吳浚邦
摘 要:空調(diào),在日常生產(chǎn)和生活中十分常見(jiàn),同時(shí)也是必不可缺的重要機(jī)械設(shè)備。本文主要針對(duì)空調(diào)機(jī)中的壓縮制冷循環(huán)機(jī)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(duì)制冷效率的影響,重點(diǎn)分析了制冷循環(huán)中影響損的一些主要因素,具體涉及了工程熱力學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí),對(duì)于我們科學(xué)使用空調(diào),節(jié)能環(huán)保,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞:壓縮制冷循環(huán);制冷劑;工作效率
中圖分類號(hào):TB64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-2064(2017)01-0059-03
1 基本原理
壓縮制冷循環(huán)主要包括壓縮、冷凝、膨脹和蒸發(fā)四個(gè)過(guò)程。循環(huán)的主要目的是將熱量從溫度低的地方傳輸?shù)綔囟雀叩牡胤揭赃_(dá)到制冷的目的,但這樣的過(guò)程違反了熱力學(xué)第二定律,即正常情況下,這樣的過(guò)程是無(wú)法自發(fā)完成的。因此,我們需要外部做功來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。當(dāng)循環(huán)開(kāi)始后,制冷劑首先進(jìn)入壓縮機(jī),被等熵(絕熱)壓縮,離開(kāi)壓縮機(jī)時(shí)氣體處于過(guò)熱狀態(tài)。過(guò)熱蒸汽接下來(lái)通過(guò)冷凝器,在液化的過(guò)程中釋放出熱量直到制冷劑達(dá)到了冷凝器所需溫度,冷凝原理主要分為風(fēng)冷和水冷兩種,目前風(fēng)冷較為普遍。冷凝器中有許多彎曲的細(xì)管和風(fēng)扇組成,細(xì)管的目的是為了最大化與空氣的接觸面積,而風(fēng)扇是為了增加表面的空氣流動(dòng),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(lái),液態(tài)的制冷劑將通過(guò)膨脹閥,制冷劑的壓力將會(huì)驟降,導(dǎo)致部分液態(tài)制冷劑能迅速蒸發(fā),通常來(lái)說(shuō)蒸發(fā)量不到原來(lái)的一半,這樣使得制冷劑在低溫低壓下以一種液態(tài)、氣態(tài)混合的形式進(jìn)入蒸發(fā)器。這一部分也是整個(gè)循環(huán)中最為核心的部分,它的作用就是吸收周圍環(huán)境的溫度從而達(dá)到制冷的目的,蒸發(fā)器中同樣含有很多細(xì)管和風(fēng)扇,同樣也是為了增大接觸面積和表面空氣的流動(dòng)。細(xì)管一般是由金屬制成以增大熱量的傳導(dǎo)性。最后,吸收完熱量的制冷劑通過(guò)節(jié)流閥再次進(jìn)入壓縮機(jī)開(kāi)始一個(gè)新的循環(huán)。
2 制冷劑的選擇
2.1 標(biāo)準(zhǔn)和原則
制冷機(jī)是一種物質(zhì)或者說(shuō)是混合態(tài),通常是液體,它常被用在熱泵以及制冷循環(huán)中。在大多數(shù)的循環(huán)里,它經(jīng)歷了從液態(tài)到氣態(tài)又回到液態(tài)的轉(zhuǎn)變。很多工質(zhì)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(jì)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(yīng)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(yīng)該擁有有利的熱力性質(zhì),比如說(shuō)對(duì)機(jī)械部件有防腐性并且很安全。它不會(huì)破壞臭氧層或者引起氣候變化。此外,它在高溫和高壓下應(yīng)該很穩(wěn)定。理想的熱力學(xué)性質(zhì)是指沸點(diǎn)低于目標(biāo)溫度,蒸發(fā)需要較大熱量。液態(tài)時(shí)密度適中,氣態(tài)時(shí)密度相對(duì)較高以及擁有較高的臨界溫度,此外,對(duì)于導(dǎo)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(yīng)用于冰箱和空調(diào)等設(shè)備中的常見(jiàn)制冷劑,無(wú)論是民用還是商用,它都擁有較好的熱力學(xué)性質(zhì)。工業(yè)上,它是離心式冷水機(jī)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(fā)現(xiàn)氨作為替代品更受歡迎。氨氣是一個(gè)很劃算、很有效的替代品,并且它對(duì)于環(huán)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(gè)主要優(yōu)點(diǎn):
