制冷原理与装置-制冷设备.ppt

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1、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)

2、 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 410 个流程。,传热管可采用钢管，也可采

3、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1.52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

4、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：46mm, 邦迪管（钢 管外镀铜）,管间距：410cm,翅片：1.41.6丝,翅片间距：410mm,传热系数： 1517.5W/(m2 K),(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。

5、一般肋片距离在24mm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。,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

6、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

7、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

8、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： 能保证进入制冷系统的润滑油顺利返回压缩机；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; 用于冷却水时，即使蒸发温度达到 ，也不会发生冻结事故； 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。,(2) 冷却空气的干式蒸发器： 1

9、) 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：716mm紫铜管 管间距：25mm35mm 翅片：铝箔， 0.10.4mm 翅片间距：24mm 风速：2.53.5m/s 传热系数： 2550W/(m2 K) 进风温度：环境温度， 一般35 出风温度： 进风温度810 冷凝温度：进风温度15 沿气流方向管排数：26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

10、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

11、(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

12、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618a、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62。 (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。,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

13、剂为R22。额定工况t02，冷凝温度tk40，冷却水进口温度tw131，制冷量Q0340KW，试为该机组设计一台卧式水冷冷凝器。,例：制冷量Q02.8KW，空气的进口参数：干球温度t127， 湿球温度ts119.5， 制冷剂为R22，蒸发温度t09， 制冷剂流量Gd0.01772kg/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

14、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。,（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

15、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

16、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

17、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

18、于一些需要精细流量调节的制冷装置，采用此种膨胀阀，可以得到满意可靠的高效节能效果。,电动式膨胀阀流量特性,（4）毛细管,工作原理：毛细管节流是根据流体在一定几何尺寸的管道内流动产生摩阻压降改变其流量的原理。 毛细管用在小型而且不需要精确调节流量的制冷装置。,家用冰箱 冷柜 房间空调器,简单 便宜 便于大批量生产,应用,长处,绝热膨胀过程中，制冷剂（氟利昂）在毛细管中流动时沿管长方向的压力与温度的分布特性,R22、R12毛细管初步选择曲线图,设计用毛细管节流的制冷系统时应注意： （1）系统的高压侧不要设置贮液器，以减少停机时制冷剂迁移量，防止启动时发生“液击”。 （2）制冷剂的充注量应尽量与蒸发

19、容量相匹配。必要时可在压缩机吸气管路上加装气液分离器。 （3）对初选毛细管进行试验修正时，应保证毛细管的管径和长度与装置的制冷能力相吻合，以保证装置能达到规定的技术性能要求。 （4）毛细管内径必须均匀。其进口处应设置干燥过滤器，防止水分和污物堵塞毛细管。,3. 分液头: 为了使热力膨胀阀节流后的制冷剂液体均匀地分配到蒸发器的各个管组，通常是在膨胀阀的出口管和蒸发器的进口管之间设置一种分液接头。它仅有一个进液口，却有几个甚至十几个出液口，将膨胀阀节流后的制冷剂均匀地分配到各个管组中（或各蒸发器中）。分液接头的型式很多，以降压型分液接头的使用效果最好。图630示出了几种压降型分液头的结构型式，它们

20、的特点是通道尺寸较小，制冷剂液体流过时要发生节流，产生约50kPa压差，同时在分液管中也约有相等的压差，以致使蒸发器各通路管组总压差大致相等，使制冷剂均匀分配到蒸发器中，各部分传热面积得到充分利用。在安装分液头时各分液管必须具有相同的管径和长度，以保证各路管组压降相等。,第四节 蒸气压缩式制冷装置的辅助设备,一、制冷剂储存、分离和净化设备 1. 高压贮液器 其用途是贮存高压液体，设置在冷凝器之后，保证制冷系统在冷负荷变化时制冷剂供液量调节的需要。,容量按循环量的1/31/2计。最大80。,2.低压贮液器 这种设置在低压侧的贮液器，一般用于大型氨制冷装置中，如氨泵循环的冷藏库等。结构与高压贮液器

