压缩机制冷量的计算与应用

作者：HETA

压缩机是制冷系统的心脏，其性能的优劣直接决定着制冷效果的好坏[1]。而表征压缩机制冷能力的核心指标就是制冷量。只有准确计算压缩机的实际制冷量，才能合理地配置冷凝器、蒸发器等换热设备，优化系统运行参数，最终实现制冷系统的节能高效[2]。因此，探讨压缩机制冷量的计算方法具有重要意义。

压缩机是制冷系统的心脏，其性能的优劣直接决定着制冷效果的好坏[1]。而表征压缩机制冷能力的核心指标就是制冷量。只有准确计算压缩机的实际制冷量，才能合理地配置冷凝器、蒸发器等换热设备，优化系统运行参数，最终实现制冷系统的节能高效[2]。因此，探讨压缩机制冷量的计算方法具有重要意义。

一、制冷量与制冷功率

1、制冷量的定义
制冷量是指在单位时间内，制冷剂从被冷却物体吸收的热量，简言之就是获得的冷量[3]。它的单位是W或kW，反映了制冷设备的制冷能力。对于压缩机而言，制冷量取决于压缩机的排气量、制冷剂的蒸发潜热等因素。

2、制冷功率的定义
制冷功率是指压缩机为实现一定的制冷量而消耗的电功率[4]。它包括主电机输入功率和辅助设备（如冷凝风机、输液泵等）消耗的功率。制冷功率的单位也是W或kW，体现了获得单位制冷量所需的能耗。

3、两者的区别
制冷量属于有用输出，而制冷功率属于能量投入[5]。两者的比值称为制冷系数（COP），是衡量制冷设备节能性的指标。在制冷量一定时，制冷功率越小，COP越大，表明效率越高。因此，应尽可能提高制冷量，降低制冷功率。

2、压缩机制冷量的计算方法

1、理论排气量法
理论排气量法是根据压缩机的结构参数和运行工况，直接计算压缩机的理论排气量，再结合制冷剂参数求得制冷量[6]。其计算公式为：
Q=V×ρ×ΔH
式中，Q为制冷量，V为压缩机理论排气量，ρ为吸气密度，ΔH为蒸发潜热。
以某活塞式压缩机为例，已知缸径D=80mm，行程L=60mm，转速n=1200r/min，吸气压力P=0.3MPa，吸气温度t=5℃，制冷剂为R22。代入公式可得：
V=πD2Ln/4=0.30m3/min
查R22热力性质表[7]，在P=0.3MPa，t=5℃时，ρ=13.3kg/m3，ΔH=191.4kJ/kg。
则制冷量Q=0.30×13.3×191.4/60=14.6kW该方法操作简便，但未考虑制冷剂过热和体积效率的影响，误差较大。

2、指示功图法
指示功图能真实反映压缩机内部的压力-体积变化过程。在指示功图上，吸气和排气线所围成的面积与压缩功成正比，再除以压缩机排气量即可得到单位质量的制冷剂焓变，乘以质量流量即为制冷量[8]。具体步骤如下：
(1) 测绘压缩机的P-V指示功图；
(2)计算指示功图面积A和压缩机排气量V；
(3)查表获取制冷剂的蒸发潜热r；
(4)由公式Q=Ar/V计算制冷量。
例如，某涡旋压缩机在额定工况下的P-V。经测量计算，A=0.24J，V=0.15m3/min。该压缩机采用R410A制冷剂，查表得r=173.5kJ/kg。代入公式得：Q=0.24×173.5/(0.15/60)=27.8kW指示功图法能反映压缩机的实际工作状态，计算精度较高，但测绘功图较为复杂。

3、热力过程法

热力过程法是根据压缩机进、排气参数及其热力过程，通过制冷剂的热力学计算求得制冷量[9]。以简单的理想循环为例，计算步骤如下：
(1) 测量并记录压缩机吸气压力P1、吸气温度t1，排气压力P2；
(2)查表获得制冷剂在吸气状态下的比焓h1，在排气压力下的饱和液比焓hf2；
(3)由公式Q=qm(h1-hf2)计算制冷量，其中qm为质量流量，可由压缩机排气量与吸气密度确定。
以某螺杆压缩机为例，测得P1=0.35MPa，t1=10℃，P2=1.52MPa，排气量为0.6m3/min。该机使用R134a制冷剂，查表可得：h1=408.89kJ/kg，hf2=281.35kJ/kg，吸气密度ρ=10.2kg/m3[10]。
qm=0.6×10.2/60=0.102kg/s，代入公式得：
Q=0.102×(408.89-281.35)=13.0kW热力过程法的精度介于前两种方法之间，但需掌握压缩机热力过程和制冷剂热力性质。

三、热力过程法计算优缺点

1、优点：

原理简明。该方法基于压缩机的热力过程，利用进、排气参数和制冷剂的热力性质，通过热力学基本方程即可求得制冷量，原理易于理解和掌握。

计算较便捷。与理论排气量法相比，热力过程法考虑了过热度和体积效率等因素的影响；与指示功图法相比，它不需要测绘复杂的P-V图，只要获取进、排气压力和温度等少量参数即可。因此综合来看，热力过程法在三种方法中计算最为便捷。

精度适中。由于该方法基于压缩机的实际热力过程，计及了漏失、过热等影响，计算结果比理论排气量法更加贴近实际，通常误差在10%以内。虽然不及指示功图法精确，但对于一般工程应用而言已经足够。

应用范围广。热力过程法只是一个总称，针对不同类型的压缩机（如活塞式、螺杆式、离心式等），可以建立不同的热力学模型，因此适用范围较广。而其他两种方法在适用对象上有一定局限性。

2、不足：

依赖制冷剂性质。准确的计算结果有赖于制冷剂热力性质参数，如比焓、比熵、密度等，这就需要查阅大量的制冷剂热力性质表。当采用新型制冷剂时，由于缺乏性质数据，会给计算带来不便。

难以精确描述压缩机内部复杂过程。压缩机内部充满了涡流、湍动、泄漏等复杂的热力过程，用简化的数学模型很难准确描述。比如泄漏损失很难定量估算，常用经验系数来近似表达，带来了一定误差。

计算结果易受测量误差影响。压力、温度测量是否准确，直接关系到计算制冷量的可靠性。由于压缩机吸、排气状态变化剧烈，获得准确稳定的测量值有一定难度，测量误差会导致计算结果的误差。

忽略了油的影响。压缩机内部普遍使用润滑油，由于油的存在，实际的热力过程会偏离理论模型。比如油的溶解会影响制冷剂的状态参数，油的循环会带走部分热量。但热力过程法通常忽略了这些影响。

综上所述，热力过程法计算压缩机制冷量具有原理简明、计算便捷、精度适中、应用范围广等优点，但也存在依赖制冷剂性质、难以精确建模、易受测量误差影响、忽略油的作用等局限性。在应用时，应权衡其优缺点，并结合实际工况恰当使用。必要时，可将该方法与其他方法相结合，综合判断压缩机的实际制冷量。