1、四种内部循环过冷方法与热力学计算

1．1 内部循环过冷方法  

制冷空调系统内部循环过冷方法的本质就是利用循环中某一环节的部分或全部制冷工质吸收冷凝器出口工质的热量。根据利用部位的不同可以有如下四种方法:

( 1) 方法一

方法一为传统的采用回热器的回热循环，利用了蒸发器出口的低温气态制冷工质吸收冷凝器出口高温工质的热量实现过冷。采用回热循环的制冷空调系统示意图如图1 所示，这种方法在实现液态工质过冷的同时也会导致压缩机存在一定的吸气过热，且工质过冷度幅度一般不大。

该方法实现起来较为简单，只需增加一个间壁式换热器，或者直接将压缩机吸气管与冷凝器出液管紧密地固定在一起达到能够实现传热的效果即可。

( 2) 方法二

节流之后的制冷工质温度低，因此也可以在节流阀后、蒸发器供液前直接分流出一部分低温工质对冷凝器出口处的高温工质进行吸热过冷，采用该方法的制冷空调循环系统如图 2 所示。

系统中只有一个节流阀，进入蒸发器内的工质与分流进入过冷器内的工质的温度、压力相同，因此，压缩机的吸气压力可视为蒸发压力。节流后的工质在过冷器内吸热存在相变，汽化潜热大，因此，在过冷度相同的情况下方法二中的过冷器结构尺寸相对于方法一中的回热器会更加小巧紧凑。

( 3) 方法三

该方法是将冷凝器出口的高温制冷工质分流出一部分，利用分流出的一小部分制冷工质产生节流冷效应，在过冷器中实现对剩余制冷工质的吸热过冷。使用这种方法实现内部循环过冷的制冷空调系统示意图如图 3 所示。

由于辅助节流阀的存在，过冷幅度有一定调节能力，压缩机的吸气压力也不再与蒸发压力相同，而是蒸发器出口工质与过冷器出口工质混合后的压力。相对于方法二，方法三在冷凝器出口直接分流可能导致辅助节流后工质干度过大，分流工质的比例增大。

( 4) 方法四

在过冷器出口进行工质分流，分流出的一部分制冷工质通过辅助节流阀节流降温再进入过冷器为冷凝器出口的高温工质过冷，采用该方法实现内部循环过冷的制冷空调系统示意图如图 4 所示。

压缩机的吸气压力同样受到两组工质节流后的流量、压力影响。由于分流出的制冷工质在节流前经过了过冷，因此，相同的节流工况下，方法四中辅助节流后的工质干度更小。

1．2 热力学计算模型的建立

本文采取热力循环计算的方式进一步分析前述四种内部循环过冷方法对制冷空调系统性能的影响，下面对四种过冷循环的热力学模型做出如下假设:

①忽略管道与换热器内部制冷工质流动的阻力与动能变化;

②各换热器在进行热量交换时无能量损失;

③除蒸发器、冷凝器外，系统其余部件不与外界环境发生热量交换;

④节流前后认为制冷工质的焓值不发生变化;

⑤冷凝器出口制冷工质为冷凝压力下的饱和液体;

⑥蒸发器、过冷器出口制冷工质为各自对应的蒸发压力下的饱和气;

⑦压缩机吸气前有气液分离装置，吸气为蒸发器、过冷器出口制冷工质发生混合后对应压力下的饱和气;

⑧制冷工质压缩过程按照等效率 0.7 进行。

1.2.1 系统 COP 计算方法

系统 COP 是评价制冷空调系统性能的一个重要指标，采用上述四种过冷方法的制冷空调系统 COP 计算方法分别介绍如下:

( 1) 方法一

 

采用方法一进行过冷的系统循环压焓图如图 5 所示，对应的系统循环 COP 计算公式为:

( 2) 方法二

采用方法二进行过冷的系统循环压焓图如图 6 所示，由于模型假设中规定过冷器与蒸发器出口均为饱和气，因此，压缩机吸气状态点与过冷器、蒸发器出口状态点相同，对应的系统循环COP 计算公式为:

( 3) 方法三

采用方法三进行过冷的系统循环压焓图如图7 所示，过冷器与蒸发器出口温度压力不同，压缩机吸气状态点为混合后制冷工质对应压力下的饱和气，对应的系统循环 COP 计算公式与公式( 2)相同。

( 4) 方法四

采用方法四进行过冷的系统循环压焓图如图 8 所示。方法四中状态点 7 为从过冷后的状态点 4 按照等焓原则降压得到的。对应的系统循环COP 计算公式与公式( 2) 相同。从压焓图上看，方法四中从4 点进行分流并节流到7点后的制冷工质干度更小，利于实现工质过冷，但被过冷工质为系统循环中全部的工质; 方法三中分流的工质在节流后的干度更大，不利于实现工质过冷，但被过冷工质总量更小。

1．2．2 分流比例 FＲ 计算方法

内部循环过冷方法二、三、四需要从系统中分流制冷工质，分流的比例影响蒸发器制冷量与系统 COP，另外制冷工质在经过辅助节流阀的节流后还会影响压缩机的吸气压力。用于过冷分流的 制冷工质占循环总工质流量的质量分数计算方法如下:

( 1) 方法二

( 2) 方法三

3) 方法四

根据公式( 3) 、( 4) 联立，方法四的 FＲ 计算公式同公式( 5) 。

在以上模型假设与计算方法基础上，选取了制冷空调行业常见的 Ｒ410A、Ｒ134a、Ｒ407C、 Ｒ290 四种制冷剂作为循环工质，改变不同的热力学计算工况，分别计算并讨论各种内部循环过冷系统的性能与循环关键参数的变化情况。模拟计算的工况条件如表 1 所示。

