蒸气压缩制冷

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蒸气压缩制冷（Vapour-compression refrigeration）或蒸气压缩制冷系统（vapor-compression refrigeration system，简称VCRS）是常见的热泵及冷冻循环，其中会让制冷剂进行相变，是大楼以及车辆中最常使用的空气调节方式、储藏冷冻冷藏肉品或食物的大型仓库、冷冻卡车或火车，或是其他商业或是工业的用途。炼油厂、石化厂、化学工厂以及天然气处理厂也是常会使用大型蒸气压缩制冷系统的工厂。级联制冷系统可能会用到二个压缩机。

制冷可以定义为在一密闭空间内，利用将空间中的热转移到外部的方式来降温的技术。可以进行此功能的设备包括有空气调节、冰箱、空气源热泵、地源热泵系统或冰水主机（热泵和冷冻循环）。

## 原理

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蒸气压缩制冷系统会用在系统内循环的制冷剂作为工作介质，将热从要冷却的区域中移出，将热排放到其他地方。图1是典型的单极蒸气压缩制冷系统。这类系统有四个元件：压缩机、冷凝器、热膨胀阀（或节流阀）以及蒸发器。进入压缩机的制冷剂会处在饱和蒸气的热力学状态，会被压缩到较高的压强，因此其温度也会提高。压缩的热蒸气在热力学上称为过热蒸气，其压强较大，温度较高，但若周围有冷空气或是冷却水，过热蒸气会因此而凝结。

接着过热蒸气的制冷剂会经过冷凝器，此时制冷剂的热会排出，冷凝器会冷却热蒸气，并且使其完全凝结。排出的热可能会用水或是空气带走。

凝结的液态制冷剂在热力学上是在饱和液体的状态，在通过膨胀阀后，其压强会突然的降低，使得液态制冷剂中的一部分被绝热闪蒸。绝热闪蒸的自冷却效果使制冷剂的温度降低，且低于要冷却的区域的温度。

低温的液气态共存制冷剂会经过蒸发器中的coil或tube，有风扇在待冷却密闭空间中使热空气循环，而其中的coil或tube中有低温的制冷剂。暖空气会使制冷剂中液态的部分蒸发，同时，密闭空间中的空气温度也会降低，因此密闭空间的温度会降低到想要的温度。循环的制冷剂会在蒸发器中吸收密闭空间的热，并将热在冷凝器中排出，传递给冷却中的水或是空气。

为了完成热泵及冷冻循环，蒸发器中的气态制冷剂是饱和蒸气的型式，会回到压缩机中。时间一长，蒸发器可能会因为空气中的湿度而产生水或是冷。若有自动除霜功能，可以将冰熔化。冰熔化后产生的水会滴到排水盘中，可能靠重力或是泵带离制冷系统。

### 制冷剂

制冷剂的选择对于制冷系统的性能有关键性的影响，在针对特定任务设计或选择某理想制程时，制冷剂也是其中的重点。最常用的制冷剂是卤代烷烃，Freon（氟利昂）是一系列由杜邦股份及其他公司生产的卤代烷烃制冷剂的注册商标。这些制冷剂的优点是稳定性及安全性较好，在室温，大气压力下不会燃烧，也不会以往使用的冷媒（例如二氧化硫）有明显的毒性。有其他石化产业产生的碳氢化合物，冷却性能和卤代烷烃类似，甚至更好。而卤代烷烃的价格比碳氢化合物要贵。

含氯或含氟的制冷剂会扩散到大气层的最上方。在平流层中的氯氟烃（CFC）或氢氯氟烃会因为紫外线辐射而分解，释放出游离氯的自由基。游离氯的自由基会在臭氧分解的连锁反应中扮演催化剂。臭氧层可以保护地球，避免强烈的紫外线辐射。臭氧分解连锁反应会造成臭氧层的严重破坏，也使得皮肤癌的比例增加。游离氯的自由基会一直扮演催化剂，直到和其他的粒子结合，形成稳定化合物为止。CFC制冷剂会很常见，包括R-11（一氟三氯甲烷）和R-12（二氟二氯甲烷），而其使用量已在减少。

较新型的制冷剂造成臭氧层空洞的影响会比较小，这类制冷剂包括有氢氯氟烃（HCFC，例如R-22，二氟一氯甲烷，常用在家庭中）及氢氟烃（HFC，例如R-134a，1,1,1,2-四氟乙烷），这类制冷剂己取代大部分氯氟烃的使用。而氢氯氟烃也因为蒙特利尔议定书而被禁用，改成不含氯的氢氟烃。有一些HFC目前仍在使用，例如R-410A（是其他氢氟烃的混合物，例如R-32 二氟甲烷和R-125 五氟乙烷）是设计来直接更换设备中的R-22（二氟一氯甲烷），以及le|R-404A|R-404A}（R-125 五氟乙烷、R-134a 1,1,1,2-四氟乙烷和R-143a 1,1,1-三氟乙烷的混合物），是设计来取代制冷剂R-502和R-22（二氟一氯甲烷）。不过氯氟烃、氢氯氟烃和氢氟烃的全球暖化潜势（GWP）都很大，会加速全球暖化效应。

