能源效率參考/製冷/附錄

製冷：技術附錄

製冷評估指南的這一部分將解答之前閱讀中可能出現的常見問題。除了幾個新主題之外，以下內容還擴充套件了之前的一些主題。

• 製冷特性
• 簡單製冷迴圈
• 多級系統
• 控制
• 建議

製冷劑特性

工作流體及其特性是製冷系統執行的關鍵。工作流體的熱力學特性定義了成功系統設計中必須滿足的條件。以下是常用製冷劑的簡短列表：

• 鹵代烴
• 氯氟烴 - 由於它們對地球的保護臭氧層具有破壞性影響，現在大多被禁止。R-11、R-12、R-113、R-114 和 R-115
• 其他鹵代烴；R22、R134a、R502
• 無機氨（R717）、水（R718）、二氧化碳（R744）
• 烴類甲烷 (R50)、乙烷 (R170)、丙烷 (R290)

重要的製冷劑特性包括沸點、汽化潛熱和比容。系統設計人員在為特定應用設計和確定裝置尺寸時必須考慮這些特性。裝置通常設計為使用一種特定的製冷劑。

沸點

相變（給定製冷劑的沸騰/冷凝溫度對於任何給定壓力都是恆定的。製冷系統設計人員使用恆溫相變作為大多數系統中傳熱的主要方法。系統壓力選擇對應於會推動熱量傳遞到所需方向的相變溫度。

例如，吸氣（低壓側）壓力選擇使液體制冷劑在所需溫度下蒸發；飽和溫度低於冷卻空間或介質的溫度。冷凝壓力選擇使得氣態製冷劑會冷凝。將能量排放到外部，飽和溫度高於外部空氣溫度。

汽化潛熱 (hfg)

潛熱代表在特定壓力下蒸發過程中吸收的每單位質量製冷劑的能量量。製冷劑在低壓下蒸發時吸收能量，在高壓下冷凝時釋放能量。汽化潛熱較低的製冷劑在蒸發過程中吸收的能量比汽化潛熱較高的製冷劑少。所需的製冷劑質量流量取決於 hfg 和所需的冷卻負荷。

比容

比容是指在特定壓力下每單位質量製冷劑所佔據的體積。製冷劑的質量流量和壓縮機入口處的比容決定了特定製冷劑所需的壓縮機排量。

飽和溫度

給定壓力下氣態製冷劑開始冷凝成液體的溫度。

效能計算需要了解其他熱力學特性，您可以在適當的表格或圖表中找到這些特性。

莫利耶圖

壓力-焓 (p-h) 圖，描述製冷劑在從飽和到過熱的不同條件下的行為。該圖的一個缺點是難以準確讀取資料。表格或方程可以得出更準確的結果。

簡單製冷迴圈

簡單迴圈中的製冷經過 4 個不同的狀態。更復雜的系統始終是簡單迴圈的組合。下圖顯示了一個簡單系統的示意圖以及 4 個執行狀態的熱力學特性。

描述和假設

以下是構成簡單製冷迴圈的 4 個狀態的描述以及在莫利耶圖上繪製迴圈時所做的假設。製冷狀態在圖中標記為 1 到 4。

1-2 冷凝器

熱交換器，在高壓制冷劑冷凝時將其熱量排放到外部。我們假設冷凝器上沒有壓降。在大多數情況下，這是一個合理的估計。如果不是，冷凝器製造商會調整他們的傳熱等級。

2-3 膨脹

高壓液體（通常是過冷的）透過膨脹裝置。製冷劑壓力下降，因為透過該裝置的通道非常小。一些液體閃蒸成氣體，吸收熱量，並將製冷劑冷卻到較低的飽和溫度。傳熱很小。莫利耶圖中的垂直線 2-3 假設該裝置是等焓的。

3-4 蒸發器

冷的、低壓的液氣混合物蒸發，從冷環境中吸收熱量。莫利耶圖假設沒有壓降。

4-1 壓縮機

製冷劑氣體被壓縮到更高的壓力（通常是過熱的）。製冷劑必須完全是氣態的，因為液體可能會損壞壓縮機。莫利耶圖假設沒有摩擦或傳熱（恆熵）。該假設是一個很好的初始近似值，可以使用效率等級進行調整。

