蒸汽壓縮式制冷循環專業基礎理論課教學探究

王鑫特

(北京市工貿技師學院機電分院，北京 100039)

0　引言

隨著現代社會生活水平的顯著提升，人們對生活質量的要求越來越高。創造一個相對舒適的居住環境，吃上新鮮營養、風味俱佳的果蔬等等都離不開對制冷的需求。另一方面，許多高精尖技術零部件生產制造和醫生手術醫療過程中也離不開對環境溫度、濕度和潔凈度的要求。可以這樣說，日常生產和生活中，制冷的存在和我們如影隨形，無處不在。蒸汽壓縮式制冷循環在制冷領域不但應用廣泛，而且技術成熟完善。蒸汽壓縮式制冷循環專業基礎理論課教學中應該指導學生掌握蒸汽壓縮式制冷循環四大件、基本原理、lgp-h圖，熱力學本質、制冷壓縮機、換熱器和輔助設備等七大方面知識點。

1　蒸汽壓縮式制冷循環四大件

蒸汽壓縮式制冷循環的四大件，即蒸發器、壓縮機、冷凝器和節流元件。其中，蒸發器是我們“用冷”的設備，制冷循環的核心部件；壓縮機是整個循環的動力部件，制冷系統的心臟；冷凝器是放熱的設備，一般將熱量直接或者間接排放給大氣環境；節流元件一般可以分為節流閥或者毛細管，在小型定頻制冷裝置中常常使用毛細管。

2　蒸汽壓縮式制冷循環原理

在教學過程中，學生應該學會畫出蒸汽壓縮式制冷循環原理圖(如圖1所示)。制冷劑液體在蒸發器中低壓蒸發吸熱，低溫低壓蒸汽經低壓管路被吸入壓縮機，在壓縮機中被壓縮至高溫高壓后，經高壓管路排放至冷凝器，在冷凝器中高壓放熱凝結成為液態制冷劑后，流至節流元件，在節流元件中絕熱等焓節流后，重新進入蒸發器，完成下一個循環。在講解過程中，對于初次學習蒸汽壓縮式制冷循環的學生，這部分內容比較難于理解，我們可以在圖上橫縱畫兩條線，縱線左方和右方的集態不同，左方是液態，右方是氣態；橫線上面是高壓高(中)溫，下面是低壓低溫。這樣對于學生來講，他們可以在初步記憶的基礎上，逐步加深對本知識點的認識。

圖1　蒸汽壓縮式制冷循環原理圖

3　蒸汽壓縮式制冷循環在lgp-h圖上的表示

學生一定要學會蒸汽壓縮式制冷循環在lgp-h等熱力狀態圖上的表示，這是我們制冷行業進行專業設計的基礎，通過lgp-h圖，我們可以進行相關理論計算與循環各影響因素的分析。我們至少要求學生掌握四個基本計算，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lgp-h圖

4　蒸汽壓縮式制冷循環的熱力學本質

蒸汽壓縮式制冷循環本質是利用熱力循環獲取“冷量”。從熱力學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熱源而不對外界產生其他任何影響。因此，我們利用蒸汽壓縮式制冷循環來制冷。依照熱力學第二定律的解釋，從低溫冷源吸取熱量后，經壓縮機耗功，將熱量排放至高溫熱源，之后經過膨脹機膨脹做功，再完成下一個循環。由于膨脹機所能回收的功很小，所以在蒸汽壓縮式制冷循環中，用節流元件代替膨脹機。而從熱力學第一定律的角度來看，蒸發器吸收的熱量和壓縮機耗功理論上應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是逆卡諾循環的推廣和應用，也符合逆卡諾循環的一般結論。

5　制冷壓縮機

制冷壓縮機一般分為容積型和速度型兩種。常見的制冷壓縮機中，活塞式、螺桿式和渦旋式屬于容積型，離心式屬于速度型。不同種類的壓縮機有相應的應用場合。因為活塞式制冷壓縮機是技術比較成熟、應用范圍較為廣泛，也是較難理解的制冷壓縮機，所以活塞式制冷壓縮機的教學歷來是制冷專業各層次學生學習的重點。其中，活塞式制冷壓縮機的工作過程是學生學習的重中之重，工作過程一般可以分為吸氣、壓縮、排氣、膨脹四個熱力過程。解釋這個四個過程的核心是要向學生著重講解活塞式制冷壓縮機存在余隙容積，因此在吸氣過程之前，也相應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的工作過程區別于其他壓縮機的原因。另外，活塞式制冷壓縮機的曲軸連桿運動機構的構成和連接，包括曲柄軸、偏心軸、曲拐軸的區別和應用；氣閥組件的組成和形式；活塞環的種類和作用同樣應該成為制冷壓縮機基礎理論課的教學重點。

6　換熱器

制冷設備中除了壓縮機和節流元件等動力設備，換熱器占有很大比重。其中最主要的換熱器就是蒸發器和冷凝器。

6.1　蒸發器

常用制冷設備蒸發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構形式為管翅式；冷卻載冷劑式常見主要結構形式有滿液式和干式蒸發器。區別滿液式和干式蒸發器的方法主要可以從以下三個方面考慮：(1)工質的相對位置，即管內外工質類型，制冷劑還是載冷劑；(2)工質的進出口，一般走液態工質的進出口較細，而走氣態工質的進出口較粗；(3)兩種工質的流向相對關系，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冷式和水冷式兩種形式。風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，也可以從上述認識蒸發器的一般方法進行掌握。

7　蒸汽壓縮式制冷循環的輔助設備

制冷系統裝置中除了四個基本設備外，不同蒸汽壓縮式制冷系統還選擇性的配有若干種輔助設備，這種設計方案在大型制冷裝置中尤為突出。常見的輔助設備有氣液分離器、油分離器、儲液器、干燥過濾器、回熱器和中間冷卻器等。關于輔助設備，除了各種設備自身的結構和原理，我們更多的需要指導學生了解其在制冷系統中的作用和由其作用決定的其所在制冷循環中的常見布置。

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，以去除從蒸發器出來而進入壓縮機未完全蒸發的少量液態制冷劑，進而防止壓縮機產生液擊，因而常常根據需要布置在蒸發器和壓縮機之間。

7.2　油分離器

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

7.3　儲液器

儲液器主要用來儲存液態制冷劑，一方面可以確保制冷劑的流量穩定，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，以減小節流元件乃至整個設備發生冰堵和臟堵的可能性。當然，一般制冷系統中最容易發生堵塞的設備是節流元件，因此干燥過濾器常常布置在節流元件前端。

7.5　回熱器

回熱器用來提高過熱度和過冷度，從而可以提高制冷量和制冷系數，還能有效防止液擊的發生。回熱器布置在冷凝器和蒸發器之后，氣態和液態制冷劑在換熱器兩側進行換熱，進而完成回熱循環。其中，過熱又分為有益過熱和有害過熱，學生在學習過程中應該學會予以區分。

7.6　中間冷卻器

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

8　結語

總之，學習蒸汽壓縮式制冷循環對于全面認識制冷方法，深入理解熱力循環具有重要意義，一方面可以帶動學生對制冷各種方法的研究，另一方面，對深化熱工教學，培養對熱工大專業領域的學習興趣都起到積極促進作用。

參考文獻：

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