制冷經濟器循環與普通制冷循環的性能比較

張雪亮 上海海事大學，上海 200135

制冷經濟器循環與普通制冷循環的性能比較

張雪亮 上海海事大學，上海 200135

不可再生資源日益短缺、環境污染日趨嚴峻。為了避免對不可再生資源的過度索取, 保護人類賴以生存的自然環境, 大力開發利用可再生能源, 節能已成為科技發展的必然路線。當前的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。在制冷工程中運用新的節能技術來減少能量的消耗, 提高制冷的效率, 同時也要將環境的污染減少到最低程度, 這已經成為整個制冷行業發展的首要任務。本文介紹一種提高制冷循環性能系數的新的制冷循環——經濟器循環，并闡述其循環過程和工作原理，比較其與常規制冷循環在循環結構、工作原理及工作效率方面的不同點，通過能量方程、質量守恒方程，分析其性能系數較常規循環取得的改善，并分析該新型制冷循環的節能性。

制冷空調;經濟器;新技術;節能

前言

常規制冷循環的制冷性能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%，這說明對制冷循環過程的優化與改進具有很大的潛力。由螺桿式壓縮機的結構特點可知，在同一氣缸中可實現兩次吸氣，且二次吸氣壓力大于蒸發壓力，并不影響螺桿壓縮機的第一次吸氣過程，因而帶經濟器的螺桿制冷循環較常規制冷循環的熱力性能得到了顯著的改進，并具有顯著的節能效果。本文介紹一種帶經濟器的螺桿制冷循環，詳細分析其循環工作過程和工作原理，與常規的制冷循環在循環工作原理及系統結構上的比較，結合能量守恒方程和質量守恒方程，分析新循環較常規循環在制冷系數上的提高，并結合現階段的節能主題分析新循環的節能經濟性。

一、螺桿壓縮機的結構及性能介紹

螺桿壓縮機最早由德國人H.K rigar在1978年提出，直到1934年瑞典皇家立功學院A . Lysholm才奠定了螺桿壓縮機SRM 技術，并開始在工業上應用，取得了迅速的發展。20世紀50年代，就有噴油螺桿式壓縮機應用在制冷裝置上，由于其結構簡單，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，有良好的輸氣量調節特性，很快占據了大容量往復式壓縮機的使用范圍，而且不斷的向中等范圍延伸，廣泛地應用在冷凍、冷藏、空調和化工工藝等制冷裝置上。以它為主機的螺桿式熱泵從20世紀70年代初便開始用于采暖空調方面，有空氣源熱泵、水熱泵型、熱回收型、冰蓄冷型等。在工業方面，為了節能，亦采用螺桿式熱泵作為回收。目前，螺桿式壓縮機用于越來越廣泛，各種開啟式和半封閉式螺桿壓縮機已形成系列，近今年又出現全封閉式螺桿壓縮機。雙螺桿式壓縮機簡稱螺桿壓縮機，由兩個轉子組成，而螺桿式壓縮機由一個轉子和一個星輪組成，它們制冷和制熱的輸入功率已發展到10～1000KW，基于螺桿式和螺桿式壓縮機一系列的優點，其研究和開發領域十分廣泛，性能優化潛力很大。

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

本文重點介紹開啟式螺桿壓縮機。制冷裝置上最先用到的是開啟式螺桿壓縮機，以后才發展到半封閉式和全封閉式。同往復活塞式相比較，開啟式螺桿壓縮機的主要優點是：（1）螺桿轉子壓縮氣體的運動為旋轉運動，轉子轉速可得到提高，因此當輸氣量相同時，螺桿式壓縮機與往復活塞式相比較，體積小，重量輕，占地面積小，運動中無往復慣性力，對地面基礎要求不高。（2）機器結構簡單，其零件數僅為往復活塞式的十分之一，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）有適應廣闊的工況范圍運轉，尤其是用于熱泵機組上，其容積效率并不像往復活塞式壓縮機那樣有明顯的下降。（4）輸氣量能無級調節，并在50%以上的容量范圍內，功率和輸氣量成正比下降。

本文所介紹的帶經濟器的螺桿式制冷循環，其壓縮機就是開啟式螺桿壓縮機。開啟式螺桿壓縮機中間可開口，有利于壓縮機進行中間補氣的過程的發生，進而可以讓整個壓縮過程相似于兩級壓縮。

二、經濟器的結構及性能介紹

帶經濟器的螺桿壓縮制冷循環，其來自氣液分離器的制冷劑液體分兩路進入經濟器，一部分進入管程，一部分進入殼程。其中進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行蒸發吸熱，用來過冷管程中的制冷劑液體，從而降低蒸發器入口制冷劑的溫度以提高制冷效果；然后從螺桿壓縮機中段的開口進入壓縮機，與蒸發器進入的制冷劑混合。其實質上是為螺桿壓縮機增加了一個補氣過程，把一部分制冷劑先預冷，然后用來過冷蒸發器入口的制冷劑，減小其焓值，增加了整個制冷循環的制冷量，提高整個制冷循環的制冷性能系數，從而使整個制冷循環與常規制冷循環相比，具有了顯著的節能優勢。

三、帶經濟器的螺桿壓縮機的工作流程

圖1 帶經濟器的螺桿制冷循環工作流程圖

工作流程為：蒸發器出口的制冷劑（狀態6）進入螺桿壓縮機，經壓縮后（狀態1）進入冷凝器經冷卻水冷卻后（狀態2）經一次節流進入氣液分離器，氣液分離器中的氣態制冷劑（狀態7）從壓縮機中段開口回到螺桿壓縮機，氣液分離器中的液態制冷劑（狀態4）經二次節流后進入蒸發器，一個循環完成。

