冷凍機(jī)的工作原理與分類

1、 冷凍機(jī)的分類與工作原理摘要：工業(yè)冷水機(jī)組通過液態(tài)冷凍劑在蒸發(fā)器中的汽化吸收冷凍循環(huán)水中的熱量，實現(xiàn)制冷目的。汽化的冷凍劑通過壓縮機(jī)壓縮，經(jīng)冷凝器冷凝成液態(tài)供下個制冷循環(huán)使用。壓縮機(jī)由電動機(jī)驅(qū)動，通過電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)整臺冷水機(jī)組的工況調(diào)節(jié)。關(guān)鍵字：壓縮機(jī) 制冷 水循環(huán) 電氣控制0引言近年隨著我國生產(chǎn)制造業(yè)進(jìn)入一個新的快速發(fā)展時期，市場競爭激烈對產(chǎn)品質(zhì)量的要求亦有較大程度的提高。在生產(chǎn)過程中，由于機(jī)械、模具與工業(yè)反應(yīng)不斷產(chǎn)生熱量，影響產(chǎn)品質(zhì)量的問題屢屢發(fā)生。當(dāng)溫度超過物料之承受程度產(chǎn)品質(zhì)量就不穩(wěn)定，以塑料產(chǎn)品和電鍍生產(chǎn)為例，塑料產(chǎn)品生產(chǎn)中冷卻時間占全周期80%以上，冷卻時間減少之重要性由此可見，

2、冷凍水能與時吸收熱量，使模腔溫度快速降低，加速產(chǎn)品定型，縮短開面。電鍍生產(chǎn)中冷凍水能將電鍍?nèi)芤簻囟冉档筒囟群愣ㄔ谀骋粐菇饘俜肿与S著穩(wěn)定電流快速附向鍍件表面，使產(chǎn)品平滑和密度增加。因此工業(yè)冷水機(jī)廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)生產(chǎn) ，如：1.化工（學(xué)）工業(yè)2.塑料制品、塑料容器、制膜 、塑鋼型材、管材、電線、電纜護(hù)套、輪胎行業(yè)3.電鍍與機(jī)床切削液冷卻行業(yè)4.制藥行業(yè)5.電子行業(yè)6.五金工業(yè)7. 食品與飲料行業(yè)8.制鞋行業(yè)9.實驗室10.醫(yī)療設(shè)備11.光學(xué)儀器等。1工業(yè)冷水機(jī)組組成工業(yè)冷水機(jī)組系統(tǒng)的運(yùn)作是通過制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、電器自控系統(tǒng)三個相互聯(lián)系的系統(tǒng)實現(xiàn)的。制冷劑循環(huán)系統(tǒng)：蒸發(fā)器中的液態(tài)

3、制冷劑吸收水中的熱量并開始蒸發(fā)，最終制冷劑與水之間形成一定的溫度差，液態(tài)制冷劑亦完全蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)，后被壓縮機(jī)吸入并壓縮（壓力和溫度增加）,氣態(tài)制冷劑通過冷凝器（風(fēng)冷/水冷）吸收熱量，凝結(jié)成液體。通過膨脹閥（或毛細(xì)管）節(jié)流后變成低溫低壓制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器，完成制冷劑循環(huán)過程。水循環(huán)系統(tǒng)：水泵負(fù)責(zé)將水從水箱抽出泵到用戶需冷卻的設(shè)備，冷凍水將熱量帶走后溫度升高，再回到冷凍水箱中。電器自控系統(tǒng)：包括電源部分和自動控制部分。電源部分是通過接觸器，對壓縮機(jī)、風(fēng)扇、水泵等供應(yīng)電源。自動控制部分包括溫控器、壓力保護(hù)、延時器、繼電器、過載保護(hù)等相互組合達(dá)到根據(jù)水溫自動啟停，保護(hù)等功能。2冷凍機(jī)的分類2.1冷凍機(jī)按

4、冷凍劑散熱方式分類冷凍機(jī)按冷凍劑散熱方式分可分為：風(fēng)冷式冷水機(jī)與水冷式冷水機(jī)。風(fēng)冷式冷水機(jī)，將常溫的水通過冷水機(jī)的壓縮機(jī)制冷到一定的溫度以強(qiáng)化冷卻工件或機(jī)器，作為單機(jī)使用，散熱裝置為置之風(fēng)扇，而水冷式冷凍機(jī)的冷凍劑的散熱方式為循環(huán)冷卻水。2.2冷凍機(jī)按壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)形式分類冷凍機(jī)按壓縮機(jī)形式分可分為活塞式冷凍機(jī)、螺桿式冷凍機(jī)、離心式冷凍機(jī)。2.3冷凍機(jī)按其結(jié)構(gòu)特征分類根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征，可分為開啟式、半封閉式和全封閉式三種。雖然構(gòu)造各異，但它們之間也有許多共同之處，只是其結(jié)構(gòu)特征不同。開啟式制冷壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特征在于：壓縮機(jī)的動力輸入軸伸出機(jī)體外，通過聯(lián)軸器或皮帶輪與電動機(jī)聯(lián)結(jié)，并在伸出處用軸封裝置密封

