蒸汽压缩式制冷机的工作原理及适用领域

压缩式制冷有活塞式、离心式和螺杆式三种方式，它们共同的特点是对制冷剂蒸汽进行压缩，以便于冷凝。

（一）制冷剂、冷媒

制冷剂又称制冷工质，它是制冷系统中完成制冷循环的工作介质。制冷剂在蒸发器内吸取被冷却对象的热量而蒸发，在冷凝器内将热量传递给周围空气或水而被冷凝成液体，制冷机就是借助于制冷剂的状态变化，达到制冷的目的。载冷剂或冷媒是制冷系统中用来传递冷量的工质。因此，制冷剂和载冷剂是制冷系统不可缺少的物质。

1.制冷剂的种类理想的制冷剂应具备对人体无害，不腐蚀金属，不燃不爆；具有良好的热力性能，即单位容积制冷量要大，在常温及普通低温范围内都能液化，冷凝压力不太高，蒸发压力不太低，最好不要低于一个大气压，这样可防止空气的渗入；与润滑油不起化学作用，泄漏时易发现，价廉易购等，以满足制冷要求。但是，在实际工作中，理想的制冷剂是没有的，因此制冷剂的选择应视其热力性能及其在冷冻机使用的其他条件下确定。目前，常用制冷剂的种类见表5－1。

表5－1　常用制冷剂主要物理性能及使用范围

注　1.R是英文“制冷剂”的第一个字母；F是英文“氟利昂”第一个字母。
2.温度范围：高－1～10℃，中－18～－1℃，低－60～－18℃，超低－90～－60℃。
3.压力范围：高（1.96×106）～（6.86×106）Pa，中（2.94×105）～（1.96×106）Pa，低（2.94×105）Pa以下。

在纺织厂蒸汽压缩制冷系统中，以前广泛使用的制冷剂是氨和氟利昂。氟利昂包括R—11、R—12、R—22等，其中R—11、R—12对臭氧层破坏最为严重，是首批受控物质，发达国家已停止生产和消费，而发展中国家2010年1月1日起停止使用和消费；R—22对臭氧层破坏较轻，属过渡性物质，即在合适的替代物质找到之前，使用时间可以稍长一些，发达国家可使用到2030年，发展中国家可使用至2050年，但终究还是会被禁用的。就目前的情况来看，空调用制冷机中R—22正被作为过渡性的替代制冷剂而广为使用。它不仅被用于活塞式、螺杆式冷水机组中，同时被用于离心式冷水机组中。若考虑再长远一点，目前被看好的R—11的替代物是R—123，R—12的替代物是R—134a，但替代所牵涉的许多问题（如毒性、腐蚀性、溶油性等）仍在研究之中。此外，非共沸混合制冷剂作为替代物的研究也正方兴未艾。为保护环境，除了积极寻找氟利昂的替代物之外，氨的性质将被重新评价，其使用范围将会扩大，当然这依赖于很好地解决氨的泄漏和毒性问题。R—134a R—123制冷剂的物理性质见表5－2。

表5－2　R—134a R—123制冷剂的物理性质

2.冷媒的种类对冷媒的要求是冰点低，可以扩大使用范围；热容量大，储存的能量多，温度波动小，即当制冷设备发生故障时，可将储存的能量供应出去；对金属不造成腐蚀；价格低廉，容易获取。常用的冷媒有空气、水和盐水等。空调制冷系统中常用的冷媒为水，这种水称为冷冻水，但是水温低于0℃时必须改用盐水，否则会结冰。

（二）活塞式压缩制冷机

这是我国目前使用最为广泛的一种制冷方式，具有运行可靠、产冷量大、使用方便等特点，其标准产冷量为1.163～555.914kW。但是这种制冷机易磨损的零部件较多，因而相应地增加维护保养的工作量。

1.工作原理活塞式压缩制冷系统由活塞式压缩机1、冷凝器2、节流阀（或称膨胀阀）3和蒸发器4等主要设备组成，如图5－6所示，并由管道将它们连成一个封闭的循环系统。一般称压缩机为主机，称蒸发器、冷凝器和膨胀阀等为辅机。其工作过程是低温低压制冷剂液体（氨或氟利昂），在蒸发器内蒸发为气体时，吸收周围介质（冷冻水或空气）的热量后被压缩机吸入气缸内。气体在气缸中经压缩，其温度和压力都要升高，然后被排入冷凝器中。在冷凝器内，高温、高压制冷剂气体与冷却水或空气进行热交换，放出凝结热，将热量传给冷却水或空气，而本身由气体凝结为液体，此高压液体经节流阀节流降压至蒸发压力，在节流过程中制冷剂温度下降到蒸发温度，节流后的气液混合物进入蒸发器，再进行气化吸热，使蒸发器周围被冷介质温度降低，而蒸发器内制冷剂气体又被压缩机吸走，从而完成一个制冷循环，周而复始，不断地将蒸发器周围介质的热量带走，从而获得低温，达到制冷的目的。

