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制冷基础知识
第二章制冷基础知识
2.1制冷循环
制冷的方法很多，常用的有以下几种：
液体气化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热电制冷。
其中液体气化制冷的应用最为广泛，它是利用液体气化时的吸热效应实现制冷的。
蒸气压缩式、吸收式、蒸气喷射式和吸附式制冷都属于液体气化制冷。
格力到目前为止开发的空调主机使用的都是蒸气压缩式制冷，因此下面介绍的制冷原理主要以蒸气压缩式制冷为主。
由于吸收式制冷也是中央空调很重要的一种制冷形式，因此在本章也进行简单的介绍。
2．1．1蒸气压缩式制冷循环
蒸气压缩式制冷属于相变制冷，即利用制冷剂由液态变为气态时的吸热效应来获取冷量的。
它是由压缩机、冷凝器、节流机构、蒸发器四大件组成。
他们之间由管道依次连接，形成一个封闭系统。
如图2-1所示。
1压缩机
压缩机的作用是从蒸发器侧吸入低温制冷剂，经压缩变成高压、高温制冷剂蒸气，送往冷凝器。
2冷凝器
自压缩机排出的高温、高压制冷剂蒸气，进入用水或空气冷却的冷凝器内，在向水或空气放出热量的同时，完成从高温高压制冷剂蒸汽（过热蒸气）→饱和蒸汽→湿蒸气（冷凝）→高压高温饱和液的过程和状态的变化。
这种高压制冷剂液体通常在变成饱和液体后，再进一步冷却，温度稍微下降，变为过冷液体，从冷凝器进入储液器内。
3节流机构
流出储液器的高压制冷剂液体通过设置在称之为毛细管或膨胀阀的狭窄通道的节流机构，因狭窄通道的阻力使高压制冷剂的压力下降。
由于制冷剂具有压力下降温度也降低的性质，因此变成低压低温液态制冷剂，进入蒸发器内。
实际上，由于膨胀机构的节流作用，部分液态制冷剂变为蒸气，形成液体和蒸气混合的湿蒸气状态，通常，湿蒸气从膨胀机构进入蒸发器。
④蒸发器
进入蒸发器的低压低温制冷剂，由于比周围物体的温度低，而从周围吸热，同时剧烈蒸发，进入蒸发器内时，从液态变成蒸气，在蒸发出口变成无液体成分的饱和蒸气，或略有过热的蒸气状态。
从蒸发器流出的制冷剂蒸气，通过压缩机吸气管，被吸入压缩机，再反复经过压缩→冷凝→膨胀→蒸发，进行制冷循环。
图2-1制冷循环原理图2-2制冷循环的压—焓图
2．1．2制冷循环的压—焓图
将图2-1的制冷循环在压—焓图上示出，如图2-2所示。
图2-3是对照图2-2的制冷循环，它与图2-2各个过程的符号是一致的。
a）蒸发（4→1）图2-3制冷循环
状态4表示从膨胀机构流出的低温低压制冷剂湿蒸气，从周围高温的被冷却物体中吸收热量r，进行蒸发。
1’表示变成饱和蒸气，通常进一步被过热至1点。
在此其间吸收的热量以r=h1-h2表示。
如果忽略蒸发器内的压力损失，则可以认为4→1’→1过程的压力（P1）是不变的。
b）压缩（1→2）
把状态1的制冷剂过热蒸气吸入压缩机，进行压缩，变成状态2的高温高压蒸气，在理论上这个过程为绝热压缩，因而是在等熵的状态下变化的。
1点若位于饱和蒸气线的右边，称为干压缩。
位于饱和蒸气线的左边，称为湿压缩。
当1点位于右边，即进行干压缩时，我们把表示状态1’和1的温度t1-t1’称为过热度。
压缩机对制冷剂所作的功Aw为
Aw=h2-h1
c）冷凝（2→3）
若在状态2，用空气或水冷却压缩后的高温高压的制冷剂蒸气，则制冷剂蒸气在一定的压力（P2）下，经过2→2’→3’→3的变化，并放出冷凝热，变为高压液体，在3’点完全液化。
而被冷却到比3’更左的3点时，若以t3’，t3表示3’，3点的温度，则t3-t3’称为过冷度。
在冷凝器中，制冷剂向水或空气放热，有图2-2可知。
R+Aw=（h2-h1）+（h1-h3）=h2-h3
将h2-h3=q代入，可得
q=r+Aw
