制冷理论基础

1. 热力学基础概念

热量单位：焦耳（J）

热传：当两物质间存在温差，就会发生传热

热量传递方式：

传导传热，热量通过物质内部的分子运动传递，主要发生在固体中；
对流传热，借助流动介质（气体/液体），将热量从一个地点带到另一个地点；
辐射传热，热量以电磁波（红外线为主）的形式直接传递，无需介质，可在真空中传播。热辐射的强度随距离的平方递减；

热量的三种表现形式：

显热：引起热程度变化的热量；
潜热：加入了热量，但是温度并未上升的热量。如水在100℃时，此时再加入更多的热量，即所谓的潜热，水将开始蒸发，但是水的温度不变维持在100℃；
比热：不同的物质对于热量的加入有不同的反应。比热是指某种1磅重量的物质上升1℉所需的热量；

华氏度转摄氏度换算公式：

\[℃ = \frac{5}{9} \times (℉ - 32)\]

压力表示：

表压：以大气压为基准测量的相对压力；
绝压：以绝对真空为零点测量的压力；

\[\begin{aligned} P_{\text{绝对}} &= P_{\text{表}} + P_{\text{大气}} \\ \end{aligned}\]

制冷与空调行业常用公制压力单位是千帕（kPa）

\[\begin{aligned} 1\ \text{MPa} &= 10\ \text{bar} \\ 1\ \text{bar} &= 100\ \text{kPa} \\ 1\ \text{kPa} &= 1,000\ \text{Pa} \\ \end{aligned}\]

沸点与饱和温度:

沸点就是饱和温度。更准确的说，液体的沸点，通常指标准大气压下所对应的饱和温度；
饱和温度是指液体在某一给定压力下开始沸腾（或蒸汽开始凝结）的温度。
重点在于，饱和温度不是一个固定的值，它依赖于压力。压力升高，饱和温度升高（不容易沸），反之亦然；
其次不同的媒介对应着不同的饱和蒸气压力曲线，在这条曲线上，每一个压力值（P）都有且仅有一个对应的温度值（T），在这个T下，液体才能和蒸汽平衡共存。这个T就是该压力P下的饱和温度（也就是沸点）；
饱和温度在制冷空调行业中的应用，通过压缩机改变制冷剂的压力，从而改变其饱和温度（沸点），实现吸热（蒸发）和放热（冷凝）的循环；

2. 制冷基础

制冷系统组成：

蒸发器，从被冷却物中吸收热量，热量使制冷剂汽化；
压缩机，增压（将吸气压力状态提升至排气压力状态），将制冷剂从低压侧移动到高压侧进入冷凝器；
冷凝器，排热器件，用于为制冷系统排出显热和潜热，包括蒸发器吸收的热量、压缩机产生的压缩热、机械摩擦热量；
制冷剂节流装置，高压液态制冷剂通过狭窄通道时，压力骤降部分液体闪发为气体，吸收潜热导致温度急剧下降。常见节流装置像毛细管、膨胀阀；
- 流体被迫通过狭窄通道时，局部流速急剧增加（伯努利效应），部分压力能（机械能）转化为流体分子间的摩擦热（内能），但由于过程极快（毫秒级），与外界几乎无热交换，视为绝热过程；
- 压力能消耗导致降压；
- 相变触发温度骤降，压力突然降低至饱和压力以下时，液态制冷剂变为过热状态，触发闪气；

flowchart TD
subgraph 被冷却物
    A[蒸发器]
end
subgraph 环境
    C[冷凝器]
end
    A -->|吸气管（高温气体）| B[压缩机]
    A -->|&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp换热，吸热| 被冷却物
    B -->|排气管/热气管（高温气体）| C[冷凝器]
    C -->|液管（铜管，低温液体）| D[节流装置]
    C --> |&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp换热，放热| 环境
    D -->|（低温过冷气液混合体<br>25%气，75%液）| A

