单级蒸汽压缩式制冷循环的优化实践

1.实际循环与理论循环的区别　前面分析讨论了单级蒸汽压缩式制冷的理论循环，并假定循环是在没有传热温差和不考虑任何损失的可逆情况下进行的。这种假定主要是便于用热力学方法予以分析讨论，从中找出某些规律性的东西，但客观上实际循环与理论循环存在着许多差异，其主要差别可归纳如下。

（1）实际压缩过程不是定熵过程。制冷工质蒸汽在汽缸压缩过程中存在着明显的热交换过程。压缩初始阶段，蒸汽温度低于缸壁温度，蒸汽吸收缸壁的热量，压缩终了阶段，蒸汽温度高于缸壁的温度，蒸汽又向缸壁放出热量，再加之活塞与汽缸壁之间的摩擦，因此实际压缩过程是一个多变指数不断变化的多变过程。

（2）制冷工质的冷凝和蒸发过程是在有传热温差下进行的。温差是传热过程的推动力，实际的热交换过程中总是存在着传热温差。如在冷凝器中，制冷工质冷凝放热的冷凝温度tk高于冷却介质（即冷却水或空气）的温度t；而在蒸发器中，制冷工质沸腾吸热时的蒸发温度to又低于被冷即物体的温度t′。由于有传热温差存在，所以过程是不可逆过程。

（3）制冷工质流经管道、设备时存在流动阻力。制冷工质流经吸、排阀时，要克服阀片的惯性力和弹簧力及相应流动阻力，其结果使得实际吸汽压力低于蒸发压力，实际排汽压高于冷凝压力。

综上所述，实际循环中四个基本热力过程，压缩，冷凝、节流、汽化都是不可逆过程，其结果必导致制冷能力下降、功耗增加，制冷系数降低。

2.单级蒸汽压缩式制冷实际循环的热力计算　在选定制冷工质和循环形式之后即可进行热力计算。热力计算的目的主要是根据实际制冷循环的工作条件（通常称为工况），计算实际循环的性能指标、制冷量压缩机的容量、功率及蒸发器、冷凝器等热交换器的热负荷，为制冷系统的选择计算提供数据。

实际循环比较复杂，很难进行热力分析和计算，通常都是根据蒸发温度to和冷凝温度tk与传热介质之间有一定温差的理论循环（1—2—3—4—5—6—7—1），并考虑压缩机的输汽系数和绝热效率来进行实际循环的热力分析和计算。

实际情况下，压缩机的实际输汽量Vs小于理论输汽量Vh，两者之比值称为压缩机的输汽系数，用λ表示，即：

由于压缩机的压缩过程实际上不是等熵过程，因此，输入压缩机曲轴的功率Ne比理论所需要的功率Nt大。Nt与Ne之比值称为轴效率，用ηe表示，即：

影响轴效率的主要因素有压缩过程的不可逆损失（即非等熵压缩造成的损失）和摩擦损失。所以：

式中：ηi——考虑不可逆损失的指示效率；

ηm——考虑摩擦的机械效率。

在对单级蒸汽压缩式制冷机进行分析和计算时，常用到以下的物理量。

（1）单位质量制冷量。每千克制冷剂在蒸发器中从被冷却物体吸取的热量称为单位质量制冷量，用qo表示，单位为kJ/kg。它可由图9－3中的点1与点6的焓差表示，即：

（2）单位容积制冷量。压缩机吸入每立方米制冷剂蒸汽，其在蒸发器内所吸收的热量称为单位容积制冷量，用qv表示，单位为kJ/m3。它可由单位质量制冷量qo与压缩机的吸汽比容v1之比值表示，即：

（3）单位压缩功。压缩机输送每千克制冷剂所消耗的功称为单位压缩功，用wO表示，单位是kJ/kg。它可由压缩过程的初点与终点的焓差表示，即：

（4）制冷系数。制冷循环的单位质量制冷量与单位功之比为制冷系数，用ε0表示，即：

（5）单位冷凝器热负荷。压缩机输送每千克制冷剂蒸汽在冷凝器中放出的热量称为单位冷凝器热负荷，用qk表示，单位是kJ/kg。它可用制冷剂进、出冷凝器两点的焓差表示，即：

