三种常用制冷方式比较之欧阳史创编.docx
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三种常用制冷方式比较之欧阳史创编
三种常用制冷方式比较
时间：
2021.02.10
创作：
欧阳史
1、前言
本文介绍了三种主要空调系统的优缺点，蒸汽压缩式空调系统具有较高的制冷系数和较强的制冷、制热能力，但这种系统所使用的制冷剂CFCs，对臭氧层有活多或少的破坏，且运行时噪音很大，窗式空调尤为明显。
分体式中央空调系统将冷凝器、压缩机封闭在一金属箱体内放在室外，将蒸发器装在一箱体内放在室内，从而可以降低系统的噪音，同时，它采用新型的制冷剂，例如用R134a取代CFCs，可以有效降低对臭氧层的破坏。
但新型制冷剂的采用却使系统的COP值有所降低。
吸收式空调系统的COP值中等，具有废热再利用及再生热的优点，但这种系统体积较大。
热电式空调系统体积小，噪音低，但它的COP值较其他两种系统低，并且设备价格昂贵。
此外，这种系统利用直流电运行，可使用电池或DV直接驱动。
2、三种空调系统的热力循环和原理
2.1蒸汽压缩式循环
不设有换向阀的蒸汽压缩式空调系统只能在夏天用于制冷，大多数蒸汽压缩式空调系统能全年运行，既能制冷也能制热,两种过程分如图1所示。
在制冷循环系统中，压缩机从蒸发器吸入低温低压的制冷剂R134a蒸汽,经压缩机绝热压缩成为高温高压的过热蒸汽,再压入冷凝器中定压冷却,并向冷却介质放出热量,然后冷却为过冷液态制冷剂,液态制冷剂经膨胀阀（或毛细管）绝热节流成为低压液态制冷剂，在蒸发器内蒸发吸收空调循环水（空气）中的热量,从而冷却空调循环水（空气）达到制冷的目的,流出低压的制冷剂被吸入压缩机,如此循环工作.
蒸汽压缩式空调系统的实际逆卡诺循环过程的
值如下：
（1）
显然，当热源温度相同时，实际逆卡诺循环的COPir,c值比理想卡诺循环的COPcarnot的值小，并且随着
和
的增大而减小。
从公式
（1）可以看出：
对COPir,c值的影响较
大。
空调系统正常运行时，蒸发器中空气出口温度比进口温度低，一般至少低8℃，即
大于等于8℃。
对于冷凝器，为使制冷系统能有效的运行，周围环境温度一般要求低于43℃。
在制热状态下，通过换向阀将图一中室内的蒸发器由冷凝器取代，室外的冷凝器由蒸发器取代，整套装置就是一热泵，不停地将热量从室外空气中输送到室内。
为使热泵能有效地运行，周围环境温度一般要求高于－5℃。
该热泵的
由下式计算得出：
（2）
2.2吸收式制冷循环
蒸汽压缩式循环是被称为做功式循环，因为气体制冷剂的加压过程是由压缩机做功完成的，而吸收式循环是以热能为动力的循环，因为该系统运行时发生器中高压液体转变成高压气体时吸收了大量的热，这些热是由油、煤气和天然气的燃烧及地热能、太阳能、工厂废热提供的。
基本的吸收式循环如图三所示，吸收器和发生器组成的这部分相当于一台“热力压缩机”，所以吸收式循环过程的原理和蒸汽压缩式相似。
在空调系统中，吸收式循环常用LiBr－H2O作工质对，其中水为制冷剂，LiBr为吸收剂。
发生器内装有一定量的溴化锂浓溶液,吸收器内装有一定量的溴化锂稀浓液,吸收器内的溴化锂稀浓液经溶液泵,热交换器进入发生器,在外热源（蒸汽或水）加热下,溴化锂稀溶液的水分蒸发而变成溴化锂浓溶液,所蒸发的水蒸气进入冷凝器（吸收式循环比蒸汽压缩式循环的最大的优点在于吸收式循环中加压液体比蒸汽压缩式循环中加压气体耗功少）,在冷凝器中被冷却水冷却放热后,经节流减压进入蒸发器,在高负压的蒸发器中汽化吸热冷却空调循环水,汽化后的水蒸汽进入吸收器,在吸收器内被来自发生器的溴化锂浓溶液吸收,使溴化锂浓溶液变成了溴化锂稀溶液,再经过溶液泵,热交换器送至发生器浓缩成溴化锂浓溶液.在水蒸气吸收过程中,产生的汽化潜热由冷却水带走.溴化锂溶液为高温液体,在进入吸收器之前经过热交换器冷却,加热进发生器前的稀溶液从而回收了部分热量,提高能源的利用率.吸收式循环中热量传递的过程可概括为：
当空气中的低温热源冷却蒸发器中的水时，高温热源对发生器中的溶液加热，冷凝器和吸收器通过水和空气将热量排到周围大气中。
吸收式制冷系统的COPR值由下式计算得出：
<<
）（3）
当整个循环完全可逆时，吸收式循环制冷系数值最大，也就是说来自热源Qgen的热量被转移到卡诺发动机，热力发动机的输出量（
）供给卡诺制冷机除去冷空气中的热。
设
则吸收式制冷系统可逆情况下的COP值为：
（4）
其中，Ta是空气温度，
是冷却空间的温度，Ts是热源温度，从公式（4）可以看出，Ta增大，COP增大；
增大，COP增大；Ts增大，COP增大；吸收式制冷理想可逆循环的的COP值通常是实际循环的两倍多。
