蒸气压缩式制冷

点击数：8052017-04-18 00:00:00　

蒸气压缩式制冷是利用低沸点的液态工质（如氟利昂等制冷剂）沸腾汽化时，从致冷空间介质中吸热来实现制冷的。这种制冷方法利用制冷剂的液——气集态变化过程，实现定温吸热和放热，使致冷循环较为接近逆卡诺循环，从而可提高致冷系数。蒸气压缩式制冷技术现已泛应用于房间空调器的制冷技术中。

一、  制冷系统的基本组成

如图2-2-1所示，蒸发器、压缩机、冷凝器和节流装置是蒸气压缩式制冷系统的四个必不可少的基本部件。

约19kgf/cm2,70℃

约19kgf/cm2,50℃

约5kgf/cm2,5℃

图2-2-1  蒸气压缩式制冷系统

制冷剂R22在压缩机中被压缩成高温、高压的过热蒸气（其压力约为1.9Mpa），并进入风冷式冷凝器中冷却，经过冷却，制冷剂的温度、状态都会发生变化：高温、高压的过热蒸气冷凝为高压中温的液体。这种冷凝后的制冷剂液体进入毛细管中节流减压，为在蒸发器中进行蒸发汽化创造条件。在蒸发器中液态的制冷剂全部汽化为低压的气体，同时从外界吸热，这样蒸发器温度必低于环境温度，即成为冷却器。蒸发器中的制冷剂先是气、液共存，后变为饱和蒸气，最后变为低压过热的蒸气，其压力约为0.5MPa。

在被吸回压缩机的过程中，吸气管内的制冷剂蒸气仍然从外界吸收热量，继续进行过热过程，因此压缩机的吸气管也是低于环境温度的，用手触摸感到有些凉，而压缩机的排气管相反，因为排气管内是高温、高压的制冷剂过热蒸气，反而其外表温度比环境温度高，用手触摸感到是热的。

冷凝器的热量是由排风风扇（轴流风扇）向室外吹出热风，蒸发器的冷量由室内送风风扇（多叶低噪声的离心风扇或贯流风扇）向室内吹送冷风。

在上述的制冷循环中可分为高压和低压两个区域：从压缩机排气口至毛细管入口处为高压区，从毛细管出口至压缩机的吸气口为低压区。

二、  工作原理

(一)蒸发器的作用

蒸发器由一组或几组盘管组成。低温液态制冷剂进入蒸发器盘管流动时，通过管壁吸收盘管周围介质（空气或水）的热量沸腾汽化（工程上常称为蒸发），使盘管周围的介质温度降低或保持一定的低温状态，从而达到致冷的目的。

可见，蒸发器是让低温液态制冷剂和需要致冷的介质交换热量的换热器。

制冷剂在蒸发器盘管内沸腾汽化时保持温度和压力不变，相应的温度和压力称为蒸发温度和蒸发压力，分别用t₀和 p₀表示。蒸发温度随蒸发压力的增大而升高，它们有确定的对应关系，对给定的制冷剂，利用它的饱和蒸气表或压焓图，从已知的t₀可查出应的p₀，反之亦然。

通过控制或调节蒸发压力也就可控制或调节蒸发温度，由于蒸发温度通常都很低，因而对应的蒸发压力也不高。相对于冷凝器，制冷剂在蒸发器中处于低温低压状态。

制冷剂在蒸发器中沸腾汽化时从致冷空间介质吸收的热量，就是制冷系统的制冷量。

(一)  冷凝器的作用

为了让制冷剂能被反复使用，需将从蒸发器流出的制冷剂蒸气冷凝还原为液态，冷凝器就是让气态制冷剂向环境介质放热冷凝液化的换热器。

制冷剂蒸气在冷凝器中冷凝液化时也保持温度和压力不变，相应的温度和压力称为冷凝温度和冷凝压力，分别用t_k和p_k表示。冷凝温度随冷凝压力的增大而升高，它们也有确定的对应关系，这种对应关系也可在制冷剂的饱和蒸气表或压焓图中查取。

制冷剂在冷凝器向冷却介质排放的热量，称为冷凝器的热负荷。

(二)  压缩机的作用

用空气或常温的水来使制冷剂蒸气冷凝，冷凝温度就高于蒸发温度，对应的冷凝压力也就要求高于蒸发压力。压缩机的作用就是将从蒸发器流出的低压制冷剂蒸气压缩，使蒸气的压力提高到与冷凝温度对应的冷凝压力，从而保证制冷剂蒸气能在常温下被冷凝液化。制冷剂蒸气经压缩机压缩后，温度也升高了。因此，相对于蒸发器，冷凝器中的制冷剂处于高温高压状态。