图5－6　活塞式压缩制冷系统

由制冷原理可知，假设低温热源被冷却物的热量为Qo，被制冷剂液体汽化所吸收，经冷冻机吸入压缩，消耗压缩功AL，然后送至高温热源冷凝器。假如高温热源全部吸收的热量为Qk，则Qk=Qo+AL。从这里不难看出，被冷却物的热量Qo被不断带走而获得了低温，然后送到冷凝器中放出来，是消耗了一定的压缩功（由电能转变而来）作为补偿的，制冷装置工作原理如图5－7所示。

图5－7　制冷装置工作原理图

2.制冷机主要设备

（1）压缩机：压缩机在制冷系统中主要用来压缩和输送制冷剂蒸汽，使制冷剂进行制冷循环。在各类制冷设备中，活塞式制冷压缩机应用最为广泛，由于它具有效率高、使用温度范围广、灵活可靠、适用多种制冷剂等优点，因此，在中、小型制冷量范围内，大多采用这种压缩机。

活塞式制冷压缩机是依靠活塞在气缸中作往复运动时，形成一个不断变化的工作容积来完成吸气、压缩和排气的功能。当容积由小变大时，制冷剂蒸气被吸入气缸；当容积由大变小时，吸入的蒸气受压缩，然后从气缸经排气阀排出。压缩机连续不停地运转，就会循环不断地进行吸气、压缩、排气、膨胀四个过程，简称吸、压、排、膨。在完成一次吸、排气时，活塞在气缸中往返一次，曲轴则旋转一周，如图5－8所示。

图5－8　活塞式压缩机的工程过程

目前，我国生产的中、小型活塞式制冷压缩机系列产品，根据气缸直径（mm）不同分为50、70、100、125、170五个基本系列。其中，100、125、170三个系列作为空调用制冷成套设备的压缩机；50、70两个系列多用于整体式空调机、冷风机和除湿机等。上述五个基本系列，再配置不同的缸数，可组成数十种规格的压缩机，以满足不同制冷量的需要，见表5－3。

表5－3　中、小型活塞式制冷压缩机系列气缸布置形式

注　V表示V形，夹角为90°；L表示立式；W表示W形，夹角为60°；S表示扇形，夹角为45°。

活塞式制冷压缩机型号的编制有两种方法：一种是开启式和半封闭式；另一种是全封闭式，但两种方法基本上是统一的。如8FS10型制冷压缩机，表示8缸、制冷剂为氟利昂、气缸排列成扇形、气缸直径为100mm开启式压缩机。又如3FW5B型制冷压缩机，表示3缸、制冷剂为氟里昂、W形排列、缸径为50mm的半封闭式压缩机。

如果压缩机与电动机组成机组，其型号名称一般与压缩机名称相同，部分厂家另取名称用“F”表示制冷剂为氟里昂，“A”表示制冷剂为氨，“JZ”表示冷水机组。如FJZ—15、FJZ—20、FJZ—40A等表示氟里昂冷水机组；AJZ—5.3、AJZ—2.65等表示氨冷水机组，其后面数字表示制冷量，单位为4.1868×104kJ/h（104kcal/h）。

（2）冷凝器：冷凝器又称散热器，它也是制冷系统主要热交换设备之一，其作用是将压缩机排出的高压过热蒸气，经散热面冷却凝结为液体。冷凝器向空气或水排放的热量，既包括制冷剂在蒸发器中吸收的热量，又包括压缩机作功所转换的热量。因此，其传热面积大于蒸发器的传热面积。

目前常用的冷凝器有三大类，即水冷式、空冷式和蒸发式。水冷式是利用冷却水作为介质来吸取制冷剂蒸气的热量，并将制冷剂冷凝成液体的换热器。冷却水可以一次流过后排至地下，也可以经过凉水塔冷却后继续循环使用，前者用水量大，不经济，后者耗水量很少，因而被广泛采用。水冷式冷凝器有壳管式、套管式、沉浸式等。图5－9为水冷立式壳管冷凝器，这种冷凝器多用于氨制冷，它结构紧凑，传热效果较好，在大、中、小制冷设备中广泛采用。空冷式（或称风冷式）冷凝器是以空气为冷却介质的冷凝器。制冷剂在冷却管内流动，而空气在管外流过，吸收冷却管内制冷剂的热量，并把它散发于周围环境中。为增加空气侧的传热面积，通常在管外加肋片（或称散热片），同时采用通风机来加速空气流动，增强空气侧的传热效果。空冷式冷凝器最大的特点是不需要冷却水，因此特别适用于供水困难的地区。近年来在中小型氟里昂空调机组中，特别是窗式空调器和组装式空调器大多采用这种冷凝器。蒸发式则主要利用水蒸发吸热的原理，使制冷剂冷凝成液体。

