3 冷热源工程 第三章 蒸气压缩式制冷机组

冷热源工程（第4版）普通高等教育建筑环境与能源应用工程系列教材重庆大学出版社主编：龙恩深

蒋星池

第三章蒸气压缩式制冷机组心系人间冷暖、服务国家战略蒸气压缩式制冷机组1、了解蒸气压缩式制冷压缩机组的构成、分类及特点；2、熟悉各类辅助设备的功能和作用；3、熟悉制冷压缩机的性能和应用；4、掌握制冷压缩机的工作原理和工作过程；5、掌握常见蒸发器和冷凝器的结构特点和工作原理；6、掌握节流机构的工作原理和特点。本章学习目标：3.1蒸气压缩制冷机组分类2、按冷凝器传热介质分类（1）水冷式机组直流式混合式循环式（2）风冷式机组1、按压缩机类型分类3、按蒸发器传热介质分类（1）冷水机组（2）直冷/冷风机组压缩机是蒸气压缩式制冷系统的重要设备，是制冷机组的心脏。在制冷系统中压缩机的作用为：提升制冷剂压力为制冷剂提供动力，完成循环3.2压缩机1、活塞式制冷压缩机活塞式压缩机利用气缸中活塞的往复运动来压缩气体，通常是利用曲轴连杆机构将原动机的旋转运动变为活塞的往复直线运动，故也称为往复式压缩机。1）活塞式压缩机的工作过程活塞式压缩机的理想工作过程与实际工作过程示功图3.2压缩机理想过程假设如下：①压缩机没有余隙容积；②吸、排气过程中没有阻力损失；③吸、排气过程中与外界无热交换；④没有制冷剂的泄漏。2）活塞式压缩机的输气系数由于各种因素的影响，压缩机的实际输气量(Vs)总是小于理论输气量(Vh)。实际输气量与理论输气量之比称为压缩机的输气系数。3.2压缩机输气系数的大小反映了实际工作过程中存在的诸多因素对压缩机输气量的影响，也表示了压缩机气缸工作容积的有效程度，故也称压缩机的容积效率。输气系数综合了四个主要因素，即余隙容积、吸排气阻力、吸气过热和泄漏对压缩机输气量的影响，为此可以将输气系数写成四个分系数乘积的形式。分别称为：余隙容积系数、压力系数、温度系数、泄漏系数。如前所述，由于余隙容积存在，少量高压气体首先膨胀占据一部分气缸的工作容积，从而减少了气缸的有效工作容积。

其中m为多变指数。由上式可知，压缩比越大，相对余隙容积越大，则容积系数越低。3.2压缩机（1）余隙容积的影响3.2压缩机（2）吸、排气的影响（3）吸入蒸气过热的影响压缩机实际工作时，从蒸发器出来的低温蒸气在流经吸气管、吸气腔、吸气阀进入气缸前均要吸热而使温度升高、比容增大。气缸的容积是一定的，因此蒸气比容的增大必然导致实际吸入蒸气的减少。压缩机吸、排气过程中，蒸气流经吸气腔、排气腔、通道及阀门等处，都会有流动阻力。阻力的存在势必导致气体产生压力降，使得实际吸气压力低于吸气管内的压力，排气压力高于排气管内压力，增大吸排压力差，并使得压缩机的实际吸气量减小。气体的泄漏主要是压缩后的高压气体通过气缸壁与活塞之间的不严密处向曲轴箱内泄漏。此外，由于吸排气阀关闭不严和关闭滞后也会造成泄漏。这些都会使压缩机的排气量减少。为了减少泄漏，应提高零件的加工精度和装配精度，控制适当的压缩比。泄漏系数一般约为0.95～0.98。3.2压缩机（4）泄漏的影响3.2压缩机活塞式压缩机广泛应用于冰箱、冷库、制冷空调、冷藏车、制冷船舶、冷冻食品加工设备、石油、化工用冷却设备等。活塞式压缩机的冷量范围相对较小，全封闭活塞式压缩机的单机制冷量为0.5~50kW，多用于家用、商用冰箱、空调。半封闭式活塞是压缩机的单机制冷量为60~600kW，可用于各种空调、制冷设备中。开启活塞式压缩机只用于冷库和极少数空调工况的冷水机组。活塞式压缩机的应用情况螺杆式压缩机按螺杆的数目，可分为单螺杆压缩机和双螺杆压缩机；按润滑方式，可分为无油式压缩机和喷油式压缩机；按驱动方式，可分为阴螺杆驱动压缩机和阳螺杆驱动压缩机。2、螺杆式压缩机3.2压缩机3.2压缩机1）基本构造及工作原理2、螺杆式压缩机工作原理：吸气过程压缩过程排气过程3.2压缩机螺杆式制冷压缩机的能量调节多采用滑阀调节，其基本原理是通过滑阀的移动使压缩机阳、阴转子齿间的工作容积，在齿间接触线从吸气端向排气端移动的前一段时间内，仍与吸气口相通，使部分气体回流至吸气口，即减少了螺杆有效工作长度达到能量调节的目的。

