热工专业外语第三版第八章翻译

第八章空调与制冷

8.1 空调

空调是一个可以同时进行多种处理的组合过程。它可以处理空气、输送空气并把空气送入被调空间中。空调可以从中央设备或屋顶单元提供热与冷。为了被调空间居住者的健康和舒适度，或者为了工业生产的目的，它还可以控制并保持预先设定的温度、湿度、空气流动、空气洁净度、噪音级别和压差。

HV AC&R是供热(Heating)、通风(Ventilating)、空调(Air Conditioning)和制冷(Refrigerating)的缩写。在通常采纳的术语中，这些组合过程与现在定义的“空调”是相同的。由于所有这些单个过程的发展要要比其完整概念的“空调”要早，所以业内也普遍使用HV AC&R这个词。

8.1.1 空调系统的分类

根据其结构与运行特性，空调系统可分类如下：

（1）独立型房间空调系统

独立型房间空调系统或简单的独立空调系统采用一个单独、完全的房间空调器、一个整体式末端、一个独立的室内-室外分体机或一个热泵装置。热泵可以从一个热源吸收热量，在较高的温度上，将这些热量排放给水或空气，用于供热目的。与其他系统不同的是，这些系统通常在每个房间都采用一个完全独立的装置。独立型空调系统可分为两类：

1）房间空调器（安装在窗户上）；

2）整体式末端空调器（PTAC），安装时与外墙有套管连接。

在工厂已组装的、准备使用的房间空调器包括以下重要部件：一个将处理好的空气增压并供给被调空间的蒸发器风扇。在肋管式盘管中，制冷剂蒸发，在管内直接膨胀，并在制冷季节从周围空气中吸收热量，这也称为直膨式（DX）盘管，在采暖季节时，当热的制冷剂向被调节空间释放热量时，它的作用就相当于热泵。一个用于清除空气中微粒的空气过滤器。一个用来把制冷剂从较低蒸发压力压缩到较高冷凝压力的压缩机。一个使制冷剂从高温气态液化为液态的冷凝器，并通过盘管和冷凝器风扇来释放热量。一个能感知被调空间的空气温度，并采用温度调节装置，通过压缩机的起停，以控制制冷或供热能力的温度控制系统。

房间空调器与热泵型、整体式末端和整体式末端热泵型空调器的区别是：所有热泵型房间空调器都增加了四通换向阀。有时房间空调器被分为两个分离部分：一个是包含着压缩机和冷凝器的室外冷凝机组；一个是室内空气处理器，它可以在更恰当的位置安装空气处理器，并减小室内压缩机的噪音。

可以采用单独房间的直膨式（DX）盘管来体现独立型空调系统的特性。这是一种最简单和最直接的空气冷却方法。大多数独立型系统都没有风道连接。室外空气通过窗孔或一个小的挡风板引入室内。独立型系统经常仅用在建筑物的围护区域。

（2）蒸发冷却式空调系统

蒸发冷却式空调系统利用液态水蒸发的冷却效应来直接或间接地冷却空气气流。它可以是工厂整体组合机组，也可以在现场安装。当蒸发冷却器只提供冷却效应的其中一部分冷量时，它也可以作为中央液体循环系统或整体式机组系统的一个部件。

一个蒸发冷却系统由以下组成：进水室、过滤器、进气风机、直接接触或间接接触热交换器、排气风机、喷水室、再循环水泵和水池。蒸发冷却系统与制冷剂冷却系统相比具有耗能低的特点。它可以产生湿冷空气，并被广泛应用在美国西南干旱地区。

（3）除湿空调系统

在除湿空调系统中，潜热制冷是由干燥剂除湿完成，显热制冷通过蒸发冷却或蒸发制冷进行。因此，有相当部分的昂贵的蒸气压缩式制冷装置可用廉价的蒸发冷却装置代替。除湿空调通常是除湿、蒸发冷却、制冷和干燥剂再生的组合系统。

在除湿空调系统中有两股气流：一股是工作气流，一股是再生气流。工作气流可以是全新风气流，也可以是室外新风和室内循环空气的混合气流。工作气流是经过处理的空气，它可以直接输送给被调空间或封闭的生产过程，也可以送往空气处理单元（AHU）、整体式机组（PU）或末端进行进一步的处理。再生气流是一种高温气流，用于干燥剂的再生。

除湿空调系统通常由以下部件组成：旋转除湿装置、热管换热器、直接或间接蒸发制冷器、DX盘管和蒸气压缩式机组或水冷盘管和机组、风机、泵、换向器、控制装置、风道和管道。

