制冷原理与机械设备介绍

一、制冷基本概念

现代食品工业中所应用的冷源都是人工制冷得到的。人工制冷大致分为机械压缩制冷和非机械压缩制冷两大类。习惯上将利用压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等构成的蒸发式制冷称为机械制冷，而将其他的制冷方式称为非机械制冷。食品工业中应用最广的是机械制冷，但非机械制冷方式也有一定的应用。

（一）机械压缩制冷

机械压缩制冷即机械蒸气压缩制冷。它是一种以制冷剂为工质，通过压缩机对制冷剂压缩做功为补偿，利用制冷剂状态变化产生的吸热和放热效应达到制冷目的的循环过程。如图13-1所示，最基本的机械压缩制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四部分组成。

1.制冷循环

制冷循环若以压缩机和膨胀阀为界，可粗略地分成高压高温和低压低温两个区；若以冷凝器和蒸发器为界，可粗略地分成气态和液态两个区。制冷循环中的制冷剂状态变化及所经历的过程，可以用压焓图或温熵图表示（图13-2）。

图13-1 蒸气压缩冷循环

图13-2 蒸气压缩制冷的相图

制冷剂在机械压缩制冷系统中的循环过程为：经过蒸发器后，其低压低温蒸气被压缩机吸入压缩成高压高温的过热蒸气，此为等熵过程（图13-1中1→2）。压缩机出来的过热蒸气温度高于环境介质（水或空气）温度，在常温下可冷凝成液体。因而，制冷剂蒸气被排至冷凝器时，经冷却、冷凝成常温高压的液态制冷剂，此阶段为等压过程，如图13-1中2→3所示。常温高压液体通过膨胀阀时，因节流作用而降压降温，此为等焓过程，如图13-1中3→4所示。把这种低压低温的制冷剂引入蒸发器蒸发吸热，使周围空气及物料温度下降，此为等压等温过程，如图13-1中4→1所示。从蒸发器出来的低压低温蒸气重新进入压缩机，如此完成一次制冷循环。这是最为简单的蒸气压缩制冷循环。

2.单级压缩制冷

图13-1所示的制冷循环是理论上的制冷循环。实际上，这种循环实现起来有许多实际问题。例如，蒸发器中抽吸出来的制冷剂蒸气常带有雾滴，会导致压缩机不能正常工作；又如，压缩机中的润滑油会因温度升高而气化进入系统中，使得冷凝器和蒸发器的换热效率大大降低；再如，由于没有制冷剂的贮存设备，整个系统工作会变得不稳定。

因此，实际制冷循环系统需要克服以上存在的问题。图13-3所示的实际单级氨压缩制冷系统，增加了分油器、贮氨罐及氨液分离器等部件。这些部件可以保证制冷循环正常运行。氨蒸气中携带的雾滴由氨液分离器消除，保证了压缩机正常工作；冷凝器之前的除油装置，使得压缩机润滑油不再进入系统，从而提高了冷凝器和蒸发器的换热效率；冷凝器之后安装的贮液罐起两方面的作用，一是保证系统运行平稳，二是可以方便地为多处用冷场所提供制冷剂。

3.双级压缩制冷

如上所述，以压缩机和膨胀阀为界，制冷系统可粗略地分成高温高压和低温低压两个区。高压端压强对低压端压强的比值称为压缩比。压缩比由高温端的冷凝温度和低温端蒸发温度确定，冷凝温度越高、蒸发温度越低，压缩比越高。高压缩比情形下，若采用单级压缩，运行会有困难，这时可采用多级压缩，以双级压缩较为常见。一般而言，当压缩比大于8时，采用双级压缩较为经济合理。对氨压缩机来说，当蒸发温度在—25℃ 以下时，或冷蒸气压强大于1.2MPa时，宜采用双级压缩制冷。

图13-3 单级氨压缩制冷系统

双级压缩制冷循环的原理如图13-4所示。所谓双级压缩，是指在制冷循环中的将低温低压制冷剂蒸气分两级压缩成高温高压的制冷剂蒸气。为此，可在蒸发器与冷凝器之间设两个压缩机，或使用双级压缩机，并在两压缩机间（或双级压缩气缸间）再设一个中间冷却器。

双级压缩制冷循环中制冷剂的状态变化如图13-5所示。由图可见，蒸发器中形成的低压、低温制冷剂蒸气（状态点1），被低压压缩机吸入，经绝热压缩至中间压力的过热蒸气（状态点2）；低压压缩产生的过热蒸气，被冷却至干饱和蒸气（状态点3），与由膨胀阀II出来的（点9）制冷剂在中间冷却器中蒸发形成的中压蒸气（点3）一起由高压段压缩机压缩到冷凝压力过热蒸气（状态点4）；高压过热蒸气经过冷却到干饱和蒸气（状态点5），并进一步等压冷凝成饱和液体（状态点6）。然后分成两路：一路便是上面所讲的，经膨胀阀节流降压后的制冷剂（点9），进入中间冷却器；另一路进入中间冷却器盘管进行过冷（状态点7）；经过膨胀阀I节流降压的制冷剂（状态点8）进入蒸发器，蒸发吸热，产生冷效应。

