制冷的基本热力学原理 - 中国制冷网行业论坛-

制冷的基本热力学原理

　　从热力学角度说，制冷系统是利用逆向循环的能量转换系统。按补偿能量的形式（或驱动方式），前面所提及的制冷方法归为两大类：以机械能或电能为补偿的和以热能为补偿的。前者如蒸气压缩式、热电式制冷机等；后者如吸收、蒸气喷射、吸附式制冷机等。
两类制冷机的能量转换关系如图1所示。

图1 制冷机的能量转换关系
(a) 以电能或机械能驱动的制冷机　　　　　　　　(b) 以热能驱动的制冷机

　　热力学关心的是能量转换的经济性，即花费一定的补偿能，可以收到多少制冷效果（制冷量）。为此，对于机械或电驱动方式的制冷机引入制冷系数来衡量；对于热能驱动方式的制冷机，引入热力系数来衡量。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (1)　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (2)

式中 ----- 制冷机的制冷量；
―― ------ 冷机的输入功；
―― ----- 驱动热源向制冷机输入的热量。

　　国外习惯上将制冷系数和热力系数统称为制冷机的性能系数COP(Coefficience of Performance)。我们要研究一定条件下COP的最高值。

　　对于电能或机械能驱动的制冷机，参见图1(a)。制冷机消耗功w实现从低温热源（被冷却对象，温度）吸热，向高温热源（通常为环境，温度）排热。假定两热源均为恒温热源，向高温热源的排热量为，由低温热源的吸热量（即制冷量）为，制冷机为可逆循环。

　　由热力学第一定律有

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)　　

　　由热力学第二定律，在两个恒温热源间工作的可逆机，一个循环的熵增等于零，即
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(4)

　　将式(3)代入式(4)得　　　　　　　　　　

即　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(5)

　　由定义式(1)，则可逆制冷的制冷系数为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (6)

　　式(6)说明：①两恒温热源间工作的可逆制冷机，其制冷系数只与热源温度有关，而与制冷机使用的制冷剂性质无关。② 的值与两热源温度的接低程度有关，与越接近（ / 越小），则越大；反之越小。实际制冷机制冷系数随热源温度的变化趋势与可逆机是一致的。

　　对于以热能驱动的制冷机，参见图。制冷机从驱动热源（温度为）吸收热量作为补偿，完成从低温热原吸热，向高温热源排热的能量转换。我们假定驱动热源也是恒温热源，其它假定同前。那么类似地推导热能驱动的可逆制冷机的性能系数

　　由热力学第一定律有：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(7)

　　由热力学第二定律，循环中

即

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (8)

　　利用式(7)， (8)和定义式(2)得出，热能驱动的可逆制冷机的热力系数
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9)

　　上式右边的第一个因子就是上面导出的在，温度之间工作的可逆机械制冷机的制冷系数；而第二个因子则是在，温度之间工作的可逆热发动机的热效率。故它相当于用一个可逆热机，将驱动热源的热量转换成机械功， = 再由去驱动一个可逆机械制冷机。见图2。这说明与在数量上不具备可比性，因为补偿能与的品位不同。

图2 热能驱动的制冷机等价关系图

　　式(9)同样说明，热能驱动的可逆制冷机的性能系数（或热力系数）也只与热源的温度，和有关，而与工质的性质无关。越高（驱动热源的品位越高）、与越接近，则越大；反之，越小。

　　式(6)和式(9)给出一定热源条件下制冷机性能系数的最高值，。故它们是价实际制冷机性能系数的基准值。实际制冷机循环中的不可逆损失总是存在的，其性能系数COP恒小于相同热源条件下可逆机的性能系数COPc。用制冷循环效率评价实际制冷循环的热力学完善程度（与可逆循环的接近程度），又叫制冷循环的热力完善。定义
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (10)
或　　　　　　　　　　　　　　　　　（机械能或电能驱动的制冷机） (11a)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　（热能驱动的制冷机）　　　　(11b)
恒有　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (12)

　　越大，说明循环越好，热力学的不可逆损失越小；反之，越小，则说明循环中热力学不可逆损失越大。

　　性能系数COP和热力完善度都是反映制冷循环经济性的指标。但二者的含义不同，COP反映制冷循环中收益能与补偿能在数量上的比值。不涉及二者的能量品位。COP的数值可能大于1、小于1或等于1。COP的大小，对于实际制冷机来说，与工作温度、制冷剂性质和制冷机各组成部件的效率有关；对于理想（可逆）制冷机来说，只与热源温度有关。所以用COP值的大小来比较两台实际制冷机的循环经济性时，必须是同类制冷机，并以相同热源条件为前提才具有可比性。而则反映制冷机循环臻于热力学完善（可逆循环）的程度。用作评价指标，使任意两台制冷机在循环的热力学经济性方面具有可比性，无论它们是否同类机，也无论它们的热源条件相同或是不同。