（4）蓄冷空调系统

在蓄冷空调系统或简易的蓄冷系统中，电驱动的制冷压缩机是在非尖峰时段工作的。储箱内的冷冻水或储冰在尖峰时段用来给建筑提供冷却，在这段时间电力需求负荷和电能费用高。蓄冷系统可以降低HV AC&R系统高的用电需求，并部分或全部地将高电能费用从尖峰时段转移到非尖峰时段。

蓄冷空调系统通常是一个集中式空调系统，采用冷冻水作为冷却介质。除了空气、水和制冷控制系统外，该系统还有冷冻水箱或蓄冰槽、蓄冷循环泵及调节装置。

（5）洁净室空调系统

洁净室或洁净空间空调系统适合于那些需要严格控制颗粒、温度、相对湿度、通风、噪音度、振动和空间压力的空间。在洁净空间空调系统中，室内环境控制的质量直接影响着洁净空间内生产的产品。

洁净空间空调系统由空气再循环机组和补气机组组成，他们都包括调节风门、预过滤盘管、风机、高效颗粒空气（HEPA）过滤器、风道、管道工程、泵、制冷系统和除补气机组中的加湿器以外的相关控制。

（6）空间处理空调系统

空间处理空调系统也称作空间空调系统。该系统通过风机盘管、水源热泵或一些其他设备，它们在处理空间内或上面或靠近处理空间，实现冷却、除湿、加热和过滤。风机盘管由一个小风机和一个盘管构成。水源热泵通常由一个风机和一个翅片盘管来处理空气，一个水盘管在冷却时将热量排放到水回路，或在供热时从同一水回路吸收热量。

一个被调房间可运行一个或多个风机盘管。通常，在建筑周边区域（外区）的各个控制区域采用小型的托架式水源热泵。在建筑中心（内区），大型水源热泵利用风道为几个房间服务。空间空调系统在被调空间中，进气风道通常很短，并且除了内区的大型水源热泵外，没有回气风道。用来循环被调空间空气的压降，通常等于或小于0.6英尺水柱（WC）（150Pa）。和单元式整体机组或中央水冷空调系统相比，空间空调系统节约了大部分用于输运回气和再循环空气的能量。空间空调系统通常用作专用（独立）的室外通风系统，为被调空间的居住者提供室外空气。

空间空调系统通常具有比较高的噪音级别，并且在被调空间中，需要更多的定期维修。

（7）单元式整体空调系统

单元式整体空调系统可以简称为单元式空调系统或整体式空调系统。这些系统可以采用一个独立整体机组或两个分体装置。独立整体机组包括风机、过滤器、DX盘管、压缩机、冷凝

器和其他配件。分体系统的室内空气处理单元由控制系统和空气系统组成，主要包括风机、过滤器和DX盘管，室外冷凝单元是制冷系统，由压缩机和冷凝器组成。屋顶安装的整体式系统是最广泛应用的。

整体式空调系统可用于一个房间或多个房间。进气风通常用来分配处理好的空气，采用DX 盘管冷却。也可增加其它部件，使其按热泵运行，也就是一个集中式系统在供冷季节排除热量，在供热季节凝结热量用于供热。有时在建筑周边区域，增加踢脚板式散热器或单元式加热器，作为整体式空调系统的一部分给周边区域供热。

由于具有集中式空气分配风道或集中式排热系统，所以采用大型单元整体式机组的整体式空调系统本质上是集中式系统。整体式空调系统根据使用分为集成式、工厂装配的和作为准备使用整体式机组的主要设备，与中央水冷空调系统的冷冻水相比，采用DX盘管来冷却。现代大型屋顶安装的整体式机组有许多复杂的部件和调节装置，在许多应用场合，它们也可以完成中央水冷空调系统的相似功能。

8.1.2 完整的系统

在全空气供热和制冷系统中，能量和通风气流是通过风道在锅炉或空气处理器与被调空间之间传输。全空气系统可适用于所有类型的舒适性和工艺性空调。它应用于环境需要单独控制的建筑，以及有多种需求的区域，比如写字楼、学校和大学、实验室、医院、商场、酒店和轮船。全空气系统也可用于任何要求精确控制温度和湿度的特殊场合，包括洁净室、计算机房、医院手术室和工厂。

通过一个独立的周边空气系统，或使用一个独立的周边踢脚板、再热辐射系统或热水、蒸汽和电阻加热的辐射系统，可以采用系统原先用来供冷的风道完成供热。很多商业建筑内部不需要加热，而是只有一个周边供热系统来补偿建筑围护的热损失。在那些仅在周边区域有供热需求，并由踢脚板散热器系统提供供热的时候，空气系统只提供室外空气必要的通风和加热。

