張雪亮 上海海事大學(xué)，上海 200135

制冷經(jīng)濟(jì)器循環(huán)與普通制冷循環(huán)的性能比較

張雪亮 上海海事大學(xué)，上海 200135

不可再生資源日益短缺、環(huán)境污染日趨嚴(yán)峻。為了避免對不可再生資源的過度索取, 保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境, 大力開發(fā)利用可再生能源, 節(jié)能已成為科技發(fā)展的必然路線。當(dāng)前的制冷技術(shù)已經(jīng)幾乎滲透到各個生產(chǎn)技術(shù)、科學(xué)研究領(lǐng)域, 并在改善人類的生活質(zhì)量方面發(fā)揮著巨大作用。在制冷工程中運(yùn)用新的節(jié)能技術(shù)來減少能量的消耗, 提高制冷的效率, 同時也要將環(huán)境的污染減少到最低程度, 這已經(jīng)成為整個制冷行業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)。本文介紹一種提高制冷循環(huán)性能系數(shù)的新的制冷循環(huán)——經(jīng)濟(jì)器循環(huán)，并闡述其循環(huán)過程和工作原理，比較其與常規(guī)制冷循環(huán)在循環(huán)結(jié)構(gòu)、工作原理及工作效率方面的不同點，通過能量方程、質(zhì)量守恒方程，分析其性能系數(shù)較常規(guī)循環(huán)取得的改善，并分析該新型制冷循環(huán)的節(jié)能性。

制冷空調(diào);經(jīng)濟(jì)器;新技術(shù);節(jié)能

前言

常規(guī)制冷循環(huán)的制冷性能COP值一般都在2～3之間，有的甚至小于2，火用 效率不超過15%，這說明對制冷循環(huán)過程的優(yōu)化與改進(jìn)具有很大的潛力。由螺桿式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點可知，在同一氣缸中可實現(xiàn)兩次吸氣，且二次吸氣壓力大于蒸發(fā)壓力，并不影響螺桿壓縮機(jī)的第一次吸氣過程，因而帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿制冷循環(huán)較常規(guī)制冷循環(huán)的熱力性能得到了顯著的改進(jìn)，并具有顯著的節(jié)能效果。本文介紹一種帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿制冷循環(huán)，詳細(xì)分析其循環(huán)工作過程和工作原理，與常規(guī)的制冷循環(huán)在循環(huán)工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的比較，結(jié)合能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程，分析新循環(huán)較常規(guī)循環(huán)在制冷系數(shù)上的提高，并結(jié)合現(xiàn)階段的節(jié)能主題分析新循環(huán)的節(jié)能經(jīng)濟(jì)性。

一、螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能介紹

螺桿壓縮機(jī)最早由德國人H.K rigar在1978年提出，直到1934年瑞典皇家立功學(xué)院A . Lysholm才奠定了螺桿壓縮機(jī)SRM 技術(shù)，并開始在工業(yè)上應(yīng)用，取得了迅速的發(fā)展。20世紀(jì)50年代，就有噴油螺桿式壓縮機(jī)應(yīng)用在制冷裝置上，由于其結(jié)構(gòu)簡單，易損件少，能在大的壓力差或壓力比下工作，排氣溫度低，對制冷劑中還有大量的潤滑油不敏感，有良好的輸氣量調(diào)節(jié)特性，很快占據(jù)了大容量往復(fù)式壓縮機(jī)的使用范圍，而且不斷的向中等范圍延伸，廣泛地應(yīng)用在冷凍、冷藏、空調(diào)和化工工藝等制冷裝置上。以它為主機(jī)的螺桿式熱泵從20世紀(jì)70年代初便開始用于采暖空調(diào)方面，有空氣源熱泵、水熱泵型、熱回收型、冰蓄冷型等。在工業(yè)方面，為了節(jié)能，亦采用螺桿式熱泵作為回收。目前，螺桿式壓縮機(jī)用于越來越廣泛，各種開啟式和半封閉式螺桿壓縮機(jī)已形成系列，近今年又出現(xiàn)全封閉式螺桿壓縮機(jī)。雙螺桿式壓縮機(jī)簡稱螺桿壓縮機(jī)，由兩個轉(zhuǎn)子組成，而螺桿式壓縮機(jī)由一個轉(zhuǎn)子和一個星輪組成，它們制冷和制熱的輸入功率已發(fā)展到10～1000KW，基于螺桿式和螺桿式壓縮機(jī)一系列的優(yōu)點，其研究和開發(fā)領(lǐng)域十分廣泛，性能優(yōu)化潛力很大。

