制冷经济器循环与普通制冷循环的性能比较

张雪亮 上海海事大学，上海 200135

制冷经济器循环与普通制冷循环的性能比较

张雪亮 上海海事大学，上海 200135

不可再生资源日益短缺、环境污染日趋严峻。为了避免对不可再生资源的过度索取, 保护人类赖以生存的自然环境, 大力开发利用可再生能源, 节能已成为科技发展的必然路线。当前的制冷技术已经几乎渗透到各个生产技术、科学研究领域, 并在改善人类的生活质量方面发挥着巨大作用。在制冷工程中运用新的节能技术来减少能量的消耗, 提高制冷的效率, 同时也要将环境的污染减少到最低程度, 这已经成为整个制冷行业发展的首要任务。本文介绍一种提高制冷循环性能系数的新的制冷循环——经济器循环，并阐述其循环过程和工作原理，比较其与常规制冷循环在循环结构、工作原理及工作效率方面的不同点，通过能量方程、质量守恒方程，分析其性能系数较常规循环取得的改善，并分析该新型制冷循环的节能性。

制冷空调;经济器;新技术;节能

前言

常规制冷循环的制冷性能COP值一般都在2～3之间，有的甚至小于2，火用 效率不超过15%，这说明对制冷循环过程的优化与改进具有很大的潜力。由螺杆式压缩机的结构特点可知，在同一气缸中可实现两次吸气，且二次吸气压力大于蒸发压力，并不影响螺杆压缩机的第一次吸气过程，因而带经济器的螺杆制冷循环较常规制冷循环的热力性能得到了显著的改进，并具有显著的节能效果。本文介绍一种带经济器的螺杆制冷循环，详细分析其循环工作过程和工作原理，与常规的制冷循环在循环工作原理及系统结构上的比较，结合能量守恒方程和质量守恒方程，分析新循环较常规循环在制冷系数上的提高，并结合现阶段的节能主题分析新循环的节能经济性。

一、螺杆压缩机的结构及性能介绍

螺杆压缩机最早由德国人H.K rigar在1978年提出，直到1934年瑞典皇家立功学院A . Lysholm才奠定了螺杆压缩机SRM 技术，并开始在工业上应用，取得了迅速的发展。20世纪50年代，就有喷油螺杆式压缩机应用在制冷装置上，由于其结构简单，易损件少，能在大的压力差或压力比下工作，排气温度低，对制冷剂中还有大量的润滑油不敏感，有良好的输气量调节特性，很快占据了大容量往复式压缩机的使用范围，而且不断的向中等范围延伸，广泛地应用在冷冻、冷藏、空调和化工工艺等制冷装置上。以它为主机的螺杆式热泵从20世纪70年代初便开始用于采暖空调方面，有空气源热泵、水热泵型、热回收型、冰蓄冷型等。在工业方面，为了节能，亦采用螺杆式热泵作为回收。目前，螺杆式压缩机用于越来越广泛，各种开启式和半封闭式螺杆压缩机已形成系列，近今年又出现全封闭式螺杆压缩机。双螺杆式压缩机简称螺杆压缩机，由两个转子组成，而螺杆式压缩机由一个转子和一个星轮组成，它们制冷和制热的输入功率已发展到10～1000KW，基于螺杆式和螺杆式压缩机一系列的优点，其研究和开发领域十分广泛，性能优化潜力很大。

