浙江交通职院制冷与空调技术理论教案02压缩式制冷系统

第二部分理论知识压缩式制冷系统2.1制冷的方法与种类2.2蒸汽压缩式制冷的原理2.3制冷压缩机2.4制冷系统的换热器2.5制冷系统的节流阀2.6制冷剂的性能和用途教学目的与要求：1.了解制冷的基本概念，制冷的方法和分类，立即制冷压缩机、换热器、膨胀阀的分类与作用；了解制冷、制冷剂的性能、用途。2.熟悉压缩式制冷的工作过程、制冷压缩机、换热器、膨胀阀的基本结构。3.掌握压缩式制冷系统、制冷压缩机、换热器、膨胀阀的基本原理。4.掌握常用制冷剂、载冷剂的性能参数。内容和时间安排、教学方法：1．内容和时间安排：14学时2．教学方法：企业现场教学、实验室环境教学，多媒体教学、案例教学、课堂提问。教学重点和难点：1．重点：压缩式制冷的工作原理、制冷压缩机、换热器、膨胀阀的基本结构、原理2．难点：压缩式制冷系统、制冷压缩机、膨胀阀的基本原理。2．1

制冷的方法与种类2.1.1制冷的热力学基础1、热力学第一定律2、热力学第二定律热不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体，研究与热现象相关的各种过程进行的方向、条件及限度的定律。2.1.2制冷定义：

制冷是用人为方法从被冷却对象(物体或空间)中移出热量，以便其温度降低到环境温度以下的技术。

制冷技术应用范围一般可分为三个温区：

低温区（约-120℃

中温区（-120～5℃

高温区（5～80℃

制冷的温度范围是从环境温度开始，一直可达接近绝对零度。2.1.3、制冷方法：

1．耗物质法：耗用一定的物质(天然冰、深井水等)获得低温；

2．人工(机械)制冷方法：通过专门装置消耗一定的外功来获得低温，也称耗能制冷。2.1.4、制冷系统的应用

1、制冷与空调的关系

制冷和空调的关系相互联系又独立；如图3-1所示。

图3-1制冷和空调的关系

制冷在空调中的作用

(1)干式冷却

(2)减湿冷却

(3)减湿与干式冷却混合方式

2、食品处理方面的应用2.1.5、制冷技术的发展与危害

我们知道，所有生物过程都受到温度的影响，低温抑制食品中酵、霉菌的增殖，人体对温度也非常敏感。在现代社会，制冷技术已经几乎渗透到各个生产技术、科学研究领域，并在改善人类的生活质量方面发挥巨大作用。

从历史来看，制冷技术发展的第一阶段（从1830年到1930年）：主要采取NH3、HCS、CO2、空气等作为制冷剂，这些制冷剂有的有毒，有的可燃，有的效率很低，使用了一百年之久，当出现了CFCS和HCFCS制冷剂（即氟里昂）后，出于安全性的考虑，当机立断，实现了重大的第一次转轨，进入了制冷技术发展的第二阶段（从1930年到1990年），主要采用氟里昂作为制冷剂。使用了60年后，发现这些制冷剂破坏臭氧层。返回

2．2

蒸汽压缩式制冷的原理自然界中的物质是以三种不同的聚集态存在的，即：固态、液态和气态。2．2．1

蒸气压缩式制冷的热力学原理

物质集态的改变称之为相变。相变过程中，由于物质分子的重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量。这种热量称作潜热物质发生从质密态到质稀态的相变是将吸收潜；反之,当它发生有质稀态向质密态的相变时则放出潜热。

液体气化形成蒸汽，利用该过程的吸热效应制冷的方法称液体蒸发制冷。当液体处在密闭的容器内时，若容器内除了液体和液体本身的蒸汽外不含任何其它气体，那么液体和蒸气在某一压力下将达到平衡。这种状态称饱和状态。如果将一部分饱和蒸汽从容器中抽出，液体就必然要再气化出一部分蒸汽来维持平衡。我们以该液体为制冷剂，制冷剂液体气化时要吸收气化潜热，该热量来自被冷却对象，只要液体的蒸发温度比环境温度低，便可使被冷却对象变冷或者使它维持在环境温度下的某一低温。

