5.2.1 蒸气压缩式制冷热泵系统的工作特性（1）在线视频

在介绍完蒸气压缩式制冷热泵系统之后

下面 我们来讨论系统的工作特性问题

制冷系统的工作特性 非常重要

它是制冷系统的优化设计 运行调节

与故障诊断的理论基础

我们知道

一个典型的蒸气压缩制冷循环系统

主要由压缩机 冷凝器 膨胀阀和蒸发器组成

同时

制冷剂 是制冷系统的血液

故 它也是系统的重要组成部分

我们把只具有上述因素的制冷系统

叫做 “简单制冷系统”

当压缩机 冷凝器 蒸发器

膨胀阀的边界条件出现耦合

或者 这些部件的数量超过1时

我们则称这类系统为 “复杂制冷系统”

我们 在设计制冷系统的时候

需要 根据给定的“设计条件”

确定制冷系统的设计工况

然后 按照设计工况 设计系统的各个组成部件

使系统运行时 各个部件的能力相互匹配

充分发挥各个部件的工作能力

所谓 设计条件

是指 室外侧空气温度 冷却水温度

用户侧（供水）温度 回水温度等条件

制冷系统的设计工况

是指 蒸发温度 冷凝温度 过热度

再冷度等 这些系统的内部参数的设计值

然而

我们知道

制冷系统 很少运行在设计工况

当工况发生变化时

机组的性能 将会如何变化呢

这将是 我们需要回答的问题

我们在这里 先对制冷系统的工作特性给出定义

制冷系统的工作特性 是制冷系统的制冷量

耗功率与外界参数之间的关系

为了获得制冷系统的工作特性

我们可以 通过大量的实验来获得

但由于 实验工况非常多

工作量非常大

因此

我们通常采用 模拟解析和图解分析方法来获得

虽然 二者的方法有所不同

但其本质是相同的

就是为了获得制冷系统运行在不同工况下的

联立方程解集 或者叫 性能曲线

对于定容量制冷系统而言

也就是采用定速压缩机

且没有任何容量调节措施时

我们需要获得制冷量 输入功率等性能参数

关于冷凝器冷却介质的进口温度与流量

蒸发器被冷却介质的进口温度和流量

的函数关系

或者 由这些函数关系式绘制的性能曲线

首先

我们来看看 如何获得制冷系统

的函数关系式 或者性能曲线

由于图解分析法 非常简单直观

因此

下面 我先以图解法为例

介绍定容量制冷系统的工作特性

然后

我请助教同学 在EES软件平台上

展示采用模拟解析法的实现方法

不同制冷部件的组合 可以组成不同的产品

除四大部件可以作为产品单独销售外

还可以 将压缩机和冷凝器做成一个产品

这就是 冷库制冷系统中的标准化产品

压缩冷凝机组

以及 将蒸发器和热力膨胀阀做成一个产品

这就是 冷风机

在冷库设计时

通过选配压缩冷凝机组和冷风机

就可以构成一个冷库的制冷系统了

还有一类产品

就是将四大部件进行整体匹配优化 做成的标准化产品

这些产品

它们可以是 做成一个整体的

也可以是 做成多个组件并在现场拼装而成的

这是我们常用的 各种各样的制冷热泵产品

我们可以将它看成是 压缩冷凝机组和蒸发器

并配有适宜节流装置的一体化产品

下面 我们对压缩机 压缩冷凝机组

和制冷机组三类典型产品的工作特性 进行分析

对于理论输气量不变的制冷压缩机

也就是常说的 定容压缩机

当所用制冷剂一定时

它的制冷量 耗功率

以及需要从冷凝器排出的热量

与蒸发温度和冷凝温度呈一定的函数关系

这里给出了 压缩机的性能曲线

该曲线 是在给定吸气过热度

和高压液体再冷度的前提下 通过实验获得的

其横坐标 是蒸发温度

纵坐标 是制冷量 输入功率 电流等参数

图中的一组曲线表示

不同冷凝温度时的性能参数

以便技术人员在研发设计制冷系统时使用

这组曲线 可以拟合成各种形式的函数

美国AHRI540标准

给出了这些性能参数

可以表示成

关于蒸发温度和冷凝温度的10系数方程

故 行业内也称为压缩机的“10系数模型”

