1.2　蒸氣壓縮式制冷的理想循環

1.2.1　理想制冷循環

由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的可逆正循環叫作卡諾循環，在給定的兩個高低溫熱源條件下，按卡諾循環工作，熱效率最高，卡諾熱機是效率為100%的理想熱機，在實際中是不存在的。如果工質按卡諾循環的逆向循環進行工作，則叫作逆卡諾循環，逆卡諾循環是理想制冷循環，其熱力過程如圖1-6所示，工質的工作過程1→2→3→4→1是按照逆時針方向運行：工質從點1狀態沿等熵線1→2被絕熱壓縮至點2狀態，溫度由T'₀升至T'_k；之后，工質在高溫熱源溫度T'_k條件下，沿等溫線2→3由點2狀態等溫壓縮放熱至點3狀態，向高溫熱源放出熱量q_k；隨后，工質沿等熵線3→4從點3狀態絕熱膨脹至點4狀態，溫度由T'_k降至T'₀；最后，工質在低溫熱源溫度T'₀條件下，沿等溫線4→1由點4狀態吸熱膨脹至點1狀態，從低溫熱源吸收熱量q₀，實現對低溫熱源制冷目的。

逆卡諾循環1→2→3→4→1是存在于高溫熱源T'_k和低溫熱源T'₀之間的理想制冷循環，它是在兩個恒溫熱源之間，由兩個定溫過程和兩個絕熱過程組成的。完成逆卡諾循環的結果是，消耗了一定數量的機械功，并從冷源取得熱量一起排給熱源。由于熱量由低溫向高溫轉移，類似采用泵將水從低處送到高位處，所以按逆卡諾循環工作的“機器”稱為制冷機或熱泵。三者之間的關系如圖1-7所示。

從熱力學理論上講，每一次制冷循環，通過單位制冷劑將熱量q₀從低溫熱源（被冷卻介質）轉移至高溫熱源（冷卻介質），同時消耗了機械功w，并且也轉化為熱量傳給高溫熱源（冷卻介質），傳出總熱量q_k。

這樣，通過單位質量制冷劑在每一個制冷循環中可制取冷量q₀，消耗功量w，兩者之比即為該制冷循環的性能指標——制冷系數ε。制冷系數表示為單位耗功量所能制取的冷量，定義式為：

　　（1-2）

對于理想制冷循環，即逆卡諾循環來說制冷系數為：

　　（1-3）

由上式可知：

①在一定溫度條件下，理想制冷循環的制冷系數ε_c最大，任何實際制冷循環的制冷系數ε都小于ε_c；

②理想制冷循環的制冷系數ε_c只與兩個熱源（冷卻介質和被冷卻介質）的溫度有關，與制冷劑性質等其他因素無關；

③冷熱源溫差（T'_k -T'₀）越大，理想制冷循環的制冷系數ε_c就越小，制冷循環的經濟性就越差；

④冷源（被冷卻介質）的溫度變化比熱源（冷卻介質）溫度變化對制冷系數影響更大，從下面偏導數分析中可以看出：

因為

所以

從熱泵角度進行分析，熱泵是憑借消耗機械功將熱量從自然環境轉移至需要的較高溫度的環境中去，它可以有效地利用低溫熱源的熱量，是目前研究及應用的熱點。熱泵的經濟性用供熱系數來衡量。供熱系數是單位耗功量所能獲取的熱量，定義式為：

　　（1-4）

從這里可以看出，熱泵的經濟性大于制冷機，而且熱泵的供熱量永遠大于所消耗的功，其效率必大于1，因此，熱泵是能源綜合利用很有價值的裝置。

1.2.2　制約理想制冷循環的主要因素

理想制冷循環實現的關鍵條件是：高、低溫熱源恒定，制冷劑在冷凝器和蒸發器中與兩個熱源間無傳熱溫差，制冷工質流經各個設備中不考慮任何損失，因此，逆卡諾循環是理想制冷循環，它的制冷系數是最高的。

