浅析工况变化对制冷系数的影响|工况系数

　　全球资源紧缺和能源危机愈演愈烈，如何通过提高制冷设备的制冷系数来节约能源，是摆在整个制冷空调产业面前的一个重要任务。本文从提高制冷系数的角度出发，综合分析了通过改变单级蒸汽压缩式制冷循环的运行工况来提高制冷系数的方案，以期为相关研究提供参考。
　　一、蒸汽压缩式制冷循环原理
　　分析工况变化对制冷系数的影响，应以制冷循环原理为基础。现以单级蒸汽压缩式制冷理论循环为例，通过压焓图（本文都以R22为例）分析其理论循环的4个过程（如图1）。
　　1.蒸发过程
　　4→1为低温低压的液态制冷剂在蒸发器中定温t0、定压p0吸热沸腾汽化的过程。空调工况规定：R22的蒸发温度为5℃。
　　2.定熵压缩过程
　　1→2为压缩机的干压缩过程。假定压缩过程是定熵的，即压缩机的入口和出口处蒸汽的状态点1和2位于同一条等熵线上（s2=s1）。蒸汽经压缩后，压力由p0升至PK，温度由t1升至压缩机排气温度t2。由图1可见，t2＞tk，压缩机出口处蒸汽是过热蒸汽。根据压焓图及能量守恒，制冷压缩机的单位压缩功等于制冷剂在压缩机的出口与进口焓值之差，即wc=h２–h１。
　　3.冷却冷凝过程
　　压缩机排出的过热蒸汽进入冷凝器后不能立即冷凝，而是先经2→a的定压（pk）冷却过程，至点a温度降到tk，才能开始冷凝。a→3为制冷剂蒸汽的定温定压放热冷凝液化过程，湿蒸汽的干度逐渐减小，至点3完全液化为制冷剂饱和液。空调工况规定：R22的冷凝温度为40℃。
　　4.绝热节流过程
　　3→4为液态的制冷剂经节流装置的绝热节流过程。由于绝热节流前后制冷剂的焓相等，因此节流装置入口与出口处制冷剂的状态点3和4位于同一条等焓线上（h3=h4）。经节流后，制冷剂的压力和温度由pk、tk降至p0、t0，然后再进入蒸发器蒸发，得以循环制冷，实现单级蒸汽压缩式制冷循环。在制冷理论循环中，制冷剂在节流前没有过冷。
　　5.单级蒸汽压缩式制冷循环相关概念
　　（1）理论上将每千克制冷剂在蒸发器内吸收的热量作为单位质量制冷量：q0=h1–h4。
　　（2）理论上假定压缩机做定熵压缩，单位压缩功：wc=h２–h１。
　　（3）理论制冷系数：ε=q0／wc。
　　二、工况变化对制冷系数的影响及提高制冷系数的可行方案
　　由制冷理论循环的压焓图及制冷系数的计算公式：ε=q0／wc，得出制冷系数受制冷压缩机的实际运行工况——蒸发温度、冷凝温度、过冷温度等的影响，现从这三方面进行分析。
　　1.蒸发温度的影响
　　如图2所示，比较两个单级压缩理论循环1－2－3－4－1和1′－2′－3′－4′－1′。这两个循环的冷凝温度tk相同，它们的蒸发温度、单位质量制冷量和单位压缩功分别为t0、q0、wc和t0′、q0′、wc′。由图2可见，t0′＞t0、q0′＞q0、wc′＜wc，因而ε′=q0′／wc′＞ε=q0／wc。这表明提高蒸发温度可提高制冷系数。
　　（1）现状分析。空调在空调工况下工作，即冷凝温度40℃、蒸发温度5℃，通过压焓图计算得理论制冷系数为5.7。
　　（2）改进方案及效果。保持冷凝温度40℃不变，蒸发温度提高至8.5℃，经计算理论制冷系数可达6.3，同比升高10.5%。本方案适用于车间、工厂、网吧等。目前电子厂普遍使用13.5℃的冷冻水，但它是通过二次换热得来的，换热过程中有冷量损失，显然不经济。如果通过提高蒸发温度直接提供13.5℃的冷冻水（8.5℃的蒸发温度，取5℃的传热温差就可直接获得13.5℃的冷冻水），不仅可以提高制冷系数，还简化了冷水系统，节省了二次换热的相关设备(主要是板式换热器)。
　　（3）注意事项。在满足制冷要求的前提下，应尽可能采用较高的蒸发温度。提高蒸发温度不仅可以提高制冷系数，还可减少或避免冷凝水的产生，为电子厂消除隐患。
　　2.冷凝温度的影响
　　如图3所示，比较两个单级压缩理论循环1－2－3－4－1和1′－2′－3′－4′－1′。这两个循环的蒸发温度t0相同，它们的冷凝温度、单位质量制冷量和单位压缩功分别为tk、q0、wc和tk′、q0′、wc′表示。由图可见，tk′＜tk、q0′＞q0、wc′＜wc，因而ε′=q0′／wc′＞ε=q0／wc。这表明降低冷凝温度可提高制冷系数。
　　（1）现状分析。如上所述空调在空调工况下工作，理论制冷系数为5.7。
　　（2）改进方案。①用空调冷凝水降低冷凝温度（此方案适用于风冷式翅片盘管冷凝器）。即在空调冷凝器翅片上方设置布水器，用微型水泵（如天花机水泵）将水抽至布水器，再均匀地从翅片自上而下喷淋，对风冷式冷凝器采用风冷水冷相结合散热，达到降低冷凝温度的目的。②用深井水降低冷凝温度，仅适用于可开采深井水的地区（主要是郊区）。③通过改进冷却水系统来降低冷凝温度。目前市场上普遍使用的冷却水系统如图4所示，改进后的冷却水系统如图5所示（需添加1个膨胀水箱、1个水泵及1个电子除垢仪）。两种冷却方式相比较，改进后用来直接冷却冷凝器的水系统不易结水垢或结水垢少，冷凝温度不会随着水垢的增加而上升，冷凝温度较低。改进后的水系统也不需用清洗冷凝器水垢，节约了维护保养成本。
　　（3）改进效果。保持蒸发温度5℃不变，冷凝温度降低至35℃，经计算理论制冷系数可提高到7.4，同比升高30%，可大幅度节省能源。
　　3.过冷的影响
　　如图6所示，比较两个单级压缩理论循环1－2－3－4－1和1′－2′－3′－4′－1′，蒸发温度、冷凝温度和单位压缩功都相同，但后者冷凝节流前具有一定的过冷度。由图6可见，因为冷凝液过冷，在不提高单位压缩功的情况下（wc′＝wc），却增大了单位质量制冷量（q0′＞q0），因而制冷系数提高了（ε′＞ε）。
　　（1）现状分析。现在市场上的家用空调器基本无过冷过程，制冷系数相对较低。
　　（2）改进方案。用冷凝水、深井水（如图4）对节流前的制冷剂过冷，以提高制冷系数。
　　（3）效果分析。保持蒸发温度5℃、冷凝温度40℃不变，节流前过冷5℃，经计算理论制冷系数将提高至6.0，上升了5.3%。
　　三、结论
　　提高蒸发温度和改变冷却水系统这两种方案可操作性强，而且制冷系数提高幅度较大。在实际应用中，我们也可根据不同的工作环境与条件，选择地一种或多种方案来提高制冷系数，以达到更大程度地节约能源的目的。
　　（作者单位：广东省机械技师学院）