螺杆式压缩机是靠气缸中一对含有螺旋齿槽的转子相互齿合，造成由齿形空间组成的基元容积的变化，进行制冷剂气体的压缩。

本文重点介绍开启式螺杆压缩机。制冷装置上最先用到的是开启式螺杆压缩机，以后才发展到半封闭式和全封闭式。同往复活塞式相比较，开启式螺杆压缩机的主要优点是：（1）螺杆转子压缩气体的运动为旋转运动，转子转速可得到提高，因此当输气量相同时，螺杆式压缩机与往复活塞式相比较，体积小，重量轻，占地面积小，运动中无往复惯性力，对地面基础要求不高。（2）机器结构简单，其零件数仅为往复活塞式的十分之一，而且易损部件少，尤其是它无吸排气阀门，无膨胀过程，简单压力比大，对液击不敏感。（3）有适应广阔的工况范围运转，尤其是用于热泵机组上，其容积效率并不像往复活塞式压缩机那样有明显的下降。（4）输气量能无级调节，并在50%以上的容量范围内，功率和输气量成正比下降。

本文所介绍的带经济器的螺杆式制冷循环，其压缩机就是开启式螺杆压缩机。开启式螺杆压缩机中间可开口，有利于压缩机进行中间补气的过程的发生，进而可以让整个压缩过程相似于两级压缩。

二、经济器的结构及性能介绍

带经济器的螺杆压缩制冷循环，其来自气液分离器的制冷剂液体分两路进入经济器，一部分进入管程，一部分进入壳程。其中进入壳程的这部分制冷剂在热力膨胀阀及电磁阀的控制下进行蒸发吸热，用来过冷管程中的制冷剂液体，从而降低蒸发器入口制冷剂的温度以提高制冷效果；然后从螺杆压缩机中段的开口进入压缩机，与蒸发器进入的制冷剂混合。其实质上是为螺杆压缩机增加了一个补气过程，把一部分制冷剂先预冷，然后用来过冷蒸发器入口的制冷剂，减小其焓值，增加了整个制冷循环的制冷量，提高整个制冷循环的制冷性能系数，从而使整个制冷循环与常规制冷循环相比，具有了显著的节能优势。

三、带经济器的螺杆压缩机的工作流程

图1 带经济器的螺杆制冷循环工作流程图

工作流程为：蒸发器出口的制冷剂（状态6）进入螺杆压缩机，经压缩后（状态1）进入冷凝器经冷却水冷却后（状态2）经一次节流进入气液分离器，气液分离器中的气态制冷剂（状态7）从压缩机中段开口回到螺杆压缩机，气液分离器中的液态制冷剂（状态4）经二次节流后进入蒸发器，一个循环完成。

四、带经济器的螺杆压缩制冷循环的工作原理

带经济器的螺杆压缩制冷循环，其来自气液分离器的制冷剂液体分两路进入经济器，一部分进入管程，一部分进入壳程。其中进入壳程的这部分制冷剂在热力膨胀阀及电磁阀的控制下进行蒸发吸热，用来过冷管程中的制冷剂液体，从而降低蒸发器入口制冷剂的温度以提高制冷效果；然后从螺杆压缩机中段的开口进入压缩机，与蒸发器进入的制冷剂混合。与常规制冷循环相比，其制冷剂不是全部用于蒸发器中的蒸发吸热。这样蒸发器的供液量减小，压缩机的压缩接近于两级压缩的过程，对于螺杆压缩机的结构特点，带经济器的螺杆压缩制冷循环比常规制冷循环多了一个螺杆压缩机的中间补气的过程，其lg-p图如下：

图2 带经济器的螺杆压缩制冷循环lg-p图

五、带经济器的螺杆压缩制冷循环的实例分析

1、现取制冷工质为R 134a

R 134a（1，3-四氟乙烷，CH2FCF3）作为R12的替代制冷工质而提出。它的许多特性与R12很接近。近来R134a也被用于离心式制冷机中，作为R 11的替代制冷工质。R134a的临界压力比R12略低，温度及液体密度均比R12略小标准沸点略高于R12，液体、气体的比热容均比R12大；两者的饱和蒸汽压在低温时R134a略低，因此，一般情况下，R134a的压比略高于R12，但它的排气温度比R 1 2低，对压缩机工作更有利。R134a的毒性非常低，在空气中不可燃，是很安全的制冷工质；与R12相比，R134a具有优良的迁移性质，其液体及气体的热导率显著高于R 12；R 134a的化学稳定性很好，与其他HFC类制冷工质一样，R134a分子中不存在氯原子，所以综合以上的各种优点，本文选择R134a作为制冷工质。

