逆卡諾循環(huán)原理

廣州市永誠制冷設(shè)備有限公司廣州市永誠制冷設(shè)備有限公司第第#頁共13頁r0——蒸發(fā)溫度下制冷劑的汽化潛熱（kJ/kg）；x4——節(jié)流后氣液兩相制冷劑的干度。4單位質(zhì)量制冷量q°在壓焓圖上相當(dāng)于過程線1-4在h軸上的投影（見圖1-3）。由式（1-1）可知，制冷劑的汽化潛熱越大，節(jié)流后的干度越小，則單位質(zhì)量制冷量越大。制冷循環(huán)的單位質(zhì)量制冷量的大小與制冷劑的性質(zhì)和循環(huán)的工作溫度有關(guān)。單位容積制冷量制冷壓縮機(jī)每吸入1m3制冷劑蒸氣（按吸氣狀態(tài)計(jì)）經(jīng)循環(huán)從被冷卻介質(zhì)中制取的冷量，稱為單位容積制冷量，用q表示。v1-2)式中q——單位容積制冷量（kJ/m3）；vvi制冷劑在吸氣狀態(tài)時(shí)的比體積（m3/kg）o由式（1-2）可知，吸氣比體積vi將直接影響單位容積制冷量qv的大小。而且吸氣比體積V］的大小隨蒸發(fā)溫度的下降而增大,所以理論循環(huán)的q不僅隨制冷劑的種類而改變，而且還隨循環(huán)的蒸發(fā)溫度V的變化而變化。理論比功制冷壓縮機(jī)按等熵壓縮時(shí)每壓縮輸送1kg制冷劑蒸氣所消耗的功，稱為理論比功，用w°表示。w°=h2-h1（1-3）式中w°理論比功（kJ/kg）；h2——■壓縮機(jī)排氣狀態(tài)制冷劑的比焓值（kJ/kg）；h——壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)制冷劑的比焓值（kJ/kg）。理論比功w°在壓焓圖上相當(dāng)于壓縮過程線1-2在h軸上的投影（見圖1-3）。理論°比功也與制冷劑的種類和循環(huán)的工作條件有關(guān)，與制冷壓縮機(jī)的形式無關(guān)。單位冷凝熱負(fù)荷制冷壓縮機(jī)每輸送1kg制冷劑在冷凝器中放出的熱量，稱為單位冷凝熱負(fù)荷，用qk表示。1-4)1-4)2'qk=（h2-h2'）+（h2'-h3）=h2-h3式中qk—單位冷凝熱負(fù)荷（kJ/kg）；h2'——與冷凝壓力對應(yīng)的干飽和蒸氣狀態(tài)所具有的比焓值2'（kJ/kg）；h3冷凝壓力對應(yīng)的飽和液狀態(tài)所具有的比焓值（kJ/kg）；在壓焓圖中，qk相當(dāng)于等壓冷卻、冷凝過程線2-2'-3在h軸上的投影（見圖1-3）。比較式（1-1）、式（1-3）、式（1-4）和h=h可以看出，對于單級蒸氣壓縮式制冷理論循環(huán)，存在著下列關(guān)系43

5.制冷系數(shù)qk=q0+w0（1-5）5.制冷系數(shù)單位質(zhì)量制冷量與理論比功之比，即理論循環(huán)的收益和代價(jià)之比，稱為理論循環(huán)制冷系數(shù)，用憐表示，即1-6)單級理論循環(huán)制冷系數(shù)￡0是分析理論制冷循環(huán)的一個(gè)重要指標(biāo)。制冷系數(shù)不但與循環(huán)的高溫?zé)嵩?、低溫?zé)嵩从嘘P(guān)，還與制冷劑的種類有關(guān)。在制冷機(jī)工作溫度給定的情況下，制冷系數(shù)越大，則經(jīng)濟(jì)性越根據(jù)以上幾個(gè)性能指標(biāo)，可進(jìn)一步求得制冷劑循環(huán)量、冷凝器中放出的熱量、壓縮機(jī)所需的理論功率等數(shù)據(jù)。上述五個(gè)性能指標(biāo)均是對理論循環(huán)而言，雖然它們同實(shí)際情況尚有一定差別，但卻是理解制冷特性和進(jìn)行制冷性能計(jì)算的基礎(chǔ)。1.7熱交換及壓力損失對制冷循環(huán)的影響制冷劑在制冷設(shè)備和連接管道中連續(xù)不斷地流動，使制冷循環(huán)得以實(shí)現(xiàn)，形成制冷效應(yīng)。制冷劑沿制冷設(shè)備和連接管道流動，將產(chǎn)生摩擦阻力和局部阻力損失，同時(shí)制冷劑還將或多或少地與外部環(huán)境進(jìn)行熱交換。