液体蒸发制冷循环必须具备以下四个基本过程：制冷剂液体在低压下气化产生低压蒸汽，将低压蒸汽抽出并提高压力变成高压气。将高压气冷凝为高压液体，高压液体再降低压力回到初始的低压状态。其中将低压蒸汽提高压力需要能量补偿。

利用沸点很低的制冷剂相态变化过程所发生的吸放热现象，借助于压缩机的抽吸压缩、冷凝器的放热冷凝、节流阀的节流降压、蒸发器的吸热汽化的不停循环过程，达到使被冷对象温度下降目的的制冷方法。2.2.2、蒸气压缩式制冷的系统组成

单级蒸气压缩式制冷系统由压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器组成。其工作过程如下：

制冷剂在压力温度下沸腾，低于被冷却物体或流体的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸气，并将它压缩到冷凝压力，然后送往冷凝器，在压力下等压冷却和冷凝成液体，制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质(通常是水或空气)，与冷凝压力相对应的冷凝温度一定要高于冷却介质的温度，冷凝后的液体通过膨胀阀或其它节流组件进入蒸发器。单级蒸气压缩式制冷系统如下图3-2所示。

图3-2单级蒸气压缩式制冷系统图1、组成部件的功用：

（1）压缩机一一抽吸制冷剂，维持蒸发器低温；压缩制冷剂，促进制冷剂循环。

（2）冷凝器——使高压高温气态制冷剂放热冷凝成液态。

（3）节流阀——节流降压制冷剂，制造蒸发器低温。

（4）蒸发器——使低压低温液态制冷剂吸热汽化成气态。2、单级蒸气压缩式制冷系统的工作过程：

其工作过程如下：制冷剂在蒸发压力下沸腾，蒸发温度低于被冷却物体或流体的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸气，并将它压缩到冷凝压力，然后送往冷凝器，在冷凝压力下等压冷却和冷凝成液体，制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质（通常是水或空气）与冷凝压力相对应的冷凝温度一定要高于冷却介质的温度，冷凝后的液体通过膨胀阀或其它节流组件进入蒸发器。当制冷剂通过膨胀阀时，压力从冷凝压力降到蒸发压力，部分液体气化，剩余液体的温度降至蒸发温度，于是离开膨胀阀的制冷剂变成温度为蒸发温度的两相混合物。混合物中的液体在蒸发器中蒸发，从被冷却物体中吸取它所需要的气化潜热。混合物中的蒸气通常称为闪发蒸气，在它被压缩机重新吸入之前几乎不再起吸热作用。3、工况参数对制冷工作的影响如表3-1。温度条件变化?制冷量轴功率制冷系数冷却温度tk↑↓（因为q0↓、λ↓）↑（因为w0↑>G↓）↓（因为w0↑、q0↓）蒸发温度t0↓↓(因为v1↑使G↓)当Pk／P0＞3左右时↓（因为G↓>w0↑）↓（因为w0↑、q0不变）供液过冷度（tk-t3）↑↑（因为q0↑）不变↑（因为q0↑;w0不变）吸气过热度（t1－t0）↑R12：（因为q0↑）>G↓)R22：（因为q0↑=G↓）R717：（因为q0↑〈G↓〉↓（因为G↓>w0↑）R12：（因为q0↑>w0↑）R22：稍↓R717：（因为q0↑〈w0↑〉返回2．3

制冷压缩机2．3．1

制冷压缩机的分类与作用

1）．作用

作用是：从蒸发器内吸出蒸气，将其压缩，并使压缩终了的高压气体排入冷凝器。

2）．分类

（l）按压缩气体的方式分类：

（2）按制冷量的大小分类：可分为大、中、小型制冷压缩机2．3．2

活塞式压缩机的基本结构和名词术语

1）、基本结构

各种活塞式制冷压缩机的制冷量、外形、制冷剂、用途等不尽相同，但其基本结构和组成的主要零部件都大体相同，即包括机体、曲轴、连杆组件、活塞组件、吸排汽组件、汽缸套组件等。图3-3即为一台立式两缸活塞曲柄连杆式制冷压缩机的结构轴测图。