即制冷剂在冷凝器（高压侧）中放出的热量q,为它在蒸发器（低压侧）中从外部的吸热量r与压缩机所作的功Aw之和。
d）
膨胀（3→4）
用压力p2表示的过冷制冷剂液体3，通过膨胀机构进行节流膨胀，进入压力为的蒸发器内，由于节流膨胀时焓不变，故这个过程以图2-2的34垂线表示。
进入蒸发器时的制冷剂状态，如果位于饱和液体线上4’点的右侧，并以4点表示，则部分液体因本身冷却而蒸发，变为气液混合的湿蒸气。
2．1．3非共沸制冷剂循环
由于现在最常用的空调制冷剂R22对大气臭氧层仍有一定的影响（R22的ODP为0.034）,因此使用新的环保制冷剂替代R22是空调行业面临的一个问题。
现在比较公认的做法是使用非共沸制冷剂R407C和近共沸制冷剂R410A替代R22。
其中小型家用空调使用R410A替代，商用及大型空调使用R407C替代。
R407C是一种多组份非共沸制冷剂，应用非共沸制冷剂的制冷系统及其循环与纯制冷剂的基本相同，只是由于非共沸制冷剂在相变过程中温度是变化的，因此，该系统的冷凝器和蒸发器宜采用逆流式布置。
图2-4示出非共沸制冷剂循环的温熵图。
图中2-3-4为制冷剂在冷凝器中的等压放热过程，其中t3为冷凝开始温度，t4为冷凝终了温度。
在这一过程中，制冷剂的温度是逐渐升高的。
在变温热源条件下，利用非共沸制冷剂相变时的变温特性，可以减少冷凝或蒸发过程中的传热温差，从而提高制冷循环的性能。
2．1．4热泵循环
热泵循环和制冷循环在热力学上并无区别，因为它们的工作循环都是逆向循环，区别就在于两者目的和工作温度区不同。
热泵的制热系数εh是供热量与热泵的耗功之比值。
热泵的制热系数εh与制冷系数ε的关系为：
εh=ε+1
上式表明了热泵供热系数永远大于1，所以用热泵供热在经济上比消耗电能更为合算。
图2-5是改变制冷剂的流动方向的热泵系统。
夏季制冷时，室内换热器是蒸发器，从室内吸收热，室外换热器是冷凝器，向环境放热；冬季制冷时，室外换热器为蒸发器，从室外吸热，室内换热器是冷凝器，向室内供热。
室内外换热器功能的转换，依靠一只四通换向阀完成。
图2-5改变制冷剂流向的热泵系统
2．1.5吸收式制冷循环
吸收式制冷已成功应用于中央空调的冷热水机组。
由于燃气能源的品位高，燃气中央空调主要采用双向吸收制冷循环，它的制冷原理如图2-6所示。
空调机组的燃气燃烧16加热高温发生器1内溴化锂稀溶液，发生出水蒸气；水蒸气再加热低温发生器2内溴化锂溶液，产生更多水蒸气，然后水蒸气进入水冷冷凝器3，放热后冷凝成水；水节流后进入蒸发器4，
吸收热量变成蒸气，低压水蒸气在吸收器5内被溴化锂浓溶液吸收，溴化锂浓溶液变成稀溶液，稀溶液再次被溶液泵6泵入发生器2。
如此循环下去。
冷凝器内的冷却水来自冷凝器13，蒸发器内的冷冻水来自空调房间的风机盘管机组。
燃气空调的能源主要来自燃气。
同时，系统需要配置冷却塔风机、燃烧器风机、冷却水泵、冷冻水泵、溶液泵、冷剂泵等，需要电力驱动。
燃气空调除可提供冷水外，还可提供供热热水和卫生热水。
图2-6燃气中央空调制冷原理
2．2制冷剂与润滑油
２．2．1制冷剂
蒸汽压缩式制冷系统中循环流动的工作介质叫制冷剂，又称制冷工质。
它在系统的各个部件间循环流动以实现能量的转换和传递，达到制冷机向高温热源放热；从低温热源吸热，实现制冷（制热）的目的。
我国目前用于商用空调领域的制冷剂主要是R22和R134a。
目前格力空调中的制冷剂主要有R22、R407C和R410A三种。
其中R407C和R410A是作为替代制冷而使用的。
其物理性质如表２-1。
表2-1常用制冷剂的物理性质
制冷剂
分子式或混合物组成
相对分子量
标准沸点/℃
凝固温度/℃
临界温度/℃
临界压力/MPa
R22
CHClF2
86.47
-40.8
-160.0
96.2
4.99
R407C
R32/125/134a
（23%/25%52%）
86.20
-43.8