裝置

所有蒸汽壓縮製冷系統都包括上一節中描述的四個狀態。以下是關於這四個狀態和一些相關裝置的更多細節。

冷凝器

高壓、過熱氣體冷卻到其飽和點，然後在移除能量時冷凝。空氣和水是兩種常見的“熱沉”。

風冷

空氣的比熱容低於水。冷凝器的有效性可以透過測量製冷劑離開冷凝器的溫度與風冷機組的乾球溫度之間的溫差來量化。

水冷

冷凝器的能量傳遞到水中。然後，水可以透過冷卻塔進行冷卻，並在封閉系統中迴圈使用或使用一次，傳遞到另一個過程或排放。結垢是一個問題，會降低水冷式冷凝器的效率。製冷劑管道必須經常清洗。

蒸發式

這些冷凝器使用空氣流過噴灑水的管道，利用蒸發冷卻效應。一些水蒸發或從冷凝器中吹出，必須補充。這種型別的冷凝器應在有水可用的地方使用，並且冷卻負荷可以證明系統增加的複雜性和所需的處理水的複雜性是合理的。冷凝器的有效性，即冷凝接近溫度，可以測量為製冷劑離開冷凝器的溫度與溼球溫度之間的溫差。

冷凝“容量”決定了系統的最小冷凝壓力。冷凝壓力將保持在其壓力設定值，除非可用的傳熱不能完全冷凝製冷劑。在這種情況下，冷凝壓力和溫度會升高，直到製冷劑能夠完全冷凝。這種情況通常發生在炎熱天氣。當冷凝溫度和壓力升高時，被稱為“漂浮”在環境溫度之上。在一年中的大部分時間裡，環境溫度足夠低，冷凝壓力可以保持在最小值。

當環境溫度接近最小冷凝溫度時，冷凝溫度會漂浮得更高，以確保所有制冷劑都能冷凝。冷凝溫度始終高於環境溫度，至少比冷凝器的最小接近溫差 (MATD) 高。影響冷凝器 MATD 的因素包括：排熱率、冷凝表面積和冷凝器的傳熱係數。MATD 通常可以在製造商或供應商的文獻中找到，但通常在額定容量下為 10-15 華氏度。

冷凝器消耗能量

• 風機調節總體的傳熱係數以控制冷凝壓力。增加流過線圈的空氣流量可以改善傳熱，降低接近溫差，並降低冷凝溫度和壓力。
  • 泵在蒸發式或殼管式冷凝器上迴圈水。
  • 排氣控制：排氣裝置位於冷凝器附近。它們會去除可能在壓縮機吸氣壓力降至大氣壓以下時洩漏到系統中的非冷凝氣體，如空氣。這些氣體必須去除，否則系統性能會下降。非冷凝氣體有效地減少了可用的冷凝傳熱面積；冷凝壓力升高，傳熱下降，並可能發生腐蝕。

膨脹裝置

製冷劑壓力在膨脹裝置中下降。膨脹使製冷劑冷卻，因為一些製冷劑蒸發，並且混合物冷卻到較低的飽和溫度。膨脹裝置可以像節流閥或毛細管一樣簡單。它通常更復雜，包括控制裝置以主動調節流量。

主動流量控制閥感應蒸發器出口處的製冷劑溫度。製冷劑氣體通常過熱幾度，高於飽和溫度，以便控制裝置可以感應到完全蒸發。這也保護了壓縮機免受液體衝擊損壞。主動流量控制感應進入和離開蒸發器的製冷劑狀態，相應地調整透過該裝置的質量流量。機械或電子壓力和溫度感測器將資訊反饋給流量控制裝置，以調節制冷劑流量。浮子閥感應液體制冷劑的流量。浮子閥感應流入蒸發器的接收器中的液體制冷劑液位，調整製冷劑流量以維持所需的條件。

