小型制冷空调设备原理与维修

第二章

制冷原理蒸气压缩式制冷、蒸汽喷射式制冷、吸收式制冷和热电式制冷是常见的制冷方式。本章介绍这几种制冷方式的系统组成和它们的工作原理。6/5/202412.1蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷是利用低沸点的液态工质(如氟利昂等制冷剂)沸腾汽化时，从致冷空间介质中吸热来实现制冷的。这种制冷方法利用制冷剂的液－－气集态变化过程，实现定温吸热和放热，使致冷循环较为接近逆向卡诺循环，从而可提高致冷系数；又由于工质的汽化潜热一般较大，能提高单位质量工质的制冷能力。因此，这种制冷方式有广泛的应用。本节介绍单级蒸气压缩式制冷系统的基本组成、工作原理及其理论循环在制冷剂压焓图上的表示。6/5/202422.1.1基本组成如图2.1所示，蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀是蒸气工制冷系统的四个必不可少的基本部件。在小型氟里利制冷系统中，用毛细管代替节流阀。制冷剂在制冷系统中循环流动，方向如图。6/5/202432.1.1基本组成蒸气压缩式制冷系统使用的制冷剂是常压下沸点低于0℃的物质。例如氟利昂12和22（代号为R12和R22）在1个大气压下的沸点分别是－29.8℃和－40.8℃。6/5/202442.1.2工作原理1蒸发器的作用蒸发器由一组或几组盘管组成。低温液态制冷剂进入蒸发器盘管流动时，通过管壁吸收盘管周围介质(空气或水)的热量沸腾汽化(工程上简称为蒸发)，使盘管周围的介质湿度降低或保持一定的低温状态，从而达到致冷的目的。6/5/20245