螺桿式壓縮機(jī)是靠氣缸中一對含有螺旋齒槽的轉(zhuǎn)子相互齒合，造成由齒形空間組成的基元容積的變化，進(jìn)行制冷劑氣體的壓縮。

本文重點介紹開啟式螺桿壓縮機(jī)。制冷裝置上最先用到的是開啟式螺桿壓縮機(jī)，以后才發(fā)展到半封閉式和全封閉式。同往復(fù)活塞式相比較，開啟式螺桿壓縮機(jī)的主要優(yōu)點是：（1）螺桿轉(zhuǎn)子壓縮氣體的運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可得到提高，因此當(dāng)輸氣量相同時，螺桿式壓縮機(jī)與往復(fù)活塞式相比較，體積小，重量輕，占地面積小，運(yùn)動中無往復(fù)慣性力，對地面基礎(chǔ)要求不高。（2）機(jī)器結(jié)構(gòu)簡單，其零件數(shù)僅為往復(fù)活塞式的十分之一，而且易損部件少，尤其是它無吸排氣閥門，無膨脹過程，簡單壓力比大，對液擊不敏感。（3）有適應(yīng)廣闊的工況范圍運(yùn)轉(zhuǎn)，尤其是用于熱泵機(jī)組上，其容積效率并不像往復(fù)活塞式壓縮機(jī)那樣有明顯的下降。（4）輸氣量能無級調(diào)節(jié)，并在50%以上的容量范圍內(nèi)，功率和輸氣量成正比下降。

本文所介紹的帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿式制冷循環(huán)，其壓縮機(jī)就是開啟式螺桿壓縮機(jī)。開啟式螺桿壓縮機(jī)中間可開口，有利于壓縮機(jī)進(jìn)行中間補(bǔ)氣的過程的發(fā)生，進(jìn)而可以讓整個壓縮過程相似于兩級壓縮。

二、經(jīng)濟(jì)器的結(jié)構(gòu)及性能介紹

帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿壓縮制冷循環(huán)，其來自氣液分離器的制冷劑液體分兩路進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器，一部分進(jìn)入管程，一部分進(jìn)入殼程。其中進(jìn)入殼程的這部分制冷劑在熱力膨脹閥及電磁閥的控制下進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，用來過冷管程中的制冷劑液體，從而降低蒸發(fā)器入口制冷劑的溫度以提高制冷效果；然后從螺桿壓縮機(jī)中段的開口進(jìn)入壓縮機(jī)，與蒸發(fā)器進(jìn)入的制冷劑混合。其實質(zhì)上是為螺桿壓縮機(jī)增加了一個補(bǔ)氣過程，把一部分制冷劑先預(yù)冷，然后用來過冷蒸發(fā)器入口的制冷劑，減小其焓值，增加了整個制冷循環(huán)的制冷量，提高整個制冷循環(huán)的制冷性能系數(shù)，從而使整個制冷循環(huán)與常規(guī)制冷循環(huán)相比，具有了顯著的節(jié)能優(yōu)勢。

三、帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿壓縮機(jī)的工作流程

圖1 帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿制冷循環(huán)工作流程圖

工作流程為：蒸發(fā)器出口的制冷劑（狀態(tài)6）進(jìn)入螺桿壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮后（狀態(tài)1）進(jìn)入冷凝器經(jīng)冷卻水冷卻后（狀態(tài)2）經(jīng)一次節(jié)流進(jìn)入氣液分離器，氣液分離器中的氣態(tài)制冷劑（狀態(tài)7）從壓縮機(jī)中段開口回到螺桿壓縮機(jī)，氣液分離器中的液態(tài)制冷劑（狀態(tài)4）經(jīng)二次節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，一個循環(huán)完成。

四、帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿壓縮制冷循環(huán)的工作原理

帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿壓縮制冷循環(huán)，其來自氣液分離器的制冷劑液體分兩路進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器，一部分進(jìn)入管程，一部分進(jìn)入殼程。其中進(jìn)入殼程的這部分制冷劑在熱力膨脹閥及電磁閥的控制下進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，用來過冷管程中的制冷劑液體，從而降低蒸發(fā)器入口制冷劑的溫度以提高制冷效果；然后從螺桿壓縮機(jī)中段的開口進(jìn)入壓縮機(jī)，與蒸發(fā)器進(jìn)入的制冷劑混合。與常規(guī)制冷循環(huán)相比，其制冷劑不是全部用于蒸發(fā)器中的蒸發(fā)吸熱。這樣蒸發(fā)器的供液量減小，壓縮機(jī)的壓縮接近于兩級壓縮的過程，對于螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿壓縮制冷循環(huán)比常規(guī)制冷循環(huán)多了一個螺桿壓縮機(jī)的中間補(bǔ)氣的過程，其lg-p圖如下：

圖2 帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿壓縮制冷循環(huán)lg-p圖

五、帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿壓縮制冷循環(huán)的實例分析

1、現(xiàn)取制冷工質(zhì)為R 134a

R 134a（1，3-四氟乙烷，CH2FCF3）作為R12的替代制冷工質(zhì)而提出。它的許多特性與R12很接近。近來R134a也被用于離心式制冷機(jī)中，作為R 11的替代制冷工質(zhì)。R134a的臨界壓力比R12略低，溫度及液體密度均比R12略小標(biāo)準(zhǔn)沸點略高于R12，液體、氣體的比熱容均比R12大；兩者的飽和蒸汽壓在低溫時R134a略低，因此，一般情況下，R134a的壓比略高于R12，但它的排氣溫度比R 1 2低，對壓縮機(jī)工作更有利。R134a的毒性非常低，在空氣中不可燃，是很安全的制冷工質(zhì)；與R12相比，R134a具有優(yōu)良的遷移性質(zhì)，其液體及氣體的熱導(dǎo)率顯著高于R 12；R 134a的化學(xué)穩(wěn)定性很好，與其他HFC類制冷工質(zhì)一樣，R134a分子中不存在氯原子，所以綜合以上的各種優(yōu)點，本文選擇R134a作為制冷工質(zhì)。

