能源效率参考/制冷/附录

制冷：技术附录

制冷评估指南的这一部分将解答之前阅读中可能出现的常见问题。除了几个新主题之外，以下内容还扩展了之前的一些主题。

• 制冷特性
• 简单制冷循环
• 多级系统
• 控制
• 建议

制冷剂特性

工作流体及其特性是制冷系统运行的关键。工作流体的热力学特性定义了成功系统设计中必须满足的条件。以下是常用制冷剂的简短列表：

• 卤代烃
• 氯氟烃 - 由于它们对地球的保护臭氧层具有破坏性影响，现在大多被禁止。R-11、R-12、R-113、R-114 和 R-115
• 其他卤代烃；R22、R134a、R502
• 无机氨（R717）、水（R718）、二氧化碳（R744）
• 烃类甲烷 (R50)、乙烷 (R170)、丙烷 (R290)

重要的制冷剂特性包括沸点、汽化潜热和比容。系统设计人员在为特定应用设计和确定设备尺寸时必须考虑这些特性。设备通常设计为使用一种特定的制冷剂。

沸点

相变（给定制冷剂的沸腾/冷凝温度对于任何给定压力都是恒定的。制冷系统设计人员使用恒温相变作为大多数系统中传热的主要方法。系统压力选择对应于会推动热量传递到所需方向的相变温度。

例如，吸气（低压侧）压力选择使液体制冷剂在所需温度下蒸发；饱和温度低于冷却空间或介质的温度。冷凝压力选择使得气态制冷剂会冷凝。将能量排放到外部，饱和温度高于外部空气温度。

汽化潜热 (hfg)

潜热代表在特定压力下蒸发过程中吸收的每单位质量制冷剂的能量量。制冷剂在低压下蒸发时吸收能量，在高压下冷凝时释放能量。汽化潜热较低的制冷剂在蒸发过程中吸收的能量比汽化潜热较高的制冷剂少。所需的制冷剂质量流量取决于 hfg 和所需的冷却负荷。

比容

比容是指在特定压力下每单位质量制冷剂所占据的体积。制冷剂的质量流量和压缩机入口处的比容决定了特定制冷剂所需的压缩机排量。

饱和温度

给定压力下气态制冷剂开始冷凝成液体的温度。

性能计算需要了解其他热力学特性，您可以在适当的表格或图表中找到这些特性。

莫利耶图

压力-焓 (p-h) 图，描述制冷剂在从饱和到过热的不同条件下的行为。该图的一个缺点是难以准确读取数据。表格或方程可以得出更准确的结果。

简单制冷循环

简单循环中的制冷经过 4 个不同的状态。更复杂的系统始终是简单循环的组合。下图显示了一个简单系统的示意图以及 4 个运行状态的热力学特性。

描述和假设

以下是构成简单制冷循环的 4 个状态的描述以及在莫利耶图上绘制循环时所做的假设。制冷状态在图中标记为 1 到 4。

1-2 冷凝器

热交换器，在高压制冷剂冷凝时将其热量排放到外部。我们假设冷凝器上没有压降。在大多数情况下，这是一个合理的估计。如果不是，冷凝器制造商会调整他们的传热等级。

2-3 膨胀

高压液体（通常是过冷的）通过膨胀装置。制冷剂压力下降，因为通过该装置的通道非常小。一些液体闪蒸成气体，吸收热量，并将制冷剂冷却到较低的饱和温度。传热很小。莫利耶图中的垂直线 2-3 假设该装置是等焓的。

3-4 蒸发器

冷的、低压的液气混合物蒸发，从冷环境中吸收热量。莫利耶图假设没有压降。

4-1 压缩机

制冷剂气体被压缩到更高的压力（通常是过热的）。制冷剂必须完全是气态的，因为液体可能会损坏压缩机。莫利耶图假设没有摩擦或传热（恒熵）。该假设是一个很好的初始近似值，可以使用效率等级进行调整。

