王鑫特

(北京市工貿(mào)技師學(xué)院機(jī)電分院，北京 100039)

0　引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)生活水平的顯著提升，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高。創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)舒適的居住環(huán)境，吃上新鮮營養(yǎng)、風(fēng)味俱佳的果蔬等等都離不開對(duì)制冷的需求。另一方面，許多高精尖技術(shù)零部件生產(chǎn)制造和醫(yī)生手術(shù)醫(yī)療過程中也離不開對(duì)環(huán)境溫度、濕度和潔凈度的要求。可以這樣說，日常生產(chǎn)和生活中，制冷的存在和我們?nèi)缬半S形，無處不在。蒸汽壓縮式制冷循環(huán)在制冷領(lǐng)域不但應(yīng)用廣泛，而且技術(shù)成熟完善。蒸汽壓縮式制冷循環(huán)專業(yè)基礎(chǔ)理論課教學(xué)中應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生掌握蒸汽壓縮式制冷循環(huán)四大件、基本原理、lgp-h圖，熱力學(xué)本質(zhì)、制冷壓縮機(jī)、換熱器和輔助設(shè)備等七大方面知識(shí)點(diǎn)。

1　蒸汽壓縮式制冷循環(huán)四大件

蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的四大件，即蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流元件。其中，蒸發(fā)器是我們“用冷”的設(shè)備，制冷循環(huán)的核心部件；壓縮機(jī)是整個(gè)循環(huán)的動(dòng)力部件，制冷系統(tǒng)的心臟；冷凝器是放熱的設(shè)備，一般將熱量直接或者間接排放給大氣環(huán)境；節(jié)流元件一般可以分為節(jié)流閥或者毛細(xì)管，在小型定頻制冷裝置中常常使用毛細(xì)管。

2　蒸汽壓縮式制冷循環(huán)原理

在教學(xué)過程中，學(xué)生應(yīng)該學(xué)會(huì)畫出蒸汽壓縮式制冷循環(huán)原理圖(如圖1所示)。制冷劑液體在蒸發(fā)器中低壓蒸發(fā)吸熱，低溫低壓蒸汽經(jīng)低壓管路被吸入壓縮機(jī)，在壓縮機(jī)中被壓縮至高溫高壓后，經(jīng)高壓管路排放至冷凝器，在冷凝器中高壓放熱凝結(jié)成為液態(tài)制冷劑后，流至節(jié)流元件，在節(jié)流元件中絕熱等焓節(jié)流后，重新進(jìn)入蒸發(fā)器，完成下一個(gè)循環(huán)。在講解過程中，對(duì)于初次學(xué)習(xí)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的學(xué)生，這部分內(nèi)容比較難于理解，我們可以在圖上橫縱畫兩條線，縱線左方和右方的集態(tài)不同，左方是液態(tài)，右方是氣態(tài)；橫線上面是高壓高(中)溫，下面是低壓低溫。這樣對(duì)于學(xué)生來講，他們可以在初步記憶的基礎(chǔ)上，逐步加深對(duì)本知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。

圖1　蒸汽壓縮式制冷循環(huán)原理圖

3　蒸汽壓縮式制冷循環(huán)在lgp-h圖上的表示

學(xué)生一定要學(xué)會(huì)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)在lgp-h等熱力狀態(tài)圖上的表示，這是我們制冷行業(yè)進(jìn)行專業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通過lgp-h圖，我們可以進(jìn)行相關(guān)理論計(jì)算與循環(huán)各影響因素的分析。我們至少要求學(xué)生掌握四個(gè)基本計(jì)算，分別如下：

q吸=h1-h4=h1-h3

w耗=h2-h1

q放=h2-h3

ε= q吸/w耗=(h1-h4)/(h2-h1)

圖2　蒸汽壓縮式制冷循環(huán)lgp-h圖

4　蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的熱力學(xué)本質(zhì)