5、。目前，氨壓縮機(jī)和容量較大的氟利昂壓縮機(jī)都采用這種結(jié)構(gòu)形式。半封閉式制冷壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點是：壓縮機(jī)與電動機(jī)共用一主軸，并共同組裝于同一機(jī)殼，但機(jī)殼為可拆式，其上開有各種工作孔用蓋板密封。全封閉式制冷壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點在于：壓縮機(jī)與其驅(qū)動電動機(jī)共用一個主軸，二者組裝在一個焊接成型的密封罩殼中。這種壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，密封性好，使用方便，振動小、噪音小，廣泛使用在小型自動化制冷和空調(diào)裝置中。2.3按制冷循環(huán)系統(tǒng)特點分類按制冷循環(huán)特點分類，可分為單級制冷循環(huán)系統(tǒng)和雙級制冷循環(huán)系統(tǒng)1.單級制冷循環(huán)系統(tǒng)：單級制冷機(jī)是應(yīng)用比較廣泛的一類制冷機(jī)，它可以應(yīng)用于制冰、空調(diào)、食品冷藏與工業(yè)生產(chǎn)過程等方面。單級制冷循環(huán)是

6、指制冷劑在制冷系統(tǒng)相繼經(jīng)過壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)四個過程，便完成了單級制冷機(jī)的循環(huán)，即達(dá)到了制冷的目的。 以氨作為冷媒的單級制冷循環(huán)制冷系統(tǒng)由蒸發(fā)器、單級壓縮機(jī)、油分離器、冷凝器、貯氨器、氨液分離器、節(jié)流閥與其它附屬設(shè)備等組成，相互間通過管子聯(lián)接成一個封閉系統(tǒng)。其中，蒸發(fā)器是輸送冷量的設(shè)備，液態(tài)制冷劑蒸發(fā)后吸收被冷卻物體的熱量實現(xiàn)制冷；壓縮機(jī)是系統(tǒng)的心臟，起著吸入、壓縮、輸送制冷劑蒸汽的作用；油分離器用于沉降分離壓縮后的制冷劑蒸汽中的油；冷凝器將壓縮機(jī)排出的高溫制冷劑蒸汽冷凝成為飽和液體；貯氨器用來貯存冷凝器里冷凝的制冷劑氨液，調(diào)節(jié)冷凝器和蒸發(fā)器之間制冷劑氨液的供需關(guān)系；氨液分離器是氨重力供液

7、系統(tǒng)中的重要附屬設(shè)備；節(jié)流閥對制冷劑起節(jié)流降壓作用同時控制和調(diào)節(jié)流入蒸發(fā)器中制冷劑液體的流量，并將系統(tǒng)分為高壓側(cè)和低壓側(cè)兩部分。 圖2.1 單級流程示意圖2.雙級制冷循環(huán)系統(tǒng) 雙級制冷循環(huán)是在單級制冷循環(huán)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其壓縮過程分兩個階段進(jìn)行，來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽先進(jìn)入低壓級汽缸壓縮到中間壓力，經(jīng)過中間冷卻后再進(jìn)入高壓級汽缸，壓縮到冷凝壓力進(jìn)入冷凝器中。一般蒸發(fā)溫度在-25-50時，應(yīng)采用雙級壓縮機(jī)進(jìn)行制冷。氨冷媒雙級制冷循環(huán)制冷系統(tǒng)由蒸發(fā)器、雙級壓縮機(jī)、油分離器、冷凝器、中間冷卻器、貯氨器、氨液分離器、節(jié)流閥與其它附屬設(shè)備等組成，相互間通過管子聯(lián)接成一個封閉系統(tǒng)。其中，中間冷卻器利用