膨脹閥使用很少或根本不使用能量。電子膨脹閥需要最小的能量來監控和控制閥門。

蒸發器

當能量傳遞到蒸發器（冷側）中的製冷劑時，液體制冷劑會蒸發。製冷系統通常從空氣、水、防凍液或產品中去除能量。壓縮機控制蒸發器中的吸入壓力。

蒸發器風機或泵使用能量。橫流盤管使用風機來最大化熱傳遞。泵在液體過量供給系統中迴圈制冷劑，並透過冷卻器迴圈防凍液。

除霜控制

除霜去除蒸發器冷卻潮溼空氣至冰點以下時形成的冰。除霜系統通常需要用於多級系統中的低階蒸發器。冰會降低熱傳遞。有多種除霜方法可用，但所有方法都需要對蒸發器進行加熱。透過泵送溫水或熱製冷劑氣體穿過冰，或透過使加熱元件通電來融化冰。

除霜型別的選擇取決於可用能量。最節能的方法是使用暖水、廢水來除霜蒸發器，但這並非總是可行。任何其他型別的除霜都需要額外的能量。電加熱元件除霜效率排名第二，其次是熱氣除霜。熱氣除霜使用壓縮機迴圈熱製冷劑氣體。所有這些都可以程式設計為以定時迴圈或按功率執行。

壓縮機

壓縮機使用能量將製冷劑壓縮到更高的壓力。所需的吸入壓力由製冷空間或產品的溫度以及蒸發器的 MATD 決定。

冷凝壓力確定為使冷凝溫度高於冷卻介質的溫度。為了穩定執行，所有新增的能量都必須從系統中去除。從冷環境中吸收的能量和驅動迴圈所新增的能量在冷凝器中被排斥。

吸入壓力和排放壓力取決於

• 製冷劑型別
• 所需的冷凍溫度
• 外部溫度（溼球或幹球）
• 蒸發器 MATD
• 冷凝器 MATD

如果沒有向系統新增功（壓縮製冷劑），能量從低溫介質傳遞到高溫介質將不會發生。新增到製冷系統中的大部分功是在壓縮機處新增的。

一些壓縮機能夠透過卸荷氣缸（在往復式壓縮機中）或移動滑閥（在螺桿式壓縮機中）來部分負荷執行。然而，部分負荷功率與製冷劑流量並不直接成比例，因為壓力降取決於控制型別和負荷。一些壓縮機制造商提供效能曲線，這些曲線顯示了不同負荷下的效能。

壓縮機型別

壓縮機可以是正排量式或動力式。離心式壓縮機是動力式的，不包括在本指南中。以下是正排量式壓縮機的描述。請注意，壓縮機潤滑油在壓縮過程中會夾帶在製冷劑中，特別是對於螺桿式壓縮機。通常需要分離器將油從製冷劑中分離出來。

往復式壓縮機

電機驅動壓縮機的曲軸，使活塞在氣缸中往復運動。每個活塞向下移動，產生低壓容積，製冷劑氣體流入氣缸。然後活塞向上移動，壓縮製冷劑，直到其以高壓排出。

往復式壓縮機使用簧片閥或板式閥，這些閥門根據壓力差工作。當氣缸壓力降至吸入管路壓力以下時，吸入閥開啟，允許製冷劑進入，而排氣閥保持關閉。當氣缸壓力升至排氣管路壓力以上時，排氣閥開啟，製冷劑被強制排出，而吸入閥保持關閉。

壓縮機氣缸中需要間隙容積，以允許閥門執行和裝置隨著時間的推移而伸展。由於額外的間隙，製冷劑永遠不會完全從壓縮機中排出。當壓縮機執行吸入衝程時，被困的製冷劑在壓力下降到足以讓新制冷劑進入之前重新膨脹。這種必要的間隙容積降低了壓縮機的工作容積效率。

螺桿式壓縮機

製冷劑流量比往復式機組更平穩。[這實際上是一個很糟糕的描述。如果在本文件或以前版本中存在，請從其他地方複製一個。]

旋轉葉片

旋轉葉片式壓縮機在固定軸承上有一個偏心安裝的氣缸。安裝在氣缸槽中的葉片密封在機殼壁上。旋轉葉片有時用作二級系統的低階壓縮機，因為工作容積效率高。一般來說，旋轉葉片式壓縮機使用不頻繁，需要高維護，部分負荷效率低。遇到旋轉葉片式壓縮機時，請考慮用其他型別的壓縮機替換。

