压缩式制冷原理及设备

一、压缩式制冷原理及设备

（一）制冷剂

制冷剂是用来实现制冷效果的工作物质，它在冷凝器中放出热量变成液态，在蒸发器里吸收热量变为气态，通过制冷剂周而复始的状态变化，不断吸收被冷却物体的热量，实现热量的转移，达到制冷的目的。制冷剂在制冷过程中发生的状态变化是物理变化，没有化学变化，所以只要制冷系统没有泄露，制冷剂将可以长期循环使用。

制冷设备的种类、结构不同，对制冷剂的要求也不同。常用的制冷剂有：

1.氨（NH3）（R-717）

氨是最早的一种制冷剂，在人工制冷中，已使用了100多年，它在标准状态下，沸点为-33.4℃。氨气比空气轻，约为空气的1/2，有良好的热力学性能，单位容积制冷能力大，价格便宜，现在大、中型制冷设备应用较多。

氨蒸气有强烈的刺激性臭味，对人体有毒性。当氨气和空气混合达到一定比例时，有爆炸的危险，此外，氨对铜及铜合金有强烈的腐蚀作用。

2.氟利昂12（R-12）

氟利昂12，在标准状态下，沸点为-29.8℃，它是无色无味无毒的气体，比空气重4.18倍，它不会爆炸，也不会燃烧，被广泛用于电冰箱、冷柜等厨用中、小型制冷设备中。氟利昂12不含水时，对所有金属都无腐蚀作用，但含水时，会对金属有较强的腐蚀作用，还可能使制冷设备产生“冻堵”故障，所以通常要求其含水量不得大于0.0025%（以质量比记）。

氟利昂12的渗透能力极强，金属中的微孔或管路接头不严密处都会产生泄露，因此，对制冷系统的铸造质量及接头的密封性能要求严格。

氟利昂12与氨相比，单位容积制冷能力小，导热系数低，而且对人类生存环境产生较大危害，因为氟利昂12中含氯（以及溴）物质在大气中上升到臭氧层时，受到紫外线激发分解出氯离子与臭氧结合成氯的氧化物，从而破坏臭氧层，导致地球表面受紫外线辐射增加，造成皮肤癌患者人数增多，并加剧地球温室效应，因此，国际上于2000年禁止使用，选用对臭氧无破坏作用的替代制冷剂如R-134a和R-152a混合物、R600a等。

3.氟利昂22（R-22）

氟利昂22在标准状态下，沸点为-40℃，常态下是无色无味无毒的气体，不燃不爆，单位制冷能力比R-12大，无水时对金属不腐蚀。在环保方面，R-22对臭氧层破坏能力比R-12小得多，国际上把它列为过渡介质，在今后50年内允许使用。

4.R-134a制冷剂

R-134a是一种新型环保制冷剂，具有无毒、无色、不燃不爆、热稳定性好等性质，更重要的是R-134a不损害臭氧层。其化学名为1，1，2，2-四氟乙烷，分子组成：CH₂FCF₃。

R-134a的沸点在一个标准大气压下为-26.1℃，冰点为-103.0℃，临界温度101.1℃，临界压力4 060kPa，25℃下液体的密度为1206kg/m³，沸点下饱和蒸汽的密度为5.25kg/m³，热导率，25℃下液体的为0.0824w/mk，气体在一个标准大气压下为0.0145w/mk，25℃下液体的黏度为0.202mpa＊s，自燃温度为770℃。其蒸发潜热在0℃为198.44kJ/kg，稍大于R12（152.51kJ/kg）。

R134a之所以用来替代R12，是因为其热力性质与R12相似以及其低毒性，使之成为一种非常有效和安全的替代品。HFC-134a主要用在汽车空调、家用电器、小型固定制冷设备、超级市场的中温制冷、工商业的制冷机。

【小资料4-1】

所谓的无氟制冷剂

很多人，都喜欢把用R134a做制冷剂叫做无氟。但是实际上它的制冷剂就是氟利昂HFC R134a，所以不能叫无氟。氟利昂是饱和碳氢化合物被卤族元素替代的衍生物，也叫卤代烃物质。这个“烃”就是取碳和氢的字的各一半。表示碳氢化合物。人们把含氯而不含氢的氟利昂制冷剂叫做CFC，象R12（CF₂Cl₂）、R11（CFCl₃）等。这些制冷剂对臭氧层的破坏作用最严重。把含氯又含氢的氟利昂制冷剂叫做HCFC，如R22（HCF₂Cl）。这种制冷剂对臭氧的破坏破坏作用较弱。把含氟而无氯的氟利昂制冷剂叫做HFC，如R134a。这种制冷剂对臭氧无破坏作用，所以也叫环保制冷剂。