设备

所有蒸汽压缩制冷系统都包括上一节中描述的四个状态。以下是关于这四个状态和一些相关设备的更多细节。

冷凝器

高压、过热气体冷却到其饱和点，然后在移除能量时冷凝。空气和水是两种常见的“热沉”。

风冷

空气的比热容低于水。冷凝器的有效性可以通过测量制冷剂离开冷凝器的温度与风冷机组的干球温度之间的温差来量化。

水冷

冷凝器的能量传递到水中。然后，水可以通过冷却塔进行冷却，并在封闭系统中循环使用或使用一次，传递到另一个过程或排放。结垢是一个问题，会降低水冷式冷凝器的效率。制冷剂管道必须经常清洗。

蒸发式

这些冷凝器使用空气流过喷洒水的管道，利用蒸发冷却效应。一些水蒸发或从冷凝器中吹出，必须补充。这种类型的冷凝器应在有水可用的地方使用，并且冷却负荷可以证明系统增加的复杂性和所需的处理水的复杂性是合理的。冷凝器的有效性，即冷凝接近温度，可以测量为制冷剂离开冷凝器的温度与湿球温度之间的温差。

冷凝“容量”决定了系统的最小冷凝压力。冷凝压力将保持在其压力设定值，除非可用的传热不能完全冷凝制冷剂。在这种情况下，冷凝压力和温度会升高，直到制冷剂能够完全冷凝。这种情况通常发生在炎热天气。当冷凝温度和压力升高时，被称为“漂浮”在环境温度之上。在一年中的大部分时间里，环境温度足够低，冷凝压力可以保持在最小值。

当环境温度接近最小冷凝温度时，冷凝温度会漂浮得更高，以确保所有制冷剂都能冷凝。冷凝温度始终高于环境温度，至少比冷凝器的最小接近温差 (MATD) 高。影响冷凝器 MATD 的因素包括：排热率、冷凝表面积和冷凝器的传热系数。MATD 通常可以在制造商或供应商的文献中找到，但通常在额定容量下为 10-15 华氏度。

冷凝器消耗能量

• 风机调节总体的传热系数以控制冷凝压力。增加流过线圈的空气流量可以改善传热，降低接近温差，并降低冷凝温度和压力。
  • 泵在蒸发式或壳管式冷凝器上循环水。
  • 排气控制：排气装置位于冷凝器附近。它们会去除可能在压缩机吸气压力降至大气压以下时泄漏到系统中的非冷凝气体，如空气。这些气体必须去除，否则系统性能会下降。非冷凝气体有效地减少了可用的冷凝传热面积；冷凝压力升高，传热下降，并可能发生腐蚀。

膨胀装置

制冷剂压力在膨胀装置中下降。膨胀使制冷剂冷却，因为一些制冷剂蒸发，并且混合物冷却到较低的饱和温度。膨胀装置可以像节流阀或毛细管一样简单。它通常更复杂，包括控制装置以主动调节流量。

主动流量控制阀感应蒸发器出口处的制冷剂温度。制冷剂气体通常过热几度，高于饱和温度，以便控制装置可以感应到完全蒸发。这也保护了压缩机免受液体冲击损坏。主动流量控制感应进入和离开蒸发器的制冷剂状态，相应地调整通过该装置的质量流量。机械或电子压力和温度传感器将信息反馈给流量控制装置，以调节制冷剂流量。浮子阀感应液体制冷剂的流量。浮子阀感应流入蒸发器的接收器中的液体制冷剂液位，调整制冷剂流量以维持所需的条件。

