以后，氨水溶液就變成濃溶液。溶液泵使濃溶液提高壓力，然后通過熱交換器進入發生器。在發生器中溶液被加熱到制冷劑沸騰。由于氨的沸點低，加熱產生的氨氣經過精餾后幾乎是純氨氣，然后被送入冷凝器中冷凝。冷凝后的氨，經過節流閥I,進入蒸發器汽化吸熱(制冷)后流回到吸收器。這樣，制冷劑氨在完成一個流動循環的過程中，達到了在蒸發器處吸熱制冷的目的。
在發生器中溶液被加熱，由于氨的大量蒸發而變成稀溶液，它再通過熱交換器和節流閥Ⅱ返回到吸收器，以便再次吸收氨氣。為了保證發生器與吸收器之間的壓力差，在它們的連接管道上安裝了節流閥Ⅱ。
對發生器加熱的方法可以采用蒸汽加熱，也可以采用燃油、煤或天然氣的方法直接加熱。
吸收式制冷循環也包括高壓制冷劑蒸氣的冷凝過程、制冷劑液體的節流過程及其在低壓下的蒸發過程。這些過程同壓縮式制冷循環一樣，所不同的是后者依靠壓縮機的作用使低壓制冷劑蒸氣復原為高壓蒸氣，而在吸收式制冷機中則依靠發生器來完成。
(2)蒸汽噴射式制冷循環
蒸汽噴射式制冷循環是以高壓水蒸氣為工作動力的循環。在循環中，鍋爐、凝水器(冷凝器)、噴射器、凝水泵組成熱動力循環(正向循環);噴射器、冷凝器、節流器、蒸發器組成制冷循環(逆向循環)。正向循環與逆向循環通過噴射器、冷凝器互相聯系。
鍋爐提供的高溫高壓的水蒸氣稱為工作蒸汽，工作蒸汽被輸送至蒸汽噴射器(主噴射器),在噴嘴中絕熱膨脹并迅速降壓而獲得很大的流速(>1000m/s)。
在蒸發器中由于制取冷量而汽化的水蒸氣被引入噴射器的混合室中，與絕熱膨脹后的高速蒸汽混合，一同進入擴壓管中，混合蒸汽在擴壓管中將動能轉變為勢能而被壓縮至相應的冷凝壓力，然后進入冷凝器向環境介質放出熱量，由冷凝器引出的凝結水分為兩路，一路經節流器I節流降壓到蒸發壓力后在蒸發器中汽化吸熱，另一路經冷凝水泵送回鍋爐繼續加熱循環。
(3)半導體制冷
半導體制冷是應用半導體材料的珀爾帖效應實現的。珀爾帖效應指在兩個不同導體A、B組成的回路中，通過直流電I時，在回路的一個接點處除產生焦耳熱外，還會釋放出某種其他熱量，而在另一接點處出現吸收熱量的現象，如圖2-9所示。圖中TL、Q0。分別是吸熱端的溫度和熱量。TH、QH分別是放熱端的溫度和熱量。
半導體制冷由熱電堆、熱交換器、殼體、附件和溫控系統組成。熱電堆的冷端通過熱交換器吸收冷卻空間和物品的熱量，這部分熱量就是半導體制冷的制冷量。熱電堆產生的熱量連同制冷吸收的熱量通過熱電偶被傳送到熱電堆的熱端。在熱電堆的熱端，通過熱交換器向冷卻水或空氣散熱，從而將冷卻空間或物品的熱量轉移到周圍環境中去。溫控系統用來調節制冷系統的工作，使冷卻空間和物品保持穩定的溫度。
半導體制冷采用半導體元件，不使用制冷劑，因此沒有運動部件，也沒有磨損、振動和噪聲，工作可靠并且不受重力影響，改變電流方向即可從制冷工況轉移到制熱工況。但半導體制冷效率較低，適宜于要求消除振動和噪聲的工作環境、高壓或水下環境以及失重和移動的環境。
二、制冷狀態及其參數
在整個制冷循環過程中，制冷劑在蒸發器等設備中的狀態及狀態參數是制冷與空調作業人員應該掌握的基本概念。
1.蒸發和沸騰
物質從液態變為氣態的現象，稱為汽化。汽化有兩種方式，即蒸發和沸騰。日常生活中，洗過的衣服經過一段時間的晾曬就干了，這是因為衣服表面的水分變成水蒸氣跑到空氣中的緣故；人出汗后被風扇一吹感覺涼爽，也是由于汗液蒸發時帶走了一部分熱量。僅在液體表面發生的汽化現象，稱為蒸發。各種液體可以在任何溫度下蒸發。蒸發過程為吸熱過程。蒸發過程的快慢與該液體所處的環境溫度、自身蒸發面積以及液面周圍空氣流動速度、空氣的相對濕度等因素有關。