图13-4 双级压缩制冷循环

图13-5 双级压缩制冷的相图

4.制冷量与制冷系数

（1）制冷量 制冷量用于描述制冷机（系统）的制冷能力，是指在一定的操作条件（即一定的制冷剂蒸发温度、冷凝温度，过冷温度）下，单位时间制冷剂从被冷冻物取出的热量，制冷量与压缩机的大小、转速、效率及其他因素有关。制冷量用符号Q表示，单位为W。一般制冷机的制冷量大，多用kW表示。制冷量还可用其他单位表示，如大卡（kcal/h）、冷吨等。冷吨是英文refrigerationton的译名，缩写为RT。l冷吨（RT）相当于24h内将1t0℃的水冷冻成同温度冰需除去的热量。根据这个定义，可将冷吨转化为其他单位。因不同国家对吨（t）定义有差异，因此，冷吨转化得到的其他单位也有差异。某些制冷量单位的换算系数如表13-1所示。

表13-1 常见制冷量单位换算

（2）制冷系数 制冷机（或制冷系统）为产生一定的制冷量（Q）需要输入一定的能量，即需要消耗一定的功率（P）。制冷量与输入功率之比称为制冷系数（ε），即

制冷系数是衡量制冷机（或制冷系统）的重要技术经济指标。如制冷系数为3，即是说每消耗1kW的能量可以获得3kW（2580kcal/h）的制冷量。

5.直接制冷与制冷剂

制冷装置中不断循环流动以实现制冷的工作物质称为制冷剂或制冷工质。蒸气压缩制冷装置通过制冷剂物态的变化实现热量的传输。制冷循环中，如果制冷剂吸热的蒸发器直接与被冷物体或被冷物体周围环境进行换热，则这种制冷方式称为直接制冷，或称直接蒸发制冷。

制冷剂是实现人工制冷不可缺少的物质。有多种物质可作为制冷剂使用，虽然性质上有差异，但有一共同的特点，即在常温下可以冷凝成为液体。制冷装置的特性及操作条件与制冷剂性质有关。

选择制冷剂主要从热力学、物理化学、生理学、经济性和对环境影响等方面考虑。特别需要注意的是其对环境的影响。氨是食品工业冷库最常使用的制冷剂，它较为安全，对环境无影响。以氟利昂为商品名的系列制冷剂也是主要的制冷剂。但部分这类制冷剂产品被证实对外层空间的臭氧层有破坏作用，以R11和R12等为代表的氟利昂系列制冷剂已经被禁用。这是选用制冷机时所需要注意的，因为有些制冷系统只适用于某种或某类制冷剂。

6.间接制冷与载冷剂

食品企业中，如果冷加工场所较大或冷却作业机器台数较多，往往采用间接制冷方式。所谓间接制冷，也称为间接蒸发制冷，利用廉价物质作为媒介载体实现制冷装置与耗冷场所或机台之间的热交换。这种媒介载体称载冷剂，也称为冷媒。间接制冷原理如图13-6所示。载冷剂将从被冷物体吸取的热量送至制冷装置蒸发器，传递给制冷剂，自身则被降温供循环使用。

图13-6 间接制冷原理

常用的载冷剂有空气、水和盐水及有机物水溶液等。选择载冷剂时，一般应考虑：冰点低、比热容大、无金属腐蚀性、化学上稳定、价格低及容易获取等因素；作为食品工业用的载冷剂，往往还须具备无味、无臭、无色和无毒的条件。

用空气作载冷剂虽然有较多优点，但由于其比热容小，而且作为气态使用的对流换热效果差，所以在食品冷藏或冷冻加工中，空气以直接与食品接触形式使用。

水虽然具有比热容大的优点，但其冰点高，所以仅适用于0℃ 以上制冷场合。

如需传递低于0℃的冷量，则可采用盐水或有机溶液作为载冷剂。氯化钠、氯化钙及氯化镁的水溶液，通常称为冷冻盐水。食品业中最广泛使用的冷冻盐水是氯化钠水溶液。有机溶液载冷剂中，最有代表性的两种载冷剂是乙二醇和丙二醇的水溶液。

