压缩机循环效率的统计与分析

工业和生活中冷热供应消耗的能源占总能源消耗的以上川。制冷是用来制取温度低于环境温度的冷量，热泵一般用来制取温度在环境温度与巧。热量，制冷热泵装置的效率改进对降低我国冷热供应中的能源消耗和环境保护均具有重要意义。

制冷热泵根据工作原理可分为蒸气压缩式、吸收式、吸附式、热电式等类型，其中应用*广泛的是蒸气压缩式制冷热泵装置。由于蒸气压缩式制冷热泵的循环特性直接影响到其效率，本文即是基于制冷热泵的工质设计，来改进蒸气压缩式制冷热泵的循环使其接近理想制冷热泵循环，使制冷热泵装置的效率得到提高，为实现制冷制热的清洁化提供有力的技术支持。

基本思路蒸气压缩式制冷热泵一般采用定温相变的循环工质，即其在蒸发制冷和冷凝制热过程中温度基本不变。定温冷热源之间效率*高的理想制冷热泵循环是逆卡诺循环，如图中一所示，其中几为高温热源温度，相应于冷凝温度为低温热源温度，相应于蒸发温度。过程一为等嫡压缩过程，过程为等温放热过程，过程一为等嫡膨胀过程，过程一为等温吸热制冷过程。

制冷热泵按该循环运行时，其效率指标分别为制冷热泵循环可接近卡诺循环。存在饱和气线左斜的纯工质。也存在饱和气线垂直或右斜的纯工质，如图、图所示即单一纯工质的饱和气线在温一嫡图上可有三种类型。

三种类型的纯工质也可按特定比例混合得到饱和气线垂直或右斜的混合工质。图制冷热泵逆卡诺循环示意图临界点蒸气压缩式制冷热泵装置如图所示，由压缩机、冷凝器、节流或膨胀部件、蒸发器连接成封闭系统并内充以循环工质组成，其循环特性有赖于循环工质的性质。

由于一般循环工质的物性局限和压缩机气相进气的要求仁，普通制冷热泵的理论循环如图采用膨胀机的中大型装置、图采用节流阀或毛细管的小型装置所示，已明显偏离了卡诺循环。饱和液线饱和气线图饱和气线左斜型临界点循环工质冷凝器垂直型饱和液线饱和气线压缩机节流或膨胀部件蒸发器图制冷热泵装置构成示意图图‘饱和气线垂直型临界点右斜型一饱和液线饱和气线卜饱和液线饱和气线图采用膨胀机的制冷热泵理论循环图图饱和气线右斜型临界点饱和液线饱和气线闷卜图采用节流阀的制冷热泵理论循环图基于此，当各部件工作过程可逆时，可设计饱和气线垂直的工质实现制冷热泵按卡诺循环运行，如图所示。

但实际部件工作时总有一定的不可逆性，如传热温差、流动阻力、摩擦损失等，此时可设计饱和气线右斜度与压缩过程效率相应的工质，使制冷热泵按近卡诺循环运行，如图所示。各部件的不可逆性越小，则循环越接近卡诺循环。设计的基本规律为分子大的工质多属右斜型工质，分子小的工质多属左斜型工质。其基本原理如图所示。饱和气线临界点图用垂直型工质实现卡诺循环示意图临界点饱和液线饱和气线图工质饱和气线倾斜类型与分子特性的关系分析饱和液线饱和气线图，用右斜型工质接近卡诺循环示意图工质设计分析设计适宜的工质是实现近卡诺循环的关键。

部分典型工质饱和气线上温度与嫡的典型数据如表所示。饱和气线在一段的倾斜类型，取决于在饱和气线上温度由升为几时，与，的相对大小，即乙时，△的正或负。由热力学基本规律可知一，一当近似认为工质性质可用理想气体状态方程计算，且定压比热吼式中D气体常数。

由式可见，饱和气线的倾斜类型与工质分子的特性及温度有关。只有当分子较大时，工质的定压比热较大，且温度区间适宜时，才可能出现平均斜率△升△即饱和气线右斜的情况当分子较小时，工质的定压比热较小，或温度较高时，均会使平均斜率迁介△即饱和气线左斜。

对热泵和采用离心压缩机的制冷装置，有较多的垂直型如、和右斜型如、咫、形、肠纯工质作为可选工质。当制冷空调热泵无适宜的近卡诺循环纯工质时，可通过配制混合工质解决，其中左斜型组分和右斜型组分的浓度正比于其斜率绝对值。循环效率的计算与分析表中列出了典型工质时饱和气的嫡和温之间饱和气线的平均斜该值可作为工质分类的基本依据。

该值为正值时表示工质在相应温度区间内属右斜型工为客观比较制冷热泵按卡诺循环和普通循环工作时的效率，计算时采用相同的工作温度和设备条件。即取卡诺循环的冷源温度为℃，热源温度为℃。