87.3
4.63
R410A
R32/125
（50%/50%）
72.58
-51.6
72.5
4.95
根据我国空调生产的实际和我国R22的禁用期为2040年，我国还没有R22替代的时间表。
但目前有些欧洲国家在新制造的空调设备中已开始停用R22。
R22的替代物目前倾向使用R407C和R410A。
采用R407C替代R22，技术难度较小，制冷压缩机、换热器和制冷配件容易购置或制造，对现有的生产线改动较小，可以很快满足出口市场需要。
缺点是R407C的非共沸特性（滑移温度7.2）和能效比稍低。
R410A的优点是有优良的传热性能和较高的压力，可使空调小型化，节约材料成本和制造费用。
正是R410A的压力较高，导致技术难度较大、开发成本高。
下面简单介绍三种制冷剂的特性。
1．R22
R22是一种中温制冷剂，它的标准沸点为-40.8℃；水在R22中的溶解度很小，与矿物油相互溶解；R22不燃烧，也不爆炸，毒性很小；R22渗透能力很强，并且泄露难以发现。
R22的ODP（臭氧消耗潜能值）和GWP（全球变暖潜能值）比R12小的多，属于HCFC类物质，对臭氧层仍有破坏作用。
由于R12以逐步禁用，R22正作为某些CFC制冷剂的过渡替代物在使用。
2．R407C及R410A
R407C、R410A是常用的混合制冷剂。
其物理性质见表2-1，不燃烧，不爆炸，毒性很小。
属HFC类制冷剂，压缩机须充注聚酯类（POE）润滑油。
R407C是由R32、R125和R134a三种工质按23%、25%和52%的质量分数混合而成。
标准压力下泡点温度为-43.8℃，相变温度滑移为7.2℃。
该制冷剂的ODP为0，GWP为1980。
美国杜邦公司和英国ICI公司产品的商品名分别为SUVA9000和KLEA66。
R407C的热力性质与R22最为相似，两者的工作压力范围，制冷量十分相似。
原有R22机器设备改用R407C后，需要更换润滑油、调整制冷剂的充灌量及节流元件。
R407C机器的制冷量和能效比比R22机器稍有下降。
R407C的缺点可能是温度滑移较大，在发生泄漏、部分室内机不工作的多联系统，以及使用满液式蒸发器的场合时，混合物的配比就可能发生变化而达不到预期效果。
另外，非共沸混合物在传热表面的传质阻力增加，可能会造成蒸发、冷凝过程的热交换效率降低，这在壳管式换热器中的制冷剂在壳侧时尤为明显。
R407C的温度滑移能否对系统带来好处，关键在于能否使传热介质流动安排与其温度滑移相匹配。
R410A是由R32和R125两种工质按50%和50%的质量分数混合而成的HFC类制冷剂。
美国杜邦公司和英国ICI公司产品的商品名分别为SUVA9100和AZ20。
R410A的标准压力下泡点温度为-51.6℃，相变温度滑移小于0.2℃，属近共沸混合物，其热力学性质十分接近单工质。
同R22相比，R410A的冷凝压力增大近50%，是一种高压制冷剂，需要提高系统耐压强度。
由于R410A的高压、高密度允许制冷剂管径减少许多，压缩机的尺寸及排量也可大大降低；同时R410A液相的热导率高，粘度低使其具有明显优于R22的传输特性。
该制冷剂ODP为0，GWP为2340。
2．2．2润滑油
制冷系统中使用的润滑油又称冷冻机油。
润滑油润滑压缩机的各运动部件，即减少摩擦和磨损，又起到冷却作用，将运动部件保持较低温度，以提高效率。
利用油的粘度，使运动部件间形成油膜，维持制冷循环高低压力，起密封作用，如涡旋式压缩机间隙的油膜可减少其泄漏。
润滑油还可冲走摩擦处的杂质、缓冲机器振动。
此外，还可利用润滑油的油压差调节压缩机的制冷量，如螺杆式制冷机组。
润滑油在物性方面的重要指标有：
粘度、与制冷剂的互溶性、流动点、絮状凝固点、水的溶解性、空气的溶解性、挥发性、发泡性等。
润滑油的化学特性的重要指标有：
摩擦面的油膜形成能力、热稳定性、化学稳定性、混合物与添加剂等的影响。
