冷冻机的工作原理与分类.docx
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冷冻机的工作原理与分类
冷冻机的分类及工作原理
摘要：
工业冷水机组通过液态冷冻剂在蒸发器中的汽化吸收冷冻循环水中的
热量，实现制冷目的。
汽化的冷冻剂通过压缩机压缩，经冷凝器冷凝成液态
供下个制冷循环使用。
压缩机由电动机驱动，通过电气控制系统实现整台冷
水机组的工况调节。
关键字：
压缩机 制冷 水循环 电气控制
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0 引言
近年随着我国生产制造业进入一个新的快速发展时期，市场竞争激烈对
产品质量的要求亦有较大程度的提高。
在生产过程中，由于机械、模具及工
业反应不断产生热量，影响产品质量的问题屡屡发生。
当温度超过物料之承
受程度产品质量就不稳定，以塑料产品和电镀生产为例，塑料产品生产中冷
却时间占全周期 80%以上，冷却时间减少之重要性由此可见，冷冻水能及时
吸收热量，使模腔温度快速降低，加速产品定型，缩短开面。
电镀生产中冷
冻水能将电镀溶液温度降低并将温度恒定在某一围，使金属分子随着稳
定电流快速附向镀件表面，使产品平滑和密度增加。
因此工业冷水机广泛应用于多种工业生产 ，如：
1.化工（学）工业 2.塑
料制品、塑料容器、制膜 、塑钢型材、管材、电线、电缆护套、轮胎行业 3.
电镀及机床切削液冷却行业 4.制药行业 5.电子行业 6.五金工业 7. 食品及饮料
行业 8.制鞋行业 9.实验室 10.医疗设备 11.光学仪器等。
1 工业冷水机组组成
工业冷水机组系统的运作是通过制冷剂循环系统、水循环系统、电器自
控系统三个相互联系的系统实现的。
制冷剂循环系统：
蒸发器中的液态制冷剂吸收水中的热量并开始蒸发，最终制冷剂与水之
间形成一定的温度差，液态制冷剂亦完全蒸发变为气态，后被压缩机吸入并
压缩（压力和温度增加）,气态制冷剂通过冷凝器（风冷/水冷）吸收热量，凝
结成液体。
通过膨胀阀（或毛细管）节流后变成低温低压制冷剂进入蒸发器，
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完成制冷剂循环过程。
水循环系统：
水泵负责将水从水箱抽出泵到用户需冷却的设备，冷冻水将热量带走后
温度升高，再回到冷冻水箱中。
电器自控系统：
包括电源部分和自动控制部分。
电源部分是通过接触器，对压缩机、风
扇、水泵等供应电源。
自动控制部分包括温控器、压力保护、延时器、继电
器、过载保护等相互组合达到根据水温自动启停，保护等功能。
2 冷冻机的分类
2.1 冷冻机按冷冻剂散热方式分类
冷冻机按冷冻剂散热方式分可分为：
风冷式冷水机及水冷式冷水机。
风冷式冷水机，将常温的水通过冷水机的压缩机制冷到一定的温度以强
化冷却工件或机器，作为单机使用，散热装置为置之风扇，而水冷式冷冻
机的冷冻剂的散热方式为循环冷却水。
2.2 冷冻机按压缩机结构形式分类
冷冻机按压缩机形式分可分为活塞式冷冻机、螺杆式冷冻机、离心式冷
冻机。
2.3 冷冻机按其结构特征分类
根据其结构特征，可分为开启式、半封闭式和全封闭式三种。
虽然构造
各异，但它们之间也有许多共同之处，只是其结构特征不同。
开启式制冷压缩机的结构特征在于：
压缩机的动力输入轴伸出机体外，通过
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联轴器或皮带轮与电动机联结，并在伸出处用轴封装置密封。
目前，氨压缩
机和容量较大的氟利昂压缩机都采用这种结构形式。
半封闭式制冷压缩机的结构特点是：
压缩机与电动机共用一主轴，并共同组
装于同一机壳，但机壳为可拆式，其上开有各种工作孔用盖板密封。
全封闭式制冷压缩机的结构特点在于：
压缩机与其驱动电动机共用一个
主轴，二者组装在一个焊接成型的密封罩壳中。
这种压缩机结构紧凑，密封
性好，使用方便，振动小、噪音小，广泛使用在小型自动化制冷和空调装置
中。
2.3 按制冷循环系统特点分类
按制冷循环特点分类，可分为单级制冷循环系统和双级制冷循环系统
1.单级制冷循环系统：
单级制冷机是应用比较广泛的一类制冷机，它可以应用于制冰、空调、食品
冷藏及工业生产过程等方面。
