蒸汽制冷机的工作原理-蒸汽制冷机

目前冷库行业常见的制冷方式分为以下几种：

1、蒸汽压缩式制冷

原理：在蒸汽压缩制冷循环系统中，压缩机从蒸发器吸入低温低压的制冷剂蒸汽，经压缩机绝热压缩成为高温高压的过热蒸汽，再压入冷凝器中定压冷却，并向冷却介质放出热量，然后冷却为过冷液态制冷剂，液态制冷剂经膨胀阀（或毛细管）绝热节流成为低压液态制冷剂，在蒸发器内蒸发吸收空调循环水（空气）中的热量，从而冷却空调循环水（空气）达到制冷的目的，流出低压的制冷剂被吸入压缩机，如此循环工作。

系统循环

焓：物质系统能量的一个状态函数。

等于工质的内能加上其体积与绝对压力的乘积。

即：H=U+pV

熵：物质系统状态的一个物理量(记为S)，它表示该状态可能出现的程度。在热力学中，是用以说明热学过程不可逆性的一个比较抽象的物理量。孤立体系中实际发生的过程必然要使它的熵增加。

等熵过程：制冷剂在压缩机中压缩是等熵过程；

等压过程：制冷剂在冷却及冷凝过程为等压过程;

等焓过程：制冷剂通过膨胀阀节流时，节流前后焓值相等;

等温过程：制冷剂在蒸发器和冷凝器中没压力损失。

制冷四大件：压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置。

压缩机

功能：把制冷剂蒸气从低压状态压缩至高压状态，创造了制冷剂在冷凝器中常温液化的条件。被称为整个装置的“心脏”。

压缩机分类：

冷凝器

功能：使压缩机排出的制冷剂过热蒸气冷却，并凝结为制冷剂液体，在冷凝器内制冷剂的热量排放给冷却介质。

分类：水冷式冷凝器、风冷式冷凝器、蒸发式冷凝器。

风冷式冷凝器：使用和安装方便，不需要冷却水、热量由分机将其带入大气中。但同样传热系数低，相对其他类型重量偏大，翅片表面会积灰是散热能力下降，须及时清理。

蒸发器

功能：依靠制冷剂液体的蒸发来吸收冷却介质热量的换热设备，它在制冷系统中的任务是对外输出冷量。

分类：满液式（沉浸式）蒸发器、干式蒸发器。

干式蒸发器：沉浸式蛇管、壳管式、板式、喷淋式等。

节流装置

功能

1、截流降压：高压常温的制冷剂液体流过膨胀阀后，就变为低压、低温的制冷剂液体。

2、控制制冷剂流量：膨胀阀通过感温包感受蒸发器出口处制冷剂过热度的变化来控制阀的开度，调节进入蒸发器的制冷剂流量，使其流量与蒸发器的热负荷相匹配。

3、控制过热度：膨胀阀具有控制蒸发器出口制冷剂过热度的功能，即保持蒸发器的传热面积的充分利用，又防止压缩机冲缸事故的发生。

分类：手动节流阀、热力膨胀阀、毛细管、电子膨胀阀、浮球板、固定孔板、可变孔板。

2、蒸汽吸收式制冷

工作流体

以制冷剂-吸收剂为工作流体，称为吸收工质对。

常用工质对：溴化锂-水（制冷剂是水）、氨-水（制冷剂是氨）-低沸点工质是制冷剂。

装置：吸收式制冷装置由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、循环泵、节流阀等部件组成，工作介质包括制取冷量的制冷剂和吸收、解吸制冷剂的吸收剂，二者组成工质对。

优点：

1、夏天需供应冷气，冬天需供应暖气的全年候空气调节地区，最适合使用吸收式系统。目前美国、日本的中央空调系统，吸收式系统的约占80%以上。

2、运转安静，可减少磨损至最小(除液体泵运转外)，故障较少、维护简单。

3、不依赖电力。

4、容量控制容易，仅需控制发生器的热源。

5、系统安全性高，无爆炸。

6、系统满载与轻载效果相同，当负载改变时，只需调节发生器热源和水循环量即可。

7、当蒸发温度及压力减低时，吸收式容量仅有限度地减少，运转稳定。

(2)缺点：

1、以水为冷媒时，无法获得低温（水冰点为0℃）。

2、操作不当时，溴化锂易生结晶。

3、蒸汽喷射式制冷

原理：由锅炉供给的压力较高的水蒸汽(称为工作蒸汽)进入主喷射器中,在拉瓦尔喷嘴中绝热膨胀，利用这一高速汽流不断从蒸发器中抽汽，在其中保持较高的真空，即较低的蒸发压力。从制冷装置来的冷水，经节流减压后进入蒸发器，其中一部分蒸发并吸收其余水的热量而使之温度降低。

