淺析工況變化對制冷系數(shù)的影響

全球資源緊缺和能源危機(jī)愈演愈烈，如何通過提高制冷設(shè)備的制冷系數(shù)來節(jié)約能源，是擺在整個制冷空調(diào)產(chǎn)業(yè)面前的一個重要任務(wù)。本文從提高制冷系數(shù)的角度出發(fā)，綜合分析了通過改變單級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的運行工況來提高制冷系數(shù)的方案，以期為相關(guān)研究提供參考。

一、蒸汽壓縮式制冷循環(huán)原理

分析工況變化對制冷系數(shù)的影響，應(yīng)以制冷循環(huán)原理為基礎(chǔ)。現(xiàn)以單級蒸汽壓縮式制冷理論循環(huán)為例，通過壓焓圖（本文都以R22為例）分析其理論循環(huán)的4個過程（如圖1）。

1.蒸發(fā)過程

4→1為低溫低壓的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中定溫t0、定壓p0吸熱沸騰汽化的過程。空調(diào)工況規(guī)定：R22的蒸發(fā)溫度為5℃。

2.定熵壓縮過程

1→2為壓縮機(jī)的干壓縮過程。假定壓縮過程是定熵的，即壓縮機(jī)的入口和出口處蒸汽的狀態(tài)點1和2位于同一條等熵線上（s2=s1）。蒸汽經(jīng)壓縮后，壓力由p0升至PK，溫度由t1升至壓縮機(jī)排氣溫度t2。由圖1可見，t2＞tk，壓縮機(jī)出口處蒸汽是過熱蒸汽。根據(jù)壓焓圖及能量守恒，制冷壓縮機(jī)的單位壓縮功等于制冷劑在壓縮機(jī)的出口與進(jìn)口焓值之差，即wc=h２–h１。

3.冷卻冷凝過程

壓縮機(jī)排出的過熱蒸汽進(jìn)入冷凝器后不能立即冷凝，而是先經(jīng)2→a的定壓（pk）冷卻過程，至點a溫度降到tk，才能開始冷凝。a→3為制冷劑蒸汽的定溫定壓放熱冷凝液化過程，濕蒸汽的干度逐漸減小，至點3完全液化為制冷劑飽和液。空調(diào)工況規(guī)定：R22的冷凝溫度為40℃。

4.絕熱節(jié)流過程

3→4為液態(tài)的制冷劑經(jīng)節(jié)流裝置的絕熱節(jié)流過程。由于絕熱節(jié)流前后制冷劑的焓相等，因此節(jié)流裝置入口與出口處制冷劑的狀態(tài)點3和4位于同一條等焓線上（h3=h4）。經(jīng)節(jié)流后，制冷劑的壓力和溫度由pk、tk降至p0、t0，然后再進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)，得以循環(huán)制冷，實現(xiàn)單級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)。在制冷理論循環(huán)中，制冷劑在節(jié)流前沒有過冷。

5.單級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)相關(guān)概念

（1）理論上將每千克制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收的熱量作為單位質(zhì)量制冷量：q0=h1–h4。

（2）理論上假定壓縮機(jī)做定熵壓縮，單位壓縮功：wc=h２–h１。

（3）理論制冷系數(shù)：ε=q0／wc。

二、工況變化對制冷系數(shù)的影響及提高制冷系數(shù)的可行方案

由制冷理論循環(huán)的壓焓圖及制冷系數(shù)的計算公式：ε=q0／wc，得出制冷系數(shù)受制冷壓縮機(jī)的實際運行工況——蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過冷溫度等的影響，現(xiàn)從這三方面進(jìn)行分析。

1.蒸發(fā)溫度的影響

如圖2所示，比較兩個單級壓縮理論循環(huán)1－2－3－4－1和1′－2′－3′－4′－1′。這兩個循環(huán)的冷凝溫度tk相同，它們的蒸發(fā)溫度、單位質(zhì)量制冷量和單位壓縮功分別為t0、q0、wc和t0′、q0′、wc′。由圖2可見，t0′＞t0、q0′＞q0、wc′＜wc，因而ε′=q0′／wc′＞ε=q0／wc。這表明提高蒸發(fā)溫度可提高制冷系數(shù)。

（1）現(xiàn)狀分析?？照{(diào)在空調(diào)工況下工作，即冷凝溫度40℃、蒸發(fā)溫度5℃，通過壓焓圖計算得理論制冷系數(shù)為5.7。