单级制冷循环是指制冷剂在制冷系统相继经
过压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程，便完成了单级制冷机的循环，即达到
了制冷的目的。
以氨作为冷媒的单级制冷循环制冷系统由蒸发器、单级压缩机、油分离器、
冷凝器、贮氨器、氨液分离器、节流阀及其它附属设备等组成，相互间通过
管子联接成一个封闭系统。
其中，蒸发器是输送冷量的设备，液态制冷剂蒸
发后吸收被冷却物体的热量实现制冷；压缩机是系统的心脏，起着吸入、压
缩、输送制冷剂蒸汽的作用；油分离器用于沉降分离压缩后的制冷剂蒸汽中
的油；冷凝器将压缩机排出的高温制冷剂蒸汽冷凝成为饱和液体；贮氨器用
来贮存冷凝器里冷凝的制冷剂氨液，调节冷凝器和蒸发器之间制冷剂氨液的
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供需关系；氨液分离器是氨重力供液系统中的重要附属设备；节流阀对制冷
剂起节流降压作用同时控制和调节流入蒸发器中制冷剂液体的流量，并将系
统分为高压侧和低压侧两部分。
图 2.1 单级流程示意图
2.双级制冷循环系统
双级制冷循环是在单级制冷循环的基础上发展起来的，其压缩过程分两
个阶段进行，来自蒸发器的制冷剂蒸汽先进入低压级汽缸压缩到中间压力，
经过中间冷却后再进入高压级汽缸，压缩到冷凝压力进入冷凝器中。
一般蒸
发温度在-25℃~-50℃时，应采用双级压缩机进行制冷。
氨冷媒双级制冷循环
制冷系统由蒸发器、双级压缩机、油分离器、冷凝器、中间冷却器、贮氨器、
氨液分离器、节流阀及其它附属设备等组成，相互间通过管子联接成一个封
闭系统。
其中，中间冷却器利用少量液态制冷介质在中间压力下汽化吸热，
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使低压级排出的过热蒸汽得到冷却，降低高压级的吸气温度，同时还使高压
液态制冷工质得到冷却。
图 2.2 双级流程示意图
2.4 其他形式分类
冷冻机按所采用的制冷剂分类一般有氨压缩机和氟利昂压缩机等。
按作
用方式分类，有单作用压缩机和双级作用压缩机。
按制冷剂蒸气在气缸中的
运动分类，有直流式和逆流式。
按气缸中心线的位置分类，有立式压缩机、
卧式压缩机、V 型、W 型和 S 型压缩机等。
3 冷冻机压缩机工作原理
3.1 活塞式制冷压缩机
3.1.1 活塞式压缩机工作原理
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活塞式压缩机的工作是气缸、气阀和在气缸中作往复运动的活塞所构成
的工作容积不断变化来完成。
按图 3.1 活塞式压缩机示功图所示，则活塞式
压缩机曲轴每旋转一周所完成的工作，可分为吸气 3-4-1、压缩和压缩过程 1-
2：
活塞从下止点向上运动，吸、排汽阀处于关闭状态，气体在密闭的气缸中
被压缩，由于气缸容积逐渐缩小，则压力、温度逐渐升高直至气缸气体压
力与排气压力相等。
压缩过程一般被看作是等熵过程。
排气过程 2-3：
活塞继续向上移动，致使气缸的气体压力大于排气压
力，则排气阀开启，气缸的气体在活塞的推动下等压排出气缸进入排气管
谨，直至活塞运动到上止点。
此时由于排气阀弹簧力和阀片本身重力的作用，
排气阀关闭排气结束。
至此，压缩机完成了一个由吸气、压缩和排气三个过程组成的工作循环。
此后，活塞又向下运动，重复上述三个过程，如此周而复始地进行循环。
图 3.1 活塞式压缩机示功图
3.1.2 活塞式冷冻机的润滑
在活塞式冷冻机中，需要润滑的摩擦部位有：
活塞与气缸的壁面；连杆
大头轴瓦与曲柄销；连杆小头轴瓦与活塞销；活塞销与活塞销座；前后滑动
轴承的轴瓦和主轴颈以及主轴轴封的静动摩擦密封面等。
在小型低速冷冻机中最简单的润滑方式是飞溅润滑，即在冷冻机的曲轴
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箱，借助于曲轴的连杆大头的回转搅动油面，将润滑油甩到摩擦表面使之
润滑，但对有些摩擦表面润滑油难以达到，润滑不充分，易造成大的摩擦和
磨损，故这种润滑方式可靠性差，已很少单独采用。
在新、老系列的冷冻机多采用着强制性循环润滑，即利用油泵将油
强制输送到各润滑点。
活塞式冷冻机的润滑多为传动系统，即润滑系统不