图2.1

6/5/202462.1.2工作原理可见，蒸发器是让低温液态制冷剂和需要致冷的介质交换热量的换热器。因此，蒸发器盘管应置于需要致冷的空间介质中。例如，电冰箱或冷库的蒸发器放在冷藏室和冷冻室内；房间空调器的蒸发器放在空调房间的墙内侧，并作空气冷却器；生产低温水(工程上称冷水)的冷水机组的蒸发器盘管放在产生冷水的壳箱内等。6/5/202472.1.2工作原理制冷剂在蒸发器盘管内沸腾汽化时保持温度和压力不变，相应的湿度和压力称为蒸发温度和蒸发压力，分别用t0和p0表示。蒸发温度随蒸发压力的增大而升高，它们有确定的对应关系。对给定的制冷剂，利用它的饱和蒸气表或压焓图，从已知的t0可查出对应的p0，反之亦然。同时，通过控制或调节蒸发压力也就可控制或调节蒸发温度。由于蒸发温度通常都很低，因而对应的蒸发压力也不高。相对于冷凝器，制冷剂在蒸发器中牌低温低压状态。6/5/202482.1.2工作原理制冷剂在蒸发器中沸腾汽化时从致冷空间介质吸收的热量，就是制冷系统的制冷量。为了让制冷剂能被反复使用，需将从蒸发器流出的制冷剂蒸气冷凝还原为液态。冷凝器就是让气态制冷剂向环境介质放热冷凝液化的换热器。6/5/202492冷凝器的作用制冷剂蒸气在冷凝器中冷凝液化时也保持温度和压力不变，相应的湿度对压力称为冷凝温度和冷凝压力，分别用t0和p0表示。冷凝温度随冷凝压力的增大而升高，它们也有确定的对应关系，这种对应关系也可在制冷剂的饱和蒸气表或压焓图中查取。6/5/2024102冷凝器的作用从经济及方便角度考虑，用来使制冷剂冷凝的冷却介质应是常温的空气或水。利用流动空气冷却冷凝器，称为风冷。电冰箱、房间空调器等采用风冷式冷凝器。由于冷凝器要散热，所以夏季用空调器的风冷冷凝器应置于空调房间墙的外侧。利用流动水冷却冷凝器，称为水冷。家用中央空调器及移动式空调式的冷凝器多采用水冷式，流经水冷式冷凝器的水称为冷却水。对于冷水机组要注意将冷凝器用冷却水和蒸发器中生产的冷水加以区别，它们分别在各自独立的冷却水系统和冷水系统中循环流动。6/5/2024112冷凝器的作用制冷剂在冷凝器中向冷却介质排放的热量，称为冷凝器的热负荷。用空气或常温的水来使制冷剂蒸气冷凝，冷凝温度就高于蒸发温度，对应的冷凝压力也就要求高于蒸发压力。压缩机的作用就是将从蒸发器流出的低压制冷剂蒸气压缩，使蒸气的压力提高到与冷凝温度对应的冷凝压力，从而保证制冷剂蒸气能在常温下被冷凝液化。制冷剂蒸气经压缩机压缩后，温度也升高了。因此，相对于蒸发器，冷凝器中的制冷剂处于高温高压状态。6/5/2024123压缩机的作用压缩机是由电动机带动来压缩蒸气作功的，因此，压缩机的作用实质是消耗外功，迫使制冷剂将从致冷空间(低温热源)吸收的热量排放给环境(相对致冷空间为高温热源)。这与热力学第二定律的要求是一致的。2.1.3蒸气压缩制冷的理论循环6/5/2024133压缩机的作用单级蒸气压缩制冷理论循环，一般可在制冷剂的压焓图上表示如图2.2中的循环4a12bc34。它由4→a→1、1→2、2→b→c→3和3→4四个分过程组成，说明如下：6/5/2024143压缩机的作用1蒸发和吸气过热过程4→a→14→a为低温低压的液态制冷剂在蒸发器中定温(t0)、定压(p0)吸热沸腾汽化的过程，湿蒸气的干度逐渐增大，假定至蒸发器出口a处制冷剂完全汽化为干蒸气，即x=1。6/5/2024153压缩机的作用a→1为压缩机的吸气过热过程，假定它是定压(p0)的吸热过程，制冷剂蒸气的温度由t0升至压缩机的吸气温度t1，因而点1处蒸气呈稍过热状态。6/5/2024163压缩机的作用2定熵压缩过程1→21→2为压缩机的干压缩过程，假定压缩过程是定熵的，即压缩机的入口和出口处蒸气的状态点1和2位于同一条等熵线上，s2=s1。蒸气经压缩后，压力由p0升至pK，温度由t1升至压缩机排气温度t2。由图可见，t2＞tK，在压缩机出口处蒸气是过热蒸气。6/5/2024173压缩机的作用3定压冷却冷凝和过冷过程2→b→c→3压缩机排出的过热蒸气进入冷凝器后不能立即冷凝，而是先经2→b的定压(pK)冷却过程，至点b温度降到tK，才能开始冷凝。b→c为制冷剂蒸气的定温(tK)、定压(pK)放热冷凝液化过程，湿蒸气的干度逐渐减小，至点c完全液化为制冷剂饱和液，即x=0。6/5/2024183压缩机的作用c→3为制冷剂冷产液的定压(pK)、放热过冷过程，至节流装置入口点3，冷凝液温度降到过冷tG，制冷剂成为过冷液体。4绝热节流过程3→46/5/2024193压缩机的作用3→4为过冷的液态制冷剂流经节流装置的绝热节流过程。由于绝热节流前后制冷剂的焓相等，因此，节流装置入口与出口处制冷剂的状态点3和4位于同一条等焓线上，h4=hs。经节流后，制冷剂的压力和温度由pK、tK降至p0、t0，然后再进入蒸发器蒸发，得以循环制冷。由于节流过程中会有少量液态制冷剂汽化，所以节流装置出口(也是蒸发器入口)处点4的制冷剂状态为干度很低的湿蒸气民。6/5/2024202.2吸收式制冷

吸收式制冷也是液体气化法制冷的一种方式。由于它以消耗低温热能作为补偿实现制冷循环，对有余热场所热能的综合利用，以及对于太阳能的开发和应用都有重要的意义，因而近几十年发展非常迅速。6/5/2024212.2吸收式制冷