图8-1是典型的商用全空气中央HV AC系统，图示了给通过空气处理器的气流增加能量或移除能量的主要设备。右上部分的空气处理系统是下文将要提到的几种形式的一种。系统的这部分通常能对空气进行加热、冷却、加湿、减湿、净化（可选）和将空气分配到一个或多个不同的被调空间。空气处理系统还具有根据需要，吸入室外空气和排出室内空气的功能。如图8-1所示，一种流体，通常是水，从空气处理器的冷却盘管将热量带走，再到一个或多个制冷机。制冷机移除那种流体的能量，并使其温度降低，这样它就能返回到空气处理器，进行空气气流的再次冷却。通过制冷机移除的热量用管内的水送到冷却塔，或内部制冷机，或远处的空冷冷凝器。由于水能够经济地输运相对巨大的能量，制冷机和冷却塔可位于距独立的空气处理器较远的地方。离心泵常常用于使流体在管内循环。冷却塔和冷凝器位于室外、地面上或楼顶上，这样能量最终排放到大气中去。可见冷却某一空间的净能流，从空间经回风风道送至空气处理器，再到制冷机，最后送至冷却塔，并被排放到大气中。

在需要空间供热时，流体将锅炉产生的能量送入空气处理器的加热盘管中。这种流体通常是热水或蒸汽。空气处理器循环的水，也可以选择采用锅炉产生的蒸汽来加热。如图8-1所示，所采用的蒸汽-水换热器就是基于这个目的，它被称作换流器。锅炉的燃料可以是天然气、液化石油气（LPG）、燃料油或者煤和木材等固体燃料。

图8-1 典型商用全空气HV AC系统中给空气处理器提供冷或热流体的设备示意图

8.1.3 测试、调节、平衡

测试、调节和平衡（TAB）是校核和调节建筑内所有环境系统的过程，以达到设计目的。这个过程包括：（1）平衡空气和水的分配系统；（2）调节整个系统，以达到设计要求；（3）电气测量；（4）定量确定所有设备的性能；（5）验证自动控制系统的运转及操作顺序；（6）测量噪音和振动。这些程序通过以下完成的：检验实际安装与设计是否一致，测量和确定系统流体流量是否达到设计要求，记录并报告结果。

有效的和高效的TAB工作需要有系统和详细的计划程序，并由有经验和有资格的人员来执行。所有的工作，包括组织、设备校准和工作执行，都必须按计划进行。空气侧的工作必须要和水侧与控制侧的工作相协调。准备工作包括计划编制和编制所有程序进度、收集必要的数据（包括所有的变数）、数据评估、对所工作系统的学习、准备表格和展开初步的实地考察。

管道（风道）系统的空气泄露会严重降低性能，所以管道（风道）必须要设计、建造和安装，以减少和控制泄露。在建造期间，所有的风道系统应密封，并进行空气泄露测试。对可能伤害人和设备的水管、蒸汽管道和气动管道，也应进行泄露测试。

8.1.4 热舒适

供热、通风与空气调节系统的一个主要目的是给人们提供热舒适的条件，即热舒适性是“对热环境表示满意的意识状态”（ASHRAE Standard 55）。这个定义并未说明什么是“意识状态”或“满意”，但它明确强调了热舒适的判断是一个包括物理、生理、心理和其他过程的许多输入参数影响的感知过程。

根据皮肤表面温度和湿度的直接感觉、体内温度以及调节体温所作的必要努力，头脑意识会得出热舒适性和不舒适性的结论。通常，当体温保持在较窄的范围内，皮肤表面湿度较小，生理调节效应最小时，人才会感到舒适。

舒适性也包括由意识引起的、根据热湿感，以减少不舒适的行为动作。例如，更换衣服，改变活动方式，改换姿势和位置，改变恒温器设置，打开窗户，抱怨或离开这个空间都是一些减少不舒适的可能行为。令人惊奇的是尽管在世界范围内，各区域的气候条件、居住条件和文化有很大差别，但人们在相似衣着、活动形式，湿度及空气运动条件下，发现对舒适性的首选温度却非常相似。

8.2 制冷

制冷定义为一个从恒定的低温热源或冷媒吸收热量，并将热量转移到高温热汇的过程。制冷通过将吸收的热量和任何输入的能量传递给热汇、大气或地表水使热源的温度维持在环境温度之下。