图3-3立式两缸活塞式制冷压缩机

2）、名词术语

下面利用图3-4介绍压缩机的有关名词术语。

1．外止点（上止点）：活塞在汽缸中作反复运动时，离曲轴旋转中心最远的位置，如图3-4（a）所示。

2．内止点（下止点）：活塞在汽缸中作反复运动时，离曲轴旋转中心最近的位置，如图3-4（b）所示。

3．活塞行程：外止点与内止点之间的距离，通常用S表示，等于曲柄半径R的两倍，即S=2R，单位为米（或毫米）。

4．余隙容积：活塞位于外止点时，活塞顶面与汽缸端面之间的容积，汽阀通道（与汽缸一直相通的）及第一道活塞环以上的环形容积的总和（图3-4a），以Vc表示。

5．相对余隙容积：余隙容积与汽缸工作容积之比，以C表示，即式中：Vc——余隙容积；Vp——汽缸工作容积。

图3-4制冷压缩机有关的几何名称

1-排气阀；2-吸气阀；3-汽缸；4-活塞；5-连杆；6-曲轴旋转中心

2.3.4、全封闭式制冷压缩机

全封闭式制冷压缩机的特点，是将压缩机与电动机一起组装在一个密闭的罩壳内，形成一个整体，从外表上看只有压缩机进、排气管和电动机引线。图3-5为国产2FV5Q型全封闭压缩机剖面图。压缩机的外部罩壳由钢板冲压而成，分上下两部分，装配完毕后焊死。它比半封闭压缩机更为紧凑，密封性更好。

图3-52FV5Q型全封闭压缩机剖面图2.3.5、活塞式制冷压缩机的优缺点

一）、活塞式制冷压缩机的优点：

1、能适应较广的工况范围和制冷量要求；

2、热效率较高，单位是耗较少；

3、对材料要求较低，多用普通钢铁材料，零件的加工比较容易，造价较低廉；

4、技术上较为成熟，生产操作上有着丰富的经验。

二）、活塞式制冷压缩机的缺点：

1、因受到活塞往复运动惯性力的影响，转速受到限制，单机输汽量大时，机器显得笨重

2、结构复杂，易损件多，维修工作量大；

3、因受到各种力、力矩的作用，运转时有振动；

4、排汽不连续，汽体压力有波动。返回

2．4

制冷系统的换热器

换热器是制冷设备中不可缺少的重要装置，换热器的传热效果直接影响制冷机的重量、体积以及运行特性和经济性。冷凝器和蒸发器是制冷机不可缺少的换热器，是制冷机的重要组成部分。

除了冷凝器和蒸发器以外常用的换热器还有回热器、过冷器、中间冷却器和冷却塔。2.4.1、冷凝器

冷凝器是制冷设备向制冷系统放出热量的换热装置，制冷剂在冷凝器中放出的热量包括两部分：一是在蒸发器中吸收的被冷却物体的热量，二是制冷剂蒸气在制冷压缩机中被压缩时，由压缩机消耗的机械功转化的热量。

制冷剂在冷凝器中被冷却冷凝液化的过程如下：冷凝器按冷却介质和冷却方式，可以分为三种类型：1）水冷式冷凝器2）空冷式冷凝器3）蒸发式冷凝器1）、水冷式冷凝器的结构水冷式冷凝器是利用水来吸收制冷剂放出的热量，其特点是传热效率高，可配有水冷却塔，冷却水在冷却塔中将从冷凝器吸收的热量释放给周围的空气。水冷却式冷凝器的结构有管壳式、套管式、板式、螺旋板式冷凝器等几种形式。2）立式管壳式冷凝器（如图3-6所示。）3）卧式管壳式冷凝器卧式管壳式冷凝器广泛应用在大、中、小型氨和氟利昂制冷装置，卧式管壳式冷凝器是水平放置的，所以称为卧式冷凝器。

图3-6立式管壳式冷凝器4）管套式冷凝器

管套式冷凝器是由两种或几种不同直径的管子套在一起组成的，有的套管式冷凝器为了节省空间，把套在一起的管子盘成圆形或椭圆形的盘管，目前套管式冷凝器主要用于小型的氟利昂制冷设备。5）螺旋板式冷凝器