（二）非机械压缩制冷

非机械压缩制冷是除机械压缩制冷以外的其他人工制冷方式，这些制冷方式利用固体融解与盐溶解、固体升华，及液化气体汽化等吸热效应进行制冷。

1.融化和溶解制冷

固体吸热后变为液体称为融化。固体溶于溶剂称为溶解。这两类物质状态变化均需要吸收热量，因此，可以利用来制造冷量。例如，1kg冰融化成水，可以吸收334.94kJ的热量。但这种制冷方式有局限性，主要是冰的熔点（冰点）限定了用冰融化不能获得低于零度的冷量，其次是冰也必须由另一种制冷操作才能得到。水与食盐或其他无机盐类混合时，冰的熔点将随盐量增加而降低，并形成0℃ 以下的低温，吸收大量潜热而造成特定低温，并使食品冻结。这种冰盐混合物，称为起寒剂。冷冻机发明以前，人们早就利用这种方法来完成如冰淇淋和鱼类的冻结作业。

2.固体升华制冷

固体吸热后直接变成气体叫升华。在升华制冷中已经应用的升华固体主要是固态CO₂，即所谓“干冰”。干冰在大气孔率压（0.1MPa）下的升华温度为—78.5℃，每kg干冰变成气体时，约吸收573.59kJ热量。升华潜热的吸收及升华后的低温二氧化碳均可利用来对高温食品进行冷冻。

3.液化气体制冷

液化气体制冷本质上属于蒸发制冷。它利用低沸点液化气体物质时性直接与食品接触，吸取食品热量使其冻结，而自身汽化成气体。这种制冷方式能获得的温度可低达—73℃以下，因而适用于要求速冻的场合。另外，由于此法使用的液化气体不再回收，因此选用时，尤其要注意成本。液氮是最常用的液体直接制冷剂。在大气压下，液氮的蒸发温度为—196℃，可吸收蒸发潜热119.3kJ/kg。其潜热虽然不大，但其蒸发温度与0℃的温差很大，因此蒸发后气体升温还可吸收相当分量的显热。如取其气体的比热容为1.0kJ/（kg·K），则气态氮再升温到0℃ 还可带走约196.5kJ/kg的热量。因此，每千克液氮蒸发后温度升到0℃，共可吸收396kJ/kg的热量，此热量约可使食品中的1kg水分冻结成冰。

二、制冷系统主要设备

构成蒸气压缩制冷系统的主要设备包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。这些设备各有多种形式。

（一）压缩机

压缩机是蒸气压缩制冷装系统的核心设备，通常称为制冷主机。制冷压缩机，可根据其部件形式及运转方式分为活塞式、螺杆式、转子式和涡旋式等，食品工业中，应用较多的为活塞式和螺杆式压缩机。

1.活塞式制冷压缩机

活塞式压缩机主要靠电机带动连杆，连杆带动活塞在气缸内做往复运动不断吸气、压缩、排气，完成压缩过程。活塞式压缩机按气缸数分类，有单缸、双缸和多缸压缩机；按压缩部分与驱动电动机组合形式分为全封闭式、半封闭式和开启式压缩机。按压缩级数又可分为单级（可制取—40℃以上温度）双级（可制取—70℃以上温度）和三级压缩机（可制取—110℃以上温度）。食品冷冻冷藏过程中常用单级压缩机。食品快速冻结，以及冷冻干燥机系统的低温冷凝器要使用双级压缩机。

全封闭活塞式压缩机，其压缩机和电动机组成的整体封闭在钢板冲制的机壳内，结构紧凑，可防止轴封泄漏，体积和功率较小，多用于冰箱、冷柜和小型冷库等。

半封闭活塞式压缩机的电动机与压缩部件封闭在一个机壳内，机壳部分靠螺栓连接，可拆启。图13-7所示为一种半封闭活塞式压缩机外形。半封闭式制冷压缩机，功率范围比全封闭活塞式压缩机大，多用于冷柜、冷库、冷水机组。

开启活塞式压缩机外形如图13-8所示，其压缩部分与电机部分分开，各自成一独立体，驱动电动机与压缩部分靠联轴器或皮带连接。这种压缩机运行时有振动、噪声较大。开启活塞式压缩机制取冷量范围广，大多用于大型冷库和食品厂等。

图13-7 半封闭式制冷压缩机

图13-8 开启活塞式制冷压缩机

活塞式压缩机历史悠久、技术成熟、便于维修。虽然活塞式压缩机已经受到新型压缩机较大冲击，但其在特殊条件（如在环境温度下由单台压缩机制取较低温度）下的运行性，仍有不可替代的优势。

2.螺杆式压缩机

螺杆式压缩机结构如图13-9所示，主要由阴、阳转子、机体、轴承、轴封、平衡活塞及能量调节装置等组成。其工作原理是由阴、阳转子螺杆的啮合旋转产生容积变化，进行气体的压缩。阴转子的齿沟相当于活塞缸，阳转子相当于活塞。阳转子带动阴转子做回转运动，使阴阳转子间的容积不断变化，完成制冷剂蒸气的吸入、压缩、排出。

