压缩制冷循环中影响制冷系数的因素

摘 要：空调，在日常生产和生活中十分常见，同时也是必不可缺的重要机械设备。本文主要针对空调机中的压缩制冷循环机制做了研究和分析，阐明其工作原理，研究了不同制冷剂及其对制冷效率的影响，重点分析了制冷循环中影响损的一些主要因素，具体涉及了工程热力学的相关基础知识，对于我们科学使用空调，节能环保，具有重要的现实意义。

关键词：压缩制冷循环；制冷剂；工作效率

中图分类号：TB64 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）01-0059-03

1 基本原理

压缩制冷循环主要包括压缩、冷凝、膨胀和蒸发四个过程。循环的主要目的是将热量从温度低的地方传输到温度高的地方以达到制冷的目的，但这样的过程违反了热力学第二定律，即正常情况下，这样的过程是无法自发完成的。因此，我们需要外部做功来达到这个目的。当循环开始后，制冷剂首先进入压缩机，被等熵（绝热）压缩，离开压缩机时气体处于过热状态。过热蒸汽接下来通过冷凝器，在液化的过程中释放出热量直到制冷剂达到了冷凝器所需温度，冷凝原理主要分为风冷和水冷两种，目前风冷较为普遍。冷凝器中有许多弯曲的细管和风扇组成，细管的目的是为了最大化与空气的接触面积，而风扇是为了增加表面的空气流动，这些都是为了增加冷凝器散热的能力，以保证制冷剂能释放越多的热量。接下来，液态的制冷剂将通过膨胀阀，制冷剂的压力将会骤降，导致部分液态制冷剂能迅速蒸发，通常来说蒸发量不到原来的一半，这样使得制冷剂在低温低压下以一种液态、气态混合的形式进入蒸发器。这一部分也是整个循环中最为核心的部分，它的作用就是吸收周围环境的温度从而达到制冷的目的，蒸发器中同样含有很多细管和风扇，同样也是为了增大接触面积和表面空气的流动。细管一般是由金属制成以增大热量的传导性。最后，吸收完热量的制冷剂通过节流阀再次进入压缩机开始一个新的循环。

2 制冷剂的选择

2.1 标准和原则

制冷机是一种物质或者说是混合态，通常是液体，它常被用在热泵以及制冷循环中。在大多数的循环里，它经历了从液态到气态又回到液态的转变。很多工质都用于这样的目的。氟碳化合物尤其是含氯氟烃在二十世纪很普遍了，但它们由于破坏臭氧层而被逐步淘汰。其他一些被用在不同应用里的普遍的制冷剂有氨气以及二氧化硫。理想的制冷剂应该拥有有利的热力性质，比如说对机械部件有防腐性并且很安全。它不会破坏臭氧层或者引起气候变化。此外，它在高温和高压下应该很稳定。理想的热力学性质是指沸点低于目标温度，蒸发需要较大热量。液态时密度适中，气态时密度相对较高以及拥有较高的临界温度，此外，对于导热性的要求也较高。

2.2 三种所选的制冷剂

2.2.1 HFC （R134a）

R134a是一款被广泛应用于冰箱和空调等设备中的常见制冷剂，无论是民用还是商用，它都拥有较好的热力学性质。工业上，它是离心式冷水机中最常用的制冷剂。他也常常和其他氟利昂一起作为混合物用作制冷剂。

2.2.2 氨气

由于更少的氟氯碳和氢氯氟碳化物可以被用作制冷剂，我们发现氨作为替代品更受欢迎。氨气是一个很划算、很有效的替代品，并且它对于环境也很安全。

氨作为制冷剂比氟氯碳和氢氯氟碳化物有四个主要优点：

第一，基于氨的制冷系统的建造成本比用氟氯碳的减少10-20%，因为可以使用直径更窄的管子。第二，氨是一个比氟氯碳有效3-10%的制冷剂，因此，一个基于氨的系y需要更少的电力，从而降低了运行成本。第三，氨对于环境很安全，它的臭氧消耗潜能值和全球变暖潜能值的评级都为0。第四，氨比起氯氟烃或氯氟烃要便宜的多。

同时，用氨作为制冷剂也有两个关键的缺点：第一，它不与铜兼容，因此它不能用在任何有铜管的系统中。第二，高浓度的氨是有毒的。

然而，两个因素降低了这种风险：第一，氨的独特气味可以在浓度远低于危险浓度时被察觉到。第二，并且氨气比空气轻，因此，如果确实有泄漏，它会上升并在大气中散发。

2.2.3 氟氯烃（CFCs）

CFC已经在过去的五，六十年来广泛用作蒸汽压缩循环的制冷剂起到制冷作用。在最近几年中，科学研究发现氯氟烃是最具有破坏性的环境。目前已被证明，氟氯化碳是地球的平流层中臭氧层的消耗的一个重要原因，它也是温室效应（全球变暖）的罪魁祸首之一。

3 制冷效率和制冷温度之间的关系

用EES作为辅助分析软件，R134a作为研究对象。

保持环境温度不变，改变制冷温度（从5℃to25℃）。利用制冷循环中各个节点的所有参数，用下面的公式和分析软件作图（见图1），可以得到相应关系。

可以观察到，当环境温度或者制冷温度的变化越大即前后差值越大时，制冷系数即制冷效率越低，从公式中不难看出，温差越大，Wnet越大。本次研究虽然只用了R134a一种制冷剂作为研究对象，但相信其他的制冷剂依然会得出同样的结果。

4 制冷循环中的

4.1 损定义

在实际的循环过程中，总会遇到许多不可逆过程，并且这些不可避免的因素将永久性地转化为了无用能（火无），而这一部分就是所谓的损。

4.2 已知参数制冷循环中的损

假设环境温度是35℃，冷凝温度是25℃，蒸发温度是5℃，室温25℃。

我们知道熵产：Sg=S-Sf，Sf=q/Tr

因此，损：I=T0Sg I=I1+I2

接下来依旧使用EES软件来进行辅助分析（见表1、表2）。

4.3 损和降温量的关系

假设室温为25℃，冷凝温度是30℃，压缩后的温度是55℃。我们让蒸发温度在5℃-10℃之间变化，每次改变1℃（一共6组）。在此，我们计算损的方法同4.2。（见表3、表4）

I=Troom・Sg

从图2，3中可以看出，无论是冷凝器和环境温度之间的温差还是制冷温度和室温之间的温差，只要温差越大，损就越大。虽然在图2中，图像有些抖动，但整体还是呈线性，根据测量原理，误差较大的点可以直接忽略。现实生活中，损是不可避免的，这也解释了为什么不会有永动机，我们所能做的只是尽量减少损。

5 结语

本报告简单地展示了一个制冷循环的整个过程。根据其主要工作原理选择了三个如今被广泛使用的工作流体做研究。制冷系数和损的分析是报告里的两个主要部分，其实制冷效率和损本身就是息息相关的，损直接影响了制冷系数的高低。结合分析结果可知：第一，不同制冷剂的制冷系数不同，这是影响制冷器制冷效率最主要最直接的原因；目前，科技的不断进步使得在制冷剂的选择方面也在优化。第二，温度差越大，损越大，能量中转为无用功的部分越大，同时也就意味着制冷效率的下降，相对来说这方面的影响是次要的但却是我们平日中可控的。因此，我们应该为了节能和环保而尽可能地减小温差。特别是在夏季，应该把空调调到适当温度。