沸騰是一種液體表面和內部同時進行的汽化現象。當在一定壓力下，任何一種液體只有達到與該壓力相對應的溫度時才會沸騰。沸騰時的溫度稱為沸點。不同的液體沸點也不相同。沸點與壓力有關，壓力越大，沸點越高；壓力越小，沸點越低。
蒸發和沸騰雖然是兩個不同的物理現象，但其實質是相同的，即都是部分液體分子吸收足夠的熱量而獲得逸出功，并脫離液體表面進入空氣中的過程。
制冷劑在蒸發器內不斷吸收周圍空氣或水的熱量，由液態制冷劑汽化為蒸氣，常稱為蒸發，但實際上是一個沸騰過程。當蒸發器內的壓力一定時，制冷劑的汽化溫度就是與其對應的沸點，在制冷技術中將蒸發壓力所對應的溫度稱為蒸發溫度。液體在沸騰時，雖然繼續吸熱，但其溫度不再升高。例如在標準大氣壓下，氟利昂制冷劑R12在蒸發器內沸騰，其溫度一直保持在-29.8℃。蒸發溫度對應的壓力稱為蒸發壓力。
2.冷凝
冷凝過程也稱液化過程，即物質由氣態變為液態的現象。氣體的冷凝或液化過程一般屬于放熱過程，是汽化過程的逆過程。如水蒸氣遇到較冷的物體會凝結成水滴；氣態制冷劑被壓縮機壓縮到冷凝器后，通過冷凝器壁向其周圍空氣放出大量的熱量變成液態制冷劑，供制冷系統循環使用。
氣態制冷劑冷凝液化時的溫度稱為冷凝溫度，此時的壓力稱為冷凝壓力。
制冷系統內制冷劑的蒸發和冷凝都是在飽和狀態下進行的。蒸發溫度、蒸發壓力和冷凝溫度、冷凝壓力分別是指相應狀態下的飽和溫度、飽和壓力。
3.飽和溫度和飽和壓力
如圖2-10所示，裝在一密閉容器里的液體被加熱汽化時，其液態分子變成氣態脫離液面，使密閉容器的蒸氣分子密度增大，同時做無規則運動。當蒸氣分子濃度增高到一定程度時，汽化逸出的分子數便不再增加，這種狀態稱為飽和狀態。
密閉容器內處于飽和狀態的液體稱為飽和液體；處于飽和狀態的蒸氣稱為飽和蒸氣。
(1)飽和溫度
當液體與氣體處于共存狀態時，氣、液彼此相互轉換的飽和狀態下的飽和蒸氣溫度和飽和液體溫度是相同的，該溫度稱為飽和溫度。
(2)飽和壓力
在同一飽和狀態下，飽和蒸氣的壓力和飽和液體的壓力是相同的，該壓力稱為飽和壓力。
飽和溫度和飽和壓力不是一定值，它隨著工質吸收或放出熱量的多少而發生相應的變化，但是工質的飽和壓力和飽和溫度是一一對應的，即工質在飽和狀態下，有一飽和壓力必對應一飽和溫度。如水在1大氣壓下的飽和溫度為100℃,水在100℃時的飽和壓力就是1大氣壓；而在高原地區，由于空氣壓力低于1大氣壓，相應的水不到100℃就會沸騰汽化，即在此地區空氣壓力下，水的飽和溫度低于100℃,其飽和壓力也比1大氣壓低。同一工質，隨著壓力的升高，飽和溫度也升高，溫度升高對應的飽和壓力也增大。
液態工質在飽和壓力下沸騰汽化時維持不變的溫度稱為沸點；氣態工質在飽和壓力下冷凝液化時所維持不變的溫度稱為液化點。在制冷技術中，沸點即工質在飽和壓力下的蒸發溫度；液化點即工質在飽和壓力下的冷凝溫度。蒸發和冷凝都是在飽和溫度下進行的，壓力越低，飽和溫度也越低。在制冷過程中，保持較低的壓力，可使制冷劑在低溫下進行蒸發而吸收周圍介質的熱量，從而起到降低環境溫度的作用。提高制冷劑的飽和壓力，可使其在較高的溫度下進行冷凝，從而使較高溫度的制冷劑蒸氣在冷凝過程中向周圍環境放出熱量。
4.單級蒸氣壓縮制冷循環過程
單級蒸氣壓縮制冷循環是指用一臺制冷壓縮機對制冷劑蒸氣只進行一次壓縮的制冷循環，如圖2—11所示。圖中px、t分別表示制冷劑的冷凝壓力、冷凝溫度。Po、to分別表示制冷劑的蒸發壓力、蒸發溫度。