与活塞式制冷压缩机相比，螺杆式压缩机具有多方面优势，如结构简单、体积小、输气系数大、排温低、排气脉动小、易损件少、检修周期长、制冷量可调范围大等。在大冷量领域中，螺杆式压缩机已经显示出其优越性，有取代活塞式制冷压缩机的趋势。

3.并联压缩机组

并联压缩机组主要由安装在公共机架的若干台相同或不同型号的压缩机组成。压缩机一般可以是活塞式，也可以是螺杆式或其他型式，一般使用氟利昂系列制冷剂。图13-10所示为一种并联螺杆压缩机组。压缩机共享（安装在同一机架上的）吸排气集管、冷凝器及储液器等部件。它向整个制冷系统的各蒸发末端直接提供制冷剂，并由集中控制系统根据压力、温度参数控制各压缩机开停。

图13-9 双螺杆制冷压缩机

图13-10 并联螺杆压缩机组

并联压缩机组具有以下特点：①可灵活调节供冷量。可根据季节或生产所需冷负荷等决定压缩机开停的数量，从而可使系统持续保持高效运行状态；②可提高自动化程度，利用系统电控箱与电脑控制器相结合的方式，基本上可以做到无人操作或远程操作；③节能，有人对同一套系统用并联机组与单机进行实验对比，发现前者可节能18%；④降低设备成本和安装工程量，缩短工期，减小机房面积，综合初投资可以降低20%左右。

并联压缩机组适用于冷藏库群、超市岛柜、展示柜，以及用冷单机分散、生产负荷变化较大的食品加工企业。

（二）膨胀阀

膨胀阀，又称节流阀，型式包括：手动膨胀阀、自动浮球阀、自动膨胀阀、热力膨胀阀、电子膨胀阀等。

1.手动膨胀阀

手动膨胀阀是一种针阀（图13-11）。根据蒸发器热负荷的变化，利用手动调节方式通过旋转调节杆调整手动膨胀阀的开度，可使其缓慢地增大或减小。如果蒸发器出口处制冷剂蒸气的过热度过高，需要调大阀口，使较多的制冷剂液体进入蒸发器，从而降低蒸发器出口处制冷剂蒸气的过热度；反之亦然。目前，手动膨胀阀正在被自动膨胀阀所取代，只在氨制冷系统中仍在使用。在氟制冷系统中，手动膨胀阀作为备用阀，常与热力膨胀阀组合，仅供维修时使用。

图13-11 手动膨胀阀

2.自动浮球阀

自动浮球阀分低压浮球阀和高压浮球阀两种。

自动低压浮球阀用于满溢式蒸发器。如图13-12所示，低压浮球阀的浮球位于系统的低压侧。随着较多制冷剂的蒸发，浮球会下降从而打开节流孔，让更多的制冷液由高压侧进入低压侧。节流孔随浮球的上升而关闭。这种膨胀阀简单、运行稳定、有很好的控制性能。

自动高压浮球阀的浮球浸没在高压制冷液中（图13-13）。随着热制冷气体在冷凝器中冷凝成液体，室内的制冷剂液位上升。浮球也随之上浮并将节流孔打开，使制冷液流入蒸发器。

图13-12 低压浮球阀

图13-13 高压浮球阀

3.自动膨胀阀

自动膨胀阀结构如图13-14所示，能使蒸发器维持恒定的压强。其工作原理为：当蒸发器压强升高使得薄膜克服弹簧压力而上升，从而将阀关闭；当蒸发器的压强下降时，阀打开。这种阀适用于要求维持恒定制冷负荷和恒定蒸发温度的场合，如家用冰箱。

4.热力膨胀阀

这是一种能自动调节液体流量的节流膨胀机构，它由调节阀（一个贴在压缩机吸气管上的）、感温包及传递压力的毛细管构成（图13-15）。感温包用于感测离开蒸发器的过热气体温度。较高的感温包温度使得包内流体（通常是同一种制冷剂）的压强升高。升高的压强通过恒温管传递到波纹管和薄膜室，使膨胀阀开启，从而使更多的液体制冷剂流过。

图13-14 自动膨胀阀

图13-15 热力膨胀阀(www.xing528.com)

5.电子膨胀阀

电子膨胀阀是一类由电压或电流控制驱动开启度的膨胀阀，可应用于不同规模自动控制的制冷系统。提供给电子膨胀阀的电信号大小，一般由压力或温度传感器的反馈信号通过适当方式转换而成。按驱动原理，电子膨胀阀可分为电磁式和电动式两大类。电磁式通过调节电磁线圈电压使阀杆发生直线位移，从而控制膨胀阀阀芯的开启度。电动式膨胀阀通过电机的转动使阀杆发生位移。按阀体的节流结构，电子膨胀阀可有针阀式、滑阀式等形式。