GB/T16630-1996规定了润滑油的主要质量指标，其中粘度和凝固点是润滑油的两个重要指标。
HCFC类制冷剂大多选用矿物油，因此R22采用矿物油；HFC类制冷剂大多选用合成油，如醇类润滑油（PAG）和酯类（POE）。
因此R407C及R410A采用合成油。
矿物油、PAG、POE的吸水性相差很大。
如温度20℃，相对湿度（55±3）%的条件下，矿物油SUNISO5GS的饱和含水量为0.04g/L，PAG油为10~20g/L，POE油为2~3g/L。
PAG油与水作用生成脂肪酸，对压缩机产生腐蚀与镀铜现象，一般控制制冷系统中的最大允许含水量不超过0.02g/L。
矿物油、PAG和POE不能混用。
因此在设备维修、保养过程中一定要了解系统压缩机使用的油的种类，不能随意混用，否则会引起严重的后果。
变质的润滑油不能继续使用，如发现有的颜色变深，将油滴在白色吸水纸上，发现油滴中央呈黑色，说明润滑油已经变坏。
过多的润滑油将影响传热效率，降低系统的制冷量；润滑油过少则会影响压缩机润滑，使压缩机过热。
2.3制冷压缩机
基于蒸汽压缩式制冷原理的商用中央空调机组，采用各种类型的制冷压缩机，作为蒸汽压缩式制冷系统的“心脏”，对空调的运行性能﹑能耗﹑噪声﹑振动﹑使用寿命有着重要的影响。
2.3.1制冷压缩机的分类
压缩机的分类见图2-7。
根据热力学原理，制冷压缩机可分为容积型和速度型压缩机两大类。
图2-7制冷压缩机的分类和结构
表2-7各类压缩机的分类和结构
用途
压缩机形式
家用冷藏箱冻结箱
房间空调器
汽车空调
住宅用空调器和热泵
商用制冷和空调
大型空调
活塞式
100W
200kW
滚动活塞式
100W
10kW
涡旋式
5kW
70kW
螺杆式
150kW
1400kW
离心式
350kW以上
容积型压缩机将一定容积的气体吸入到气缸内并改变气缸内容积，实现气体压缩并强制排出。
容积型压缩机有两种结构形式：
往复式和回转式。
回转式又按结构特点分为滚动转子式﹑滑片转子式﹑螺杆式﹑涡旋式等。
速度型压缩机使吸入的气流获得一定的速度，然后使之缓慢下来，将动能转化为压力能而后排出。
气体压力的增长使由速度转化过来的。
此类压缩机按其结构形式主要为离心式压缩机。
按中央空调机组的工作条件与环境，采用普通空调用制冷压缩机（高中温机）。
目前常用中小型容积式全封闭制冷压缩机，以求得结构的紧凑。
至于速度型压缩机（离心式），在小型机组中还难以得到应用。
小型容积式制冷压缩机具有电能利用率高﹑工况自适应性强﹑重量轻﹑体积小﹑噪声低的特点，广泛地应用在家用单元式空调机组及小型中央空调机组。
小型容积式制冷压缩机目前主要应用的有：
全封闭活塞制冷压缩机﹑滚动转子制冷压缩机和涡旋制冷压缩机三种型式。
后两者由于运动部件少﹑能效比高﹑体积小﹑重量轻，在小型空调机组中逐步取代活塞压缩机，成为主流产品。
螺杆制冷压缩机一般用于大﹑中型机组，在小型机组中目前尚未应用。
往复压缩机的总体结构型式按其密封方式，又分为开启式压缩机﹑半封闭式压缩机和封闭式压缩机。
开启式和半封闭式压缩机目前多用于大﹑中型机组及低温机组，很少在小型热泵机组中得到应用，而全封闭式机组在小型空调机组中得到广泛应的应用。
活塞全封闭压缩机已成为小型机组中应用历史最长﹑应用范围最广泛的制冷压缩机。
表2-2中示出各类压缩机在制冷和空调中的应用范围。
从表中可以看出，在小于200kW制冷量的领域中，活塞式、滚动转子式、涡旋式占主要地位，大于150kW以上则是离心式和螺杆式的领域。
格力目前在商用中央空调使用的制冷压缩机有：
涡旋压缩机﹑转子压缩机﹑螺杆式压缩机等三种，下面分别介绍这三种压缩机。
2.3.2涡旋制冷压缩机
涡旋压缩机为一种容积型压缩机，如图2-8所示。
它利用涡旋转子和涡旋定子的啮合，形成多个压缩室。
