压缩式制冷机

压缩式制冷机

依靠压缩机提高制冷剂的压力以实现制冷循环的制冷机。压缩式制冷机由压缩机、冷凝器（凝汽器）、制冷换热器（蒸发器）、膨胀机或节流机构和一些辅助设备组成。压缩机是其核心设备。
   分类  按所用制冷剂的种类不同，压缩式制冷机分为气体压缩式制冷机和蒸气压缩式制冷机两类。蒸气压缩式制冷机又有氨制冷机和氟利昂制冷机等。气体压缩式制冷机又分为空气制冷机和氦气制冷机等。按所用压缩机种类不同，压缩式制冷机又分为往复式制冷机、离心式制冷机和回转式制冷机（螺杆式制冷机、滚动转子式制冷机）等。蒸汽压缩式制冷机按其系统组成不同分为单级、多级（两级或三级）和复叠式等。
   工作原理 

各种制冷机的工作原理有其共同之点，也有不同之点。
   气体压缩式制冷机  以气体为制冷剂,由压缩机冷凝器、回热器、膨胀机和冷箱等组成(图1[气体压缩式制冷机的工作原理]) 。经压缩机压缩的气体先在冷凝器中被冷却，向冷却水（或空气）放出热量，然后流经回热器被返流气体进一步冷却,并进入膨胀机绝热膨胀,压缩气体的压力和温度同时下降。气体在膨胀机中膨胀时对外作功，成为压缩机输入功的一部分。同时膨胀后的气体进入冷箱，吸取被冷却物体的热量，即达到制冷的目的。此后，气体返流经过回热器，同压缩气体进行热交换后又进入压缩机中被压缩。气体制冷机都应采用回热器，这不但能提高制冷机的经济性而且可以降低膨胀机前压缩气体的温度，因而降低制冷温度。气体制冷机能达到的制冷温度范围较宽，从高于 0℃到低于-100℃；制冷温度较高时其经济性较差,但当制冷温度低于-90℃时其经济性反而高于蒸气制冷机。
   蒸气压缩式制冷机  由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构和一些辅助设备组成。这类制冷机的制冷剂在常温和普通低温下能够液化，在制冷机的工作过程中制冷剂周期性地冷凝和蒸发。常用的蒸气压缩式制冷机有单级的、两级的和复叠式3种。

   ① 单级蒸气压缩式制冷机:制冷剂从蒸发压力提高到冷凝压力只经过一级压缩的蒸气压缩式制冷机，简称单级制冷机。单级制冷机由压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器等组成(图2[单级蒸气压缩式制冷机的工作原理]) 。由压缩机排出的高压蒸气经冷凝器放出热量而冷凝成液体。接着，液体制冷剂经节流阀（膨胀阀）节流，压力和温度同时降低,进入蒸发器中,吸取载冷剂（用它去再冷却被冷却物体）的热量而蒸发成蒸气。然后，蒸气进入压缩机继续压缩，如此循环不已。为提高经济性，有的单级制冷机还在冷凝器后设置过冷器和回热器。单级制冷机的蒸发温度通常在-30～5℃之间。
   ② 两级蒸气压缩式制冷机:制冷剂从蒸发压力提高到冷凝压力需要经过两级压缩的蒸气制冷机(图3[两级蒸气压缩式制冷机的工作原理]) 。它比单级制冷机多一台压缩机、一台中间冷却器和节流阀。经高压压缩机压缩后的制冷剂蒸气，在冷凝器中冷凝成液体，然后分成两路：一路经节流阀A进入中间冷凝器,冷却低压压缩机的排气和盘管中的液体，在中间冷凝器中蒸发的制冷剂蒸气连同低压压缩机的排气一同进入高压压缩机继续压缩;另一路在盘管内被冷却并经过节流阀B节流至蒸发压力，进入蒸发器中蒸发制冷，蒸发后的蒸气进入低压压缩机压缩至中间压力，进入中间冷凝器。与单级制冷机相比，两级制冷机可达到较低的蒸发温度,通常在-30～-70℃之间。

   ③ 复叠式制冷机:用不同制冷剂作为工作介质的两台(或数台)单级或两级压缩蒸气压缩式制冷机，用冷凝蒸发器联系起来的复合制冷机。冷凝蒸发器是一个利用高温级制冷剂的蒸发来冷凝低温级制冷剂的换热器。复叠式制冷机能达到很低的蒸发温度。图4 [复叠式制冷机的工作原理]为两个单级制冷机组成的复叠式制冷机的工作原理。它的高温级由高温级压缩机、冷凝器、节流阀和冷凝蒸发器组成；低温级由低温级压缩机、冷凝蒸发器、回热器、节流阀和蒸发器组成。高温级和低温级各为一台单级制冷机。冷凝蒸发器将高温级与低温级联系起来:对高温级来说,它是蒸发器;对低温级来说,它是冷凝器。冷凝蒸发器使低温级的放热量转变为高温级的制冷量。在低温级中，通常使用沸点较低的制冷剂（如R13），停机后制冷剂将全部气化,并导致压力过分升高。为了防止这一现象，通常在低温级系统中装设一个平衡容器。

