壓縮制冷循環中影響制冷系數的因素

吳浚邦

摘 要：空調，在日常生產和生活中十分常見，同時也是必不可缺的重要機械設備。本文主要針對空調機中的壓縮制冷循環機制做了研究和分析，闡明其工作原理，研究了不同制冷劑及其對制冷效率的影響，重點分析了制冷循環中影響損的一些主要因素，具體涉及了工程熱力學的相關基礎知識，對于我們科學使用空調，節能環保，具有重要的現實意義。

關鍵詞：壓縮制冷循環；制冷劑；工作效率

中圖分類號：TB64 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）01-0059-03

1 基本原理

壓縮制冷循環主要包括壓縮、冷凝、膨脹和蒸發四個過程。循環的主要目的是將熱量從溫度低的地方傳輸到溫度高的地方以達到制冷的目的，但這樣的過程違反了熱力學第二定律，即正常情況下，這樣的過程是無法自發完成的。因此，我們需要外部做功來達到這個目的。當循環開始后，制冷劑首先進入壓縮機，被等熵（絕熱）壓縮，離開壓縮機時氣體處于過熱狀態。過熱蒸汽接下來通過冷凝器，在液化的過程中釋放出熱量直到制冷劑達到了冷凝器所需溫度，冷凝原理主要分為風冷和水冷兩種，目前風冷較為普遍。冷凝器中有許多彎曲的細管和風扇組成，細管的目的是為了最大化與空氣的接觸面積，而風扇是為了增加表面的空氣流動，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，液態的制冷劑將通過膨脹閥，制冷劑的壓力將會驟降，導致部分液態制冷劑能迅速蒸發，通常來說蒸發量不到原來的一半，這樣使得制冷劑在低溫低壓下以一種液態、氣態混合的形式進入蒸發器。這一部分也是整個循環中最為核心的部分，它的作用就是吸收周圍環境的溫度從而達到制冷的目的，蒸發器中同樣含有很多細管和風扇，同樣也是為了增大接觸面積和表面空氣的流動。細管一般是由金屬制成以增大熱量的傳導性。最后，吸收完熱量的制冷劑通過節流閥再次進入壓縮機開始一個新的循環。

2 制冷劑的選擇

2.1 標準和原則

制冷機是一種物質或者說是混合態，通常是液體，它常被用在熱泵以及制冷循環中。在大多數的循環里，它經歷了從液態到氣態又回到液態的轉變。很多工質都用于這樣的目的。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。理想的制冷劑應該擁有有利的熱力性質，比如說對機械部件有防腐性并且很安全。它不會破壞臭氧層或者引起氣候變化。此外，它在高溫和高壓下應該很穩定。理想的熱力學性質是指沸點低于目標溫度，蒸發需要較大熱量。液態時密度適中，氣態時密度相對較高以及擁有較高的臨界溫度，此外，對于導熱性的要求也較高。

2.2 三種所選的制冷劑

2.2.1 HFC （R134a）

R134a是一款被廣泛應用于冰箱和空調等設備中的常見制冷劑，無論是民用還是商用，它都擁有較好的熱力學性質。工業上，它是離心式冷水機中最常用的制冷劑。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，我們發現氨作為替代品更受歡迎。氨氣是一個很劃算、很有效的替代品，并且它對于環境也很安全。

氨作為制冷劑比氟氯碳和氫氯氟碳化物有四個主要優點：

第一，基于氨的制冷系統的建造成本比用氟氯碳的減少10-20%，因為可以使用直徑更窄的管子。第二，氨是一個比氟氯碳有效3-10%的制冷劑，因此，一個基于氨的系統需要更少的電力，從而降低了運行成本。第三，氨對于環境很安全，它的臭氧消耗潛能值和全球變暖潛能值的評級都為0。第四，氨比起氯氟烴或氯氟烴要便宜的多。

同時，用氨作為制冷劑也有兩個關鍵的缺點：第一，它不與銅兼容，因此它不能用在任何有銅管的系統中。第二，高濃度的氨是有毒的。

然而，兩個因素降低了這種風險：第一，氨的獨特氣味可以在濃度遠低于危險濃度時被察覺到。第二，并且氨氣比空氣輕，因此，如果確實有泄漏，它會上升并在大氣中散發。

2.2.3 氟氯烴（CFCs）

CFC已經在過去的五，六十年來廣泛用作蒸汽壓縮循環的制冷劑起到制冷作用。在最近幾年中，科學研究發現氯氟烴是最具有破壞性的環境。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重要原因，它也是溫室效應（全球變暖）的罪魁禍首之一。

3 制冷效率和制冷溫度之間的關系

用EES作為輔助分析軟件，R134a作為研究對象。

保持環境溫度不變，改變制冷溫度（從5℃to25℃）。利用制冷循環中各個節點的所有參數，用下面的公式和分析軟件作圖（見圖1），可以得到相應關系。

可以觀察到，當環境溫度或者制冷溫度的變化越大即前后差值越大時，制冷系數即制冷效率越低，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象，但相信其他的制冷劑依然會得出同樣的結果。

4 制冷循環中的

4.1 損定義

在實際的循環過程中，總會遇到許多不可逆過程，并且這些不可避免的因素將永久性地轉化為了無用能（火無），而這一部分就是所謂的損。

4.2 已知參數制冷循環中的損

假設環境溫度是35℃，冷凝溫度是25℃，蒸發溫度是5℃，室溫25℃。

我們知道熵產：Sg=△S-Sf，Sf=q/Tr

因此，損：I=T0Sg I=I1+I2

接下來依舊使用EES軟件來進行輔助分析（見表1、表2）。

4.3 損和降溫量的關系

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

I=Troom·Sg

從圖2，3中可以看出，無論是冷凝器和環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，但整體還是呈線性，根據測量原理，誤差較大的點可以直接忽略?，F實生活中，損是不可避免的，這也解釋了為什么不會有永動機，我們所能做的只是盡量減少損。

5 結語

本報告簡單地展示了一個制冷循環的整個過程。根據其主要工作原理選擇了三個如今被廣泛使用的工作流體做研究。制冷系數和損的分析是報告里的兩個主要部分，其實制冷效率和損本身就是息息相關的，損直接影響了制冷系數的高低。結合分析結果可知：第一，不同制冷劑的制冷系數不同，這是影響制冷器制冷效率最主要最直接的原因；目前，科技的不斷進步使得在制冷劑的選擇方面也在優化。第二，溫度差越大，損越大，能量中轉為無用功的部分越大，同時也就意味著制冷效率的下降，相對來說這方面的影響是次要的但卻是我們平日中可控的。因此，我們應該為了節能和環保而盡可能地減小溫差。特別是在夏季，應該把空調調到適當溫度。