图13-16所示为一种由步进电机驱动的陶瓷阀芯电子膨胀阀。此膨胀阀通过步进电机驱动阀杆升降，带动陶瓷阀芯块的上下滑动而改变阀芯孔与密封圈圆孔相交面积大小，从而对通过此阀的制冷剂产生调节作用。

图13-16 陶瓷阀芯电子膨胀阀

（三）蒸发器

蒸发器是制冷系统中的热交换部件之一，是用冷场所或设备实现冷却效果的设备。节流后的低温低压液体制冷剂在蒸发器管路内蒸发吸热，达到制冷降温的目的。

按被冷却介质类型，蒸发器可分为用于冷却液体的和用于冷却空气的两大类。

1.冷却液体的蒸发器

（1）立管式蒸发器 立管式蒸发器由若干立式排管组合安装在一个长方形水箱内（图13-17）。每个立式排管分别由水平向的上总管、下总管和与两总管相连的直立管子构成。水平上总管的一端与液体（氨液）分离器相连，可使制冷剂气体回流至制冷压缩机内，而分离出来的制冷剂液体流至下总管。下总管的一端设有集油器，集油罐上端的均压管与回气管相通，可将润滑油中的制冷蒸气抽回至制冷压缩机内。被冷却的水从上部进入水箱，由下部出口流出。为保证水在箱内以一定速度循环，管内装有纵向隔板和螺旋搅拌器，水流速度可达0.5～0.7m/s。

制冷剂在立管中的循环情形如图13-18所示。节流后的低压液体制冷剂（氨液）由导液管引入上总管及中间一根直立粗管，直接进入下总管，并可均匀地分配到各立管中去。立管内充满液体制冷剂，汽化后的制冷剂（氨气）上升到上总管，经液体分离器，气体制冷剂被制冷压缩机吸回。由于制冷剂由下部进入、从上部流出，符合液体沸腾过程的规律，制冷剂沸腾时的放热系数高。

图13-17 立管式蒸发器（水箱）

图13-18 立管中制冷剂循环路线

立管式蒸发器属于敞开式设备，其优点是便于观察、运行和检修。其缺点是如用盐水作载冷剂时，因与大气接触吸收空气中的水分，易降低盐水的浓度，而且系统易被迅速腐蚀。这种蒸发器适用于冷藏库制冰。

（2）卧式壳管式蒸发器 这是一种特殊形式的列管式热交换器，利用制冷剂在器内吸热蒸发将水之类液体冷却。这种蒸发器有制冷剂在管内流动和管外流动两种类型，前者适用于氟制冷系统，而后者适用于氨制冷机。

制冷剂在管外流动的卧式壳管式蒸发器结构如图13-19所示，其筒体由钢板焊成，两端各焊有管板，两管板之间焊接或胀接许多根水平传热管，管板外面两端各装有带分水槽的封头。封头内的分水槽将水平管束分成若干管组，使冷冻水由封头下部进水管进入蒸发器，并沿着各管组做自下而上的反复流动，将热量传给管外液体制冷剂，使其汽化。被冷却后的水从封头上部出水管流出，冷却水在管内流速范围为1～2m/s。

2.冷却空气的蒸发器

冷却空气的蒸发器根据应用场所不同，可分为空气自然对流式和强制对流式两种。

（1）自然对流蒸发器 装在冷库的自然对流蒸发器一般称为库房冷却排管（冷排管）。安装在近墙处的称为墙排管；安装在顶棚处的称为顶棚排管；用架子平放的称为搁架排管。常用库房冷却排管，按管子的连接方法，可分为立管式及盘管式。此外，冷排管按冷却表面形式，又可分为光滑管及翅片管两大类。

蛇形盘管式蒸发器[图13-20（1）]多采用无缝钢管制成，横卧的光滑或翅片管通过U形管卡固定在竖立的角钢支架上，气流通过自然对流经过盘管得到降温。这种蒸发器结构简单、制作容易、充氨量小，但排管内的制冷气体需要经过冷却排管的全部长度后才能排出，而且空气流量小、制冷效率低。

图13-19 卧式壳管式蒸发器

立管式蒸发器[图13-20（2）]常见于氨制冷系统，一般用无缝钢管制造。氨液从下横管的中部进入，均匀地分布到每根蒸发立管中。各立管中液面高度相同，汽化后的氨蒸气由上横管的中部排出。这种立管式蒸发器中的制冷剂汽化后，气体易于排出，从而保证了蒸发器有效传热效果，减少了过热区。这种蒸发器的主要缺点是，当蒸发器较高时，因液柱的静压力作用，下部制冷剂压力较大，蒸发温度高。这种现象在蒸发温度较低的系统尤为突出。