（2）改進(jìn)方案及效果。保持冷凝溫度40℃不變，蒸發(fā)溫度提高至8.5℃，經(jīng)計算理論制冷系數(shù)可達(dá)6.3，同比升高10.5%。本方案適用于車間、工廠、網(wǎng)吧等。目前電子廠普遍使用13.5℃的冷凍水，但它是通過二次換熱得來的，換熱過程中有冷量損失，顯然不經(jīng)濟(jì)。如果通過提高蒸發(fā)溫度直接提供13.5℃的冷凍水（8.5℃的蒸發(fā)溫度，取5℃的傳熱溫差就可直接獲得13.5℃的冷凍水），不僅可以提高制冷系數(shù)，還簡化了冷水系統(tǒng)，節(jié)省了二次換熱的相關(guān)設(shè)備(主要是板式換熱器)。

（3）注意事項。在滿足制冷要求的前提下，應(yīng)盡可能采用較高的蒸發(fā)溫度。提高蒸發(fā)溫度不僅可以提高制冷系數(shù)，還可減少或避免冷凝水的產(chǎn)生，為電子廠消除隱患。

2.冷凝溫度的影響

如圖3所示，比較兩個單級壓縮理論循環(huán)1－2－3－4－1和1′－2′－3′－4′－1′。這兩個循環(huán)的蒸發(fā)溫度t0相同，它們的冷凝溫度、單位質(zhì)量制冷量和單位壓縮功分別為tk、q0、wc和tk′、q0′、wc′表示。由圖可見，tk′＜tk、q0′＞q0、wc′＜wc，因而ε′=q0′／wc′＞ε=q0／wc。這表明降低冷凝溫度可提高制冷系數(shù)。

（1）現(xiàn)狀分析。如上所述空調(diào)在空調(diào)工況下工作，理論制冷系數(shù)為5.7。

（2）改進(jìn)方案。①用空調(diào)冷凝水降低冷凝溫度（此方案適用于風(fēng)冷式翅片盤管冷凝器）。即在空調(diào)冷凝器翅片上方設(shè)置布水器，用微型水泵（如天花機(jī)水泵）將水抽至布水器，再均勻地從翅片自上而下噴淋，對風(fēng)冷式冷凝器采用風(fēng)冷水冷相結(jié)合散熱，達(dá)到降低冷凝溫度的目的。②用深井水降低冷凝溫度，僅適用于可開采深井水的地區(qū)（主要是郊區(qū)）。③通過改進(jìn)冷卻水系統(tǒng)來降低冷凝溫度。目前市場上普遍使用的冷卻水系統(tǒng)如圖4所示，改進(jìn)后的冷卻水系統(tǒng)如圖5所示（需添加1個膨脹水箱、1個水泵及1個電子除垢儀）。兩種冷卻方式相比較，改進(jìn)后用來直接冷卻冷凝器的水系統(tǒng)不易結(jié)水垢或結(jié)水垢少，冷凝溫度不會隨著水垢的增加而上升，冷凝溫度較低。改進(jìn)后的水系統(tǒng)也不需用清洗冷凝器水垢，節(jié)約了維護(hù)保養(yǎng)成本。

（3）改進(jìn)效果。保持蒸發(fā)溫度5℃不變，冷凝溫度降低至35℃，經(jīng)計算理論制冷系數(shù)可提高到7.4，同比升高30%，可大幅度節(jié)省能源。

3.過冷的影響

如圖6所示，比較兩個單級壓縮理論循環(huán)1－2－3－4－1和1′－2′－3′－4′－1′，蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和單位壓縮功都相同，但后者冷凝節(jié)流前具有一定的過冷度。由圖6可見，因為冷凝液過冷，在不提高單位壓縮功的情況下（wc′＝wc），卻增大了單位質(zhì)量制冷量（q0′＞q0），因而制冷系數(shù)提高了（ε′＞ε）。

（1）現(xiàn)狀分析?，F(xiàn)在市場上的家用空調(diào)器基本無過冷過程，制冷系數(shù)相對較低。

（2）改進(jìn)方案。用冷凝水、深井水（如圖4）對節(jié)流前的制冷劑過冷，以提高制冷系數(shù)。

（3）效果分析。保持蒸發(fā)溫度5℃、冷凝溫度40℃不變，節(jié)流前過冷5℃，經(jīng)計算理論制冷系數(shù)將提高至6.0，上升了5.3%。

三、結(jié)論

提高蒸發(fā)溫度和改變冷卻水系統(tǒng)這兩種方案可操作性強(qiáng)，而且制冷系數(shù)提高幅度較大。在實際應(yīng)用中，我們也可根據(jù)不同的工作環(huán)境與條件，選擇地一種或多種方案來提高制冷系數(shù)，以達(dá)到更大程度地節(jié)約能源的目的。

（作者單位：廣東省機(jī)械技師學(xué)院）