壓縮式制冷機(jī)工作原理

各種制冷機(jī)的工作原理有其共同之點(diǎn)，也有不同之點(diǎn)。

氣體壓縮式制冷機(jī)

以氣體為制冷劑,由壓縮機(jī)、冷凝器、回?zé)崞?、膨脹機(jī)和冷箱等組成(圖1) 。經(jīng)壓縮機(jī)壓縮的氣體先在冷凝器中被冷卻，向冷卻水（或空氣）放出熱量，然后流經(jīng)回?zé)崞鞅环盗鳉怏w進(jìn)一步冷卻,并進(jìn)入膨脹機(jī)絕熱膨脹,壓縮氣體的壓力和溫度同時(shí)下降。氣體在膨脹機(jī)中膨脹時(shí)對(duì)外作功，成為壓縮機(jī)輸入功的一部分。同時(shí)膨脹后的氣體進(jìn)入冷箱，吸取被冷卻物體的熱量，即達(dá)到制冷的目的。此后，氣體返流經(jīng)過(guò)回?zé)崞?，同壓縮氣體進(jìn)行熱交換后又進(jìn)入壓縮機(jī)中被壓縮。氣體制冷機(jī)都應(yīng)采用回?zé)崞?，這不但能提高制冷機(jī)的經(jīng)濟(jì)性而且可以降低膨脹機(jī)前壓縮氣體的溫度，因而降低制冷溫度。氣體制冷機(jī)能達(dá)到的制冷溫度范圍較寬，從高于 0℃到低于-100℃；制冷溫度較高時(shí)其經(jīng)濟(jì)性較差,但當(dāng)制冷溫度低于-90℃時(shí)其經(jīng)濟(jì)性反而高于蒸氣制冷機(jī)。

蒸氣壓縮式制冷機(jī)

由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流機(jī)構(gòu)和一些輔助設(shè)備組成。這類(lèi)制冷機(jī)的制冷劑在常溫和普通低溫下能夠液化，在制冷機(jī)的工作過(guò)程中制冷劑周期性地冷凝和蒸發(fā)。常用的蒸氣壓縮式制冷機(jī)有單級(jí)的、兩級(jí)的和復(fù)疊式3種。

① 單級(jí)蒸氣壓縮式制冷機(jī):制冷劑從蒸發(fā)壓力提高到冷凝壓力只經(jīng)過(guò)一級(jí)壓縮的蒸氣壓縮式制冷機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)單級(jí)制冷機(jī)。單級(jí)制冷機(jī)由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流機(jī)構(gòu)和蒸發(fā)器等組成(圖2)。由壓縮機(jī)排出的高壓蒸氣經(jīng)冷凝器放出熱量而冷凝成液體。接著，液體制冷劑經(jīng)節(jié)流閥（膨脹閥）節(jié)流，壓力和溫度同時(shí)降低,進(jìn)入蒸發(fā)器中,吸取載冷劑（用它去再冷卻被冷卻物體）的熱量而蒸發(fā)成蒸氣。然后，蒸氣進(jìn)入壓縮機(jī)繼續(xù)壓縮，如此循環(huán)不已。為提高經(jīng)濟(jì)性，有的單級(jí)制冷機(jī)還在冷凝器后設(shè)置過(guò)冷器和回?zé)崞?。單?jí)制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度通常在-30～5℃之間。

② 兩級(jí)蒸氣壓縮式制冷機(jī):制冷劑從蒸發(fā)壓力提高到冷凝壓力需要經(jīng)過(guò)兩級(jí)壓縮的蒸氣制冷機(jī)(圖3) 。它比單級(jí)制冷機(jī)多一臺(tái)壓縮機(jī)、一臺(tái)中間冷卻器和節(jié)流閥。經(jīng)高壓壓縮機(jī)壓縮后的制冷劑蒸氣，在冷凝器中冷凝成液體，然后分成兩路：一路經(jīng)節(jié)流閥A進(jìn)入中間冷凝器,冷卻低壓壓縮機(jī)的排氣和盤(pán)管中的液體，在中間冷凝器中蒸發(fā)的制冷劑蒸氣連同低壓壓縮機(jī)的排氣一同進(jìn)入高壓壓縮機(jī)繼續(xù)壓縮;另一路在盤(pán)管內(nèi)被冷卻并經(jīng)過(guò)節(jié)流閥B節(jié)流至蒸發(fā)壓力，進(jìn)入蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷，蒸發(fā)后的蒸氣進(jìn)入低壓壓縮機(jī)壓縮至中間壓力，進(jìn)入中間冷凝器。與單級(jí)制冷機(jī)相比，兩級(jí)制冷機(jī)可達(dá)到較低的蒸發(fā)溫度,通常在-30～-70℃之間。