制冷系统是由部件和设备按顺序依次组合，以产生制冷效果。根据输入能量和制冷方法的不同，用于空气调节的制冷系统可分为：

（1）蒸气压缩式系统

在蒸气压缩式系统里，在制冷剂产生制冷效果之后，压缩机将其压缩到高温和高压状态；被压缩的制冷剂将热量传到高温热汇，并冷凝成液态；这种液态制冷剂然后节流，变成低温和低压的蒸气，在蒸发过程中产生制冷效应。蒸气压缩式是舒适性和工艺性空调中，最为广泛采用的制冷形式。

（2）吸收式系统

在吸收式系统里，制冷效应是输入的热能产生的。在蒸发过程中吸收冷媒的热量后，气态制冷剂被吸收剂吸收。这种溶液然后被直燃炉、废热、热水或蒸汽加热。然后制冷剂再蒸发，接着冷凝，再次开始制冷循环。

（3）空气或气体膨胀系统

在空气或气体膨胀系统里，空气或气体是通过机械能压缩到高压状态。然后冷却并膨胀到低压。由于在膨胀过程中，空气或气体的温度降低，因此产生了制冷效应。

8.2.1 单级蒸气压缩式制冷的理论循环

逆卡诺循环是完全可逆的，也是工作在两个恒定温度之间或两种具有无限热容不同温度流体之间制冷系统的完美循环。

卡诺制冷循环有两个假设，这使它不能实现。两种外部流体的传热能力假设为无限大，这样外部流体的温度就固定维持在T0和TR（它们变为无限大的热库）。在两个换热过程，卡诺循环还假设在工质和外部流体之间没有热阻。这样，制冷剂的温度必须在冷凝器和蒸发器中分别维持在TR和T0不变。

图8-2给出了单级蒸气压缩式制冷理论循环的示意图，它是实际循环的最简化近似。图中还用T－s图和p－h图给出了理论循环的热力过程。尽管实用并且简单，但是有两个特点使这个循环不能达到与逆卡诺循环一样高的性能系数（Coefficient of Performance，COP）。首先是现在制冷剂通过膨胀阀（过程3－4）是一个不可逆的节流过程，丧失了产生有用功的机会；第二个非理想化特征是排热（过程2－3）并未在恒定温度下进行。后面我们会看到尽管这是一个非理想循环，然而也是不可能实现。但是它简单，能说明很多有用的趋势，并且也能修改为实际系统的近似。基于这些原因，图8-2是理解蒸气压缩式制冷循环特征的良好模型。

图8-2 单级蒸气压缩式制冷的理论循环

假设进入压缩机的制冷剂蒸气是对应蒸发压力下的干饱和蒸气。这是一个分析开始的合适位置，因为在这里我们可以确定所有的流体参数。压缩过程1-2假设是可逆绝热的，因此也是等熵的，并且持续直到达到冷凝压力。点2明显处于过热区域。过程2-3在达到饱和蒸气状态2'前，压力保持不变，而蒸气的温度下降。接着从2'－3的冷凝过程，同时保持压力和温度不变。制冷剂在点3离开冷凝器时是饱和液态。然后经节流阀膨胀，经过节流阀时，由于压力降低，产生了部分蒸气。节流过程3-4是不可逆的，伴随着熵的增加，因此在图8-2中用虚线表示。对于节流过程，进口和出口的焓值是相等的。要确定这个循环的性能系数（COP），必须确定制冷量和输入的能量。

8.2.2 多级蒸气压缩制冷循环

在需要几个蒸发器提供不同蒸发温度时候，如超市，或蒸发温度变得很低的时候，通常采用多级或多压蒸气压缩式制冷循环。低的蒸发温度表明进入压缩机的制冷剂具有低的蒸发压力和低密度。两个串联的小型压缩机具有较小的排量，并且通常比一个大型的、能适用于整个蒸发压力到冷凝压力范围变化的压缩机运行效率更高。特别是对于氨制冷系统，因为在压缩过程中产生的大量的过热。除了通过系统的不同部件的质量流量不同之外，多级循环的热力学分析与单级循环的分析相同。对每个单独部件或部件组仔细列出质量平衡和能量平衡，就能确保正确应用热力学第一定律。在展开第二定律计算的时候也必须仔细。通常制冷负荷是由多个蒸发器提供，因此整个系统的制冷量也是各个蒸发器负荷的总和。同样，整个系统的能量输入也是所有压缩机输入功的总和。

当压缩机串联连接时，级间的蒸气在进入下一级压缩之前应冷却到饱和状态。中间冷却方式通常能减少压缩机的排量，降低对功的需求，并增加循环的性能系数。

如果级间的制冷剂温度高于环境温度，那么可以采用一个简单的中间冷却器移除制冷剂的热量。如果级间的制冷剂温度低于环境温度，这也是通常遇到的情况，则应采用制冷剂本身去冷却制冷剂蒸气。这可用一个闪蒸中间冷却器实现。

