制冷与低温技术原理―第6章 热交换过程与制冷设备

现代制冷技术第6章制冷设备第六章制冷设备主要内容:制冷装置的换热设备；制冷装置的节流机构；制冷压缩机；蒸汽压缩式制冷装置的辅助设备。6.1制冷装置的换热设备6.1.1冷凝器制冷装置的热交换设备主要有：冷凝器，蒸发器，冷凝-蒸发器，中冷器，回热器，吸收器，发生器和溶液热交换器等。按照使用冷却介质和冷却方式的不同，分为三类：水冷冷凝器；空气冷却式冷凝器；蒸发式冷凝器。6.1.1冷凝器1.水冷式冷凝器用水作冷却介质，带走制冷剂冷凝时放出的热量；冷却水可使用江河湖海水或地下水；冷却水可以一次使用，也可循环使用；循环使用的冷却水需配有水冷却塔或冷水池；结构：壳管式，套管式，板式等；特点：传热效率高，结构紧凑。多用于大中型制冷设备。6.1.1冷凝器（1）壳管式冷凝器立式壳管式冷凝器：大型氨制冷装置；卧式壳管式冷凝器：大中型氨或氟利昂制冷装置。•氨卧式壳管式冷凝器：钢管；•氟利昂卧式壳管式换热器：钢管或铜管。氨卧式壳管式冷凝器示意图Ф25-32mm的无缝钢管，国产：4-10个流程；安装排气阀，放水阀，集污包，压力表，安全阀，均压阀；水速0.8-1.5m/s，传热系数930-1160W/(m2.K)，单位面积换热量4071-5234W/m2。立式壳管式冷凝器示意图壳体装有放油阀，放空阀，安全阀接管，顶端配有配水箱；换热管采用直径较小的无缝钢管，如：Ф38×3mm和Ф51×3.5mm，换热管高度约4-5m，冷却水温升2-4℃；传热系数约为698-814W/(m2.K)；优点：可以露天安装，节省机房面积，可以安装在冷却水塔的下面，简化冷却水系统，清洗水垢较方便，可以使用水质较差的冷却水；缺点：冷却水用量大，设备体积大，比较笨重，金属耗量大，搬运安装不方便，制冷剂泄露不易被发现。立式壳管式冷凝器说明；由不同直径的管子套在一起，并弯制成蛇形或螺旋形；制冷剂蒸汽在套管间冷凝，冷凝液从下部引出，冷却水在直径较小的管道内自下而上流动，与制冷剂形成逆流式。换热效果较好。当水速为1-2m/s时，传热系数在900–1300W/(m2.K)；优点：结构简单，制作方便，传热效果好；缺点：冷却水和制冷剂两侧的流动阻力较大，金属消耗量大，对水垢清洗不方便；一般用在小型氟利昂制冷装置中。（2）套管式冷凝器套管式冷凝器6.1.1冷凝器2.空气冷却式冷凝器用空气作冷却介质，制冷剂在管内冷凝，空气在管外流动吸收管内制冷剂放出的热量；由于空气的换热系数较小，管外（空气侧）常设置肋片，以强化管外换热；按空气流动方式的不同，分为：自然对流空气冷却式冷凝器：家用冰箱；强制对流空气冷却式冷凝器：小型氟利昂制冷设备，如：冷柜，家用空调，车载空调，冷藏车。（1）自然对流空气冷却式冷凝器自然对流空气冷却式冷凝器依靠空气在冷凝器被加热后自动上升的过程将冷凝器释放的热量带走；不需要风机，没有噪声，多用于小型制冷装置；目前普遍应用的是丝管式结构的空气自由运动式冷凝器。在蛇形传热管两侧焊有钢丝Ф1.4-Ф1.6mm，丝间距一般为4-10mm，传热管采用Ф4-Ф6mm复合钢管（管外镀铜，又称帮迪管）；传热系数较低，可达9-16W/(m2.K)。（2）强制对流空气冷却式冷凝器1-肋片2-传热管3-上封板4-左端板5-进气集管6-弯头7-出液集管8-下封板9-前封板10-通风机11-装配螺钉6.1.1冷凝器3.蒸发式冷凝器3.蒸发式冷凝器优点：（1）用水量少；（2）结构紧凑，可安装在屋顶上，节省占地面积。蒸发式冷凝器的耗水量少，特别适合用于缺水和气候干燥的地区。通常安装在制冷机房的屋顶上。缺点：冷却水不断循环使用，水垢层增长较快，需要使用经过软化处理的水。6.1.1冷凝器6.1.2蒸发器1.影响蒸发器传热的主要因素控制润滑油进入蒸发器；蒸发器结构应有利于气液分离，实际中出口装有气液分离器，保护压缩机的工作。2.分类按冷却的介质不同分为冷却液体载冷剂的蒸发器；冷却空气的蒸发器；根据供液方式的不同分为满液式蒸发器；干式蒸发器；循环式蒸发器；喷淋式蒸发器。