2、現(xiàn)假定制冷工況為：

假設(shè)兩循環(huán)過程制冷劑量總量為1kg；

制冷劑經(jīng)膨脹機(jī)等熵膨脹后至蒸發(fā)壓力。

蒸發(fā)溫度為-15℃,冷凝溫度為40℃

由制冷劑R 134a的lgp-h圖可得：

P0=0.16MPa,PK=1MPa,

假設(shè)中間壓力為0.6M P a,查制冷劑R 134a的lgp-h圖可得：帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿壓縮制冷循環(huán)各工況點的焓值為：

3、帶經(jīng)濟(jì)器循環(huán)的氣液分離器中閃發(fā)氣態(tài)制冷劑質(zhì)量

由能量守恒方程得：

解得x=0.06K g

4、帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿制冷循環(huán)的制冷量Q0

5、帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿壓縮制冷循環(huán)的耗功率W

6、制冷性能系數(shù)COP

六、常規(guī)制冷循環(huán)的實例分析

1、常規(guī)制冷循環(huán)的lg-p圖如下：

2、既定制冷工況為：

假設(shè)兩循環(huán)過程制冷劑量總量為1kg；

制冷劑經(jīng)膨脹機(jī)等熵膨脹后至蒸發(fā)壓力。

蒸發(fā)溫度為-15℃,冷凝溫度為40℃

由制冷劑R 134a的lgp-h圖[3]可得：

P0=0.16MPa,PK=1MPa；

查制冷劑R 134a的lgp-h圖可得：常規(guī)制冷循環(huán)各工況點的焓值為：，

3、帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿制冷循環(huán)的制冷量Q0

4、帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿制冷循環(huán)的制冷量Q0

5、制冷性能系數(shù)COP

七、結(jié)果比較與節(jié)能性分析

從以上計算結(jié)果可以得出，在相同的運(yùn)行工況和設(shè)備參數(shù)下，帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿壓縮制冷循環(huán)的制冷性能系數(shù)比常規(guī)制冷循環(huán)的制冷性能系數(shù)提高了0.28，這樣可以得出帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿制冷循環(huán)較常規(guī)制冷循環(huán)所得到的改善，性能系數(shù)的提高，及循環(huán)流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)的變化。理論和實踐證明，螺桿壓縮機(jī)增加經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣后，其容積效率有所降低，但制冷量和制冷系數(shù)均有較大幅度的增長。所以，相比于常規(guī)制冷循環(huán)而言，帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿壓縮制冷循環(huán)具有顯著的節(jié)能效果，對于在當(dāng)今世界，能源相對短缺，環(huán)境污染日益惡劣，急于開發(fā)利用新型能源的情況下，提高原有工作的效率也是節(jié)能的一大重要方法。帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿壓縮循環(huán)正是利用了簡單的系統(tǒng)循環(huán)結(jié)構(gòu)，達(dá)到了相同情況下提高循環(huán)制冷性能系數(shù)的目的，使得單位制冷量得到了顯著的提高，改善了循環(huán)的整體性能，巧妙的運(yùn)用了螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，具有了顯著的節(jié)能特性。

八、綜述

我國現(xiàn)代化過程中面臨能源短缺的問題。因此，目前國家倡導(dǎo)節(jié)能減排提倡使用清潔優(yōu)質(zhì)高效能源，大力推廣節(jié)能環(huán)保新技術(shù)。對于制冷與空調(diào)行業(yè)，應(yīng)注重新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，以及制冷空調(diào)技術(shù)與相關(guān)技術(shù)的融合與交叉，以適應(yīng)二十一世紀(jì)的能源戰(zhàn)略新需要。不可再生資源日益短缺、環(huán)境污染日趨嚴(yán)峻, 為了避免對不可再生資源的過度索取, 保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境, 大力開發(fā)利用可再生能源, 節(jié)能己成為科技發(fā)展的必然路線。當(dāng)前的制冷技術(shù)已經(jīng)幾乎滲透到各個生產(chǎn)技術(shù)、科學(xué)研究領(lǐng)域,并在改善人類的生活質(zhì)量方面發(fā)揮著巨大作用。在制冷工程中運(yùn)用新的節(jié)能技術(shù)來減少能量的消耗, 提高制冷的效率, 同時也要將環(huán)境的污染減少到最低程度, 這已經(jīng)成為整個制冷行業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)。帶經(jīng)濟(jì)器的螺桿壓縮制冷循環(huán)提高了制冷循環(huán)的工作效率，具有顯著的節(jié)能效果，符合當(dāng)今社會的發(fā)展主題，緊跟科技前進(jìn)發(fā)展的方向，屬于制冷節(jié)能新技術(shù)。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.087