壓縮式製冷機

各種製冷機的工作原理有其共同之點，也有不同之點。

氣體壓縮式製冷機

以氣體為製冷劑,由壓縮機、冷凝器、回熱器、膨脹機和冷箱等組成(圖1) 。經壓縮機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，然後流經回熱器被返流氣體進一步冷卻,並進入膨脹機絕熱膨脹,壓縮氣體的壓力和温度同時下降。氣體在膨脹機中膨脹時對外作功，成為壓縮機輸入功的一部分。同時膨脹後的氣體進入冷箱，吸取被冷卻物體的熱量，即達到製冷的目的。此後，氣體返流經過回熱器，同壓縮氣體進行熱交換後又進入壓縮機中被壓縮。氣體制冷機都應採用回熱器，這不但能提高製冷機的經濟性而且可以降低膨脹機前壓縮氣體的温度，因而降低製冷温度。氣體制冷機能達到的製冷温度範圍較寬，從高於 0℃到低於-100℃；製冷温度較高時其經濟性較差,但當製冷温度低於-90℃時其經濟性反而高於蒸氣製冷機。

蒸氣壓縮式製冷機

由壓縮機、冷凝器、蒸發器、節流機構和一些輔助設備組成。這類製冷機的製冷劑在常温和普通低温下能夠液化，在製冷機的工作過程中製冷劑週期性地冷凝和蒸發。常用的蒸氣壓縮式製冷機有單級的、兩級的和復疊式3種。

① 單級蒸氣壓縮式製冷機:製冷劑從蒸發壓力提高到冷凝壓力只經過一級壓縮的蒸氣壓縮式製冷機，簡稱單級製冷機。單級製冷機由壓縮機、冷凝器、節流機構和蒸發器等組成(圖2)。由壓縮機排出的高壓蒸氣經冷凝器放出熱量而冷凝成液體。接着，液體制冷劑經節流閥（膨脹閥）節流，壓力和温度同時降低,進入蒸發器中,吸取載冷劑（用它去再冷卻被冷卻物體）的熱量而蒸發成蒸氣。然後，蒸氣進入壓縮機繼續壓縮，如此循環不已。為提高經濟性，有的單級製冷機還在冷凝器後設置過冷器和回熱器。單級製冷機的蒸發温度通常在-30～5℃之間。

② 兩級蒸氣壓縮式製冷機:製冷劑從蒸發壓力提高到冷凝壓力需要經過兩級壓縮的蒸氣製冷機(圖3) 。它比單級製冷機多一台壓縮機、一台中間冷卻器和節流閥。經高壓壓縮機壓縮後的製冷劑蒸氣，在冷凝器中冷凝成液體，然後分成兩路：一路經節流閥A進入中間冷凝器,冷卻低壓壓縮機的排氣和盤管中的液體，在中間冷凝器中蒸發的製冷劑蒸氣連同低壓壓縮機的排氣一同進入高壓壓縮機繼續壓縮;另一路在盤管內被冷卻並經過節流閥B節流至蒸發壓力，進入蒸發器中蒸發製冷，蒸發後的蒸氣進入低壓壓縮機壓縮至中間壓力，進入中間冷凝器。與單級製冷機相比，兩級製冷機可達到較低的蒸發温度,通常在-30～-70℃之間。

③ 復疊式製冷機:用不同製冷劑作為工作介質的兩台(或數台)單級或兩級壓縮蒸氣壓縮式製冷機，用冷凝蒸發器聯繫起來的複合製冷機。冷凝蒸發器是一個利用高温級製冷劑的蒸發來冷凝低温級製冷劑的換熱器。復疊式製冷機能達到很低的蒸發温度。圖4為兩個單級製冷機組成的復疊式製冷機的工作原理。它的高温級由高温級壓縮機、冷凝器、節流閥和冷凝蒸發器組成；低温級由低温級壓縮機、冷凝蒸發器、回熱器、節流閥和蒸發器組成。高温級和低温級各為一台單級製冷機。冷凝蒸發器將高温級與低温級聯繫起來:對高温級來説,它是蒸發器;對低温級來説,它是冷凝器。冷凝蒸發器使低温級的放熱量轉變為高温級的製冷量。在低温級中，通常使用沸點較低的製冷劑（如R13），停機後製冷劑將全部氣化,並導致壓力過分升高。為了防止這一現象，通常在低温級系統中裝設一個平衡容器。

用兩台單級製冷機復疊時，低温級的蒸發温度一般為-40～-80℃。一台單級製冷機與一台兩級製冷機復疊時，蒸發温度可低達-110℃；若用三元（例如R22、R13和R14）復疊，蒸發温度可低達-140℃。

蒸氣壓縮式製冷機主要設備

蒸氣壓縮式製冷機的主要設備包括壓縮機、冷凝器、蒸發器、冷凝蒸發器和節流機構。

壓縮機 　製冷壓縮機有往復式、離心式和螺桿式等型式。製冷壓縮機的工作原理和總體結構與其他用途的壓縮機基本相同，但根據製冷機的要求在結構上有如下特點：①密封要求高，不允許向內和向外泄漏。因此大、中型製冷壓縮機在主軸伸出機體處均設有軸封，小型製冷壓縮機則做成半封閉式或全封閉式。半封閉式壓縮機通常是將機體與電動機的機殼做成一體，或將兩者用法蘭連接。全封閉式還只限於小型往復壓縮機和滾動轉子壓縮機，用一個密封的鋼罩殼把壓縮機與電動機封閉起來，一般不進行拆修。②氟利昂能溶於潤滑油中，故常在曲軸箱的油池中裝有加熱器。有些螺桿壓縮機和滾動轉子壓縮機用噴油法來實現機內密封和冷卻，除噴油裝置外還設有高效率的油分離器。③壓縮機吸入的是飽和蒸氣。氨氣容易帶液，故往復氨壓縮機設有防止液擊的安全蓋。④多級壓縮時各級的流量不相同，故多級離心壓縮機和螺桿壓縮機大多設有中間補氣系統，再配以省功器，藉以提高製冷機的運轉經濟性。