四、帶經濟器的螺桿壓縮制冷循環的工作原理

帶經濟器的螺桿壓縮制冷循環，其來自氣液分離器的制冷劑液體分兩路進入經濟器，一部分進入管程，一部分進入殼程。其中進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行蒸發吸熱，用來過冷管程中的制冷劑液體，從而降低蒸發器入口制冷劑的溫度以提高制冷效果；然后從螺桿壓縮機中段的開口進入壓縮機，與蒸發器進入的制冷劑混合。與常規制冷循環相比，其制冷劑不是全部用于蒸發器中的蒸發吸熱。這樣蒸發器的供液量減小，壓縮機的壓縮接近于兩級壓縮的過程，對于螺桿壓縮機的結構特點，帶經濟器的螺桿壓縮制冷循環比常規制冷循環多了一個螺桿壓縮機的中間補氣的過程，其lg-p圖如下：

圖2 帶經濟器的螺桿壓縮制冷循環lg-p圖

五、帶經濟器的螺桿壓縮制冷循環的實例分析

1、現取制冷工質為R 134a

R 134a（1，3-四氟乙烷，CH2FCF3）作為R12的替代制冷工質而提出。它的許多特性與R12很接近。近來R134a也被用于離心式制冷機中，作為R 11的替代制冷工質。R134a的臨界壓力比R12略低，溫度及液體密度均比R12略小標準沸點略高于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；與R12相比，R134a具有優良的遷移性質，其液體及氣體的熱導率顯著高于R 12；R 134a的化學穩定性很好，與其他HFC類制冷工質一樣，R134a分子中不存在氯原子，所以綜合以上的各種優點，本文選擇R134a作為制冷工質。

2、現假定制冷工況為：

假設兩循環過程制冷劑量總量為1kg；

制冷劑經膨脹機等熵膨脹后至蒸發壓力。

蒸發溫度為-15℃,冷凝溫度為40℃

由制冷劑R 134a的lgp-h圖可得：

P0=0.16MPa,PK=1MPa,

假設中間壓力為0.6M P a,查制冷劑R 134a的lgp-h圖可得：帶經濟器的螺桿壓縮制冷循環各工況點的焓值為：

3、帶經濟器循環的氣液分離器中閃發氣態制冷劑質量

由能量守恒方程得：

解得x=0.06K g

4、帶經濟器的螺桿制冷循環的制冷量Q0

5、帶經濟器的螺桿壓縮制冷循環的耗功率W

6、制冷性能系數COP

六、常規制冷循環的實例分析

1、常規制冷循環的lg-p圖如下：

2、既定制冷工況為：

假設兩循環過程制冷劑量總量為1kg；

制冷劑經膨脹機等熵膨脹后至蒸發壓力。

蒸發溫度為-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：常規制冷循環各工況點的焓值為：，

3、帶經濟器的螺桿制冷循環的制冷量Q0

4、帶經濟器的螺桿制冷循環的制冷量Q0

5、制冷性能系數COP

七、結果比較與節能性分析

從以上計算結果可以得出，在相同的運行工況和設備參數下，帶經濟器的螺桿壓縮制冷循環的制冷性能系數比常規制冷循環的制冷性能系數提高了0.28，這樣可以得出帶經濟器的螺桿制冷循環較常規制冷循環所得到的改善，性能系數的提高，及循環流程和設備結構的變化。理論和實踐證明，螺桿壓縮機增加經濟器補氣后，其容積效率有所降低，但制冷量和制冷系數均有較大幅度的增長。所以，相比于常規制冷循環而言，帶經濟器的螺桿壓縮制冷循環具有顯著的節能效果，對于在當今世界，能源相對短缺，環境污染日益惡劣，急于開發利用新型能源的情況下，提高原有工作的效率也是節能的一大重要方法。帶經濟器的螺桿壓縮循環正是利用了簡單的系統循環結構，達到了相同情況下提高循環制冷性能系數的目的，使得單位制冷量得到了顯著的提高，改善了循環的整體性能，巧妙的運用了螺桿壓縮機的結構特點，具有了顯著的節能特性。

八、綜述

我國現代化過程中面臨能源短缺的問題。因此，目前國家倡導節能減排提倡使用清潔優質高效能源，大力推廣節能環保新技術。對于制冷與空調行業，應注重新技術的研發和應用，以及制冷空調技術與相關技術的融合與交叉，以適應二十一世紀的能源戰略新需要。不可再生資源日益短缺、環境污染日趨嚴峻, 為了避免對不可再生資源的過度索取, 保護人類賴以生存的自然環境, 大力開發利用可再生能源, 節能己成為科技發展的必然路線。當前的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。在制冷工程中運用新的節能技術來減少能量的消耗, 提高制冷的效率, 同時也要將環境的污染減少到最低程度, 這已經成為整個制冷行業發展的首要任務。帶經濟器的螺桿壓縮制冷循環提高了制冷循環的工作效率，具有顯著的節能效果，符合當今社會的發展主題，緊跟科技前進發展的方向，屬于制冷節能新技術。

[1]陳光明,陳國邦.制冷與低溫原理[M].機械工業出版社.2000

[2]繆道平，吳業正.制冷壓縮機[M].機械工業出版社.2000

[3]曾丹苓，敖越，張新銘，劉朝.工程熱力學[M].高等教育出版社.2000

[4]丁興鳳，羅翌.帶經濟器螺桿熱泵循環的節能研究[J].揚州:揚州大學環境工程系.2002

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.087