1.5　影響制冷效率的因素

1.5.1　制冷效率的影響因素

評價制冷效率的指標主要有兩種：

①性能系數。性能系數指制冷壓縮機消耗單位軸功率所能產出的制冷量，用符號COP（coefficient of performance）表示，單位為kW/kW，表示為：

　　（1-25）

②能效比。能效比是考慮到制冷壓縮機的驅動電動機效率對制冷能耗的影響，以單位電動機功率對應的制冷量大小進行評價，用符號EER（energy efficiency ratio）表示，單位為kW/kW，表示為：

　　（1-26）

同時，在工程中常常采用性能曲線直觀表示制冷效率，如圖1-22所示為活塞式制冷壓縮機性能曲線，圖中表示了制冷壓縮機性能與制冷循環的蒸發溫度和冷凝溫度具有函數關系，即：

COP=f_c（t₀，t_k）　　（1-27）

EER=f_e（t₀，t_k）　　（1-28）

由制冷循環熱力學分析：

Q₀=V_Rq_v　　（1-29）

　　（1-30）

可以看出，對于一臺已有的制冷壓縮機來說，理想情況下V_R為定值，所以分析制冷量Q₀和功耗P_th僅與制冷循環的熱力性質q_v、w₀、v_吸有關，而這些量都是隨工作溫度（即蒸發溫度和冷凝溫度）變化而變化的，因此制冷效率的主要影響因素是蒸發溫度和冷凝溫度。

（1）冷凝溫度對制冷循環效率的影響

如圖1-23所示，假定蒸發溫度不變，當冷凝溫度由t_k升高到t'_k時，理論制冷循環由1→2→3→4→1變為1→2'→3'→4'→1。

從圖1-23中可看出：

①冷凝溫度由t_k升高，制冷循環的單位質量制冷量q₀減少了（Δq₀）；

②當冷凝溫度由t_k升高，雖然進入壓縮機的蒸氣比容v_吸沒有變化，但由于單位質量制冷量q₀減小，故單位容積制冷量q_v也減少了；

③冷凝溫度由t_k升高，單位壓縮理論功w₀增大了（Δw₀）。

從上分析可知，當蒸發溫度t₀為定值，制冷循環隨冷凝溫度t_k升高時，制冷機的制冷量Q₀減少，功率消耗P_th增加，制冷系數下降。

（2）蒸發溫度對制冷循環效率的影響

如圖1-24所示，假定冷凝溫度不變，當蒸發溫度由t₀降至t'₀時，理論制冷循環由1→2→3→4→1變為 1' →2'→3→4'→1'。

從圖1-24中可看出：

①蒸發溫度降低，單位質量制冷量q₀雖然變化不大，但還是有所降低（Δq₀）；

②蒸發溫度降低，壓縮機吸氣比容增大了（v_1'> v₁），因而單位容積制冷量q_v及制冷量Q₀都在減小。所以說蒸發溫度對制冷量的影響是雙重的，在制冷循環應用中應高度重視蒸發溫度的影響；

③單位壓縮理論功w₀增大了（Δw₀），但由于吸氣比容也增大，根據式（1-29），在這種情況下就無法直接看出制冷機功率的變化情況。為了找出其變化規律，學者制作了蒸發溫度變化時制冷循環壓縮機消耗功率的變化圖，如圖1-25所示。從圖中可以看出，蒸發溫度越低，單位理論耗功越大，但所需軸功率隨蒸發溫度變化有一個峰值，此時制冷壓縮機的功耗最大。通過熱力學分析可知，此峰值取決于制冷循環的壓縮比p_k/p₀。對不同制冷劑的計算發現，峰值出現在壓縮比p_k/p₀≈3附近。即對于各種制冷劑，若冷凝溫度不變，壓縮比p_k/p₀約等于3時功率消耗最大。這一通性在選擇壓縮機的電動機功率時具有重要意義。

從上分析可知，當冷凝溫度t_k為定值，制冷循環隨蒸發溫度t₀降低時，循環的制冷系數下降。

1.5.2　制冷工況

由制冷循環效率的影響因素可知，制冷機的制冷量、功率消耗及其他特性指標是隨蒸發溫度t₀及冷凝溫度t_k變化而變化的，因此不講制冷機的工作條件（即工作溫度壓力）而單講制冷量的大小是沒有意義的。故在說明制冷機性能比較時，必須規定一組共同的工作溫度作為比較基準，這就是所謂的制冷機工況，是指制冷壓縮機工作的狀況，即制冷壓縮機工作的條件。它的工作參數包括蒸發溫度、冷凝溫度、吸氣溫度和過冷溫度。

我國對中小型單級活塞式制冷壓縮機主要采用的工況有以下幾種（表1-5）。

標準工況：根據制冷機在使用中最常遇到的工作條件以及我國多數地區一年里最常出現的氣候條件為基礎而確定的工況。制冷機銘牌上標出的制冷量和功率就是指標準工況下的制冷量和功率。

空調工況：規定的制冷機在作空調使用時的溫度條件。空調被冷卻介質的溫度較高，因此規定的蒸發溫度為5℃；而空調制冷幾乎都是在夏季使用，因此冷凝溫度也規定得較高。

最大壓差工況：在設計制冷壓縮機時需要使用的工況。作為制冷壓縮機的主要零部件進行強度計算的依據，因此，制冷壓縮機在運轉過程中所承受的壓差不得大于這一規定。

最大功率工況：制冷機在冷凝溫度一定而蒸發溫度變化時會有一個功率最大的工況（即壓縮比p_k/p₀≈3時）。通常制冷機在啟動過程會經過這一工況，因此，為了防止電動機超載，要根據這一工況來確定驅動壓縮機的電動機的功率。

我們對制冷循環進行熱力計算的目的是對制冷系統組成設備進行選型，但前面所進行的制冷循環熱力計算，都是在設計工況下計算的，得到的制冷量和功耗也是設計工況下的數值，而產品樣本上給出的設備技術參數是在標準工況或空調工況下的參數。由于設計工況往往與產品樣本上的標準工況（或空調工況）不同，因此不能直接選取，需要通過工況換算后再進行產品樣本查找選配。如選用壓縮機時，需先把設計工況下的制冷量Q_0設換算為制冷壓縮機的標準工況（或空調工況）下的制冷量Q_0標，用Q_0標才能從產品樣本中根據給出的標準制冷量選取需要的制冷壓縮機。

設計工況制冷量換算：

　　（1-31）

式中　k_i——壓縮機制冷量換算系數。

表1-6給出立式和V型氨用制冷壓縮機的換算系數表，利用換算系數可以將設計工況下的制冷量與標準工況下的制冷量進行相互換算。