1.1 制冷原理与制冷循环

1.1.1 蒸汽压缩制冷原理与制冷循环

1.蒸汽压缩制冷工作原理

如图1-1所示，为蒸汽压缩制冷系统的工作流程图，它由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器四个主要部件组成。

它们的作用分别是：制冷压缩机是维持制冷剂在制冷系统内工作流动的设备，也是制冷系统的“心脏”，从蒸发器吸热流出的低压、低温的制冷剂蒸汽，经过制冷压缩机的压缩后，成为高压、高温的制冷剂气体，然后进入冷凝器。

在冷凝器中，与外部的冷却介质水（或空气）进行热交换，放出其热量，使制冷剂蒸汽发生相变，由气态变为液态，流出冷凝器。节流阀的作用是对流出冷凝器的高温、高压的液态制冷剂实施节流降压，在降压的同时使制冷剂的温度降低。制冷剂在经过节流阀降压、降温的同时，一部分液体就“闪发”成了气态。节流阀还起到控制制冷剂流量的作用，以始终保持冷凝器中制冷剂的压力高于蒸发器中制冷剂的压力。

蒸发器是输出冷量的设备。经节流后的制冷剂液体流入蒸发器后，吸收蒸发器盘管内用于热交换介质水（或空气）的热量，使制冷剂液体吸热汽化，从而达到制冷的目的，获得了降温的效果。制冷剂液体经蒸发器的吸热汽化，又变成了低温、低压的制冷剂蒸汽，再进入制冷压缩机压缩，进行下一个循环，如此循环实现连续制冷。

2.蒸汽压缩制冷的实际循环

如图1-2所示，曲线1～2～3～4～5～1表示压缩式制冷的理论循环；曲线1′～2′～3′～4′～5′～1′表示压缩式制冷的实际循环；蒸汽压缩制冷的理论循环与实际循环的差别，主要表现在以下几个方面：

（1）在压缩机中的实际循环曲线上。实际制冷循环的压缩过程不是等熵的。1′表示压缩机的吸气状态，1′～1〞表示压缩机吸入的制冷剂蒸汽流经压缩机的吸气阀时的压力降和受到加热。1〞～2〞表示制冷剂蒸汽在汽缸内的压缩过程。由于压缩过程有热交换和其他不可逆的热量损失，实际的压缩过程是一个变指数的过程。2〞～2′表示制冷剂蒸汽流经排气阀时的压力降。

（2）在热交换器中的实际循环。在热交换器中存在着温差和流动阻力的损失。在冷凝器内，制冷剂蒸汽的冷凝温度TK高于冷却介质（水或空气）的温度；而在蒸发器中，制冷剂的蒸发温度T0低于被冷却介质（水或空气）的温度。同时，由于流动的阻力，冷凝过程2′～4′压力降低，蒸发过程5′～1′压力降低，热交换器进口处压力高于出口处压力，压缩机的压比增加。

（3）在制冷系统管路中的实际循环。制冷剂在流经管路和阀门时有压力损失和热交换。制冷剂高压蒸汽从压缩机的出口到冷凝器的入口，从冷凝器的出口到节流阀，从节流阀到蒸发器的入口，以及从蒸发器的出口到压缩机的入口的管道内流动时要克服流动的阻力而产生压力降，同时又与外部的介质进行热交换。另外，制冷剂流经阀门时也存在压力降和热交换。4′～4表示冷凝器出口到节流阀之间液体管内的压降，5～5′表示节流阀出口至蒸发器段管内的压降。

换热器内的传热温差和制冷管路系统内的压力损失，使蒸发温度降低，冷凝温度升高，压缩机的压缩比增加，从而导致制冷循环的经济性能降低，蒸发温度和冷凝温度的变化对制冷循环的影响，将在以后的制冷装置的调试中对照介绍，这里不叙。

制冷剂在制冷系统低温低压侧的管路内的热交换使制冷量降低。例如，低温制冷剂液体流经节流阀和蒸发器之间的管路时，从环境介质吸热在进入蒸发器前已经有部分液体汽化，使得有效制冷量降低。当低温制冷剂蒸汽在蒸发器出口到压缩机进口的管路内从环境介质吸热时，不仅影响到压缩机的吸入状态，而且还会产生有害的过热，使制冷循环的性能降低。

1.1.2 吸收式制冷原理与制冷循环

1.基本原理

在溴化锂吸收式制冷机中，制冷效应是这样产生的，先来看一个简单的试验装置。设有A和D两个容器，如图1-3所示，用一条玻璃管C连接组成一个密闭系统。向容器D中充以溴化锂溶液，就可以用来产生制冷效应了，其操作过程如下。

首先，把D放在电加热器F上加热，并把A放在水槽E中冷却，如图1-3（a）所示。D内的溶液温度升高后，水分不断蒸发出来，经过C进入A内进行冷凝。于是使D内的液面降低，而A中出现了凝结水，液面逐渐升高。当D中溴化锂溶液的浓度达到与A内的冷凝压力相对应的平衡浓度时，停止加热，并把D移入E，把A移入水槽B中，如图1-3（b）所示。由于D被冷却，其中溴化锂溶液吸收水蒸气的能力增强，于是D中的水蒸气被浓度较高的溴化锂溶液吸收，压力下降，A中的水蒸发，而把水槽B中的热量带走，产生制冷效应，使水的温度降低。但当D中的溴化锂溶液达到与其温度相对应的饱和浓度时，这一过程又停止了。反复进行上述操作，就能把水槽B中的热量带走，达到制冷的目的。