设普通循环的冷凝器、蒸发器面积无限大而传热温差为℃，即工质的蒸发温度为℃，冷凝温度为℃压缩机的效率为，为等嫡压缩过程膨胀机的效率为，为等嫡膨胀过程，工质采用。

在此条件下，制冷热泵装置的效率差别仅由工质即循环特性的差别所引起采用卡诺循环工质时的制冷效率指标即制冷系数为热泵的制热系数为相应制冷系数加，故此处仅对制冷进行计算分析，所得结论也适用于热泵凡冷兀万瓦一采用为工质的普通循环中各点的参数如表所示。

表以为工质的普通循环中各点参数说明查饱和性质表叫查过热蒸气表一等查饱和性质表川由一闷等嫡求出点干度为，再由此求出点的焙状态点状态温度℃压力比焙说明一饱和气查甩饱和性质表过热气查甩过热蒸气表一等饱和液查饱和性质表川湿蒸气由一闷等嫡求出点干度为，再由此求出点的焙由此可得普通循环的制冷系数为冷式中，D图中点压缩机进口处工质的比烩，D图中点压缩机出口处工质的比熔，凡D图中点冷凝器出口处工质的比熔，风D图中点膨胀机出口处工质的比烩。

由上面计算可知，在设备条件和工作温度均相同的前提下，采用垂直型工质的卡诺循环与采用传统工质的普通循环，其制冷系数提高幅度。二二冷一冷一由制冷循环的基本规律可知，当制冷热泵的冷凝温度与蒸发温度相差更大时，则卡诺循环制冷系数比普通循环制冷系数的提高幅度也更大。

制冷热泵采用近卡诺循环除可提高能源效率外，还有如下突出优势可提高制冷热泵的可靠性和寿命。

与普通循环相比，制冷热泵按近卡诺循环运行时，可大幅度降低压缩机出口处工质的温度，减少了由此引起的润滑油及工质变性等危险，可提高制冷热泵装置的可靠性和寿命。

从上面算例可见，按卡诺循环工作时，压缩机排气温度为℃，而以为工质的普通循环则为℃。当压缩机的效率低于时，普通循环中压缩排气温度会更高。可减小机组尺寸。近卡诺循环时压缩机出口处工质状态为饱和气状态，工质进入冷凝器后可立即发生冷凝相变放热，具有较高的换热系数而普通循环压缩机出口处工质为过热气状态，进人冷凝器后需以单相气态形式放热，换热系数远小于相变换热。

故制冷热泵实现近卡诺循环时，可减小冷凝器换热面积和尺寸，减少机组体积和成本。可简化机组结构。当制冷热泵需要多级压缩时，采用近卡诺循环工质，压缩机排气为饱和气，高压级与低压级间不需级间冷却，可省去级间换热器，实现机组的简化。可提高热泵供热温度。

由于压缩机的材料及结构的限制，其排气温度一般不能高于℃一℃。由于采用传统工质的普通热泵循环中，压缩机排气过热度排气温度与相同压力下工质的冷凝温度之差大，因此热泵的冷凝温度或供热温度不能太高。而近卡诺循环运行的热泵，由于其压缩机排气过热度约为℃，其冷凝温度可远高于普通热泵，甚至超过℃制取低压蒸汽，从而使热泵的应用领域得到大范围拓展。

结论与建议制冷制热耗能是我国能源消耗的主要部分之一，提高制冷热泵装置的效率、探索低温热能如巧℃以下的全面热泵供给，对缓解我国能源和环境压力具有重要的意义。

采用适宜工质使制冷热泵装置按近卡诺循环运行，在原理和工质供给上均切实可行，与普通制冷热泵装置相比，可提高制冷系数冷凝温度为℃、蒸发温度为℃时，且可靠性、机组紧凑性、热泵供热温度均比普通制冷热泵有所提高，值得深人研究和应用推广，为此，进一步需做的工作主要有如下儿方面热泵卡诺循环的研究热工问题讨论集庆贺吕灿仁教授八十华诞学术报告论文集天津天津大学热能研究所多元混合工质筛选及配比原则的研究太新工质基础物性推算和中高温热泵工质研究工程热物理学报，陈东压缩式中高温热泵低环害循环工质的理论和实验研究天津天津大学，二氧化碳跨临界循环膨胀机实验系统的开发和研月厂热泵工质的设计与开发。

具有适宜特性的循环工质是制冷热泵实现近卡诺循环的前提，制冷热泵的温度水平、容量大小、部件效率不同时，所需的*佳工质也不同，因此，应通过纯工质分子设计或混合工质组配分析，设计出满足各类制冷热泵装置要求的近卡诺循环工质。

膨胀机的研制。工质的节流过程是制冷热泵循环的四个基本过程之一，该过程中采用膨胀机时可回收工质的膨胀功，该过程近似按等嫡过程膨胀是实现近卡诺循环的基础，故应探索在制冷热泵中采用膨胀机作为节流部件，尤其对大中型机组。

与近卡诺循环工质相匹配的装置部件和系统优化研究。采用近卡诺循环工质后，压缩机、冷凝器、节流部件等的工作条件均比普通循环制冷热泵有所变化，研究如何充分利用近卡诺循环工质的优势，使装置提高效率、延长寿命、降低成本，对近卡诺制冷热泵的应用与推广具有积极的促进作用。