螺旋板式换热器是一种高效的换热器，螺旋板由两张平行的钢板在专用卷板机上卷制而成，流道始于螺旋板式换热器的中心，而终于螺放板式的换热器的外缘，螺旋板的上下两端用封条焊死。6）板式冷凝器

板式冷凝器的传热组件是冲压成型的薄金属片，换热板热中冲有波纹以强化传热，很多换热板片迭放在一起焊死，换热板与换热板之间的周边放入一定形状的密封圈，使换热板之间保持一定的距离，构成制冷剂与冷却水的流道，流体在换热板之间的流程可以按具体的情况进行安排，一般常见的有并联、串联和混联，在制冷设备中多用于并联流程。7）、空气冷却式冷凝器（如图3-7所示）

空气冷却式冷凝器又称为风冷式冷凝器，在这种冷凝器中，制冷剂蒸气和冷凝所放出的热量是由空气来冷却的，空气式冷凝器按空气冷却方式又分为自然对流空气冷却式冷凝器和强迫对流空气冷却式冷凝器；

图3-7空气冷却式冷凝器8）、蒸发式冷凝器2.4.2、蒸发器

蒸发器是制冷剂从系统外吸收热量即制冷的换热器，制冷剂液体在蒸发器的换热管内流动，并在低温下蒸发，变为蒸气，制冷剂在蒸发的过程中吸收被冷却物体或介质的热量，蒸发器位于制冷系统的节流阀和压缩机的吸气管之间。

蒸发器的结构按被冷却介质可以分为冷却液体载冷剂的蒸发器和冷却空气的蒸发器两大类，冷却液体载冷剂的蒸发器有管壳式蒸发器、直立管式蒸发器、螺旋管式蒸发器和蛇形管式蒸发器，冷却空气有直接蒸发式空气冷却器和排管式蒸发器。1、卧式管壳式蒸发器

卧式管壳式蒸发器是用来冷却如水和盐水等液体载冷剂的蒸发器。2、干式蒸发器

干式蒸发器的结构与卧式管壳式蒸发器的结构相似，所不同的是在干式蒸发器中制冷剂液体在换热管内流动，而载冷剂在换热管外流动。3、沉浸式蒸发器

1）、直立管式蒸发器

2）、螺旋管式蒸发器

3）、蛇管式蒸发器4、冷却空气的蒸发器

冷却空气的蒸发器又分为直接蒸发式空气冷却蒸发器（冷风机）和排管式空气冷却蒸发器两种，冷却空气的蒸发器制冷剂都是在换热管内流动蒸发，空气在换热管外流动被冷却。2.4.3、回热器

回热器的作用是利用从蒸发器出来的制冷剂饱和蒸气需要过热时的冷量来使节流前的制冷剂进一步过冷，这样既保证了压缩机工作的安全性，同时又提高了制冷装置的制冷量，它是一个汽-液型换热器，多用于氟利昂制冷装置。回热器的结构主要有四种形式，盘管式、套管式、并联管式和穿管式回热器。2.4.4、冷却塔

冷却塔是依靠水与气对流直接接触换热和蒸发冷却原理使水降温的设备。冷却塔的作用是使水在塔内与空气进行热湿交换而得到降温。空调工程中制冷系统冷凝器用的冷却水基本上是采用冷却塔处理后而循环使用的。

通常选用水冷却装置的冷却塔有自然通风和机械通风两种不同形式。1、自然通风冷却塔

又称大气式冷却塔，它是利用空气自然对流使水冷却，水流运动形式有喷淋，溅滴等多种，这类冷却塔只是考虑如何增大水与空气自然对流使水冷却，水流运动形式有喷淋、滴溅等多种，这类冷却塔只是考虑如何增大水与空气的接触表面，所以结构上大同小异。2、机械通风冷却塔