8、少量液態(tài)制冷介質(zhì)在中間壓力下汽化吸熱，使低壓級排出的過熱蒸汽得到冷卻，降低高壓級的吸氣溫度，同時還使高壓液態(tài)制冷工質(zhì)得到冷卻。 圖2.2 雙級流程示意圖 2.4其他形式分類冷凍機(jī)按所采用的制冷劑分類一般有氨壓縮機(jī)和氟利昂壓縮機(jī)等。按作用方式分類，有單作用壓縮機(jī)和雙級作用壓縮機(jī)。按制冷劑蒸氣在氣缸中的運(yùn)動分類，有直流式和逆流式。按氣缸中心線的位置分類，有立式壓縮機(jī)、臥式壓縮機(jī)、V型、W型和S型壓縮機(jī)等。3冷凍機(jī)壓縮機(jī)工作原理3.1活塞式制冷壓縮機(jī)3.1.1活塞式壓縮機(jī)工作原理活塞式壓縮機(jī)的工作是氣缸、氣閥和在氣缸中作往復(fù)運(yùn)動的活塞所構(gòu)成的工作容積不斷變化來完成。按圖3.1活塞式壓縮機(jī)示功圖所示，

9、則活塞式壓縮機(jī)曲軸每旋轉(zhuǎn)一周所完成的工作，可分為吸氣3-4-1、壓縮和壓縮過程1-2：活塞從下止點向上運(yùn)動，吸、排汽閥處于關(guān)閉狀態(tài)，氣體在密閉的氣缸中被壓縮，由于氣缸容積逐漸縮小，則壓力、溫度逐漸升高直至氣缸氣體壓力與排氣壓力相等。壓縮過程一般被看作是等熵過程。排氣過程2-3：活塞繼續(xù)向上移動，致使氣缸的氣體壓力大于排氣壓力，則排氣閥開啟，氣缸的氣體在活塞的推動下等壓排出氣缸進(jìn)入排氣管謹(jǐn)，直至活塞運(yùn)動到上止點。此時由于排氣閥彈簧力和閥片本身重力的作用，排氣閥關(guān)閉排氣結(jié)束。至此，壓縮機(jī)完成了一個由吸氣、壓縮和排氣三個過程組成的工作循環(huán)。此后，活塞又向下運(yùn)動，重復(fù)上述三個過程，如此周而復(fù)始地進(jìn)行循

10、環(huán)。圖3.1 活塞式壓縮機(jī)示功圖3.1.2活塞式冷凍機(jī)的潤滑在活塞式冷凍機(jī)中，需要潤滑的摩擦部位有：活塞與氣缸的壁面；連桿大頭軸瓦與曲柄銷；連桿小頭軸瓦與活塞銷；活塞銷與活塞銷座；前后滑動軸承的軸瓦和主軸頸以與主軸軸封的靜動摩擦密封面等。 在小型低速冷凍機(jī)中最簡單的潤滑方式是飛濺潤滑，即在冷凍機(jī)的曲軸箱，借助于曲軸的連桿大頭的回轉(zhuǎn)攪動油面，將潤滑油甩到摩擦表面使之潤滑，但對有些摩擦表面潤滑油難以達(dá)到，潤滑不充分，易造成大的摩擦和磨損，故這種潤滑方式可靠性差，已很少單獨采用。 在新、老系列的冷凍機(jī)多采用著強(qiáng)制性循環(huán)潤滑，即利用油泵將油強(qiáng)制輸送到各潤滑點。活塞式冷凍機(jī)的潤滑多為傳動系統(tǒng)，即潤滑系統(tǒng)

11、不單獨設(shè)立油箱和油泵站，而是采用冷凍機(jī)的曲軸箱兼作潤滑油箱，專門的潤滑泵與曲軸的一端相連，潤滑裝置與冷凍機(jī)構(gòu)成了一個整體。 油泵經(jīng)孔為0.28-0.154mm的篩網(wǎng)式粗濾器從曲軸箱中吸油，而后經(jīng)過濾精度為10-20m的紙質(zhì)或粉末冶金式的精細(xì)濾油器將冷凍機(jī)潤滑油壓出，一路潤滑油被送到曲軸的前端，潤滑軸封、前主軸承、曲柄銷與連桿小頭，另一路壓力油進(jìn)到曲軸的后端，潤滑后主軸承、曲柄銷與連桿小頭，此外該壓力油還同時被送到油分配閥，用于控制能量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。潤滑系統(tǒng)中還應(yīng)帶有壓力表、調(diào)壓閥等必備元件，調(diào)壓閥用于調(diào)節(jié)潤滑油的壓力并可使多余的潤滑油流回曲軸箱。在該系統(tǒng)中氣缸面是利用連桿小頭擠出的油和連桿大頭甩出