降温后的冷水由泵输出，供给冷量之后反复使用。在喷射器中的工作蒸汽连同从蒸发器中抽吸的蒸汽，一起流经扩压管使压力升高到冷凝压力（仍为真空），进入冷凝器中与冷却水直接接触并凝结于冷却水中。冷凝器中的不凝性气体用一两级辅助喷射器抽除，以使冷凝器保持一定的真空度。图中的冷凝器称为混合式冷凝器。蒸汽喷射式制冷机也可使用管壳式冷凝器，这时进入冷凝器中的水蒸汽通过传热管被冷却并冷凝成水，凝结水即可用冷却水泵注入锅炉中，重复使用。

4、吸附式制冷

原理：一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用，且吸附能力随吸附剂温度的改变而不同。通过周期性地冷却和加热吸附剂，使之交替吸附和解吸。解吸时，释放出制冷剂气体，并使之冷凝为液体；吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用。

按吸附机理分类：物理吸附式制冷、化学吸附式制冷。

原理：吸附式制冷基本结构由太阳能集热器、冷凝器、储液器、蒸发器和阀门五个模块组成。吸附式制冷系统的运作机制为：在白天，集热器温度随着气温的升高而升高，制冷剂蒸发集热器中压力升高，气体进入冷凝器并冷凝、制成液体；在晚上，温度降低，吸附剂会吸收制冷剂蒸汽，蒸发器中压力降低，于是会有更多液体气化，蒸发中吸收热量降温。

5、热电制冷

热电制冷是利用热电效应(即帕尔帖效应)的一种制冷方法——又称温差电制冷、半导体制冷。

1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，在将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现一个接头变热，另一个接头变冷，即两个接头处分别发生了吸放热现象。

热电效应的大小取决于两种材料的热电势，纯金属材料的热电势很小，常用热电势较高的半导体材料来做小型热电制冷器。

陶瓷平板型一级半导体制冷组件

一对N、P热电偶产生的制冷量很小，实际的热电制冷装置是将许多热电偶组成热电堆使用。

原理：电荷载体在不同的材料中处于不同的能量级，在外电场的作用下，电荷载体从高能级的材料向低能级的材料运动时，便会释放出多余的能量。反之，电荷载体从低能级的材料向高能级的材料运动时，需从外界吸收能量。能量在不同材料的交接面以热的形式放出或吸收。

6、磁制冷、声制冷

磁制冷：基于“磁热效应”（MCE）的磁制冷是传统的蒸汽循环制冷技术的一种有希望的替代方法。在有这种效应的材料中，施加和除去一个外加磁场时磁动量的排列和随机化引起材料中温度的变化，这种变化可传递给环境空气中。

声制冷：基于所谓的热声效应，热声效应机理可以简单的描述为在声波稠密时加入热量，在声波稀疏时排出热量，则声波得到加强；反之声波稠密时排出热量，在声波稀疏时吸入热量，则声波得到削弱。当然，实际的热声理论远比这复杂的多。

压缩式制冷机的工作原理

双效三筒溴化锂制冷压缩机的工作原理如图5-24所示。机组工作时，吸收器中的稀溶液由发生泵分两路输送至高温热交换器和低温热交换器，经换热升温后，分别进入高压发生器和低压发生器。

图5-24 双效三筒溴化锂制冷压缩机的工作原理

1.冷媒水入口 2.冷媒水出口 3.蒸发器 4.冷凝水出口 5.蒸汽进口 6.高压发生器 7.冷凝器 8.冷剂水进口 9.冷却水出口 10.低压发生器 11.高温热交换器 12.低温热交换器 13.蒸发器 14.发生泵 15.吸收泵 16.冷却水进口

