淺析工況變化對制冷系數的影響

全球資源緊缺和能源危機愈演愈烈，如何通過提高制冷設備的制冷系數來節約能源，是擺在整個制冷空調產業面前的一個重要任務。本文從提高制冷系數的角度出發，綜合分析了通過改變單級蒸汽壓縮式制冷循環的運行工況來提高制冷系數的方案，以期為相關研究提供參考。

一、蒸汽壓縮式制冷循環原理

分析工況變化對制冷系數的影響，應以制冷循環原理為基礎。現以單級蒸汽壓縮式制冷理論循環為例，通過壓焓圖（本文都以R22為例）分析其理論循環的4個過程（如圖1）。

1.蒸發過程

4→1為低溫低壓的液態制冷劑在蒸發器中定溫t0、定壓p0吸熱沸騰汽化的過程。空調工況規定：R22的蒸發溫度為5℃。

2.定熵壓縮過程

1→2為壓縮機的干壓縮過程。假定壓縮過程是定熵的，即壓縮機的入口和出口處蒸汽的狀態點1和2位于同一條等熵線上（s2=s1）。蒸汽經壓縮后，壓力由p0升至PK，溫度由t1升至壓縮機排氣溫度t2。由圖1可見，t2＞tk，壓縮機出口處蒸汽是過熱蒸汽。根據壓焓圖及能量守恒，制冷壓縮機的單位壓縮功等于制冷劑在壓縮機的出口與進口焓值之差，即wc=h２–h１。

3.冷卻冷凝過程

壓縮機排出的過熱蒸汽進入冷凝器后不能立即冷凝，而是先經2→a的定壓（pk）冷卻過程，至點a溫度降到tk，才能開始冷凝。a→3為制冷劑蒸汽的定溫定壓放熱冷凝液化過程，濕蒸汽的干度逐漸減小，至點3完全液化為制冷劑飽和液。空調工況規定：R22的冷凝溫度為40℃。

4.絕熱節流過程

3→4為液態的制冷劑經節流裝置的絕熱節流過程。由于絕熱節流前后制冷劑的焓相等，因此節流裝置入口與出口處制冷劑的狀態點3和4位于同一條等焓線上（h3=h4）。經節流后，制冷劑的壓力和溫度由pk、tk降至p0、t0，然后再進入蒸發器蒸發，得以循環制冷，實現單級蒸汽壓縮式制冷循環。在制冷理論循環中，制冷劑在節流前沒有過冷。

5.單級蒸汽壓縮式制冷循環相關概念

（1）理論上將每千克制冷劑在蒸發器內吸收的熱量作為單位質量制冷量：q0=h1–h4。

（2）理論上假定壓縮機做定熵壓縮，單位壓縮功：wc=h２–h１。

（3）理論制冷系數：ε=q0／wc。

二、工況變化對制冷系數的影響及提高制冷系數的可行方案

由制冷理論循環的壓焓圖及制冷系數的計算公式：ε=q0／wc，得出制冷系數受制冷壓縮機的實際運行工況——蒸發溫度、冷凝溫度、過冷溫度等的影響，現從這三方面進行分析。

1.蒸發溫度的影響

如圖2所示，比較兩個單級壓縮理論循環1－2－3－4－1和1′－2′－3′－4′－1′。這兩個循環的冷凝溫度tk相同，它們的蒸發溫度、單位質量制冷量和單位壓縮功分別為t0、q0、wc和t0′、q0′、wc′。由圖2可見，t0′＞t0、q0′＞q0、wc′＜wc，因而ε′=q0′／wc′＞ε=q0／wc。這表明提高蒸發溫度可提高制冷系數。

（1）現狀分析。空調在空調工況下工作，即冷凝溫度40℃、蒸發溫度5℃，通過壓焓圖計算得理論制冷系數為5.7。

（2）改進方案及效果。保持冷凝溫度40℃不變，蒸發溫度提高至8.5℃，經計算理論制冷系數可達6.3，同比升高10.5%。本方案適用于車間、工廠、網吧等。目前電子廠普遍使用13.5℃的冷凍水，但它是通過二次換熱得來的，換熱過程中有冷量損失，顯然不經濟。如果通過提高蒸發溫度直接提供13.5℃的冷凍水（8.5℃的蒸發溫度，取5℃的傳熱溫差就可直接獲得13.5℃的冷凍水），不僅可以提高制冷系數，還簡化了冷水系統，節省了二次換熱的相關設備(主要是板式換熱器)。

（3）注意事項。在滿足制冷要求的前提下，應盡可能采用較高的蒸發溫度。提高蒸發溫度不僅可以提高制冷系數，還可減少或避免冷凝水的產生，為電子廠消除隱患。

2.冷凝溫度的影響

如圖3所示，比較兩個單級壓縮理論循環1－2－3－4－1和1′－2′－3′－4′－1′。這兩個循環的蒸發溫度t0相同，它們的冷凝溫度、單位質量制冷量和單位壓縮功分別為tk、q0、wc和tk′、q0′、wc′表示。由圖可見，tk′＜tk、q0′＞q0、wc′＜wc，因而ε′=q0′／wc′＞ε=q0／wc。這表明降低冷凝溫度可提高制冷系數。

（1）現狀分析。如上所述空調在空調工況下工作，理論制冷系數為5.7。

（2）改進方案。①用空調冷凝水降低冷凝溫度（此方案適用于風冷式翅片盤管冷凝器）。即在空調冷凝器翅片上方設置布水器，用微型水泵（如天花機水泵）將水抽至布水器，再均勻地從翅片自上而下噴淋，對風冷式冷凝器采用風冷水冷相結合散熱，達到降低冷凝溫度的目的。②用深井水降低冷凝溫度，僅適用于可開采深井水的地區（主要是郊區）。③通過改進冷卻水系統來降低冷凝溫度。目前市場上普遍使用的冷卻水系統如圖4所示，改進后的冷卻水系統如圖5所示（需添加1個膨脹水箱、1個水泵及1個電子除垢儀）。兩種冷卻方式相比較，改進后用來直接冷卻冷凝器的水系統不易結水垢或結水垢少，冷凝溫度不會隨著水垢的增加而上升，冷凝溫度較低。改進后的水系統也不需用清洗冷凝器水垢，節約了維護保養成本。

（3）改進效果。保持蒸發溫度5℃不變，冷凝溫度降低至35℃，經計算理論制冷系數可提高到7.4，同比升高30%，可大幅度節省能源。

3.過冷的影響

如圖6所示，比較兩個單級壓縮理論循環1－2－3－4－1和1′－2′－3′－4′－1′，蒸發溫度、冷凝溫度和單位壓縮功都相同，但后者冷凝節流前具有一定的過冷度。由圖6可見，因為冷凝液過冷，在不提高單位壓縮功的情況下（wc′＝wc），卻增大了單位質量制冷量（q0′＞q0），因而制冷系數提高了（ε′＞ε）。

（1）現狀分析。現在市場上的家用空調器基本無過冷過程，制冷系數相對較低。

（2）改進方案。用冷凝水、深井水（如圖4）對節流前的制冷劑過冷，以提高制冷系數。

（3）效果分析。保持蒸發溫度5℃、冷凝溫度40℃不變，節流前過冷5℃，經計算理論制冷系數將提高至6.0，上升了5.3%。

三、結論

提高蒸發溫度和改變冷卻水系統這兩種方案可操作性強，而且制冷系數提高幅度較大。在實際應用中，我們也可根據不同的工作環境與條件，選擇地一種或多種方案來提高制冷系數，以達到更大程度地節約能源的目的。

（作者單位：廣東省機械技師學院）