下面將討論這些因素對循環(huán)性能的影響。吸氣管道從蒸發(fā)器出口到壓縮機(jī)吸氣入口之間的管道稱為吸氣管道。吸氣管道中的換熱和壓力降，直接影響到壓縮機(jī)的吸氣狀態(tài)。通常認(rèn)為吸氣管道中的換熱是無效的，它對循環(huán)性能的影響前面已作過詳細(xì)分析。壓力降使得吸氣比體積增大、壓縮機(jī)的壓力比增大，單位容積制冷量減小、壓縮機(jī)容積效率降低、比功增大，制冷系數(shù)下降。在實(shí)際工程中，可以通過降低流速的辦法來降低阻力，即通過增大管徑來降低壓力降。但考慮到有些場合，為了確保潤滑油能順利地從蒸發(fā)器返回壓縮機(jī)，這一流速又不能太低。此外，應(yīng)盡量減少設(shè)置在吸氣管道上的閥門、彎頭等阻力部件，以減少吸氣管道的阻力。排氣管道從壓縮機(jī)出口到冷凝器入口之間的管道稱為排氣管道。壓縮機(jī)的排氣溫度一般均高于環(huán)境溫度，向環(huán)境空氣傳熱不會引起性能的改變，僅僅是減少了冷凝器中的熱負(fù)荷。排氣管道中的壓力降增加了壓縮機(jī)的排氣壓力及比功，使得容積效率降低，制冷系數(shù)下降。在實(shí)際中，由于這一阻力降相對于壓縮機(jī)的吸排氣壓力差要小得多，因此，它對系統(tǒng)性能的影響要比吸氣管道阻力的影響要小。液體管道從冷凝器出口到節(jié)流元件入口之間的管路稱為液體管道。熱量通常由液體制冷劑傳給周圍空氣，產(chǎn)生過冷效應(yīng)，使制冷量增大。由于液體流速較氣體要小得多，因而阻力相對較小。但在許多場合下，冷凝器出口與節(jié)流元件入口不在同一高度上，若前者的位置比后者低，由于靜液柱的存在，高度差要導(dǎo)致壓力降。該壓力降對于具有足夠過冷度的制冷系統(tǒng)，則系統(tǒng)性能不會受其影響。但如果從冷凝器里出來的制冷劑為飽和狀態(tài)或過冷度不大，則液體管道的壓力降將導(dǎo)致部分液體制冷劑汽化，從而使進(jìn)入節(jié)流元件的制冷劑處于兩相狀態(tài)，這將增加節(jié)流過程的壓力降，對系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利的影響，同時(shí)，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行也產(chǎn)生不利影響。為了避免這些影響，設(shè)計(jì)制冷系統(tǒng)時(shí)，要注意冷凝器與節(jié)流元件的相對位置，同時(shí)，要降低節(jié)流前管路的阻力損失。兩相管道從節(jié)流元件到蒸發(fā)器之間的管道中流動著兩相的制冷劑，稱之為兩相管道。通常節(jié)流元件是緊靠蒸發(fā)器安裝的。倘若將它安裝在被冷卻空間內(nèi)，那么傳給管道的熱量是有效的；若安裝在室外，熱量的傳遞將使制冷量減少。管道中的壓力降對系統(tǒng)性能幾乎沒有影響，因?yàn)閷τ诮o定的蒸發(fā)溫度而言，制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器之前壓力必須降到蒸發(fā)壓力，這一壓力的降低不管是發(fā)生在節(jié)流元件內(nèi)還是發(fā)生在兩相管道上是無關(guān)緊要的。但是，如果系統(tǒng)中有多個(gè)蒸發(fā)器共用一個(gè)節(jié)流元件，則要盡量保證從液體分配器到各個(gè)蒸發(fā)器之間的阻力降相等，否則將出現(xiàn)分液不均勻現(xiàn)象，影響制冷效果。蒸發(fā)器在討論蒸發(fā)器中的壓力降對循環(huán)性能的影響時(shí)，必須注意到它的比較條件。如果假定不改變制冷劑出蒸發(fā)器時(shí)的狀態(tài)，為了克服蒸發(fā)器中的流動阻力，必須提高制冷劑進(jìn)蒸發(fā)器時(shí)的壓力，即提高開始蒸發(fā)時(shí)的溫度。由于節(jié)流前后焓值相等，又因?yàn)閴嚎s機(jī)的吸氣狀態(tài)沒有變化，故制冷系統(tǒng)的性能沒受到什么影響。它僅使蒸發(fā)器中的傳熱溫差減小，要求傳熱面積增大而已。