制冷循環(huán)理論分析

摘 要：本文介紹了制冷的理論循環(huán)和實(shí)際循環(huán)存在的差距，從三個(gè)方面分析了影響制冷循環(huán)性能的因素，使我們?cè)趯?shí)際工作中盡量使實(shí)際循環(huán)向理論循環(huán)靠近，達(dá)到節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：制冷循環(huán) 蒸發(fā)溫度 冷凝溫度 焓

一、制冷的理論循環(huán)和實(shí)際循環(huán)

制冷理論循環(huán)主要由四個(gè)過程組成，即絕熱壓縮過程、等壓冷凝過程、等焓節(jié)流過程、等壓吸熱過程，其循環(huán)在壓燴圖上表示如圖1。

圖1中，1到2過程表示絕熱壓縮過程，2到4過程為等壓過程，4到5過程為等焓節(jié)流過程，5到1為等壓吸熱過程，它們組成了一個(gè)制冷循環(huán)。在2到4過程中經(jīng)過兩個(gè)過程:2到3過程是等壓冷卻過程，這個(gè)過程中過熱的氣體被冷卻到飽和氣體狀態(tài)；3到4為等壓冷凝過程，這個(gè)過程中飽和的制冷劑蒸汽被冷凝成飽和的液體。

實(shí)際上由于設(shè)備和其他因素的限制，如管道的壓降、吸排氣壓降造成非等壓換熱過程，所以實(shí)際循環(huán)和理論循環(huán)總存在著差距，圖2是一個(gè)實(shí)際循環(huán)過程在壓焓圖中的表示。

圖2中，1到1’表示制冷劑在進(jìn)入壓縮機(jī)前的吸熱壓降過程，1’到2表示制冷劑在壓縮機(jī)中多變壓縮過程，2到2’表示壓縮機(jī)的排氣過程，2’到3表示過熱制冷劑蒸氣在冷凝器中被冷卻降壓過程，3到4表示制冷劑在冷凝器中冷凝壓降的過程，4到4’表示制冷劑過冷的過程，4’到5表示節(jié)流降壓過程，5到1表示制冷劑在蒸發(fā)器中吸熱降壓的過程。從圖中可以看出實(shí)際循環(huán)和理論循環(huán)存在著較大的差距，于是在實(shí)際工作中人們總是想法盡量使實(shí)際循環(huán)向理論循環(huán)靠近，達(dá)到節(jié)能的目的。

二、影響制冷循環(huán)性能的因素

要提高制冷系統(tǒng)的綜合性能，我們必須從制冷循環(huán)方面進(jìn)行分析研究，找出制冷系統(tǒng)節(jié)能的方向。在制冷系統(tǒng)中壓縮機(jī)的耗功占了主要地位，而制冷壓縮機(jī)的性能隨蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的變化而變化。當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不變時(shí)，它的理論輸氣量是固定不變的，與循環(huán)的工作溫度無關(guān)，但當(dāng)工作溫度發(fā)生變化時(shí)，循環(huán)的單位制冷量、比功、制冷劑流量等都將發(fā)生變化，從而使制冷機(jī)的制冷量、功率消耗等發(fā)生相對(duì)的改變，為方便起見，我們按理論循環(huán)來分析當(dāng)溫度變化時(shí)制冷機(jī)性能的變化規(guī)律。壓縮機(jī)的制冷量及理論功率可分別用下式表示:

1.蒸發(fā)溫度對(duì)循環(huán)性能的影響

在分析蒸發(fā)溫度對(duì)循環(huán)性能的影響時(shí)，假定冷凝溫度保持不變。如圖1所示，當(dāng)蒸發(fā)溫度由t 循環(huán)由原來的1-2-3-4-1變?yōu)?’-2’-3’-4’-1’。下面分別討論蒸發(fā)溫度t 降到t ’時(shí)，單位容積制冷量、比容積功和制冷系

盡管t 的變化對(duì)上式中的分子無多大影響，但卻能引起分母的較大改變，因此q 隨t 的降低迅速下降，它意味著對(duì)一臺(tái)給定的壓縮機(jī)而言，隨t 的降低，制冷量將迅速下降。

t 的降低而增加，因?yàn)閴嚎s機(jī)的壓比隨t 下降而增加。但是由于吸入蒸汽的比容v 也隨著t 的降低而增加，故比容積功w 可能增加，也可能降低，無法直接判斷出制冷機(jī)功率的變化規(guī)律。為找出它們之間的變化規(guī)律，我們近似地假定制冷劑蒸汽為理想蒸氣，絕熱壓縮時(shí)比容積功可表示為:

由式(4)可以看出，當(dāng)p =0及p =p 時(shí)，w 均為零，所以當(dāng)蒸發(fā)壓力由p 逐漸下降時(shí)，所消耗的比容積功開始逐漸增加，待達(dá)到某一最大值時(shí)又逐漸減少，這意味著蒸發(fā)溫度逐漸降低的過程中，壓縮機(jī)所消耗的功率同樣是先增加，后降低，中間通過一極值點(diǎn)。

壓縮機(jī)的理論功率為：

因而可以近似地認(rèn)為，對(duì)各種制冷劑，若冷凝溫度固定不變，壓縮比等于3時(shí)，功率消耗最大。

制冷系數(shù)由于制冷系數(shù)是單位制冷量q 與w 之比，很明顯，蒸發(fā)溫度t 降低時(shí)，制冷系數(shù)是下降的。

2.冷凝溫度對(duì)循環(huán)性能的影響

綜上所述，隨著蒸發(fā)溫度的降低，制冷循環(huán)的制冷量及制冷系數(shù)均明顯下降。因此在運(yùn)行中只要能滿足被冷卻物體的溫度要求，我們總希望制冷機(jī)保持較高的蒸發(fā)溫度，以保證獲得較大的制冷量和較好的經(jīng)濟(jì)性。由于冷凝溫度的升高使循環(huán)的制冷量及制冷系數(shù)下降，故運(yùn)行中要盡量控制冷凝溫度，使它不要過高。

3.其他情況對(duì)循環(huán)性能的影響

液體過冷對(duì)循環(huán)性能的影響在實(shí)際循環(huán)中，在制冷劑液體離開冷凝器進(jìn)入節(jié)流閥之前具有一定的過冷度，過冷度的大小取決與冷凝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制冷劑與冷卻介質(zhì)之間的溫差。在制冷系統(tǒng)中采用過冷循環(huán)理論上總是有利的，而且過冷度越大，對(duì)循環(huán)越有利。但依靠冷凝器本身使液體過冷，其過冷度是有一定限度的，如果要求獲得更大的過冷度，通常需要增加一個(gè)單獨(dú)的熱交換設(shè)備，即再冷器，在再冷器中單獨(dú)通入溫度更低的冷卻介質(zhì)或?qū)⒗鋮s介質(zhì)先通過該再冷器，然后再進(jìn)入冷凝器。前者需要增加一套提供深井水的設(shè)備，使一次投資費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)和直接運(yùn)行費(fèi)用均有所增加；后者則因冷卻介質(zhì)進(jìn)入冷凝器之前已經(jīng)吸收了一部分熱量，溫度有所升高，它使循環(huán)的冷凝溫度升高，因而，冷凝壓力提高，壓縮機(jī)的耗功增加。這樣，在某種程度上抵消了因液體過冷而使循環(huán)經(jīng)濟(jì)性提高的好處，其次要單獨(dú)增加再冷器，還要通過增加冷凝器的傳熱面積來降低冷凝壓力，從而使壓縮機(jī)的耗功減少，達(dá)到提高循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的目的，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化的問題。

壓縮機(jī)吸氣過熱度對(duì)循環(huán)性能的影響一般壓縮機(jī)吸入制冷劑蒸汽不是飽和氣體，都帶了一定的過熱度，在相同壓力下，溫度升高時(shí)，過熱蒸汽的比容要比飽和蒸氣的比容大，這意味著對(duì)每公斤制冷劑而言，將需要更大的壓縮機(jī)容積。換句話說，對(duì)給定的壓縮機(jī)，過熱循環(huán)中壓縮機(jī)的制冷劑流量始終小于理論循環(huán)的流量。吸入過熱蒸汽對(duì)制冷量和制冷系數(shù)的影響取決與蒸汽過熱時(shí)吸收的熱量是否產(chǎn)生有用的制冷效果以及過熱度的大小。

制冷系統(tǒng)中的壓力損失對(duì)循環(huán)性能的影響理論循環(huán)中，我們一般假設(shè)在各設(shè)備的連接管道中制冷劑不發(fā)生狀態(tài)的變化。實(shí)際上，由于熱交換和阻力的存在，制冷劑熱力狀態(tài)的變化是不可避免的。制冷系統(tǒng)中各種管道和熱交換器中存在的阻力對(duì)制冷系統(tǒng)總是有害的。這是因?yàn)椋评湎到y(tǒng)的阻力增加時(shí)，加大了壓縮的排氣壓力，從而增加了壓縮機(jī)的耗功。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。”