芻議蒸汽壓縮式制冷技術(shù)

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平以及生活質(zhì)量越來越高，對各方面的技術(shù)要求也在日益提高。制冷技術(shù)是為了適應(yīng)人們對低溫條件的需要而產(chǎn)生和發(fā)展起來的。制冷技術(shù)是使某一空間或物體的溫度降到低于周圍環(huán)境溫度，并保持在規(guī)定低溫狀態(tài)的一門科學(xué)技術(shù)，它隨著人們對低溫條件的要求和社會生產(chǎn)力的提高而不斷發(fā)展。本文重點介紹蒸汽壓縮式制冷的工作原理及幾種形式。

關(guān)鍵詞：制冷;蒸汽壓縮式制冷壓;逆卡諾循環(huán)

引言

隨著技術(shù)現(xiàn)代化的發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，制冷技術(shù)已經(jīng)幾乎滲透到各個生產(chǎn)技術(shù)、科學(xué)研究領(lǐng)域，并在改善人類的生活質(zhì)量方面發(fā)揮著巨大作用。可以說，現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)步離開了制冷技術(shù)發(fā)展是不可想象的。

一、壓縮式制冷技術(shù)

壓縮式冷循環(huán)是目前技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)技術(shù)。理論上，最簡單的壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)由：蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥四大部件組成，從蒸發(fā)器出來的氨的低溫低壓蒸氣被吸入壓縮機(jī)內(nèi)，壓縮成高壓高溫的過熱蒸氣，然后進(jìn)入冷凝器。由于高壓高溫過熱氨氣的溫度高于其環(huán)境介質(zhì)的溫度，且其壓力使氨氣能在常溫下冷凝成液體狀態(tài)，因而排至冷凝器時，經(jīng)冷卻、冷凝成高壓常溫的氨液。高壓常溫的氨液通過膨脹閥時，因節(jié)流而降壓，在壓力降低的同時，氨液因沸騰蒸發(fā)吸熱使其本身的溫度也相應(yīng)下降，從而變成了低壓低溫的氨液。把這種低壓低溫的氨液引入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)，即可使其周圍空氣及物料的溫度下降而達(dá)到制冷的目的。從蒸發(fā)器出來的低壓低溫氨氣重新進(jìn)入壓縮機(jī)，從而完成一個制冷循環(huán)。然后重復(fù)上述過程。

二、蒸汽壓縮式制冷技術(shù)

蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)，冷凝器，膨脹閥，蒸發(fā)器組成，用管道將其連成一個封閉的系統(tǒng)。如下圖

工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)與被冷卻對象發(fā)生熱量交換，吸收被冷卻對象的熱量并汽化，產(chǎn)生的低壓蒸汽被壓縮機(jī)吸入，經(jīng)壓縮后以高壓排出。壓縮過程需要消耗能量。壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)在冷凝器被常溫冷卻介質(zhì)（水或空氣）冷卻，凝結(jié)成高壓液體。高壓液體經(jīng)膨脹閥時節(jié)流，變成低壓，低溫濕蒸汽，進(jìn)入蒸發(fā)器，其中的低壓液體在蒸發(fā)器中再次汽化制冷，如此周而復(fù)始。

據(jù)所用制冷劑的熱力性質(zhì)，創(chuàng)造一定的壓力條件，就可以在一定范圍內(nèi)獲得所要求的低溫。要實現(xiàn)制冷循環(huán)必須要有一定的設(shè)備，而且要以消耗能量作為補償。蒸汽壓縮式制冷循環(huán)就是用壓縮機(jī)等設(shè)備，以消耗機(jī)械功作為補償，對制冷劑的狀態(tài)進(jìn)行循環(huán)變化，從而使用冷場合獲得連續(xù)和穩(wěn)定的冷量及低溫。在制冷循環(huán)中，制冷劑經(jīng)歷了汽化、壓縮、冷凝、節(jié)流膨脹等狀態(tài)變化過程。為了分析，比較和計算制冷循環(huán)的性能，必須知道制冷劑的狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律。

三、逆卡諾循環(huán)分析

逆卡諾循環(huán)是使工質(zhì)（制冷劑）在吸收低溫?zé)嵩吹臒崃亢笸ㄟ^制冷裝置，并以外功作補償，然后流向高溫?zé)嵩?。逆向循環(huán)是一種消耗功的循環(huán)，制冷循環(huán)就是按逆向循環(huán)進(jìn)行的，在溫—熵或壓—焓圖上，循環(huán)的各個過程都是依次按逆時針方向變化的。逆卡諾循環(huán)示意圖如下：

1、實現(xiàn)逆卡諾循環(huán)必須具備的條件：

（1）高、低溫?zé)嵩礈囟群愣?

