壓縮制冷循環(huán)中影響制冷系數(shù)的因素

吳浚邦

摘 要：空調(diào)，在日常生產(chǎn)和生活中十分常見(jiàn)，同時(shí)也是必不可缺的重要機(jī)械設(shè)備。本文主要針對(duì)空調(diào)機(jī)中的壓縮制冷循環(huán)機(jī)制做了研究和分析，闡明其工作原理，研究了不同制冷劑及其對(duì)制冷效率的影響，重點(diǎn)分析了制冷循環(huán)中影響損的一些主要因素，具體涉及了工程熱力學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于我們科學(xué)使用空調(diào)，節(jié)能環(huán)保，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：壓縮制冷循環(huán)；制冷劑；工作效率

中圖分類號(hào)：TB64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）01-0059-03

1 基本原理

壓縮制冷循環(huán)主要包括壓縮、冷凝、膨脹和蒸發(fā)四個(gè)過(guò)程。循環(huán)的主要目的是將熱量從溫度低的地方傳輸?shù)綔囟雀叩牡胤揭赃_(dá)到制冷的目的，但這樣的過(guò)程違反了熱力學(xué)第二定律，即正常情況下，這樣的過(guò)程是無(wú)法自發(fā)完成的。因此，我們需要外部做功來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。當(dāng)循環(huán)開(kāi)始后，制冷劑首先進(jìn)入壓縮機(jī)，被等熵（絕熱）壓縮，離開(kāi)壓縮機(jī)時(shí)氣體處于過(guò)熱狀態(tài)。過(guò)熱蒸汽接下來(lái)通過(guò)冷凝器，在液化的過(guò)程中釋放出熱量直到制冷劑達(dá)到了冷凝器所需溫度，冷凝原理主要分為風(fēng)冷和水冷兩種，目前風(fēng)冷較為普遍。冷凝器中有許多彎曲的細(xì)管和風(fēng)扇組成，細(xì)管的目的是為了最大化與空氣的接觸面積，而風(fēng)扇是為了增加表面的空氣流動(dòng)，這些都是為了增加冷凝器散熱的能力，以保證制冷劑能釋放越多的熱量。接下來(lái)，液態(tài)的制冷劑將通過(guò)膨脹閥，制冷劑的壓力將會(huì)驟降，導(dǎo)致部分液態(tài)制冷劑能迅速蒸發(fā)，通常來(lái)說(shuō)蒸發(fā)量不到原來(lái)的一半，這樣使得制冷劑在低溫低壓下以一種液態(tài)、氣態(tài)混合的形式進(jìn)入蒸發(fā)器。這一部分也是整個(gè)循環(huán)中最為核心的部分，它的作用就是吸收周圍環(huán)境的溫度從而達(dá)到制冷的目的，蒸發(fā)器中同樣含有很多細(xì)管和風(fēng)扇，同樣也是為了增大接觸面積和表面空氣的流動(dòng)。細(xì)管一般是由金屬制成以增大熱量的傳導(dǎo)性。最后，吸收完熱量的制冷劑通過(guò)節(jié)流閥再次進(jìn)入壓縮機(jī)開(kāi)始一個(gè)新的循環(huán)。

2 制冷劑的選擇

2.1 標(biāo)準(zhǔn)和原則

制冷機(jī)是一種物質(zhì)或者說(shuō)是混合態(tài)，通常是液體，它常被用在熱泵以及制冷循環(huán)中。在大多數(shù)的循環(huán)里，它經(jīng)歷了從液態(tài)到氣態(tài)又回到液態(tài)的轉(zhuǎn)變。很多工質(zhì)都用于這樣的目的。氟碳化合物尤其是含氯氟烴在二十世紀(jì)很普遍了，但它們由于破壞臭氧層而被逐步淘汰。其他一些被用在不同應(yīng)用里的普遍的制冷劑有氨氣以及二氧化硫。理想的制冷劑應(yīng)該擁有有利的熱力性質(zhì)，比如說(shuō)對(duì)機(jī)械部件有防腐性并且很安全。它不會(huì)破壞臭氧層或者引起氣候變化。此外，它在高溫和高壓下應(yīng)該很穩(wěn)定。理想的熱力學(xué)性質(zhì)是指沸點(diǎn)低于目標(biāo)溫度，蒸發(fā)需要較大熱量。液態(tài)時(shí)密度適中，氣態(tài)時(shí)密度相對(duì)較高以及擁有較高的臨界溫度，此外，對(duì)于導(dǎo)熱性的要求也較高。

2.2 三種所選的制冷劑

2.2.1 HFC （R134a）

R134a是一款被廣泛應(yīng)用于冰箱和空調(diào)等設(shè)備中的常見(jiàn)制冷劑，無(wú)論是民用還是商用，它都擁有較好的熱力學(xué)性質(zhì)。工業(yè)上，它是離心式冷水機(jī)中最常用的制冷劑。他也常常和其他氟利昂一起作為混合物用作制冷劑。

2.2.2 氨氣

由于更少的氟氯碳和氫氯氟碳化物可以被用作制冷劑，我們發(fā)現(xiàn)氨作為替代品更受歡迎。氨氣是一個(gè)很劃算、很有效的替代品，并且它對(duì)于環(huán)境也很安全。

