制冷循环系统的基本知识与简单原理

制冷循环系统的基本知识与简单原理

一、概念

1、定义；制冷是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。

2、制冷机：机械制冷中所需机器和设备的总称为制冷机。

3、制冷剂：制冷机中使用的工作介质称为制冷剂。制冷剂在制冷机中循环流动，同时与外界发生能量交换，即不断地从被冷却对象中吸取热量，向环境排放热量。制冷剂一系列状态变化过程的综合为制冷循环。

4、制冷的方法：制冷的方法很多，可分为物理方法和化学方法。但绝大多数为物理方法。目前人工制冷的方法主要有相变制冷、气体绝热膨胀制冷、半导体制冷和磁制冷等。

4.1.相变制冷：即利用物质相变的吸热效应实现制冷。如冰融化时要吸取80 kcal/kg的熔解热；干冰在１标准大气压下升华要吸取137kcal/kg的热量，其升华温度为－78.9℃。

4.2.气体绝热膨胀制冷：利用气体通过节流阀或膨胀机绝热膨胀时，对外输出膨胀功，同时温度降低，达到制冷目的。

4.3.半导体制冷:两种不同金属组成的闭合电路中接上一个直流电源时，则一个接合点变冷，另一个接合点变热。但纯金属的珀尔帖效应很弱，且热量通过导线对冷热端有相互干扰，而用两种半导体（Ｎ型和Ｐ型）组成的直流闭合电路，则有明显的珀尔帖效应且冷热端无相互干扰。因此，半导体制冷就是利用半导体的温差电效应实现制冷。（两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。

利用物理现象制冷的方法还有很多，我们不一一介绍。目前生产实际中广泛应用的制冷方法是：利用液体的气化实现制冷，这种制冷常称为蒸气制冷。它的类型有：蒸汽压缩式制冷（消耗机械能）、吸收式制冷（消耗热能）、蒸汽喷射式制冷（消耗热能）和吸附式制冷等几种。

二、制冷循环原理

一般制冷机的制冷原理，液体制冷剂在蒸发器中吸收被冷却的物体热量之后→汽化成低温低压的蒸汽→被压缩机吸入→压缩成高压高温的蒸汽后排入冷凝器→在冷凝器中向冷却介质(水或空气)放热→冷凝为低温高压液体→经节流阀节流→再次进入蒸发器吸热汽化变成低温低压的气态（湿蒸汽）→吸入压缩机达到循环制冷的目的。这样，制冷剂在系统中经过蒸发、压缩、冷凝、节流四个基本过程完成一个制冷循环

三、构成制冷系统的四大要素

1、压缩机：1.1活塞式制冷压缩机：活塞式压缩机具有高速、多缸、能量可调、热效率高、适于多种制冷剂等优点；其缺点是：结构较复杂，需检修周期长，对湿行程敏感。

1.2螺杆式压缩机，没有活塞式压缩机所需的气缸，活塞、活塞环、汽缸套等易损部件，机器结构紧凑，体积小，重量轻，少量液体进入机内时无液击危险。可利用活阀进行10%～100%的无级能量调节，适用范围广，运行平稳可靠。但是，螺杆式制冷压缩机的加工和装配精度较高，有较大的噪音，一般情况下，需装置消音和隔音设备，在制冷压缩时，需要喷加润滑油，因而需要油泵、油冷却器和油回收器等辅助设备。

1.2.1双螺杆制冷压缩机，双螺杆制冷压缩机是一种能量可调式喷油压缩机。它的吸气、压缩、排气三个连续过程是靠机体内的一对相互啮合的阴阳转子旋转时产生周期性的容积变化来实现。一般阳转子为主动转子，阴转子为从动转子。

1.2.2单螺杆制冷压缩机，利用一个主动转子和两个星轮的啮合产生压缩。它的吸气、压缩、排气三个连续过程是靠转子、星轮旋转时产生周期性的容积变化来实现的。转子齿数为六，星轮为十一齿。容量可以从10%-100%无级调节。由于星轮对称布置，循环在每旋转一周时便发生两次压缩，排气量相应是上述一周循环排气量的两倍。

