制冷原理制冷设备

1制冷设备2概述一、制冷设备概况制冷机中除了压缩机等机器外，还包括具备各种功能的热交换器和一些用于改善制冷机运行条件、提高运行效率的部件，统称为制冷设备。3目录概述冷凝器蒸发器其他制冷换热器及辅助设备新型制冷换热器及强化换热方法制冷装置节流机构4概述这四个部件蒸气压缩式制冷系统必须的压缩机冷凝器膨胀阀蒸发器提供动力排放热量节流降压提供冷量5概述制冷设备可分为主要设备和辅助设备两部分主要设备包括冷凝器、节流机构、蒸发器、冷凝—蒸发器和中间冷却器以及发生器、吸收器等，是制冷机中不可或缺的部件。辅助设备则有各种分离器、贮液器、回热器、过冷器以及膨胀容器等，是制冷机正常、稳定、可靠和高效工作重要保证。6概述制冷设备使用的材料随介质不同而异。氨对黑色金属（铁、锰、铬及其合金，如钢、生铁、铁合金、铸铁等）。无侵蚀作用，而对铜及其合金的侵蚀性强烈，所以氨制冷机中制冷设备都用钢材制成。而氟利昂对一般金属材料无侵蚀作用，可以使用铜或铜合金制造。为了节省有色金属，大型氟利昂制冷机仅在热交换器的传热部分采用铜管。7概述压力在制冷机中，制冷设备需要承受一定的工作压力。作为受压容器．必须考虑其压力条件，正确选择强度计算时的设计压力，以及制造完结时的强度试验(液压试验)及气密试验(气压试验)。表6—1为JB/T6916《制冷装置用压力容器》规定的制冷设备容器的压力试验标准。89概述翅片管的形式较多，大体分为绕片管、套片管和轧片管三种。1、绕片管结构绕片管是在管子外表面按螺旋状绕一条金属带。金属带在绕制前先要在轧片机上将一侧轧成皱折，然后再用专用机床绕在管子上。（主要用于氨制冷机）10氨用绕片管常用Φ25mm×2.5mm~Φ38mm×3.0mm的无缝钢管制成，管外绕厚约1mm的钢翅片，绕好后再进行热镀锌，以减小接触热阻和防止腐蚀。绕片管优点是传热系数较高，缺点是翅片侧阻力较大，同时由于折皱的存在，妨碍了翅片节距的进一步缩小。概述11概述2、套片管结构套片管广泛应用于氟利昂制冷剂的空冷式冷凝器和直接蒸发的空气冷却器。12套片管多用0.12~0.4mm厚的铝片套在Φ5~Φ16mm的纯铜管上组成；翅片上的管孔系冲压而成，且带有翻边，以增加翅片和管子间的接触面积，还可起保证翅距的作用；翅片先用专用设备套在管子上，待套片管组装成后，再用机械胀管方式胀管，使管径胀大约0.2~0.4mm，与翅片保持紧密接触。近年来为了强化空气侧换热，出现了各种强化传热翅片，如波纹片、百叶窗片、开缝片等，约可提高空气侧传热系数20%~60%概述13概述3、轧片管结构用于氟利昂冷凝器的轧片管是用薄壁（壁厚约1.5mm）纯铜管在常温下滚轧而成的，轧成的翅高（1.2~2.0mm）较小，因而通常为低肋螺纹管。14概述翅片管的传热特性翅片管的翅片效率翅片面积ff，翅片温度tf和翅片间的管子表面积fb，管子表面温度t0，管子外表面传热系数α0。00000000()(()())fffafffffaffafaffttttqfttfqfttf翅片效率：翅片平均温度与周围介质的温差同根部温度与周围介质温差的比值。15概述施密特将翅片效率简化为：0tanh)2(fffmhmhm其中，h’为当量翅高。工程上为了使用方便，常将计算所得的翅片效率随mh’的变化关系描绘成曲线。16概述翅片管的表面效率每米管长翅片管换热面积ft分为翅片面积ff和翅片间的管子表面积fb，设表面传热系数α0。00000011flsfblfbffbffbfftfftfttqffqqqfffffffffff式中：ηs——翅片管的表面效率表面效率ηs总是大于翅片效率ηf，同时翅片面积占总表面积的比例越小，则表面效率越高。