1.满液式蒸发器按结构分为；卧式壳管式，直管式，螺旋管式等结构形式；共同特点：在蒸发器内充满了液态制冷剂液体，运行中吸热蒸发产生的制冷剂蒸汽不断从液体中分离出来，由于制冷剂与换热面充分接触，具有较大换热系数。缺点：制冷剂充注量大，液住静压给蒸发温度造成不良影响。6.1.2蒸发器（1）壳管式满液式蒸发器卧式满液式蒸发器结构制冷剂在壳内管外蒸发，载冷剂在管内流动。一般为多程式。载冷剂的进出口设在端盖上，取下进上出走向，制冷剂液体从壳底部或侧面进入壳内，蒸汽由上部引出。壳内制冷剂液体始终保持约为壳径70%-80%的静液面高度。安装排气阀，放水阀，集污包，压力表，安全阀，均压阀；氨壳管式蒸发器采用无缝钢管，氟利昂壳管式蒸发器采用铜管，管外加肋片。载冷剂流速为1.0-1.5m/s，传热系数可达450-520W/(m2.K)，单位面积换热量2300-2600W/m2。壳管式满液式蒸发器2.干式蒸发器是一种制冷剂液体在传热管内能够完全汽化的蒸发器。其传热管外侧被冷却介质为载冷剂（水）或空气，制冷剂在管内吸热蒸发，流量约为传热管内容积的20%-30%。按被冷却介质不同分为；冷却液体介质的干式蒸发器；冷却空气的干式蒸发器；（1）冷却液体介质的干式蒸发器（2）冷却空气的干式蒸发器按空气的运动状态分为；冷却自由运动空气的蒸发器；冷却强制流动空气的蒸发器。自然对流式冷却空气的蒸发器（排管）根据其安装的位置分为：墙排管、顶排管、搁架式排管等多种形式；从构造形式上可分为：立式、卧式和盘管式等类型。强制对流式冷却空气的蒸发器a)蒸发器b)绕片管c)套片管1-传热管2-肋片3-挡板4-通风机5-集气管6-分液器3.循环式蒸发器制冷剂在管内反复循环吸热蒸发直至完全汽化。多用于大型液泵供液和重力供液冷库系统或低温环境实验装置。6.1.2蒸发器6.1.3传热过程的强化换热设备的基本传热公式；2121lntttttm传热过程的强化增大传热面积；增大对数平均温度度差；增大总传热系数；降低污垢热阻值；降低管壁热阻。对数平均温差2121lntttttm6.2制冷装置的节流机构6.2.1节流机构的作用和工作原理当制冷剂流体通过一小孔时，一部分静压力转变为动压力，流速急剧增大，成为湍流流动，流体发生扰动，摩擦阻力增加，静压下降，使流体达到降压调节流量的目的。6.2.2节流机构的作用有两点：（1）对从冷凝器中出来的高压液体制冷剂进行节流降压为蒸发压力；（2）根据系统负荷变化，调整进入蒸发器的制冷剂液体的数量。6.2制冷装置的节流机构6.2.3节流机构的种类按供液量调节方式分为五个类型：用手动调节的节流机构（手动节流阀）；用液位调节的节流机构：浮球调节阀；用蒸汽过热度调节的节流机构：热力膨胀阀，电热膨胀阀；用电子脉冲调节的节流机构；不进行调节的节流机构；毛细管，恒压节流阀。热力膨胀阀热力膨胀阀普遍用于氟利昂制冷系统中。通过感温机构的作用，随蒸发器出口处制冷剂的温度变化而自动变化，达到调节制冷剂供液量的目的。热力式膨胀阀:主要由阀体、感温包和毛细管组成。热力式膨胀阀按膜片平衡方式不同有：内平衡式和外平衡式两种类型.内平衡式热力膨胀阀由阀体、推杆、阀座、阀针、弹簧、调节杆、感温包、联接管、感应膜片等部件组成6.2制冷装置的节流机构内平衡式热力膨胀阀毛细管毛细管是最简单的节流装置，在家用冰箱，窗式空调器；中小型空气调节机广泛应用；毛细管是一根有规定长度的直径很细的紫铜管，它的内径一般为0.5～2mm。毛细管作节流装置的特点:•毛细管由紫铜管拉制而成，制造方便，价格低廉；•没有运动部件，本身不易产生故障和泄漏；•制冷压缩机停止运转后，制冷系统内的高压侧压力和低压侧压力可迅速得到平衡。6.3制冷压缩机完整的蒸汽压缩式制冷系统中，除压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四个主件外，为了保证系统正常、经济和安全的运行，还需设置一定数量的其它辅助设备。