③ 復(fù)疊式制冷機(jī):用不同制冷劑作為工作介質(zhì)的兩臺(tái)(或數(shù)臺(tái))單級(jí)或兩級(jí)壓縮蒸氣壓縮式制冷機(jī)，用冷凝蒸發(fā)器聯(lián)系起來(lái)的復(fù)合制冷機(jī)。冷凝蒸發(fā)器是一個(gè)利用高溫級(jí)制冷劑的蒸發(fā)來(lái)冷凝低溫級(jí)制冷劑的換熱器。復(fù)疊式制冷機(jī)能達(dá)到很低的蒸發(fā)溫度。圖4為兩個(gè)單級(jí)制冷機(jī)組成的復(fù)疊式制冷機(jī)的工作原理。它的高溫級(jí)由高溫級(jí)壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和冷凝蒸發(fā)器組成；低溫級(jí)由低溫級(jí)壓縮機(jī)、冷凝蒸發(fā)器、回?zé)崞?、?jié)流閥和蒸發(fā)器組成。高溫級(jí)和低溫級(jí)各為一臺(tái)單級(jí)制冷機(jī)。冷凝蒸發(fā)器將高溫級(jí)與低溫級(jí)聯(lián)系起來(lái):對(duì)高溫級(jí)來(lái)說(shuō),它是蒸發(fā)器;對(duì)低溫級(jí)來(lái)說(shuō),它是冷凝器。冷凝蒸發(fā)器使低溫級(jí)的放熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷丶?jí)的制冷量。在低溫級(jí)中，通常使用沸點(diǎn)較低的制冷劑（如R13），停機(jī)后制冷劑將全部氣化,并導(dǎo)致壓力過(guò)分升高。為了防止這一現(xiàn)象，通常在低溫級(jí)系統(tǒng)中裝設(shè)一個(gè)平衡容器。

用兩臺(tái)單級(jí)制冷機(jī)復(fù)疊時(shí)，低溫級(jí)的蒸發(fā)溫度一般為-40～-80℃。一臺(tái)單級(jí)制冷機(jī)與一臺(tái)兩級(jí)制冷機(jī)復(fù)疊時(shí)，蒸發(fā)溫度可低達(dá)-110℃；若用三元（例如R22、R13和R14）復(fù)疊，蒸發(fā)溫度可低達(dá)-140℃。

蒸氣壓縮式制冷機(jī)主要設(shè)備

蒸氣壓縮式制冷機(jī)的主要設(shè)備包括壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、冷凝蒸發(fā)器和節(jié)流機(jī)構(gòu)。

壓縮機(jī) 　制冷壓縮機(jī)有往復(fù)式、離心式和螺桿式等型式。制冷壓縮機(jī)的工作原理和總體結(jié)構(gòu)與其他用途的壓縮機(jī)基本相同，但根據(jù)制冷機(jī)的要求在結(jié)構(gòu)上有如下特點(diǎn)：①密封要求高，不允許向內(nèi)和向外泄漏。因此大、中型制冷壓縮機(jī)在主軸伸出機(jī)體處均設(shè)有軸封，小型制冷壓縮機(jī)則做成半封閉式或全封閉式。半封閉式壓縮機(jī)通常是將機(jī)體與電動(dòng)機(jī)的機(jī)殼做成一體，或?qū)烧哂梅ㄌm連接。全封閉式還只限于小型往復(fù)壓縮機(jī)和滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，用一個(gè)密封的鋼罩殼把壓縮機(jī)與電動(dòng)機(jī)封閉起來(lái)，一般不進(jìn)行拆修。②氟利昂能溶于潤(rùn)滑油中，故常在曲軸箱的油池中裝有加熱器。有些螺桿壓縮機(jī)和滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)用噴油法來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)密封和冷卻，除噴油裝置外還設(shè)有高效率的油分離器。③壓縮機(jī)吸入的是飽和蒸氣。氨氣容易帶液，故往復(fù)氨壓縮機(jī)設(shè)有防止液擊的安全蓋。④多級(jí)壓縮時(shí)各級(jí)的流量不相同，故多級(jí)離心壓縮機(jī)和螺桿壓縮機(jī)大多設(shè)有中間補(bǔ)氣系統(tǒng)，再配以省功器，借以提高制冷機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性。