一般压缩机是由电动机带动来压缩蒸气作功的，因此，压缩机的作用实质上是消耗外功，迫使制冷剂将从致冷空间（低温热源）吸收的热量排放给环境（相对致冷空间为高温热源）。这与热力学第二定律的要求是一致的。

(三)  节流装置的作用

冷凝器冷凝得到的液态制冷剂的温度和压力为冷凝温度和冷凝压力，要高于蒸发温度和蒸发压力，在进入蒸发器前需使它降压降温。为此，让冷凝液先流经节流阀或毛细管绝热节流，将压力和温度降至需要的蒸发压力和蒸发温度后再进入蒸发器蒸发致冷。

液态制冷剂在节流过程中，因吸收磨擦热将有少量汽化为蒸气（称为闪发气体），因此，节流装置出口的制冷剂是干度很低的低温低压湿蒸气。

综上所述，让制冷剂不断经历蒸发(沸腾汽化) → 压缩（升压升温） → 冷凝(液化)

节流（降压降温） → 再蒸发的循环（称为蒸气压缩制冷循环）。

三、蒸气压缩式制冷循环的改进

蒸气压缩式制冷循环在实际应用时还需有若干改进，才能使制冷系统具有较高的致冷系数和正常运行。主要的改进措施有下列几项。

(一)用干压缩代替湿压缩

压缩机压缩湿蒸气称为湿压缩；压缩干饱和蒸气或过热蒸气称为干压缩。

压缩机作湿压缩时，湿蒸气中含有的制冷剂液珠吸收温度较高的气缸壁的热量将迅速汽化，并占据气缸部分有效容积，使压缩机吸入的制冷剂质量减少，从而会显著降低制冷量；液珠的汽化还会使气缸壁因失热温度降低而急骤收缩，容易造成抱缸事故；液珠含量较多时不可能全部立即汽化，压缩机在压缩蒸气的同时还会压缩液态制冷剂，以致产生强烈的冲击波而形成液击冲缸事故，使机件遭受破坏。因此，要避免压缩机吸入湿蒸气作湿压缩，而用干压缩代替湿压缩。

(二)冷凝液的过冷

如果设法使从冷凝器得到的制冷剂冷凝液在节流前继续定压放热，从而降低温度变成过冷液体，可以减少节流过程中产生的闪蒸气体量，从而减少节流损失，提高单位质量工质的制冷量。

在实际工作中，常用下列措施实现液体过冷：

(1)     在冷凝器中过冷，当冷却介质温度降低，冷凝器面积足够大时，制冷剂液体可获得过冷。（房间空调器用此方法）

(2)     用过冷器过冷，专门设置一种换热器，用来进一步冷却冷凝器出来的制冷剂液体。

(3)     用回热器过冷，在回气管路（即从蒸发器出口到压缩机回气口之间）上装一个换热器，利用蒸发器出来的回气冷却节流前的制冷剂液体。

三、  蒸气压缩式制冷的理论循环

单级蒸气压缩制冷理论循环，一般可在制冷剂的压焓图上表示如图2-2-3的循环4a12bc34。它由4 → a → 1、1 → 2、2 → b → c → 3和3 → 4四个分过程组成。

(一)蒸发和吸气过热过程 4 → a → 1

4 → a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，湿蒸气的干度逐渐增大，假定至蒸发器出口a处制冷剂完全汽化为干蒸气，即x=1。

a → 1为压缩机的吸气过热过程，假定它是定压（p0）的吸热过程，制冷剂蒸气的温度由t0升至压缩机的吸气温度t1,因而点1处蒸气呈稍过热状态。

(二)定熵压缩过程1 → 2

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气的状态点1和2位于同一条等熵线上，s₂=s₁。蒸气经压缩后，压力由p₀升至p_k，温度由t₁升至压缩机排气温度t₂由图可见，t₂>t_k，在压缩机出口处蒸气是过热蒸气。

(三)定压冷却冷凝和过冷过程2 → b → c → 3

压缩机排出的过热蒸气进入冷凝器后不能立即冷凝，而是先经2  b的定压（p_k）冷却过程，至点b温度降到t_k，才能开始冷凝。

b → c为制冷剂蒸气的定温（t_k）、定压（p_k）放热冷凝液化过程，湿蒸气的干度逐渐减小，至点c完全液化为制冷剂饱和液，即x=0。

c → 3为制冷剂冷凝液定压（p_k）、放热过冷过程，至节流装置入口点3，冷凝液温度降到过冷温度t_G，制冷剂成为过冷液体。

(四)绝热节流过程3 → 4

3 → 4为过冷的液体制冷剂流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，h₄=h₃。经节流后，制冷剂的压力和温度由p_k、t_G降到p₀、t₀，然后再进入蒸发器蒸发，得以循环制冷。