由上述可知，为了实现吸收制冷效应，需先从溴化锂溶液中释放出冷剂水蒸气，并将它冷凝成制冷剂水，然后使其在低压下蒸发，用以产生制冷效应。为了使制冷过程能连续进行，需再用溴化锂溶液来吸收蒸发过程中产生的冷剂水蒸气，以维持所需的真空。因此，“吸收制冷”必须包括发生、冷凝、蒸发和吸收这样四个过程。这也就是溴化锂吸收式制冷机的基本原理。在如图1-3所示的装置中，容器D是为了实现发生-吸收过程，故可称为发生-吸收器，容器A是为了进行冷凝-蒸发过程，故称为冷凝-蒸发器。因图中的操作过程是交替进行的，故不能连续获得制冷量。

2.溴化锂吸收式冷水机组的工作系统

实际应用中的溴化锂吸收式冷水机组的工作系统，如图1-4所示，这个工作系统是连续工作的。为了实现上述四个过程，工作系统中设有四大主要部件，发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器。为了提高机组的热力系数，还设有溶液热交换器。此外，为了使装置能连续工作，使工质在各大部件中进行循环，因而还装有屏蔽泵（发生器泵、吸收器泵和蒸发器泵）及相应的连接管道、阀门等。

溴化锂吸收式冷水机组工作时，发生器与冷凝器的压力较高，通常密封在一个筒体内，称为高压筒；蒸发器和吸收器的压力较低，密封在另一个筒体内，称为低压筒。高压筒和低压筒通过U形管及溶液管道连接。

在发生器中，浓度较低的溴化锂溶液被加热介质加热，温度升高，并在一定的压力下沸腾，使水分离出来，成为冷剂蒸汽，溶液则被浓缩。此过程称为发生过程，它是一种热质交换过程，其强烈程度与传热和传质的许多因素有关。

发生器中产生的冷剂蒸汽进入冷凝器，被冷凝器中的冷却水冷却而凝结成冷剂水。此过程称为冷凝过程。并且在其中冷剂蒸汽的压力与冷却水温度等条件有关。冷却水的温度则取决于周围环境介质的温度。

冷剂水经U形管（或其他节流装置）节流，进入蒸发器的水盘。由于蒸发器的压力很低，冷剂水在吸取了蒸发器管内冷媒水的热量后立即蒸发，形成冷剂蒸汽，使冷媒水的温度降低（即制冷）。为了使蒸发过程得以加强，冷剂水是利用蒸发器泵送往蒸发器的喷淋装置，均匀地喷淋在蒸发器的管簇上。

为使蒸发器中冷剂水的蒸发过程不断地进行，必须将产生的冷剂蒸汽带走，这就是吸收过程。从发生器回流出来的浓度较高的溶液，经节流装置进入吸收器内被冷却水冷却，温度降低而具有吸收冷剂蒸汽的能力。吸收过程也是一种热质交换的过程，并且在其进行时的剧烈程度同样跟传热和传质的许多因素有关。为了强化热质交换，通常将来自于发生器的浓溶液与吸收器中的稀溶液相混合，用吸收器泵送往吸收器的喷淋装置，并喷淋在吸收器的管簇上。吸收过程中产生的热量则由冷却水带走。因此，过程终止时溶液的浓度和温度都降低。

吸收器中的稀溶液，再由发生器泵送往发生器，这样，便完成了一个制冷循环，而实际的工作过程就是如此连续循环不已，蒸发器中连续地产生冷效应，达到制冷的目的。

机组中溶液热交换器的作用在于回收热量，减少热损失。因为从发生器出来的溴化锂浓溶液温度较高，为了吸收冷剂蒸汽，必须将其温度降低（由冷却水带走热量）。另外，从吸收器出来的稀溶液温度较低，把它送往发生器产生冷剂蒸汽，又需要外界热源来加热。因此，把浓溶液和稀溶液在溶液热交换器中进行热交换，不仅可以减少吸收器中冷却水带走的热量，而且可以减少外界加入发生器的热量，使机组的热效率提高。

由于溴化锂吸收式制冷机是在高真空下工作，为了抽除非凝性气体，机组中还必须设置有抽气装置。这种抽气装置可以是机械真空泵，也可以是其他形式的自动抽气装置。

综上所述，溴化锂吸收式制冷机组的工作过程包括两个部分：一部分是发生器中产生的冷剂蒸汽在冷凝器中凝结成冷剂水，经节流后进入蒸发器，在低压下吸热蒸发，产生冷效应；另一部分是从发生器出来的浓度较高的溴化锂溶液，经节流和冷却，在吸收器中吸收产生冷效应后的冷剂蒸汽，使制冷过程不断进行。溴化锂溶液吸收冷剂蒸汽后，浓度降低，由溶液泵输送，重新进入发生器。溶液工作部分的作用就相当于压缩式制冷机组中的压缩机。