空氣製冷技術論文

　　製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。下面是小編為大家精心推薦的，希望能夠對您有所幫助。

　　篇一

　　製冷技術分析

　　摘要 製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。製冷技術是使某一空間或物體的溫度降到低於周圍環境溫度，並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髮展。製冷的方法很多，常見的有以下四種：液體氣化製冷，氣體膨脹製冷，渦流管制冷和熱電製冷。其中液體汽化製冷的應用最為廣泛，它是利用液體汽化時的吸熱效應而實現製冷的。蒸汽壓縮式，吸收式，蒸汽噴射式和吸附式製冷都屬於液體汽化製冷方式。本文重點介紹蒸汽壓縮式製冷的工作原理及幾種形式。

　　關鍵詞蒸汽壓縮式製冷壓-焓圖理想製冷迴圈制冷係數ε 絕熱膨脹

　　雙級蒸汽壓縮製冷迴圈

　　中圖分類號： TB6文獻標識碼： A

　　一、蒸汽壓縮式製冷的工作原理 蒸汽壓縮式製冷系統由壓縮機，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。如下圖一

　　工質在蒸發器內與被冷卻物件發生熱量交換，吸收被冷卻物件的熱量並汽化，產生的低壓蒸汽被壓縮機吸入，經壓縮後以高壓排出。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，低溫溼蒸汽，進入蒸發器，其中的低壓液體在蒸發器中再次汽化製冷，如此周而復始。

　　液體轉變為氣體,固體轉變為液體,固體轉變為氣體都要吸收潛熱。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

　　製冷工質 沸點 ***℃*** 氣化潛熱 r ***kJ / kg***

　　水 100 2256

　　R717***氨*** -33.4 1368

　　R22 -40.8 375

　　據所用製冷液體***稱制冷劑***的熱力性質，創造一定的壓力條件，就可以在一定範圍內獲得所要求的低溫。 要實現製冷迴圈必須要有一定的裝置，而且要以消耗能量作為補償。 蒸汽壓縮式製冷迴圈就是用壓縮機等裝置，以消耗機械功作為補償，對製冷劑的狀態進行迴圈變化，從而使用冷場合獲得連續和穩定的冷量及低溫。在製冷迴圈中，製冷劑經歷了汽化、壓縮、冷凝、節流膨脹等狀態變化過程。為了分析，比較和計算製冷迴圈的效能，必須知道製冷劑的狀態引數變化規律。對目前常用的製冷劑，這些狀態引數間的關係已經制成各種圖和表來表示。

　　製冷劑的熱力性質圖，常用的熱力性質圖有溫熵***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，兩線之間為溼蒸汽區，其中等幹度線***x=0.1,x=0.2……***。

　　由於定壓過程的吸熱量，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、終狀態的比焓差計算，因此㏒p-h圖在製冷迴圈的熱力計算上得到了廣泛的應用。由於製冷劑的熱力引數h、s等都是相對值，因此，在使用上述熱力性質表及圖時，必須注意他們之間的h、s的基準點是否一致，對於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、 理想製冷迴圈—逆卡諾迴圈

　　卡諾迴圈分正卡諾迴圈和逆卡諾迴圈，均是由兩個定溫和兩個絕熱過程組成，他們是一個理想迴圈。研究蒸汽壓縮式製冷迴圈的主要目的，是為了分析影響製冷迴圈的各種因素，尋求節省製冷能耗的途徑。 逆卡諾迴圈是使工質***製冷劑***在吸收低溫熱源的熱量後通過製冷裝置，並以外功作補償，然後流向高溫熱源。逆向迴圈是一種消耗功的迴圈，製冷迴圈就是按逆向迴圈進行的， 在溫—熵或壓—焓圖上，迴圈的各個過程都是依次按逆時針方向變化的。

　　逆卡諾迴圈裝置示意圖

　　2.實現逆卡諾迴圈必須具備的條件：

　　***1***高、低溫熱源溫度恆定;

　　***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***工質流經各個裝置時無內部不可逆損失;

　　***4***作為實現逆卡諾迴圈的必要裝置是壓縮機、冷凝器、膨脹機和蒸發器。

　　逆卡諾迴圈是可逆的理想製冷迴圈，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。雖然逆卡諾迴圈無法實現，但是通過該迴圈的分析所得出的結論對實際製冷 迴圈具有重要的指導意義。