2）能量调节滑阀能量调节原理（a）全负荷位置；（b）部分负荷位置一般螺杆制冷压缩机的能量调节范围为10%～100%，且为无级调节。在能量调节过程中，其制冷量与功耗关系见图所示。从节能考虑，螺杆式制冷压缩机的负荷（即制冷量）应在50%以上的工况下运行为宜。

3.2压缩机能量调节范围与性能3.2压缩机螺杆式压缩机广泛应用于化工、石化、塑料、橡胶、纺织、食品、医药等行业工业制冷领域，商用冷柜、冷冻展示柜、制冷空调等商用制冷领域，为大型商业、办公、工业建筑提供制冷和供暖服务的集中空调系统；还可用于船舶制冷领域以及发电机组的冷却。螺杆式压缩机的应用情况涡旋式压缩机的压缩机构简图1—动盘;2—静盘;3—机体;4—防自转环;5—偏心轴;6—进气口;7—排气口涡旋式压缩机工作原理示意图1—压缩室;2—进气口;3—动盘;4—静盘;5—排气口;6—吸气室;7—排气室;8—压缩室3、涡旋式制冷机组3.2压缩机偏心滚动转子式压缩机结构示意图1—汽缸;2—转子;3—排气孔;4—排气阀;5—滑片;6—弹簧;7—吸气孔滚动转子式压缩机工作过程示意图4、滚动转子式压缩机3.2压缩机离心式压缩机是一种速度型压缩机，通过高速旋转的叶轮对气体做功，将气体的动能转换为压力能。5、离心式压缩机3.2压缩机1）结构及工作原理单级离心式压缩机简图1-机体

2-叶轮3-扩压器4-蜗壳5-主轴6-导流叶片能量调节装置2）工作特性3.2压缩机D点为设计点，离心式压缩机在此工况点运行时效率最高，偏离此点效率均要降低，偏离越远，效率降低越多。E点为最大输气量点，又称堵塞点。输气量增加至此点，离心式压缩机叶轮进口流速达到音速，输气量不可能进一步增加。S点为喘振边界点。当压缩机的流量减少至S点流量以下时，由于制冷剂通过叶轮流到的能量损失增加较大，离心式压缩机的有效能量头不断下降，这时压缩机出口以外的气态制冷剂将倒流回叶轮。3）性能调节（1）制冷量调节压缩机吸入管道上节流转动吸气口导流叶片调节改变冷凝器冷却水量3.2压缩机（2）反喘振调节离心式制冷压缩机发生喘振的主要原因是冷凝压力过高或蒸发压力过低；当调节压缩机制冷量，其负荷过小时，也会出现喘振现象。旁通调节法是反喘振调节的一种措施。当要求压缩机的制冷量减小到喘振点以下时，可从压缩机排出口引出一部分气态制冷剂不经过冷凝器而流入压缩机的吸入口。这样可以防止喘振发生。6、压缩机性能提高技术1）变频压缩机2）磁悬浮压缩机3.2压缩机压缩机的输入功率与等熵压缩功率之间的关系为：7、压缩机的耗功率耗功率是表征压缩机的能耗指标，是指将该压缩机用于制冷或热泵装置中，在给定工况下运行时所消耗的功率。对于封闭式压缩机：对于开启式压缩机：3.2压缩机7、压缩机的耗功率（1）指示效率

