仍属于第4章

c）冰箱和热泵

在制冷技术的早期，常用的两种制冷剂是氨和二氧化碳。两者都存在问题 - 氨是有毒的，二氧化碳需要极高的压力（大约30到200个大气压！）才能在制冷循环中运行，而且由于它在跨临界循环中运行，因此压缩机出口温度极高（约160°C） ）。当出现氟利昂12（二氯 - 二氟甲烷）时 ，就完全取代了氨和二氧化碳，作为首选制冷剂。它是一种非常稳定，无毒的液体，不与压缩机润滑剂相互作用，并且在总是略高于大气压的压力下运行，因此如果发生任何泄漏，空气不会泄漏到系统中，因此可以在没有压力的情况下进行充气和抽真空。

不幸的是，当制冷剂最终泄漏并进入臭氧层时，紫外线辐射会破坏分子，释放高活性氯自由基，这会消耗臭氧层。因此，氟里昂12已被禁止在全球范围内使用，并且基本上被无氯R134a（四氟乙烷） 取代- 它不如氟利昂12稳定，但对臭氧层无破坏特性。

然而，最近，国际科学共识是全球变暖是由人类能源相关活动引起的，并且各种人造物质是基于全球变暖潜能值 （GWP）并参考二氧化碳（GWP = 1）来定义的。已经发现R134a的GWP为1300，而在欧洲，在几年内，汽车空调系统将被禁止使用R134a作为制冷剂。

新的热门话题又回到以二氧化碳（R744）作为制冷剂（例如参见网站：R744.com）。事实上，发现高压和高压缩机温度的前两个主要问题是有利的。非常高的循环压力导致整个循环中的高流体密度，允许系统小型化以获得相同的热泵功率要求。此外，高出口温度将允许汽车挡风玻璃的即时除霜（我们不必等到汽车发动机升温）并且可以用于家庭使用的组合空间加热和热水加热（例如参考以下网站） ：treehugger，零能源项目和energy.gov）
在本章中，我们将介绍使用制冷剂R134a的蒸汽压缩制冷循环，并将二氧化碳循环的覆盖范围推迟到第9章。

基本的R134a蒸汽压缩制冷系统

与蒸汽发电厂的情况不同，通常的做法是首先在Ph 图上绘制循环，开始制冷和热泵系统的设计和分析。
以下示意图显示了具有典型特性值的基本制冷或热泵系统。由于没有提供制冷剂的质量流量，因此整个分析是根据比能量值进行的。请注意，同样的系统可以用于冰箱或空调，其中蒸发器吸收的热量（蒸发量）是所需的输出，或者用于热泵，其中冷凝器中的热量被排出（q cond））是期望的输出。
 


在这个例子中，我们希望评估以下内容：
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蒸发器吸收的热量（q 蒸发量）[kJ / kg]
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冷凝器排出的热量（q cond）[kJ / kg]
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驱动压缩机的功（w comp）[kJ / kg]
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系统的性能系数（COP），无论是作为冰箱还是作为热泵。
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与蒸汽发电厂一样，我们发现我们可以独立于所有其他组件单独解决该系统的每个组件，始终使用相同的方法和相同的基本方程。我们首先使用上面示意图中给出的信息来绘制Ph上的四个过程（1） - （2） - （3） - （4） - （1） 图。注意，进入和离开冷凝器的流体（状态（2）到状态（3））处于高压1MPa。流体在状态（4）以-20的饱和混合物进入蒸发器，并在状态（1）作为饱和蒸汽离开蒸发器。状态（2）由过热区域中的1MPa和70的交点给出。可以看出状态（3）在30的过冷液体区域，因为1MPa的饱和温度约为40。过程（3） - （4）是垂直线（h 3 = h 4），如下所述。
在下一节中，我们开发了使用R134a制冷剂表评估该实施例的解决方案的方法。请注意，制冷剂表不包括过冷区域，但由于该区域中的恒温线基本上是垂直的，因此我们使用该温度下的饱和液体焓值。
 


请注意Ph图表中我们如何通过比较压缩机（1） - （2）与蒸发器的焓差（4）来获得系统性能的即时视觉评价，特别是系统的性能系数。 ） - （1）在冰箱的情况下，或在冷凝器（2）的情况下 - （3）在热泵的情况下。
我们现在将每个组件视为一个单独的控制体积，并从压缩机开始应用能量方程。请注意，我们假设流体的动能和势能变化是可忽略的，并且压缩机是绝热的。入口和出口所需的焓值由R134a制冷剂表确定。
 