12、的油實現(xiàn)摩擦面的潤滑。 冷凍機(jī)中所采用的潤滑泵通常有外嚙合齒輪式油泵、嚙合齒輪式油泵(俗稱月牙泵)和擺線轉(zhuǎn)子式油泵(俗稱梅花泵)等3種。對于外嚙合齒輪泵吸壓油口的位置確定后，泵的旋轉(zhuǎn)方向是一定的，不可逆轉(zhuǎn)，對全封閉和半封閉式冷凍機(jī)，因冷凍機(jī)機(jī)殼與電動機(jī)機(jī)殼連成一體，從外部難以辨別泵的轉(zhuǎn)向，容易造成齒輪泵轉(zhuǎn)向的錯誤而使?jié)櫥ъ`，故外嚙合齒輪泵在冷凍機(jī)中較少應(yīng)用。對嚙合齒輪泵而言，月牙體(分開吸、壓油腔，保證外齒輪頂密封的構(gòu)件)可做成具有自動定位的結(jié)構(gòu)，不論齒輪的旋轉(zhuǎn)方向如何都不改變吸、壓油口的位置，故對油泵的轉(zhuǎn)向無限制，因此在新系列封閉和半封閉式冷凍機(jī)中廣為應(yīng)用。擺線轉(zhuǎn)子泵與嚙合齒輪泵類似，也可

13、做到對泵的旋轉(zhuǎn)方向無限制，此外擺線轉(zhuǎn)子泵齒形簡單，加工容易，結(jié)構(gòu)緊湊，在冷凍機(jī)中有著廣闊的應(yīng)用前景。3.2離心式制冷壓縮機(jī)3.2.1離心式制冷壓縮機(jī)的構(gòu)造和工作原理離心式制冷壓縮機(jī)的構(gòu)造和工作原理與離心式鼓風(fēng)機(jī)極為相似。它是依靠動能的變化來提高汽體壓力。離心式壓縮機(jī)具有帶葉片的葉輪，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動時，葉片就帶動汽體運(yùn)動或者使汽體得到動能，然后使部分動能轉(zhuǎn)化為壓力能從而提高汽體的壓力。這種壓縮機(jī)由于它工作時不斷地將制冷劑蒸汽吸入，又不斷地沿半徑方向被甩出去，所以稱這種型式的壓縮機(jī)為離心式壓縮機(jī)。其中根據(jù)壓縮機(jī)中安裝的工作輪數(shù)量的多少，分為單級式和多級式。如果只有一個工作輪，就稱為單級離心式壓縮機(jī)，如

14、果是由幾個工作輪串聯(lián)而組成，就稱為多級離心式壓縮機(jī)。在空調(diào)中，由于壓力增高較少，所以一般都是采用單級，其它方面所用的離心式制冷壓縮機(jī)大都是多級的。單級離心式制冷壓縮機(jī)的構(gòu)造主要由葉輪、擴(kuò)壓器和蝸殼等所組成。 壓縮機(jī)工作時制冷劑蒸汽由吸汽口軸向進(jìn)入吸汽室，并在吸汽室的導(dǎo)流作用引導(dǎo)由蒸發(fā)器(或中間冷卻器)來的制冷劑蒸汽均勻地進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的葉輪 (葉輪是離心式制冷壓縮機(jī)的重要部件，因為只有通過工作輪才能將能量傳給汽體)。汽體在葉片作用下，一邊跟著葉輪作高速旋轉(zhuǎn)，一邊由于受離心力的作用，在葉片槽道中作擴(kuò)壓流動，從而使汽體的壓力和速度都得到提高。由工作輪出來的汽體再進(jìn)入截面積逐漸擴(kuò)大的擴(kuò)壓器 (因為汽體

15、從工作輪流出時具有較高的流速，擴(kuò)壓器便把動能部分地轉(zhuǎn)化為壓力能，從而提高汽體的壓力)。汽體流過擴(kuò)壓器時速度減小，而壓力則進(jìn)一步提高。經(jīng)擴(kuò)壓器后汽體匯集到蝸殼中，再經(jīng)排氣口引導(dǎo)至中間冷卻器或冷凝器中。 3.2.2離心式制冷壓縮機(jī)的特點與特性 離心式制冷壓縮機(jī)與活塞式制冷壓縮機(jī)相比較，具有下列優(yōu)點： (1)單機(jī)制冷量大，在制冷量一樣時它的體積小，占地面積少，重量較活塞式輕58倍。 (2)由于它沒有汽閥活塞環(huán)等易損部件，又沒有曲柄連桿機(jī)構(gòu)，因而工作可靠、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音小、操作簡單、維護(hù)費(fèi)用低。 (3)工作輪和機(jī)殼之間沒有摩擦，無需潤滑。故制冷劑蒸汽與潤滑油不接觸，從而提高了蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱性能。