多級系統

簡單的製冷迴圈受到單個壓縮機能夠有效維持的最大壓力差的限制。冷凝器和散熱器（室外空氣、水等）有助於決定排氣壓力。對於只有一個壓縮機的簡單系統，吸入壓力受到限制。單級系統通常無法有效地實現低於 -15 華氏度的溫度。

要實現更低的製冷劑溫度，必須使用多級系統。多級系統有兩種常見型別：複合式或級聯式。複合式系統有一個連續迴圈。以下 p-h 圖顯示了不同點的熱力學性質。

二級複合式系統

二級系統的主要優點是，它們可以達到比一級系統更低的溫度。多級裝置比一級系統更昂貴，但效率更高。

二級級聯式系統

級聯式系統實際上是兩個獨立的一級系統，它們透過級聯冷凝器連線在一起。級聯冷凝器充當低壓系統的冷凝器和高壓系統的蒸發器。級聯式系統實際上是兩個獨立的一級系統，它們在級聯熱交換器處連線在一起。級聯熱交換器充當低階系統的冷凝器和高階系統的蒸發器。

節能型單級系統

節能型單級螺桿式壓縮機比二級系統便宜，但可用於實現比簡單迴圈更低的溫度。節能器還可以在給定的吸入壓力下將製冷量提高 10% 到 40%。以下圖示顯示了節能型單級系統的示意圖和 p-h 圖。

在節能型迴圈中，閥門將高壓液體制冷劑膨脹到節能器容器中的中間壓力，從該容器中透過中間吸入埠將製冷劑氣體抽入壓縮機。剩餘的液體制冷劑透過第二個膨脹閥進入蒸發器。

中間壓力飽和氣體與壓縮機中的過熱氣體混合，降低了混合物的總過熱度。溫度隨著流經低階壓縮機的流量而降低，從而降低了總壓縮機功率。

熱傳遞

以下方程式描述了穿過熱交換器的熱傳遞。

• Q = U x A x delta T = m x ha-b
• 其中，
  • Q = 熱傳遞
  • U = 總熱傳遞係數
  • A = 交換器表面積
  • Delta T = 溫差
  • m = 製冷劑質量流量
  • delta ha-b = 狀態 a 和 b 之間的比焓變化

熱傳遞隨著上述任何控制變數的增加而增加。例如，熱傳遞 (Q) 將隨著溫差的增大而增加，然後製冷劑質量流量或焓變也必須增加以去除額外的能量。否則，風機將迴圈到滑閥，或增加壓縮機電機速度。

當製冷負荷增加時，系統必須適應更大的熱傳遞。.蒸發器的表面積不會改變，但風機會影響熱傳遞。風機需要的能量少於壓縮機，因此透過風機最大化蒸發器熱傳遞並使吸入壓力升高以降低壓縮機負荷更有效。

控制

製冷負荷和室外溫度隨時間變化。製冷系統必須適當地對這些變化做出反應，以保持被冷卻介質或空間的溫度。有多種型別的控制可用以應對負荷變化。控制製冷系統最常用的方法是滑閥、氣缸卸荷、開-關、壓縮機速度、壓縮機卸荷和熱氣旁路。

滑閥

大多數螺桿式壓縮機都有一個滑閥，用於部分負荷控制。滑閥允許部分製冷劑在部分負荷執行期間從轉子中排出而未被壓縮。

氣缸卸荷

往復式壓縮機中的單個氣缸可以卸荷，以改變流經壓縮機的製冷劑流量。例如，一個雙缸往復式壓縮機可以透過減少 50% 的流量來降低 40% 的功率。由於卸荷氣缸中的摩擦，功率降低不是直接的。

開-關

吸入壓力決定了壓縮機何時開啟和關閉。當吸入壓力由於製冷負荷而升高時，壓縮機開啟，直到吸入壓力降至低壓設定值以下。這種控制主要用於小型系統（<5 hp），在這些系統中，它不會導致電機短時間迴圈。開-關控制是往復式壓縮機中最簡單的控制。

壓縮機速度控制

透過控制壓縮機電機的速度，可以調節制冷劑質量流量。變頻驅動器 (VSD) 可以改變壓縮機速度。VSD 降低了壓縮機在部分負荷下的功率需求，但並不常見，因為它價格昂貴，效率提高幅度很小，而且可能不可靠。