图13-20 自然对流蒸发器

图13-21 冷库中使用的冷风机

（2）强制对流蒸发器 强制对流蒸发器由风机与管内通制冷剂的翅片管结合而成。这种蒸发器对于用冷场所（如冷库和速冻设备）而言，通常称为冷风机。需要指出的是，风机与内通载冷剂结合而成的供冷装置也称为冷风机。图13-21所示为一种用于冷库的冷风机的外形。这种蒸发器的轴流风机的抽吸及作用，使空气强制通过蒸发器翅片盘管。氨、氟制冷系统均可采用这种型式的蒸发器。

（四）冷凝器

冷凝器是使来自压缩机的高温高压制冷剂气体冷凝成常温高压液体的热交换设备。根据冷却介质和冷却方式，冷凝器可分为水冷式、风冷式和蒸发冷凝式三类。

1.水冷式冷凝器

水冷式冷凝器用水作为冷却介质。这类冷凝器型式主要有：立式壳管式、卧式壳管式及套管式，其中，以前二者最常见。

（1）立式壳管式冷凝器 结构如图13-22所示，立式结构筒体上下两端各焊一块管板，两管板之间配有许多根小口径无缝钢管（换热管）。冷凝器顶部装有配水箱，冷却水通过配水箱均匀地分配到每根换热管中。冷却水从冷凝器上部送入管内吸热后从冷凝器下部排出。

图13-22 立式壳管式冷凝器

制冷剂蒸气（氨气）从上部的进气管进入冷凝器的壳体内，在换热管表面凝结成液体。冷凝后的液体制冷剂沿着管壁外表面下流，积于冷凝器底部，从出液管流出。

这种冷凝器的冷却水流量大、流速高，制冷剂蒸气与凝结在换热管上的液体制冷剂流向垂直，能够有效地冲刷钢管外表面，不会在管外表面形成较厚的液膜，传热效率高，因无冻结危害，故可安装在室外；冷却水自上而下直通流动，便于清除铁锈和污垢，对使用的冷却水质要求不高，清洗时不必停止制冷系统的运行。但冷却水用量大，体型较笨重。目前大中型氨制冷系统采用这种冷凝器较多。这种冷凝器传热管的高度在4～5m，冷却水温升为2～4℃。

（2）卧式壳管式冷凝器 这种冷凝器的外形结构如图13-23所示，壳体内部装有无缝钢管制作的换热管束，固定在两端管板上。管板两端装有带分水槽的封头。工作时，高温高压制冷剂蒸气由管壳顶部进气管进入壳体内的冷却水管的空隙间，遇冷后便结成液滴下落到壳体的底部，由壳体底部的出液管流出。冷却水由水泵供送，从封头下部进水管流入冷凝器。通过封头内的分水槽，使冷却水在筒内分成数个流程，自下而上在冷却水管内按顺序反复流动，最后由右端封头上部的出水管流出。左侧封头顶部的放气阀用于供水时排出存积其内的空气。下部的放水阀用于冷凝器在冬季停止使用时积水的放出，以防冷却水管冻裂。卧式壳管式冷凝器的特点：传热系数高，冷却水耗用量较少，反复流动的水路长，进出水温差大（一般为4～6℃）；但制冷剂泄漏时不易发现，清洗冷凝器污垢时需要停止制冷压缩机的运行。

图13-23 卧式壳管式冷凝器

卧式壳管式冷凝器适用于水温较低，水质较好的条件。常用于中型及大型的氟利昂制冷机组中，便于制冷自动化。

2.风冷式冷凝器

利用常温空气作为冷却介质的冷凝器称为风冷式冷凝器。风冷式冷凝器又分为自然对流式和强制对流式两种：前者适用于制冷量很小的制冷装置，后者适用于中小型制冷设备。

强制风冷式冷凝器的结构与冷风机的结构类似，主要由翅片式换热器与风机组合而成。图13-24所示为一种风冷式冷凝器机组的外形图。

图13-24 风冷式冷凝机组

3.蒸发式冷凝器

蒸发式冷凝器是目前在制冷方面比较理想的一种冷凝器，外形和结构如图13-25所示。这种冷凝器将水喷淋装置、空气冷却装置以及冷却水循环利用装置三者结合在一起。

图13-25 蒸发式冷凝器

蒸发式冷凝器因冷却水喷淋到制冷剂盘管上有部分会吸收蒸发而命名。制冷剂蒸气冷凝时释放的热量同时为两种冷却介质吸收，水冷却以喷淋方式进行，而空气流动有助于水在冷却管表面汽化，并将汽化后的蒸气带走，对关键的冷凝壁外侧，形成了一种伴有相变对流换热机制的强化作用。