(1)絕熱壓縮過程
圖2—11中點1表示制冷劑進入壓縮機吸氣口時的狀態，它位于壓力為p₀的等壓線與干度為1的蒸氣線交點處，制冷劑處于溫度為蒸發溫度的干飽和蒸氣狀態。點2表示制冷劑從壓縮機排出時的狀態，也為剛進入冷凝器時的狀態。
過程1-2為壓縮過程。它表示制冷劑蒸氣在壓縮機中壓縮成高壓、高溫的蒸氣，其焓值由i1提高到i₂,所以點2處制冷劑為過熱蒸氣狀態。由于不考慮其他能量損失，所以此壓縮過程理論上分析是絕熱壓縮過程。
(2)等壓冷凝過程
點2'是壓力為pk的等壓線與干度為1的飽和蒸氣線的交點。它的溫度是冷凝溫度tk。點3表示制冷劑流出冷凝器進入節流閥前的狀態，該點處于等壓線Pr與干度為零的飽和液相線的交點處，其溫度為tk。
過程2-2'-3說明制冷劑壓力始終為ph,在冷凝器中進行等壓冷卻，等壓冷凝，使制冷劑蒸氣不斷向外界放出大量的熱，逐漸變為液態。其中2—2'為等壓冷卻過程，此時制冷劑物態不發生變化，只是溫度下降。2'-3為等壓冷凝過程，此時制冷劑物態發生變化，由氣態變為液態，而溫度不變。隨著冷凝過程的進行，制冷劑在飽和區內干度逐漸下降，飽和蒸氣逐漸減少，而飽和液體逐漸增加。由于飽和區內飽和壓力和飽和溫度是一一對應的，因此等壓冷凝過程也是等溫冷凝過程。
(3)等焓節流過程
點4表示制冷劑流出節流裝置開始進入蒸發器時的狀態。點4是過點3的等焓線與等壓線po的交點。
過程3—4通過節流裝置使制冷劑壓力從pk降至p0,溫度由t降至t0,并成為氣、液兩相狀態。由于節流前后理論上焓值不變，所以此過程稱為等焓節流過程。另外節流過程中會有少量液態制冷劑汽化，因此節流裝置出口(也是蒸發器入口)處點4表示的制冷劑狀態為含有少量蒸氣的液態。
(4)等溫蒸發過程
過程4—1為制冷劑在蒸發器中的汽化過程，液體制冷劑在蒸發器內不斷汽化吸收其周圍介質的熱量，焓值不斷增加，飽和液體逐漸減少，飽和蒸氣逐漸增多，直至制冷劑全部蒸發為止，即重新達到干度為1的飽和蒸氣狀態點1之后，再次被壓縮機吸入而進入下一次制冷循環。
三、制冷劑的蒸氣狀態參數
1.制冷劑的壓一焓圖及狀態參數
蒸氣壓縮式制冷循環中，制冷劑在制冷系統中經歷了汽化、壓縮、冷凝、節流膨脹等狀態變化過程。
(1)濕蒸氣和干度
制冷劑在冷凝器或蒸發器的前端同時存在制冷劑的飽和氣體和飽和液體，這種飽和液體和飽和氣體的混合物稱為濕蒸氣。
在一定溫度下，蒸氣達到飽和狀態時，只存在飽和蒸氣而不存在飽和液體，稱為干飽和蒸氣，簡稱為干蒸氣。蒸發器的末端和出口處，制冷劑通常處于干飽和蒸氣狀態。
濕蒸氣中所存在的蒸氣量與濕蒸氣總質量的比值稱為干度。干度表示濕蒸氣中飽和蒸氣含量的多少，用符號x表示。
x=mv/mw
式中 x——濕蒸氣的干度；
mv——濕蒸氣中的蒸氣量，kg;
mw——濕蒸氣的總質量，kg。
由干度定義可以看出：0≤x≤1。
當x=0時，制冷劑為飽和液體狀態。
當0<x<1時，制冷劑為濕蒸氣狀態。
當x=1時，制冷劑為干飽和蒸氣狀態。
在制冷系統的蒸發器中，制冷劑的飽和液體吸收熱量逐漸汽化為飽和蒸氣，干度逐漸增大；與此相反，在冷凝器中制冷劑飽和蒸氣放出熱量逐漸液化為飽和液體，干度逐漸減小。
(2)濕度
濕度是表示空氣中含水蒸氣量多少的物理量，分為絕對濕度和相對濕度兩種。
絕對濕度是每立方米濕空氣中含有的水蒸氣量，單位為kg/m3。但絕對濕度使用起來不方便，因為水分蒸發和凝結時，濕空氣中的水蒸氣質量是變化的，而且濕空氣的體積還隨溫度而變，因此即使水蒸氣質量不變，由于濕空氣的體積改變，絕對濕度也將相應地變化，因而不能確切地反映濕空氣中水蒸氣量的多少。