2.2.1吸收式制冷的基本组成与工作原理如图2.3所示，吸收式制冷的基本组成与压缩式制冷的区别在于：由吸收器、溶液泵、发生器和调压阀组成的系统代替了压缩机。6/5/2024222.2吸收式制冷

来自蒸发器的低温低压制冷剂蒸气进入吸收器，为吸收剂吸收；从吸收器出来的制冷剂－－吸收剂溶液由溶液泵输送至发生器，工质对在发生器中吸热升温，其中沸点低的制冷剂便大量气化和吸收剂分离，形成高压制冷剂蒸气；发生器排出的高压制冷剂蒸气通过冷凝器冷凝、节流阀减压降温，再进入蒸发器吸收冷室介质热量沸腾汽化制冷，即完成了吸收式制冷循环。6/5/2024232.2吸收式制冷

可见，吸收器、溶液泵和发生器的共同作用相当于压缩机，使制冷剂蒸气完成了由低温低压状态到高压高温状态的转变。为使工质对中的吸收剂也能循环使用，发生器中制冷剂吸热气化后所剩剂溶液，经调压阀减压降温(也是绝热节流过程)，重新返回吸收剂蒸气。于是，吸收式制冷由两个6/5/2024242.2吸收式制冷

循环－－制冷剂的逆循环与吸收剂溶液的正循环共同组成，此两循环缺一不可。6/5/202425图2.36/5/2024262.2吸收式制冷

吸收式制冷是通过工质对在发生器中吸收外界热源提供的低温热能作补偿，来实现制冷的。可综合利用其它设备排出的温度较高的热水(75℃以上)、低压水蒸汽、烟道气中的余热，或者利用地热、太阳能等作为发生器的加热能源。6/5/2024272.2吸收式制冷

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2.2.2无泵吸收式制冷原理

由于发生器的压力高于吸收器，前面介绍的吸收式制冷机采用溶液泵加压，将工质对溶液由吸收器输送到发生器。如果在结构上使吸收器高于发生器，则可在一定位差的作用下，使工质对溶液自流进入发生器；再利用热虹吸管的提升作用，又可使工质对溶液自发生器返回吸收器，这样就不需设置溶液泵，制成无泵吸收式制冷机。这种制冷机的能耗少，无运动部件，振动和噪音非常小，设备简单，制造成本较低，维修管理方便，但工质对溶液的循环量小，制冷量较小。现在小制冷量的吸收式制冷机，特别是吸收式商用家用冰箱、制冷设备，多采用无泵吸收式制冷。6/5/202429

1无泵溴化锂吸收式制冷

图2.4是无泵溴化锂吸收式制冷机的原理图。它由发生器、汽液分离器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液热交换器和热虹吸管组成。稀溶液在发生器1中被加热，产生的大量水蒸汽泡夹带着浓溶液沿热虹吸管7上升至汽液分离器2。由于空间容积突然扩大及挡水板的作用，汽泡破裂，制冷剂水蒸汽与溶液分离。分离出的高压水蒸汽进入冷凝器3冷凝成制冷剂水，经细管道节流进入蒸发器4汽化制冷。6/5/2024302.2吸收式制冷

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图2.4

6/5/2024322.2吸收式制冷

在汽液分离器中分离出来的浓溶液，在分离器与吸收器5的位差作用下，经热交换器6流入吸收器，吸收来自蒸发器的低压低温制冷剂水蒸汽而稀释。在吸收器与发生器的位差作用下，吸收器中的稀溶液经热交换器返回发生器，完成溶液的循环。6/5/202433

2扩散－－吸收式制冷

无泵吸收式制冷若采用氨－－水溶液作工质对时，由于发生器与吸收器之间压差太大，要使工质对溶液从低压的吸收器流入高压的发生器所需的位差将很大，因此造成结构上的困难。6/5/202434