膨胀阀使用很少或根本不使用能量。电子膨胀阀需要最小的能量来监控和控制阀门。

蒸发器

当能量传递到蒸发器（冷侧）中的制冷剂时，液体制冷剂会蒸发。制冷系统通常从空气、水、防冻液或产品中去除能量。压缩机控制蒸发器中的吸入压力。

蒸发器风机或泵使用能量。横流盘管使用风机来最大化热传递。泵在液体过量供给系统中循环制冷剂，并通过冷却器循环防冻液。

除霜控制

除霜去除蒸发器冷却潮湿空气至冰点以下时形成的冰。除霜系统通常需要用于多级系统中的低级蒸发器。冰会降低热传递。有多种除霜方法可用，但所有方法都需要对蒸发器进行加热。通过泵送温水或热制冷剂气体穿过冰，或通过使加热元件通电来融化冰。

除霜类型的选择取决于可用能量。最节能的方法是使用暖水、废水来除霜蒸发器，但这并非总是可行。任何其他类型的除霜都需要额外的能量。电加热元件除霜效率排名第二，其次是热气除霜。热气除霜使用压缩机循环热制冷剂气体。所有这些都可以编程为以定时循环或按功率运行。

压缩机

压缩机使用能量将制冷剂压缩到更高的压力。所需的吸入压力由制冷空间或产品的温度以及蒸发器的 MATD 决定。

冷凝压力确定为使冷凝温度高于冷却介质的温度。为了稳定运行，所有添加的能量都必须从系统中去除。从冷环境中吸收的能量和驱动循环所添加的能量在冷凝器中被排斥。

吸入压力和排放压力取决于

• 制冷剂类型
• 所需的冷冻温度
• 外部温度（湿球或干球）
• 蒸发器 MATD
• 冷凝器 MATD

如果没有向系统添加功（压缩制冷剂），能量从低温介质传递到高温介质将不会发生。添加到制冷系统中的大部分功是在压缩机处添加的。

一些压缩机能够通过卸荷气缸（在往复式压缩机中）或移动滑阀（在螺杆式压缩机中）来部分负荷运行。然而，部分负荷功率与制冷剂流量并不直接成比例，因为压力降取决于控制类型和负荷。一些压缩机制造商提供性能曲线，这些曲线显示了不同负荷下的性能。

压缩机类型

压缩机可以是正排量式或动力式。离心式压缩机是动力式的，不包括在本指南中。以下是正排量式压缩机的描述。请注意，压缩机润滑油在压缩过程中会夹带在制冷剂中，特别是对于螺杆式压缩机。通常需要分离器将油从制冷剂中分离出来。

往复式压缩机

电机驱动压缩机的曲轴，使活塞在气缸中往复运动。每个活塞向下移动，产生低压容积，制冷剂气体流入气缸。然后活塞向上移动，压缩制冷剂，直到其以高压排出。

往复式压缩机使用簧片阀或板式阀，这些阀门根据压力差工作。当气缸压力降至吸入管路压力以下时，吸入阀打开，允许制冷剂进入，而排气阀保持关闭。当气缸压力升至排气管路压力以上时，排气阀打开，制冷剂被强制排出，而吸入阀保持关闭。

压缩机气缸中需要间隙容积，以允许阀门运行和设备随着时间的推移而伸展。由于额外的间隙，制冷剂永远不会完全从压缩机中排出。当压缩机执行吸入冲程时，被困的制冷剂在压力下降到足以让新制冷剂进入之前重新膨胀。这种必要的间隙容积降低了压缩机的工作容积效率。

螺杆式压缩机

制冷剂流量比往复式机组更平稳。[这实际上是一个很糟糕的描述。如果在本文档或以前版本中存在，请从其他地方复制一个。]

旋转叶片

旋转叶片式压缩机在固定轴承上有一个偏心安装的气缸。安装在气缸槽中的叶片密封在机壳壁上。旋转叶片有时用作二级系统的低级压缩机，因为工作容积效率高。一般来说，旋转叶片式压缩机使用不频繁，需要高维护，部分负荷效率低。遇到旋转叶片式压缩机时，请考虑用其他类型的压缩机替换。