端口（2）处的高压过热制冷剂现在被引导至冷凝器，在冷凝器中从制冷剂中提取热量，使其到达端口（3）处的过冷液体区域。这在冷凝器的下图中显示：
 


节流阀只是一个绝热的膨胀阀，不起作用，但能够显着降低制冷剂的温度，如下图所示：
 


最后一个部件是蒸发器，它在低温下从周围环境中提取热量，使制冷剂液体和蒸汽混合物在工位（1）达到饱和蒸汽状态。
 


在确定性能系数时 - 对于冰箱或空调器，所需的输出是蒸发器吸收的热量，而对于热泵，所需的输出是冷凝器排出的热量，用于加热家庭。两种情况下所需的输入是在压缩机上完成的工作（即电费）。从而
COP R = q 蒸发 / w comp = 145 / 65.5 = 2.2
COP HP = q cond / w comp = 210 / 65.5 = 3.2
请注意，对于同一系统，我们总是发现COP HP = COP R + 1.
还要注意COP值通常大于1，这就是为什么它们永远不会被称为“效率”值的原因，它们始终具有最多100％。
因此，Ph 图是一种广泛使用且非常有用的工具，用于对冰箱或热泵系统进行近似评估。实际上，在NCEES提供的用于工程基础考试的官方参考手册中，只有R134a 的Ph 图表。如上图所示，您应该基于在该图上绘制周期来回答关于该主题的所有问题。

问题4.7 - 带有Sunpower线性压缩机的家用冰箱

背景 - 令人印象深刻的雅典研发公司Sunpower，Inc由William Beale于1974年成立，主要基于他发明的自由活塞式斯特林发动机。自由活塞配置使Sunpower多年来能够开发出国际公认的直线电机和发电机专业技术，其中一个副产品是用于制冷应用的无油线性压缩机。
以下图纸是Sunpower的一篇论文（参见可从Sunpower网站下载的线性压缩机的各种技术论文），并说明了常规机械曲柄压缩机机构和线性压缩机之间的显著差异：
 


线性压缩机的一些主要优点是：
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它是无油的 - 通过气缸壁上的气体轴承和活塞支撑机构提供过滤，该活塞支撑机构允许活塞的自由振动。这使得能够使用制冷剂，这些制冷剂在与油接触时会随着时间的推移而降低，并且提供极其安静的长寿命操作。
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可以控制振荡幅度和活塞的平均位置，从而允许制冷系统在部分负载条件下保持高的性能系数（COP）。由于冰箱是美国的主要能源用户之一（连续运行），因此对于相同性能而言，任何能源节约都是显着的。
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线性压缩机的一些照片
SunPower公司展出使用的可持续发展博览会，历时雅典露天场所于2001年10月14日，（见线性压缩机的第一个商用冷柜图片）。这是一款非常安静且非常令人印象深刻的机器，由LG电子在韩国制造。
 问题4.7 - 我们希望对家用的制冷系统进行初步的热力学评估，该制冷系统将使用带有制冷剂R134a的线性压缩机。请考虑以下系统流程图（注意：Sunpower线性压缩器的图片是在获得许可的情况下从Sunpower网站获取的，但是此图中显示的所有其他值都是教师为了本练习而进行的纯粹推测）：
 


请注意，未提供质量流量，因此所有能量解决方案应为特定量[kJ / kg]。使用上面原理图中提供的数据，我们首先绘制Ph图上的四个过程，如下所示：
 


使用R134a制冷剂属性表来评估所有四个站点的焓值，确定如下：
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确定在压缩机上完成的工作[ -54 kJ / kg ]。
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确定蒸发器吸收的热量[ 137 kJ / kg ]，冷凝器排出的热量[ -191 kJ / kg ]。
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确定冰箱（COP的性能系数[R ）（定义为在蒸发器通过在压缩机所做的功除以所吸收的热量-总是呈现为正值，即使完成工作瓦特 Ç 是负的）[ COP - [R = 2.53 ]。
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 内部热交换器增加 - 在之前的Sunpower之旅（2005年10月）中，负责线性压缩机开发的工程师（Robi Unger）告诉我们，制冷行业通常使用内部热交换器来冷却冷藏箱在冷凝器的出口处借助于离开蒸发器的出口，因此使用相同的部件获得更大的制冷能力。使用该信息，我们构建了一个新的系统流程图如下：
 


请注意，我们已经包含一个内部热交换器，用于将离开蒸发器的制冷剂（作为140kPa的饱和蒸汽）加热到20°C。我们选择了一个状态编号系统（1x，2x等），以便允许新系统绘制在与上面相同的Ph图上，从而能够定性地比较提供的性能的提高和改进。添加内部热交换器。我们首先将上述Ph图扩充如下：
 


为了确定3x状态下焓的新值，我们考虑热交换器中传递的热量，如下图所示：
 


再次注意，没有提供质量流量，因此所有能量解决方案应该是特定量[kJ / kg]。使用R134a制冷剂属性表来评估站点（1x），（2x），（3x）和（4x）的焓值，确定以下内容：
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确定在压缩机上完成的功 [ -63.7 kJ / kg ]。
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确定在内部热交换器中传递的热量，假设它是外部绝热的[ 32.2 kJ / kg ]，并且过冷液体的温度进入节流阀（3x）[ 13.4°C ]。
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确定蒸发器吸收的热量[ 169 kJ / kg ]，
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确定冷凝器排出的热量[ -235 kJ / kg ]。
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确定冰箱的性能系数（COP R）（定义为蒸发器吸收的热量除以压缩机上的功）[ COP R = 2.65 ]。
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最后，比较两个系统比较各自的性能并讨论结果。