2、现假定制冷工况为：

假设两循环过程制冷剂量总量为1kg；

制冷剂经膨胀机等熵膨胀后至蒸发压力。

蒸发温度为-15℃,冷凝温度为40℃

由制冷剂R 134a的lgp-h图可得：

P0=0.16MPa,PK=1MPa,

假设中间压力为0.6M P a,查制冷剂R 134a的lgp-h图可得：带经济器的螺杆压缩制冷循环各工况点的焓值为：

3、带经济器循环的气液分离器中闪发气态制冷剂质量

由能量守恒方程得：

解得x=0.06K g

4、带经济器的螺杆制冷循环的制冷量Q0

5、带经济器的螺杆压缩制冷循环的耗功率W

6、制冷性能系数COP

六、常规制冷循环的实例分析

1、常规制冷循环的lg-p图如下：

2、既定制冷工况为：

假设两循环过程制冷剂量总量为1kg；

制冷剂经膨胀机等熵膨胀后至蒸发压力。

蒸发温度为-15℃,冷凝温度为40℃

由制冷剂R 134a的lgp-h图[3]可得：

P0=0.16MPa,PK=1MPa；

查制冷剂R 134a的lgp-h图可得：常规制冷循环各工况点的焓值为：，

3、带经济器的螺杆制冷循环的制冷量Q0

4、带经济器的螺杆制冷循环的制冷量Q0

5、制冷性能系数COP

七、结果比较与节能性分析

从以上计算结果可以得出，在相同的运行工况和设备参数下，带经济器的螺杆压缩制冷循环的制冷性能系数比常规制冷循环的制冷性能系数提高了0.28，这样可以得出带经济器的螺杆制冷循环较常规制冷循环所得到的改善，性能系数的提高，及循环流程和设备结构的变化。理论和实践证明，螺杆压缩机增加经济器补气后，其容积效率有所降低，但制冷量和制冷系数均有较大幅度的增长。所以，相比于常规制冷循环而言，带经济器的螺杆压缩制冷循环具有显著的节能效果，对于在当今世界，能源相对短缺，环境污染日益恶劣，急于开发利用新型能源的情况下，提高原有工作的效率也是节能的一大重要方法。带经济器的螺杆压缩循环正是利用了简单的系统循环结构，达到了相同情况下提高循环制冷性能系数的目的，使得单位制冷量得到了显著的提高，改善了循环的整体性能，巧妙的运用了螺杆压缩机的结构特点，具有了显著的节能特性。

八、综述

我国现代化过程中面临能源短缺的问题。因此，目前国家倡导节能减排提倡使用清洁优质高效能源，大力推广节能环保新技术。对于制冷与空调行业，应注重新技术的研发和应用，以及制冷空调技术与相关技术的融合与交叉，以适应二十一世纪的能源战略新需要。不可再生资源日益短缺、环境污染日趋严峻, 为了避免对不可再生资源的过度索取, 保护人类赖以生存的自然环境, 大力开发利用可再生能源, 节能己成为科技发展的必然路线。当前的制冷技术已经几乎渗透到各个生产技术、科学研究领域,并在改善人类的生活质量方面发挥着巨大作用。在制冷工程中运用新的节能技术来减少能量的消耗, 提高制冷的效率, 同时也要将环境的污染减少到最低程度, 这已经成为整个制冷行业发展的首要任务。带经济器的螺杆压缩制冷循环提高了制冷循环的工作效率，具有显著的节能效果，符合当今社会的发展主题，紧跟科技前进发展的方向，属于制冷节能新技术。

[1]陈光明,陈国邦.制冷与低温原理[M].机械工业出版社.2000

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.087