8.2.3 制冷剂

制冷剂是制冷、空调和热泵系统中的工作介质，它们从一个区域吸收热量，例如一个被调空调空间，然后把热量排入另外一个区域，例如室外，通常分别通过蒸发和冷凝过程进行。这些相变同时发生在吸收式和机械蒸气压缩式系统里，但不发生在采用空气等作为工质的气体循环系统中。

制冷设备的设计强烈依赖于所选用制冷剂的性质。制冷剂的选用包括对不相容的优良热物理性质之间的比较。一种制冷剂必须满足很多要求，其中一些要求并非与传热能力直接相关。在使用条件下的化学稳定性是一种基本特征。安全规程可能要求一些场合使用既不可燃烧又具有低毒性的制冷剂。低成本、易获得、高效和与压缩机润滑油和设备材料的兼容性是其它需要考虑的因素。

制冷剂泄露造成的环境问题必须要考虑。自从19世纪30年代以来，CFCs类物质由于具有出众的安全和性能特征一直沿用至今。但是由于它们已被证明破坏了臭氧层，因此在发达国家其产品的使用已被淘汰（UNEP2003）。在发展中国家，除了允许的基本使用或原料供应，产品的使用将于2010年被淘汰。

HCFCs类物质也破坏臭氧层，但相对于CFCs类物质来说，破坏程度较小（UNEP2003）。作为制冷剂产品，发达国家计划于2030年淘汰使用，发展中国家将于2040年淘汰。HFCs类制冷剂不破坏臭氧层（UNEP2003），并具有很多CFCs类和HCFCs类物质令人满意的性能。它们被广泛作为CFCs类和HCFCs类物质的替代制冷剂。然而，HCFs类制冷剂也与环境问题有关，当它们释放到大气中时，会推动全球变暖（U.N. 1994）。各个国家、贸易组织和公司通过日益增加立法和自愿项目来减少这些物质的排放。这样，在继续允许使用这些制冷剂的同时，将潜在的环境影响降到最小。

蒸发潜热是另一个重要性质。以1摩尔为基础，相同沸点的流体几乎具有同样的潜热。由于压缩机的排量是以测定体积为基准定义的，因此具有相同沸点的制冷剂在一个给定的压缩机中会产生相同的制冷效应。而以质量为基准定义，流体的潜热变化十分广泛，那么对于理论蒸气压缩式循环，有较低蒸汽热容的流体，有较高的循环效率。这种性质与具有简单分子结构和较低分子质量的流体有关。

输运特性（如热传导性和粘性）影响热交换和管道系统的性能，高的热传导性和低的粘性是令人满意的。

没有一种流体能满足制冷剂所需求的所有特性，因而，就有各种各样的制冷剂被采用。

8.2.4 压缩机

压缩机有两种基本类型：容积型和速度型。容积型压缩机利用输入压缩机装置的功，通过减小压缩室的容积来增加制冷剂蒸气的压力。这些装置类型有：往复式、回转式（旋转活塞式、旋转叶片式、单螺杆式和双螺杆式）、涡旋式和摆线式。

大多数往复式压缩机是单动式的，采用曲轴连杆和轴销直接驱动活塞。采用活塞杆、十字头、填料盒和喷油的双动式压缩机并未广泛采用。卤烃压缩机是最广泛采用的压缩机，它有以下三种设计类型：（1）开启式；（2）半封闭式或螺栓封闭式；（3）焊接全封闭式。

旋转活塞式或固定叶片和旋转式压缩机一般用于家用电冰箱和空调装置中，制冷量不超过2KW。这种类型的压缩机将滑片或叶片安装在偏心轴上，并合理安置在不旋转的圆柱外壳（通常也称为气缸座）上。叶片在气缸座内加工的狭槽里面往复运动。这种往复运动由偏心

运动的轴杆驱动的。

旋叶式压缩机有一个低的质量排量比，并且结构紧凑，适合于运输方面的应用。2～40KW 范围的小型压缩机采用单级，适合于饱和冷凝温度60℃以下，饱和吸入温度范围为-40～7℃。当采用两级压缩时，低温应用可以达到-50℃。目前，采用R-22、R-404a和R-717作为制冷剂。

单螺杆压缩机由一个圆柱形主转子组成，它与两个星轮啮合。主转子与星轮在形式和相互排列方面变化较大。主转子外盖有两个齿槽，可以让星轮的齿条通过。两个在主转子外壳直径上对称的排气口采用常用的排气歧管。