16、 (4)能經(jīng)濟(jì)方便的調(diào)節(jié)制冷量且調(diào)節(jié)的圍較大。 (5)對制冷劑的適應(yīng)性差，一臺結(jié)構(gòu)一定的離心式制冷壓縮機(jī)只能適應(yīng)一種制冷劑。 (6)由于適宜采用分子量比較大的制冷劑，故只適用于大制冷量，一般都在2530萬大卡時以上。如制冷量太少，則要求流量小，流道窄，從而使流動阻力大，效率低。但近年來經(jīng)過不斷改進(jìn)，用于空調(diào)的離心式制冷壓縮機(jī)，單機(jī)制冷量可以小到10萬大卡時左右。3.2.3離心式冷凍機(jī)潤滑離心式冷凍機(jī)的主要潤滑部位是增速齒輪、主軸承與軸端的機(jī)械密封。通常齒輪箱可兼做潤滑油箱，其中裝有電加熱器可對潤滑油進(jìn)行預(yù)熱，油泵用于將油抽送到專設(shè)的高位油箱，再由高位油箱把油引到所需的潤滑部位，該種方式可防止油

17、泵供油系統(tǒng)突然故障或冷凍機(jī)突然斷電停機(jī)時，油泵無油供給而冷凍機(jī)仍保持運(yùn)轉(zhuǎn)或借慣性繼續(xù)高速回轉(zhuǎn)，因無潤滑而造成設(shè)備摩擦部位的“燒傷”或“咬合”事故。3.3螺桿式制冷壓縮機(jī)3.3.1螺桿式冷凍機(jī)組的工作原理（一）單螺桿制冷壓縮機(jī)（single screw compressor）利用一個主動轉(zhuǎn)子和兩個星輪的嚙合產(chǎn)生壓縮。它的吸氣、壓縮、排氣三個連續(xù)過程是靠轉(zhuǎn)子、星輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生周期性的容積變化來實現(xiàn)的。轉(zhuǎn)子齒數(shù)為六，星輪為十一齒。主要部件為一個轉(zhuǎn)子、兩個星輪、機(jī)體、主軸承、能量調(diào)節(jié)裝置。容量可以從10%-100%無級調(diào)節(jié)與三或四段式調(diào)節(jié)。壓縮原理：吸氣過程：氣體通過吸氣口進(jìn)入轉(zhuǎn)子齒槽。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，

18、星輪依次進(jìn)入與轉(zhuǎn)子齒槽嚙合的狀態(tài)，氣體進(jìn)入壓縮腔（轉(zhuǎn)子齒槽曲面、機(jī)殼腔和星輪齒面所形成的密閉空間）。壓縮過程：隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，壓縮腔容積不斷減小，氣體隨壓縮直至壓縮腔前沿轉(zhuǎn)至排氣口。排氣過程：壓縮腔前沿轉(zhuǎn)至排氣口后開始排氣，便完成一個工作循環(huán)。由于星輪對稱布置，循環(huán)在每旋轉(zhuǎn)一周時便發(fā)生兩次壓縮，排氣量相應(yīng)是上述一周循環(huán)排氣量的兩倍。（二）雙螺桿制冷壓縮機(jī)（twin screw compressor）雙螺桿制冷壓縮機(jī)是一種能量可調(diào)式噴油壓縮機(jī)。它的吸氣、壓縮、排氣三個連續(xù)過程是靠機(jī)體的一對相互嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生周期性的容積變化來實現(xiàn)。一般陽轉(zhuǎn)子為主動轉(zhuǎn)子，陰轉(zhuǎn)子為從動轉(zhuǎn)子。主要部件：雙轉(zhuǎn)子、機(jī)體、主軸承、軸封、平衡活塞與能量調(diào)節(jié)裝置。容量15100%無級調(diào)節(jié)或二、三段式調(diào)節(jié)，采取油壓活塞增減載方式。常規(guī)采用：徑向和軸向均為滾動軸承；開啟式設(shè)有油分離器、儲油箱和油泵；封閉式為差壓供油進(jìn)行潤滑、噴油、冷卻和驅(qū)動滑閥容量調(diào)節(jié)之活塞移動。圖3.3.1 雙螺桿結(jié)構(gòu)壓縮原理：吸氣過程：氣體經(jīng)吸氣口分別進(jìn)入陰陽轉(zhuǎn)子的齒間容積。壓縮過程：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，陰陽轉(zhuǎn)