各组性能曲线

我们可以通过转置

描述成 以横坐标为冷凝温度的一组曲线

图中的各条曲线

反映出了不同蒸发温度时制冷量

输入功率与冷凝温度的变化关系

这就变换成为了 右边这两幅图

根据能量守恒方程

就可以 将压缩机功耗与制冷量相加

获得冷凝器排热量 即冷凝负荷的方程

利用图解法时

即用左边的制冷量与输入功率直接相加

即可 获得右面的冷凝负荷

关于冷凝温度和蒸发温度的曲线簇

压缩冷凝机组的工作性能

不同于单独的压缩机

也不同于冷凝器

而是两者的联合工作特性

要想得到压缩冷凝机组的工作特性

就必须知道 冷凝器的工作特性

因为 冷凝负荷

等于冷却介质与制冷剂之间的换热量

因此

我们可以 将换热量描述成冷凝温度

与冷却介质进口温度的显式表达式

这个公式 实际上就是换热器的NTU-ε模型

公式中的系数FR 就是换热器的效能ε

这里给出了 一台风冷式冷凝器的性能曲线

反映了 当换热器结构形式和风量一定时

冷凝器的冷凝负荷

随冷凝温度 进口风温的变化关系

如果 将这组曲线写成方程

就是 冷凝器的性能模型

将压缩机性能模型和冷凝器性能模型联立求解

消除中间的变量 冷凝温度

即可获得 压缩冷凝机组的

制冷量 输入功率关于蒸发温度

冷却介质进口温度和流量的关系式 或者是方程组

将该方程组 绘制成一组曲线

就得到了 压缩冷凝机组的性能曲线

从图中 可以看出

该性能曲线 是以横坐标为蒸发温度

纵坐标为制冷量和输入功率

图中给出了 给定风量和结构的冷凝器

在不同蒸发温度

不同进口风温时机组的制冷量

和输入功率的曲线族

通过该性能图

就可获得 压缩冷凝机组的在不同进风温度

和不同蒸发温度时的运行性能

根据上述分析

我们可以得到

下列关于压缩冷凝机组的几个结论

第一 压缩冷凝机组的性能

取决于压缩机和冷凝器的性能

第二 对于已知结构的压缩冷凝机组

其蒸发温度 冷却介质的进口温度和流量

决定了它的工作性能

因此

我们对给定结构的压缩冷凝机组

进行性能标定时

必须规定 冷却介质的入口温度 流量

和系统的蒸发温度

当机组的风量一定的时候

必须给定 空气进口温度和系统的蒸发温度

换句话说

空气的进风温度和系统的蒸发温度

是压缩冷凝机组的工况条件

第三 冷凝器性能曲线的斜率与传热系数

和传热面积的乘积成正比

因此

设计时

如果 传热面积与冷却介质的流量取得过小

则 冷凝器的性能曲线就比较平缓

也将导致机组的制冷量 或者是制冷能力较小

第四 机组在使用过程中

可能会出现性能衰减的问题

影响其性能衰减的因素

可以从传热面积和传热系数

两个方面 来进行分析

其一 传热面结垢 集尘

传热管内表面存油

以及冷却介质的流量 如风量减小

都将导致传热系数的减小

第二 如果冷凝器中的制冷剂存液过多

或者是 存在有不凝性气体

必然占据冷凝器的有效传热面积

也就等于缩小了传热面积

上述情况 均将导致冷凝器的性能曲线变得平缓

与正常情况相比

机组的冷凝温度将上升

导致制冷能力降低

输入功率增大

在压缩冷凝机组的基础上

再配上蒸发器以及节流装置

便是一整套制冷机组

如果 节流装置能够提供蒸发器所需的供液量

即认为 节流装置是一个理想节流装置

制冷机组的工作特性

就可以看成是 压缩机 冷凝器

蒸发器三者的联合工作特性

为分析制冷机组的工作特性

首先