图5－9　立式壳管冷凝器

（3）蒸发器：蒸发器是一种热交换器，在制冷过程中，将被冷物的热量传给制冷剂，使制冷剂液体汽化。制冷剂在本设备内汽化吸收大量的汽化潜热，把被冷物的热量带走，从而达到所需要的低温。制冷剂本身则由液体变为气体，而被压缩机吸走。

蒸发器按其冷却方式不同可分为两大类，一类是冷却液体的蒸发器；另一类是冷却空气的蒸发器。冷却液体的蒸发器是以冷却盐水、水或酒精等作为载冷剂，由载冷剂再去冷却被冷物，因此，它是一种间接冷却式的蒸发器。按其构造可分为立管式蒸发器、螺旋管式蒸发器和卧式管壳式蒸发器等。图5－10（a）、（b）分别为立管式蒸发器和螺旋管式蒸发器。螺旋管式蒸发器与立管式蒸发器的区别在于以螺旋管代替了直立管，这样当蒸发面积相同时，其外形比立管式蒸发器小，因而其结构紧凑，占地面积小，布液均匀。冷却空气的蒸发器（即表面式蒸发器）是直接用来冷却空气的，利用通风机使空气强制流经蒸发器表面；当氟里昂通过膨胀阀节流后，经垂直安装的液体分布器，而分路从上部进液，使各蒸发管进液均匀，制冷剂液体在带肋片的管内蒸发吸收空气的热量，达到制冷的目的，蒸发后的气体被压缩机吸入。

（4）氨节流阀：氨节流阀又称调节阀，它是制冷系统中四大件之一。其作用是使高压制冷剂液体减压，从冷凝压力减压至蒸发压力，同时控制制冷剂进入蒸发器流量的多少，并调节蒸发器工况。氨节流阀的结构形式、外形和其他截止阀相同，只是在阀芯（瓣）的结构上采用针形或圆锥形缺口两种。图5－11（a）为针形节流阀，图5－11（b）为圆锥形缺口节流阀。

节流过程是一个绝热膨胀过程。由于过程进行很快，制冷剂来不及与周围环境进行热交换，也没有功能交换，因此，认为节流前后的焓不变。当制冷剂以高压进入节流阀时，由于阀芯构造特殊，只能有一狭窄的断面通过，阻力很大，于是制冷剂能量受到损失，压力下降，速度上升。通道断面越小，压力降就越大，流量也减少。当压力降低之后，制冷剂分子运动的速度也降低，其温度也随之下降。这是因为节流时，制冷剂比体积增大，需要有一部分能量来克服分子间的作用力，使内部势能增大。势能的增加是靠降低自身内动能作为代价的，所以节流后温度是降低的。节流阀并非一般的截止阀，它的开大、关小直接关系到蒸发器的工况，也关系到冷冻机的效率，因此要按照冷冻机的调节规程进行。

图5－10　立管式和螺旋管式蒸发器

图5－11　氨节流阀(www.xing528.com)

3.活塞式制冷机的常见故障的产生原因与排除方法（表5－4）

表5－4　活塞式制冷机的常见故障的产生原因与排除方法

续表

（三）离心式制冷机

离心式制冷机适用于大冷量的冷冻站。随着大型公共建筑、大面积空调厂房和机房的建立，离心式制冷机得到相应的发展。

1.离心式制冷机的特点离心式制冷机与活塞压缩式制冷机相比具有以下特点。

（1）单机容量大、结构紧凑、外形尺寸小（占地面积也小）、质量轻。在相同制冷工况和制冷量的情况下离心式压缩机的质量只是活塞式压缩机的1/5～1/8。

（2）工作可靠。这种制冷机由于没有阀片、弹簧、活塞环等易损零件，因此工作可靠，维修周期长，维修费用低，约为活塞式压缩机维修费用的1/5。

（3）没有活塞连杆等部件，减少冲击，运转平衡，振动小，对基础无特殊要求。

（4）工作叶轮和机壳之间没有摩擦，因而润滑油的需要量少。运行时制冷剂与润滑油不接触，所以随制冷剂气体带入系统的润滑油也少，对蒸发器和冷凝器的传热性能不会因此而受影响。

