制冷技術(shù)分析

李巧

摘要 制冷技術(shù)是為了適應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。制冷的方法很多，常見的有以下四種：液體氣化制冷，氣體膨脹制冷，渦流管制冷和熱電制冷。其中液體汽化制冷的應用最為廣泛，它是利用液體汽化時的吸熱效應而實現(xiàn)制冷的。蒸汽壓縮式，吸收式，蒸汽噴射式和吸附式制冷都屬于液體汽化制冷方式。本文重點介紹蒸汽壓縮式制冷的工作原理及幾種形式。

關鍵詞蒸汽壓縮式制冷壓-焓圖理想制冷循環(huán)制冷系數(shù)ε 絕熱膨脹

雙級蒸汽壓縮制冷循環(huán)

中圖分類號： TB6文獻標識碼： A

一、蒸汽壓縮式制冷的工作原理 蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機，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)。如下圖一

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，如此周而復始。

液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w,固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w,固體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w都要吸收潛熱。任何液體在沸騰過程中將要吸收熱量，液體的沸騰溫度（即飽和溫度）和吸熱量隨液體所處的壓力而變化，壓力越低，沸騰溫度也越低。而且不同液體的飽和壓力、沸騰溫度和吸熱量也各不相同。如下表一

例：在1 個大氣壓下

制冷工質(zhì) 沸點 (℃) 氣化潛熱 r (kJ / kg)

水 100 2256

R717(氨) -33.4 1368

R22 -40.8 375

據(jù)所用制冷液體（稱制冷劑）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)就是用壓縮機等設備，以消耗機械功作為補償，對制冷劑的狀態(tài)進行循環(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。對目前常用的制冷劑，這些狀態(tài)參數(shù)間的關系已經(jīng)制成各種圖和表來表示。

制冷劑的熱力性質(zhì)圖，常用的熱力性質(zhì)圖有溫熵（T-S）圖和壓焓（㏒p-h）圖，形式如下圖，圖中x=0為飽和液體線，x=1為飽和蒸汽線，兩線之間為濕蒸汽區(qū)，其中等干度線（x=0.1,x=0.2……）。

由于定壓過程的吸熱量，放熱量以及絕熱壓縮過程壓縮機的耗功量都可再㏒p-h圖上表示，利用過程初、終狀態(tài)的比焓差計算，因此㏒p-h圖在制冷循環(huán)的熱力計算上得到了廣泛的應用。由于制冷劑的熱力參數(shù)h、s等都是相對值，因此，在使用上述熱力性質(zhì)表及圖時，必須注意他們之間的h、s的基準點是否一致，對于基準點取值不同或單位制不一致的圖或表，最好不要混用，否則必須進行換算和修正。

二、 理想制冷循環(huán)—逆卡諾循環(huán)

卡諾循環(huán)分正卡諾循環(huán)和逆卡諾循環(huán)，均是由兩個定溫和兩個絕熱過程組成，他們是一個理想循環(huán)。研究蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的主要目的，是為了分析影響制冷循環(huán)的各種因素，尋求節(jié)省制冷能耗的途徑。 逆卡諾循環(huán)是使工質(zhì)（制冷劑）在吸收低溫熱源的熱量后通過制冷裝置，并以外功作補償，然后流向高溫熱源。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)設備示意圖

2.實現(xiàn)逆卡諾循環(huán)必須具備的條件：

（1）高、低溫熱源溫度恒定；

（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)的必要設備是壓縮機、冷凝器、膨脹機和蒸發(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)具有重要的指導意義。

3.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：

εc=T0/(Tk- T0)

T0:蒸發(fā)溫度; Tk:冷凝溫度

從公式可知，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅與高、低溫熱源溫度有關，而與制冷劑的熱物理性能無關。由于逆卡諾循環(huán)不考慮各種損失，而且壓縮機利用了膨脹機對外輸出的功，因此，在恒定的高、低溫熱源區(qū)間，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)最大，在該溫度區(qū)間進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。

三、蒸汽壓縮式制冷理論循環(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，而不是用膨脹機絕熱膨脹；

（3）壓縮機吸入飽和蒸汽而不是濕蒸汽。

用膨脹閥代替膨脹機后的節(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后的節(jié)流損失導致后果：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：與冷凝溫度和蒸發(fā)溫度差有關，節(jié)流損失隨其增加而增大；與制冷劑的物性有關，一般節(jié)流損失大的制冷劑，過熱損失就??；與冷凝壓力有關，冷凝壓力Pk越接近臨界壓力Pkr節(jié)流損失越大。

