蒸气压缩制冷原理解析

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：在人工制冷技术中，蒸气压缩式制冷技术是应用最为普遍的制冷技术之一。因此，本节就主要结合R12制冷剂分析介绍蒸气压缩式制冷系统的基本组成及工作原理。高温高压的R12蒸气经高压管送入冷凝器内。综上所述，R12制冷剂在蒸气压缩式制冷循环过程中，总是周而复始地发生着相态变化。

在人工制冷技术中，蒸气压缩式制冷技术是应用最为普遍的制冷技术之一。它主要是利用压缩机所做的机械功使制冷剂进行气液化循环而达到制冷的目的。其最大优点是制冷系统简洁，且省功、效率高。在初期的制冷系统中所用工质主要是氟利昂R12。因此，本节就主要结合R12制冷剂分析介绍蒸气压缩式制冷系统的基本组成及工作原理。

1.蒸气压缩式制冷循环系统的基本组成

蒸气压缩式制冷循环系统主要是能够使氟利昂R12制冷剂在系统中不断地循环流动。这个系统则由制冷压缩机、冷凝器、节流阀（干燥过滤器和毛细管）、蒸发器四个基础部分组成，且这个系统是一个严格密封的循环系统。其基本结构组成如图1-10所示。部分工件的实物组装如图1-11所示。

图1-10 蒸气压缩式制冷循环系统基本结构组成

（1）制冷压缩机的作用

制冷压缩机是蒸气压缩式制冷循环系统的心脏。它的作用是将R12制冷剂由低温低压变换为高温高压。在正常工作时，制冷压缩机内部电动机的旋转运动转换为活塞在气缸内的往复运动，进而将蒸发器中吸热汽化后的低温低压R12蒸气吸入，并压缩成为高温高压的R12蒸气，然后通过高压输出管路送入冷凝器中放热冷凝。如此往复运动，便使R12在制冷系统中形成循环流动。

（2）冷凝器的作用

冷凝器的作用是将高温高压的R12蒸气的热量传送到周围的空气中，并将高温高压的R12蒸气凝结成中温中压的R12液体。因此，冷凝器是制冷循环系统中的一个重要的热交换部件。其基本结构见图1-10。

图1-11 蒸气压缩式制冷循环系统中部分工件实物组装图

注：该图片在容声BCO-203A型电冰箱中拍摄，仅供参考。

在制冷循环过程中，由于压缩机连续不断地工作，将高温高压R12蒸气不断送入冷凝器，因此，虽然经冷凝的R12蒸气温度降低，并凝结成为液体，但在冷凝器中的压力仍会保持在12kg/cm²左右，与蒸气压力保持不变。

（3）毛细管（节流阀）的作用

毛细管（节流阀）的作用是将冷凝器输出的中温中压R12液体节流降压成低温低压R12液体。因此，毛细管是制冷循环系统中的节流降压部件。其基本结构见图1-10。

在制冷系统中，节流阀一方面使得冷凝器内保持一定的高压，以保证气态R12制冷剂在室温下冷凝液化；另一方面又使得蒸发器内保持一定的低压，以便液态的R12制冷剂在蒸发器内吸热沸腾产生汽化。在毛细管的输入端常设置一个干燥过滤器，以使低温低压R12液体中不存在杂质及水分。其实物结构见图1-11。

图1-12 压缩机供电接口电路原理示意图

注：该图依容声BCD-203A型电冰箱绘制，仅供参考。

（4）蒸发器的作用

蒸发器的作用是将毛细管输出的低温低压R12液体蒸发为低温低压的R12蒸气，并送入压缩机。因此，蒸发器是制冷循环系统中的另一个重要的热交换器件。其结构示意图见图1-10。

在制冷系统中，由于蒸发器内的压力很低，使得进入蒸发器的R12液体能够吸收周围空气的热量，并沸腾汽化为压力较低的R12蒸气，从而实现制冷的目的。在制冷系统正常工作的情况下，蒸发器内的压力一般为0.5kg/cm²左右。

2.蒸气压缩式制冷循环过程的工作原理

在图1-10中，压缩机和冷凝器、蒸发器等组成了蒸气压缩式制冷循环系统。在这个系统中，主要是由压缩机驱动R12进行循环流动，进而达到制冷的目的。在制冷系统中，R12随压焓变化而有不同的气液状态。

（1）制冷循环工作原理

在图1-10中，当压缩机从低压管吸入由蒸发器输出的低温低压R12蒸气时，在压缩机中气缸内活塞往复运动的情况下，便被压缩成高温高压的R12蒸气，并进入高压管。高温高压的R12蒸气经高压管送入冷凝器内。由于冷凝器的结构具有良好的散热性，故高温高压的R12蒸气就通过冷凝器散发出大量的热量，并将热量扩散到周围的空气中。因此，在正常工作时，冷凝器的表面是发热的。但在冷凝器内部，由于R12蒸气压力高达12kg/cm²左右，因此，在室温下R12蒸气就可以凝结成中温高压的R12液体，并通过干燥过滤器流入毛细管。毛细管的内径很细，对于R12液体而言，就显得通道十分狭小，阻力很大，因而对流入毛细管中的R12高压液体就起到了节流降压的作用，故就又将毛细管称为节流阀。