三、制冷系统的附属设备

为改善制冷机工作条件，保证良好的制冷效果，延长制冷机使用寿命，制冷机除四大主件（压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器）外，还必须有其他的装置和设备，这些装置和设备统称为制冷机的附属设备。制冷机附属设备的种类和形式较多，以下介绍主要和常用的几种。

（一）油分离器

油分离器也称为分油器，它的作用是分离压缩后制冷剂气体中所带出的润滑油，保证油不进入冷凝器，以避免其壁面因油污染而使传热系数大大降低。

油分离器有多种形式。图13-26所示的洗涤式（也称翻泡式）油分离器，用于氨制冷系统。它由钢制圆柱壳体封头焊接而成，其上有氨气进出口、放油口和氨液进口。依靠降低气流速度、改变运动方向以及降低温度可使氨气中润滑油得以分离，并下落到油分离器底部。这种油分离器能将氨气中95%以上的润滑油分离出来。

图13-26 洗涤式油分离器

除洗涤式以外，尚有填料式、离心式和过滤式等油分离器。

（二）高压贮液器

高压贮液器，也称高压贮液桶，用来贮存和供应制冷系统内的液体制冷剂，以便工况变化时能补偿和调剂液体制冷剂的量，是保证压缩机和制冷系统正常运行的必需设备；在检修制冷系统时，可将系统中的制冷剂收集在贮液器中，以避免将制冷剂排入大气造成浪费和污染环境。贮液桶常与冷凝器安装在一起，可以贮存从冷凝器来的高压液体。小型制冷系统，往往不装贮液器，而是利用冷凝器来调节和贮存制冷剂。

氨制冷系统常用的卧式贮氨器，是一个由柱形钢板壳体及封头焊接而成的压力容器。其上有氨液进出口、均压管、安全阀、放空气、放油等接头及液位计等。最高工作压力为2MPa。

（三）气液分离器

它位于系统膨胀阀之后，设在蒸发器与压缩机之间。它主要起两方面的作用：一是分离蒸发器出来制冷剂蒸气，保证压缩机工作是干冲程，即进入压缩机的是干饱和蒸气，防止制冷剂液进入压缩机产生液压冲击造成事故；二是用来分离来自膨胀阀的制冷剂气体，使进入蒸发器的制冷剂全为液体，以提高蒸发器的传热效果。

气液分离器是低压容器，其中贮存有适当量的低压制冷剂（氨液），因此气液分离器有时也称为低压贮液器。气液分离器内的制冷剂液体可以重力（见图13-53）或循环泵供送（见图13-54）方式提供给蒸发器。

（四）空气分离器

制冷循环的整个系统虽然是密闭的，在首次加制冷剂前虽经抽空，但不可能将整个系统内部空气完全抽出，因而还有少量空气留在设备中。在正常操作时，由于操作不慎，使低压管路压力过低，系统不够严密等，也可能渗入一部分空气。另外，在压缩机排气温度过高时，常有部分润滑油或制冷剂分解成不能在冷凝器中液化的气体。这些不易液化的气体，往往聚集在冷凝器、高压贮液器等设备内，这将降低冷凝器的传热系数，引起冷凝压力升高，增加压缩机工作的耗电量。所以，需要用空气分离器来分离、排除冷凝器中不能液化的气体，以保证制冷系统的正常运转。

（五）中间冷却器

中间冷却器应用于双级（或多级）压缩制冷系统中，用以冷却低压压缩机压出的中压过热蒸气。常用的中间冷却器如图13-27所示，是立式带蛇形盘管的钢制壳体。其有氨气进出口，氨液进出口，远距离液面指示器，压力表和安全阀等接头。氨气进入管位于容器中央并伸入氨的液面以下。来自低压压缩机的中压氨过热蒸气，经过氨液的洗涤而迅速被冷却。液面的高低由浮球阀维持。氨气进入管上焊有伞形挡板两块，用以分离通向高压压缩机氨蒸气中夹带的氨液和润滑油。

图13-27 中间冷却器

为了提高制冷效果，将高压贮氨器的氨液，通过中间冷却器下部的冷却盘管（蛇形管）。盘管浸没在中压氨液中，由于中压氨液蒸发吸热，使盘管内的高压氨过冷。过冷氨液节流后的液体成分增大，蒸气成分减少，使循环中氨的单位制冷量增大。

（六）冷却水系统

制冷系统的冷却水主要用于水冷式或蒸发式冷凝器冷却，其次用于某些压缩机的夹套冷却。工业规模的氨制冷系统冷却水用量相当大，例如，一台500kW的制冷机组，每小时至少要消耗100t冷却水。

冷却水的来源有地面水（河水、湖水、海水）、地下水和自来水。冷却水的水温取决于水源的温度和当地的气象条件。冷却水温低，可以降低冷凝压力，降低能耗，提高制冷量。为保证制冷系统冷凝压力不超过制冷压缩机的允许工作条件，冷却水温一般不宜超过32℃。