按照它们的作用，基本上可以分为两大类：(1)维持制冷循环正常工作的设备：如:两级压缩的中间冷却器等；(2)改善运行指标及运行条件的设备：如：油分离器、集油器、氨液分离器、空气分离器以及各种贮液桶(或器)等。在制冷系统中还配有用以调节、控制与保证安全运行所需的器件、仪表和连接管道的附件等。6.4制冷系统的辅助设备1风扇2翅片式换热器3套管式换热器4水泵5膨胀阀6视镜7干燥过滤器8贮液罐9气液分离器10压缩机11四通换向阀12,13,14,15单向阀16低压接口17高压接口热泵型风冷式冷水机组原理图水冷式小型氟利昂冷库制冷系统流程图1－蒸发器2－分液头3－热力膨胀阀4－低压表5－压力控制器6－压缩机7－高压表8－油分离器9－热气冲霜管10－截止阀11－冷却塔12－冷却水泵13－冷却水量调节阀14－冷凝器15－干燥过滤器16－回热器17－电磁阀小型冷库•分液头:使制冷剂均匀地分配到蒸发器的各路管组中。•压力控制器:压缩机工作时的安全保护控制装置。•油分离器:把润滑油分离出来，并返回到曲轴箱去。•热气冲霜管:定期加热蒸发器而除霜。•冷却塔:利用空气使冷却水降温，循环使用，节约用水。•冷却水泵:冷却水循环的输送设备•干燥过滤器:除去冷凝器中的水份和杂质，防止膨胀阀冰堵或堵塞。•回热器:过冷液体制冷剂，提高低压蒸汽温度，消除压缩机的液击。•电磁阀:压缩机停机后自动切断输液管路，起保护压缩机的作用。6.4.1中间冷却器中间冷却器的作用中间冷却器是用以冷却两个压缩级之间被压缩的气体或蒸气的设备。制冷系统的中间冷却器能降低低压级压缩机的排气温度（即高压级的吸气温度），以避免高压级压缩机的排气温度过高；还能使进入蒸发器的制冷剂液得到过冷，减少管中的闪发气体，从而提高压缩机的制冷能力。应用：氟利昂或氨双级或多级压缩制冷系统；连接在低压级的排气管和高压级的吸气管之间。1.氨用中间冷却器中间冷却器操作注意事项：中间冷却器内气体流速一般为0.5-0.8m/s。蛇形盘管内氨液流速为0.4-0.7m/s，其出口氨液温度比进口低3-5℃。中间冷却器的中间压力一般在0.3MPa（表压）左右，不宜超过0.4MPa（表压）。高压级的吸气过热度，即吸气温度比中间冷却器的中间温度高2-4℃。2.氟用中间冷却器氟利昂制冷系统双级压缩时大都采用一次节流中间不完全冷却循环。蒸发器冷凝器节流阀中间冷却器低压压缩机12354高压压缩机节流阀6789蒸发器冷凝器节流阀中间冷却器低压压缩机12354高压压缩机节流阀6786.4.2分离与贮存设备1.气液分离设备如氨液分离器，将蒸发器出来的蒸气中的液滴分离掉，以提高压缩机运转的安全性；它也用在贮液器后面，用来分离因节流降压而产生的闪发气体，不让它进入蒸发器，以提高蒸发器工作效率。分离原理：主要利用气体和液体的密度不同，通过扩大管路通径减小速度以及改变速度的方向，使气体和液体分离。气液分离器有立式和卧式两种。正常工作时，其进气阀、回气阀、供液阀、出液阀、浮球的均压阀、压力表阀都是常开的。6.4.2分离与贮存设备2.贮液器（1）高压贮液器一般位于冷凝器之后。作用：贮存冷凝器流出的制冷剂液体，使冷凝器的传热面积充分发挥作用。2）保证供应和调节制冷系统中有关设备需要的制冷剂液体循环量。（2）低压贮液器根据用途不同可分为低压贮液器和排液桶等。低压贮液器与排液桶属低温设备，筒体外应设置保温层。高压储液器a）氨贮液器b）氟利昂贮液器1－压力表阀2－出液管3－安全阀4－放空气管5－放油管接头6－平衡管7－进液管6.4.2分离与贮存设备1－加压管2－平衡管3－压力表4－安全阀5－出液管6－进液管7－放油管6.4.2分离与贮存设备6.4.3油分离器工作的基本原理：1）利用油的重度与制冷剂气体重度的不同，进行沉降分离。2）利用扩大通道截面降低气体流速（一般约在0.8～1m/s），造成轻与重的物质易分离。3）迫使气体流动方向改变，使重的油