2扩散－－吸收式制冷如果在系统中加入某种辅助气体，用以平衡系统的压力，则可克服上述困难。因为氢气的凝固点很低，容重又最小，且不会与氨水溶液起化学作用，因此选择氢气作为辅助气体。6/5/2024352扩散－－吸收式制冷在发生器和冷凝器中氨蒸气的压力大约为16bar(对应的冷凝温度约40℃)，而要氨液在－2～－10℃沸腾汽化，对应的蒸发压力，也就是蒸发器和吸收器中的压力约3～4bar。如在蒸发器和吸收器中加入氢气，由于混合气体的总压力等于各组成气体分压力之和，就可使吸收器的总压力与发生器的压力平衡。6/5/2024362扩散－－吸收式制冷因为氢气与氨水溶液不起化学作用，并且容易分离，因此，在蒸发器中发生的氨液沸腾汽化过程，以及在吸收器中发生的稀氨水溶液对氨蒸气的吸收过程，都只与氨蒸气的分压力有关，而与氨氢混合气体的总压力无关。这就是说，在蒸发器和吸收器中加入氢气，既可平衡系统的压力，减小制冷机结构上的困难，又不会影响氨正常的蒸发和吸收过程。6/5/202437

2扩散－－吸收式制冷

蒸发器中氨氢混合气体的气力虽很高，但氨的分压力却很低，制冷剂氨液仍可在其低分压所对应的低温下沸腾汽化制冷。液态氨在蒸发器中汽化的过程，也就是氨蒸气在氢气中的扩散过程。因此将这种制冷方式称为扩散－－吸收式制冷。图2.5是扩散－－吸收式制冷机的制冷系统原理图。它的工作流程是：6/5/202438图2.56/5/202439

2扩散－－吸收式制冷浓氨水溶液在发生器1中被热源13(例如电热丝、液化气或煤油炉等)加热，氨大量冷化形成的氨蒸气泡夹带着稀氨溶液，沿热虹吸管(或称提升管)2上升，在管出口处空间容积突然变大，使气液分离。分离出的稀氨水深液经回流管(又称下降管，位于提升管左侧)及溶液热交换器9的外套管和气液热交换器7的外套管两次降温后，由吸收器10上部入口进入吸收器向下流动，与从吸收器下部入口进入吸收器向上流动的低压氨蒸气相遇混合，吸收氨蒸汽变成浓氨水溶液进入贮液器8。6/5/202440

2扩散－－吸收式制冷由于贮液器上部的氨氢混合气体总压力较高，使浓溶液可由贮液器经溶液热交换器9的内管返回发生器1，完成的溶液的循环。6/5/2024412扩散－－吸收式制冷在热虹吸口出口处分离出的氨蒸气中不可避免含有少水蒸汽，此混合蒸汽进入分凝器3(又称精馏器)后，水蒸汽的冷凝温度较高，先凝结为水回流至发生器1。分凝后所得高纯度的高压氨蒸气则进入冷凝器4冷凝为氨液。6/5/2024422扩散－－吸收式制冷从冷凝器排出的氨液经U型液封供液管流至蒸发器5入口。U型液封可防止冷凝器中的高压氨蒸气进入蒸发器。在蒸发器入口处，氨冷凝液与来自回氢管(位于平衡管14右侧)的氢气混合进入蒸发器。蒸发器中氨氢混合气体的压力虽很高，但氨的分压力很低，氨液的其低分压下沸腾汽化制冷。可见，氢气的加入，可使氨的分压力突然降低，还起到了类似节流的作用。6/5/2024432扩散－－吸收式制冷从蒸发器流出的低温氨氢混合气体经气相热交换器6的外套管和气液热交换器7的内管，先后吸收氢气和稀溶液的热量后，流入贮液器8的上部，然后从吸收器的下部入口进入吸收器上行。其中的氨蒸气则为在吸收器中下行的稀溶液所吸收，使溶液变浓后随浓溶液流至贮液器，并经溶液热交换器返回发生器再次受热汽化为氨蒸气，完成制冷剂氨的循环。6/5/2024442扩散－－吸收式制冷

