芻議蒸汽壓縮式制冷技術

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

關鍵詞：制冷;蒸汽壓縮式制冷壓;逆卡諾循環

引言

隨著技術現代化的發展以及人民生活水平的不斷提高，制冷技術已經幾乎滲透到各個生產技術、科學研究領域，并在改善人類的生活質量方面發揮著巨大作用。可以說，現代技術進步離開了制冷技術發展是不可想象的。

一、壓縮式制冷技術

壓縮式冷循環是目前技術最成熟，應用最廣泛的傳統技術。理論上，最簡單的壓縮式制冷循環系統由：蒸發器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥四大部件組成，從蒸發器出來的氨的低溫低壓蒸氣被吸入壓縮機內，壓縮成高壓高溫的過熱蒸氣，然后進入冷凝器。由于高壓高溫過熱氨氣的溫度高于其環境介質的溫度，且其壓力使氨氣能在常溫下冷凝成液體狀態，因而排至冷凝器時，經冷卻、冷凝成高壓常溫的氨液。高壓常溫的氨液通過膨脹閥時，因節流而降壓，在壓力降低的同時，氨液因沸騰蒸發吸熱使其本身的溫度也相應下降，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器吸熱蒸發，即可使其周圍空氣及物料的溫度下降而達到制冷的目的。從蒸發器出來的低壓低溫氨氣重新進入壓縮機，從而完成一個制冷循環。然后重復上述過程。

二、蒸汽壓縮式制冷技術

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

工質在蒸發器內與被冷卻對象發生熱量交換，吸收被冷卻對象的熱量并汽化，產生的低壓蒸汽被壓縮機吸入，經壓縮后以高壓排出。壓縮過程需要消耗能量。壓縮機排出的高溫高壓氣態工質在冷凝器被常溫冷卻介質（水或空氣）冷卻，凝結成高壓液體。高壓液體經膨脹閥時節流，變成低壓，低溫濕蒸汽，進入蒸發器，其中的低壓液體在蒸發器中再次汽化制冷，如此周而復始。

據所用制冷劑的熱力性質，創造一定的壓力條件，就可以在一定范圍內獲得所要求的低溫。要實現制冷循環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，對制冷劑的狀態進行循環變化，從而使用冷場合獲得連續和穩定的冷量及低溫。在制冷循環中，制冷劑經歷了汽化、壓縮、冷凝、節流膨脹等狀態變化過程。為了分析，比較和計算制冷循環的性能，必須知道制冷劑的狀態參數變化規律。

三、逆卡諾循環分析

逆卡諾循環是使工質（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。逆向循環是一種消耗功的循環，制冷循環就是按逆向循環進行的，在溫—熵或壓—焓圖上，循環的各個過程都是依次按逆時針方向變化的。逆卡諾循環示意圖如下：

1、實現逆卡諾循環必須具備的條件：

（1）高、低溫熱源溫度恒定;

（2）工質在冷凝器和蒸發器中與外界熱源之間無傳熱溫差;

（3）工質流經各個設備時無內部不可逆損失;

（4）作為實現逆卡諾循環的必要設備是壓縮機、冷凝器、膨脹機和蒸發器。

逆卡諾循環是可逆的理想制冷循環，它不考慮工質在流動和狀態變化過程中的內部和外部不可逆損失。雖然逆卡諾循環無法實現，但是通過該循環的分析所得出的結論對實際制冷 循環具有重要的指導意義。

2、制冷系數ε

制冷循環常用制冷系數 ε 表示它的循環經濟性能，制冷系數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1 kg的工質消耗功

對于逆卡諾循環而言：

ε_C=T₀/（T_k- T₀）

T₀：蒸發溫度;T_k：冷凝溫度

從公式可知，逆卡諾循環的制冷系數僅與高、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、低溫熱源區間，逆卡諾循環的制冷系數最大，在該溫度區間進行的其它各種制冷循 環的制冷系數均小于逆卡諾循環制冷系數。所以，逆卡諾循環制冷系數可用來評價其它制冷循環的熱力完善度。

四、理論循環及熱力計算

1、理論制冷循環不同于逆卡諾循環之處是：

（1）制冷劑在冷凝器和蒸發器中按等壓過程循環，而且具有傳熱溫差;

（2）制冷劑用膨脹閥絕熱節流，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流損失：不但增加了制冷循環的耗功量，還損失了制冷量。這兩部分損失必然使制冷系數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流損失導致后果：膨脹閥的節流是不可逆過程，節流前、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，制冷系數下降，其降低的程度稱為節流損失。節流損失的大小與下列因素有關：與冷凝溫度和蒸發溫度差有關，節流損失隨其增加而增大;與制冷劑的物性有關，一般節流損失大的制冷劑，過熱損失就小;與冷凝壓力有關，冷凝壓力P_k越接近臨界壓力P_kr節流損失越大。

（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。另外，可在蒸發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進行。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器中的單位質量制冷量：q₀= h₁-h₄[kJ/kg]

壓縮機的單位質量絕熱壓縮耗功量：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：ε= q₀/W

參考文獻：

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