蒸汽壓縮式制冷循環(huán)本質(zhì)是利用熱力循環(huán)獲取“冷量”。從熱力學(xué)第二定律克勞修斯說法可知，不可能將熱量從低溫冷源傳向高溫?zé)嵩炊粚?duì)外界產(chǎn)生其他任何影響。因此，我們利用蒸汽壓縮式制冷循環(huán)來制冷。依照熱力學(xué)第二定律的解釋，從低溫冷源吸取熱量后，經(jīng)壓縮機(jī)耗功，將熱量排放至高溫?zé)嵩?，之后?jīng)過膨脹機(jī)膨脹做功，再完成下一個(gè)循環(huán)。由于膨脹機(jī)所能回收的功很小，所以在蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中，用節(jié)流元件代替膨脹機(jī)。而從熱力學(xué)第一定律的角度來看，蒸發(fā)器吸收的熱量和壓縮機(jī)耗功理論上應(yīng)該等于冷凝器向外界的放熱量。從理論上來講，蒸汽壓縮式制冷循環(huán)是逆卡諾循環(huán)的推廣和應(yīng)用，也符合逆卡諾循環(huán)的一般結(jié)論。

5　制冷壓縮機(jī)

制冷壓縮機(jī)一般分為容積型和速度型兩種。常見的制冷壓縮機(jī)中，活塞式、螺桿式和渦旋式屬于容積型，離心式屬于速度型。不同種類的壓縮機(jī)有相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合。因?yàn)榛钊街评鋲嚎s機(jī)是技術(shù)比較成熟、應(yīng)用范圍較為廣泛，也是較難理解的制冷壓縮機(jī)，所以活塞式制冷壓縮機(jī)的教學(xué)歷來是制冷專業(yè)各層次學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。其中，活塞式制冷壓縮機(jī)的工作過程是學(xué)生學(xué)習(xí)的重中之重，工作過程一般可以分為吸氣、壓縮、排氣、膨脹四個(gè)熱力過程。解釋這個(gè)四個(gè)過程的核心是要向?qū)W生著重講解活塞式制冷壓縮機(jī)存在余隙容積，因此在吸氣過程之前，也相應(yīng)存在余隙容積中未排除的剩余氣體的膨脹過程。這也是活塞式壓縮機(jī)的工作過程區(qū)別于其他壓縮機(jī)的原因。另外，活塞式制冷壓縮機(jī)的曲軸連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的構(gòu)成和連接，包括曲柄軸、偏心軸、曲拐軸的區(qū)別和應(yīng)用；氣閥組件的組成和形式；活塞環(huán)的種類和作用同樣應(yīng)該成為制冷壓縮機(jī)基礎(chǔ)理論課的教學(xué)重點(diǎn)。

6　換熱器

制冷設(shè)備中除了壓縮機(jī)和節(jié)流元件等動(dòng)力設(shè)備，換熱器占有很大比重。其中最主要的換熱器就是蒸發(fā)器和冷凝器。

6.1　蒸發(fā)器

常用制冷設(shè)備蒸發(fā)器從冷源形式上一般可以分為直接冷卻空氣式和冷卻載冷劑式。而直接冷卻空氣式最常見主要結(jié)構(gòu)形式為管翅式；冷卻載冷劑式常見主要結(jié)構(gòu)形式有滿液式和干式蒸發(fā)器。區(qū)別滿液式和干式蒸發(fā)器的方法主要可以從以下三個(gè)方面考慮：(1)工質(zhì)的相對(duì)位置，即管內(nèi)外工質(zhì)類型，制冷劑還是載冷劑；(2)工質(zhì)的進(jìn)出口，一般走液態(tài)工質(zhì)的進(jìn)出口較細(xì)，而走氣態(tài)工質(zhì)的進(jìn)出口較粗；(3)兩種工質(zhì)的流向相對(duì)關(guān)系，即順流、逆流還是叉流。