随涡旋转子的平移转动，各压缩室内容积不断发生变化，实现吸入和压缩气体。
由涡旋压缩机压缩过程可知，该压缩机无需吸﹑排气阀，并且能比较平稳地排出和吸入气体，
图2-8涡旋压缩机的压缩原理
因而有较高的容积效率。
近年来，美国和日本的一些公司，如谷轮公司等，相继推出轴向和径向的柔性密封涡旋压缩机，有效的解决了涡旋压缩机中湿压缩和高压比下排气温度过高的问题，以及少量金属磨屑和杂质对涡旋体的损伤，还利用轴向柔性密封技术，在加设控制电磁阀后，实现“数码涡旋”的变容量技术，与变频变速相比，扩展了容量的调节范围，可实现10%-100%的比例调节压缩机容量范围，而不影响离心供油的润滑性能。
由于新技术的应用，材料和机械加工工艺的发展，涡旋制冷压缩机自20世纪90年代以后得以飞速发展，与滚动转子压缩机一样成为中小行制冷空调装置的重要压缩机品种。
2.3.2.1涡旋制冷压缩机的工作原理
涡旋制冷压缩机的工作室由转子和定子两个涡旋体啮合而成。
涡旋体的转子和定子轴向起始角相差180°，两个涡旋体的型面出现多次的啮合点，形成多个封闭腔体。
涡旋转子由十字连接环带动，而十字连接环又由压缩机主轴（偏心轴）带动，使涡旋转子绕定子公转，在涡旋定子的中心开设排气孔口，涡旋周边吸气口与转子外周相通，当转子端点和定子外周相啮合时，完成吸气并随转子的平移转动，此啮合点内容积随啮合点位置向定子中心改变，且逐渐收缩，压力不断提高，进入压缩过程，当内容积至中心室并与排气口相通时，开始排气直至中心室内容积消失，同时外围开始多次进入吸气状态，并形成多个压缩内容积。
在涡旋压缩机中，由于无余隙容积，因而容积压缩机的膨胀过程在此类压缩机中不存在，有效的提高了容积效率。
吸气和压缩排气过程在多个涡旋小室中进行，因而有效地实现了平稳的输气，减少输气的脉动损失。
由于无吸排气阀，无筏前后的压力损失。
与往复式和滚动转子相比，显而易见此类压缩机的热力过程中的流动损害很小。
由于涡旋压缩机为一内容积比一定的压缩机，必然有一定内压缩比的特点。
因而在低压比工况运行时会产生“过压缩”现象，增加额外的功耗，为此产生了轴向和径向的各种“柔性”密封，以适应各种工况和容量的变化。
2.3.2.2全封闭式涡旋制冷压缩机的结构
涡旋压缩机结构简单，运动件少，但对其加工精度的要求极高，对材料的耐磨性﹑耐热性要求更为特殊。
涡旋压缩机与全封闭往复式﹑滚动转子式压缩机一样，以偏心油孔“泵油”为润滑的主要方式，机壳内部除高低压分隔罩以上的排气腔外，机壳内处于低压状态，电动机与机壳紧密配合，电动机
的热量经机壳及制冷剂吸入气体带走，实现冷却，因而与滚动转子式压缩机不同，机壳内压力为低压状态。
一般涡旋压缩机电动机置于全封闭钢壳的下部，压缩机位于上部。
如图2-9所示，从蒸发器来的制冷剂，经吸气管4进入钢壳，并被吸入吸气腔，经转子3和定子2的啮合压缩，由定子中心孔排出，进入排气腔24﹑排气管1。
在排气孔口附近，有一旁通管，由双金属片控制启闭。
当排气孔口温度过高时，打开通道口，使高低压旁通排气腔压力降低，压缩机进入卸载状态。
使温度下降，有效的避免了过高的温度所引起的压缩机“咬死”﹑“润滑失效”等故障。
主轴与涡旋转子通过十字连接环18相联，使涡旋转子仅能绕定子公转，而避免转子在气体力作用下的自转。
某些涡旋压缩机以轴向柔性运动的方式安装定子，使定子在气体压力下能有1mm的运动间隙，在停止运行时，定子和转子在轴向自然产生一定间隙，在启动时逐渐对定子加压与转子顶端实现密封，有效的实现了“卸载起动”，减少了起动电流。
2.3.3.3各主要压缩机厂家产品性能参数
涡旋制冷压缩机的生产厂家主要有丹佛斯（百福马）、谷轮及大金等厂家。
各厂家的性能参数如下：
表2-3百福马涡旋制冷压缩机性能参数
型号
单机双机
名义冷顿
TR
50Hz下规格（额定工况：
见下表）
润滑
油充
注量
dm3
残留湿度
mg
净重
