制冷原理与装置-制冷设备

第六章制冷设备学习要点：1、掌握制冷装置中的主要换热设备包括:冷凝器、蒸发器、冷凝－蒸发器、中间冷却器、回热器、过冷器等的结构特点、工作原理及设计计算。2、掌握热力膨胀阀、电子膨胀阀及毛细管节流装置的工作原理、结构特点及计算方法。3、了解各种辅助设备包括:油分离器、空气分离器、气液分离器、贮液器、过滤干燥器以及膨胀容器等的工作原理及结构特点。4、掌握制冷装置中各种管道的计算方法。5、了解制冷装置中常用的绝热材料及计算方法。第二节制冷装置的换热设备一、制冷装置热交换设备的结构（一）冷凝器1.水冷式冷凝器工作原理：用水作为冷却介质，带走制冷剂冷凝时放出的热量。(1)壳管式冷凝器：特点：水在管内流动，制冷剂蒸气在管外凝结。壳管式冷凝器的形式及适用场合：1）立式壳管式冷凝器，适用于大型氨制冷装置；2）卧式壳管式冷凝器，普遍使用大、中型氨或氟利昂制冷装置中。1)卧式壳管式冷凝器：结构特点：卧式壳管式冷凝器在管板外侧设有左右端盖，盖的内侧具有满足水流程需要的隔腔，保证冷却水在管程中往返流动，使冷却水从一侧端盖的下部进入冷凝器，经过若干个流程后由同侧端盖的上部流出。冷却水在冷凝器内流过一次称做一个流程。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。国产卧式壳管式冷凝器一般为4~10个流程。传热管可采用钢管，也可采用铜管。采用铜管时传热系数可提高10%左右。铜管易于在管外加工肋片，以利于氟利昂侧的传热，一般在采用铜质肋片管以后，其氟利昂侧换热系数较相同规格光管大1.5~2倍。2）立式壳管式冷凝器：结构特点：与卧式壳管式冷凝器的不同点在于它的壳体两端无端盖，制冷剂过热蒸气由竖直壳体的上部进入壳内，在竖直管簇外冷凝成为液体，然后从壳体下部引出。壳体的上端口设有配水槽，管簇的每一根管口装有一个水分配器，冷却水通过该分配器上的斜分水槽进入管内，并沿内表面形成液膜向下流动，以提高表面传热系数，节约冷却水循环量。冷却水由下端流出并集中到水池内，再用泵送到冷却塔降温后，可循环使用。（2）套管式冷凝器：它是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。2.空气冷却式冷凝器(1)空气自由运动的空冷冷凝器：该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。它不需要风机，没有噪声，多用于小型制冷装置。管：φ4～6mm,邦迪管（钢管外镀铜）管间距：4～10cm翅片：φ1.4~1.6丝翅片间距：4~10mm传热系数：15~17.5W/(m2K)(2)空气强制流动的空冷冷凝器肋片一般采用铝片制成，套在铜管外，由弯头连接成蛇管管组。肋片根部用二次翻边与管外壁接触，经机械或液压胀管后，二者紧密接触以减少其传热热阻。一般肋片距离在2~4mm范围。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，将其冷凝成为液体。这种冷凝器的传热系数较空气自由流动型冷凝器高，约为。适用于中、小型氟利昂制冷装置。mm4.0~2.0mm16~103.蒸发式冷凝器蒸发式冷凝器以水和空气作为冷却介质。它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，形成水膜吸热蒸发变成水蒸气，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。箱体上方设有挡水栅，用于阻挡空气中的水滴散失。（二）蒸发器蒸发器按其冷却的介质不同分为冷却液体载冷剂的蒸发器和冷却空气的蒸发器。根据供液方式的不同，有满液式、干式、循环式和喷淋式等。1.满液式蒸发器结构型式:（1）卧式壳管式、（2）直管式、（3）螺旋管式等。(1)卧式壳管式满液式蒸发器：工作原理：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，蒸气由上部引出后返回到压缩机。