从贮液器进入吸收器的氨氢混合气体，在氨被吸收的同时，氢气却因不参与吸收过程而分离出来，并由于氢气的容重小和不断受热，将继续在吸收器中上行，再经气流热交换器7和气相热交换器6蒸发器入口与氨液混合，完成氢气的循环。6/5/2024452扩散－－吸收式制冷

平衡管14中充满了氢气，它连接在冷凝器4的出口与气相热交换器之间，而气相热交换器与蒸发器和吸收器都是相通的，这就是使得冷凝器与蒸发吸收回路之间的压力得以平衡。6/5/2024462.2吸收式制冷

设置贮氢器11，目的是在环境温度发生变化时，仍能调节平衡系统的压力，以保证制冷机的常年稳定运行。小型医疗和移动吸收式制冷设备多采用扩散－－吸收式制冷。6/5/2024472.3半导体制冷原理前两节介绍的制冷方法，都是利用制冷剂的液气集态变化来实现制冷的。本节介绍利用热电效应的反效应－－珀尔帖效应来制冷的方法，称为热电式制冷。由于在应用中，热电式制冷采用半导体材料作电偶对，对这种制冷方式，又称作半导体制冷。6/5/202448

2.3.1热电效应与珀尔帖效应1热电效应如图2.6(a)所示，将两种不同的导体连接组成闭合环路，两个连接点称为节点。若加热其中一个节点，冷却另一个节点，环路中将有电流产生。这各由于温差引起的电现象，称为热电效应。发生热电效应的两种不同导体的组合，称为电偶对。6/5/202449图2.6(a)6/5/202450图2.6(b)

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2珀尔帖效应

如图2.6(b)所示，若在电偶对组成的环路中拉入直流电源，那么其中一个节点的温度会升高，向外界放出热量；而另一节点的温度将降低，吸收外界的热量。这种与热电效应相反的电温差效应，称为珀尔帖效应。6/5/202452

3热电效应与珀尔帖效应的应用在热电效应中，热节点与冷节点间的温差越大，环路中的电流越大。若保持冷接点的温度t0不变(如将冷接点置于0℃的冰水混合物中)，则电偶对中产生的电流大小，就仅由热节点的温度t决定。如图2.7所示，在电偶对环路中拉入一电流计，此电流计的指标，就可反映热节点所处位置的温度。这就是工程上热工测量常用的热电偶温度计的测温原理。6/5/2024533热电效应与珀尔帖效应的应用反之，利用珀尔帖效应，将电偶对的冷节点置于需致冷的空间部位，就可使该处致冷；而将电偶对的热节点置于需供热的空间部位，就可向该处供热，这就是热电式制冷和热电式热泵的基本原理。6/5/202454图2.7

6/5/2024554珀尔帖效应的微观机理不同导体中自由电子的数密度大小不同，将两种不同导体相连接时，在接触处(即节点处)，自由电子将从其数密度大的导体向数密度小的导体扩散，从而在节点处出现电势差，称为接触电势差。当有电流从高电势端通过节点流向低电势端时，其减少的电势能将以热能的形式向外界释放，此节点就是向外界放热的高温节点，即热节点；当有电流从低电势端通过节点流向高电势端时，则需要以吸收热量的形式从外界补充能量来提高它的电势，此节点就成为向外界吸热的低温节点，即冷节点。6/5/2024562.3.2半导体制冷器件

金属导体的珀尔帖效应十分微弱，对制冷没有实用价值。如图2.8所示，采用P型半导体和N型半导体用铜片焊接成电偶对时，珀尔帖效应较为显著。因此，实际应用都采用半导体材料制作电偶对。6/5/2024572.3.2半导体制冷器件

一个半导体电偶对产生的致冷效应一般约为1.163W，仍然较小。如将数十个半导体电偶对的冷热两端各放在一起，串联组成热电堆，就可获得较大的制冷量。根据制冷所要求的温差，热电堆可制