逆卡诺循环原理

广州市永诚制冷设备有限公司广州市永诚制冷设备有限公司第第#页共13页r0——蒸发温度下制冷剂的汽化潜热（kJ/kg）；x4——节流后气液两相制冷剂的干度。4单位质量制冷量q°在压焓图上相当于过程线1-4在h轴上的投影（见图1-3）。由式（1-1）可知，制冷剂的汽化潜热越大，节流后的干度越小，则单位质量制冷量越大。制冷循环的单位质量制冷量的大小与制冷剂的性质和循环的工作温度有关。单位容积制冷量制冷压缩机每吸入1m3制冷剂蒸气（按吸气状态计）经循环从被冷却介质中制取的冷量，称为单位容积制冷量，用q表示。v1-2)式中q——单位容积制冷量（kJ/m3）；vvi制冷剂在吸气状态时的比体积（m3/kg）o由式（1-2）可知，吸气比体积vi将直接影响单位容积制冷量qv的大小。而且吸气比体积V］的大小随蒸发温度的下降而增大,所以理论循环的q不仅随制冷剂的种类而改变，而且还随循环的蒸发温度V的变化而变化。理论比功制冷压缩机按等熵压缩时每压缩输送1kg制冷剂蒸气所消耗的功，称为理论比功，用w°表示。w°=h2-h1（1-3）式中w°理论比功（kJ/kg）；h2——■压缩机排气状态制冷剂的比焓值（kJ/kg）；h——压缩机吸气状态制冷剂的比焓值（kJ/kg）。理论比功w°在压焓图上相当于压缩过程线1-2在h轴上的投影（见图1-3）。理论°比功也与制冷剂的种类和循环的工作条件有关，与制冷压缩机的形式无关。单位冷凝热负荷制冷压缩机每输送1kg制冷剂在冷凝器中放出的热量，称为单位冷凝热负荷，用qk表示。1-4)1-4)2'qk=（h2-h2'）+（h2'-h3）=h2-h3式中qk—单位冷凝热负荷（kJ/kg）；h2'——与冷凝压力对应的干饱和蒸气状态所具有的比焓值2'（kJ/kg）；h3冷凝压力对应的饱和液状态所具有的比焓值（kJ/kg）；在压焓图中，qk相当于等压冷却、冷凝过程线2-2'-3在h轴上的投影（见图1-3）。比较式（1-1）、式（1-3）、式（1-4）和h=h可以看出，对于单级蒸气压缩式制冷理论循环，存在着下列关系43

5.制冷系数qk=q0+w0（1-5）5.制冷系数单位质量制冷量与理论比功之比，即理论循环的收益和代价之比，称为理论循环制冷系数，用怜表示，即1-6)单级理论循环制冷系数£0是分析理论制冷循环的一个重要指标。制冷系数不但与循环的高温热源、低温热源有关，还与制冷剂的种类有关。在制冷机工作温度给定的情况下，制冷系数越大，则经济性越根据以上几个性能指标，可进一步求得制冷剂循环量、冷凝器中放出的热量、压缩机所需的理论功率等数据。上述五个性能指标均是对理论循环而言，虽然它们同实际情况尚有一定差别，但却是理解制冷特性和进行制冷性能计算的基础。1.7热交换及压力损失对制冷循环的影响制冷剂在制冷设备和连接管道中连续不断地流动，使制冷循环得以实现，形成制冷效应。制冷剂沿制冷设备和连接管道流动，将产生摩擦阻力和局部阻力损失，同时制冷剂还将或多或少地与外部环境进行热交换。下面将讨论这些因素对循环性能的影响。吸气管道从蒸发器出口到压缩机吸气入口之间的管道称为吸气管道。吸气管道中的换热和压力降，直接影响到压缩机的吸气状态。通常认为吸气管道中的换热是无效的，它对循环性能的影响前面已作过详细分析。压力降使得吸气比体积增大、压缩机的压力比增大，单位容积制冷量减小、压缩机容积效率降低、比功增大，制冷系数下降。在实际工程中，可以通过降低流速的办法来降低阻力，即通过增大管径来降低压力降。但考虑到有些场合，为了确保润滑油能顺利地从蒸发器返回压缩机，这一流速又不能太低。此外，应尽量减少设置在吸气管道上的阀门、弯头等阻力部件，以减少吸气管道的阻力。排气管道从压缩机出口到冷凝器入口之间的管道称为排气管道。压缩机的排气温度一般均高于环境温度，向环境空气传热不会引起性能的改变，仅仅是减少了冷凝器中的热负荷。排气管道中的压力降增加了压缩机的排气压力及比功，使得容积效率降低，制冷系数下降。在实际中，由于这一阻力降相对于压缩机的吸排气压力差要小得多，因此，它对系统性能的影响要比吸气管道阻力的影响要小。液体管道从冷凝器出口到节流元件入口之间的管路称为液体管道。热量通常由液体制冷剂传给周围空气，产生过冷效应，使制冷量增大。由于液体流速较气体要小得多，因而阻力相对较小。但在许多场合下，冷凝器出口与节流元件入口不在同一高度上，若前者的位置比后者低，由于静液柱的存在，高度差要导致压力降。