多级系统

简单的制冷循环受到单个压缩机能够有效维持的最大压力差的限制。冷凝器和散热器（室外空气、水等）有助于决定排气压力。对于只有一个压缩机的简单系统，吸入压力受到限制。单级系统通常无法有效地实现低于 -15 华氏度的温度。

要实现更低的制冷剂温度，必须使用多级系统。多级系统有两种常见类型：复合式或级联式。复合式系统有一个连续循环。以下 p-h 图显示了不同点的热力学性质。

二级复合式系统

二级系统的主要优点是，它们可以达到比一级系统更低的温度。多级设备比一级系统更昂贵，但效率更高。

二级级联式系统

级联式系统实际上是两个独立的一级系统，它们通过级联冷凝器连接在一起。级联冷凝器充当低压系统的冷凝器和高压系统的蒸发器。级联式系统实际上是两个独立的一级系统，它们在级联热交换器处连接在一起。级联热交换器充当低级系统的冷凝器和高级系统的蒸发器。

节能型单级系统

节能型单级螺杆式压缩机比二级系统便宜，但可用于实现比简单循环更低的温度。节能器还可以在给定的吸入压力下将制冷量提高 10% 到 40%。以下图示显示了节能型单级系统的示意图和 p-h 图。

在节能型循环中，阀门将高压液体制冷剂膨胀到节能器容器中的中间压力，从该容器中通过中间吸入端口将制冷剂气体抽入压缩机。剩余的液体制冷剂通过第二个膨胀阀进入蒸发器。

中间压力饱和气体与压缩机中的过热气体混合，降低了混合物的总过热度。温度随着流经低级压缩机的流量而降低，从而降低了总压缩机功率。

热传递

以下方程式描述了穿过热交换器的热传递。

• Q = U x A x delta T = m x ha-b
• 其中，
  • Q = 热传递
  • U = 总热传递系数
  • A = 交换器表面积
  • Delta T = 温差
  • m = 制冷剂质量流量
  • delta ha-b = 状态 a 和 b 之间的比焓变化

热传递随着上述任何控制变量的增加而增加。例如，热传递 (Q) 将随着温差的增大而增加，然后制冷剂质量流量或焓变也必须增加以去除额外的能量。否则，风机将循环到滑阀，或增加压缩机电机速度。

当制冷负荷增加时，系统必须适应更大的热传递。.蒸发器的表面积不会改变，但风机会影响热传递。风机需要的能量少于压缩机，因此通过风机最大化蒸发器热传递并使吸入压力升高以降低压缩机负荷更有效。

控制

制冷负荷和室外温度随时间变化。制冷系统必须适当地对这些变化做出反应，以保持被冷却介质或空间的温度。有多种类型的控制可用以应对负荷变化。控制制冷系统最常用的方法是滑阀、气缸卸荷、开-关、压缩机速度、压缩机卸荷和热气旁路。

滑阀

大多数螺杆式压缩机都有一个滑阀，用于部分负荷控制。滑阀允许部分制冷剂在部分负荷运行期间从转子中排出而未被压缩。

气缸卸荷

往复式压缩机中的单个气缸可以卸荷，以改变流经压缩机的制冷剂流量。例如，一个双缸往复式压缩机可以通过减少 50% 的流量来降低 40% 的功率。由于卸荷气缸中的摩擦，功率降低不是直接的。

开-关

吸入压力决定了压缩机何时开启和关闭。当吸入压力由于制冷负荷而升高时，压缩机开启，直到吸入压力降至低压设定值以下。这种控制主要用于小型系统（<5 hp），在这些系统中，它不会导致电机短时间循环。开-关控制是往复式压缩机中最简单的控制。

压缩机速度控制

通过控制压缩机电机的速度，可以调节制冷剂质量流量。变频驱动器 (VSD) 可以改变压缩机速度。VSD 降低了压缩机在部分负荷下的功率需求，但并不常见，因为它价格昂贵，效率提高幅度很小，而且可能不可靠。