2、蒸发器

2.1卧式蒸发器，按供液方式可分为：壳管式蒸发器和干式蒸发器两种。卧式壳管式蒸发器广泛使用于闭式盐水循环系统。其主要特点是：结构紧凑，液体与传热表面接触好，传热系数高。但是它需要充入大量制冷剂，液柱对蒸发温度将会有一定的影响。且当盐水浓度降低或盐水泵因故停机时，盐水在管内有被冻结的可能。若制冷剂为氟利昂，则氟利昂内溶解的润滑油很难返回压缩机。

干式氟利昂蒸发器主要区别在于：制冷剂在管内流动，而载冷剂在管外流动。节流后的氟利昂液体从一侧端盖的下部进入蒸发器，经过几个流程后从端盖的上部引出，制冷剂在管内随着流动而不断蒸发，所以壁面有一部分为蒸气所占有，因此，它的传热效果不如满液式。但是它无液柱对蒸发温度的影响，且由于氟利昂流速较高(≥4m/s)，则回油较好。此外，由于管外充入的是大量的载冷剂，从而减缓了冻结的危险。这种蒸发器内制冷剂的充注量只需满液式的1/2～l/3或更少，故称之为干式蒸发器

2.2立管式蒸发器，立管式蒸发器特点是制冷剂在管内蒸发，整个蒸发器管组沉浸在盛满载冷剂的箱体内(或池、槽内)，为了保证载冷剂在箱内以一定速度循环，箱内焊有纵向隔板和装有螺旋搅拌器。载冷剂流速一般为0.3—0.7m/s，以增强传热。这两种蒸发器只能用于开式循环系统，

故载冷剂必须是非挥发性物质，常用的是盐水和水等。如用盐水，蒸发器管子易被氧化，且盐水易吸潮而使浓度降低。这两种蒸发器可以直接观察载冷剂的流动情况，广泛用于以氨为制冷剂的盐水制冷系统。

2.3冷却排管：冷却排管是用来冷却空气的的一种蒸发器，广泛应用于低温冷库中，制冷剂在冷却排管内流动并蒸发，管外作为传热介质的被冷却空气作自然对流。冷却排管最大的优点是结构简单，便于制作。但排管的传热系数较低，且融霜时操作困难，不利于实现自动化

3.冷却器

冷凝器的作用是将通过压缩机而形成的高温高压气体状制冷剂冷却后变成液体制冷剂。所有的冷凝器都是把气体或蒸气的热量带走。为提高冷凝器的效率经常在管道上附加散热片以加速散热。散热片是用良导热金属制成的平板。这类冷凝器一般还要用风机迫使空气经过散热片并把热带走。根据冷却介质种类的不同，冷凝器可归纳为四大类,其作用如下：

⑴水冷却式：这类冷凝器中，制冷剂放出的热量被冷却水带走。冷却水可以是一次性使用，也可以循环使用。水冷却式冷凝器按其不同的结构型式又可分为立式壳管式、卧式壳管式和套管式等多种。

⑵空气冷却式（又叫风冷式）：这类冷凝器中，制冷剂放出的热量被空气带走。空气可以是自然对流，也可以利用风机作强制流动。这类冷凝器系用于氟利昂制冷装置在供水不便或困难的场所。

⑶水—空气冷却式：这类冷凝器，制冷剂同时受到水和空气的冷却，但主要是依靠冷却水在传热管表面上的蒸发，从制冷剂一侧吸取大量的热量作为水的汽化潜热，空气的作用主要是为加快水的蒸发而带走水蒸气。

⑷蒸发—冷凝式：这类冷凝器是依靠另一个制冷系统中制冷剂的蒸发所产生的冷效应去冷却传热间壁另一侧的制冷剂蒸汽，促使后者凝结液化。如复叠式制冷机中的蒸发—冷凝器即是。

4、节流阀：防止机组在初始启动时，蒸发侧的制冷剂压力和流量过大，引起压缩机过载，一般热力膨胀阀均设有MOP 功能（即蒸发压力只有在低于设定值时，膨胀阀才打开。）但其功能与电子膨胀阀相比，仍显得较为单调。电子膨胀阀在结构上可视作为节流机构与电磁阀的有机结合，且通过控制器进行调节，因此，在机组启动、负载变化、除霜、停机以及故障保护等情况下体现出其控制功能上的多样性和优越性。例如:电子膨胀阀对制冷剂流量的调节除了可以控制蒸发器外，还可以用来调节冷凝器。当蒸发工况允许的情况下，若冷凝压力过高，可以适当关闭膨胀阀，减少系统中制冷剂的流量，降低冷凝器负荷，从而降低冷凝压力，实现机组的高