制冷剂：

特定的化学成分，有较低的沸点，通常用“R”标识，例如：R-12,R-22,R-134a,R-404a
过热度 = 吸气管实际温度 - 饱和吸气温度（查制冷剂的吸气压力转换吸气温度表）
制冷剂的安全性得到重视，当制冷剂泄露时，会使人致病，甚至死亡。

2.1. 蒸发器

蒸发器种类：

裸管蒸发器，这种用于早期冷藏冷冻装置，依赖冷却后的空气形成自然对流
吹胀板式蒸发器，采用风机强迫诱导空气吹过盘管提高热交换效率
翅片管蒸发器，将翅片与传热管固结提高热交换效率
多管路蒸发器
液体热交换器，桶式，板式，套管式

蒸发器的除霜：

蒸发器一般采用自系统内容的热量进行除霜，即利用压缩机排气管的热气来达到除霜的目的。具体操作就是在蒸发器吸气管上开一个热气关和一个电磁阀，需要除霜时直接将吸气管的热蒸汽放入蒸发器，即可除霜。

2.1. 冷凝器

冷凝器种类：

水冷式冷凝器；
- 水冷式冷凝器为了节约水资源往往会加入冷却塔用于循环水。
套管式冷凝器，将一根管子插入另一根管子内，管内外流体进行换热，内管放水，外管放冷凝剂。这样的化还有一部分热量也排给了空气；
可清洗式冷凝器/药物式冷凝器，是针对水冷式冷凝器而言，由于水中的矿物质长期沉淀而形成水垢，降低了冷凝器的效率，所以针对水垢设计了可清洗式冷凝器，可以清理内管；
壳-盘管式冷凝器，类似套管式，相比套管式而言，壳体空间更大带有储液功能，可以存放多余制冷剂；
蒸发式冷凝器，直接在冷却塔内，用水泵喷淋的方式带走热量；
风冷式冷凝器，将空气作为其排热介质。在用水困难的场合具有极大优势。

提高了冷凝器效率办法：增加冷凝器热交换面积。

排气压力控制，通过传感检测压力情况控制风机按需工作，维持排气压力稳定。

2.2. 压缩机

压缩机，制冷系统的心脏。最能代表压缩机特征的专用名词“蒸汽泵”

压缩比是压力差的技术表示方式：

\[压缩比 = \frac{绝对排气压力}{绝对吸气压力}\]

压缩机类型：

往复式压缩机，主要部件由电机、曲轴、活塞、气阀、偏心轮构成。根据壳体类型又分为开启式和封闭式；
- 封闭式指整个压缩机均设置在一个壳体内，封闭式又分为全焊接型和可维修型；
  - 全焊接型顾名思义，全焊接型其驱动机构，电动机和轴体全在压缩机壳内，组装完成之后予以焊接封闭；
- 开放式压缩机又分为皮带驱动式和直接驱动式；
涡旋式压缩机
螺杆式压缩机
离心式压缩机

2.3. 膨胀装置

膨胀装置通常称为计量装置，通过各个作用力共同作用使阀针、阀座保持正确的相对位置，从而使蒸发器保持适当的流量。

膨胀装置类型：

浮球阀；
热力膨胀阀结构：阀体、膜片、阀针、阀座、弹簧、密封圈、感温包转导管；
- 感温包检测压力，影响膜片状态；
- 膜片作用阀针，影响制冷剂流量，阀针、阀座决定制冷剂流量；
电子膨胀阀结构:步进电机、传感器；
自动膨胀阀，利用传感器控制，与热力膨胀阀区别在于不需要感温包，其他方面与热力膨胀阀相同；
毛细管，固定孔径的铜管，不具备调节变化功能，应用于没有较大波动的场合；