6.2　冷凝器

一般來講，冷凝器從冷卻方式上可以分為風(fēng)冷式和水冷式兩種形式。風(fēng)冷式一般采用管翅式冷凝器；而水冷式一般采用殼管式和套管式。無論是殼管式還是套管式冷凝器，也可以從上述認(rèn)識(shí)蒸發(fā)器的一般方法進(jìn)行掌握。

7　蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的輔助設(shè)備

制冷系統(tǒng)裝置中除了四個(gè)基本設(shè)備外，不同蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)還選擇性的配有若干種輔助設(shè)備，這種設(shè)計(jì)方案在大型制冷裝置中尤為突出。常見的輔助設(shè)備有氣液分離器、油分離器、儲(chǔ)液器、干燥過濾器、回?zé)崞骱椭虚g冷卻器等。關(guān)于輔助設(shè)備，除了各種設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)和原理，我們更多的需要指導(dǎo)學(xué)生了解其在制冷系統(tǒng)中的作用和由其作用決定的其所在制冷循環(huán)中的常見布置。

7.1　氣液分離器

氣液分離器的主要作用是分離制冷劑蒸汽和液體，以去除從蒸發(fā)器出來而進(jìn)入壓縮機(jī)未完全蒸發(fā)的少量液態(tài)制冷劑，進(jìn)而防止壓縮機(jī)產(chǎn)生液擊，因而常常根據(jù)需要布置在蒸發(fā)器和壓縮機(jī)之間。

7.2　油分離器

油分離器主要用來分離壓縮機(jī)潤滑油和制冷劑，以減少潤滑油對(duì)制冷系統(tǒng)中換熱設(shè)備傳熱的影響，也可以間接減小油堵發(fā)生的機(jī)率。因此，油分離器常常布置在壓縮機(jī)和冷凝器之間。在氨制冷系統(tǒng)中，由于氨與潤滑油不互溶，因此必須設(shè)置油分離器或者具有油分離作用的冷凝器。

7.3　儲(chǔ)液器

儲(chǔ)液器主要用來儲(chǔ)存液態(tài)制冷劑，一方面可以確保制冷劑的流量穩(wěn)定，另一方面也可以保證冷凝面積等等，因此常常布置在冷凝器后部，節(jié)流元件或干燥過濾器前部。

7.4　干燥過濾器

干燥過濾器主要用來干燥水分，濾除雜質(zhì)，以減小節(jié)流元件乃至整個(gè)設(shè)備發(fā)生冰堵和臟堵的可能性。當(dāng)然，一般制冷系統(tǒng)中最容易發(fā)生堵塞的設(shè)備是節(jié)流元件，因此干燥過濾器常常布置在節(jié)流元件前端。

7.5　回?zé)崞?/h3>

回?zé)崞饔脕硖岣哌^熱度和過冷度，從而可以提高制冷量和制冷系數(shù)，還能有效防止液擊的發(fā)生?；?zé)崞鞑贾迷诶淠骱驼舭l(fā)器之后，氣態(tài)和液態(tài)制冷劑在換熱器兩側(cè)進(jìn)行換熱，進(jìn)而完成回?zé)嵫h(huán)。其中，過熱又分為有益過熱和有害過熱，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中應(yīng)該學(xué)會(huì)予以區(qū)分。

7.6　中間冷卻器

中間冷卻器用來冷卻低壓級(jí)壓縮機(jī)排氣以降低高壓級(jí)壓縮機(jī)的的吸氣溫度，因而常常布置在兩級(jí)壓縮機(jī)之間。

8　結(jié)語

總之，學(xué)習(xí)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)對(duì)于全面認(rèn)識(shí)制冷方法，深入理解熱力循環(huán)具有重要意義，一方面可以帶動(dòng)學(xué)生對(duì)制冷各種方法的研究，另一方面，對(duì)深化熱工教學(xué)，培養(yǎng)對(duì)熱工大專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)興趣都起到積極促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

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