1.2　蒸气压缩式制冷的理想循环

1.2.1　理想制冷循环

由两个等温过程和两个绝热过程组成的可逆正循环叫作卡诺循环，在给定的两个高低温热源条件下，按卡诺循环工作，热效率最高，卡诺热机是效率为100%的理想热机，在实际中是不存在的。如果工质按卡诺循环的逆向循环进行工作，则叫作逆卡诺循环，逆卡诺循环是理想制冷循环，其热力过程如图1-6所示，工质的工作过程1→2→3→4→1是按照逆时针方向运行：工质从点1状态沿等熵线1→2被绝热压缩至点2状态，温度由T'₀升至T'_k；之后，工质在高温热源温度T'_k条件下，沿等温线2→3由点2状态等温压缩放热至点3状态，向高温热源放出热量q_k；随后，工质沿等熵线3→4从点3状态绝热膨胀至点4状态，温度由T'_k降至T'₀；最后，工质在低温热源温度T'₀条件下，沿等温线4→1由点4状态吸热膨胀至点1状态，从低温热源吸收热量q₀，实现对低温热源制冷目的。

逆卡诺循环1→2→3→4→1是存在于高温热源T'_k和低温热源T'₀之间的理想制冷循环，它是在两个恒温热源之间，由两个定温过程和两个绝热过程组成的。完成逆卡诺循环的结果是，消耗了一定数量的机械功，并从冷源取得热量一起排给热源。由于热量由低温向高温转移，类似采用泵将水从低处送到高位处，所以按逆卡诺循环工作的“机器”称为制冷机或热泵。三者之间的关系如图1-7所示。

从热力学理论上讲，每一次制冷循环，通过单位制冷剂将热量q₀从低温热源（被冷却介质）转移至高温热源（冷却介质），同时消耗了机械功w，并且也转化为热量传给高温热源（冷却介质），传出总热量q_k。

这样，通过单位质量制冷剂在每一个制冷循环中可制取冷量q₀，消耗功量w，两者之比即为该制冷循环的性能指标——制冷系数ε。制冷系数表示为单位耗功量所能制取的冷量，定义式为：

　　（1-2）

对于理想制冷循环，即逆卡诺循环来说制冷系数为：

　　（1-3）

由上式可知：

①在一定温度条件下，理想制冷循环的制冷系数ε_c最大，任何实际制冷循环的制冷系数ε都小于ε_c；

②理想制冷循环的制冷系数ε_c只与两个热源（冷却介质和被冷却介质）的温度有关，与制冷剂性质等其他因素无关；

③冷热源温差（T'_k -T'₀）越大，理想制冷循环的制冷系数ε_c就越小，制冷循环的经济性就越差；

④冷源（被冷却介质）的温度变化比热源（冷却介质）温度变化对制冷系数影响更大，从下面偏导数分析中可以看出：

因为

所以

从热泵角度进行分析，热泵是凭借消耗机械功将热量从自然环境转移至需要的较高温度的环境中去，它可以有效地利用低温热源的热量，是目前研究及应用的热点。热泵的经济性用供热系数来衡量。供热系数是单位耗功量所能获取的热量，定义式为：

　　（1-4）

从这里可以看出，热泵的经济性大于制冷机，而且热泵的供热量永远大于所消耗的功，其效率必大于1，因此，热泵是能源综合利用很有价值的装置。

1.2.2　制约理想制冷循环的主要因素

理想制冷循环实现的关键条件是：高、低温热源恒定，制冷剂在冷凝器和蒸发器中与两个热源间无传热温差，制冷工质流经各个设备中不考虑任何损失，因此，逆卡诺循环是理想制冷循环，它的制冷系数是最高的。

但是在实际工程中，要想满足理想制冷循环的几个关键条件是不现实的，也是无法实现的，主要表现在：

①压缩过程在湿蒸气区中进行，危害性很大。若压缩机吸入的是湿蒸气，在压缩过程中必会产生湿压缩，而湿压缩危害很大，容易产生液击，有时候还会因缸壁温度骤降而收缩，造成与活塞环“咬死”事故，严重时甚至毁坏压缩机，在实际运行时湿压缩应严禁发生。因此，在实际蒸气压缩式的制冷循环中必须采用干压缩，即进入压缩机的制冷剂为干饱和蒸气或过热蒸气。

②膨胀机进行等熵膨胀不现实。因为蒸气压缩式制冷循环中，制冷剂液体在绝热膨胀前后体积变化很小，而节流损耗较大，以致使所能获得的膨胀功不足以克服机器本身的工作损耗，且高精度的膨胀机很难加工。因此，在实际蒸气压缩式制冷循环中，均由节流机构（如节流阀、膨胀阀、毛细管等）代替膨胀机。

③在实际工程中，无温差传热是不可能实现的，否则理论上要求蒸发器和冷凝器应具有无限大传热面积，这在实际中当然是不可能的。所以在实际制冷循环过程中，制冷剂工作的温度与两个热源的温度必须存在一定温差，即：制冷剂的蒸发温度（T₀）低于低温热源的温度（被冷却介质T'₀），制冷剂的冷凝温度（T_k）高于高温热源的温度（冷却工质T'_k），这样制冷剂才能从低温热源吸热，再通过制冷循环传到高温热源中去。

因为：制冷剂的蒸发温度（T₀）≠被冷却介质的温度（低温热源T'₀），

制冷剂的冷凝温度（T_k）≠冷却介质的温度（高温热源T'_k）。

且：制冷剂的蒸发温度（T₀）<被冷却介质的温度（低温热源T'₀），

制冷剂的冷凝温度（T_k）>冷却介质的温度（高温热源T'_k）。

所以，对于实际蒸气压缩式制冷循环是在制冷剂的冷凝温度（T_k）和蒸发温度（T₀）之间进行的，而非两个稳定的高低温热源之间进行，制冷剂与高低温热源之间的传热也将导致制冷循环效率降低。如图1-8所示，低温热源平均温度为T'₀，高温热源平均温度为T'_k时，逆卡诺循环为图1-8中1'→ 2'→ 3'→ 4'→ 1'。由于有传热温差存在，在蒸发器内制冷剂的蒸发温度T₀应低于被冷却物体温度T'₀，即T₀=T'₀-ΔT₀；而冷凝器内制冷剂的冷凝温度T_k应高于冷却介质温度T'_k，即T_k=T'_k+ΔT_k。此时有传热温差的制冷循环可用图1-8中的1→2→3→4→1表示。从图中可以看出，有传热温差的制冷循环所消耗的功量增大了，多消耗的功量为图中两部分阴影面积2'233'2'与11'4'41之和，而制冷量却减少了，减少量为11'4'41面积。这时制冷循环的制冷系数为：

上式推导出ε<ε_c，这表明具有传热温差的制冷循环的制冷系数总要小于逆卡诺循环的制冷系数。

由于一切实际制冷循环均为不可逆循环，因此，实际循环的制冷系数ε总是小于工作在相同热源温度下的逆卡诺循环的制冷系数ε_c。实际制冷循环的制冷系数ε与逆卡诺循环的制冷系数ε_c之比称为热力完善度，定义式为：

　　（1-5）

热力完善度η是小于1的数，它愈接近1，表明实际循环的不可逆程度越小，循环的经济性越好，它的大小反映了实际制冷循环接近逆卡诺循环的程度。

综上可知，虽然逆卡诺循环制冷系数最大，但只是一个理想制冷循环，在实际工程中无法实现，但是通过该循环的分析所得出的结论对实际制冷循环具有重要的指导意义，对提高制冷系统经济性指出了重要的方向。