双螺杆是双螺旋旋转螺杆压缩机常用名称。一个双螺杆压缩机由一个带有进出气口的外壳，以及其内的两个啮合的螺旋状有槽转子，即阳转子（凸槽）和阴转子（凹槽或沟槽）组成。转子内的气体大都沿轴向流动。经常使用的齿数组合是4+6、5+6和5+7(阳转子+阴转子)。例如，带有4个齿数阳转子的主动轮转速为3600转/分，则6个齿数阴转子的跟随转速为2400转/分。阴转子可由同步调速齿轮驱动，或者直接由阳转子作用于一层薄油膜来驱动。在一些应用场合，这是驱动阴转子的实用方法。如果假设采用4+6齿数组合，会造成驱动阳转子压缩机的速度和排量增加50%。在另外一些场合，也通过采用一个特殊尺寸的压缩机，采用增大齿轮速度来增加输出容量。

涡旋式压缩机是沿轨道运行的容积式装置。由两个相互配合的螺旋形涡旋体完成压缩。它们通常用于家用和商业用空调、制冷、热泵以及汽车空调系统中，制冷范围为3-50KW。为了能高效运行，涡旋式压缩机需要涡旋体加工的公差非常小，由于现代制造技术的发展，这已经成为可能。卷轴利用近年来先进的机械制造技术进行精密加工，这种容积式、涡旋运动的压缩机具有很多性能特征，比如效率高、噪音低等。

摆线式压缩机是一种小型回旋的容积式压缩机，它的最高转速为9000转/分。它们可被制造成各种形状。摆线弧度是通过一个动圆在一个固定圆内或圆外滚动得到的，分别形成“长短幅圆外旋轮线”和“长短幅圆内旋轮线”。这两种摆线都可作为汽缸或活塞使用，因此就可以设计出四种摆线式压缩机。

速度（动力）型压缩机通过不断的将转动部件的角动量传递给制冷剂蒸气，然后将这种角动量转换成压力升高，以提高制冷剂蒸气的压力。离心式压缩机就是基于这些原理运行的。离心压缩机，有时被称为涡轮压缩机，与风机、螺旋桨和汽轮机一样，属于叶轮机械。这些机械在转动的机械零件和稳定流动的流体之间连续交换角动量。由于流体流动是连续的，因此涡轮机械与同样尺寸的容积式设备相比有较大的容积排量。为了有效地交换动量，其旋转速度必须很高，但由于其转动稳定和缺少接触部件，只产生了很小的震动和磨损。

离心式压缩机用于各种制冷和空调装置中。在转速为1800～90000转/分时，吸气流量范围为0.03～15m3/s，。吸气温度通常为-100～10°C,吸气压力为14～700kPa，排气压力通常不高于2MPa。压缩比范围为2～30。几乎所有的制冷剂都适用。

8.2.5 蒸发器

蒸发器是制冷系统的一个主要部件，在蒸发器中，由于从周围空气、冷冻水或其它物质中吸取热量，制冷剂蒸发。在蒸气压缩式制冷系统中，蒸发器也是一种间接接触式换热器。

根据被冷却的介质或物质，蒸发器可分为以下三类：

1）空气冷却器是一种在冷藏空间或设备（如整套装置）直接冷却空气的蒸发器。然后处理的空气通过空气输送系统分配。在空气冷却器中，制冷剂在金属管或翅片管内流动，而空气横越管束。

2）在液体冷却器中，冷冻水被冷却到较低的温度，并用泵输送到远处的空气处理单元、风机盘管或其它末端设备，用于空气调节或其他应用。

3）蒸发器也可直接用于生产冰，如在蓄冰的冰采集系统中作为制冰机。

液体冷却器不同于制冷装置。液体冷却器是一个蒸发器，是制冷系统的一个组成部件，而制冷装置是一个用于生产冷冻水的整体式制冷装置。

根据空气冷却器、液体冷却器和制冰机的供液，可主要分为以下三类：

1）干式膨胀或直接膨胀型（DX）。对于干式膨胀或直接膨胀型蒸发器的供液，液态制冷剂是通过膨胀阀和分配器送入，在翅片式盘管（蒸发器）的管内流动，然后完全蒸发，并在蒸发器出口达到一定的过热度。