从某种意义上说，在吸收式制冷系统中用术语COP是不合适的，通常情况下这种系统的COP值比蒸汽压缩式低。
但却不能因此而否定该系统，因为在这两种循环中，COP的定义不同。
做功转化的能比热能所付出的代价要高。
而且，在夏天使用这种系统制冷能避免蒸汽压缩式制冷系统中使用电能所引起的用电高峰。
太阳能和工业废热对它来说是一个丰富的可利用资源。
然而，吸收式制冷系统体积较大，设备的价格较高，这种系统的制冷量通常是几千瓦甚至几千千瓦，所以一般应用于工业制冷，近几年来，也应用于某些家庭的中央空调系统。
吸收式循环系统一般不用于制热，因为向发生器中供热的热源可直接用于制热。
2.3热电式循环
当两根金属棒或半导体相连接且接点两侧保持不同温度时，将会有五种现象同时发生:
焦耳效应、傅立叶效应、贝塞克效应、珀耳帖效应和汤姆森效应。
所有这些都是不可逆现象。
珀耳帖效应对空调系统的影响最大。
在电路中，不同的导体和半导体之间包含了两个接点，热量通过一直流电源从一接点传递到另一接点。
半导体（如
）比金属更易产生珀耳帖效应。
热电制冷（珀耳帖装置）利用了半导体的珀耳帖效应。
原理如图3所示。
从冷空间吸收的热量通过N-型和P-型半导体热电偶元件传递到热侧热源接受器,然后排放到周围环境中。
如果电流方向改变，通过半导体材料的热流方向也随之改变。
冷空间就变成了热空间，也就是说，空调系统就变成制热状态。
在制冷状态下，制冷能力
，在热侧热源接受器中的分散热
，输入电功率
，
制冷系数：
（5）
其中热容比：
，
制热系数：
（6）
典型的热电空调器（热泵）是半导体热电偶元件通过铜线连接，并用导热绝缘的陶瓷夹在线路中间组成，如图3所示。
热电系统的优值系数Z由式（7）计算：
（1/K）（7）
Z值能充分反映热电性能，它的值仅和热电材料的物理性质有关。
性能系数Z越大，热电材料越好。
利用上述方法，制热时最佳性能系数可由下式计算：
（8）
热电式空调系统有许多优点.比如,这种系统完全没有氟氯化碳所引起的污染,设备简易轻巧,使用方便,运行可靠,无噪音,启动迅速,较易控制。
此外,它的工作温度范围很广（-40℃-70℃）且能直接由直流电或燃料电池驱动.它的主要缺点是制冷系数低,费用较高。
3、性能比较
从性能和成本的角度分析，蒸汽压缩式空调系统是最好的。
然而，目前这种系统中使用较多的制冷剂对环境存在着或多或少的影响,不是对环境友好的制冷剂。
从长远来看终将在未来的法律中将被禁止使用。
吸收式制冷利用低品位热能,电能耗费少，但体积较大,设备价格昂贵。
热电式系统设备简易，但制冷量小且价格昂贵。
4、经济价值分析
对任何比较来说，经济价值的比较都是重要的，并影响着最终选择。
任何设备都有有限的使用寿命，随着投入使用时间推移，技术的更新和商业的新动向，
设备在不断的退化。
通常用两种方法来计算折旧率，即初投资法和渐缩值（DV）法。
初投资法是指将贬值的总额平均分配到设备有效使用寿命的每一阶段。
DV法是指将贬值的总额逐渐减少的分配到设备有效使用寿命的每一阶段。
因此，在设备投入使用的早期需要扣除更多的数目，因为设备总是早期使用比晚期使用好。
DV法更适合于空调系统的经济价值分析，每一年的贬值率按DV法计算的空调系统运n年后的价值由公式（9）计算：
（9）
其中，n表示使用的年限，DV因数由空调系统的期望使用寿命决定。
空调系统的期望使用寿命为10年，15年，20年时，相应的DV因数为15%，10%，7.5%。
5、结论
（1）蒸汽压缩式空调、吸收式空调的制冷/制热能力远远大于热电式空调；
（2）吸收式空调利用热能为动力的循环，耗电非常小,其耗电设备仅有几台小型泵和风机。
热电式空调、蒸汽压缩式空调运行时需使用大量的电能；
（3）蒸汽压缩式空调COP值最大，在2.6-3.5之间，而吸收式空调COP值在0.6-1.1之间，热电式空调COP值在0.38-0.45之间；
（4）这三种空调系统的室内噪音大小几乎一样（除了窗式蒸汽压缩式空调系统），因为室内的系统仅有风机会产生噪音，各种系统室外的噪音大小就各不相同了，蒸汽压缩式空调系统中压缩机和吸收式空调系统中的溶液泵会产生很大的噪音，热电式空调系统噪音较小，因为除了水冷式吸收式空调系统的散热设备水泵的噪音较大外，其它吸收式空调系统只有风机有噪音；
（5）这三种空调系统有它们各自的优缺点。
其中热电式空调系统广泛应用于制冷量较小的场合，它能够直接使用直流电源，燃料电池及汽车直流电源等。
时间：
2021.02.10
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