kg
制冷量
W
输入
功率
KW
400V时电流A
COP
W/W
声功
率级
dB（A）
排量
cm3/rev
排量
m3/h
SM084●
7
20400
6.12
10.9
3.33
74
114.5
19.9
3.25
195
72
SM090●
7.5
21800
6.54
12.2
3.33
74
120.5
21.0
3.25
195
72
SM100●
8
23150
6.96
12.7
3.33
74
127.2
22.1
3.25
195
72
SM110●
9
25950
7.82
14.3
3.32
78
144.2
25.1
3.25
195
80
SM115●
9.5
28000
8.31
14.5
3.37
78
155.0
27.0
3.8
225
80
SM120●
10
30110
8.96
16.4
3.36
78
166.6
29.0
3.25
195
80
SM125●
10
30100
8.93
15.6
3.37
78
166.6
29.0
3.8
225
80
SM160●
13
39100
11.61
21.6
3.37
82
216.6
37.7
4.0
240
94
SM175●
14
42000
12.47
22.1
3.37
84
233.0
40.5
6.6
395
103
SM180●
15
42900
13.08
24.4
3.28
77
241.0
41.9
6.5
390
150
SM185●
15
45500
13.62
24.2
3.34
84
249.9
43.5
6.6
395
103
SM200●
16
45600
13.91
25.4
3.28
77
254.4
44.3
6.5
390
150
SM220●
18
51100
15.63
28.6
3.27
81
288.4
50.2
6.5
390
170
SM230●
19
55150
16.61
29.0
3.32
81
310.0
53.9
7.6
450
170
SM242●
20
59350
17.90
32.7
3.31
81
333.2
58.0
6.5
390
170
SM250●
20
59300
17.90
31.2
3.32
81
333.2
58.0
7.6
450
170
SM310●
25
74450
22.56
39.8
3.30
85
416.5
72.5
10.4
620
200
SM320●
26
77050
23.19
43.1
3.32
85
433.2
75.4
8.0
480
210
SM350●
28
82750
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3.32
87
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SM370●
30
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87
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13.2
790
225
SZ084●
7
19300
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19.9
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SZ090●
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3.25
195
72
SZ100●
8
2160
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