1樓：慾火黑羽
從熱力學角度說，製冷系統是利用逆向迴圈的能量轉換系統。按補償能量的形式（或驅動方式），前面所提及的製冷方法歸為兩大類：以機械能或電能為補償的和以熱能為補償的。
前者如蒸氣壓縮式、熱電式製冷機等；後者如吸收、蒸氣噴射、吸附式製冷機等。兩類製冷機的能量轉換關係如圖1所示。
圖1 製冷機的能量轉換關係
(a) 以電能或機械能驅動的製冷機 (b) 以熱能驅動的製冷機
熱力學關心的是能量轉換的經濟性，即花費一定的補償能，可以收到多少製冷效果（製冷量）。為此，對於機械或電驅動方式的製冷機引入製冷係數來衡量；對於熱能驅動方式的製冷機，引入熱力係數
來衡量。 (1) (2)
式中 ----- 製冷機的製冷量；
―― ------ 冷機的輸入功；
―― ----- 驅動熱源向製冷機輸入的熱量。
國外習慣上將製冷係數和熱力係數統稱為製冷機的效能係數cop(coefficience of performance)。我們要研究一定條件下cop的最高值。
對於電能或機械能驅動的製冷機，參見圖1(a)。製冷機消耗功w實現從低溫熱源（被冷卻物件，溫度 ）吸熱，向高溫熱源（通常為環境，溫度
）排熱。假定兩熱源均為恆溫熱源，向高溫熱源的排熱量為 ，由低溫熱源的吸熱量（即製冷量）為 ，製冷機為可逆迴圈。
由熱力學第一定律有
(3)由熱力學第二定律，在兩個恆溫熱源間工作的可逆機，乙個迴圈的熵增等於零，即
(4)將式(3)代入式(4)得
即 (5)
由定義式(1)，則可逆製冷的製冷係數為
(6)式(6)說明：①兩恆溫熱源間工作的可逆製冷機，其製冷係數只與熱源溫度有關，而與製冷機使用的製冷劑性質無關。② 的值與兩熱源溫度的接低程度有關， 與
越接近（ / 越小），則 越大；反之 越小。實際製冷機製冷係數 隨熱源溫度的變化趨勢與可逆機是一致的。
對於以熱能驅動的製冷機，參見圖 。製冷機從驅動熱源（溫度為 ）吸收熱量
作為補償，完成從低溫熱原吸熱，向高溫熱源排熱的能量轉換。我們假定驅動熱源也是恆溫熱源，其它假定同前。那麼類似地推導熱能驅動的可逆製冷機的效能係數
由熱力學第一定律有：
(7)由熱力學第二定律，迴圈中
即 (8)
利用式(7)， (8)和定義式(2)得出，熱能驅動的可逆製冷機的熱力係數 (9)
上式右邊的第乙個因子就是上面匯出的在 ， 溫度之間工作的可逆機械製冷機的製冷係數 ；而第二個因子 則是在 ，
溫度之間工作的可逆熱發動機的熱效率。故它相當於用乙個可逆熱機，將驅動熱源的熱量 轉換成機械功 ， = 再由 去驅動乙個可逆機械製冷機。見圖2。這說明 與
在數量上不具備可比性，因為補償能 與 的品位不同。
圖2 熱能驅動的製冷機等價關係圖
式(9)同樣說明，熱能驅動的可逆製冷機的效能係數（或熱力係數）也只與熱源的溫度 ， 和 有關，而與工質的性質無關。 越高（驅動熱源的品位越高）、 與
越接近，則 越大；反之， 越小。
式(6)和式(9)給出一定熱源條件下製冷機效能係數的最高值 ，