相對濕度是指某一溫度時，空氣中所含水蒸氣質量與同一溫度下空氣中的飽和水蒸氣的質量之比(以百分數表示)。相對濕度越小，蒸發越快，說明空氣吸收水汽的能力強。反之，則說明空氣吸收水汽的能力弱。
(3)過熱蒸氣
處于飽和狀態下的制冷劑，在飽和壓力不變的條件下，繼續使飽和蒸氣加熱，使其溫度高于飽和溫度，此時制冷劑蒸氣的狀態稱為過熱狀態。
過熱狀態時的蒸氣稱為過熱蒸氣。在壓縮式制冷系統中，為避免壓縮機吸人液態制冷劑而造成液擊事故，通常要求壓縮機吸入稍過熱的蒸氣，再經壓縮機壓縮排到冷凝器中。
過熱蒸氣的溫度高于飽和壓力所對應的飽和溫度，它們的差值稱為過熱度。例如蒸發器中制冷劑的飽和溫度(蒸發溫度)為-20℃時，其蒸發壓力為0.15MPa,若壓縮機吸氣溫度為-15℃,則過熱度為5℃。
(4)過冷液體
處于飽和狀態下的制冷劑，在飽和壓力不變的條件下繼續冷卻，使其溫度低于飽和溫度，此時制冷劑液體的狀態稱為過冷狀態。過冷狀態的液體稱為過冷液體。過冷液體的溫度低于飽和壓力所對應的飽和溫度，它們的差值稱為過冷度。例如制冷壓縮機空調工況規定制冷劑R22在冷凝器中冷凝液化時的溫度為40℃,過冷溫度為35℃,所以過冷度為這兩者的差值5℃。
制冷劑液體在進入節流裝置前要過冷，目的是在不增加制冷壓縮機功耗的前提下，使制冷劑液體的溫度低于飽和溫度，因而可吸收相對更多的熱量，同時可以減少節流過程中產生的閃發氣體量，減小節流損失，從而提高單位制冷劑的制冷量，使制冷系統更經濟有效地運行。
2.制冷劑的壓一焓圖(lgp—h圖)
(1)壓一焓圖的構成
制冷劑的狀態參數如壓力(p)、溫度(t)、比體積(v)、比焓(h)中的任意兩個參數均可構成熱力圖。以制冷劑絕對壓力的對數值1gp為縱坐標，以制冷劑的比焓h(制冷劑的能量)為橫坐標組成的熱力圖，即為制冷劑的壓一焓圖，如圖2—12所示。
圖中有一特殊點C,它表示制冷劑的臨界狀態，兩條黑粗實曲線相交于此點。左邊的黑粗實線是干度x=0的飽和液線，右邊的黑粗實線是干度x=1的飽和蒸氣線，也稱干飽和蒸氣線。飽和液線和干飽和蒸氣線將整個圖面分成三個區域：
I區為飽和液線和干飽和蒸氣線之間的區域，在此區域內制冷劑氣液共存，故稱為飽和區或濕蒸氣區(x=0和x=1兩條黑實線所圍成的舌形線之內)。
Ⅱ區為干飽和蒸氣線右方區域，稱為過熱蒸氣區，制冷劑以蒸氣狀態存在。
Ⅲ區為飽和液線左方區域，稱為不飽和液區或過冷區。
(2)制冷劑壓—焓圖中各線條所代表的意義
1)等壓線p:等壓線是將不同區域壓力相等的點連成的直線。在壓焓圖上它是平行于橫坐標的線簇，在飽和區(I區)內等壓線也是等溫線。
2)等溫線t:等溫線是將不同區域溫度相等的點連成的線(圖上為點畫線)。等溫線在過冷區內為垂直橫坐標的線簇；在過熱蒸氣區內向下稍彎曲接近豎直的弧線簇；在飽和區內為平行橫坐標的線簇，等溫線也是等壓線。等溫線在不同區域的線型不同，查圖時應注意。
3)等比體積線v:等比體積線是將不同區域比體積相等的點連成的線，它是向右上方稍彎曲向上的曲線簇。
4)等焓線h:等焓線是將不同區域焓值相等的點連成的直線，它是平行于縱坐標的線簇。
5)等熵線s:等熵線是將不同區域熵值相等的點連成的線，它是向右上方彎曲，但比等比體積線陡度大一些的曲線簇。
6)等干度線x:等干度線是將干度相等的點連成的線，它是自臨界點向下方發散的曲線簇。它在飽和區內，邊界線為干度是零的飽和液線和干度是1的干飽和蒸氣線，自左向右由x=0逐漸增至x=1。