壳内制冷剂始终保持约为壳径的70%~80%静液面高度。采用壳管式满液式蒸发器应注意以下问题：1)以水为载冷剂，其蒸发温度降低到以下时，管内可能会结冰，严重时会导致传热管胀裂。2)低蒸发压力时，液体在壳体内的静液柱会使底部温度升高，传热温差减小。3)与润滑油互溶的制冷剂，使用满液式蒸发器存在着回油困难。4)制冷剂充注量较大。同时不适于机器在运动条件下工作，液面摇晃会导致压缩机冲缸事故。(2)立式蒸发器（直管式和螺旋管式蒸发器）：工作特点：制冷剂液体在管内蒸发吸热，载冷剂在管外循环流动，通过搅拌器以增强传热效果，使管外载冷剂降温。优点：在蒸发温度降低时也不会发生传热管冻裂。缺点：在使用盐水作载冷剂时，因其与空气接触易造成传热管严重腐蚀。因此应注意加强系统与空气隔离的措施。从传热性能和经济性分析，宜采用螺旋管式蒸发器取代直管式蒸发器。2.干式蒸发器干式蒸发器是一种制冷剂液体在传热管内能够完全气化的蒸发器。其传热管外侧的被冷却介质是载冷剂（水）或空气，制冷剂则在管内吸热蒸发，其流量约为传热管内容积的20%~30%。增加制冷剂的质量流量，可增加制冷剂液体在管内的湿润面积。同时其进出口处的压差随流动阻力增大而增加，以至使制冷系数降低。(1)冷却液体介质的干式蒸发器：干式壳管式蒸发器的特点是：①能保证进入制冷系统的润滑油顺利返回压缩机；②所需要的制冷剂充注量较小，仅为同能力满液式蒸发器的1/3;③用于冷却水时，即使蒸发温度达到，也不会发生冻结事故；④可采用热力膨胀阀供液，这比满液式的浮球阀供液更加可靠。此外，对于多程式干式蒸发可能会发生同流程的传热管气液分配不均的情况。C0(2)冷却空气的干式蒸发器：1)冷却自由运动空气的蒸发器：a)墙排管b)顶排管c)搁架式排管2)冷却强制流动空气的蒸发器（又称冷风机）：套片管管：φ7～16mm紫铜管管间距：25mm～35mm翅片：铝箔，δ＝0.1～0.4mm翅片间距：2～4mm风速：2.5～3.5m/s传热系数：25～50W/(m2K)进风温度：环境温度，一般35℃出风温度：进风温度＋8～10℃冷凝温度：进风温度＋～15℃沿气流方向管排数：2～6排3.循环式蒸发器这种蒸发器中，制冷剂在其管内反复循环吸热蒸发直至完全气化，故称做循环式蒸发器。循环式蒸发器多应用于大型的液泵供液和重力供液冷库系统或低温环境试验装置。（三）低温制冷装置的制冷剂换热器1.中间冷却器它是两级压缩制冷装置的关键设备，用于同时冷却低压级压缩机的排气和高压制冷剂液体，使之获得较大的过冷度。中间冷却器内具有的压力称做中间压力，该压力下制冷剂液体保持一定的液面高度。2.回热器回热器一般是指氟利昂制冷装置中的气一液热交换器，它的主要作用是使进入热力膨胀阀前的液体得到必要的过冷，以减少闪发气体产生，保证节流效果的正常发挥。同时还可使回气达到过热状态后进入压缩机，以防止压缩机液击故障。3.冷凝一蒸发器用于复叠式制冷循环，它既是低温级制冷剂的冷凝器，又是高温级制冷剂的蒸发器。常见的结构型式有绕管式、直管式和套管式三种。(1)绕管式冷凝蒸发器(2）直管式冷凝一蒸发器(3)套管式冷凝一蒸发器：它结构简单，易于制造。但当为蛇形套管管组结构时，外形尺寸较大，所以它仅适用于小型复叠式制冷装置。（四）板式换热器它由许多金属板片贯叠连接而成，片与片之间采用焊接密封，形成传热板两侧的冷、热流体通道，在流动过程中通过板壁进行热交换。两种流体在流道内呈逆流式换热态势，加之板片表面制成瘤形、波纹形、人字形等等各种形状有利于破坏流体的层流膜层，在低速下产生旋涡，形成旺盛紊流，强化了传热作用。二、制冷装置热交换设备的计算制冷热交换器的计算主要是传热计算。它分为两种情况：一种是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，称之为设计计算；另一种是对已知热交换器在给定两种介质流量和进口温度的情况下，计算两传热介质的出口温度，叫做校核计算。其计算方法通常是采用传热方程计算法。（二）冷凝器计算1.