壓縮機卸荷

多壓縮機系統包括多個壓縮機，它們共用一個公共集管。質量流量透過開啟和關閉單個壓縮機來控制。在這種型別的系統中，壓縮機可以分級，以便最有效的壓縮機先開啟。

熱氣旁路。該圖描述了熱氣旁路。這種方法最不可取，因為沒有部分負荷壓縮機節能。壓縮機始終滿負荷執行。旁路閥感應壓縮機吸入壓力（製冷負荷）並將熱氣旁路到蒸發器。這種方法效率不高。

建議

1) 降低排氣壓力

壓縮機完成的功隨著壓縮比的增加而增加。吸入壓力通常是固定的，但冷凝壓力取決於負荷、室外空氣溫度和冷凝器風機控制。

最小冷凝壓力由空氣冷卻和蒸發式冷凝器上的風機控制。風機控制改變總熱傳遞，以維持冷凝壓力。冷凝接近溫度差通常設計為在所有風機全負荷執行的情況下約為 10 華氏度。

為了將熱量傳遞到溫暖的夏季空氣中，製冷劑排氣壓力通常高於冬季或空氣較冷的夜晚。然而，最小冷凝壓力設定通常全年保持夏季水平。夏季可接受的較高壓力設定在較冷的日子裡效率低下。全年高於 80 華氏度的冷凝溫度設定點可能過高。鹵代烴系統的冷凝溫度設定點通常超過 100 華氏度。當降低最小壓力設定時，風機將更多地執行以降低冷凝溫度。較低排氣壓力下的壓縮機節能通常超過風機能耗的增加。

控制排氣壓力的策略包括多個風機迴圈、2速或變頻風機。當環境溫度升高時，冷凝壓力往往會上升。如果風機尚未處於滿負荷狀態，其使用率或速度將增加以維持冷凝壓力。當風機達到滿負荷狀態時，環境溫度的任何進一步升高都會導致冷凝壓力和溫度也升高。冷凝溫度將比環境溫度高出最小接近溫度差。這種狀態被稱為“浮動”排氣壓力。

降低冷凝壓力時，注意不要低於迴圈制冷劑透過系統所需的最低壓力，以避免閃蒸氣體並在使用液體噴射的情況下冷卻壓縮機。確定MATD的一種方法是手動操作冷凝器上的所有風機。觀察系統響應以查詢潛在問題，因為排氣壓力會下降。這必須緩慢進行，因為通常需要一段時間才能穩定下來。檢查壓縮機油溫並監控排氣壓力。與環境溫度比較。最低冷凝溫度將取決於測試時的環境溫度。

如果在低壓力下製冷劑流量不足，請識別並調整或更換可能限制流量的針閥或節流孔。可以在冷凝器後的液體管路中安裝一個小型的磁力耦合密封離心泵，透過增加壓力來對液體進行過冷，從而減少閃蒸氣體。另一個小型泵可以確保在低壓力下有足夠的液體噴射冷卻。氨系統需要特殊的葉輪以避免腐蝕。

冷凝壓力下降後，獲得所需製冷效果所需的質量流量會減少。壓縮機功率下降。壓縮機功率隨著壓縮機功和質量流量的下降而下降。淨排熱量也隨著質量流量的下降而下降。以效能係數 (COP) 表示的系統效率隨著製冷效果的提高和壓縮機功的降低而提高。

尋找：更高的冷凝壓力。如果您在夏季評估工廠，冷凝壓力通常會浮動。您將處於浮動狀態。您將不得不詢問或記錄壓力設定，以及它們是否發生了變化。

2) 提高吸氣壓力

壓縮機控制裝置維持吸氣壓力。工廠人員通常將壓縮機控制裝置設定在比高效執行所需的溫度低。在蒸發器和冷卻介質之間保持較大的溫差以確保一切保持冷卻。

吸氣壓力升高後，可以降低製冷流量，同時保持相同的系統冷卻。降低製冷流量和壓縮比可以降低壓縮機功率和冷凝器排出的總熱量。COP 隨著製冷效果的提高和壓縮機功的降低而提高。