冷却水的供水方式一般分为直流式、混合式和循环式三种。

直流式一般用于小型制冷系统，或水源相当充裕的地方，如靠近海边或江河旁。一般不宜用自来水作为直流式冷却的水源。

混合式冷却系统部分采用水源供水，部分采用循环水，混合在一起供冷却系统使用。

循环式冷却水系统的特点是冷却水循环使用。冷却水经冷凝器等热交换升温后，再在大气中利用蒸发吸热原理进行冷却。对冷却水进行蒸发冷却的装置有两种：一种是喷水池；一种是冷却塔。喷水池中设有许多喷嘴，将水喷入空中蒸发冷却。喷水池结构很简单，但冷却效果欠佳，且占地面积大。一般1m²水池面积可冷却的水量为0.3～1.2t/h。当空气的湿度大时，蒸发水量较少，则冷却效果较差。喷水池适用于气候比较干燥的地区和小型制冷场合。

大型工业制冷系统的冷却水多采用冷却塔降温。冷却塔有自然通风和机械通风式两类。常用的为机械通风冷却塔。目前，国内生产的定型机械通风式冷却塔大多采用玻璃钢作外壳，故又称为玻璃钢冷却塔。按冷却水进出温差，冷却塔可分为低温差（5℃左右）和中温差（10℃ 左右）两种，前者足以满足蒸气压缩式制冷系统的冷却水循环要求。

图13-28所示为一种玻璃钢冷却塔的结构。为增大空气与冷却水的接触面积，塔内充满塑料材质的填料层。水通过均布的喷嘴喷淋在填料层上，空气由下部进入冷却塔，两者在填料层中呈逆流接触，提高了水的蒸发速率。这种冷却塔结构紧凑，冷却效率高。从理论上讲，冷却塔可以把水冷却到空气的湿球温度。实际上，冷却塔的极限出水温度比空气的湿球温度高3.5～5℃。由于水的汽化潜热较大，少量水分蒸发就可使水温有明显降低，例如，1%的冷却水量蒸发，就可使水温降低5℃。但是，由于雾沫夹带和滴漏损失，冷却塔补充的水量约为冷却水量的4%～10%。低温差玻璃钢冷却塔铭牌上标示的水量，一般指湿球温度28℃，进水温度37℃、冷却温差5℃ 工况条件下的冷却水量。实际冷却水量将随工况而变化。当湿球温度降低、进塔水温升高或冷却温差减小时，冷却塔冷却的水量将增加。

典型的循环式冷却水系统如图13-29所示。冷却塔一般安装在冷冻车间的房顶上，或另筑混凝土框架支座。冷凝器置于水池上方。水池一般设在地下，容积大小根据总的循环水量来确定，一般取冷却水循环水量的10min流量来计算，还要考虑水面离水池顶面应保持200～300mm的距离，及水泵吸水管不能吸走的容积。循环水泵的流量应根据冷凝器的热负荷和水温来计算确定，泵的扬程按冷却塔的高度和管道阻力损失来选用。

图13-28 玻璃钢冷却塔

图13-29 典型的循环式冷却水系统

（七）除霜系统

空气冷却用的蒸发器，当蒸发表面低于0℃，且空气湿度大时，表面就会结霜。霜层导热性很低，影响传热，当霜层逐步加厚时将堵塞通道，无法进行正常的制冷。所以，须定期对蒸发器进行除霜。啤酒厂或某些食品厂需要制造大量的4℃ 以下的“冰水”，采用的是壳管式蒸发器，蒸发温度在—5～-4℃，若操作失误，就可能使列管冻结，无法工作。这些场合都需要设计除霜的装置。

蒸发器除霜的办法很多，对空气冷却用的蒸发器可采用人工扫霜、中止制冷循环除霜、水冲霜、电热除霜等办法。

对于大型的壳管式蒸发器，霜冻发生在管内，因此，不能采用上述办法，而应选用热氨除霜法。所谓热氨除霜法即利用压缩机排出的高压高温气体引入蒸发器内，提高蒸发器内的温度，以达到使冰融化的目的。图13-30为重力供氨制冷系统中的热氨除霜系统。正常工作时，凡有可能使热氨进入系统的阀门（如排液阀、热氨阀）处于关闭状态。当需要除霜时，原正常供氨的阀门（如供氨阀、回气阀）关闭，开启排液阀、热氨阀，使热氨气经热氨阀逆向进入蒸发器，由于热氨压力高，可借助压差将液氨经排液阀流回贮氨罐。

图13-30 热氨除霜系统

对壳管式蒸发器除霜操作时应注意，以提高系统温度，脱离冷媒的冰点即可，不可过度通入热氨气，否则压力可能过高，超出容器允许的承压值，不安全。