第三节 单级蒸气压缩式制冷循环的工况分析

制冷系统或制冷设备的工作参数有蒸发温度、蒸发压力、冷凝温度、冷凝压力、过冷温度、吸气温度、过热度等，常称为制冷（或热泵）设备的运行工况。

一、过冷度对制冷循环系统的影响

在热泵或制冷技术中，一般把饱和液体进一步冷却成未饱和液体称为过冷，未饱和的液体称为过冷液体，过冷液体的温度称为过冷温度，把液态的饱和温度与过冷温度之差称为过冷度。

节流损失和过热损失是使制冷循环偏离逆卡诺循环的主要原因。若要提高制冷循环的制冷系数、制热系数，应当首先从减少节流损失和过热损失着手。

从图2-9所示的压焓图上可以看出，制冷剂过冷度是在近似等压过程中进行的，若蒸发器出口仍为饱和状态时，即点1状态点不变，系统功耗不变，而系统工质单位质量制热量增加了Δh₃（Δh₃=h₃-h_3′），单位质量制冷量增加了Δh₄（Δh₄=h₄-h_4′）。此外，液体过冷后，还保证了膨胀阀前液体不会汽化，有利于膨胀阀的正常工作。从图2-10所示的温熵图上还可以看出，饱和蒸气制冷循环的节流损失为4—b—c—5—4的面积，而当采取过冷时节流损失减低到4′—d—c—5—4′的面积。

图2-9 节流前过冷循环lg p-h图

图2-10 节流前过冷循环T-S图

应当指出，过冷却措施只是减少了节流损失中的制冷量损失，而对节流损失中的功耗增加，即膨胀功的浪费，并无作用。对于不同的制冷剂采取节流过冷却所得好处是不相同的，对于节流损失相对较大的制冷剂进行节流阀前过冷却效果会更好一些。

由此可得到一个重要的结论，在制冷循环中，有一定的过冷度对系统热力循环效率总是有利的。即，制冷剂过冷度Δt_s，c越大，系统单位质量制冷量、制热量、制冷系数、制热系数越大。应当指出，并不是说制冷剂液体过冷度越大越好。尤其是对于制冷循环的供热而言，因为这时就会使得冷凝器或再冷却器与冷却介质（水或空气）传热温差减小，从而降低换热效率，增加了系统初投资的费用。

二、吸气过热对制冷循环的影响

对于饱和蒸气制冷循环，假定了压缩机吸气口处的吸入蒸气（简称吸气）是饱和蒸气。实际上，吸气往往是过热蒸气。吸气少量过热对压缩机的工作较为有利，这样可以保证压缩机不会吸入液滴，从而保证了压缩机的运行安全。

图2-11和图2-12所示分别为吸气过热的制冷循环在lg p-h图和T-S图上的表示，图中，1′—2′—3—4—1′是饱和蒸气制冷循环，1—2—3—4—1是吸气过热后的制冷循环。吸气过热是等压过程，在lg p-h图上，吸气过热是在等压线4—1′的延长线上，即线段1′—1；在T-S图上是一上翘的曲线段1′—1。压缩机吸气状态点是制冷系统的蒸发压力和吸气温度的等温线上的交点。

图2-11 吸气过热的制冷循环 在lg p-h图上的表示

图2-12 吸气过热的制冷循环在T-S图上的表示

从lg p-h图不难看出，吸气过热后，系统满足下列方程：

（1）单位质量制冷剂的制冷量增加量（kJ/kg）

Δq_o=h₁-h_1′ （2-15）

（2）单位质量制冷剂的制热量增加量（kJ/kg）

Δq_k=h₂-h_2′ （2-16）

（3）单位质量制冷剂压缩机的耗功增量（kJ/kg）

Δw_c=（h₂-h₁）-（h_2′-h_1′） （2-17）

在T-S图上，单位质量制冷剂的制冷量和制热量增加了Δq_o、Δq_k，即面积A₂和面积A₁+A₂。同时还可以看出，压缩机排气温度上升，吸气过热使单位压缩功增加了Δw_c，即面积A₂。由于吸气过热使得制冷量、制热量和压缩功均增加，使得单位制冷剂循环制热系数也会有变化，变化趋势取决于制冷剂的性质。此外，吸气过热度对吸气比体积也有一定的影响，当吸气过热度增加时，吸气比体积也随之增加；在压缩机排气量一定的条件下，输气量必然减少，尽管单位制热量增加了，但当过热度较大时仍可能导致制冷（热）量的减少。

三、蒸发温度和冷凝温度变化对制冷循环系统的影响

制冷设备性能系数（Coefficient of Performance，COP）是用以衡量其热力经济性的指标。COP指其收益（制热量或制冷量）与其代价（所耗机械功率或热功率）的比值。COP定义为

式中 Q——制热量或制冷量（kW）；

E——输入的机械功率或热功率（kW）。

图2-13 冷凝温度对制冷机组的影响压焓图

（一）冷凝温度变化对制冷循环性能的影响

当蒸发温度保持不变，冷凝温度由T_k降低到T′_k时，分析制冷循环的热力循环如图2-13所示。图中，制冷循环由原来的1—2—3—4—1成为1—2′—3′—4′—1，可以看出单位质量制冷剂压缩机功耗有所降低，而机组的制冷量却增加了，同理可以推出制冷循环系统的制冷系数和制热系数，都会有所提高。

尽管降低制冷循环的冷凝温度可以提高系统循环性能，但在实际应用中，冷凝器出口温度不可能无限降低，它必然受到周围环境或换热介质温度的限制。

（二）蒸发温度变化对制冷循环系统性能的影响

在分析蒸发温度对循环性能的影响时，也首先假定冷凝温度保持不变。对于一般的制冷剂（如R12、R22、R134a等制冷剂）而言，蒸发温度升高时的压焓图和温熵图，如图2-14所示，当蒸发温度由T_o升高到T′_o时，循环由原来的1—2—3—4—1变为1′—2′—3—4′—1′。这时压缩机吸入口的焓值增加，因此单位质量制冷量增加，而压缩机功耗降低（图2-14b所示T-S图中的11′4′41面积）。因此系统的过热损失减少，系统循环效率提高，制冷系数、制热系数随着蒸发温度的提高而增大。此外，由于蒸发温度提高，使得进入压缩机入口的制冷剂比体积减少，从而使得单位体积制冷量和制热量有所增加。

图2-14 蒸发温度升高时的压焓图和温熵图

同理，在实际应用中，蒸发温度也不可能无限升高，也要受到换热介质（或称载冷剂）温度的限制。

（三）蒸发温度变化与冷凝温度变化对制冷循环性能影响的对比

下面从数学角度分析一下理想制冷循环，即逆卡诺循环，其冷、热源温度（蒸发温度、冷凝温度）温度对COP的影响。由式（2-2b），制热时COP的表达式可以写为

将式（2-19）对T_L求导得

从式（2-20）可以看出∂COP/∂T_L恒大于零，说明性能系数COP随冷源温度T_L的升高而增大，随T_L的降低而减小。

将式（2-19）对T_H求导得

从式（2-21）看出，∂COP/∂T_H恒小于零，说明性能系数COP随热源温度T_H（冷凝温度）的升高而减小，随T_H的降低而增大。

比较式（2-20）和式（2-21）可知∂COP/∂T_L＞∂COP/∂T_H，这说明低温热源（蒸发温度）的温度对COP的影响高于高温热源（冷凝温度）的温度对COP的影响。