氨作為制冷劑比氟氯碳和氫氯氟碳化物有四個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

第一，基于氨的制冷系統(tǒng)的建造成本比用氟氯碳的減少10-20%，因?yàn)榭梢允褂弥睆礁墓茏?。第二，氨是一個(gè)比氟氯碳有效3-10%的制冷劑，因此，一個(gè)基于氨的系統(tǒng)需要更少的電力，從而降低了運(yùn)行成本。第三，氨對(duì)于環(huán)境很安全，它的臭氧消耗潛能值和全球變暖潛能值的評(píng)級(jí)都為0。第四，氨比起氯氟烴或氯氟烴要便宜的多。

同時(shí)，用氨作為制冷劑也有兩個(gè)關(guān)鍵的缺點(diǎn)：第一，它不與銅兼容，因此它不能用在任何有銅管的系統(tǒng)中。第二，高濃度的氨是有毒的。

然而，兩個(gè)因素降低了這種風(fēng)險(xiǎn)：第一，氨的獨(dú)特氣味可以在濃度遠(yuǎn)低于危險(xiǎn)濃度時(shí)被察覺(jué)到。第二，并且氨氣比空氣輕，因此，如果確實(shí)有泄漏，它會(huì)上升并在大氣中散發(fā)。

2.2.3 氟氯烴（CFCs）

CFC已經(jīng)在過(guò)去的五，六十年來(lái)廣泛用作蒸汽壓縮循環(huán)的制冷劑起到制冷作用。在最近幾年中，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)氯氟烴是最具有破壞性的環(huán)境。目前已被證明，氟氯化碳是地球的平流層中臭氧層的消耗的一個(gè)重要原因，它也是溫室效應(yīng)（全球變暖）的罪魁禍?zhǔn)字弧?/p>

3 制冷效率和制冷溫度之間的關(guān)系

用EES作為輔助分析軟件，R134a作為研究對(duì)象。

保持環(huán)境溫度不變，改變制冷溫度（從5℃to25℃）。利用制冷循環(huán)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有參數(shù)，用下面的公式和分析軟件作圖（見(jiàn)圖1），可以得到相應(yīng)關(guān)系。

可以觀察到，當(dāng)環(huán)境溫度或者制冷溫度的變化越大即前后差值越大時(shí)，制冷系數(shù)即制冷效率越低，從公式中不難看出，溫差越大，Wnet越大。本次研究雖然只用了R134a一種制冷劑作為研究對(duì)象，但相信其他的制冷劑依然會(huì)得出同樣的結(jié)果。

4 制冷循環(huán)中的

4.1 損定義

在實(shí)際的循環(huán)過(guò)程中，總會(huì)遇到許多不可逆過(guò)程，并且這些不可避免的因素將永久性地轉(zhuǎn)化為了無(wú)用能（火無(wú)），而這一部分就是所謂的損。

4.2 已知參數(shù)制冷循環(huán)中的損

假設(shè)環(huán)境溫度是35℃，冷凝溫度是25℃，蒸發(fā)溫度是5℃，室溫25℃。

我們知道熵產(chǎn)：Sg=△S-Sf，Sf=q/Tr

因此，損：I=T0Sg I=I1+I2

接下來(lái)依舊使用EES軟件來(lái)進(jìn)行輔助分析（見(jiàn)表1、表2）。

4.3 損和降溫量的關(guān)系

假設(shè)室溫為25℃，冷凝溫度是30℃，壓縮后的溫度是55℃。我們讓蒸發(fā)溫度在5℃-10℃之間變化，每次改變1℃（一共6組）。在此，我們計(jì)算損的方法同4.2。（見(jiàn)表3、表4）

I=Troom·Sg

從圖2，3中可以看出，無(wú)論是冷凝器和環(huán)境溫度之間的溫差還是制冷溫度和室溫之間的溫差，只要溫差越大，損就越大。雖然在圖2中，圖像有些抖動(dòng)，但整體還是呈線性，根據(jù)測(cè)量原理，誤差較大的點(diǎn)可以直接忽略?，F(xiàn)實(shí)生活中，損是不可避免的，這也解釋了為什么不會(huì)有永動(dòng)機(jī)，我們所能做的只是盡量減少損。

5 結(jié)語(yǔ)

本報(bào)告簡(jiǎn)單地展示了一個(gè)制冷循環(huán)的整個(gè)過(guò)程。根據(jù)其主要工作原理選擇了三個(gè)如今被廣泛使用的工作流體做研究。制冷系數(shù)和損的分析是報(bào)告里的兩個(gè)主要部分，其實(shí)制冷效率和損本身就是息息相關(guān)的，損直接影響了制冷系數(shù)的高低。結(jié)合分析結(jié)果可知：第一，不同制冷劑的制冷系數(shù)不同，這是影響制冷器制冷效率最主要最直接的原因；目前，科技的不斷進(jìn)步使得在制冷劑的選擇方面也在優(yōu)化。第二，溫度差越大，損越大，能量中轉(zhuǎn)為無(wú)用功的部分越大，同時(shí)也就意味著制冷效率的下降，相對(duì)來(lái)說(shuō)這方面的影響是次要的但卻是我們平日中可控的。因此，我們應(yīng)該為了節(jié)能和環(huán)保而盡可能地減小溫差。特別是在夏季，應(yīng)該把空調(diào)調(diào)到適當(dāng)溫度。