2）满液式。在满液式蒸发器中，液态制冷剂通过节流装置送入，在壳式换热器的管外蒸发。制冷剂侧的表面总是被液态制冷剂浸湿，从而具有更高的表面传热系数。

3）再循环式（过量供液式）。在再循环式蒸发器中，液态制冷剂是通过机械泵或者气体泵送入，然后过量供液到每个蒸发器。在每个再循环式蒸发器的内部表面都被液态制冷剂所湿润。各种各样的冷却器型式和供液方式组成了以下蒸发器：

1) DX冷却器，是DX盘管，作为直接膨胀供液的空气冷却器；

2) 闭式壳管式液体冷却器，或简单的闭式液体冷却器；

3) 带直接膨胀供液的壳管式液体冷却器，或简单直接膨胀液体冷却器；

4) 再循环式冷却器；

5) 直膨式制冰机。

其中，DX盘管是所有这些型式中最为广泛使用的。满液式液体冷却器广泛用于大型制冷机，直接膨胀式液体冷却器通常用于往复式或螺杆式制冷机中。再循环式液体冷却器有时在空气调节处理系统中采用。制冰机通常在蓄热系统或工业应用中采用。

8.2.6 冷凝器

制冷系统中的冷凝器通常是一种用于排出系统中热量的换热器。这部分热量由蒸发器吸收的热量和压缩机输入的热量组成。压缩机排出高温高压的气态制冷剂进入冷凝器，冷凝器把气态制冷剂的热量排放到一些冷却介质。这样，被冷却的制冷剂重新冷凝到液态，并排出冷凝器，以继续制冷循环。

常用的冷凝器根据冷媒不同可划分为：水冷式，空气冷却式和蒸发式（空气和水冷却）。

最常用的水冷式冷凝器有（1）管壳式；（2）壳管式；（3）套管式和（4）钎焊式板式。冷凝器的型式选择取决于冷却负荷的大小、所采用的制冷剂、可用冷却水的干度和温度、循环水量、分配的位置和空间、要求的工作压力（水和制冷剂侧）以及成本和维修方面。

空气冷却式冷凝器可以靠近或远离压缩机布置。这种类型的冷凝器可设计为室内或室外运行，排出空气可以是垂直的（顶部）或水平的（侧面）。用管道与压缩机互连。在一个空气冷却式冷凝器中，热量是通过（1）过热下降；（2）冷凝和（3）过冷传递的。冷凝器中大约85%的区域是恒温冷凝。冷凝器盘管的饱和冷凝温度下降与盘管的制冷剂流动的摩擦损失有关。

和水冷式和空气冷却式冷凝器一样，蒸发式冷凝器也是将冷凝蒸气的热量排到环境当中。在蒸发式冷凝器当中，从压缩机排出的高温高压蒸气在冷凝器盘管内循环，并被管外的循环水持续湿润。空气也同时掠过盘管，使一小部分再循环水蒸发。蒸发过程带走冷凝器盘管的热量，从而冷却和冷凝蒸气。

8.2.7 制冷剂控制设备

控制制冷剂的流量在任何制冷系统中都是必要的。控制器包括(1)压力控制器；(2)压力传感器；(3)温度控制器；（4)流体流量传感器；（5)微分控制器和(6)浮球开关。

控制阀包括(1)恒温膨胀阀；（2)电子膨胀阀；(3)恒压膨胀阀；(4)蒸发器压力和温度调节器；

(5)吸气压力调节器；(6)冷凝器压力调节器；（7)高压浮球阀；(8)低压浮球阀；(9)电磁阀；(10)凝结水调节器；(11)止回阀和(12)泄压装置。

恒温膨胀阀根据离开蒸发器的气体过热度，控制进入蒸发器的液态制冷剂流量。它的作用是保证蒸发器工作，避免液体通过吸气管回流到压缩机。这是通过控制进入蒸发器的制冷剂质量来实现的，这也等于利用吸收的热量使制冷剂在蒸发器内完全蒸发的速率。由于这种阀是根据过热和相对应的过热度来操作的，所以必须有一部分蒸发器用来使制冷剂蒸气过热。与恒压膨胀阀不同，恒温膨胀阀并不仅限于在定负荷场合应用。它在空调、商用、低温和极低温制冷应用中，用于控制各种直接膨胀式蒸发器的制冷剂流量。

8.2.8 吸收式制冷循环

吸收式装置有两个主要的优点：(1)由热量驱动；（2)无需蒸气的机械压缩。

所有的吸收式循环至少包括三个与相应环境之间的热能交换，即有三个不同温度的能量交换。

最高的温度和最低的温度在热量流动上是一个方向，中间的一个或两个温度的热量流动方向是相反的。早期循环中，两个极端温度的热量（最热和最冷）是流入循环的。这个循环也被称为热量放大器、热泵，常规循环，或者第一类循环。当极端温度的热量是流出循环的，这就称为反转循环、热变压器、温度放大器、升温器或第二类循环。