2.4. 经济器

经济器（Economizer），本质上是一个“气液分离器”，通常位于冷凝器之后与膨胀装置（主膨胀阀）之间。

工作流程：

来自冷凝器的高温高压的制冷剂，先进入经济器；
经济器分为两路
- 主路（大部分液体），通过经济被进一步冷却（过冷），然后过主膨胀阀进入蒸发器，因为经过过冷，闪发气体减少，蒸发效率提升
- 辅路（小部分液体），通过一个副阀节流，降温降压的冷媒，经过经济器，这部分冷媒迅速蒸发吸热，给主路制冷剂降温。
辅路的中温中压气体，通过管路再接回压缩机的中间补气口（又称经济器接口）如此循环

flowchart TD

    subgraph 制冷循环
        direction LR
        A[蒸发器] -->|吸气管<br>高温低压气体| B[压缩机]
        B -->|排气管<br>高温高压气体| C[冷凝器]
        C -->|液管<br>高温高压液体| G
        E[主膨胀阀]
        F[副膨胀阀]

        subgraph D[经济器]
            direction TB
            G[主路]
            H[辅路]
        end
    end

    G -->|主流<br>中温高压气液混合体| E
    E -->|低温低压气液混合体<br>（25%气, 75%液）| A

    G -->|支流<br>中温高压液体| F
    F -->|低温低压气体| H
    H -.- |与经济器主路换热<br>吸热后成为过热气体| G
    H -->|回气管<br>过热气体| B

    %% 外部热交换过程
    被冷却物 -.->|换热, 吸热| A
    C -.->|换热, 放热| 环境

    %% 外部实体
    被冷却物[被冷却物]
    环境[环境]

    linkStyle 2 stroke:#ff0000
    linkStyle 3 stroke:#ff0000
    linkStyle 5 stroke:#ff0000
    linkStyle 6 stroke:#ff0000
    linkStyle 7 stroke:#ff0000
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复杂的图完全就不可控了，这个图也是非常的丑陋 :(

2.5. 四通阀

四通阀是常见的被控对象之一，在系统冷热切换的过程中至关重要。

四通阀的结构主要由两部分组成，电磁先导阀、主阀（阀体，阀芯）。实物解剖图可以直接百度。

电磁先导阀，是我们电控器驱动的主要控制器件，本质上是一个小型的电磁阀，通过改变电芯通断电状态，从而改变内部先导阀阀芯的移动，从而实现先导阀的换向。先导阀阀体本身通常有四根导向毛细管，分别与主阀的两端压力腔及吸气管、排气管连接。

主阀阀体也是由四个通道构成，分别连接：压缩机的排气管（D）、压缩机的吸气管（S）、室内机换热器（E）、室外机换热器（C）。通过压差改变主阀阀体内部阀芯位置，完成主阀的换向。

工作原理：四通阀的动作本质上是“小电流控制大气流”。电磁先导阀先动作，改变主阀两端的压力差，然后利用制冷剂本身的压力差来推动主阀阀芯移动。其本质上电磁先导阀和主阀的工作原理在本质上是一样的，都是“阀芯的位移改变流路”，只是它们的驱动方式和具体职责不同。先导阀通过电磁力直驱，控制主阀两端压力腔的导向毛细管的方向；主阀由流体压力差驱动，控制主阀阀芯的移动。

外部电信号 --> 导向阀动作 --> 改变主阀两端压力分布 --> 压力差推动主阀芯移动 --> 切换制冷剂流路 --> 实现功能转换

利用这种先导的设计，实现了用微小电信号控制大流量制冷剂方向切换的功能。

需要注意的是，主阀工作主要依赖压缩机工作产生的高低压差。如果压缩机不通电的话，四通阀也是没法转换的。

2.6. 其他常见构件

蒸发压力调节阀：机械结构，使蒸发器内的制冷剂压力保持在设定压力之上，按装在蒸发器出口吸气管上，通过膜盒检测运行压力，斌对送入压缩机的吸入蒸气进行调节。

吸气压力调节阀：类似蒸发压力调节阀，安装在压缩机附近。

泄压阀：超过系统压力上限，向外泄放（考虑环保因素，通常与真空的储液罐连接）。

油分离器：主要从制冷剂中分离出润滑油，并将润滑油送回曲轴箱。通常安装在排气管线上；

工作原理：降低气流速度强化重力沉降、离心力；

flowchart LR
    A[压缩机] --> B@{ shape: cyl, label: "油分离器" }
    B -->|排气管| C[冷凝器]
    B -->|回油管| A

