蒸汽壓縮式制冷循環(huán)專業(yè)基礎(chǔ)理論課教學(xué)探究

王鑫特

(北京市工貿(mào)技師學(xué)院機電分院，北京 100039)

0　引言

隨著現(xiàn)代社會生活水平的顯著提升，人們對生活質(zhì)量的要求越來越高。創(chuàng)造一個相對舒適的居住環(huán)境，吃上新鮮營養(yǎng)、風(fēng)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(shù)零部件生產(chǎn)制造和醫(yī)生手術(shù)醫(yī)療過程中也離不開對環(huán)境溫度、濕度和潔凈度的要求。可以這樣說，日常生產(chǎn)和生活中，制冷的存在和我們?nèi)缬半S形，無處不在。蒸汽壓縮式制冷循環(huán)在制冷領(lǐng)域不但應(yīng)用廣泛，而且技術(shù)成熟完善。蒸汽壓縮式制冷循環(huán)專業(yè)基礎(chǔ)理論課教學(xué)中應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生掌握蒸汽壓縮式制冷循環(huán)四大件、基本原理、lgp-h圖，熱力學(xué)本質(zhì)、制冷壓縮機、換熱器和輔助設(shè)備等七大方面知識點。

1　蒸汽壓縮式制冷循環(huán)四大件

蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的四大件，即蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和節(jié)流元件。其中，蒸發(fā)器是我們“用冷”的設(shè)備，制冷循環(huán)的核心部件；壓縮機是整個循環(huán)的動力部件，制冷系統(tǒng)的心臟；冷凝器是放熱的設(shè)備，一般將熱量直接或者間接排放給大氣環(huán)境；節(jié)流元件一般可以分為節(jié)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(huán)原理

在教學(xué)過程中，學(xué)生應(yīng)該學(xué)會畫出蒸汽壓縮式制冷循環(huán)原理圖(如圖1所示)。制冷劑液體在蒸發(fā)器中低壓蒸發(fā)吸熱，低溫低壓蒸汽經(jīng)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(jīng)高壓管路排放至冷凝器，在冷凝器中高壓放熱凝結(jié)成為液態(tài)制冷劑后，流至節(jié)流元件，在節(jié)流元件中絕熱等焓節(jié)流后，重新進入蒸發(fā)器，完成下一個循環(huán)。在講解過程中，對于初次學(xué)習(xí)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的學(xué)生，這部分內(nèi)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(tài)不同，左方是液態(tài)，右方是氣態(tài)；橫線上面是高壓高(中)溫，下面是低壓低溫。這樣對于學(xué)生來講，他們可以在初步記憶的基礎(chǔ)上，逐步加深對本知識點的認識。

圖1　蒸汽壓縮式制冷循環(huán)原理圖

3　蒸汽壓縮式制冷循環(huán)在lgp-h圖上的表示

學(xué)生一定要學(xué)會蒸汽壓縮式制冷循環(huán)在lgp-h等熱力狀態(tài)圖上的表示，這是我們制冷行業(yè)進行專業(yè)設(shè)計的基礎(chǔ)，通過lgp-h圖，我們可以進行相關(guān)理論計算與循環(huán)各影響因素的分析。我們至少要求學(xué)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(huán)lgp-h圖

4　蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的熱力學(xué)本質(zhì)