正因为它是环保制冷剂，很多人就误以为它是无氟制冷剂。实际上对臭氧破坏的元凶是氯而不是氟。不含氯的氟利昂制冷剂还是允许使用的。真正的环保是制冷剂和发泡材料都不含氯的。只要不含氯的即使是氟利昂制冷剂的也是环保的。

（二）蒸气压缩式制冷原理

蒸气压缩式制冷实际利用的就是液体蒸发吸热的原理，一种液体不断蒸发，就能从周围环境不断吸收热量，使周围环境的温度降低。制冷设备利用在低温下就能沸腾汽化的物质，比如氨（液态氨，沸点为-33.4℃），氟利昂12（沸点为-29.8℃）等常压下的低沸点物质，在低温下沸腾汽化，吸收大量热量实现零下几度或几十度低温，这些低沸点物质即是制冷剂。

制冷剂若只实现一次从液态到气态的状态变化，这种制冷是没有实用价值的，随着制冷剂逐渐气化消耗完，环境的温度又将重新升高。如果将制冷过程放在一个密封的循环系统内完成，即将蒸发后的制冷剂气体回收并再次液化，液化后又在系统内继续蒸发制冷，这样就构成一个制冷循环。在蒸气压缩式制冷系统中，制冷剂从某一状态开始，经过各种状态变化，又回到初始状态，在这种周而复始的变化过程中，每一次都消耗一定机械功而从低温物体中吸热，并将此热转移至高温物体。这种一面改变制冷剂状态，一面完成制冷作用的全过程被称为制冷循环。

如图4-1是最简单的压缩式制冷循环原理，它由压缩机、冷凝器、膨胀阀（毛细管）、蒸发器四个部分组成，并用管子将四部分连通。

图4-1　压缩式制冷循环原理图

1—压缩机；2—冷凝器；3—毛细管；4—蒸发器

整个系统是全封闭的，系统内注入一定量的制冷剂。工作时，压缩机的活塞往复运动。当活塞向右运动时，吸气阀打开，排气阀关闭，将蒸发器内低温低压的气态制冷剂通过吸气管吸入气缸；当活塞向左运动时，吸气阀关闭，排气阀打开，在气缸内被压缩成的高温高压气态制冷剂，通过排气管，进入冷凝器。在冷凝器内，高温高压的气态制冷剂向温度较低的周围环境（水或空气）散发热量。由于制冷剂蒸气放热而冷却成接近室温的高压液态制冷剂，这种液态制冷剂通过膨胀阀（毛细管）的膨胀作用，使液体的压力迅速下降。由于压缩机的作用，蒸发器内气压很低，从膨胀阀（毛细管）进入蒸发器的液态制冷剂即迅速强烈沸腾气化，从周围环境大量吸收热量，变成低温低压气态制冷剂，然后再由压缩机吸入气缸，周而复始形成制冷循环。通过制冷循环，可以把某物和某一空间的热量不断传递到环境介质（水或空气）中去，从而达到并维持某物和某一空间的温度低于环境温度，实现制冷效果。环境介质（水或空气）就是高温物体，某物和某一空间就是冷加工设备中被冷却的物体和设备内的有效冷藏空间。

（二）压缩式制冷系统的主要设备

压缩式制冷系统的主要设备由压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器等组成。

1.压缩机

压缩机是制冷系统的心脏。它由电动机带动，通过机械做功来增加管道内气态制冷剂的压力，使它通过冷凝器后转化为液态，并在密闭的制冷系统中流动，完成制冷循环。厨用冷加工设备中主要使用的是全封闭压缩机。

所谓全封闭压缩机，就是将压缩机与电动机共同装在一个封闭的壳体内，壳体是由上、下两部分焊接而成，不能拆卸。在壳体上焊有排气管、吸气管和一根用于抽空或补充制冷剂用的细铜管。这种压缩机具有结构紧凑、体积较小、重量较轻、震动小、噪声低以及不泄漏等优点。小型压缩机从运动机构区分，有往复活塞式和旋转式。我国生产的厨用冷加工设备大多采用的往复活塞式，旋转式使用较少。

2.冷凝器

在制冷系统中，冷凝器是一个制冷剂向系统外放热的热交换器。从压缩机来的高温高压的气态制冷剂进入冷凝器后，将热量传递给周围介质——水或空气，而其自身因受冷却凝结为液体。

冷凝器按其冷却方式分为三种类型：水冷式、空气冷却式和蒸发式。在厨用冷加工设备中，一般采用的是空气冷却式冷凝器，制冷剂放出的热量被空气带走。常用冷凝器结构形式如图4-2所示。

（a）百叶窗式

（b）丝管式

（c）内藏式

（d）翅片盘管式

图4-2　常见冷凝器结构形式

1—散热片；2—冷凝管；3—散热用钢丝；4—制冷剂管；5—散热片；6—散热翅片；7—制冷剂管

3.蒸发器

在制冷系统中，蒸发器是一个从系统外吸热的热交换器。在蒸发器中，制冷剂液体在较低温度下沸腾，转变为蒸气。同时，通过传热间壁吸收被冷却介质的热量而使其温度降低。蒸发器在降低空气温度的同时，将空气中的水分凝结出来，这就是霜。