目前用的机械通风冷却塔大多是逆流式圆形玻璃钢冷却塔，是靠空气强制对流使水冷却的设备。返回2.5

制冷系统的节流阀2.5.1、节流机构的作用及分类1、作用

节流机构的作用是将冷凝器中冷凝压力下的饱和液体或过冷液体节流后降至蒸发压力和蒸发温度，同时根据负荷的变化，调节进入蒸发器制冷剂的流量。2、分类

常用的节流机构主要有以下几种：手动节流阀、热力膨胀阀、电子膨胀阀、浮球节流阀、节流孔板、毛细管等。2.5.2、热力膨胀阀

热力膨胀阀是应用最广的一种节流机构，热力膨胀阀是利用蒸发器出口制冷剂蒸气的过热度的变化来调节阀孔的开度大小，故适用于没有自由液面的蒸发器（如干式蒸发器、蛇管式蒸发器、蛇管式中间冷却器等）。1、内平衡式热力膨胀阀

l）、结构：内平衡式热力膨胀阀的结构如图3-8所示，它由感温包、毛细管、阀座、膜片、顶杆、阀针及调节机构组成。膨胀阀接在蒸发器的进液管上，感温包敷设在蒸发器的出口处。

图3-8内平衡式热力膨胀阀的结构2、外平衡式热力膨胀阀

l）、结构如图3-9所示

3-9外平衡式热力膨胀阀的结构

2）、热力膨胀阀的安装

热力膨胀阀的安装正确与否，对膨胀阀的工作特性有很大的影响，因此必须要按正确的方法安装。其安装方法如下：

1、膨胀阀的位置应尽量靠近蒸发器，同时要使调节和维修均比较方便。

2、膨胀阀阀体应垂直安装。

3、膨胀阀箭头方向应与制冷剂的流动方向一致。

4、温包应直接捆扎在蒸发器的出口回气管上，接触部位要清洁、干净，外加不吸潮的保温材料绝热。感温包应装在不积液的吸气管上，当吸气管直径小于22mm时，感温包应装在吸气管上部；当直径大于22mm时，安装在水平下侧30℃。

3）、外平衡管应接至蒸发器出口处的水平管上方，以防被润滑油堵塞，同时接管应在感温包之后保持适当的位置。2.5.3、热电膨胀阀

它是利用热敏电阻的作用来调节蒸发器供液量的节流装置。

热敏电阻与膨胀阀膜片上的加热器串联，电热器的电热流随热敏电阻值的大小而变化。当蒸发器的出口制冷剂蒸气的过热度增加时，热敏电阻温度升高，电阻值降低，电加热器的电流增加，膜室内充注的液体被加热而温度增加，压力升高，推动膜片和阀杆下移，使阀孔开启或开大。当蒸发器的负荷减小，蒸发器出口蒸气的过热度减小或者变成湿蒸气时，热敏电阻被冷却，阀孔就关小或关闭。这样，热电膨胀阀可以控制蒸发器的供液量，使其与热负荷相适应。2.5.4、毛细管

1）、毛细管的结构及原理?毛细管是一根孔径很小，长度较长且多盘圈状的紫铜管。一般为一根内径为0.5-1mm，外径为2-3mm，长度为2-4m的紫铜管，液态制冷剂通过它时会受到较大的阻力而产生压力降(犹如电流流过导体，因电阻而产生电压一样)，因而控制了制冷剂的流量和保持冷凝器与蒸发器的合理压力差。

2）、毛细管的作用??毛细管是电冰箱上的节流降压装置，位于冰箱的后下部。它的作用主要有两个是在压缩机运行中，保持蒸发器与冷凝器之间有一的压力差，从而使制冷剂在蒸发器中规定的低压力状况下蒸发吸热，使冷凝器中的气态制冷剂在一的高压下冷凝放热；另一种功能是控制制冷剂的流量，使蒸发器保持合理的温度，以实现电冰箱安全、经济运行。

3）、毛细管的特点??毛细管节流具有结构简单、无运动零件、不易发生故障、停机后高低工压力逐渐平衡、易于启动等特点。可选用启动较小的驱动电机作制冷机的动力。但毛细管的自动调节范围小，而且不能人工调节，只适用于热负荷比较稳定的家用电冰箱等制冷系统中。返回2.6.1、制冷剂

制冷系统里必须还要充注一定量的专用的工作介质，制冷装置才能工作、制冷，而且充注不同的工作介质制冷装置制冷的效率也有很大的不同，这个介质就是制冷剂。只有在工作温度范围内能够汽化和凝结的物质才有可能作为制冷剂使用。

