冷凍機的工作原理及分類

冷凍機的分類及工作原理摘要：工業(yè)冷水機組通過液態(tài)冷凍劑在蒸發(fā)器中的汽化吸取冷凍循環(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。壓縮機由電動機驅(qū)動，通過電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)整臺冷水機組的工況調(diào)整。關鍵字：壓縮機制冷水循環(huán)電氣控制

0引言近年伴隨我國生產(chǎn)制造業(yè)進入一種新的迅速發(fā)展時期，市場競爭劇烈對產(chǎn)品質(zhì)量的規(guī)定亦有較大程度的提高。在生產(chǎn)過程中，由于機械、模具及工業(yè)反應不停產(chǎn)生熱量，影響產(chǎn)品質(zhì)量的問題頻頻發(fā)生。當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，冷凍水能及時吸取熱量，使模腔溫度迅速減少，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)芤簻囟葴p少并將溫度恒定在某一范圍內(nèi)，使金屬分子伴隨穩(wěn)定電流迅速附向鍍件表面，使產(chǎn)品平滑和密度增長。因此工業(yè)冷水機廣泛應用于多種工業(yè)生產(chǎn)，如：1.化工（學）工業(yè)2.塑料制品、塑料容器、制膜、塑鋼型材、管材、電線、電纜護套、輪胎行業(yè)3.電鍍及機床切削液冷卻行業(yè)4.制藥行業(yè)5.電子行業(yè)6.五金工業(yè)7.食品及飲料行業(yè)8.制鞋行業(yè)9.試驗室10.醫(yī)療設備11.光學儀器等。1工業(yè)冷水機組構成工業(yè)冷水機組系統(tǒng)的運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)三個互相聯(lián)絡的系統(tǒng)實現(xiàn)的。制冷劑循環(huán)系統(tǒng)：蒸發(fā)器中的液態(tài)制冷劑吸取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)，后被壓縮機吸入并壓縮（壓力和溫度增長）,氣態(tài)制冷劑通過冷凝器（風冷/水冷）吸取熱量，凝結成液體。通過膨脹閥（或毛細管）節(jié)流后變成低溫低壓制冷劑進入蒸發(fā)器，完畢制冷劑循環(huán)過程。水循環(huán)系統(tǒng)：水泵負責將水從水箱抽出泵到顧客需冷卻的設備，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、風扇、水泵等供應電源。自動控制部分包括溫控器、壓力保護、延時器、繼電器、過載保護等互相組合到達根據(jù)水溫自動啟停，保護等功能。2冷凍機的分類冷凍機按冷凍劑散熱方式分類冷凍機按冷凍劑散熱方式分可分為：風冷式冷水機及水冷式冷水機。風冷式冷水機，將常溫的水通過冷水機的壓縮機制冷到一定的溫度以強化冷卻工件或機器，作為單機使用，散熱裝置為內(nèi)置之風扇，而水冷式冷凍機的冷凍劑的散熱方式為循環(huán)冷卻水。冷凍機按壓縮機構造形式分類冷凍機按壓縮機形式分可分為活塞式冷凍機、螺桿式冷凍機、離心式冷凍機。冷凍機按其構造特性分類根據(jù)其構造特性，可分為啟動式、半封閉式和全封閉式三種。雖然構造各異，但它們之間也有許多共同之處，只是其構造特性不一樣。啟動式制冷壓縮機的構造特性在于：壓縮機的動力輸入軸伸出機體外，通過聯(lián)軸器或皮帶輪與電動機聯(lián)結，并在伸出處用軸封裝置密封。目前，氨壓縮機和容量較大的氟利昂壓縮機都采用這種構造形式。半封閉式制冷壓縮機的構造特點是：壓縮機與電動機共用一主軸，并共同組裝于同一機殼內(nèi)，但機殼為可拆式，其上開有多種工作孔用蓋板密封。全封閉式制冷壓縮機的構造特點在于：壓縮機與其驅(qū)動電動機共用一種主軸，兩者組裝在一種焊接成型的密封罩殼中。這種壓縮機構造緊湊，密封性好，使用以便，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。