第一,基于氨的制冷系統(tǒng)的建造成本比用氟氯碳的減少10-20%,因?yàn)榭梢允褂弥睆礁墓茏?。第二,氨是一個(gè)比氟氯碳有效3-10%的制冷劑,因此,一個(gè)基于氨的系統(tǒng)需要更少的電力,從而降低了運(yùn)行成本。第三,氨對(duì)于環(huán)境很安全,它的臭氧消耗潛能值和全球變暖潛能值的評(píng)級(jí)都為0。第四,氨比起氯氟烴或氯氟烴要便宜的多。
同時(shí),用氨作為制冷劑也有兩個(gè)關(guān)鍵的缺點(diǎn):第一,它不與銅兼容,因此它不能用在任何有銅管的系統(tǒng)中。第二,高濃度的氨是有毒的。
然而,兩個(gè)因素降低了這種風(fēng)險(xiǎn):第一,氨的獨(dú)特氣味可以在濃度遠(yuǎn)低于危險(xiǎn)濃度時(shí)被察覺(jué)到。第二,并且氨氣比空氣輕,因此,如果確實(shí)有泄漏,它會(huì)上升并在大氣中散發(fā)。
2.2.3 氟氯烴(CFCs)
CFC已經(jīng)在過(guò)去的五,六十年來(lái)廣泛用作蒸汽壓縮循環(huán)的制冷劑起到制冷作用。在最近幾年中,科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)氯氟烴是最具有破壞性的環(huán)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(gè)重要原因,它也是溫室效應(yīng)(全球變暖)的罪魁禍?zhǔn)字弧?/p>
3 制冷效率和制冷溫度之間的關(guān)系
用EES作為輔助分析軟件,R134a作為研究對(duì)象。
保持環(huán)境溫度不變,改變制冷溫度(從5℃to25℃)。利用制冷循環(huán)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有參數(shù),用下面的公式和分析軟件作圖(見(jiàn)圖1),可以得到相應(yīng)關(guān)系。
可以觀察到,當(dāng)環(huán)境溫度或者制冷溫度的變化越大即前后差值越大時(shí),制冷系數(shù)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(duì)象,但相信其他的制冷劑依然會(huì)得出同樣的結(jié)果。
4 制冷循環(huán)中的
4.1 損定義
在實(shí)際的循環(huán)過(guò)程中,總會(huì)遇到許多不可逆過(guò)程,并且這些不可避免的因素將永久性地轉(zhuǎn)化為了無(wú)用能(火無(wú)),而這一部分就是所謂的損。
4.2 已知參數(shù)制冷循環(huán)中的損
假設(shè)環(huán)境溫度是35℃,冷凝溫度是25℃,蒸發(fā)溫度是5℃,室溫25℃。
我們知道熵產(chǎn):Sg=△S-Sf,Sf=q/Tr
因此,損:I=T0Sg I=I1+I2
接下來(lái)依舊使用EES軟件來(lái)進(jìn)行輔助分析(見(jiàn)表1、表2)。
4.3 損和降溫量的關(guān)系
假設(shè)室溫為25℃,冷凝溫度是30℃,壓縮后的溫度是55℃。我們讓蒸發(fā)溫度在5℃-10℃之間變化,每次改變1℃(一共6組)。在此,我們計(jì)算損的方法同4.2。(見(jiàn)表3、表4)
I=Troom·Sg
從圖2,3中可以看出,無(wú)論是冷凝器和環(huán)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(dòng),但整體還是呈線性,根據(jù)測(cè)量原理,誤差較大的點(diǎn)可以直接忽略?,F(xiàn)實(shí)生活中,損是不可避免的,這也解釋了為什么不會(huì)有永動(dòng)機(jī),我們所能做的只是盡量減少損。
5 結(jié)語(yǔ)
本報(bào)告簡(jiǎn)單地展示了一個(gè)制冷循環(huán)的整個(gè)過(guò)程。根據(jù)其主要工作原理選擇了三個(gè)如今被廣泛使用的工作流體做研究。制冷系數(shù)和損的分析是報(bào)告里的兩個(gè)主要部分,其實(shí)制冷效率和損本身就是息息相關(guān)的,損直接影響了制冷系數(shù)的高低。結(jié)合分析結(jié)果可知:第一,不同制冷劑的制冷系數(shù)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(jìn)步使得在制冷劑的選擇方面也在優(yōu)化。第二,溫度差越大,損越大,能量中轉(zhuǎn)為無(wú)用功的部分越大,同時(shí)也就意味著制冷效率的下降,相對(duì)來(lái)說(shuō)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(yīng)該為了節(jié)能和環(huán)保而盡可能地減小溫差。特別是在夏季,應(yīng)該把空調(diào)調(diào)到適當(dāng)溫度。