该压力降对于具有足够过冷度的制冷系统，则系统性能不会受其影响。但如果从冷凝器里出来的制冷剂为饱和状态或过冷度不大，则液体管道的压力降将导致部分液体制冷剂汽化，从而使进入节流元件的制冷剂处于两相状态，这将增加节流过程的压力降，对系统性能产生不利的影响，同时，对系统的稳定运行也产生不利影响。为了避免这些影响，设计制冷系统时，要注意冷凝器与节流元件的相对位置，同时，要降低节流前管路的阻力损失。两相管道从节流元件到蒸发器之间的管道中流动着两相的制冷剂，称之为两相管道。通常节流元件是紧靠蒸发器安装的。倘若将它安装在被冷却空间内，那么传给管道的热量是有效的；若安装在室外，热量的传递将使制冷量减少。管道中的压力降对系统性能几乎没有影响，因为对于给定的蒸发温度而言，制冷剂进入蒸发器之前压力必须降到蒸发压力，这一压力的降低不管是发生在节流元件内还是发生在两相管道上是无关紧要的。但是，如果系统中有多个蒸发器共用一个节流元件，则要尽量保证从液体分配器到各个蒸发器之间的阻力降相等，否则将出现分液不均匀现象，影响制冷效果。蒸发器在讨论蒸发器中的压力降对循环性能的影响时，必须注意到它的比较条件。如果假定不改变制冷剂出蒸发器时的状态，为了克服蒸发器中的流动阻力，必须提高制冷剂进蒸发器时的压力，即提高开始蒸发时的温度。由于节流前后焓值相等，又因为压缩机的吸气状态没有变化，故制冷系统的性能没受到什么影响。它仅使蒸发器中的传热温差减小，要求传热面积增大而已。如果假定不改变蒸发过程中的平均传热温差，那么出蒸发器时的制冷剂压力稍有降低，其结果与吸气管道阻力引起的结果一样。冷凝器假定出冷凝器时制冷剂的压力不变，为克服冷凝器中的流动阻力，必须提高进冷凝器时制冷剂的压力，必然导致压缩机排气压力升高，压力比增大，压缩机耗功增大，制冷系数下降。压缩机在理论循环中，曾假定压缩过程为等熵过程。实际上，在压缩的开始阶段，由于气缸壁温度高于吸入的蒸气温度，因而存在着由气缸壁向蒸气传递热量的过程；到了压缩终了阶段，由于气体被压缩后温度高于气缸壁温度，热量又由蒸气传向气缸壁，因此整个压缩过程是一个过程指数在不断变化的多变过程。另外，由于压缩机气缸中有余隙容积存在，气体经过吸、排气阀及通道处，有热量交换及流动阻力，活塞与气缸间隙处会产生制冷剂泄漏等，这些因素都会使压缩机的输气量下降，功率消耗增大。压缩机的实际工作性能将在第三篇制冷压缩机中具体介绍。1.8不凝性气体对制冷循环的影响不凝性气体是指在冷凝压力下不能冷凝为液体的气体。不凝性气体一般积存于冷凝器和贮液器上部，因为它不能通过冷凝器或贮液器内的液体部分的液封往下传递。不凝性气体的存在将使冷凝器内冷凝面积减少，冷凝压力升高，导致制冷压缩机排气压力、温度升高；压缩比功增加；制冷系数下降，制冷量减少。在热力计算中由于无法统计且数量小，通常忽略不计。制冷系统中不凝性气体来源于：系统检修时带入的空气；部分润滑油、制冷剂发生的分解；制冷压缩机负压时低压部分渗透进来的空气。实际应用可采取一些相应的措施减少不凝性气体的影响，如：小型家用分体式空调在安装时，靠室外机内原有的制冷剂压力排出连接管路中的不凝性气体；制冷系统充灌制冷剂之前需进行抽真空处理；中、大型冷库制冷系统中加装空气分离器，定期由空气分离器排出不凝性气体；在一些中央空调系统中，由于使用的制冷机是在高真空度下工作，如溴化理吸收式制冷机、使用R123的离心式制冷机等，因此，在系统中加装抽气装置，及时抽出制冷机中的不凝性气体，维持制冷系统的高真空度。1.9冷凝、蒸发过程传热温差对循环性能的影响现实生活中，没有温差的传热是不可能实现的。故实际制冷循环中，制冷剂与热源之间必须存在一个传热温差。被冷却介质温度tC必须大于制冷剂的蒸发温度t0,被冷却介质的热量Q0才能通过蒸发器传递给温度为蒸发温度的制冷剂，才能符合热量从高温物体传向低温物体的热传递规律；同理，环境介质温度tH必须小于制冷剂的冷凝温度tk，环境介质才能带走冷凝器内制冷剂蒸气放出的热量Qk，也才能符合热传递规律。由于冷凝器与蒸发器中传热温差的存在，会使实际的冷凝温度比理论循环的冷凝温度高，蒸发温度则比理论循环的蒸发温度低，从而使循环的制冷系数下降。制冷循环中制冷剂与热源之间的传热温差越大，制冷循环的效率越低。但传热温差的存在并不影响理论制冷循环的热力计算用于实际制冷循环。因为在理论制冷循环的热力计算中所采用的计算温度已经是蒸发温度t0和冷凝温度tk，并末考