目前已在研究更多良性的制冷剂，例如R-744，也就是二氧化碳的超临界流体，相较于现有的CFC和HFC化合物，有类似的效果，而全球暖化潜势要低很多。一般工业界和管理机构都在推动使用全球暖化潜势较小的制冷剂。在工业上会使用氨，以及像乙烯、丙烷、异丁烷和其他烃类（也会有各自的R-x编号），会依所需的温度和压强而不同。不过这些气体是可燃、有爆炸性，或是有毒的，因此其使用受限（需要在良好控制的环境，由通过认证的人员使用，或是只能非常少量的使用）。氢氟烯烃是其中部分碳链是双键的氢氟烃，有可能可以将GWP降低到没有威胁的程度。与此同时，会将许多现有的制冷剂混合，以在合理的成本，达到所需的特性以及效率，并且让GWP比较低。

## 热力学分析

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蒸气压缩循环的热力学特性可以用图2的温熵图来分析。在图中的点1，饱和蒸气的制冷剂进入压缩机，从点1到点2，蒸气进行等熵压缩（在熵不变的条件下进行压缩），离开压缩机时是过热蒸气。过热热量（superheat）就是所加给蒸气，使其超过沸点的热量。

从点2到点3，蒸气会经过部分的冷凝器，透过冷凝器的冷却，会移除其中的过热热量。在点3和点4之间，蒸气会经过剩下的的冷凝器，凝结为饱和液体。凝结过程中，基本上是在等压条件下进行。

在点4到点5之间，饱和液体制冷剂会经过膨胀阀，其压强会突然降低，会形成绝热的闪蒸，自冷却其中的液体制冷剂（一般而言，闪蒸的制冷剂不到一半）。绝热闪蒸是等焓过程，其中的焓维持定值。

在点5到点1之间，较冷且部分气化的制冷剂会经过蒸发器的coil或tube，会因为要冷却空间中较热的空气而将制冷剂完全气化，而其中也会有风扇使要冷却空间中的空气循环。蒸发器是在定压下运作，会将所有的制冷剂气化，而且温度会比沸点再增加4–8开尔文，确保液态制冷剂完全气化。这是为了压缩机的安全性考量，因为压缩机无法压缩液体。

制冷剂会蒸气会进入压缩机的入口，也就是点1，完成一个冷冻循环。

上述的讨论是以理想的蒸气压缩制冷循环来讨论，不考虑真实世界的物理特性，例如因为摩擦力造成的系统压强损耗、制冷剂蒸气压缩时的轻微内部不可逆特性、以及可能会有的非理想气体特性。

## 压缩机种类

制冷系统中最常见的压缩机是往复式压缩机和涡卷式压缩机，大型的冰水机以及工业系统会使用螺杆式压缩机或离心式压缩机。会依尺寸、噪音要求、效率以及压力的考量而选择使用的压缩机。压缩系统会依压缩机或马达和制冷剂之间的关系，分为开放式、密封式（hermetic）或半密封式。可以依压缩机／马达的变化，分为以下几种组态：

- 密封式马达，密封式压缩机
- 密封式马达，半密封式压缩机
- 开放式马达（皮带驱动或紧耦合），密封式压缩机
- 开放式马达（皮带驱动或紧耦合），半密封式压缩机

一般而言，密封式压缩机的压缩机和马达会整合一起，在制冷系统中运作，大部分的半密封式压缩机也是如此（有时会称accessible hermetic compressors）。密封式马达会设计成配合冷媒运作，也会用其压缩的冷媒来冷却。密封式马达有一个明显的缺点，马达不能在原本位置进行维修，若马达损坏，需要将压缩机拆除。另一个缺点是若马达绕组烧毁，会污染冷却系统，需要将冷却系统中的冷媒泵出，更换新的冷媒。

开放式压缩机的马达会在制冷系统以外，透过输入轴驱动压缩机，输入轴上还会有轴封。开放式压缩机的马达一般是空气冷却，要更换或是保养时也比较简便。其缺点是若轴封损坏，就会导致冷媒的外泄。

开放式压缩机的马达用空气冷却，在设计上比较简单，也比较可靠，特别是有些高压的应用，被压缩气体的温度可能相当高，以往只能使用开放式压缩机。现在高压的应用，若配合密封式压缩机，可以用液体注入的方式另外冷却，以克服此一问题。