（5）能既容易而又方便地进行制冷量调节，调节范围大。

离心式制冷机因本身的结构和技术要求缘故，也存在不足之处。

（1）由于叶轮的转速很高，而制冷机尺寸受加工的限制不能造得很小，因此，决定了离心式制冷机适用于较大的制冷量。

（2）离心式压缩机因气流速度高，流道中的能量也较大，所以效率一般低于活塞式压缩机。

（3）这种压缩机转速高，对材料的强度、加工精度和制造质量要求较高，因而造价较高。

（4）制冷机的工况范围比较狭窄，不宜采用较高的冷凝温度和过低的蒸发温度。冷凝温度一般为40℃左右，冷凝器进水温度一般为32℃左右，蒸发温度为0～10℃，蒸发器出口冷冻水温度一般为5～7℃。

目前离心式制冷机使用的制冷剂主要有R—11、R—12，国产离心式制冷机单机制冷量为580～4410kW。对于要求制冷能力大、蒸发温度低的大型离心式制冷机多用氨、乙烯、丙烯、丙烷等作制冷剂。

2.离心式制冷机的组成和工作原理离心式制冷机的制冷循环基本与活塞式制冷机相同，也是由制冷剂压缩、冷凝、节流和蒸发四个主要过程组成，这就决定了它的组成部件。离心式制冷机除有离心式压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器四个最基本的部件外，还需要保证制冷机安全可靠运行的保护装置和适应负荷变化的冷量调节装置以及排除不凝性气体的抽气回收装置等辅助设备。

离心式制冷机流程如图5－12所示。离心式制冷压缩机的工作原理与离心机械（如水泵）相似，由蒸发器汽化吸热后的制冷剂气体经由压缩机的进气室进入叶轮的吸入口，由于叶轮以高速旋转，把叶片间的气体以高速度甩出去，气体在被甩出去的过程中，叶轮对气体作了功，因此气体的速度增大，同时压力也增高。从叶轮出来的高速气体，进入叶轮后面的扩压器，由于扩压器是一个环形的通路，气体流经扩压器时沿流动方向的截面积是逐渐增大的，因而气流的速度降低，压力进一步增高，即由速度能转化为压力能。从扩压器出来的气体进入冷凝器中，其热量被冷却水带走，制冷剂蒸气冷凝为液体状态。液态制冷剂从冷凝器下部节流至蒸发器侧的浮球阀室，经节流降压后流入蒸发器下部蒸发，如此循环往复、周而复始达到连续制冷的目的。

由于对离心式制冷压缩机的制冷温度和制冷量有不同要求，除了采用不同种类的制冷剂外，同时压缩机要在不同的蒸发温度，即不同的蒸发压力和冷凝压力下进行工作，这就要求离心式压缩机能产生不同的压力。因此，离心式制冷压缩机有单级压缩机和多级压缩机之分。也就是说，主轴上的工作叶轮可以是一个，也可以是几个。显然，工作叶轮的转速越高、级数越多，离心式压缩机产生的压力也就越高。

图5－12　离心式制冷机流程图

1—压缩机　2—增速器　3—电动机　4—入口导流叶片
5—蒸发器　6—挡液网　7—均液板　8—冷凝器
9—均气板　10—抽气回收装置　11—浮球阀室

（四）螺杆式制冷机

近年来螺杆式制冷机在空气调节、工业制冷、制冰、食品冷藏等方面的应用越来越广泛。

1.螺杆式压缩机的特点螺杆式制冷压缩机具有下列特点。

（1）机器结构紧凑、体积小、质量轻。

（2）运行平稳可靠、操作方便。

（3）运行时由于要向转子腔喷油，因此排气温度低，氨制冷剂一般不超过90℃，但油路系统比较复杂。

（4）可以在较高压缩比的工况下运行，单级运行时氨蒸发温度可达－40℃。

（5）可允许湿蒸气或少量液体制冷剂进入机内，无液击危险。

（6）可借助滑阀改变有效压缩行程，进行10％～100％的无级能量调节。

（7）机器易损件少，运行周期长，维修次数少，维护费用低。

（8）可适用R—717、R—12、R—22等多种制冷剂。

它的缺点是噪声较大，一般都在80dB以上，同时转子加工精度要求较高。

2.螺杆式压缩机的结构及工作原理螺杆式制冷压缩机是一种回转型容积式压缩机，它由一对相互啮合的阴阳转子、机体（气缸和吸、排气端座等）、轴封、轴承、平衡活塞及能量调节装置等组成。其下部还设有能量控制滑阀装置，可实现减载启动及15％～100％能量无级调节。滑阀内通过一定数量的润滑油，向机体高压腔内喷射，以减少转子与机体之间以及转子啮合间隙之间的气体泄漏，并且还可冷却气体和消声，降低排气温度，提高压缩机效率。如图5－13所示，螺杆式制冷压缩机是依靠一对阴阳转子相互啮合在机壳内回转完成吸气、压缩与排气过程。

图5－13　阴阳转子

在压缩与排气过程的同时，其啮合线的另一侧又开始吸气，这样周而复始，一个循环接一个循环重复进行而实现制冷。