尋找：低的製冷吸氣壓力。由於蒸發器盤管髒或結垢，可能需要較低的製冷劑溫度。購買更多蒸發器可能是經濟有效的。還要注意減壓閥降低吸氣壓力。

3) 熱虹吸和液體噴射冷卻

油吸收壓縮熱量的一部分。必須冷卻油以避免壓縮機損壞。油冷卻適用於螺桿式壓縮機。

液體噴射冷卻是冷卻壓縮機油的一種方法。高壓液體制冷劑膨脹（冷卻）並注入壓縮機中的中間埠。液體噴射冷卻的缺點是，重新注入的製冷劑必須重新壓縮，使用 5% 到 15% 的總壓縮機功率，具體取決於壓縮比。

熱虹吸油冷卻圖示說明了另一種冷卻壓縮機油的方法。壓縮機油底殼旁的熱交換器使用由浮力驅動的製冷劑冷卻油。一個小接收器為熱交換器提供液體制冷劑，液體制冷劑蒸發。氣體上升到冷凝器。這種型別的冷卻不使用額外的功率，因為製冷劑不會重新注入壓縮機，也不需要重新連線。

由於壓縮機功率降低，現有冷凝器風機能量不會顯著增加。新的熱虹吸冷凝器將增加風機功率，但透過降低負載和冷凝溫度來提高現有壓縮機的效能。

尋找：壓縮機側面的液體制冷劑管路和膨脹閥。

4) 冷凝器風機上的變頻驅動

可以透過調整風機速度來控制冷凝器中的傳熱。大多數冷凝器風機電機只有一個速度，因此傳熱透過開/關控制（迴圈）來控制。當風機開啟時，它會消耗滿功率。

控制電機速度的兩種常見方法是：變頻驅動器 (VSD) 和兩速電機。風機在部分負荷下不會消耗滿功率，從而節省功率和能量。

控制電機速度的方法包括可以應用於交流電機的固態驅動器，以降低電機速度。

當冷凝壓力升高到壓力設定值以上時，風機增加速度或迴圈以增加冷凝器傳熱。如果有多個單速風機，它們會依次開啟，直到所有風機都開啟，或者冷凝壓力回落到設定值。

當在單個冷凝器上按順序使用多個風機時，在安裝變頻驅動器後，重要的是將它們全部一起執行。與風機按順序執行變頻驅動器相比，將有更大的節省。

尋找：單速冷凝風機。否則，確定使用的驅動器型別。

5) 蒸發器風機上的變頻驅動

與冷凝器一樣，單速蒸發器風機根據製冷劑負荷連續執行或迴圈開啟和關閉。當製冷劑負荷高時，風機以滿功率執行。當製冷劑負荷降低時，風機可以關閉以節省能量。一旦冷卻空間和介質達到溫度設定值，製冷劑負荷將下降。多餘的能量被浪費，並且僅需要氣流來防止空氣在冷卻空間中分層。與冷凝器一樣，VSD 和控制裝置將降低部分負荷風機功率。

尋找：連續執行的蒸發器風機（最佳機會）或迴圈控制空間溫度。

6) 避免過大的製冷負荷

在冷卻器或冷凍機中，除了產品之外，還有其他製冷負荷：外部熱量增益、過量的或效率低下的照明以及效率低下的門和密封。在隔熱效能差的空間中，製冷負荷的很大一部分可能是來自暖空氣和陽光的外部熱量增益。隔熱效果差的牆壁、天花板和門，長時間開啟的門以及功能不良的氣簾或自動門也會導致熱量增益。

燈具增加到房間的能量會增加製冷負荷。使用低瓦數、高效的燈具，既可以節省壓縮機的能量，也可以節省照明系統的能量。某些燈泡不能在低溫下使用，因此在推薦替代照明時要小心。

尋找：冷凍室溫度高於預期。冷的外表面、溫暖的內牆或緩慢的門是效率低下的跡象。冷凍空間中的白熾燈和高照度水平。

7) 安裝節能器

節能器用於螺桿式壓縮機，以獲得比簡單迴圈所能達到的略低的製冷劑溫度。往復式壓縮機不能節能，因為沒有辦法在中間壓力下注入製冷劑氣體。

尋找：用於達到低溫的簡單製冷系統。