（2）用干壓縮代替濕壓縮后的飽和損失

原因:在制冷壓縮機的實際運行中，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。過多的液體進入壓縮機氣缸后，很難全部汽化，這時，既破壞了壓縮機的潤滑，又會造成液擊，使壓縮機遭到破壞。因此，蒸汽壓縮式制冷裝置在實際運行中嚴禁發(fā)生濕壓縮，要求進入壓縮機的制冷劑為干飽和蒸汽或過熱蒸汽，干壓縮式制冷機正常工作的一個重要標注。如何實現(xiàn)干壓縮，如下圖，可在蒸發(fā)器出口增設一個液體分離器。分離器上部的干飽和蒸汽被壓縮機吸走，保證干壓縮，進入壓縮機的制冷劑狀態(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)進行。因此，制冷劑在冷凝器中并非定溫過程，而是定壓過程。

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

3.蒸汽壓縮式制冷循環(huán)改善

為了使膨脹閥前液態(tài)制冷劑得到再冷卻，可以采用再冷卻器或回熱循環(huán)。

（1）設置再冷卻器對于同一種制冷劑，節(jié)流損失主要與節(jié)流前后的溫差（Tk- T0）有關，溫差越小，節(jié)流損失越小。一般可再冷凝器后增加一個再冷卻器，使冷卻水通過再冷卻器，然后進入冷凝器。再冷卻后可使液體制冷劑在冷凝壓力下被再冷至狀態(tài)點3′，圖中3-3′是高壓液體制冷劑在再冷卻器中的再冷過程，再冷卻所能達到的溫度Tr,稱為再冷溫度，冷凝溫度與再冷溫度之差△Tr稱為再冷度，這種帶有再冷的循環(huán)稱為再冷循環(huán)。

增加過冷可以使制冷系數(shù)提高：制冷劑R717每過冷1℃，制冷系數(shù)可提高0.46%；冷制冷劑R22每過冷1℃，制冷系數(shù)可提高0.85%。

（2）回熱循環(huán)為了使膨脹閥前液體的再冷度增加，進一步減少節(jié)流損失，同時又保證壓縮機吸氣有一定過熱度，可再在制冷系統(tǒng)中增設一個回熱器。回熱器的作用是使膨脹閥前的制冷劑液體與壓縮機吸入前的制冷劑蒸汽進行熱交換，使壓縮機吸入的蒸汽有一定的過熱度，由于過熱（過熱量△q）增加了壓縮機的耗功量(△w)。因此，回熱循環(huán)的制冷系數(shù)是否提高，視△q/△w的比值定。

下表示幾種常用制冷劑采用回熱循環(huán)后，制冷系數(shù)及排氣溫度的變化情況。

制冷劑 R717 R22 R502

制冷系數(shù)增減率% -4.18 -1.88 +3.02

排氣溫度變化 ℃ 140.3→102 84.7→53.5 66.5→37.3

由上表可看出采用，采用回熱循環(huán)后制冷系數(shù)不一定增加，制冷劑R22采用回熱循環(huán)后制冷系數(shù)降低不多但保證了干壓縮金額熱力膨脹閥的穩(wěn)定工作，所以實際中采用回熱循環(huán)。R502和R12適合采用回熱循環(huán)。R11和R717因為制冷系數(shù)降低很多不適合采用回熱循環(huán)。

四、雙級蒸汽壓縮制冷循環(huán)

對于活塞式制冷壓縮機單級制冷循環(huán)，在通常的環(huán)境下，一般只能制取

-25℃~-35℃以上的蒸發(fā)溫度。如果采用單級制冷循環(huán)制取較低的蒸發(fā)溫度，將會產(chǎn)生很多有害因素，如：

（1）壓縮機排氣溫度很高，不但加大了過熱損失，使制冷系數(shù)下降，而且會惡化潤滑油效果，影響壓縮機的使用壽命和正常運行。

（2）壓縮比(Pk/P0)增大，在正常環(huán)境溫度下，當蒸發(fā)溫度T0下降時，Pk/P0增加，壓縮機容積效率降低，實際吸氣量減少，制冷量下降，當壓縮比達到一定值時，活塞式制冷機此時已不能進行制冷。