3. 系统保护与运行

3.1. 除霜

Q: 为什么要除霜？
A: 首先蒸发器表面温度低于空气的露点温度，低于0℃就会结霜，霜层覆盖在蒸发器表面会形成隔热层，阻碍蒸发器与空气的热交换，导致制冷效率下降、能耗增加、压缩机超负荷、电机过热、风扇卡死等问题。

分为内热除霜和外热除霜

内热除霜分为来自压缩机的热蒸汽；
外热除霜由设置在蒸发器旁的电加热器来完成，采用外热除霜，压缩机需停机；

3.2. 回油

Q: 什么是回油？为什么要回油？
A: 回油是指将随制冷剂循环进入系统的润滑油（冷冻油）重新带回压缩机曲轴箱的过程。回油原因：1.由于压缩机内部运动部件（如轴承、活塞）依赖润滑油减少摩擦和冷却，缺油会导致磨损或卡死。2.润滑油若滞留于蒸发器或管道中，会降低热交换效率，影响制冷/制热性能。

回油方式：采用油分离器，或者强制提升压缩机工作频率，使油随制冷剂返回压缩机。

3.3. 全热回收与部分热回收（余热回收）

在夏天，利用热回收技术，将该排出的热量有效地利用起来，结合蓄能技术，为用户提供生活热水，达到节约能源的目的。

全热回收：全热回收是指将设备或系统排出的废热，尽可能多地回收利用，通常回收比例较高，甚至接近全部热量。通常全热回收器与冷凝器并联，全热回收器单独工作可以完成整个冷凝过程。不过想要做到高温还是比较困难。

部分热回收：部分热回收与冷凝器串联，仅回收排气部分热量，需要配合冷凝器完成冷凝过程，回收热量比较小

3.4. 防冻与防冻结

防冻结：

防冻结，通常是针对运行系统中的热交换器的保护。比如像水换热器中，冷媒与水进行换热，冷媒蒸发吸热的过程中有可能导致换热器中的水冻结膨胀，进而导致破裂、变形等问题。

设计防冻结的保护，目的为了避免液体达到冰点，通常在空调系统中，通过温度传感器或者压力传感器去检测外盘管温度，根据盘管的温度来控制压缩机降频从而避免液体冻结。

简单来说防冻结保护对象是“系统”本身，目标是防止系统内的水或水溶液因结冰而胀坏设备。

防冻：

防冻，通常指冬季防冻保护，根本目标是防止水及其溶液在封闭系统内相变（液态→固态）时，体积膨胀所产生的巨大压力胀破管道、设备或容器。或者是在水冻结后设备无法启动的问题。

设计防冻保护，通常的办法是提示用户彻底移除水、或者在温度较低时通过其他方式对水进行加热、亦或者用户自行添加防冻液。

防冻保护对象是“液体”本身，目标是降低液体的冰点，使其在低温下保持液态。

4. 制冷系统应用

26章，涉及到相关系统后再补充

4.1. 储能行业制冷系统应用场景

随着技术的发展，储能的方式手段多样，如抽水储能、压缩空气储能，但是最常见的手段还是电化学储能。但是像锂电池、钠硫电池等电化学储能在充放电时会产生热量，过高温度会降低寿命甚至引发热失控。所以储能的热管理是必要的。

温度目标：维持储能系统在最佳工作温度范围（如锂电池20~40°C，电池组内温差需<5°C）。

常见热管理技术：

风冷，利用对流通风散热
- 成本低，效率低;
液冷，冷却液流经电池表面带走热量
- 效率高，系统复杂;