效和可靠运行

节流降压：调节流过蒸发器的制冷剂流量、控制蒸发器出口过热度。过热度=回气温度-蒸发温度。避免过热度偏小时产生湿压缩；过热度过大，蒸发面积减少，效率降低，造成压缩机排气温度过高。内平衡热力膨胀阀原理：感温包压力=弹簧压力+蒸发器进口压力。外平衡热力膨胀阀原理：感温包压力=弹簧压力+蒸发器出口压力。当蒸发器的阻力较大时，蒸发器进口压力远大于蒸发器出口压力，内平衡热力膨胀阀较外平衡热力膨胀阀需更大的开阀压力，即增加了过热度，影响蒸发器传热效果。因此外平衡热力膨胀用于蒸发器阻力较大的系统。

感温包的位置、一般建议感温包安装在水平方向的回气管上管径小于等于22mm，感温包位于12点时钟位置、管径大于22mm，感温包位于4 点或8点时钟位置。热力膨胀阀的调节；当过热度偏大或偏小，需要对过热度进行调整时，可通过热力膨胀阀静态过热度调整杆进行调整。通过对调整杆的扭转可对弹簧压力进行调整，顺时针扭转调整杆，制冷剂流量减小过热度增大，逆时针扭转调整杆，制冷剂流量增大，热度减小过调整杆旋转一周过热度变化1℃~2℃。热力膨胀阀调整时应耐心，细致，当调整后可能需要30分钟系统才能稳定，调整完后，应将保护冒上好。

四、与制冷有关的热力学概念

1、制冷剂液体在蒸发器中等压吸热而蒸发成低温低压的制冷剂气体后进入压缩机

2、低温低压的制冷剂气体进入压缩机中等熵压缩成高温高压气体排出到冷凝器中；

3、高温高压制冷剂气体进入冷凝器后等压放热被冷却成低温高压制冷剂液体

4、来自冷凝器的制冷剂液体通过节流装置等焓绝热节流降温降压后，变成低温低压制冷剂液体，重新回到蒸发器吸热制冷,变成低温低压的制冷剂气态，制冷剂在封闭回路中周而复始的循环以达到制冷的目的

能量守恒与转换定律：热力学第一定律：

自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。

熵：物理学上指热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度。熵是一个表征热力学过程方向性的物理量。最基本的结论是，在任何热力学过程中熵永不减少。热力学中表征物质状态的参量之一，在经典热力学中，可用增量定义为dS＝(dQ/T)，式中T为物质的热力学温度；dQ 为熵增过程中加入物质的热量。

焓：简单来讲，就是在压力一定的情况下，衡量一个系统的能量多少的指标。

定义为：H=U+pV

这里U是系统内能，p是压力，V是体积。

在一个恒压过程中，系统的焓的增量就等于从外界吸取的热量

五、影响制冷循环的不利因素

一、理论循环与实际循环的对比

理论：1、压缩机过程为定熵过程

2、冷凝、蒸发过程为定压过程，没有传热温差

3、压缩机吸入的是饱和蒸汽、冷凝器出口为饱和液体

4、制冷管道内无流动阻力损失

5、节流过程为绝热过程

实际：1、压缩机过程不是定熵过程

2、热交换过程中存在气体过热、液体过冷现象

3、热交换过程存在传热温差

4、节流过程不完全为绝热过程

5、制冷管道内有流动阻力损失

6、系统存在不气体凝

二、液体过冷、过热的影响

液体过冷的概念：制冷剂液体的温度低于统一压力下的饱和液体的温度称为过冷。

过冷的产生：

1、冷凝器冷凝面积的选择大于实际需要的冷凝面积。

2、冷凝器选择是根据最热天气、最高环境介质温度；而在使用中的绝大多数内冷凝器是在低于上述条件的器情况下工作，从而使冷凝面积过剩、为制冷剂过冷创造条件。

3、设计过程中认为设计一些过冷度。

4、在制冷系统中设置了过冷器。

过热的产生：

1、蒸发器的蒸发面积大于设计所需要的蒸发器面积—有效过热。

2、为避免“湿过程”人为设计过热过程。

3、蒸发器与压缩机之间的连接管道吸收外界热量—有害过热。

4、蒸发面积与压缩机之间的连接管道吸收被冷却对象的热量—有效过热

5、制冷系统中设计了回热器—有害过热。

6、封闭式压缩机中吸气冷却电动机而过热—有害过热，但是必须。

三、气、液交换对循环性能的影响

在系统中增加一个气—液交换器，结果使得制冷液体过冷、低温蒸汽有效过热。这样、不但可以增加单位制冷量，而且可以减少蒸汽与环境空气之间的传热温差，减少甚至消除吸气管道中的有害过热。