　　3.製冷係數ε

　　製冷迴圈常用製冷係數 ε 表示它的迴圈經濟效能，製冷係數等於單位耗功量所製得的冷量。

　　ε=q/∑W

　　q: 1kg 製冷劑在T0溫度下從被冷卻物體吸收熱量q ***kJ/kg***

　　W:迴圈1 kg的工質消耗功

　　對於逆卡諾迴圈而言：

　　εc=T0/***Tk- T0***

　　T0:蒸發溫度; Tk:冷凝溫度

　　從公式可知，逆卡諾迴圈的製冷係數僅與高、低溫熱源溫度有關，而與製冷劑的熱物理效能無關。由於逆卡諾迴圈不考慮各種損失，而且壓縮機利用了膨脹機對外輸出的功，因此，在恆定的高、低溫熱源區間，逆卡諾迴圈的製冷係數最大，在該溫度區間進行的其它各種製冷循 環的製冷係數均小於逆卡諾迴圈制冷係數。

　　所以，逆卡諾迴圈制冷係數可用來評價其它製冷迴圈的熱力完善度。

　　三、蒸汽壓縮式製冷理論迴圈及熱力計算

　　1.理論製冷迴圈不同於逆卡諾迴圈之處是：

　　***1***製冷劑在冷凝器和蒸發器中按等壓過程迴圈，而且具有傳熱溫差;

　　***2***製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溼蒸汽。

　　用膨脹閥代替膨脹機後的節流損失：不但增加了製冷迴圈的耗功量，還損失了製冷量。這兩部分損失必然使製冷係數和熱力完善度有所下降。

　　2.用幹壓縮代替溼壓縮後的過熱損失包括：

　　***1***用膨脹閥代替膨脹機後的節流損失導致後果：膨脹閥的節流是不可逆過程，節流前、後焓值不變;製冷劑幹度增加，液體含量減少，製冷量減少，消耗功上升，製冷係數下降，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;與製冷劑的物性有關，一般節流損失大的製冷劑，過熱損失就小;與冷凝壓力有關，冷凝壓力Pk越接近臨界壓力Pkr節流損失越大。

　　***2***用幹壓縮代替溼壓縮後的飽和損失

　　原因:在製冷壓縮機的實際執行中，若吸入溼蒸汽，會引起液擊，並佔有氣缸容積，使吸氣量減少，製冷量下降。過多的液體進入壓縮機氣缸後，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，蒸汽壓縮式製冷裝置在實際執行中嚴禁發生溼壓縮，要求進入壓縮機的製冷劑為幹飽和蒸汽或過熱蒸汽，幹壓縮式製冷機正常工作的一個重要標註。如何實現幹壓縮，如下圖，可在蒸發器出口增設一個液體分離器。分離器上部的幹飽和蒸汽被壓縮機吸走，保證幹壓縮，進入壓縮機的製冷劑狀態點位於飽和蒸汽線上。製冷劑的絕熱壓縮過程在過熱蒸汽區進行。因此，製冷劑在冷凝器中並非定溫過程，而是定壓過程。

　　熱力計算製冷劑在蒸發器中的單位質量製冷量：

　　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]

　　製冷劑單位容積製冷量：

　　Qv= q0/V[kJ/m3]

　　理論製冷係數：ε= q0/ W

　　3.蒸汽壓縮式製冷迴圈改善

　　為了使膨脹閥前液態製冷劑得到再冷卻，可以採用再冷卻器或回熱迴圈。

　　***1***設定再冷卻器對於同一種製冷劑，節流損失主要與節流前後的溫差***Tk- T0***有關，溫差越小，節流損失越小。一般可再冷凝器後增加一個再冷卻器，使冷卻水通過再冷卻器，然後進入冷凝器。再冷卻後可使液體制冷劑在冷凝壓力下被再冷至狀態點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，這種帶有再冷的迴圈稱為再冷迴圈。

　　增加過冷可以使製冷係數提高：製冷劑R717每過冷1℃，製冷係數可提高0.46%;冷製冷劑R22每過冷1℃，製冷係數可提高0.85%。

　　***2***回熱迴圈為了使膨脹閥前液體的再冷度增加，進一步減少節流損失，同時又保證壓縮機吸氣有一定過熱度，可再在製冷系統中增設一個回熱器。回熱器的作用是使膨脹閥前的製冷劑液體與壓縮機吸入前的製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，由於過熱***過熱量△q***增加了壓縮機的耗功量***△w***。因此，回熱迴圈的製冷係數是否提高，視△q/△w的比值定。