4.2. 热水机行业制冷系统应用场景

家用热泵热水机

常用承压式水箱（直接连接自来水管道，依赖市政/水泵压力；完全密闭，内部压力=进水压力；容量较小300L）;
应用场景：普通家庭3~4口人生活用水;
压缩机功率较小;

商用热泵热水机（水源、地源、空气源）

常用非承压式水箱（依靠水箱高度差或重力自然供水；开放式或顶部通气，压力≈大气压；通常需借助水泵或重力流出）;
应用场景：酒店、学校公寓、医院、泳池、住宅等需要;
制冷系统作用：通过从空气、水或土壤中吸收低温热量，经压缩机提升温度后加热水箱中的水;
商用热泵热水系统因管道较长或间歇用水，可能导致用户端滞留冷水。通常采用回水循环系统（含水泵）推动管道内的低温水返回机组或水箱重新加热，减少用户端的冷水排放。

商用热水系统（热回收，三联供）

应用场景：大型商业综合体、洗浴中心、健身房等;
制冷系统技术：在夏季，空调制冷时回收冷凝热用于加热生活热水，实现能源梯级利用;

一体式与分体式热水机

一体式热水机通常指将主机（蒸发器、压缩机）和水箱放在一起
- 一体机因结构紧凑，可能集成过滤装置（如内置滤网或电子除垢），增强“抗污性”。且省去了主机与水箱的连接管路（冷媒管、水管）安装方便简单，不过可能因重量和体积增加吊装难度；
- 体积大，难以扩展；
- 通常适合家用小规模商用；
分体式热水机通常指主机和水箱分离
- 运输方便，水箱可以按需搭配与布置，更加灵活；
- 安装麻烦，通常需要用户自己再购置水箱。分体式系统若未配置额外水处理设备，可能因管道较长增加污垢积累风险，需要定期维护；
- 适合更大的容量；

4.3. “蒸发冷”系统应用场景

这里并不是直接指蒸发式冷凝器，有些许类似，“蒸发冷”是一种仅制冷的系统，利用氟水换热，冷凝器侧利用水蒸发加速放热，依赖当地环境水蒸发强度。

应用场景：工厂、车间
成本较低

flowchart BT
    subgraph 主制冷循环[主制冷循环]
        direction LR
        A[压缩机] -->|高温高压制冷剂气体| B[套管换热器<br>（冷凝器）]
        B -->|高温高压制冷剂液体| C[节流元件]
        C -->|低温低压制冷剂气液混合物| D[蒸发器]
        D -->|低温低压制冷剂气体| A

        subgraph 冷却水系统[冷却水系统/室外系统]
            direction RL
            K[水箱] --> J[冷却水循环泵]
            J -->|泵送冷却水| B
            L[湿帘] -->|蒸发散热| K
        end
        B --> L
    end

    subgraph 蒸发侧[蒸发侧/室内系统]
        direction LR
        D --> H[风机]
        H -->|输送冷风| I[室内空间]
    end

5. 其他常见制冷概念和术语及缩写

名称	含义
干球温度	指在空气中直接测量得到的温度
湿球温度	指当前环境仅通过蒸发水分所能达到的最低温度。用湿纱布包扎普通温度计的感温部分，纱布下端浸在水中，以维持感温部位空气湿度达到饱和，在纱布周围保持一定的空气流通，使周围空气接近达到等焓。示数达到稳定后，此时温度计显示的读数近似认为湿球温度。
冷吨	1美制冷吨（1RT）表示1吨的冰在24小时内完全融化所需的制冷量。 1RT = 3024kcal/h = 3.517KW
压缩机调频点	跳频点是指空调压缩机不能运行的某些频率点，当空调压缩机运行在跳频点时，会出现功率增加，产生噪音等问题；对空调压缩机的跳频点进行识别，可以避免空调压缩机在跳频点运行，有助于减少不必要的能耗，提高空调整体能效比

参考资料

William C. Whitman, William M. Johnson, John A. Tomczyk. (2016). 《制冷与空气调节技术（第五版）》