也可根据热力学第一定律，用循环能量平衡关系求得。

（6）压缩机的理论输汽量和实际输汽量。知道了压缩机的结构参数，就可以算出理论输汽量Vh（m3/s），即：

式中：D——汽缸直径，m；

s——活塞行程；m；

n——曲轴转速，r/s；

z——汽缸数目。

在确定了压缩机的输汽系λ值后，实际输汽量Vs（m3/s）也可求得，即：

（7）制冷量。每一台制冷机的制冷量Q0（kW）可由单位容积制冷量和实际输汽量相乘求得，即：

（8）制冷剂循环量。在分析制冷机的工作状况时，有时需要算出制冷剂在系统中的循环流量G（kg/s），即：

（9）压缩机的理论功率、指示功率和轴功率。根据循环的理论功w0可以计算出压缩机的理论功率Nt（kW）。在知道了压缩机的指示效率ηi和机械效率ηm后，可以计算出指标功率Ni（kW）和轴功率Ne（kW），即：

（10）冷凝器热负荷。冷凝器热负荷Qk（kW）可由循环的能量平衡关系求得，即：

（11）实际制冷系数。为了考核和比较制冷循环的先进性，还需要知道实际的制冷系数εs。

3.确定工作参数　在热力计算时，首先应确定工作参数，即确定制冷循环的工作温度及工作压力，其中最主要的是蒸发温度t0（蒸发压力p0）和冷凝量温度tk（冷凝压力pk）。

（1）蒸发温度t0。蒸发温度即制冷工质在蒸发器中沸腾吸热时温度，它主要取决于被冷却物体的温度和蒸发器的结构形式。(www.xing528.com)

对于冷却空气的蒸发器：

式中：t2——蒸发器出口空气的干球温度，℃。

对于冷却液体（如冷冻水、盐水）的蒸发器：

式中：td2——蒸发器中被冷却液体的出口温度，℃。

（2）冷凝温度tk。冷凝温度即制冷工质在冷凝器中凝结放热时的温度，它也取决于所采用的冷却介质（水或空气）和冷凝器的结构形式。

对于用空气冷却的冷凝器（通常称风冷冷凝器）：

式中：tl——冷凝器进风温度，℃。

如用水作冷却介质时，冷凝温度为：

式中：tc1——冷凝器冷却水进口温度，℃；

tc2——冷凝器冷却水出口温度，℃。

一般，tc1≤32℃，tc2≤36℃，冷凝器进、出口水温差取：

立式冷凝器tc2－tc1＝2～4℃；

卧式冷凝器tc2－tc1＝4～8℃。

一般情况下，当冷却水进水温度偏高时，温差取下限；进水温度较低时，温差取上限。

（3）吸汽温度tn。制冷工质蒸汽进入压缩机前的温度应根据低压蒸汽离开蒸发器时的状态及吸气管道中的传热情况来确定。对于氨制冷压缩机允许吸汽温度为－25～0℃，对于氟利昂制冷压缩机吸气温度通常定为15℃。

（4）过冷温度tg。液体过冷后的温度取决于冷却介质的温度和过冷器的传热温差。通常取过冷温度较同压力下的冷凝温度低2～3℃，即：

分析表明，制冷机的工作参数主要是蒸发温度t0和冷凝温度tk，而蒸发温度、冷凝温度又主要取决于被冷却物体的温度、环境冷却介质的温度及相应的传热温差。一般说来，蒸发器的传热温差应选得比冷凝器的传热温差小些。

下面通过一个例题来说明制冷机的热力计算步骤。

【例题】某空调系统需要20kW制冷量，制冷机工作条件为：空调用冷冻水温度9℃，冷却水温度32℃，蒸发器端部的传热温差取5℃，冷凝器端部的传热温差取8℃，计算时取液体过冷度Δtg＝5℃，吸汽过热度（有害过热）Δtn＝15℃，压缩机的输汽系数λ＝0.8，指示效率ηi＝0.8，机械效率ηm＝0.9，工质为R134a，试进行热力计算。

图9－4　制冷循环的压焓图

解：①制冷机工作参数的确定。

蒸发温度t0＝9－4＝5℃

冷疑温度tk＝32＋8＝40℃

过冷温度tg＝tk－Δtg＝40－5＝35℃

吸汽温度tn＝t0＋Δtn＝5＋15＝20℃

②根据工作温度绘制制冷循环的压焓图，如图9－4所示。查R134a的热力性质图表，各状态点状态参数见表9－1。

表9－1　例题中各状态点状态参数值

③计算项目。

单位质量制冷量　q0＝h0－h4＝251.024－98.048＝152.976（kJ/kg）

单位容积制冷量　

单位压缩功　w0＝h2－h1＝285.798－264.561＝21.237（kJ/kg）

冷凝器单位热负荷qk＝h2－h2＝285.798－98.048＝187.75（kJ/kg）

制冷工质的循环量　

实际输气量和理论输气量：

压缩机消耗的理论功率、指示功率和轴功率

冷凝器热负荷　Qk＝G·qk＝0.13074×187.75＝24.54（kW）

实际制冷系数