压缩机卸荷

多压缩机系统包括多个压缩机，它们共用一个公共集管。质量流量通过开启和关闭单个压缩机来控制。在这种类型的系统中，压缩机可以分级，以便最有效的压缩机先开启。

热气旁路。该图描述了热气旁路。这种方法最不可取，因为没有部分负荷压缩机节能。压缩机始终满负荷运行。旁路阀感应压缩机吸入压力（制冷负荷）并将热气旁路到蒸发器。这种方法效率不高。

建议

1) 降低排气压力

压缩机完成的功随着压缩比的增加而增加。吸入压力通常是固定的，但冷凝压力取决于负荷、室外空气温度和冷凝器风机控制。

最小冷凝压力由空气冷却和蒸发式冷凝器上的风机控制。风机控制改变总热传递，以维持冷凝压力。冷凝接近温度差通常设计为在所有风机全负荷运行的情况下约为 10 华氏度。

为了将热量传递到温暖的夏季空气中，制冷剂排气压力通常高于冬季或空气较冷的夜晚。然而，最小冷凝压力设置通常全年保持夏季水平。夏季可接受的较高压力设置在较冷的日子里效率低下。全年高于 80 华氏度的冷凝温度设定点可能过高。卤代烃系统的冷凝温度设定点通常超过 100 华氏度。当降低最小压力设置时，风机将更多地运行以降低冷凝温度。较低排气压力下的压缩机节能通常超过风机能耗的增加。

控制排气压力的策略包括多个风机循环、2速或变频风机。当环境温度升高时，冷凝压力往往会上升。如果风机尚未处于满负荷状态，其使用率或速度将增加以维持冷凝压力。当风机达到满负荷状态时，环境温度的任何进一步升高都会导致冷凝压力和温度也升高。冷凝温度将比环境温度高出最小接近温度差。这种状态被称为“浮动”排气压力。

降低冷凝压力时，注意不要低于循环制冷剂通过系统所需的最低压力，以避免闪蒸气体并在使用液体喷射的情况下冷却压缩机。确定MATD的一种方法是手动操作冷凝器上的所有风机。观察系统响应以查找潜在问题，因为排气压力会下降。这必须缓慢进行，因为通常需要一段时间才能稳定下来。检查压缩机油温并监控排气压力。与环境温度比较。最低冷凝温度将取决于测试时的环境温度。

如果在低压力下制冷剂流量不足，请识别并调整或更换可能限制流量的针阀或节流孔。可以在冷凝器后的液体管路中安装一个小型的磁力耦合密封离心泵，通过增加压力来对液体进行过冷，从而减少闪蒸气体。另一个小型泵可以确保在低压力下有足够的液体喷射冷却。氨系统需要特殊的叶轮以避免腐蚀。

冷凝压力下降后，获得所需制冷效果所需的质量流量会减少。压缩机功率下降。压缩机功率随着压缩机功和质量流量的下降而下降。净排热量也随着质量流量的下降而下降。以性能系数 (COP) 表示的系统效率随着制冷效果的提高和压缩机功的降低而提高。

寻找：更高的冷凝压力。如果您在夏季评估工厂，冷凝压力通常会浮动。您将处于浮动状态。您将不得不询问或记录压力设置，以及它们是否发生了变化。

2) 提高吸气压力

压缩机控制装置维持吸气压力。工厂人员通常将压缩机控制装置设定在比高效运行所需的温度低。在蒸发器和冷却介质之间保持较大的温差以确保一切保持冷却。

吸气压力升高后，可以降低制冷流量，同时保持相同的系统冷却。降低制冷流量和压缩比可以降低压缩机功率和冷凝器排出的总热量。COP 随着制冷效果的提高和压缩机功的降低而提高。

