蒸汽压缩式制冷循环专业基础理论课教学探究

王鑫特

(北京市工贸技师学院机电分院，北京 100039)

0　引言

随着现代社会生活水平的显著提升，人们对生活质量的要求越来越高。创造一个相对舒适的居住环境，吃上新鲜营养、风味俱佳的果蔬等等都离不开对制冷的需求。另一方面，许多高精尖技术零部件生产制造和医生手术医疗过程中也离不开对环境温度、湿度和洁净度的要求。可以这样说，日常生产和生活中，制冷的存在和我们如影随形，无处不在。蒸汽压缩式制冷循环在制冷领域不但应用广泛，而且技术成熟完善。蒸汽压缩式制冷循环专业基础理论课教学中应该指导学生掌握蒸汽压缩式制冷循环四大件、基本原理、lgp-h图，热力学本质、制冷压缩机、换热器和辅助设备等七大方面知识点。

1　蒸汽压缩式制冷循环四大件

蒸汽压缩式制冷循环的四大件，即蒸发器、压缩机、冷凝器和节流元件。其中，蒸发器是我们“用冷”的设备，制冷循环的核心部件；压缩机是整个循环的动力部件，制冷系统的心脏；冷凝器是放热的设备，一般将热量直接或者间接排放给大气环境；节流元件一般可以分为节流阀或者毛细管，在小型定频制冷装置中常常使用毛细管。

2　蒸汽压缩式制冷循环原理

在教学过程中，学生应该学会画出蒸汽压缩式制冷循环原理图(如图1所示)。制冷剂液体在蒸发器中低压蒸发吸热，低温低压蒸汽经低压管路被吸入压缩机，在压缩机中被压缩至高温高压后，经高压管路排放至冷凝器，在冷凝器中高压放热凝结成为液态制冷剂后，流至节流元件，在节流元件中绝热等焓节流后，重新进入蒸发器，完成下一个循环。在讲解过程中，对于初次学习蒸汽压缩式制冷循环的学生，这部分内容比较难于理解，我们可以在图上横纵画两条线，纵线左方和右方的集态不同，左方是液态，右方是气态；横线上面是高压高(中)温，下面是低压低温。这样对于学生来讲，他们可以在初步记忆的基础上，逐步加深对本知识点的认识。

图1　蒸汽压缩式制冷循环原理图

3　蒸汽压缩式制冷循环在lgp-h图上的表示

学生一定要学会蒸汽压缩式制冷循环在lgp-h等热力状态图上的表示，这是我们制冷行业进行专业设计的基础，通过lgp-h图，我们可以进行相关理论计算与循环各影响因素的分析。我们至少要求学生掌握四个基本计算，分别如下：

q吸=h1-h4=h1-h3

w耗=h2-h1

q放=h2-h3

ε= q吸/w耗=(h1-h4)/(h2-h1)

图2　蒸汽压缩式制冷循环lgp-h图

4　蒸汽压缩式制冷循环的热力学本质

蒸汽压缩式制冷循环本质是利用热力循环获取“冷量”。从热力学第二定律克劳修斯说法可知，不可能将热量从低温冷源传向高温热源而不对外界产生其他任何影响。因此，我们利用蒸汽压缩式制冷循环来制冷。依照热力学第二定律的解释，从低温冷源吸取热量后，经压缩机耗功，将热量排放至高温热源，之后经过膨胀机膨胀做功，再完成下一个循环。由于膨胀机所能回收的功很小，所以在蒸汽压缩式制冷循环中，用节流元件代替膨胀机。而从热力学第一定律的角度来看，蒸发器吸收的热量和压缩机耗功理论上应该等于冷凝器向外界的放热量。从理论上来讲，蒸汽压缩式制冷循环是逆卡诺循环的推广和应用，也符合逆卡诺循环的一般结论。

5　制冷压缩机

制冷压缩机一般分为容积型和速度型两种。常见的制冷压缩机中，活塞式、螺杆式和涡旋式属于容积型，离心式属于速度型。不同种类的压缩机有相应的应用场合。因为活塞式制冷压缩机是技术比较成熟、应用范围较为广泛，也是较难理解的制冷压缩机，所以活塞式制冷压缩机的教学历来是制冷专业各层次学生学习的重点。其中，活塞式制冷压缩机的工作过程是学生学习的重中之重，工作过程一般可以分为吸气、压缩、排气、膨胀四个热力过程。解释这个四个过程的核心是要向学生着重讲解活塞式制冷压缩机存在余隙容积，因此在吸气过程之前，也相应存在余隙容积中未排除的剩余气体的膨胀过程。这也是活塞式压缩机的工作过程区别于其他压缩机的原因。另外，活塞式制冷压缩机的曲轴连杆运动机构的构成和连接，包括曲柄轴、偏心轴、曲拐轴的区别和应用；气阀组件的组成和形式；活塞环的种类和作用同样应该成为制冷压缩机基础理论课的教学重点。