### 往复式压缩机

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往复式压缩机是活塞型，排量式（positive displacement）压缩机。

### 螺杆式压缩机

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螺杆式压缩机也是排量式（positive displacement）压缩机。用两个反方向旋转，互相啮合的螺杆，捕获制冷剂蒸汽，在旋转时缩小制冷剂的体积

小型的螺杆式压缩机有背部泄漏（back-leakage）的问题，无法实用，大型的螺杆式压缩机效率很高，而且也有高冷媒流量。

### 离心式压缩机

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离心式压缩机是气体动力式压缩机（dynamic compressors）。这种压缩机透过旋转叶轮将速度或动态传递给冷媒，转换为压力能，以提高冷媒的压强。

#### 离心式压缩机的喘振

有离心式压缩机的冰水主机会有型能曲线图（Centrifugal Compressor Map），其中会标示喘振线（surge line）和阻塞线（choke line）。在不同运作条件下，相同功率额定的离心式压缩机，大直径低速的压缩机，其型能曲线图会比小直径高速，但较便宜的压缩机要宽，前者也比较不会有压缩机的喘振（Surge）的情形。小直径高速的曲线较平。

随着冷媒流速的降低，有些压缩机会调整变叶轮和蜗壳之间的间隙，维持适当的速度，以避免喘振

### 涡卷式压缩机

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涡卷式压缩机也是排量式（positive displacement）压缩机。有一个静止的涡卷，另外一个旋转的涡卷会转动，在转动过程中，会让涡卷之间的间隙渐渐变小，因此压缩其中的冷媒，使压强增大。在冷媒离开压缩机时，已是完全加压的状态。

## 压缩机的润滑

为了要润滑压缩机中的可动件，会在安装或调试时加入润滑油。会依压缩机的种类不同，使用矿物油或是合成油进行润滑，而且需选用不和冷媒和系统中其他元件反应的润滑油。在小型的制冷系中，可以让油在整个系统中循环，不过在设计管路和元件时需使油可以因为重力而流回压缩机。若是较大且较分散的系统（特别是零售冷藏系统)，润滑油在离开压缩机后会被油分离器（oil separator）所分离出来，透过油量高度管理系统重送回压缩机。油分离器无法完全分离润滑油，因此仍需设计系统，使油可以因为重力流回油分离器或压缩机。

一些较新的压缩机技术会使用不需要润滑的磁轴承或空气轴承，例如Danfoss的Turbocor离心型压缩机。这种设计不用润滑油以及相关的一些配件和设计考量，因此简化了制冷系统的设计，也增加了蒸发器和凝结器的热传系数，避免冷媒被润滑油污染，也减少保养的需求。

## 控制

在简单的商用制冷系统中，会用压力开关控制压缩机，其膨胀会用毛细管（capillary tube）或热膨胀阀。若是更复杂（例如有多个压缩机的系统），一般会用电子方式进行控制，有可调整的设定点来调整压缩机切入或是切离的压强，也会用电子膨胀阀来控制温度。

除了运行的控制外，也会有个别的高压和低压开关来保养护压缩机以及其他元件，避免系统运行偏离安全范围。

在使用浮动压差（floating head pressure）以及proactive suction pressure的先进电子控制系统中，有控制程序来依不同的制冷需求及降低能耗的考量来调整压缩机。

## 其他特点以及相关设备

图1单级制冷系统的示意图没有包括大型商用或是工业用制冷系统会有的元件，例如：

- 水平或是垂直的压力容器，会装在制冷系统内部，配合除液器一起安装，会装在蒸发器和压缩机入口之间，捕捉冷媒蒸气中残留的液体，因为液体会破坏压缩机。这类汽液分离器常称为是回气管集液器（suction line accumulators），在其他的工业制程中，会称为压缩机吸液鼓（compressor suction drums）或祛液器（knockout pots）。
- 大型的商用或是工业制冷系统可能会有多个膨胀阀和多个蒸发器，以在不同的空间或是房间中进行制冷。这类系统中，凝结的液态冷媒会送到压力容器（称为贮液器），贮液器中的液态冷媒会再透过管路送到各膨胀阀和蒸发器中。
- 干燥过滤器（Filter Dryers）会装在压缩机前，过滤系统中的湿气和污染，避免压缩机损坏。
- 有些制冷系统是多级的，可以配合不同的应用选用多个压缩机。

在大多数国家，制冷系统的冷冻能力可以用瓦特来计算。常见家用空调单元的冷冻能力多半在3.5至18 kw。有些国家的冷冻能力是用冷冻吨计算，常见家用空调单元的冷冻能力在1至5冷冻吨之间。