寻找：低的制冷吸气压力。由于蒸发器盘管脏或结垢，可能需要较低的制冷剂温度。购买更多蒸发器可能是经济有效的。还要注意减压阀降低吸气压力。

3) 热虹吸和液体喷射冷却

油吸收压缩热量的一部分。必须冷却油以避免压缩机损坏。油冷却适用于螺杆式压缩机。

液体喷射冷却是冷却压缩机油的一种方法。高压液体制冷剂膨胀（冷却）并注入压缩机中的中间端口。液体喷射冷却的缺点是，重新注入的制冷剂必须重新压缩，使用 5% 到 15% 的总压缩机功率，具体取决于压缩比。

热虹吸油冷却图示说明了另一种冷却压缩机油的方法。压缩机油底壳旁的热交换器使用由浮力驱动的制冷剂冷却油。一个小接收器为热交换器提供液体制冷剂，液体制冷剂蒸发。气体上升到冷凝器。这种类型的冷却不使用额外的功率，因为制冷剂不会重新注入压缩机，也不需要重新连接。

由于压缩机功率降低，现有冷凝器风机能量不会显着增加。新的热虹吸冷凝器将增加风机功率，但通过降低负载和冷凝温度来提高现有压缩机的性能。

寻找：压缩机侧面的液体制冷剂管路和膨胀阀。

4) 冷凝器风机上的变频驱动

可以通过调整风机速度来控制冷凝器中的传热。大多数冷凝器风机电机只有一个速度，因此传热通过开/关控制（循环）来控制。当风机开启时，它会消耗满功率。

控制电机速度的两种常见方法是：变频驱动器 (VSD) 和两速电机。风机在部分负荷下不会消耗满功率，从而节省功率和能量。

控制电机速度的方法包括可以应用于交流电机的固态驱动器，以降低电机速度。

当冷凝压力升高到压力设定值以上时，风机增加速度或循环以增加冷凝器传热。如果有多个单速风机，它们会依次打开，直到所有风机都打开，或者冷凝压力回落到设定值。

当在单个冷凝器上按顺序使用多个风机时，在安装变频驱动器后，重要的是将它们全部一起运行。与风机按顺序运行变频驱动器相比，将有更大的节省。

寻找：单速冷凝风机。否则，确定使用的驱动器类型。

5) 蒸发器风机上的变频驱动

与冷凝器一样，单速蒸发器风机根据制冷剂负荷连续运行或循环开启和关闭。当制冷剂负荷高时，风机以满功率运行。当制冷剂负荷降低时，风机可以关闭以节省能量。一旦冷却空间和介质达到温度设定值，制冷剂负荷将下降。多余的能量被浪费，并且仅需要气流来防止空气在冷却空间中分层。与冷凝器一样，VSD 和控制装置将降低部分负荷风机功率。

寻找：连续运行的蒸发器风机（最佳机会）或循环控制空间温度。

6) 避免过大的制冷负荷

在冷却器或冷冻机中，除了产品之外，还有其他制冷负荷：外部热量增益、过量的或效率低下的照明以及效率低下的门和密封。在隔热性能差的空间中，制冷负荷的很大一部分可能是来自暖空气和阳光的外部热量增益。隔热效果差的墙壁、天花板和门，长时间打开的门以及功能不良的气帘或自动门也会导致热量增益。

灯具增加到房间的能量会增加制冷负荷。使用低瓦数、高效的灯具，既可以节省压缩机的能量，也可以节省照明系统的能量。某些灯泡不能在低温下使用，因此在推荐替代照明时要小心。

寻找：冷冻室温度高于预期。冷的外表面、温暖的内墙或缓慢的门是效率低下的迹象。冷冻空间中的白炽灯和高照度水平。

7) 安装节能器

节能器用于螺杆式压缩机，以获得比简单循环所能达到的略低的制冷剂温度。往复式压缩机不能节能，因为没有办法在中间压力下注入制冷剂气体。

寻找：用于达到低温的简单制冷系统。