。故它們是價實際製冷機效能係數的基準值。實際製冷機迴圈中的不可逆損失總是存在的，其效能係數cop恆小於相同熱源條件下可逆機的效能係數copc。用製冷迴圈效率
評價實際製冷迴圈的熱力學完善程度（與可逆迴圈的接近程度）， 又叫製冷迴圈的熱力完善。定義
(10)或 （機械能或電能驅動的製冷機） (11a) （熱能驅動的製冷機）
(11b)恒有 (12)
越大，說明迴圈越好，熱力學的不可逆損失越小；反之， 越小，則說明迴圈中熱力學不可逆損失越大。
效能係數cop和熱力完善度
都是反映製冷迴圈經濟性的指標。但二者的含義不同，cop反映製冷迴圈中收益能與補償能在數量上的比值。不涉及二者的能量品位。
cop的數值可能大於1、小於1或等於1。cop的大小，對於實際製冷機來說，與工作溫度、製冷劑性質和製冷機各組成部件的效率有關；對於理想（可逆）製冷機來說，只與熱源溫度有關。所以用cop值的大小來比較兩台實際製冷機的迴圈經濟性時，必須是同類製冷機，並以相同熱源條件為前提才具有可比性。
而則反映製冷機迴圈臻於熱力學完善（可逆迴圈）的程度。用
作評價指標，使任意兩台製冷機在迴圈的熱力學經濟性方面具有可比性，無論它們是否同類機，也無論它們的熱源條件相同或是不同。
1.1.2 物質相變製冷概述
冰相變冷卻
冰相變冷卻是最早使用的降溫方法，現在仍在廣泛應用於日常生活、農業、科學研究等各種領域。冰融化和冰昇華均可用於冷卻。實際主要是利用冰融化的潛熱。
常壓下冰在0攝氏度融化,冰的汽化潛熱為335kj/kg。能夠滿足0攝氏度以上的製冷要求。
冰冷卻時，常借助空氣或水作中間介質以吸收貝冷卻物件的潛熱。此時，換熱過程發生在水或空氣與冰表面之間。被冷卻物體所能達到的溫度一般比冰的溶解溫度高5-10攝氏度。
厚度10厘公尺左右的冰塊，其比表面積在25-30平方公尺/立方公尺之間。為了增大比表面積，可以將冰粉碎成碎冰。水到冰的表面傳熱系數為116w/（平方公尺*k）。
空氣到冰表面的表面傳熱系數與二者之間的溫度差以及空氣的運動情況有關。
冰鹽相變冷卻
冰鹽是指冰和鹽類的混合物。用冰鹽製作製冷劑可以獲得更低的溫度。
冰鹽冷卻是利用冰鹽融化過程的吸熱。冰鹽融化過程的吸熱包括冰融化吸熱和鹽溶解吸熱這兩種作用。起初，冰吸熱在0攝氏度下融化，融化水在冰表面形成一層水膜；接著，鹽溶解於水，變成鹽水膜，由於溶解要吸收溶解熱，造成鹽水膜的溫度降低；繼而，在較低的溫度下冰進一步溶化，並通過其表層的鹽水膜與被冷卻物件發生熱交換。
這樣的過程一直進行到冰的全部融化，與鹽形成均勻的鹽水溶液。冰鹽冷卻能到達的低溫程度與鹽的種類和混合物中鹽與水的比例有關。
工業上應用最廣的冰鹽是冰塊與工業食鹽nacl的混合物。
乾冰相變冷卻
固態co2俗稱乾冰。
co2的三相點引數為：溫度-56攝氏度，壓力0.52mpa。乾冰在三相點以上吸熱時融化為液態二氧化碳；在三相點和三相點一下吸熱時，則直接昇華為二氧化碳蒸氣。
乾冰是良好的製冷劑，它化學性質穩定，對人體無害。早在19世紀，乾冰冷卻就用於食品工業、冷藏運輸、醫療、人工降雨、機械零件冷處理和冷配合等方面。
其他固體昇華冷卻