   用两台单级制冷机复叠时，低温级的蒸发温度一般为-40～-80℃。一台单级制冷机与一台两级制冷机复叠时，蒸发温度可低达-110℃；若用三元（例如R22、R13和R14）复叠，蒸发温度可低达-140℃。
   蒸气压缩式制冷机主要设备  蒸气压缩式制冷机的主要设备包括压缩机、冷凝器、蒸发器、冷凝蒸发器和节流机构。
   压缩机  制冷压缩机有往复式、离心式和螺杆式等型式。制冷压缩机的工作原理和总体结构与其他用途的压缩机基本相同，但根据制冷机的要求在结构上有如下特点：①密封要求高，不允许向内和向外泄漏。因此大、中型制冷压缩机在主轴伸出机体处均设有轴封，小型制冷压缩机则做成半封闭式或全封闭式。半封闭式压缩机通常是将机体与电动机的机壳做成一体，或将两者用法兰连接。全封闭式还只限于小型往复压缩机和滚动转子压缩机，用一个密封的钢罩壳把压缩机与电动机封闭起来，一般不进行拆修。②氟利昂能溶于润滑油中，故常在曲轴箱的油池中装有加热器。有些螺杆压缩机和滚动转子压缩机用喷油法来实现机内密封和冷却，除喷油装置外还设有高效率的油分离器。③压缩机吸入的是饱和蒸气。氨气容易带液，故往复氨压缩机设有防止液击的安全盖。④多级压缩时各级的流量不相同，故多级离心压缩机和螺杆压缩机大多设有中间补气系统，再配以省功器，借以提高制冷机的运转经济性。
   冷凝器  靠环境介质带走制冷剂的热量，制冷剂在其中被冷却并冷凝成液体。冷凝器分为水冷式和空气冷却式两种。①水冷式冷凝器是应用最广的一类冷凝器，用于中、大型制冷机中。水冷式冷凝器有:壳管式,制冷剂在管外冷凝（见管壳式换热器）；套管式，制冷剂在管腔中冷凝（见套管式换热器）；喷淋式，制冷剂在管内冷凝（见蛇管式换热器）；蒸发式，制冷剂在管内冷凝，管外用水喷淋，并有空气吹过管子表面。壳管式结构较紧凑，传热效果较好，应用较为广泛。用于氟利昂制冷机的壳管式冷凝器，因氟利昂冷凝时的放热系数较小，常在管外设有翅片，以强化传热。②空气冷却式冷凝器多用于小型氟利昂制冷机中，分为空气强迫对流式（风扇鼓风）和自然对流式两种，前者的传热效果较好。空气冷却式冷凝器均做成蛇管式,制冷剂在管内冷凝,而且在管外设有翅片。

   蒸发器  依靠制冷剂的蒸发直接或间接（通过载冷剂）吸取被冷却物体的热量。蒸发器可分为：冷却液体的蒸发器，用于间接冷却；冷却空气的蒸发器，用于直接冷却。冷却液体的蒸发器用来冷却载冷剂，常用的有：管壳式，制冷剂在管外蒸发；沉浸式，制冷剂在管内蒸发；干式蒸发器等。用于氟利昂制冷机的管壳式蒸发器一般在管外也设有翅片，以强化传热。干式蒸发器的结构与管壳式相似，但制冷剂在管内蒸发，可使用光管或内翅片管，传热效果好。冷却空气的蒸发器常制成蛇管式,管外套有翅片,空气在管外强制流动，制冷剂在管内蒸发。这种蒸发器与鼓风机的组合称为空气冷却器。此外，在冷藏装置（见制冷装置）中常使用空气自由对流的蛇管式蒸发器，即冷却排管。
   冷凝蒸发器  只用于复叠式制冷机中。它依靠高温级中制冷剂的蒸发使低温级中的制冷剂蒸气冷凝，它既是高温级的蒸发器，又是低温级的冷凝器。冷凝蒸发器有套管式、绕管式和管壳式等，均采用管内蒸发、管外冷凝的方式。
   节流机构  把制冷剂液体从冷凝压力降低到蒸发压力的控制机构，它能同时控制供液量。节流机构有节流阀、浮球调节阀、热力膨胀阀、毛细管和节流孔板等。
   ① 节流阀:它是手动操作的控制阀门，转动手轮可改变阀的通道截面，控制供液量，常用于较大型的制冷机中。
   ② 浮球阀:一种自动控制阀门。它靠蒸发器或中间冷却器中制冷剂液面的变化，通过浮球和传动机构的动作改变阀门的通道截面，只用于氨制冷机中。
   ③ 热力膨胀阀:一种依靠蒸发器出口制冷剂蒸气的过热度来改变通道截面的自动控制阀门(图5[热力膨胀阀的结构])。热力膨胀阀装在蒸发器的进口,感温包设在蒸发器出口管上。感温包中充有感温工质（制冷剂或其他气体、液体）。当蒸发器的供液量偏小时，蒸发器出口蒸气的过热度增大，感温工质的温度和压力升高，通过顶杆将阀芯向下压，阀门开度变大，供液量增多；反之，当供液量偏大时，蒸发器出口蒸气过热度变小，阀门通道便自动变小，供液量随之减少。水推动阀门下方的调整杆，可以调整蒸气的过热度。热力膨胀阀大多用于氟利昂制冷机中。
   ④ 毛细管:也称节流管，通常为长0.1～2米、内径1～3毫米的细长铜管，用于小型冰箱和空气调节设备中。
   ⑤ 节流孔板:用于某些离心式制冷机中，分为单孔板和多孔板（几个孔板串联工作）等。孔板的流通截面不能调节，仅适用于工况较稳定的制冷机。
   性能和应用  压缩式制冷机的主要性能指标是工作温度（冷凝温度和蒸发温度）、制冷量、功率和制冷系数。压缩式制冷机的制冷量和功率主要取决于压缩机的结构尺寸和转速，同时也随工作温度而变。表[压缩式制冷机的特点和应用]为各种压缩式制冷机的特点和应用。