2、结果与讨论

 

2．1 采用不同制冷工质时随过冷度变化的系统性能分析

利用方法二、三、四实现工质过冷需要从循环中进行工质分流。如果分流的工质比例过大则不利于系统的应用。图 9 为计算工况 1 ～ 4 的条件下不同工质在不同过冷度下所需分流的质量流量比例变化情况。

随着过冷度的提高，三种方法所需分流的工质质量流量也越来越大。在相同的过冷度下，Ｒ410A 相比于其它工质所需的分流比例要更高一些，即便如此在过冷度为 10 ℃的条件下FＲ 值仍小于 0.12。

采用方法二时，在同一过冷度下 FＲ 值要高于采用方法三、四，这是因为虽然从节流阀出口进行分流的工质温度更低，但工质的干度也更大，在对冷凝器出口高温工质进行过冷时就需要提供更大的流量。采用方法三、四时， 在同一过冷度下 FＲ值均相同，这一现象是由于在 FＲ 的计算方法中，虽然分流位置不同，但在同一计算工况下分别用于计算 FＲ 值的工质状态点的焓值却是相同的。

计算工况 1 ～ 4 的条件下，系统 COP 变化情况如图 10 所示。首先可以发现，在采用方法三或方法四进行过冷时，系统 COP 的变化完全相同，这是因为从系统 COP 的计算方法来看，COP 的变化主要取决于 FＲ 值与公式中状态点对应的焓值，两种方法的 FＲ 值与各状态点焓值均分别相同，因此，系统性能变化规律也完全相同。

在蒸发温度 12 ℃、冷凝温度 45 ℃ 的条件下，采用方法三、四进行过冷可有效提高系统性能水平; 方法二对系统性能无提高效果; 方法一对 Ｒ410A 系统COP 提高不利，对于其余三种工质系统的 COP 提高程度也较弱。分流的制冷工质虽然可以对冷凝器出口工质进行过冷，减小进入蒸发器制冷工质的干度，对制冷系统有利，但系统同时也需要提供分流工质循环的压缩功。不同制冷工质的热力性能不同，因此，造成了不同工质在采用不同过冷方法后的系统 COP 数值变化差异。

工质的排气温度影响制冷空调系统运行的稳定性与安全性。计算工况 1 中采用不同内部循环过冷方法时，制冷工质的排气温度与过冷度之间的变化关系如图 11 所示。从图中可以看出，在采用方法一时，排气温度会随着过冷度的增大而逐渐升高，这是因为方法一是利用压缩机吸气前的制冷工质吸热来实现过冷，因此，会造成压缩机的吸气过热度提高，在压缩终了会大幅度提高排气的温度，这表明采用回热方法对制冷工质进行过冷会受到更多的限制。而其余三种方法则是不存在由于过冷而导致的吸气过热度大幅度升高的现象，这也有利于这类过冷方法的推广应用。

在计算工况 1 中系统压缩机的增压比变化情况如图 12 所示。在方法一、二中，系统仅有一个蒸发压力，因此，增压比不会随着过冷度变化而变化。在方法三、四中，为了实现更大程度的过冷需要提高分流的工质比例，用于过冷的工质与蒸发器内工质的蒸发压力并不相同，因此，在吸气前两路不同压力的工质发生混合会由于流量比例的变化而导致压缩机吸气压力变化，最终压缩机的增压比也会发生相应的变化。

从表中可以看出，随着过冷度的增大，采用方法三、四时系统压缩机的增压比是逐渐减小的，这是因为过冷度增大时，分流出的具有更高蒸发压力的那部分工质的流量增加了，提高了压缩机吸气前的工质压力。压缩机 增压比的减小有利于系统 COP 的提高。

2．2 保持过冷度不变时随冷凝温度变化的系统性能分析

冷凝温度对于系统 COP 有巨大影响，普通制冷空调系统的 COP 会随着冷凝温度的升高而下降。在计算工况 5 的条件下采用不同过冷方法时系统 COP 变化情况如图 13 所示。

冷凝温度从38 ℃升高到50 ℃ 的过程中，采用各种过冷方法 的系统 COP 都出现下降的趋势，但采用方法三、 四进行过冷的系统 COP 要始终高于采用方法一、二的系统。在整个冷凝温度计算区间内，采用方法三、四进行过冷的系统 COP 要高出采用方法一、二的系统 3.89% ～ 6.11% 。

2．3 过冷度与过冷器出口冷、热工质温差同时变化时的系统性能分析

过冷器出口冷、热工质的温差会影响系统的性能。图 14 为在计算工况 6 的条件下采用方法三、四进行过冷的 Ｒ410A 系统 COP 变化情况。

可以发现: 

增大过冷度并减小过冷器出口制冷工质的温差会令系统 COP 朝着增大的趋势发展。 在蒸发压力、冷凝压力不变的前提下，过冷器出口制冷工质的温差是由分流工质节流后的压力决定的，节流后压力越低则温度越低、温差越大、分流的工质进入过冷器前的干度越小，要实现相同的过冷度就会提高 FＲ 值，这就导致 COP 数值下降。 因此，在同一过冷度下应尽可能减小过冷器出口冷、热工质的温差。

来源：制冷空调换热器

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