如果假定不改變蒸發(fā)過程中的平均傳熱溫差，那么出蒸發(fā)器時(shí)的制冷劑壓力稍有降低，其結(jié)果與吸氣管道阻力引起的結(jié)果一樣。冷凝器假定出冷凝器時(shí)制冷劑的壓力不變，為克服冷凝器中的流動阻力，必須提高進(jìn)冷凝器時(shí)制冷劑的壓力，必然導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣壓力升高，壓力比增大，壓縮機(jī)耗功增大，制冷系數(shù)下降。壓縮機(jī)在理論循環(huán)中，曾假定壓縮過程為等熵過程。實(shí)際上，在壓縮的開始階段，由于氣缸壁溫度高于吸入的蒸氣溫度，因而存在著由氣缸壁向蒸氣傳遞熱量的過程；到了壓縮終了階段，由于氣體被壓縮后溫度高于氣缸壁溫度，熱量又由蒸氣傳向氣缸壁，因此整個(gè)壓縮過程是一個(gè)過程指數(shù)在不斷變化的多變過程。另外，由于壓縮機(jī)氣缸中有余隙容積存在，氣體經(jīng)過吸、排氣閥及通道處，有熱量交換及流動阻力，活塞與氣缸間隙處會產(chǎn)生制冷劑泄漏等，這些因素都會使壓縮機(jī)的輸氣量下降，功率消耗增大。壓縮機(jī)的實(shí)際工作性能將在第三篇制冷壓縮機(jī)中具體介紹。1.8不凝性氣體對制冷循環(huán)的影響不凝性氣體是指在冷凝壓力下不能冷凝為液體的氣體。不凝性氣體一般積存于冷凝器和貯液器上部，因?yàn)樗荒芡ㄟ^冷凝器或貯液器內(nèi)的液體部分的液封往下傳遞。不凝性氣體的存在將使冷凝器內(nèi)冷凝面積減少，冷凝壓力升高，導(dǎo)致制冷壓縮機(jī)排氣壓力、溫度升高；壓縮比功增加；制冷系數(shù)下降，制冷量減少。在熱力計(jì)算中由于無法統(tǒng)計(jì)且數(shù)量小，通常忽略不計(jì)。制冷系統(tǒng)中不凝性氣體來源于：系統(tǒng)檢修時(shí)帶入的空氣；部分潤滑油、制冷劑發(fā)生的分解；制冷壓縮機(jī)負(fù)壓時(shí)低壓部分滲透進(jìn)來的空氣。實(shí)際應(yīng)用可采取一些相應(yīng)的措施減少不凝性氣體的影響，如：小型家用分體式空調(diào)在安裝時(shí)，靠室外機(jī)內(nèi)原有的制冷劑壓力排出連接管路中的不凝性氣體；制冷系統(tǒng)充灌制冷劑之前需進(jìn)行抽真空處理；中、大型冷庫制冷系統(tǒng)中加裝空氣分離器，定期由空氣分離器排出不凝性氣體；在一些中央空調(diào)系統(tǒng)中，由于使用的制冷機(jī)是在高真空度下工作，如溴化理吸收式制冷機(jī)、使用R123的離心式制冷機(jī)等，因此，在系統(tǒng)中加裝抽氣裝置，及時(shí)抽出制冷機(jī)中的不凝性氣體，維持制冷系統(tǒng)的高真空度。1.9冷凝、蒸發(fā)過程傳熱溫差對循環(huán)性能的影響現(xiàn)實(shí)生活中，沒有溫差的傳熱是不可能實(shí)現(xiàn)的。故實(shí)際制冷循環(huán)中，制冷劑與熱源之間必須存在一個(gè)傳熱溫差。被冷卻介質(zhì)溫度tC必須大于制冷劑的蒸發(fā)溫度t0,被冷卻介質(zhì)的熱量Q0才能通過蒸發(fā)器傳遞給溫度為蒸發(fā)溫度的制冷劑，才能符合熱量從高溫物體傳向低溫物體的熱傳遞規(guī)律；同理，環(huán)境介質(zhì)溫度tH必須小于制冷劑的冷凝溫度tk，環(huán)境介質(zhì)才能帶走冷凝器內(nèi)制冷劑蒸氣放出的熱量Qk，也才能符合熱傳遞規(guī)律。由于冷凝器與蒸發(fā)器中傳熱溫差的存在，會使實(shí)際的冷凝溫度比理論循環(huán)的冷凝溫度高，蒸發(fā)溫度則比理論循環(huán)的蒸發(fā)溫度低，從而使循環(huán)的制冷系數(shù)下降。制冷循環(huán)中制冷劑與熱源之間的傳熱溫差越大，制冷循環(huán)的效率越低。但傳熱溫差的存在并不影響理論制冷循環(huán)的熱力計(jì)算用于實(shí)際制冷循環(huán)。因?yàn)樵诶碚撝评溲h(huán)的熱力計(jì)算中所采用的計(jì)算溫度已經(jīng)是蒸發(fā)溫度t0和冷凝溫度tk，并末考