冷凝器热负荷的确定冷凝器热负荷是其计算的主要依据，为了简化计算，还可由下式确定，即：式中，为冷凝器负荷系数，对于氨制冷装置和氟利昂制冷装置的可分别由图6－18a、b查出。2.卧式壳管式冷凝器的计算(1)设计计算参数的选择：参阅表6－2。(2)卧式壳管式冷凝器设计计算举例：通过设计计算举例，旨在说明其设计计算的方法和步骤。0c0c水冷冷凝器计算举例例：现有一台配用612.5FG压缩机的冷水机组，制冷剂为R22。额定工况t0＝2℃，冷凝温度tk＝40℃，冷却水进口温度tw1＝31℃，制冷量Q0＝340KW，试为该机组设计一台卧式水冷冷凝器。例：制冷量Q0＝2.8KW，空气的进口参数：干球温度t1＝27℃，湿球温度ts1＝19.5℃，制冷剂为R22，蒸发温度t0＝9℃，制冷剂流量Gd＝0.01772kg/s，试设计一台冷却强制流动空气的干式蒸发器。冷却强制流动空气的干式蒸发器的计算解:1.进行初步结构规划第三节制冷装置的节流机构一、制冷剂液体膨胀过程分析制冷剂液体的膨胀特性随节流装置的通道形态不同而异。例如喷管（渐缩管或拉伐尔管）内膨胀是接近等熵过程，而通过节流孔的膨胀则属于接近等焓过程，制冷剂通过其他通道（如毛细管）的膨胀过程介于二者之间。制冷剂液体膨胀具有以下特点：(1)液体通过膨胀后，温度必然降低。其膨胀过程的压差（）越大，则温度降低（）也越大。而且温差同过程无关。其原因在于两相区内饱和温度与饱和压力呈对应关系。(2)膨胀过程具有尽可能大的比体积比且随压比的增大而增大。从而使比体积比有限的膨胀机难以实现。(3)膨胀过程的等熵焓降很小（可利用的膨胀功很小）不加以利用损失也不会很大。因此在制冷装置中均采用小孔或管道节流机构，来实现液体制冷剂的膨胀制冷。12VV21pp（1）手动膨胀阀手动调节的节流机构：一般称做手动节流阀。以手动方式调整阀孔的流通面积来改变向蒸发器的供液量，其结构与一般手动阀门相似。多用于氨制冷装置。(一）节流机构的种类：1、手动调节的节流机构2、用液位调节的节流机构3、用蒸汽过热度调节的节流机构4、用电子脉冲调节的节流机构5、不调节的节流机构工作原理：利用浮球位置随液面高度变化而变化的特性控制阀芯开闭，达到稳定蒸发器内制冷剂液量的目的。它可作为单独的节流机构使用，也可作为感应元件与其他执行元件配合使用，适用中型及大型氨制冷装置。对于制冷剂液体主要在高压侧（冷凝器或高压贮液器）的制冷机，采用高压浮球阀。它的浮球感受冷凝器或高压贮液器的液位。当液位升高时，阀开大，增大蒸发器供液量；当液位降低时，阀关小，减少供液量。（2）浮球阀低压浮球阀常直接和满液式蒸发器连通，按蒸发器液位的高低，调节从贮液器进到满液式蒸发器的制冷剂流量。（3）用蒸气过热度调节的节流机构：这种节流机构包括热力膨胀阀和电热膨胀阀。1）热力膨胀阀工作原理：通过蒸发器出口蒸气过热度的大小调整热负荷与供液量的匹配关系，以此控制节流孔的开度大小，实现蒸发器供液量随热负荷变化而改变的调节机制。热力膨胀阀适用于没有自由液面的蒸发器，如干式蒸发器、蛇管式蒸发器和蛇管式中间冷却器等。现主要用于氟利昂制冷机中，对于氨制冷机也可使用，但其结构材料不能用有色金属。1.内平衡式热力膨胀阀：在膜片上下侧的压力平衡以蒸发器内压力作为稳定条件的热力膨胀阀。2.外平衡式热力膨胀阀：是将内平衡式热力膨胀阀膜片驱动力系中的蒸发压力改为由外平衡管接头引入的蒸发器出口压力取代，以此来消除蒸发器管组内的压降所造成的膜片力系失衡，而带来的使膨胀阀失去调节能力的不利影响。（二）电子脉冲式膨胀阀结构：由步进电动机、阀芯、阀体、进出液管等主要部件组成。工作原理：在制冷装置运行过程中，由传感器取到实时信号，输入微型计算机进行处理后，转换成相应的脉冲信号，驱动步进电动机获得一定的步距角，形成对应的阀芯上升或下降的移动距离，得到合适的制冷剂在阀孔的流通面积和与热负荷变化相匹配的供液量，实现了装置的高精度能量调节。由于变流量调节时间以秒计算，可以有效地杜绝超调现象发生。对于一些需要精细流量调节的制冷装