冷凝器 　靠環境介質帶走製冷劑的熱量，製冷劑在其中被冷卻並冷凝成液體。冷凝器分為水冷式和空氣冷卻式兩種。①水冷式冷凝器是應用最廣的一類冷凝器，用於中、大型製冷機中。水冷式冷凝器有:殼管式,製冷劑在管外冷凝（見管殼式換熱器）；套管式，製冷劑在管腔中冷凝（見套管式換熱器）；噴淋式，製冷劑在管內冷凝（見蛇管式換熱器）；蒸發式，製冷劑在管內冷凝，管外用水噴淋，並有空氣吹過管子表面。殼管式結構較緊湊，傳熱效果較好，應用較為廣泛。用於氟利昂製冷機的殼管式冷凝器，因氟利昂冷凝時的放熱係數較小，常在管外設有翅片，以強化傳熱。②空氣冷卻式冷凝器多用於小型氟利昂製冷機中，分為空氣強迫對流式（風扇鼓風）和自然對流式兩種，前者的傳熱效果較好。空氣冷卻式冷凝器均做成蛇管式,製冷劑在管內冷凝,而且在管外設有翅片。

蒸發器 　依靠製冷劑的蒸發直接或間接（通過載冷劑）吸取被冷卻物體的熱量。蒸發器可分為：冷卻液體的蒸發器，用於間接冷卻；冷卻空氣的蒸發器，用於直接冷卻。冷卻液體的蒸發器用來冷卻載冷劑，常用的有：管殼式，製冷劑在管外蒸發；沉浸式，製冷劑在管內蒸發；乾式蒸發器等。用於氟利昂製冷機的管殼式蒸發器一般在管外也設有翅片，以強化傳熱。乾式蒸發器的結構與管殼式相似，但製冷劑在管內蒸發，可使用光管或內翅片管，傳熱效果好。冷卻空氣的蒸發器常製成蛇管式,管外套有翅片,空氣在管外強制流動，製冷劑在管內蒸發。這種蒸發器與鼓風機的組合稱為空氣冷卻器。此外，在冷藏裝置（見製冷裝置）中常使用空氣自由對流的蛇管式蒸發器，即冷卻排管。

冷凝蒸發器

只用於復疊式製冷機中。它依靠高温級中製冷劑的蒸發使低温級中的製冷劑蒸氣冷凝，它既是高温級的蒸發器，又是低温級的冷凝器。冷凝蒸發器有套管式、繞管式和管殼式等，均採用管內蒸發、管外冷凝的方式。

節流機構 　把製冷劑液體從冷凝壓力降低到蒸發壓力的控制機構，它能同時控制供液量。節流機構有節流閥、浮球調節閥、熱力膨脹閥、毛細管和節流孔板等。

① 節流閥:它是手動操作的控制閥門，轉動手輪可改變閥的通道截面，控制供液量，常用於較大型的製冷機中。

② 浮球閥:一種自動控制閥門。它靠蒸發器或中間冷卻器中製冷劑液麪的變化，通過浮球和傳動機構的動作改變閥門的通道截面，只用於氨製冷機中。

③ 熱力膨脹閥:一種依靠蒸發器出口製冷劑蒸氣的過熱度來改變通道截面的自動控制閥門(圖5)。熱力膨脹閥裝在蒸發器的進口,感温包設在蒸發器出口管上。感温包中充有感温工質（製冷劑或其他氣體、液體）。當蒸發器的供液量偏小時，蒸發器出口蒸氣的過熱度增大，感温工質的温度和壓力升高，通過頂杆將閥芯向下壓，閥門開度變大，供液量增多；反之，當供液量偏大時，蒸發器出口蒸氣過熱度變小，閥門通道便自動變小，供液量隨之減少。水推動閥門下方的調整杆，可以調整蒸氣的過熱度。熱力膨脹閥大多用於氟利昂製冷機中。

④ 毛細管:也稱節流管，通常為長0.1～2米、內徑1～3毫米的細長銅管，用於小型冰箱和空氣調節設備中。

⑤ 節流孔板:用於某些離心式製冷機中，分為單孔板和多孔板（幾個孔板串聯工作）等。孔板的流通截面不能調節，僅適用於工況較穩定的製冷機。

性能和應用

壓縮式製冷機的主要性能指標是工作温度（冷凝温度和蒸發温度）、製冷量、功率和製冷係數。壓縮式製冷機的製冷量和功率主要取決於壓縮機的結構尺寸和轉速，同時也隨工作温度而變。表為各種壓縮式製冷機的特點和應用。

張祉祐、石秉三主編：《製冷及低温技術》上冊、中冊，機械工業出版社，北京，1981。

繆道平主編：《活塞式製冷壓縮機》，機械工業出版社，北京，1983。

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