刍议蒸汽压缩式制冷技术

摘要：随着科学技术的不断提高，社会经济的快速发展，人们的生活水平以及生活质量越来越高，对各方面的技术要求也在日益提高。制冷技术是为了适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的。制冷技术是使某一空间或物体的温度降到低于周围环境温度，并保持在规定低温状态的一门科学技术，它随着人们对低温条件的要求和社会生产力的提高而不断发展。本文重点介绍蒸汽压缩式制冷的工作原理及几种形式。

关键词：制冷;蒸汽压缩式制冷压;逆卡诺循环

引言

随着技术现代化的发展以及人民生活水平的不断提高，制冷技术已经几乎渗透到各个生产技术、科学研究领域，并在改善人类的生活质量方面发挥着巨大作用。可以说，现代技术进步离开了制冷技术发展是不可想象的。

一、压缩式制冷技术

压缩式冷循环是目前技术最成熟，应用最广泛的传统技术。理论上，最简单的压缩式制冷循环系统由：蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四大部件组成，从蒸发器出来的氨的低温低压蒸气被吸入压缩机内，压缩成高压高温的过热蒸气，然后进入冷凝器。由于高压高温过热氨气的温度高于其环境介质的温度，且其压力使氨气能在常温下冷凝成液体状态，因而排至冷凝器时，经冷却、冷凝成高压常温的氨液。高压常温的氨液通过膨胀阀时，因节流而降压，在压力降低的同时，氨液因沸腾蒸发吸热使其本身的温度也相应下降，从而变成了低压低温的氨液。把这种低压低温的氨液引入蒸发器吸热蒸发，即可使其周围空气及物料的温度下降而达到制冷的目的。从蒸发器出来的低压低温氨气重新进入压缩机，从而完成一个制冷循环。然后重复上述过程。

二、蒸汽压缩式制冷技术

蒸汽压缩式制冷系统由压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器组成，用管道将其连成一个封闭的系统。如下图

工质在蒸发器内与被冷却对象发生热量交换，吸收被冷却对象的热量并汽化，产生的低压蒸汽被压缩机吸入，经压缩后以高压排出。压缩过程需要消耗能量。压缩机排出的高温高压气态工质在冷凝器被常温冷却介质（水或空气）冷却，凝结成高压液体。高压液体经膨胀阀时节流，变成低压，低温湿蒸汽，进入蒸发器，其中的低压液体在蒸发器中再次汽化制冷，如此周而复始。

据所用制冷剂的热力性质，创造一定的压力条件，就可以在一定范围内获得所要求的低温。要实现制冷循环必须要有一定的设备，而且要以消耗能量作为补偿。蒸汽压缩式制冷循环就是用压缩机等设备，以消耗机械功作为补偿，对制冷剂的状态进行循环变化，从而使用冷场合获得连续和稳定的冷量及低温。在制冷循环中，制冷剂经历了汽化、压缩、冷凝、节流膨胀等状态变化过程。为了分析，比较和计算制冷循环的性能，必须知道制冷剂的状态参数变化规律。

三、逆卡诺循环分析

逆卡诺循环是使工质（制冷剂）在吸收低温热源的热量后通过制冷装置，并以外功作补偿，然后流向高温热源。逆向循环是一种消耗功的循环，制冷循环就是按逆向循环进行的，在温—熵或压—焓图上，循环的各个过程都是依次按逆时针方向变化的。逆卡诺循环示意图如下：

1、实现逆卡诺循环必须具备的条件：

（1）高、低温热源温度恒定;

（2）工质在冷凝器和蒸发器中与外界热源之间无传热温差;

（3）工质流经各个设备时无内部不可逆损失;

（4）作为实现逆卡诺循环的必要设备是压缩机、冷凝器、膨胀机和蒸发器。

逆卡诺循环是可逆的理想制冷循环，它不考虑工质在流动和状态变化过程中的内部和外部不可逆损失。虽然逆卡诺循环无法实现，但是通过该循环的分析所得出的结论对实际制冷 循环具有重要的指导意义。

2、制冷系数ε

制冷循环常用制冷系数 ε 表示它的循环经济性能，制冷系数等于单位耗功量所制得的冷量。

ε=q/∑W

q：1kg 制冷剂在T₀温度下从被冷却物体吸收热量q（kJ/kg）

W：循环1 kg的工质消耗功

对于逆卡诺循环而言：

ε_C=T₀/（T_k- T₀）

T₀：蒸发温度;T_k：冷凝温度

从公式可知，逆卡诺循环的制冷系数仅与高、低温热源温度有关，而与制冷剂的热物理性能无关。由于逆卡诺循环不考虑各种损失，而且压缩机利用了膨胀机对外输出的功，因此，在恒定的高、低温热源区间，逆卡诺循环的制冷系数最大，在该温度区间进行的其它各种制冷循 环的制冷系数均小于逆卡诺循环制冷系数。所以，逆卡诺循环制冷系数可用来评价其它制冷循环的热力完善度。

四、理论循环及热力计算

1、理论制冷循环不同于逆卡诺循环之处是：

（1）制冷剂在冷凝器和蒸发器中按等压过程循环，而且具有传热温差;

（2）制冷剂用膨胀阀绝热节流，而不是用膨胀机绝热膨胀;

（3）压缩机吸入饱和蒸汽而不是湿蒸汽。

用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失：不但增加了制冷循环的耗功量，还损失了制冷量。这两部分损失必然使制冷系数和热力完善度有所下降。

2、用干压缩代替湿压缩后的过热损失包括：

（1）用膨胀阀代替膨胀机后的节流损失导致后果：膨胀阀的节流是不可逆过程，节流前、后焓值不变;制冷剂干度增加，液体含量减少，制冷量减少，消耗功上升，制冷系数下降，其降低的程度称为节流损失。节流损失的大小与下列因素有关：与冷凝温度和蒸发温度差有关，节流损失随其增加而增大;与制冷剂的物性有关，一般节流损失大的制冷剂，过热损失就小;与冷凝压力有关，冷凝压力P_k越接近临界压力P_kr节流损失越大。

（2）用干压缩代替湿压缩后的饱和损失

在制冷压缩机的实际运行中，若吸入湿蒸汽，会引起液击，并占有气缸容积，使吸气量减少，制冷量下降。过多的液体进入压缩机气缸后，很

难全部汽化，这时，既破坏了压缩机的润滑，又会造成液击，使压缩机遭到破坏。因此，蒸汽压缩式制冷装置在实际运行中严禁发生湿压缩，要求进入压缩机的制冷剂为干饱和蒸汽或过热蒸汽，干压缩式制冷机正常工作的一个重要标注。另外，可在蒸发器出口增设一个液体分离器。分离器上部的干饱和蒸汽被压缩机吸走，保证干压缩，进入压缩机的制冷剂状态点位于饱和蒸汽线上。制冷剂的绝热压缩过程在过热蒸汽区进行。因此，制冷剂在冷凝器中并非定温过程，而是定压过程。

3、热力计算

热力计算制冷剂在蒸发器中的单位质量制冷量：q₀= h₁-h₄[kJ/kg]

压缩机的单位质量绝热压缩耗功量：W=h₂- h₁[kJ/kg]

制冷剂单位容积制冷量：Qv=q₀/V[kJ/m³]

理论制冷系数：ε= q₀/W

参考文献：

[1]刘锡林;董赫伦;李克斌.基于蒸气压缩式制冷循环的分析[J].河南科技，2014-07-25

[2]唐鹏武.过冷蒸发型吸收—压缩复合制冷循环的理论与实验研究[D].浙江大学，2012-01-01