水-溴化锂和氨-水具有最好的综合热力学特性，并且没有已知的有害环境效应(ODP和GWP 为0)。

单效溴化锂制冷机

图8-3是一个商用的单效、非直燃式液体制冷机的示意图，图示了这些重要部件数种布置的一种。运行中，热量是以高温热水或蒸汽供入发生器的管道中，引起管外吸收剂的稀溶液沸腾。这个解吸的制冷剂蒸气，即水蒸气，经分离器，流向冷凝器。在冷凝器中，制冷剂蒸气在管外凝结，冷却介质是来自热源的水流（通常为冷却塔）。沸腾和凝结过程都发生在一个容器，它们有共同的蒸气空间，压力大约为6 kPa。

凝结的制冷剂通过节流小孔或设在冷凝器底部的集液器进入蒸发器。在蒸发器中，液态制冷剂当与含有来自热负荷水流的管子外表面接触时，开始沸腾。

在这过程中，当释放制冷剂沸腾所需的热量时，管内的水被冷却。

没有沸腾的制冷剂在蒸发器底部搜集起来，流入制冷剂泵，并被泵送到位于蒸发器管束上方的分配系统，重新喷淋在蒸发器的管束上。

进入发生器的吸收剂稀溶液（吸收能力弱的），当它沸腾并和释放水蒸气时，浓度（即吸收剂在水中的百分比）增加。因而离开发生器的是吸收剂的浓溶液，它流入溶液换热器的一侧，在加热溶液换热器另一侧流向发生器的吸收剂稀溶液时，被冷却。这通过减少稀溶液在发生器沸腾之前必须输入的主热源的热量，来提高设备的效率。

冷却的吸收剂浓溶液然后流入位于吸收器管子上方的溶液分配系统，在一些设计中是通过喷射器或溶液喷淋泵，并滴落或喷淋在吸收器管子的外表面。

吸收器和蒸发器有共同的蒸汽空间，压力大约为0.7 kPa。这样使在蒸发器中蒸发的制冷剂蒸气，很容易地被流过吸收器管子的吸收剂溶液吸收。吸收过程释放出了冷凝热量和溶解热，被流过吸收器管子的冷却水带走。产生的吸收剂稀溶液流出吸收器管子，然后进入吸收器液池和溶液泵。通过泵和管路，将吸收剂的稀溶液输送到换热器中。在换热器中，它吸收从发生器返回的浓溶液热量。在那里，稀溶液流入发生器，从而完成循环。

8.3 低温学

低温学通常是与低的温度联系在一起的专业术语。然而，在温标上，并没有很好地定义制冷结束和低温开始的位置。大多数从事这一领域的科学家和工程师将低温限制在125K之下，因为大多数的永久气体（如氦、氢、氖、氮、氩、氧、空气）的沸点低于这个温度。相反，大多数常见制冷剂的沸点高于这个温度。

因此，低温工程包括低温系统和部件的设计和开发。在这些活动中，设计师必须熟悉达到这些低的温度的工质性质，以及产生、保持和应用这些低的温度的部件的物理性能。

低温工程的应用越来越广泛。例如：在美国通过低温分离制取的氧气，有将近30%用于钢铁工业，以降低了高等级钢的生产成本；另外有20%用于化工产业生产各种氧化化合物。液态氢的生产也由实验室规模提高到超过2.1kg/s的水平。与此相同，对液氮的需求也要求利用的低温方法，建造大型工厂从天然气中分离氮。同样，对能量的需求，也需要加速建造大型的基本负荷的液化天然气（LNG）工厂。材料在低温下的超导现象被用于当前的一些应用领域，包括高场磁铁和精密电子设备。太空模拟需要用低温泵，将舱内残余气体冻结在一个冷表面上，以提供太空中典型的高真空条件。这种原理已经在商业化的高真空泵中得到应用。

食品工业采用大量的液氮来冷冻像虾这类比较昂贵的食品，并在运输过程中维持冷冻食品的温度。液氮冷冻容器也用来保存全血、骨髓和动物精子，以延长生存周期。低温医学可以治疗像帕金森综合症这样的不随意失调。医疗诊断采用的磁共振成像(MRI)，需要低温来冷却超导物质。最后，化工过程依赖低温来回收天然气中更有价值的高沸点成分或提高可燃气体的焓值，或从空气中回收氩和氖等有用的成分，净化各种各样的生产过程排气和废气，以及从烯烃化合物的混合物中生产乙烯。