蒸汽壓縮式制冷循環(huán)本質(zhì)是利用熱力循環(huán)獲取“冷量”。從熱力學(xué)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?zé)嵩炊粚ν饨绠a(chǎn)生其他任何影響。因此，我們利用蒸汽壓縮式制冷循環(huán)來制冷。依照熱力學(xué)第二定律的解釋，從低溫冷源吸取熱量后，經(jīng)壓縮機耗功，將熱量排放至高溫?zé)嵩?，之后?jīng)過膨脹機膨脹做功，再完成下一個循環(huán)。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(huán)中，用節(jié)流元件代替膨脹機。而從熱力學(xué)第一定律的角度來看，蒸發(fā)器吸收的熱量和壓縮機耗功理論上應(yīng)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(huán)是逆卡諾循環(huán)的推廣和應(yīng)用，也符合逆卡諾循環(huán)的一般結(jié)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(yīng)的應(yīng)用場合。因為活塞式制冷壓縮機是技術(shù)比較成熟、應(yīng)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(xué)歷來是制冷專業(yè)各層次學(xué)生學(xué)習(xí)的重點。其中，活塞式制冷壓縮機的工作過程是學(xué)生學(xué)習(xí)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?qū)W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(yīng)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(qū)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(gòu)的構(gòu)成和連接，包括曲柄軸、偏心軸、曲拐軸的區(qū)別和應(yīng)用；氣閥組件的組成和形式；活塞環(huán)的種類和作用同樣應(yīng)該成為制冷壓縮機基礎(chǔ)理論課的教學(xué)重點。

6　換熱器

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

6.1　蒸發(fā)器

常用制冷設(shè)備蒸發(fā)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(jié)構(gòu)形式為管翅式；冷卻載冷劑式常見主要結(jié)構(gòu)形式有滿液式和干式蒸發(fā)器。區(qū)別滿液式和干式蒸發(fā)器的方法主要可以從以下三個方面考慮：(1)工質(zhì)的相對位置，即管內(nèi)外工質(zhì)類型，制冷劑還是載冷劑；(2)工質(zhì)的進出口，一般走液態(tài)工質(zhì)的進出口較細，而走氣態(tài)工質(zhì)的進出口較粗；(3)兩種工質(zhì)的流向相對關(guān)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(fēng)冷式和水冷式兩種形式。風(fēng)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(fā)器的一般方法進行掌握。

7　蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的輔助設(shè)備

制冷系統(tǒng)裝置中除了四個基本設(shè)備外，不同蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)還選擇性的配有若干種輔助設(shè)備，這種設(shè)計方案在大型制冷裝置中尤為突出。常見的輔助設(shè)備有氣液分離器、油分離器、儲液器、干燥過濾器、回?zé)崞骱椭虚g冷卻器等。關(guān)于輔助設(shè)備，除了各種設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)和原理，我們更多的需要指導(dǎo)學(xué)生了解其在制冷系統(tǒng)中的作用和由其作用決定的其所在制冷循環(huán)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(fā)器出來而進入壓縮機未完全蒸發(fā)的少量液態(tài)制冷劑，進而防止壓縮機產(chǎn)生液擊，因而常常根據(jù)需要布置在蒸發(fā)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(tǒng)中換熱設(shè)備傳熱的影響，也可以間接減小油堵發(fā)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(tǒng)中，由于氨與潤滑油不互溶，因此必須設(shè)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(tài)制冷劑，一方面可以確保制冷劑的流量穩(wěn)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(jié)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(zhì)，以減小節(jié)流元件乃至整個設(shè)備發(fā)生冰堵和臟堵的可能性。當(dāng)然，一般制冷系統(tǒng)中最容易發(fā)生堵塞的設(shè)備是節(jié)流元件，因此干燥過濾器常常布置在節(jié)流元件前端。

7.5　回?zé)崞?/h3>

回?zé)崞饔脕硖岣哌^熱度和過冷度，從而可以提高制冷量和制冷系數(shù)，還能有效防止液擊的發(fā)生。回?zé)崞鞑贾迷诶淠骱驼舭l(fā)器之后，氣態(tài)和液態(tài)制冷劑在換熱器兩側(cè)進行換熱，進而完成回?zé)嵫h(huán)。其中，過熱又分為有益過熱和有害過熱，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中應(yīng)該學(xué)會予以區(qū)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(jié)語

總之，學(xué)習(xí)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)對于全面認識制冷方法，深入理解熱力循環(huán)具有重要意義，一方面可以帶動學(xué)生對制冷各種方法的研究，另一方面，對深化熱工教學(xué)，培養(yǎng)對熱工大專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)興趣都起到積極促進作用。

參考文獻：

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