根据被冷却介质的种类和状态（空气、水、其他液体等），为获得良好的传热效果，蒸发器被设计成各式各样。按照被冷却介质的特性，蒸发器可分为冷却液体载冷剂和冷却空气载冷剂。厨用冷加工设备中使用的是冷却空气载冷剂的蒸发器，即制冷剂全部在制冷系统管内流动，空气在管外流动。常用蒸发器的结构形式如图4-3所示。

（a）吹胀式

（b）管板式

（c）翘片式

图4-3　常见蒸发器结构形式

4.节流装置

制冷中的节流是指液态的制冷剂通过管道中特设的“狭孔”（即膨胀阀或毛细管）时压力降低而发生膨胀的过程。调整节流孔的大小，就控制制冷剂进入蒸发器流量的多少，直接关系到蒸发器的工作状态和制冷设备的制冷效率。在厨用冷加工设备中，通常使用毛细管作为节流装置。

毛细管是一根孔径很小（内径0.6～2mm，外径2～3mm），长度在1～5m之间的细长的紫铜管。由于毛细管的孔径很小，制冷剂在里面流动的阻力很大，起到节流和降压的作用。毛细管具有结构简单，无运动零件，不易发生故障，不需调节等特点，在小型制冷设备中应用广泛。

【小思考】

当制冷剂中混有水时，制冷系统容易发生冰堵最可能的位置是什么地方？

（三）压缩式制冷系统的辅助器件

为了确保制冷系统能够经济而高效地安全运转，在压缩式制冷装置中，还包括一些辅助器件。对于厨用冷加工设备而言，辅助器件主要有电磁阀、干燥过滤器和温度控制器。

1.电磁阀

电磁阀是用电产生的磁力来控制阀门的开与关，控制制冷系统供液管路的自动接通和切断。小型冷藏设备中多使用直接式电磁阀。

电磁阀一般安装在毛细管和冷凝器之间，位置尽量靠近毛细管，因为毛细管只是一个节流器具，本身不能关严，而电磁阀可以关严，可以切断供液管路。电磁阀和压缩机同时开动和停止，压缩机停机后，电磁阀立即关闭，停止供液，从而避免压缩机停机后大量制冷剂液体进入蒸发器中，造成再次开机时，压缩机发生液体冲缸故障。

2.干燥过滤器

干燥过滤器装在冷凝器的出口端，它的作用是在制冷剂进入毛细管前对其进行过滤，除去制冷剂中的水分和固体杂质，一方面避免水分的存在导致的冰堵和管路的腐蚀，同时也避免固体杂质导致的脏堵或进入压缩机汽缸造成事故。

干燥过滤器的结构如图4-4所示，它由外壳、过滤网和干燥剂等组成。过滤网由黄铜丝网制成，网孔的大小约0.20mm，常用的干燥剂有分子筛、硅胶等。

图4-4　干燥过滤器

1—管子；2—干燥剂；3—圆筒；4—过滤网

3.温度控制器

温度控制器简称温控器，它的作用是自动控制电冰箱压缩机的开与停，即在电冰箱内温度降低到预定值后，自动停止压缩机；电冰箱温度重新升高时，又自动启动压缩机制冷，以使电冰箱内的温度保持在一定范围内。

温控器的种类较多，常用的有压力式温控器（感温泡）和热敏电阻式两种。此外，也有采用自动风门，调节进入冷风的风量而实现温度控制。图4-5为压力式温控器结构，感温元件通常做成管状（感温管），里面充有感温剂。电冰箱蒸发器内温度变化时，感温管内的压力随之升降变化，膜盒上的金属膜片随压力的变化而产生伸缩位移，推动开关机构切断或接通压缩机的电源。主弹簧的拉力用来和膜片的压力相平衡。当蒸发器温度降低，感温剂产生的压力小于弹簧力时，电触点臂下端借弹簧力的作用向右移动，使触点断开，压缩机随即停机。压缩机停机后，蒸发器的温度将逐渐上升，致使感温剂产生的压力也相应升高。当此压力大于弹簧力时，传动膜片向外伸胀，推动触点臂下端向左移动，使触点重新闭合，压缩机启动而开始制冷，使蒸发器的温度又逐渐下降。如此周而复始地工作，即可达到控制电冰箱内温度的目的。

图4-5　压力式温控器

1—接线端；2—膜片；3—弹簧；4—温度范围调节螺钉；

5—温差调节螺钉；6—接线端；7—动触点；8—静触点；

9—温度调节凸轮；10—蒸发器；11—感温管；12—膜盒