冷凝器 　靠環(huán)境介質(zhì)帶走制冷劑的熱量，制冷劑在其中被冷卻并冷凝成液體。冷凝器分為水冷式和空氣冷卻式兩種。①水冷式冷凝器是應(yīng)用最廣的一類(lèi)冷凝器，用于中、大型制冷機(jī)中。水冷式冷凝器有:殼管式,制冷劑在管外冷凝（見(jiàn)管殼式換熱器）；套管式，制冷劑在管腔中冷凝（見(jiàn)套管式換熱器）；噴淋式，制冷劑在管內(nèi)冷凝（見(jiàn)蛇管式換熱器）；蒸發(fā)式，制冷劑在管內(nèi)冷凝，管外用水噴淋，并有空氣吹過(guò)管子表面。殼管式結(jié)構(gòu)較緊湊，傳熱效果較好，應(yīng)用較為廣泛。用于氟利昂制冷機(jī)的殼管式冷凝器，因氟利昂冷凝時(shí)的放熱系數(shù)較小，常在管外設(shè)有翅片，以強(qiáng)化傳熱。②空氣冷卻式冷凝器多用于小型氟利昂制冷機(jī)中，分為空氣強(qiáng)迫對(duì)流式（風(fēng)扇鼓風(fēng)）和自然對(duì)流式兩種，前者的傳熱效果較好?？諝饫鋮s式冷凝器均做成蛇管式,制冷劑在管內(nèi)冷凝,而且在管外設(shè)有翅片。

蒸發(fā)器 　依靠制冷劑的蒸發(fā)直接或間接（通過(guò)載冷劑）吸取被冷卻物體的熱量。蒸發(fā)器可分為：冷卻液體的蒸發(fā)器，用于間接冷卻；冷卻空氣的蒸發(fā)器，用于直接冷卻。冷卻液體的蒸發(fā)器用來(lái)冷卻載冷劑，常用的有：管殼式，制冷劑在管外蒸發(fā)；沉浸式，制冷劑在管內(nèi)蒸發(fā)；干式蒸發(fā)器等。用于氟利昂制冷機(jī)的管殼式蒸發(fā)器一般在管外也設(shè)有翅片，以強(qiáng)化傳熱。干式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)與管殼式相似，但制冷劑在管內(nèi)蒸發(fā)，可使用光管或內(nèi)翅片管，傳熱效果好。冷卻空氣的蒸發(fā)器常制成蛇管式,管外套有翅片,空氣在管外強(qiáng)制流動(dòng)，制冷劑在管內(nèi)蒸發(fā)。這種蒸發(fā)器與鼓風(fēng)機(jī)的組合稱(chēng)為空氣冷卻器。此外，在冷藏裝置（見(jiàn)制冷裝置）中常使用空氣自由對(duì)流的蛇管式蒸發(fā)器，即冷卻排管。

冷凝蒸發(fā)器

只用于復(fù)疊式制冷機(jī)中。它依靠高溫級(jí)中制冷劑的蒸發(fā)使低溫級(jí)中的制冷劑蒸氣冷凝，它既是高溫級(jí)的蒸發(fā)器，又是低溫級(jí)的冷凝器。冷凝蒸發(fā)器有套管式、繞管式和管殼式等，均采用管內(nèi)蒸發(fā)、管外冷凝的方式。

節(jié)流機(jī)構(gòu) 　把制冷劑液體從冷凝壓力降低到蒸發(fā)壓力的控制機(jī)構(gòu)，它能同時(shí)控制供液量。節(jié)流機(jī)構(gòu)有節(jié)流閥、浮球調(diào)節(jié)閥、熱力膨脹閥、毛細(xì)管和節(jié)流孔板等。

① 節(jié)流閥:它是手動(dòng)操作的控制閥門(mén)，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪可改變閥的通道截面，控制供液量，常用于較大型的制冷機(jī)中。

② 浮球閥:一種自動(dòng)控制閥門(mén)。它靠蒸發(fā)器或中間冷卻器中制冷劑液面的變化，通過(guò)浮球和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作改變閥門(mén)的通道截面，只用于氨制冷機(jī)中。