必须建立蒸发器的性能模型

或者 获得蒸发器的性能曲线

当蒸发器为水冷式蒸发器

或者是风冷式蒸发器干工况运行时

其工作特性与冷凝器类似

仍可采用NTU-ε模型 来描述蒸发器的性能

对于给定结构的蒸发器

其制冷量 取决于蒸发温度

被冷却介质的进口温度和质量流量

但是 当风冷式蒸发器在湿工况下运行时

由于同时发生了能量和质量交换

其推动力为比焓差

也可以看作是 湿球温度差

此时 传热温差是进口空气的湿球温度

与蒸发温度之间的差值

其传热系数 如果表示成以湿球温度

为基础的传热系数的话

则可采用 与干工况下相似的蒸发器性能模型

只是将进口风温改为进口空气的湿球温度

这里 给出了一台湿蒸发器

在工况下运行的性能曲线

横坐标 是蒸发温度

纵坐标 是制冷量

这组曲线 则反映了

不同进口（进风）湿球温度时 蒸发器的制冷量

由于空调器 单元式空调机

以及多联机 在制冷模式下运行时

一般都处于湿工况

故 分析它们的性能时 应采用湿工况性能模型

联立求解 压缩冷凝机组方程 蒸发器方程

并消去蒸发温度这个内部参数

即可获得一套制冷机组的制冷量

输入功率的函数关系

可以看出

对于给定结构的制冷机组

其性能参数是两侧介质

即 蒸发侧介质和冷凝侧介质

的进口温度和流量的关系式

将上述性能关系式 绘制成曲线的话

就可以获得 一台制冷机组

或一套制冷系统的性能曲线

对于一台风冷式制取冷风的定容量制冷机组

如 单冷式空调机而言

当给定冷凝器和蒸发器的风量时

其制冷量和输入功率 取决于

冷凝器的进风温度

和蒸发器进风的湿球温度

当室外进风温度一定时

随着蒸发器进风湿球温度的升高

制冷量和输入功率均增大

当室内进风湿球温度一定时

随着室外空气温度的升高

制冷量将减小

输入功率将增大

这与我们生活中的感受 非常一致

天气越热

空调器的降温效果越差

且耗电量越多

下面 我对定容量制冷机组的工作特性

做一个简要的总结

对于给定的定容量压缩机

构成的制冷或热泵系统

如果膨胀阀 能够提供所需的制冷剂流量

则 此时系统的工作特性取决于压缩机

冷凝器和蒸发器的性能

冷凝器性能曲线的斜率

与其传热系数 换热面积的乘积成正比

因此

设计时如果其传热面积

与冷却介质流量取得过小

性能曲线 则比较平坦

制冷能力不能充分发挥

同理

蒸发器性能曲线的斜率

与其传热系数 换热面积的乘积成正比

所以

如果蒸发器的传热面积

或被冷却介质流量取得过小

其蒸发器的工作特性曲线 也越平缓

也将导致制冷量变小

制冷机组在运行过程中

影响其性能的所有因素

都可归结为对传热面积

和传热系数的影响

前面 我们已经分析了

冷凝器性能对压缩冷凝机组的影响规律

这里照样适用

下面 我只对影响蒸发器侧传热系数

和传热面积的因素 进行分析

导致蒸发器传热系数降低的原因有

传热管内外出现结垢 积油 积灰

或者是 冬季室外换热器结霜 结冰

以及被冷却介质流量变小

这都将导致传热系数降低

导致蒸发器传热面积减小的原因有

由于毛细管过长 膨胀阀选型过小

节流装置出现冰堵（即冰塞） 脏堵等现象

都会导致 蒸发器的过热度大幅度的增大

以及蒸发器内出现存油

这都将导致 蒸发器的两相换热区的面积减小

此时

蒸发器的性能特性曲线都变的变得平缓

与正常情况相比

该系统的蒸发温度 必然降低

从而导致制冷能力降低