近代科學研究中心為了冷卻紅外探測器、射線探測器、機載紅外裝置等的需要。採用了固態製冷劑昇華的製冷系統。其製冷溫度取決於固體的種類、系統中的壓力和被冷卻物件的熱負荷。
通過改變昇華氣體的流量來調節系統中的被壓和溫度，就可以保持乙個特定的溫度。這種製冷系統的工作壽命由固體製冷劑的用量和被冷卻物件的熱負荷決定，有達1年之久的。固體昇華製冷的主要優點是昇華潛熱大，製冷溫度低，固體製冷劑的貯存密度大。
液體蒸發製冷
液體氣化形成蒸汽，利用該過程的吸熱效應製冷的方法稱液體蒸發製冷。
當液體處在密閉的容器內時，若容器內除了液體和液體本身的蒸汽外不含任何其它氣體，那麼液體和蒸氣在某一壓力下將達到平衡。這種狀態稱飽和狀態。如果將一部分飽和蒸汽從容器中抽出，液體就必然要再氣化出一部分蒸汽來維持平衡。
我們以該液體為製冷劑，製冷劑液體氣化時要吸收氣化潛熱，該熱量來自被冷卻物件，只要液體的蒸發溫度比環境溫度低，便可使被冷卻物件變冷或者使它維持在環境溫度下的某一低溫。
為了使上述過程得以連續進行，必須不斷地從容器中抽走製冷劑蒸汽，再不斷地將其液體補充進去。通過一定的方法將蒸汽抽出，再令其凝結為液體後返回到容器中，就能滿足這一要求。為使製冷劑蒸氣的冷凝過程可以在常溫下實現，需要將製冷劑蒸氣的壓力提高到常溫下的飽和壓力，這樣，製冷劑將在低溫低壓下蒸發，產生製冷效應；又在常溫和高壓下凝結向環境溫度的介質排放熱量。
凝結後的製冷劑液體由於壓力較高，返回容器之前需要先降低壓力。由此可見，液體蒸發製冷迴圈必須具備以下四個基本過程：製冷劑液體在低壓下氣化產生低壓蒸汽，將低壓蒸汽抽出並提高壓力變成高壓氣。
將高壓氣冷凝為高壓液體，高壓液體再降低壓力回到初始的低壓狀態。其中將低壓蒸汽提高壓力需要能量補償。
1.1.3蒸汽壓縮式製冷系統
要求掌握：專業術語（如製冷量、單位質量製冷量、單位體積製冷量等）；單級蒸氣壓縮式製冷迴圈的特點及工作過程，壓焓圖，理論製冷迴圈的定義和熱力計算，影響實際製冷迴圈的因素，蒸發溫度和冷凝溫度的變化對單級蒸氣壓縮式製冷機效能的影響，製冷劑和載冷劑的定義、性質和使用的溫度範圍；雙級壓縮製冷迴圈中最常見的兩種迴圈方式的流程和熱力計算，中間壓力的確定；復疊式製冷迴圈的流程和熱力計算。
＊ ＊ ＊
蒸汽壓縮式製冷系統由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器組成，用管道將它們連線成乙個密封系統。製冷劑液體在蒸發器內以低溫與被冷卻物件發生熱交換，吸收被冷卻物件的熱量並氣化，產生的低壓蒸汽被壓縮機吸入，經壓縮後以高壓排出。壓縮機排出的高壓氣態製冷劑進冷凝器，被常溫的冷卻水或空氣冷卻，凝結成高壓液體。
高壓液體流經膨脹閥時節流，變成低壓低溫的氣液兩相混合物，進入蒸發器，其中的液態製冷劑在蒸發器中蒸發製冷，產生的低壓蒸汽再次被壓縮機吸入。如此周而復始，不斷迴圈。
蒸氣壓縮式製冷機是得到最廣泛應用的製冷機，因此它是本書的重點內容之一。
可逆製冷迴圈
逆卡諾製冷迴圈
