三种常用制冷方式之比较

三种常用制冷方式之比较

论文作者：xwqzy

摘要：本文对热电式空调、蒸汽压缩式空调、吸收式空调三种典型的制冷系统进行了比较，阐述了这三种空调系统的基本循环过程及运行特性。从对这三种系统的比较中可以看出，蒸汽压缩式空调系统COP值高，运行费用少，但它所使用的制冷剂会破坏臭氧层,对环境存在着有害影响；吸收式空调系统利用热能为动力进行循环，电能耗费少，但它体积庞大，设备复杂，价格昂贵；热电式空调系统是一种新型环保型空调系统，它结构简单，运行平稳可靠，但它运行费用很高，且制冷量较小。

关键词：热电式空调蒸汽压缩式空调吸收式空调

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COP ir,c值比理想卡诺循环的COP carnot的值小，并且随着和的增大而减小。

从公式（1）可以看出：对COP ir,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LiB r－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COP R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，T a是空气温度，是冷却空间的温度，T s是热源温度，从公式（4）可以看出，

T a增大，COP增大；增大，COP增大；T s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。