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)：單級制冷機是應用比較廣泛的一類制冷機，它可以應用于制冰、空調(diào)、食品冷藏及工業(yè)生產(chǎn)過程等方面。單級制冷循環(huán)是指制冷劑在制冷系統(tǒng)內(nèi)相繼通過壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)四個過程，便完畢了單級制冷機的循環(huán)，即到達了制冷的目的。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、油分離器、冷凝器、貯氨器、氨液分離器、節(jié)流閥及其他附屬設備等構成，互相間通過管子聯(lián)接成一種封閉系統(tǒng)。其中，蒸發(fā)器是輸送冷量的設備，液態(tài)制冷劑蒸發(fā)后吸取被冷卻物體的熱量實現(xiàn)制冷；壓縮機是系統(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)整冷凝器和蒸發(fā)器之間制冷劑氨液的供需關系；氨液分離器是氨重力供液系統(tǒng)中的重要附屬設備；節(jié)流閥對制冷劑起節(jié)流降壓作用同步控制和調(diào)整流入蒸發(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)的基礎上發(fā)展起來的，其壓縮過程分兩個階段進行，來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽先進入低壓級汽缸壓縮到中間壓力，通過中間冷卻后再進入高壓級汽缸，壓縮到冷凝壓力進入冷凝器中。一般蒸發(fā)溫度在-25℃~-50圖雙級流程示意圖其他形式分類冷凍機按所采用的制冷劑分類一般有氨壓縮機和氟利昂壓縮機等。按作用方式分類，有單作用壓縮機和雙級作用壓縮機。按制冷劑蒸氣在氣缸中的運動分類，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、臥式壓縮機、V型、W型和S型壓縮機等。3冷凍機壓縮機工作原理活塞式制冷壓縮機3.1.1活塞式壓縮機工作原理活塞式壓縮機的工作是氣缸、氣閥和在氣缸中作往復運動的活塞所構成的工作容積不停變化來完畢。按圖活塞式壓縮機示功圖所示，則活塞式壓縮機曲軸每旋轉(zhuǎn)一周所完畢的工作，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動，吸、排汽閥處在關閉狀態(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內(nèi)氣體壓力與排氣壓力相等。壓縮排氣過程2-3：活塞繼續(xù)向上移動，致使氣缸內(nèi)的氣體壓力不小于排氣壓力，則排氣閥啟動，氣缸內(nèi)的氣體在活塞的推進下等壓排出氣缸進入排氣管謹，直至活塞運動到上止點。此時由于排氣閥彈簧力和閥片自身重力的作用，排氣閥關閉排氣結束。至此，壓縮機完畢了一種由吸氣、壓縮和排氣三個過程構成的工作循環(huán)。此后，活塞又向下運動，反復上述三個過程，如此周而復始地進行循環(huán)。圖活塞式壓縮機示功圖3.1.2活塞式冷凍機的潤滑在活塞式冷凍機中，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及主軸軸封的靜動摩擦密封面等。在小型低速冷凍機中最簡樸的潤滑方式是飛濺潤滑，即在冷凍機的曲軸箱內(nèi)，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到達，潤滑不充足，易導致大的摩擦和磨損，故這種潤滑方式可靠性差，已很少單獨采用。在新、老系列的冷凍機中大多采用著強制性循環(huán)潤滑，即運用油泵將油強制輸送到各潤滑點。活塞式冷凍機的潤滑多為內(nèi)傳動系統(tǒng)，即潤滑系統(tǒng)不單獨設置油箱和油泵站，而是采用冷凍機的曲軸箱兼作潤滑油箱，專門的潤滑泵與曲軸的一端相連，潤滑裝置與冷凍機構成了一種整體。