进入高压发生器的稀溶液被工作蒸汽加热至溶液沸腾点时，产生高温制冷剂蒸汽，导入低压发生器，对低压发生器内的稀溶液进行加热，再经节流进入冷凝器，被冷却为冷媒水。高、低压发生器产生的冷媒水经冷凝器集水盘汇合后导入蒸发器中。

加热高压发生器中稀溶液蒸汽的凝结水，经凝水回热器进入凝水管路。而高压发生器中的稀溶液因被加热蒸发成制冷剂蒸汽，使浓度升高成浓溶液，又经高温热交换器导入吸收器。低压发生器中稀溶液被加热放出制冷剂蒸汽后也成为浓溶液，再经低温热交换器进入吸收器中，两种溶液混合后成为中间浓度溶液，然后由吸收泵输送到喷淋系统，喷洒在吸收器管簇的外表面，吸收来自蒸发器的制冷剂蒸汽，再次变为稀溶液进入下一次循环。

由于冷凝器管簇内循环流动着冷却水，当高、低压发生器所产生的制冷剂蒸汽凝结在管簇外表时，被冷却水吸取其热量。凝结后的冷媒水经节流装置喷淋在蒸发器管簇的外表面，在蒸发器内压力的影响下，部分冷媒水蒸发吸收冷媒水的热量，产生部分制冷效应。而尚未蒸发的大部分冷媒水，由蒸发泵喷淋在蒸发器管簇的外表面，吸收通过管簇内流径的冷媒水的热量，使冷媒水的温度降低，从而达到制冷的目的。

溴化锂吸收式制冷压缩机组是以水为制冷剂，溴化锂作为吸收剂，采用热水或蒸汽为热源而实现制冷的，因此它特别适应有余热可利用的场所。

为什么蒸气式压缩机制冷效率可以超过1

各种制冷机的工作原理有其共同之点，也有不同之点。 由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构和一些辅助设备组成。这类制冷机的制冷剂在常温和普通低温下能够液化，在制冷机的工作过程中制冷剂周期性地冷凝和蒸发。常用的蒸气压缩式制冷机有单级的、两级的和复叠式3种。

① 单级蒸气压缩式制冷机:制冷剂从蒸发压力提高到冷凝压力只经过一级压缩的蒸气压缩式制冷机，简称单级制冷机。单级制冷机由压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器等组成(图2)。由压缩机排出的高压蒸气经冷凝器放出热量而冷凝成液体。接着，液体制冷剂经节流阀（膨胀阀）节流，压力和温度同时降低,进入蒸发器中,吸取载冷剂（用它去再冷却被冷却物体）的热量而蒸发成蒸气。然后，蒸气进入压缩机继续压缩，如此循环不已。为提高经济性，有的单级制冷机还在冷凝器后设置过冷器和回热器。单级制冷机的蒸发温度通常在-30～5℃之间。

② 两级蒸气压缩式制冷机:制冷剂从蒸发压力提高到冷凝压力需要经过两级压缩的蒸气制冷机(图3) 。它比单级制冷机多一台压缩机、一台中间冷却器和节流阀。经高压压缩机压缩后的制冷剂蒸气，在冷凝器中冷凝成液体，然后分成两路：一路经节流阀A进入中间冷凝器,冷却低压压缩机的排气和盘管中的液体，在中间冷凝器中蒸发的制冷剂蒸气连同低压压缩机的排气一同进入高压压缩机继续压缩;另一路在盘管内被冷却并经过节流阀B节流至蒸发压力，进入蒸发器中蒸发制冷，蒸发后的蒸气进入低压压缩机压缩至中间压力，进入中间冷凝器。与单级制冷机相比，两级制冷机可达到较低的蒸发温度,通常在-30～-70℃之间。