单独设立油箱和油泵站，而是采用冷冻机的曲轴箱兼作润滑油箱，专门的润
滑泵与曲轴的一端相连，润滑装置与冷冻机构成了一个整体。
油泵经孔为 0.28-0.154mm 的筛网式粗滤器从曲轴箱中吸油，而后经过滤
精度为 10-20μm 的纸质或粉末冶金式的精细滤油器将冷冻机润滑油压出，一
路润滑油被送到曲轴的前端，润滑轴封、前主轴承、曲柄销及连杆小头，另
一路压力油进到曲轴的后端，润滑后主轴承、曲柄销及连杆小头，此外该压
力油还同时被送到油分配阀，用于控制能量调节结构。
润滑系统中还应带有
压力表、调压阀等必备元件，调压阀用于调节润滑油的压力并可使多余的润
滑油流回曲轴箱。
在该系统中气缸面是利用连杆小头挤出的油和连杆大头甩
出的油实现摩擦面的润滑。
冷冻机中所采用的润滑泵通常有外啮合齿轮式油泵、啮合齿轮式油泵
（俗称月牙泵）和摆线转子式油泵（俗称梅花泵）等 3 种。
对于外啮合齿轮泵吸压
油口的位置确定后，泵的旋转方向是一定的，不可逆转，对全封闭和半封闭
式冷冻机，因冷冻机机壳与电动机机壳连成一体，从外部难以辨别泵的转向，
容易造成齿轮泵转向的错误而使润滑失灵，故外啮合齿轮泵在冷冻机中较少
应用。
对啮合齿轮泵而言，月牙体（分开吸、压油腔，保证外齿轮顶密封
的构件）可做成具有自动定位的结构，不论齿轮的旋转方向如何都不改变吸、
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压油口的位置，故对油泵的转向无限制，因此在新系列封闭和半封闭式冷冻
机中广为应用。
摆线转子泵与啮合齿轮泵类似，也可做到对泵的旋转方向
无限制，此外摆线转子泵齿形简单，加工容易，结构紧凑，在冷冻机中有着
广阔的应用前景。
3.2 离心式制冷压缩机
3.2.1 离心式制冷压缩机的构造和工作原理
离心式制冷压缩机的构造和工作原理与离心式鼓风机极为相似。
它是依
靠动能的变化来提高汽体压力。
离心式压缩机具有带叶片的叶轮，当叶轮转
动时，叶片就带动汽体运动或者使汽体得到动能，然后使部分动能转化为压
力能从而提高汽体的压力。
这种压缩机由于它工作时不断地将制冷剂蒸汽吸
入，又不断地沿半径方向被甩出去，所以称这种型式的压缩机为离心式压缩
机。
其中根据压缩机中安装的工作轮数量的多少，分为单级式和多级式。
如
果只有一个工作轮，就称为单级离心式压缩机，如果是由几个工作轮串联而
组成，就称为多级离心式压缩机。
在空调中，由于压力增高较少，所以一般
都是采用单级，其它方面所用的离心式制冷压缩机大都是多级的。
单级离心
式制冷压缩机的构造主要由叶轮、扩压器和蜗壳等所组成。
压缩机工作时制
冷剂蒸汽由吸汽口轴向进入吸汽室，并在吸汽室的导流作用引导由蒸发器（或
中间冷却器）来的制冷剂蒸汽均匀地进入高速旋转的叶轮（叶轮是离心式制冷
压缩机的重要部件，因为只有通过工作轮才能将能量传给汽体）。
汽体在叶片
作用下，一边跟着叶轮作高速旋转，一边由于受离心力的作用，在叶片槽道
中作扩压流动，从而使汽体的压力和速度都得到提高。
由工作轮出来的汽体
再进入截面积逐渐扩大的扩压器 （因为汽体从工作轮流出时具有较高的流速，
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扩压器便把动能部分地转化为压力能，从而提高汽体的压力）。
汽体流过扩压
器时速度减小，而压力则进一步提高。
经扩压器后汽体汇集到蜗壳中，再经
排气口引导至中间冷却器或冷凝器中。
3.2.2 离心式制冷压缩机的特点与特性
离心式制冷压缩机与活塞式制冷压缩机相比较，具有下列优点：
（1）单机制冷量大，在制冷量相同时它的体积小，占地面积少，重量较活
塞式轻 5～8 倍。
（2）由于它没有汽阀活塞环等易损部件，又没有曲柄连杆机构，因而工作
可靠、运转平稳、噪音小、操作简单、维护费用低。
（3）工作轮和机壳之间没有摩擦，无需润滑。
故制冷剂蒸汽与润滑油不接
触，从而提高了蒸发器和冷凝器的传热性能。
（4）能经济方便的调节制冷量且调节的围较大。
（5）对制冷剂的适应性差，一台结构一定的离心式制冷压缩机只能适应一
种制冷剂。
（6）由于适宜采用分子量比较大的制冷剂，故只适用于大制冷量，一般都
在 25～30 万大卡／时以上。
如制冷量太少，则要求流量小，流道窄，从而使
流动阻力大，效率低。
但近年来经过不断改进，用于空调的离心式制冷压缩