　　下表示幾種常用製冷劑採用回熱迴圈後，製冷係數及排氣溫度的變化情況。

　　製冷劑 R717 R22 R502

　　製冷係數增減率% -4.18 -1.88 +3.02

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

　　由上表可看出採用，採用回熱迴圈後製冷係數不一定增加，製冷劑R22採用回熱迴圈後製冷係數降低不多但保證了幹壓縮金額熱力膨脹閥的穩定工作，所以實際中採用回熱迴圈。R502和R12適合採用回熱迴圈。R11和R717因為製冷係數降低很多不適合採用回熱迴圈。

　　四、雙級蒸汽壓縮製冷迴圈

　　對於活塞式製冷壓縮機單級製冷迴圈，在通常的環境下，一般只能製取

　　-25℃~-35℃以上的蒸發溫度。如果採用單級製冷迴圈制取較低的蒸發溫度，將會產生很多有害因素，如：

　　***1***壓縮機排氣溫度很高，不但加大了過熱損失，使製冷係數下降，而且會惡化潤滑油效果，影響壓縮機的使用壽命和正常執行。

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

　　***3***節流損失增加，製冷劑單位制冷量減少，消耗功加大，製冷係數下降。

　　***4***過低的蒸發溫度可能會使製冷系統的執行工況超過壓縮機標準規定的設計和使用條件，造成不允許的危險情況發生。如活塞式壓縮機***製冷劑R22***的壓縮比，大能大於6***高溫機***和16***低溫機***壓力差***Pk- P0***不能大於1.6MPa;螺桿式壓縮機***製冷劑R22***排氣溫度不能高於105℃，製冷劑R22當壓縮比≤10時，採用單級壓縮, 壓縮比>10時採用雙級壓縮;製冷劑R717當壓縮比≤8時，採用單級壓縮, 壓縮比>8時採用雙級壓縮。因此對於活塞式壓縮機，當T0低於-25~-35℃時，採用雙極製冷迴圈能使上述不利影響得到改善。對於螺桿式壓縮機，由於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製冷迴圈可製取-40℃左右的低溫***Tk 在40℃~45℃時***。空氣源熱泵機組，其壓縮機至少要能在蒸發溫度為-15℃~+15℃***雙級壓縮可達-35℃***冷凝溫度≤65℃的條件下正常工作。

　　下圖是雙級壓縮製冷迴圈示意圖：

　　雙級壓縮製冷迴圈通常採用閃發蒸汽分離器***節能器***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製冷迴圈。該迴圈式把來自蒸發器的製冷劑蒸汽，以串聯的兩臺壓縮機***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溫度T0，製冷係數比相同製冷能力的單級製冷迴圈大，因而比較經濟。下面介紹常用的雙級壓縮製冷迴圈。

　　一次節流、完全中間冷卻的雙級壓縮製冷迴圈，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完全冷卻至飽和狀態如下圖：

　　由於氨製冷系統排氣溫度高，吸氣過熱不能大，因此這種迴圈形式廣泛應用於氨雙級製冷系統。這種系統的特點是由於採用完全中間冷卻，可以減少過熱損失，因此，耗功量較單級少，製冷係數較單級大。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:蒸發溫度; Tk:冷凝溫度

　　壓縮比=Pk/P0 Pk:冷凝壓力 P0：蒸發壓力

　　當已知製冷量Q0，通過蒸發器的製冷劑質量流量Mr,則Mr= Q0/***h1-h8***

　　製冷迴圈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***

　　則理論製冷係數εth= Q0/ Pth

　　五、結論

　　隨著技術現代化的發展以及人民生活水平的不斷提高，製冷在工業、農業、國防、建築、科學等國民經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，人們在任何季節都可以品嚐到新鮮的食物。農牧業中，製冷用於對農作物種子進行低溫處理;建造人工氣候育秧室。製冷在醫療衛生方面和工業生產中發揮著日益重要的作用。總之通過本文的學習，對製冷系統原理有了全面認識，對如何提高製冷係數的措施有所瞭解。

　　參考文獻

　　吳業正製冷原理及裝置 西安交通大學出版社

　　尉遲斌實用製冷與空調工程手冊機械工業出版社

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