6　换热器

制冷设备中除了压缩机和节流元件等动力设备，换热器占有很大比重。其中最主要的换热器就是蒸发器和冷凝器。

6.1　蒸发器

常用制冷设备蒸发器从冷源形式上一般可以分为直接冷却空气式和冷却载冷剂式。而直接冷却空气式最常见主要结构形式为管翅式；冷却载冷剂式常见主要结构形式有满液式和干式蒸发器。区别满液式和干式蒸发器的方法主要可以从以下三个方面考虑：(1)工质的相对位置，即管内外工质类型，制冷剂还是载冷剂；(2)工质的进出口，一般走液态工质的进出口较细，而走气态工质的进出口较粗；(3)两种工质的流向相对关系，即顺流、逆流还是叉流。

6.2　冷凝器

一般来讲，冷凝器从冷却方式上可以分为风冷式和水冷式两种形式。风冷式一般采用管翅式冷凝器；而水冷式一般采用壳管式和套管式。无论是壳管式还是套管式冷凝器，也可以从上述认识蒸发器的一般方法进行掌握。

7　蒸汽压缩式制冷循环的辅助设备

制冷系统装置中除了四个基本设备外，不同蒸汽压缩式制冷系统还选择性的配有若干种辅助设备，这种设计方案在大型制冷装置中尤为突出。常见的辅助设备有气液分离器、油分离器、储液器、干燥过滤器、回热器和中间冷却器等。关于辅助设备，除了各种设备自身的结构和原理，我们更多的需要指导学生了解其在制冷系统中的作用和由其作用决定的其所在制冷循环中的常见布置。

7.1　气液分离器

气液分离器的主要作用是分离制冷剂蒸汽和液体，以去除从蒸发器出来而进入压缩机未完全蒸发的少量液态制冷剂，进而防止压缩机产生液击，因而常常根据需要布置在蒸发器和压缩机之间。

7.2　油分离器

油分离器主要用来分离压缩机润滑油和制冷剂，以减少润滑油对制冷系统中换热设备传热的影响，也可以间接减小油堵发生的机率。因此，油分离器常常布置在压缩机和冷凝器之间。在氨制冷系统中，由于氨与润滑油不互溶，因此必须设置油分离器或者具有油分离作用的冷凝器。

7.3　储液器

储液器主要用来储存液态制冷剂，一方面可以确保制冷剂的流量稳定，另一方面也可以保证冷凝面积等等，因此常常布置在冷凝器后部，节流元件或干燥过滤器前部。

7.4　干燥过滤器

干燥过滤器主要用来干燥水分，滤除杂质，以减小节流元件乃至整个设备发生冰堵和脏堵的可能性。当然，一般制冷系统中最容易发生堵塞的设备是节流元件，因此干燥过滤器常常布置在节流元件前端。

7.5　回热器

回热器用来提高过热度和过冷度，从而可以提高制冷量和制冷系数，还能有效防止液击的发生。回热器布置在冷凝器和蒸发器之后，气态和液态制冷剂在换热器两侧进行换热，进而完成回热循环。其中，过热又分为有益过热和有害过热，学生在学习过程中应该学会予以区分。

7.6　中间冷却器

中间冷却器用来冷却低压级压缩机排气以降低高压级压缩机的的吸气温度，因而常常布置在两级压缩机之间。

8　结语

总之，学习蒸汽压缩式制冷循环对于全面认识制冷方法，深入理解热力循环具有重要意义，一方面可以带动学生对制冷各种方法的研究，另一方面，对深化热工教学，培养对热工大专业领域的学习兴趣都起到积极促进作用。

参考文献：

[1]匡江红,夏鹏.制冷原理及设备”教学改革探索与实践[J]. 现代教育技术，2008，(S1).

[2]邓玉艳. 《制冷原理及设备》课程教学改革与实践[J].科技信息(学术研究)， 2008，(29).