17概述工程上有时为了计算方便起见，将上式改写为：000lsteqtqff式中：αeq——当量传热系数，αeq=ηsα018制冷换热器的计算给定两传热介质流量及其进出口温度，计算所需要的传热面积和结构尺寸——设计计算；对已知热交换器在给定两种介质流量和进出口温度的情况下，计算两传热介质的出口温度——校核计算；概述19传热系数K随传热管的形式，介质的换热条件、管内外热阻的大小不同而变化。根据热交换器管内、外传热量平衡的原则：00111iiiiimoKffrrff概述oomiimQAKtAKtooooooiiiiKAKfKdKAfd其中，Ki、Ko是分别以内表面、外表面为基准的传热系数。00111iiiiimoKffrrff20常用制冷换热设备总传热系数K的大致范围换热器名称及型式传热系数/K/［W/(㎡·K)］相应条件卧式冷凝器(氨)810～1050传热温差4～6℃，单位面积冷却水用量0.5～0.9m3/(㎡·h)卧式冷凝器(氟利昂)930～1169传热温差7～9℃，低肋管，肋化系数≥3.5，水速1.5～2.5m/s概述21制冷装置中常用材料的导热系数λ材料λW/（m·℃）材料λW/（m·℃）铜铝钢新霜旧霜383．79227．9552．340.1180．55玻璃水玻璃丝棉发泡塑料空气1.09320．5990．034890.046520．0244概述22常用的制冷和空调装置中对流传热系数α流体的种类和状态αW/（m2·℃）流体的种类和状态αW/（m2·℃）静止气体流动气体静止液体4～2010～50070～300流动液体冷凝面R12蒸发面R12200～100016001700概述23常用制冷装置污垢热阻值流体名称壁面污垢热阻（㎡·℃/W）流体名称壁面污垢热阻（㎡·℃/W）河水，v1m/s河水，v1m/s硬水，v1m/s硬水，v1m/s5.1590×10-43.4394×10-45.1950×10-45.1590×10-4有机化合物空气溶剂蒸汽盐水0.8598×10-43.4394×10-41.7194×10-41.7197×10-4概述24顺流和逆流时流体温度的变化a）顺流b）逆流概述25目录概述冷凝器蒸发器其他制冷换热器及辅助设备新型制冷换热器及强化换热方法制冷装置节流机构26冷凝器制冷装置的换热设备有冷凝器、蒸发器、冷凝—蒸发器、中冷器、回热器，以及吸收器、发生器和溶液热交换器等等。其中冷凝器和蒸发器的结构型式和技术参数对制冷装置的性能有决定性的影响。全面了解它们的结构特点及设计计算方法，有利于进一步提高和优化制冷装置的性能。27制冷系统的热交换设备主要是冷凝器和蒸发器，它们是制冷剂与外部热源介质之间发生热交换的设备。一）、冷凝器用冷凝器将制冷剂从低温热源吸收的热量及压缩后增加的热焓排放到高温热源。一、制冷装置热交换设备的结构冷凝器28空气冷却式丝管式百叶窗式箱体表面式翅片管式管带式水冷却式螺旋板式套管式卧式壳管式壳盘管式斜波纹板式立式壳管式29通过环境介质（水或空气）将压缩机排出的高压过热制冷剂蒸气冷却、冷凝成饱和液体，甚至过冷液体。冷凝器按冷却方式空气冷却式冷凝器中根据管外空气流动方式空气冷却式水冷式蒸发式自然对流空气冷却式冷凝器强制对流空气冷却式冷凝器30壳管式冷凝器分为卧式和立式一般立式壳管式冷凝器适用于大型氨制冷装置；卧式壳管式普遍使用大、中型氨或氟利昂制冷装置中。壳内管外为制冷剂，管内为冷却水。31冷却水在冷凝器内流过一次称作一个流程。采用多流程设计主要是为了减小水的流通面积，提高冷却水流速，增强水侧换热效果。一般4-10个流程，过多会增大水侧流动阻力，加大水泵功耗。32实验证明，传热系数不受面积热流量变化的影响，而是取决于冷却水流速和污垢热阻的大小。一般卧式壳管式氨冷凝器水速0.8~1.5m/s，传热系数930~1160W/(m2·K)，面积热流量为4071~5234W/m233传热管采用铜管，传热系数提高10%左右；采用铜质肋片管，传热系数较相同规格光管大1.5~2倍；污垢热阻对冷凝换热器效果有重要影响此外，减少壁厚、降低肋片节距、缩小肋片张角，甚至采用矩形肋片，均可强化冷凝传热过程，提高冷凝换热能力和整个装置的性能。