表征压缩机实际压缩过程偏离等熵过程的程度。（2）机械效率

指示功率与轴功率的比值，各种摩擦损失及润滑油泵功耗。（3）传动效率

电机输出功率传递到压缩机轴过程中能量损耗情况。（4）电机效率

指电机输出与输入功率之比，表征电机电能转换机械能的效率。冷凝器和蒸发器是制冷系统的基本换热设备。多采用表面式换热器，其中应用较为普遍的有壳管式、蛇管式、螺管式、翅片管式、板式等。制冷换热器结构形式的选择取决于用途、传热介质（包括制冷剂、载冷剂和冷却介质）的种类特性及流动方式。3.3冷凝器与蒸发器1、冷凝器冷凝器的作用是将系统中的热量排出到外界环境中。按照冷却介质和冷却方式的不同有：水冷式冷凝器空气冷却式冷凝器蒸发式冷凝器（1）壳管式冷凝器3.3冷凝器与蒸发器1）水冷式冷凝器（2）套管式冷凝器套管式冷凝器结构3.3冷凝器与蒸发器2）空气冷却式冷凝器（1）空气自由流动（2）空气强制流动3）蒸发式冷凝器蒸发式冷凝器结构原理2、蒸发器蒸发器也是一种换热设备，低温液态制冷剂在蒸发器内蒸发，吸收被冷却介质放出的热量，从而使温度降低，为间接换热设备。按照被冷却介质不同有：冷却液体、冷却空气3.3冷凝器与蒸发器1）冷却液体介质的蒸发器（1）满液式壳管式蒸发器卧式满液式壳管式蒸发器结构（2）干式壳管式蒸发器干式壳管式蒸发器结构（3）水箱式蒸发器直管式、螺旋管式蒸发器及其制冷剂的循环流动情况1—载冷剂容器;2—搅拌器;3—直管式(或螺旋管式)蒸发器;4—集油器;5—汽-液分离器3.3冷凝器与蒸发器（1）自由流动空气3.3冷凝器与蒸发器2）冷却空气的干式蒸发器冷却自由运动空气的干式蒸发器（2）强制流动空气1—传热管;2—肋片;3—挡板;4—通风机;5—集气管;6—分液器板式换热器可作为冷凝器，也可作为蒸发器使用。3、板式换热器3.3冷凝器与蒸发器节流机构的作用为将冷凝器或贮液器中冷凝压力下饱和或过冷液体节流降压至蒸发压力，同时可根据负荷变化调节进入蒸发器的制冷剂流量。分类为：可调节流量节流机构不可调节流量节流机构3.4节流机构1、可调节流量节流机构1）手动节流阀多用于氨制冷装置。2）浮球节流阀适用中型及大型氨制冷装置。3.4节流机构3）热力膨胀阀工作原理：通过蒸发器出口蒸气过热度的大小调整热负荷与供液量的匹配关系，以此控制节流孔的开度大小，实现蒸发器供液量随热负荷变化而改变的调节机制。内平衡式热力膨胀阀工作原理图1—阀芯;2—弹簧;3—调节杆;4—感温包3.4节流机构3）热力膨胀阀主要用于氟利昂制冷系统及中间冷却器的供液量调节。外平衡式热力膨胀阀工作原理图1—阀芯;2—弹簧;3—调节杆;4—感温包外平衡式热力膨胀阀将内平衡式热力膨胀阀膜片驱动力系中的蒸发压力p0，改为由外平衡管接头引入的蒸发器出口压力pw，以此来消除蒸发器管组内的压降∆p0所造成的膜片力系失衡，使膨胀阀失去调节能力的不利影响。3.4节流机构热力膨胀阀的选择与使用为了稳定蒸发器的工作，在确定热力膨胀阀容量时，一般应取膨，蒸发器热负荷的1.2~1.3倍。为了保证感温包采样信号的准确性，当蒸发器出口管径小于22mm时，感温包可水平安置在管的顶部；当管径大于22mm时，则应将感温包水平安装在管的下侧45°的位置，然后外包绝热材料。感温包绝不可随意安装在管的底部，也要注意避免在立管，或多个蒸发器的公共回气管上安装。外平衡式热力膨胀阀的外平衡管应接于感温包后约100mm处，接口一般位于水平管顶部，以保证调节动作的可靠性。为了使热力膨胀阀节流后的制冷剂的液体均匀地分配到蒸发器的各个管组，通常在膨胀阀的出口管和蒸发器的进口管之间设置一种分液接头。电子脉冲式膨胀阀的结构1—进液管;2—阀孔;3—阀体;4—出液管;5—丝套;6—转轴(阀芯);7—转子;8—屏蔽套;9—尾板;10—定位螺钉;11—限位器;12—定子线圈;13—导线热电膨胀阀工作原理图3.4节流机构4）电子膨胀阀热电膨胀阀和电子脉冲式膨胀阀两种。2、不可调节流量节流机构毛细管节流：流体在一定几何尺寸的管道内流动产生摩阻压降改变其流量。3.4节流机构油分离器、贮液器、热交换器、干燥器和过滤器。氟利昂制冷系统流程图1—压缩机;2—空气冷却器;3—蒸发式冷凝器;4—油分离器;5—贮液器;6—热交换器;7—热力膨胀阀;8—电磁阀;9—过滤器;10—干燥器;11—防振管;12—放气阀;13—放油阀;14—均压管1）氟利昂制冷系统3.5典型制冷系统及辅助设备1）氟利昂制冷系统3.5典型制冷系统及辅助设备1、油分离器（润滑油）在压缩机排气管设置油分离器，防止其进入蒸发器与冷凝器，影响传热系数。2、贮液器在制冷系统中有稳定流量的作用，并可贮存液态制冷剂。3、热交换器回热器是回热循环系统中高压液态制冷剂与压缩机吸入蒸气的换热设备。1）氟利昂制冷系统3.5典型制冷系统及辅助设备4、过滤器用于清除制冷剂中的固体杂质。通常装于节流装置，自动阀，压缩机，润滑油泵等设备前。5、干燥器装在氟利昂制冷系统的节流机构前，吸收制冷剂中的游离水。防止节流机构发生冰塞。3.5典型制冷系统及辅