机，单机制冷量可以小到 10 万大卡／时左右。
3.2.3 离心式冷冻机润滑
离心式冷冻机的主要润滑部位是增速齿轮、主轴承及轴端的机械密封。
通常齿轮箱可兼做润滑油箱，其中装有电加热器可对润滑油进行预热，油泵
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用于将油抽送到专设的高位油箱，再由高位油箱把油引到所需的润滑部位，
该种方式可防止油泵供油系统突然故障或冷冻机突然断电停机时，油泵无油
供给而冷冻机仍保持运转或借惯性继续高速回转，因无润滑而造成设备摩擦
部位的“烧伤”或“咬合”事故。
3.3 螺杆式制冷压缩机
3.3.1 螺杆式冷冻机组的工作原理
（一）单螺杆制冷压缩机（single screw compressor）
利用一个主动转子和两个星轮的啮合产生压缩。
它的吸气、压缩、排气
三个连续过程是靠转子、星轮旋转时产生周期性的容积变化来实现的。
转子
齿数为六，星轮为十一齿。
主要部件为一个转子、两个星轮、机体、主轴承、
能量调节装置。
容量可以从 10%-100%无级调节及三或四段式调节。
压缩原理：
吸气过程：
气体通过吸气口进入转子齿槽。
随着转子的旋转，星轮依次
进入与转子齿槽啮合的状态，气体进入压缩腔（转子齿槽曲面、机壳腔和
星轮齿面所形成的密闭空间）。
压缩过程：
随着转子旋转，压缩腔容积不断减小，气体随压缩直至压缩
腔前沿转至排气口。
排气过程：
压缩腔前沿转至排气口后开始排气，便完成一个工作循环。
由于星轮对称布置，循环在每旋转一周时便发生两次压缩，排气量相应是上
述一周循环排气量的两倍。
（二）双螺杆制冷压缩机（twin screw compressor）
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双螺杆制冷压缩机是一种能量可调式喷油压缩机。
它的吸气、压缩、排
气三个连续过程是靠机体的一对相互啮合的阴阳转子旋转时产生周期性的
容积变化来实现。
一般阳转子为主动转子，阴转子为从动转子。
主要部件：
双转子、机体、主轴承、轴封、平衡活塞及能量调节装置。
容量 15～100%无级调节或二、三段式调节，采取油压活塞增减载方式。
常规
采用：
径向和轴向均为滚动轴承；开启式设有油分离器、储油箱和油泵；封
闭式为差压供油进行润滑、喷油、冷却和驱动滑阀容量调节之活塞移动。
图 3.3.1 双螺杆结构
压缩原理：
吸气过程：
气体经吸气口分别进入阴阳转子的齿间容积。
压缩过程：
转子旋转时，阴阳转子齿间容积连通（V 型空间），由于齿
的 互相啮合，容积逐步缩小，气体得到压缩。
排气过程：
压缩气体移到排气口，完成一个工作循环。
4 蒸发式冷凝器
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4.1 蒸发器工作原理
制冷剂通过节流膨胀阀以较低的压力和温度进入蒸发器，在蒸发器与冷冻
水进行换热，吸收蒸发器冷冻水的热量，液态制冷剂变为气态，使冷冻水
降温输出。
4.2 冷凝器运行原理
经过压缩的高温气态制冷剂进入冷凝盘管通过盘管壁与盘管外侧喷淋水和空
气进行热交换，制冷剂气体的温度随着在管的时间加长而下降，由气态逐
渐变成液态。
用风机超强风力，使喷淋水充分覆盖在盘管外表面上，从而提
高了换热效率。
喷淋水和空气吸收盘管壁的热量后温度升高，部分水由液态
变成气态，带走管壁上大量热量，湿热空气中的水份被挡水板截住引入 PVC
热交换层中，热空气排出。
PVC 热交换层中的水被流过的新风冷却，温度降
低，流入集水槽中，再由水泵送入喷淋系统中，继续循环。
散失到空气中的
水份由水位控制装置自动调节补充。
5 结论
工业生产中冷冻机作为有效减少冷却时间的关键机组不断体现其在质量控制
过程中的重要性。
随着工业自动化程度的日益提高，冷冻机的电气控制系统
向着高精度、多功能、集成控制及运行安全稳定等方向不断发展改进。
压缩
机作为冷冻机的心脏其关键技术也在不断发展提高中，活塞式压缩机以逐渐
推出历史舞台，大制冷量的工业装置主要使用离心式压缩机，螺杆式压缩机
以其工作效率高，工况调节围大，制冷量适用围广受到越来越多的工业
用户青睐。
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