③ 复叠式制冷机:用不同制冷剂作为工作介质的两台(或数台)单级或两级压缩蒸气压缩式制冷机，用冷凝蒸发器联系起来的复合制冷机。冷凝蒸发器是一个利用高温级制冷剂的蒸发来冷凝低温级制冷剂的换热器。复叠式制冷机能达到很低的蒸发温度。图4为两个单级制冷机组成的复叠式制冷机的工作原理。它的高温级由高温级压缩机、冷凝器、节流阀和冷凝蒸发器组成；低温级由低温级压缩机、冷凝蒸发器、回热器、节流阀和蒸发器组成。高温级和低温级各为一台单级制冷机。冷凝蒸发器将高温级与低温级联系起来:对高温级来说,它是蒸发器;对低温级来说,它是冷凝器。冷凝蒸发器使低温级的放热量转变为高温级的制冷量。在低温级中，通常使用沸点较低的制冷剂（如R13），停机后制冷剂将全部气化,并导致压力过分升高。为了防止这一现象，通常在低温级系统中装设一个平衡容器。

用两台单级制冷机复叠时，低温级的蒸发温度一般为-40～-80℃。一台单级制冷机与一台两级制冷机复叠时，蒸发温度可低达-110℃；若用三元（例如R22、R13和R14）复叠，蒸发温度可低达-140℃。 蒸气压缩式制冷机的主要设备包括压缩机、冷凝器、蒸发器、冷凝蒸发器和节流机构。

压缩机制冷压缩机有往复式、离心式和螺杆式等型式。制冷压缩机的工作原理和总体结构与其他用途的压缩机基本相同，但根据制冷机的要求在结构上有如下特点：①密封要求高，不允许向内和向外泄漏。因此大、中型制冷压缩机在主轴伸出机体处均设有轴封，小型制冷压缩机则做成半封闭式或全封闭式。半封闭式压缩机通常是将机体与电动机的机壳做成一体，或将两者用法兰连接。全封闭式还只限于小型往复压缩机和滚动转子压缩机，用一个密封的钢罩壳把压缩机与电动机封闭起来，一般不进行拆修。②氟利昂能溶于润滑油中，故常在曲轴箱的油池中装有加热器。有些螺杆压缩机和滚动转子压缩机用喷油法来实现机内密封和冷却，除喷油装置外还设有高效率的油分离器。③压缩机吸入的是饱和蒸气。氨气容易带液，故往复氨压缩机设有防止液击的安全盖。④多级压缩时各级的流量不相同，故多级离心压缩机和螺杆压缩机大多设有中间补气系统，再配以省功器，借以提高制冷机的运转经济性。

冷凝器靠环境介质带走制冷剂的热量，制冷剂在其中被冷却并冷凝成液体。冷凝器分为水冷式和空气冷却式两种。①水冷式冷凝器是应用最广的一类冷凝器，用于中、大型制冷机中。水冷式冷凝器有:壳管式,制冷剂在管外冷凝（见管壳式换热器）；套管式，制冷剂在管腔中冷凝（见套管式换热器）；喷淋式，制冷剂在管内冷凝（见蛇管式换热器）；蒸发式，制冷剂在管内冷凝，管外用水喷淋，并有空气吹过管子表面。壳管式结构较紧凑，传热效果较好，应用较为广泛。用于氟利昂制冷机的壳管式冷凝器，因氟利昂冷凝时的放热系数较小，常在管外设有翅片，以强化传热。②空气冷却式冷凝器多用于小型氟利昂制冷机中，分为空气强迫对流式（风扇鼓风）和自然对流式两种，前者的传热效果较好。空气冷却式冷凝器均做成蛇管式,制冷剂在管内冷凝,而且在管外设有翅片。

蒸发器依靠制冷剂的蒸发直接或间接（通过载冷剂）吸取被冷却物体的热量。蒸发器可分为：冷却液体的蒸发器，用于间接冷却；冷却空气的蒸发器，用于直接冷却。冷却液体的蒸发器用来冷却载冷剂，常用的有：管壳式，制冷剂在管外蒸发；沉浸式，制冷剂在管内蒸发；干式蒸发器等。用于氟利昂制冷机的管壳式蒸发器一般在管外也设有翅片，以强化传热。干式蒸发器的结构与管壳式相似，但制冷剂在管内蒸发，可使用光管或内翅片管，传热效果好。冷却空气的蒸发器常制成蛇管式,管外套有翅片,空气在管外强制流动，制冷剂在管内蒸发。这种蒸发器与鼓风机的组合称为空气冷却器。此外，在冷藏装置（见制冷装置）中常使用空气自由对流的蛇管式蒸发器，即冷却排管。 只用于复叠式制冷机中。它依靠高温级中制冷剂的蒸发使低温级中的制冷剂蒸气冷凝，它既是高温级的蒸发器，又是低温级的冷凝器。冷凝蒸发器有套管式、绕管式和管壳式等，均采用管内蒸发、管外冷凝的方式。