但是在實際工程中，要想滿足理想制冷循環的幾個關鍵條件是不現實的，也是無法實現的，主要表現在：

①壓縮過程在濕蒸氣區中進行，危害性很大。若壓縮機吸入的是濕蒸氣，在壓縮過程中必會產生濕壓縮，而濕壓縮危害很大，容易產生液擊，有時候還會因缸壁溫度驟降而收縮，造成與活塞環“咬死”事故，嚴重時甚至毀壞壓縮機，在實際運行時濕壓縮應嚴禁發生。因此，在實際蒸氣壓縮式的制冷循環中必須采用干壓縮，即進入壓縮機的制冷劑為干飽和蒸氣或過熱蒸氣。

②膨脹機進行等熵膨脹不現實。因為蒸氣壓縮式制冷循環中，制冷劑液體在絕熱膨脹前后體積變化很小，而節流損耗較大，以致使所能獲得的膨脹功不足以克服機器本身的工作損耗，且高精度的膨脹機很難加工。因此，在實際蒸氣壓縮式制冷循環中，均由節流機構（如節流閥、膨脹閥、毛細管等）代替膨脹機。

③在實際工程中，無溫差傳熱是不可能實現的，否則理論上要求蒸發器和冷凝器應具有無限大傳熱面積，這在實際中當然是不可能的。所以在實際制冷循環過程中，制冷劑工作的溫度與兩個熱源的溫度必須存在一定溫差，即：制冷劑的蒸發溫度（T₀）低于低溫熱源的溫度（被冷卻介質T'₀），制冷劑的冷凝溫度（T_k）高于高溫熱源的溫度（冷卻工質T'_k），這樣制冷劑才能從低溫熱源吸熱，再通過制冷循環傳到高溫熱源中去。

因為：制冷劑的蒸發溫度（T₀）≠被冷卻介質的溫度（低溫熱源T'₀），

制冷劑的冷凝溫度（T_k）≠冷卻介質的溫度（高溫熱源T'_k）。

且：制冷劑的蒸發溫度（T₀）<被冷卻介質的溫度（低溫熱源T'₀），

制冷劑的冷凝溫度（T_k）>冷卻介質的溫度（高溫熱源T'_k）。

所以，對于實際蒸氣壓縮式制冷循環是在制冷劑的冷凝溫度（T_k）和蒸發溫度（T₀）之間進行的，而非兩個穩定的高低溫熱源之間進行，制冷劑與高低溫熱源之間的傳熱也將導致制冷循環效率降低。如圖1-8所示，低溫熱源平均溫度為T'₀，高溫熱源平均溫度為T'_k時，逆卡諾循環為圖1-8中1'→ 2'→ 3'→ 4'→ 1'。由于有傳熱溫差存在，在蒸發器內制冷劑的蒸發溫度T₀應低于被冷卻物體溫度T'₀，即T₀=T'₀-ΔT₀；而冷凝器內制冷劑的冷凝溫度T_k應高于冷卻介質溫度T'_k，即T_k=T'_k+ΔT_k。此時有傳熱溫差的制冷循環可用圖1-8中的1→2→3→4→1表示。從圖中可以看出，有傳熱溫差的制冷循環所消耗的功量增大了，多消耗的功量為圖中兩部分陰影面積2'233'2'與11'4'41之和，而制冷量卻減少了，減少量為11'4'41面積。這時制冷循環的制冷系數為：

上式推導出ε<ε_c，這表明具有傳熱溫差的制冷循環的制冷系數總要小于逆卡諾循環的制冷系數。

由于一切實際制冷循環均為不可逆循環，因此，實際循環的制冷系數ε總是小于工作在相同熱源溫度下的逆卡諾循環的制冷系數ε_c。實際制冷循環的制冷系數ε與逆卡諾循環的制冷系數ε_c之比稱為熱力完善度，定義式為：

　　（1-5）

熱力完善度η是小于1的數，它愈接近1，表明實際循環的不可逆程度越小，循環的經濟性越好，它的大小反映了實際制冷循環接近逆卡諾循環的程度。

綜上可知，雖然逆卡諾循環制冷系數最大，但只是一個理想制冷循環，在實際工程中無法實現，但是通過該循環的分析所得出的結論對實際制冷循環具有重要的指導意義，對提高制冷系統經濟性指出了重要的方向。