## 应用

制冷应用｜简述｜会使用的制冷剂

家用冰箱｜在家中冷冻冷藏食物的家电｜R-600a, R-134a, R-22

商用冰冻柜｜在店面储存及展示冷冻冷藏食品｜R-134a, R-404A, R-507

食品加工和冷藏｜食品的保存、处理及储存时控制温度的设备，从食物源头一直到销售端｜R-123, R-134a, R-407C, R-410A, R-507

工业冷冻｜大型设备，一般功率是25 kW至30 MW，用在化工、冷冻库、食品加工、大楼和区域的供暖和冷气｜R-123, R-134a, R-404A, R-407C, R-507, R-717

运输冷冻｜保存及储存货品（多半是食品）的设备，利用车辆、铁路、飞机和船舶输送｜R-134a, R-407C, R-410A

电子冷却｜大型电脑和服务器中CMOS电路以及其他零件｜R-134a, R-404A, R-507

医疗冷却｜ ｜R-134a, R-404A, R-507

低温冷冻｜ ｜乙烯、丙烷、氮、氦

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## 经济分析

### 优点

- 非常成熟的技术
- 成本相对便宜.
- 可以用动力能源（水、汽车或卡车的引擎）驱动，也可以用电力驱动
- 其效率最高可到热机理论上限的60%（依美国采暖、制冷与空调工程师学会的测试条件，蒸发温度−23.3 °C，凝结温度54.4 °C，室温32 °C），以市面可以买到最好的压缩机为止，例如Danfoss、松下、Copeland、Embraco、Bristol或Tecumseh的压缩机。不过许多冷冻系统用的压缩机效率较低，只有40~55%，因为其成本只有效率60%压缩机的一半左右。

### 缺点

许多系统还使用氢氯氟烃（HCFC）制冷剂，会造成臭氧层空洞。许多国家已签署蒙特利尔议定书，要逐步停用氢氯氟烃，大多数会改为不破坏臭氧的氢氟烃（HFC）。不过使用氢氟烃的效率会比较差，而且其全球暖化潜势很高，会在大气层中停留很长的时间，并且捕捉热的能力比二氧化碳（CO2）要好佷多。

最终要停用氢氯氟烃已非常明确，也有些替代用的非卤代烷烃制冷剂正开始受到注意。特别是一些一度停用的制冷剂，例如烃（例如丁烷）以及二氧化碳越来越多用在制冷剂上。例如2006年国际足协世界杯时，德国可口可乐贩卖机的制冷剂是用二氧化碳。氨（NH3）也是早期使用的制冷剂之一，性能很好，也没有破坏臭氧层或造成温室效应的问题。不过氨有二个缺点，本身有毒性，而且会和铜管发生化学作用。

## 历史

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美国发明家奥利弗·埃文斯在1805年叙述了一个封闭式蒸气压缩制冷循环，其作法是在真空下利用醚来产生冰。可以用循环的汽化冷媒来把环境中的热带走，冷媒会经过压缩机和冷凝器，最后会转换为液态，使制冷循环可以持续进行。不过埃文斯没有建构实际的制冷系统。

1834年时，美裔英国人Jacob Perkins制作了世界上第一个可以运作的制冷系统，此系统是封闭循环，可以持续运转，如他在专利中所述的一样：

我可以用挥发性的流体来制冷，或是使流体冷冻，同时持续的冷凝挥发性的流体，使这些流体继续制冷，不会浪费。

其原型机可以正常运作，只是他的商品化没有成功

1842年时美国物理学家约翰·B·戈里进行过类似的尝试，建造了一个可以工作的原型机，但在商业上仍然失败了。

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第一个实用的蒸气压缩制冷是由詹姆斯·哈里森 (工程师)所建立，他是英国记者，后来移民到澳大利亚。他在1856年的专利是用醚、乙醇或是氨作为冷媒的蒸气压缩制冷系统，他在1851年在维多利亚州吉朗Rocky Point的Barwon 河岸，作了一个机械式的制冰机，第一个商用的制冰机是在1854年推出，他也导入制酒以及肉品处理的商用蒸气压缩制冷系统，在1861年时，已有许多系统销到澳洲和英国。

第一个使用气态氨溶于水中（称为氨水）的吸收式制冷系统是由法国的Ferdinand Carré在1859年发明，第二年就取得专利。德国慕尼黑工业大学的工程教授卡尔·冯林德针对气体液化的改良方式，在1876年申请专利。他的新制程让氨、二氧化硫（SO2）和氯甲烷 （CH3Cl）都可以作为冷媒，后来也广为使用，一直到1920年代末期为止。

## 外部链接

- "The ideal vapor compression refrigeration cycle", University of Nevada (US)
- "The Refrigeration Cycle: Central Air Conditioner For Homeowners"
- "The Refrigeration Cycle", from HowStuffWorks
- Scientific papers about CO2 heat pumps and refrigeration