1）、制冷剂的作用

制冷剂在制冷系统内部循环流动，制冷剂在循环流动中，通过自己的热力状态的变化与外界发生能量交换，从而实现制取冷量的目的。

2）、对制冷剂的要求

制冷剂应具备安全、可靠、易得、价廉。一般要求制冷剂应满足下列要求：

1、临界温度较高，在常温或制冷温度下能够液化。

2、在蒸发器和冷凝器内制冷剂的压力要适中。

3、单位容积制冷量qV要大。

4、凝固温度要低，以避免制冷剂在蒸发温度下凝固。

5、粘度和密度要小，以保证制冷剂在系统中的流动阻力损失小。

6、导热系数要高，可以提高各个换热器制冷剂侧的换热系数。

7、与润滑油的溶解性。

8、等熵指数要小，可使压缩过程耗功减小，压缩终了时气体的温度不致过高。

9、液体比热容小，可使节流过程损失减小。

10、不燃烧，不爆炸，无毒，对金属不起腐蚀作用，与润滑油不起化学作用，高温下不分解，对人体无毒害,价格便宜，便于获得。2.6.2、制冷剂的分类与符号

1）、制冷剂的分类

表3-1制冷剂的分类类别Ts/℃环境温度在30℃时的冷凝压力／kPa制冷剂举例应用举例高温制冷剂（低压制冷剂）＞0约＜300Rll，Rll3，Rll4,R21离心式空调制冷机中温制冷剂（中压制冷剂）-60～0约在3000～2000R12，R22，R717，R142，R502-60℃以上的单级和双级蒸气活塞式压缩式制冷机低温制冷剂（高压制冷剂）<-60约＞2000R13，R14，R502，烷，烯复迭式制冷机的低温级

?2）、制冷剂符号

国际上统一规定用字母“R”和其后的数字或字母作为制冷剂的符号，字母“R”表示制冷剂，其后的数字和字母编写规则如下。

1、无机化合物无机化合物的简写符号规定为R7（）（）。括号中填入的数字是该无机物分子量的整数部分。例如：NH3H2OCO2SO2N2O分子量的整数部分1718446444符号表示R717R718R744R764R744a

2、氟利昂和烷烃类烷烃化合物的分子通式为CmH2m+2；氟利昂的分子通式为CmHnFxClyBrz（n＋x＋y＋z=2m＋2），它们的简写符号规定为R（m-1）（n＋l）（x）B（Z）。

3、混合工质混合工质和简写符号为R5（）（）。

3）、常用制冷剂理化性质：制冷剂R12（CCl2F2）R134a（CH2FCF3）R22（CHClF2）R717（NH3）标准大气压沸点℃-29．8-26．5-40.8-33.4临界温度tc（℃）／临界压力pc（MPa）96／4．963100．6／394112／4．12132．4／l．32压力比=pk(+30)kPa/P0(-15)kPa4.084.74.054.9单位容积制冷量qv(30℃／-15℃)kJ/m31275100%tk＝30℃时与R12比；t＞-7℃时略大；t。＜-7℃时略小2065165%2161169%制冷系数ε（＋30t／-15℃）4.1与R12大致相同4.254.21等熵压缩排气温度（标准工况）℃706683106密度ρ30℃饱和液（kg/L）30℃饱和蒸气（Kg／m3）341.118737.5251.569.03导热系数（25℃）蒸气10－3W／m·℃液体10.7071.013.5794.211.4087.525.5494动力粘度（25℃）蒸气Pa.s液体13.52×10-61.98×10-411.92×10-62.26×10-412.68×10-62.4×10-410.44×10-61.52×10-4溶水性难溶3.6mg/kg(-30℃稍溶难溶180mg/kg(-30℃易溶1m3水溶900m3溶油性易溶只与POE、PAG等油互溶8℃以上易溶，低温时分层微溶忌用材料天然橡胶铜、天然橡胶、丁腈及氟化橡胶同R12（宜用丁基橡胶、氯丁橡胶）含水腐蚀铜及铜合金（磷青铜除外）安全性