（3）節(jié)流損失增加，制冷劑單位制冷量減少，消耗功加大，制冷系數(shù)下降。

（4）過低的蒸發(fā)溫度可能會使制冷系統(tǒng)的運行工況超過壓縮機標準規(guī)定的設計和使用條件，造成不允許的危險情況發(fā)生。如活塞式壓縮機（制冷劑R22）的壓縮比，大能大于6(高溫機)和16（低溫機）壓力差（Pk- P0）不能大于1.6MPa；螺桿式壓縮機（制冷劑R22）排氣溫度不能高于105℃，制冷劑R22當壓縮比≤10時，采用單級壓縮, 壓縮比>10時采用雙級壓縮；制冷劑R717當壓縮比≤8時，采用單級壓縮, 壓縮比>8時采用雙級壓縮。因此對于活塞式壓縮機，當T0低于-25~-35℃時，采用雙極制冷循環(huán)能使上述不利影響得到改善。對于螺桿式壓縮機，由于其具有良好的油冷卻裝置，排氣溫度比活塞式壓縮機低，允許的壓縮比和壓力差均較大。因此，一般螺桿式壓縮機單級制冷循環(huán)可制取-40℃左右的低溫（Tk 在40℃~45℃時）?？諝庠礋岜脵C組，其壓縮機至少要能在蒸發(fā)溫度為-15℃~+15℃（雙級壓縮可達-35℃）冷凝溫度≤65℃的條件下正常工作。

下圖是雙級壓縮制冷循環(huán)示意圖：

雙級壓縮制冷循環(huán)通常采用閃發(fā)蒸汽分離器（節(jié)能器）和中間冷卻器兩種形式。下面介紹帶有中間冷卻器的雙級壓縮制冷循環(huán)。該循環(huán)式把來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽，以串聯(lián)的兩臺壓縮機（有中間冷卻器）或者同一臺壓縮機的兩組氣缸“接力”式壓縮。每一級的壓縮比、排氣溫度等都符合壓縮機的使用條件，又可獲得較低的蒸發(fā)溫度T0，制冷系數(shù)比相同制冷能力的單級制冷循環(huán)大，因而比較經(jīng)濟。下面介紹常用的雙級壓縮制冷循環(huán)。

一次節(jié)流、完全中間冷卻的雙級壓縮制冷循環(huán)，所謂完全中間冷卻時指來自低壓級壓縮級的過熱蒸汽在中間冷卻器內(nèi)完全冷卻至飽和狀態(tài)如下圖：

由于氨制冷系統(tǒng)排氣溫度高，吸氣過熱不能大，因此這種循環(huán)形式廣泛應用于氨雙級制冷系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的特點是由于采用完全中間冷卻，可以減少過熱損失，因此，耗功量較單級少，制冷系數(shù)較單級大。中間壓力Pm=( Pk.P0)0.5

氨雙級壓縮的最佳中間溫度t佳=0.4 Tk+0.6T0+3 ℃

T0:蒸發(fā)溫度; Tk:冷凝溫度

壓縮比=Pk/P0 Pk:冷凝壓力 P0：蒸發(fā)壓力

當已知制冷量Q0，通過蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量Mr,則Mr= Q0/(h1-h8)

制冷循環(huán)壓縮機的理論總耗功率為Pth, Pth= Pth1+ Pth2

Pth1為低壓級壓縮機的理論耗功率（KW）

Pth2為高壓級壓縮機的理論耗功率（KW）

則理論制冷系數(shù)εth= Q0/ Pth

五、結(jié)論

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，制冷在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、建筑、科學等國民經(jīng)濟各個部門中的作用和地位日益重要。特別是人們對生活水平的要求提高，不同食品儲藏溫度不同，雙級壓縮可以滿足更低溫度要求，人們在任何季節(jié)都可以品嘗到新鮮的食物。農(nóng)牧業(yè)中，制冷用于對農(nóng)作物種子進行低溫處理；建造人工氣候育秧室。制冷在醫(yī)療衛(wèi)生方面和工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著日益重要的作用。總之通過本文的學習，對制冷系統(tǒng)原理有了全面認識，對如何提高制冷系數(shù)的措施有所了解。

參考文獻

吳業(yè)正制冷原理及設備 西安交通大學出版社

尉遲斌實用制冷與空調(diào)工程手冊機械工業(yè)出版社