节流机构把制冷剂液体从冷凝压力降低到蒸发压力的控制机构，它能同时控制供液量。节流机构有节流阀、浮球调节阀、热力膨胀阀、毛细管和节流孔板等。

① 节流阀:它是手动操作的控制阀门，转动手轮可改变阀的通道截面，控制供液量，常用于较大型的制冷机中。

② 浮球阀:一种自动控制阀门。它靠蒸发器或中间冷却器中制冷剂液面的变化，通过浮球和传动机构的动作改变阀门的通道截面，只用于氨制冷机中。

③ 热力膨胀阀:一种依靠蒸发器出口制冷剂蒸气的过热度来改变通道截面的自动控制阀门(图5)。热力膨胀阀装在蒸发器的进口,感温包设在蒸发器出口管上。感温包中充有感温工质（制冷剂或其他气体、液体）。当蒸发器的供液量偏小时，蒸发器出口蒸气的过热度增大，感温工质的温度和压力升高，通过顶杆将阀芯向下压，阀门开度变大，供液量增多；反之，当供液量偏大时，蒸发器出口蒸气过热度变小，阀门通道便自动变小，供液量随之减少。水推动阀门下方的调整杆，可以调整蒸气的过热度。热力膨胀阀大多用于氟利昂制冷机中。

④ 毛细管:也称节流管，通常为长0.1～2米、内径1～3毫米的细长铜管，用于小型冰箱和空气调节设备中。

⑤ 节流孔板:用于某些离心式制冷机中，分为单孔板和多孔板（几个孔板串联工作）等。孔板的流通截面不能调节，仅适用于工况较稳定的制冷机。 压缩式制冷机的主要性能指标是工作温度（冷凝温度和蒸发温度）、制冷量、功率和制冷系数。压缩式制冷机的制冷量和功率主要取决于压缩机的结构尺寸和转速，同时也随工作温度而变。表为各种压缩式制冷机的特点和应用。

蒸汽喷射式制冷机的工作原理

蒸汽压缩式制冷是使用制冷剂，在压缩机、冷凝器等电力设备当中使用，从而起到制冷或是制热的功效。 蒸汽压缩式制冷原理是什么? 蒸汽压缩式制冷具有什么特点呢?不少人都不是很清楚，下面就这两个方面一起来探寻一下吧。

当压缩机在进行工作的时候，会对进入压缩机的制冷剂气体进行压缩，经过压缩之后，低压会变成高压的状况，而气体此时会因为压缩而温度提升，进入冷凝器内对压缩机排出的高温高压气态制冷剂进行冷却，使其放热。在温度和压力之下，气态的制冷剂会变成高压业态制冷剂，放出来的热量会起到冷却的作用。高压业态制冷剂进入节流膨胀阀进行节流膨胀，压力降低以保证冷凝器与蒸发器之间的压差，便于节流后的低压液态制冷剂在要求的低压下进人蒸发器。低压液体从周围介质吸收热量后蒸发为气体，而这周围介质可以是空气、水或其他物质。制冷剂蒸发吸热，呈低压气态后再进入压缩机内进行压缩，从而完成了一个制冷循环，如此连续进行不断的循环而达到制冷的目的。

蒸汽压缩式制冷具有多方面的特点，第一是制冷温度范围是比较大的，在零下150度的温度下都可以正常来使用。第二单机的容量大，规格多，有多个容量，用户在具体挑选的时候，可以根据自身的需求来挑选，能满足个性化的需求。第三中小容量的设备结构比较紧凑，能在空调、食品冷藏等领域当中使用。在外界环境温度比较低的状况下，综合性能会变得不太理想，所以说可靠性并不是很高，成本也会随着增加不少。设备运行需要使用专门的制冷剂，而有的制冷剂会对环境造成一定的污染。