34立式壳管式冷凝器区别：壳体两端无端盖，上端口设有配水槽，冷却水沿内表面形成液膜向下流动，以提高表面传热系数。从传热理论分析，立管换热性能较水平管差得多。因为立管上冷凝液膜流动路线较短，不能保证为膜层流动。平均传热温差4~6℃，传热系数698~814/(m2·K)，面积热流量为4071~4652W/m23536套管式冷凝器由不同直径的管子套在一起，并弯制成螺旋形或蛇形的一种水冷式冷凝器。37套管式冷凝器制冷剂蒸气在套管间冷凝，冷凝液从下面引出，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，因此传热效果较好。当水速1~2m/s时，传热系数K在930W/(m2·K)38套管式冷凝器结构简单、制作方便；在套管长度较大时，下部管间容易被液体充斥，使传热面积不能得到充分利用，而且金属耗量较大；一般在小型氟利昂制冷装置中使用。39空气冷却式冷凝器以空气为冷却介质，制冷剂在管内冷凝，空气在管外流动，吸收管内制冷器蒸汽释放的热量。空气自由运动按空气流动的方式不同空气强制运动40空气自由运动的空冷冷凝器利用空气在管外流动时吸收制冷剂排放的热量后，密度发生变化引起空气的自由流动而不断地带走制冷剂蒸气的凝结热。特点：不需要风机，没有噪声，多用于小型制冷装置。41由于钢丝竖直焊接在水平蛇形管外，与热空气升力方向一致，使空气具有良好的流动性，获得最佳的传热效果。传热系数约为15~17W/（m2·K）42空气强制流动的空冷冷凝器它由一组或机组带有肋片的蛇管组成。制冷剂蒸气从上部集管进入蛇管，其管外肋片用以强化空气测换热。由低噪声轴流式通风机迫使空气流过肋片间隙，通过肋片及管外壁与管内制冷剂蒸气进行热交换，将其冷凝为液体。其传热系数较空气自由流动型冷凝器的高，传热系数约为15~17W/（m2·K），适于中、小型氟利昂制冷装置。431-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44管材：纯铜管，可叉排也可顺排；流速：迎风速度2.5~3.5m/s；冷凝温度：与进风口温差之间应控制在15℃左右；结构：管排数2~6为宜45汽车空调系统中，广泛采用“全铝制管带式冷凝器”。46蒸发式冷凝器蒸发式冷凝器以水和空气作为冷却介质。利用水蒸发时吸收热量，使管内制冷剂蒸气凝结。水经水泵提升再由喷嘴喷淋到传热管的外表面，形成水膜吸收蒸发变成水蒸气，然后被进入冷凝器的空气带走。未被蒸发的水滴则落到下部的水池内。4748该冷凝器空气流量不大，耗水量也很少；循环水应进行软化处理，防止外壁结垢；冷凝器的热流量与进口空气的湿球温度关系很大。49目录概述冷凝器蒸发器其他制冷换热器及辅助设备新型制冷换热器及强化换热方法制冷装置节流机构50一、蒸发器的结构冷却液体载冷剂的蒸发器蒸发器按其冷却的介质不同冷却空气的蒸发器满液式按照供液方式的不同干式循环式喷淋式51（一）满液式蒸发器按结构分为壳管式、直管式、螺旋管式等几种结构形式；特点：蒸发器内充满了液态制冷剂，运行中吸热蒸发产生的制冷剂蒸气不断地从液体中分离出来；优点：制冷剂与传热面充分接触，具有较大传热系数。缺点：制冷剂充注量大，液柱静压给蒸发温度造成不良影响。52满液式蒸发器：(内部充满液态制冷剂的蒸发器)：沸腾传热系数高；制冷剂充注量大；若润滑油溶于制冷剂，润滑油难以返回压缩机。干式蒸发器（制冷剂在管内一次完全汽化的蒸发器）：制冷剂走管程；制冷剂充注量小；传热效果不如满液式。循环式蒸发器（制冷剂在蒸发器内经过几次循环才能汽化的蒸发器）：通过泵使制冷剂在蒸发器内强制循环；传热系数高于满液式；且润滑油不易积存；设备费用高。53满液式蒸发器原理图干式式蒸发器原理图重力型再循环式蒸发器用