1、吸入管道：吸入管道对循环的影响最大。吸入管道中的压力降始终是有害的，它使得吸气比容增大，压缩机的压力增加。压缩机容积效率降低，压力增大、制冷系数下降。

2、排出管道：在压缩机的排出管道中、热量由高温制冷剂蒸汽传给周围空气，不会引起性能的改变，仅仅是减少冷凝中的热负荷。

3、冷凝器到膨胀阀之间的液体管道:

在冷凝器到膨胀阀这段管路中，热量通常由液体制冷传给周围空气，使液体制冷剂过冷、制冷量增大。也可能水冷却冷凝器中的冷却水温很低、冷凝温度低于环境温度，热量由空气传给液体制冷剂，可能导致部分液体气化，这不仅使单位制冷量下降，而且使得膨胀阀不能正常工作。

4、膨胀阀到蒸发器之间的管道：

通常膨胀阀是紧靠蒸发器安装的。倘若将它安装在被冷却空间内，传给管道的热量，将产生有效制冷量：若安装在室外，热量的传递使制冷量减少，因而此段管道必须保温。

5、冷凝器：假定冷凝器的压力不变，为克服冷凝器中的制冷剂流动阻力，必须提高进冷凝器时制冷剂的压力，这必将导致压缩机排气压力升高，压力比增大，压缩机耗功增加，制冷系数下降。

6、在理论循环节，假设压缩为过程等熵过程。而实际上，整个过程是一个压缩指数不断变化的多方过程。另外，由于压缩机气缸中有余隙的存在，气体经过吸、排气及通道出有热量交换及流动阻力，这些因素都会使压缩机的输气量减少，制冷量下降，消耗功率增大。

7、不凝性气体的存在对循环的影响

系统中的不凝性气体往往积存在冷凝器上部，因为它能通过冷凝器的液封。不凝性气体的存在将使冷凝器内的压力增加，从而导致压缩机排气压力提高，比功增加制冷系数下降，压缩机容积效率降低，应及时加以排出。

六、常用制冷剂的特性

4.1氟利昂22，R22

中文名称：一氯二氟甲烷

分子式:CHClF2 外观与性状,无色气体，有轻微的发甜气味

分子量:86.47蒸汽压:13.33kPa(-76.4℃)

熔点:-146℃沸点:-40.8℃溶于水

健康危害：本品毒性低，但用其制备四氟乙烯所发生的裂解气，毒性较大，可引起中毒。吸入高浓度裂解气，初期仅有轻咳、恶心、发冷、胸闷及乏力感，但经24-72小时潜伏期后出现明显症状，发生肺炎、水肿，呼吸综合征，后期有纤维增生征象。

危险特性:若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。

燃烧(分解)产物：一氧化碳、二氧化碳、氟化氢。

泄漏应急处理:迅速撤离泄漏污染区人员至上风处。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿一般作业工作服。尽可能切断泄漏源。合理通风，加速扩散。

危险特性：不燃。受高热分解，放出有毒的氟化物和氯化物气体。

泄漏应急处理：迅速撤离泄漏污染区人员至上风处。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿一般作业工作服。尽可能切断泄漏源。合理通风，加速扩散。

急救措施：吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处,保持呼吸道通畅。

4.2氟里昂12，R12

分子式:CCl2F2；Cl2CF2外观与性状,无色无臭气体

分子量:120.92,蒸汽压: 506.62kPa(16.1℃)

熔点:-158℃,沸点：-29.8℃,溶解性,不溶于水，溶于醇、醚

该物质对大气臭氧层有级强破坏力，还应注意对地表水、土壤、大气和饮用水的污染。

健康危害：是一种对心脏毒作用强烈而又迅速的物质。能引起动物心律不齐、室性心动过速、心动过缓、房室传导阻滞、急性心力衰竭、血压降低等心血管系统的改变。国外有大量吸入引起致命性心律紊乱、虚脱、心动骤停而死亡的病例报道。