利用蒸汽制冷代替电空调的具体过程和原理是什么呢？

由锅炉供给的压力较高的水蒸汽(称为工作蒸汽)进入主喷射器中,在拉瓦尔喷嘴（见拉瓦尔喷管）中绝热膨胀，利用这一高速汽流不断从蒸发器中抽汽，在其中保持较高的真空，即较低的蒸发压力。从制冷装置（例如空气调节设备）来的冷水，经节流减压后进入蒸发器，其中一部分蒸发并吸收其余水的热量而使之温度降低。降温后的冷水由泵输出，供给冷量之后反复使用。在喷射器中的工作蒸汽连同从蒸发器中抽吸的蒸汽，一起流经扩压管使压力升高到冷凝压力（仍为真空），进入冷凝器中与冷却水直接接触并凝结于冷却水中。冷凝器中的不凝性气体用一两级辅助喷射器抽除，以使冷凝器保持一定的真空度。图中的冷凝器称为混合式冷凝器。蒸汽喷射式制冷机也可使用管壳式冷凝器(见管壳式换热器)，这时进入冷凝器中的水蒸汽通过传热管被冷却并冷凝成水，凝结水即可用冷却水泵注入锅炉中，重复使用。

溴化锂吸收式制冷的工作原理

在溴化锂吸收式制冷中，水作为制冷剂，溴化锂作为吸收剂。　由于溴化锂水溶液本身沸点很高，极难挥发，所以可认为溴化锂饱和溶液液面上的蒸汽为纯水蒸汽；在一定温度下，溴化锂水溶液液面上的水蒸气饱和分压力小于纯水的饱和分压力;而且浓度越高，液面上的水蒸气饱和分压力越小。所以在相同的温度条件下，溴化锂水溶液浓度越大，其吸收水分的能力就越强。这也就是通常采用溴化锂作为吸收剂，水作为制冷剂的原因。　溴化锂吸收式制冷机主要由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、换热器、循环泵等几部分组成。　在溴化锂吸收式制冷机运行过程中，当溴化锂水溶液在发生器内受到热媒水的加热后，溶液中的水不断汽化；随着水的不断汽化，发生器内的溴化锂水溶液浓度不断升高，进入吸收器；水蒸气进入冷凝器，被冷凝器内的冷却水降温后凝结，成为高压低温的液态水；当冷凝器内的水通过节流阀进入蒸发器时，急速膨胀而汽化，并在汽化过程中大量吸收蒸发器内冷媒水的热量，从而达到降温制冷的目的；在此过程中，低温水蒸气进入吸收器，被吸收器内的溴化锂水溶液吸收，溶液浓度逐步降低，再由循环泵送回发生器，完成整个循环。如此循环不息，连续制取冷量。由于溴化锂稀溶液在吸收器内已被冷却，温度较低，为了节省加热稀溶液的热量，提高整个装置的热效率，在系统中增加了一个换热器，让发生器流出的高温浓溶液与吸收器流出的低温稀溶液进行热交换，提高稀溶液进入发生器的温度。编辑本段溴化锂吸收式制冷机的主要特点

优点

1、利用热能为动力，特别是可利用低位势热能（太阳能、余热、废热等）；　2、整个机组除了功率较小的屏蔽泵之外，无其他运动部件，运转安静；　3、以溴化锂水溶液为工质，无臭、无毒、无害，有利于满足环保的要求；　4、制冷机在真空状态下运行，无高压爆炸危险，安全可靠；　5、制冷量调节范围广，可在较宽的负荷内进行制冷量五级调节；　6、对外界条件变化的适应性强，可在一定的热媒水进口温度、冷媒水出口温度和冷却水温度范围内稳定运转。

缺点

1、溴化锂水溶液对一般金属有较强的腐蚀性，这不仅影响机组的正常运行，而且还会影响机组的寿命；　2、溴化锂吸收式制冷主机的气密性要求高，即使漏进微量的空气也会影响机组的性能，这就对机组制造提出严格的要求；　3、浓度过高或者温度过低时，溴化锂水溶液均容易形成结晶，因此防止结晶是溴化锂主机在设计和运行中必须注意的重要问题。