油泵經(jīng)孔為-0.154mm的篩網(wǎng)式粗濾器從曲軸箱中吸油，而后通過濾精度為10-20μm的紙質(zhì)或粉末冶金式的精細濾油器將冷凍機潤滑油壓出，一路潤滑油被送到曲軸的前端，潤滑軸封、前主軸承、曲柄銷及連桿小頭，另一路壓力油進到曲軸的后端，潤滑后主軸承、曲柄銷及連桿小頭，此外該壓力油還同步被送到油分派閥，用于控制能量調(diào)整構造。潤滑系統(tǒng)中還應帶有壓力表、調(diào)壓閥等必備元件，調(diào)壓閥用于調(diào)整潤滑油的壓力并可使多出的潤滑油流回曲軸箱。在該系統(tǒng)中氣缸面是運用連桿小頭擠出的油和連桿大頭甩出的油實現(xiàn)摩擦面的潤滑。冷凍機中所采用的潤滑泵一般有外嚙合齒輪式油泵、內(nèi)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，因冷凍機機殼與電動機機殼連成一體，從外部難以辨別泵的轉(zhuǎn)向，輕易導致齒輪泵轉(zhuǎn)向的錯誤而使?jié)櫥ъ`，故外嚙合齒輪泵在冷凍機中較少應用。對內(nèi)嚙合齒輪泵而言，月牙體(分開吸、壓油腔，保證內(nèi)外齒輪頂密封的構件)可做成具有自動定位的構造，不管齒輪的旋轉(zhuǎn)方向怎樣都不變化吸、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中廣為應用。擺線轉(zhuǎn)子泵與內(nèi)嚙合齒輪泵類似，也可做到對泵的旋轉(zhuǎn)方向無限制，此外擺線轉(zhuǎn)子泵齒形簡樸，加工輕易，構造緊湊，在冷凍機中有著廣闊的應用前景。離心式制冷壓縮機3.2.1離心式制冷壓縮機的構造和工作原理離心式制冷壓縮機的構造和工作原理與離心式鼓風機極為相似。它是依托動能的變化來提高汽體壓力。離心式壓縮機具有帶葉片的葉輪，當葉輪轉(zhuǎn)動時，葉片就帶動汽體運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。這種壓縮機由于它工作時不停地將制冷劑蒸汽吸入，又不停地沿半徑方向被甩出去，因此稱這種型式的壓縮機為離心式壓縮機。其中根據(jù)壓縮機中安裝的工作輪數(shù)量的多少，分為單級式和多級式。假如只有一種工作輪，就稱為單級離心式壓縮機，假如是由幾種工作輪串聯(lián)而構成，就稱為多級離心式壓縮機。在空調(diào)中，由于壓力增高較少，因此一般都是采用單級，其他方面所用的離心式制冷壓縮機大都是多級的。單級離心式制冷壓縮機的構造重要由葉輪、擴壓器和蝸殼等所構成。壓縮機工作時制冷劑蒸汽由吸汽口軸向進入吸汽室，并在吸汽室的導流作用引導由蒸發(fā)器(或中間冷卻器)來的制冷劑蒸汽均勻地進入高速旋轉(zhuǎn)的葉輪(葉輪是離心式制冷壓縮機的重要部件，由于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入截面積逐漸擴大的擴壓器(由于汽體從工作輪番出時具有較高的流速，擴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)。汽體流過擴壓器時速度減小，而壓力則深入提高。經(jīng)擴壓器后汽體匯集到蝸殼中，再經(jīng)排氣口引導至中間冷卻器或冷凝器中。3.2.2離心式制冷壓縮機的特點與特性離心式制冷壓縮機與活塞式制冷壓縮機相比較，具有下列長處：(1)單機制冷量大，在制冷量相似時它的體積小，占地面積少，重量較活塞式輕5～8倍。(2)由于它沒有汽閥活塞環(huán)等易損部件，又沒有曲柄連桿機構，因而工作可靠、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音小、操作簡樸、維護費用低。(3)工作輪和機殼之間沒有摩擦，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。(4)能經(jīng)濟以便的調(diào)整制冷量且調(diào)整的范圍較大。(5)對制冷劑的適應性差，一臺構造一定的離心式制冷壓縮機只能適應一種制冷劑。(6)由于合適采用分子量比較大的制冷劑，故只合用于大制冷量，一般都在25～30萬大卡／時以上。如制冷量太少，則規(guī)定流量小，流道窄，從而使流動阻力大，效率低。