（2）工質(zhì)在冷凝器和蒸發(fā)器中與外界熱源之間無傳熱溫差;

（3）工質(zhì)流經(jīng)各個設(shè)備時無內(nèi)部不可逆損失;

（4）作為實現(xiàn)逆卡諾循環(huán)的必要設(shè)備是壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹機(jī)和蒸發(fā)器。

逆卡諾循環(huán)是可逆的理想制冷循環(huán)，它不考慮工質(zhì)在流動和狀態(tài)變化過程中的內(nèi)部和外部不可逆損失。雖然逆卡諾循環(huán)無法實現(xiàn)，但是通過該循環(huán)的分析所得出的結(jié)論對實際制冷 循環(huán)具有重要的指導(dǎo)意義。

2、制冷系數(shù)ε

制冷循環(huán)常用制冷系數(shù) ε 表示它的循環(huán)經(jīng)濟(jì)性能，制冷系數(shù)等于單位耗功量所制得的冷量。

ε=q/∑W

q：1kg 制冷劑在T₀溫度下從被冷卻物體吸收熱量q（kJ/kg）

W：循環(huán)1 kg的工質(zhì)消耗功

對于逆卡諾循環(huán)而言：

ε_C=T₀/（T_k- T₀）

T₀：蒸發(fā)溫度;T_k：冷凝溫度

從公式可知，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅與高、低溫?zé)嵩礈囟扔嘘P(guān)，而與制冷劑的熱物理性能無關(guān)。由于逆卡諾循環(huán)不考慮各種損失，而且壓縮機(jī)利用了膨脹機(jī)對外輸出的功，因此，在恒定的高、低溫?zé)嵩磪^(qū)間，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)最大，在該溫度區(qū)間進(jìn)行的其它各種制冷循 環(huán)的制冷系數(shù)均小于逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)。所以，逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)可用來評價其它制冷循環(huán)的熱力完善度。

四、理論循環(huán)及熱力計算

1、理論制冷循環(huán)不同于逆卡諾循環(huán)之處是：

（1）制冷劑在冷凝器和蒸發(fā)器中按等壓過程循環(huán)，而且具有傳熱溫差;

（2）制冷劑用膨脹閥絕熱節(jié)流，而不是用膨脹機(jī)絕熱膨脹;

（3）壓縮機(jī)吸入飽和蒸汽而不是濕蒸汽。

用膨脹閥代替膨脹機(jī)后的節(jié)流損失：不但增加了制冷循環(huán)的耗功量，還損失了制冷量。這兩部分損失必然使制冷系數(shù)和熱力完善度有所下降。

2、用干壓縮代替濕壓縮后的過熱損失包括：

（1）用膨脹閥代替膨脹機(jī)后的節(jié)流損失導(dǎo)致后果：膨脹閥的節(jié)流是不可逆過程，節(jié)流前、后焓值不變;制冷劑干度增加，液體含量減少，制冷量減少，消耗功上升，制冷系數(shù)下降，其降低的程度稱為節(jié)流損失。節(jié)流損失的大小與下列因素有關(guān)：與冷凝溫度和蒸發(fā)溫度差有關(guān)，節(jié)流損失隨其增加而增大;與制冷劑的物性有關(guān)，一般節(jié)流損失大的制冷劑，過熱損失就小;與冷凝壓力有關(guān)，冷凝壓力P_k越接近臨界壓力P_kr節(jié)流損失越大。

（2）用干壓縮代替濕壓縮后的飽和損失

在制冷壓縮機(jī)的實際運行中，若吸入濕蒸汽，會引起液擊，并占有氣缸容積，使吸氣量減少，制冷量下降。過多的液體進(jìn)入壓縮機(jī)氣缸后，很

難全部汽化，這時，既破壞了壓縮機(jī)的潤滑，又會造成液擊，使壓縮機(jī)遭到破壞。因此，蒸汽壓縮式制冷裝置在實際運行中嚴(yán)禁發(fā)生濕壓縮，要求進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑為干飽和蒸汽或過熱蒸汽，干壓縮式制冷機(jī)正常工作的一個重要標(biāo)注。另外，可在蒸發(fā)器出口增設(shè)一個液體分離器。分離器上部的干飽和蒸汽被壓縮機(jī)吸走，保證干壓縮，進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑狀態(tài)點位于飽和蒸汽線上。制冷劑的絕熱壓縮過程在過熱蒸汽區(qū)進(jìn)行。因此，制冷劑在冷凝器中并非定溫過程，而是定壓過程。

3、熱力計算

熱力計算制冷劑在蒸發(fā)器中的單位質(zhì)量制冷量：q₀= h₁-h₄[kJ/kg]

壓縮機(jī)的單位質(zhì)量絕熱壓縮耗功量：W=h₂- h₁[kJ/kg]

制冷劑單位容積制冷量：Qv=q₀/V[kJ/m³]

理論制冷系數(shù)：ε= q₀/W

參考文獻(xiàn)：

[1]劉錫林;董赫倫;李克斌.基于蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的分析[J].河南科技，2014-07-25

[2]唐鵬武.過冷蒸發(fā)型吸收—壓縮復(fù)合制冷循環(huán)的理論與實驗研究[D].浙江大學(xué)，2012-01-01