在制冷循环系统中，由于毛细管和低压管离得很近，因而毛细管就构成了比较理想的热交换器，使通过干燥过滤器的R12液体流过毛细管时进一步降温降压形成低温低压的R12液体，并进入蒸发器内部。

蒸发器是由管径较大的管路制成的，且管路内的压力很低。当由毛细管送入的低温低压R12液体流入蒸发器时，便因不断地吸收热量而汽化成低温低压的R12蒸气，并经低压管路带走流过毛细管的低压液体的热量后，送入压缩机。经压缩机压缩后又从高压管输出高温高压R12蒸气，并再次送入冷凝器。如此周而复始，便实现了制冷循环。因而利用蒸发器对R12的汽化作用，在蒸发器周围空间内就达到了制冷的目的。

综上所述，R12制冷剂在蒸气压缩式制冷循环过程中，总是周而复始地发生着相态变化。其变化过程中的主要特点如下：

1）状态变化。如在蒸发器中由液态变为气态，此时吸收周围空间的热量；而在冷凝器中由气态变为液态，此时是将蒸发器中吸收的热量释放到外部空气中。

2）温度变化。如在压缩机中蒸气由低温变为高温，而在冷凝器中R12又由高温降为中温，在毛细管中又由中温降为低温。

3）压力变化。如在毛细管中R12液体由高压降为低压，而在压缩机中R12蒸气由低压变为高压。

因而，R12制冷剂在蒸气压缩式制冷循环的过程中，实质上R12所进行的是复杂的热力学过程。在这个过程中，冷凝器不断地放出热量，而蒸发器在绝热箱内又不断地吸收热量，从而完成了将热量从低温物体（即食品）传递给高温介质（即空气）这一制冷过程。由于这种系统的制冷循环过程是通过压缩机对低压R12制冷剂蒸气进行压缩来实现的，故就称这种制冷系统为蒸气压缩式制冷循环系统。其工作原理示意图如图1-13所示。

图1-13 蒸气压缩式制冷循环系统工作原理示意图

（2）蒸气压缩式制冷循环的热力学过程

在蒸气压缩式制冷循环系统中，热力学过程总是以压焓图中各线条的意义来表示的，如图1-14所示。其中：

1～2为绝热线，用于表示压力P₀的过程蒸气在气缸中被绝热压缩时沿等熵线升高至P_k（冷凝压力），使蒸气成为P_k压力下的过热蒸气。

2～3为等压线，用于表示过热蒸气在冷凝器中等压冷却后变成干饱和蒸气。

图1-14 蒸气压缩式制冷循环过程R12压焓图

3～4为等温等压线，用于表示干饱和蒸气在冷凝器中等压等温散发出液化潜热，而凝结为的液体。

4～5为等压线，用于表示液态R12制冷剂在等压过程中继续冷却，温度降到比冷凝温度还要低的过冷温度，其值低于t_k。

5～6为等焓线，用于表示液态高压制冷剂经节流作用，压力由P_k降为P₀，温度由t_k降为t₀。

6～1为等温等压线，用于表示低压液态R12制冷剂在蒸发器中吸收箱内食物的热量Q₀蒸发（沸腾）为蒸气，回复到原状态1。之后，又经1～2绝热线开始下次制冷循环。有关标准工况下制冷循环中各点的相关数据见表1-11。

表1-11 标准工况下制冷循环中各点的相关数据

在图1-14中，在2～3～4～5等压冷却过程中，制冷剂放出热量Q_k，传给周围介质，凝聚为高压液体；在6-1-2汽化过程中，制冷剂吸收热量Q₀，并将低压低温蒸气升为高压高温蒸气。它在热力学过程中，主要分为以下四个基本过程：

1）绝热压缩，主要是压缩机吸入的由蒸发器输出的充分汽化、没有液滴，且稍稍过热又较为理想状态的低温低压气态制冷剂，经气缸中活塞急剧压缩时，因气体所做的机械功转换为热，而升为高温高压气体。在这一极短暂的压缩过程中，由于压缩机转速很高，被升温气体的热量几乎没有传至外部，因而就将这一过程称为绝热压缩过程。

2）等温压缩，主要是将从压缩机输出的高温高压气态制冷剂在冷凝器中冷却到完全液化，并放出冷凝潜热。在这一过程中，因制冷剂的温度不变，仅发生气液状态变化，故称为等温压缩。在冷凝器末端制冷剂全部液化后，温度有所降低，即为中温。

3）绝热膨胀，主要是液态制冷剂在毛细管（或膨胀阀）中受到节流作用，使液体压力急剧降至蒸发压力。在这一过程中，制冷剂温度虽然也剧降，但因时间极短，未能吸收外界的热量，因而就称这一过程为绝热膨胀。

4）等温膨胀，主要是将进入蒸发器的制冷剂迅速蒸发，不断从箱体内吸收热量（汽化潜热），直至液体完全汽化为止。在这一过程中，由于制冷剂的温度恒定，故称为等温膨胀。

在上述热力学观点的制冷循环过程中，制冷剂通过蒸发所吸收的热量和压缩机活塞所做机械功转换的热量，在等温压缩过程中已全部放出，即将从低温物体（冷藏箱内食物等）吸收的热量转送到高温的外界空气中去，从而达到人工制冷的目的。

蒸气压缩制冷原理解析

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