但近年來通過不停改善，用于空調(diào)的離心式制冷壓縮機，單機制冷量可以小到10萬大卡／時左右。3.2.3離心式冷凍機潤滑離心式冷凍機的重要潤滑部位是增速齒輪、主軸承及軸端的機械密封。一般齒輪箱可兼做潤滑油箱，其中裝有電加熱器可對潤滑油進行預熱，油泵用于將油抽送到專設的高位油箱，再由高位油箱把油引到所需的潤滑部位，該種方式可防止油泵供油系統(tǒng)忽然故障或冷凍機忽然斷電停機時，油泵無油供應而冷凍機仍保持運轉(zhuǎn)或借慣性繼續(xù)高速回轉(zhuǎn)，因無潤滑而導致設備摩擦部位的“燒傷”或“咬合”事故。螺桿式制冷壓縮機3.3.1螺桿式冷凍機組的工作原理（一）單螺桿制冷壓縮機（singlescrewcompressor）運用一種積極轉(zhuǎn)子和兩個星輪的嚙合產(chǎn)生壓縮。它的吸氣、壓縮、排氣三個持續(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。重要部件為一種轉(zhuǎn)子、兩個星輪、機體、主軸承、能量調(diào)整裝置。容量可以從10%-100%無級調(diào)整及三或四段式調(diào)整。壓縮原理：吸氣過程：氣體通過吸氣口進入轉(zhuǎn)子齒槽。伴隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，星輪依次進入與轉(zhuǎn)子齒槽嚙合的狀態(tài)，氣體進入壓縮腔（轉(zhuǎn)子齒槽曲面、機殼內(nèi)腔和星輪齒面所形成的密閉空間）。壓縮過程：伴隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，壓縮腔容積不停減小，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，便完畢一種工作循環(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，排氣量對應是上述一周循環(huán)排氣量的兩倍。（二）雙螺桿制冷壓縮機（twinscrewcompressor）雙螺桿制冷壓縮機是一種能量可調(diào)式噴油壓縮機。它的吸氣、壓縮、排氣三個持續(xù)過程是靠機體內(nèi)的一對互相嚙合的陰陽轉(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)子為積極轉(zhuǎn)子，陰轉(zhuǎn)子為從動轉(zhuǎn)子。重要部件：雙轉(zhuǎn)子、機體、主軸承、軸封、平衡活塞及能量調(diào)整裝置。容量15～100%無級調(diào)整或二、三段式調(diào)整，采用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；啟動式設有油分離器、儲油箱和油泵；封閉式為差壓供油進行潤滑、噴油、冷卻和驅(qū)動滑閥容量調(diào)整之活塞移動。圖3.3.1雙螺桿構造壓縮原理：吸氣過程：氣體經(jīng)吸氣口分別進入陰陽轉(zhuǎn)子的齒間容積。壓縮過程：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，陰陽轉(zhuǎn)子齒間容積連通（V型空間），由于齒的互相嚙合，容積逐漸縮小，氣體得到壓縮。排氣過程：壓縮氣體移到排氣口，完畢一種工作循環(huán)。4蒸發(fā)式冷凝器蒸發(fā)器工作原理制冷劑通過節(jié)流膨脹閥以較低的壓力和溫度進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)與冷凍水進行換熱，吸取蒸發(fā)器內(nèi)冷凍水的熱量，液態(tài)制冷劑變?yōu)闅鈶B(tài)，使冷凍水降溫輸出。冷凝器運行原理通過壓縮的高溫氣態(tài)制冷劑進入冷凝盤管通過盤管壁與盤管外側(cè)噴淋水和空氣進行熱互換，制冷劑氣體的溫度伴隨在管內(nèi)的時間加長而下降，由氣態(tài)逐漸變成液態(tài)。用風機超強風力，使噴淋水充足覆蓋在盤管外表面上，從而提高了換熱效率。噴淋水和空氣吸取盤管壁的熱量后溫度升高，部分水由液態(tài)變成氣態(tài)，帶走管壁上大量熱量，濕熱空氣中的水份被