③ 熱力膨脹閥:一種依靠蒸發(fā)器出口制冷劑蒸氣的過(guò)熱度來(lái)改變通道截面的自動(dòng)控制閥門(mén)(圖5)。熱力膨脹閥裝在蒸發(fā)器的進(jìn)口,感溫包設(shè)在蒸發(fā)器出口管上。感溫包中充有感溫工質(zhì)（制冷劑或其他氣體、液體）。當(dāng)蒸發(fā)器的供液量偏小時(shí)，蒸發(fā)器出口蒸氣的過(guò)熱度增大，感溫工質(zhì)的溫度和壓力升高，通過(guò)頂桿將閥芯向下壓，閥門(mén)開(kāi)度變大，供液量增多；反之，當(dāng)供液量偏大時(shí)，蒸發(fā)器出口蒸氣過(guò)熱度變小，閥門(mén)通道便自動(dòng)變小，供液量隨之減少。水推動(dòng)閥門(mén)下方的調(diào)整桿，可以調(diào)整蒸氣的過(guò)熱度。熱力膨脹閥大多用于氟利昂制冷機(jī)中。

④ 毛細(xì)管:也稱(chēng)節(jié)流管，通常為長(zhǎng)0.1～2米、內(nèi)徑1～3毫米的細(xì)長(zhǎng)銅管，用于小型冰箱和空氣調(diào)節(jié)設(shè)備中。

⑤ 節(jié)流孔板:用于某些離心式制冷機(jī)中，分為單孔板和多孔板（幾個(gè)孔板串聯(lián)工作）等?？装宓牧魍ń孛娌荒苷{(diào)節(jié)，僅適用于工況較穩(wěn)定的制冷機(jī)。

性能和應(yīng)用

壓縮式制冷機(jī)的主要性能指標(biāo)是工作溫度（冷凝溫度和蒸發(fā)溫度）、制冷量、功率和制冷系數(shù)。壓縮式制冷機(jī)的制冷量和功率主要取決于壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和轉(zhuǎn)速，同時(shí)也隨工作溫度而變。表為各種壓縮式制冷機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用。

依靠壓縮機(jī)提高制冷劑的壓力以實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)的制冷機(jī)。分類(lèi)：按所用制冷劑的種類(lèi)不同，壓縮式制冷機(jī)分為氣體壓縮式制冷機(jī)和蒸氣壓縮式制冷機(jī)兩類(lèi)。蒸氣壓縮式制冷機(jī)又有氨制冷機(jī)和氟利昂制冷機(jī)等。氣體壓縮式制冷機(jī)又分為空氣制冷機(jī)和氦氣制冷機(jī)等。按所用壓縮機(jī)種類(lèi)不同，壓縮式制冷機(jī)又分為往復(fù)式制冷機(jī)、離心式制冷機(jī)和回轉(zhuǎn)式制冷機(jī)（螺桿式制冷機(jī)、滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式制冷機(jī)）等。蒸汽壓縮式制冷機(jī)按其系統(tǒng)組成不同分為單級(jí)、多級(jí)（兩級(jí)或三級(jí)）和復(fù)疊式等。

張祉祐、石秉三主編：《制冷及低溫技術(shù)》上冊(cè)、中冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社，北京，1981。

繆道平主編：《活塞式制冷壓縮機(jī)》，機(jī)械工業(yè)出版社，北京，1983。

A. D. Althouse and others,Modern Refrigeration and　Air-conditioning,　Goodheart-Willcox　Co.,Illinois,1982.

氣體壓縮式制冷機(jī)使氣體制冷工質(zhì)先后經(jīng)壓縮、冷卻、膨脹最后制得低溫液體或氣體的制冷機(jī)，它主要有燕氣壓縮式制冷機(jī)與深度冷凍制冷機(jī)兩種形式。制冷工質(zhì)(氣體)被壓縮、冷卻到室溫后已變成壓縮液體(所以在室溫、大氣壓下的氣體是蒸氣而不是氣體),然后經(jīng)過(guò)節(jié)流膨脹而制得低溫液體的制冷機(jī)稱(chēng)為蒸氣壓縮式制冷機(jī)。家用電器中的冰箱、空調(diào)以及冷庫(kù)用的冷凍機(jī)等基本上都屬于這類(lèi)制冷機(jī)。2100433B

使用在循環(huán)中發(fā)生相變的制冷劑，按照蒸氣壓縮式制冷循環(huán)工作的制冷機(jī)。通常由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流機(jī)構(gòu)等部件組成。