定義：設有恆溫熱源和恆溫熱匯，其溫度分別為tl 和th ，在這兩個溫度 之間的可逆製冷迴圈是卡諾製冷迴圈。卡諾製冷迴圈的原理圖如下所示：
圖1 逆卡諾迴圈
勞倫茨迴圈
勞侖茲迴圈熱源的熱容量是有限的，在與製冷工質進行熱量交換過程中，熱源的溫度也將發生變化，即被冷卻物體（冷源）的溫度將逐漸下降，環境介質（熱源）
的溫度將逐漸上公升。為了達到變溫條件下耗功最小的目的，應使製冷工質在吸、
排熱過程中其溫度也發生變化，而且變化趨勢與冷、熱源的變化趨勢完全一樣，使製冷工質與冷、熱源之間進行熱交換過程中的傳熱溫差始終為無限小，沒有不可逆換熱損失，
另外兩個過程仍分別為可逆絕熱壓縮與可逆絕熱膨脹過程，如圖2所示。這樣，
1-2-3-4-1即為乙個變溫條件下的可逆逆向迴圈--勞侖茲迴圈。顯然，實現這一迴圈所消耗 的功為最小，製冷係數達到在給定條件下的最大值。
圖2 勞侖茲迴圈
為了表達變溫條件下可逆迴圈的製冷係數，可採用平均當量溫度這一概念。若用t0m表示工質的 平均吸熱溫度，用tm表示工質的平均放熱溫度，則
(1)(2)與的大小分別可用面積41562和23652表示，平均吸熱溫度 t0m與平均放熱溫度
tm就是以熵差為底、面積分別等於41564和23652的矩形的高度。變溫情況下可逆迴圈的製冷係數可表示為
(3)即相當於工作在t0m，tm 之間的逆卡諾迴圈的製冷係數。
勞倫茨迴圈如右圖所示，迴圈由兩個變溫過程和兩個等熵過程組成。
單級蒸氣壓縮混合工質製冷迴圈
製冷機在實際工作過程中，冷卻介質和被冷卻物體的溫度將發生變化，冷凝器和蒸發器中也不可避免地存在因溫差傳熱而引起的不可逆損失。為了減少這種不可逆損失，製冷工質和傳熱介質之間應
保持盡可能小的傳熱溫差。
非共沸混合製冷劑在等壓下冷凝或蒸發時溫度均發生變化，冷凝時溫度由tk 逐漸降低至tk'， 蒸發時溫度由t0逐漸公升高至t0'
，我們利用這一特性，採用非共沸混合工質就可以達到減少傳熱溫差的目的，如圖3所示。極限情況下迴圈即變為勞侖茲迴圈。
圖3 變溫熱源時逆卡諾迴圈
非共沸混合製冷劑單級蒸氣壓縮製冷迴圈的t-s圖及p-h 圖如圖4所示。它與純製冷劑迴圈的區別僅在於製冷劑在冷凝和蒸發晨溫度在不為斷地變化。
(a)t-s圖 (b)p-h圖圖4 非共沸混合製冷劑單級蒸汽壓縮製冷迴圈的t-s圖及p-h圖
採用非共沸混合工質不僅可以達到節能，而且可以擴大溫度使用範圍。
物質相變製冷--1.1.3.2 單級蒸氣壓縮製冷
1.1.3.2 單級蒸氣壓縮製冷
單級蒸氣壓縮式製冷系統由壓縮機，冷凝器，膨脹閥和蒸發器組成。其工作過程如下:製冷劑在壓力溫度下沸騰，低於被冷卻物體或流體的溫度。
壓縮機不斷地抽吸蒸發器中產生的蒸氣，並將它壓縮到冷凝壓力，然後送往冷凝器，在壓力下等壓冷卻和冷凝成液體，製冷劑冷卻和冷凝時放出的熱量傳給冷卻介質(通常是水或空氣)，與冷凝壓力相對應的冷凝溫度一定要高於冷卻介質的溫度，冷凝後的液體通過膨脹閥或其他節流元件進入蒸發器。
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