21、基本相同，仅仅是工作压力较低。 （二）空气分离器 空气分离器用于清除制冷系统中的空气及其他不凝性气体，起净化制冷剂的作用。 卧式空气分离器 它是一种横卧的四重套管式空气分离设备。它的最内层与第三层空间连通，并带有吸气压力下蒸发的制冷剂，同时最外层与第二层连通。带有排气压力下冷凝的高压混合气体，由管壁的换热形成冷凝作用，使混合气体中的不凝性气体得以分离，并通过设在第二层的放气管排放到系统外。卧式空气分离器适用于中、大型氨制冷系统。,2. 立式空气分离器 如图所示，它由钢管壳体 和一组蒸发盘管组成。 采用冷凝器出来的制冷剂 液体节流后送入盘管内蒸 发，将盘管外来自冷凝器 上部的高压过热蒸气冷却 和

22、冷凝。凝结下来的高压 液体通过壳体底部的排液 管回到贮液器，或者通过 膨胀阀送入盘管重新利用。,（三）气液分离器 其作用是分离来自蒸 发器的低压蒸气中的液 滴，以保压缩机吸入干 饱和蒸气。而氨用气液 分离器除上述作用外， 还可令经节流阀供给的 气液混合物分离，只让 液氨进入蒸发器。,小型空调用氟利昂制冷装置（包括热泵空调器） 所采用的气液分离器有管道型和筒体型气液分离器,（四）过滤器和干燥器 过滤器用于清除系统内的机械杂质、金属屑、氧化皮等。,氟利昂液体过滤器结构:采用无缝钢管作为壳体，内装 0.10.2mm网孔的黄铜丝网或不锈钢丝网，两端盖用螺纹与筒体连接并用锡焊焊牢。,实际的氟利昂过滤干燥

23、器: 干燥剂一般采用无水氯化钙、硅胶、活性氧化铝和分子筛等，以吸收制冷剂液体中的水分。,二、润滑油的分离及收集设备 （一）油分离器 将制冷压缩机排出的高压蒸 气中的润滑油进行分离， 以保证装置安全高效地运行。 分油原理：降低气流速度 和改变气流方向，高压蒸气 中的油粒在重力作用下 得以分离。 通常使用的油分离器有 洗涤式、离心式、过滤式 和填料式四种。 1.洗涤式油分离器,2. 离心式油分离器 分油原理： 利用气流在油分离器内呈螺旋形流动产生离心力来达到分油目的。,3. 填料式油分离器 结构: 在壳内设置多组填料，材质一般为金属丝网、毛毡、陶瓷环或金属屑等，在壳内形成过滤式分油，填料的组数越多

24、其分油效果越好。,4. 过滤式油分离器 分油原理：压缩机排 出的高压气体进入油分 离器后，在过滤网处突 然改变流向和大幅度降 低流速，加上过滤网的 过滤作用，将混在高压 气体中的油滴分离出来。 分油后的蒸气从筒体上 侧部管道引出。,（二）集油器 集油器是氨制冷装置中收集制冷设备中放出的润滑油的容器。,三、制冷装置的管道及其隔热 （一 ）制冷装置的管道系统 1.制冷装置的管径选择 (1) 氟利昂系统的管径选择： 回气管管径的确定：回气管压降对压缩机制冷能力有直接影响。一般氟利昂回气管的允许压降控制在相当于饱和蒸发温度差 ，合适的管内流速为815m/s。当管道较长阻力增大时，应降低流速增大管径保持

25、其压降不变，以保证压缩机制冷量不受影响。 R22系统回气管最小管径线算图见图6-48。其查图方法举例如下： 已知R22回气管道有直管20m各种管件的当量直径总数 制冷负荷为58.15kw,蒸发温度 计算铜管回气管内径。,(3) 氨系统的管径选择：氨其单位制冷量较大，粘性和密度均较氟利昂小，在相同循环量时氨循环所产生的压降要小。因而管径选择时压降可取小些。对回气管一般控制在相当于饱和蒸发温度差 低于氟利昂的饱和蒸发温度差 的范围。 氨系统排气管和液管也以控制在相当于饱和冷凝温度差 0.5为宜，因氨与油不互溶，无需考虑带油速度问题。冷凝后的泄液管内流速不超过 0.5m/s 即可。氨管管径线算图见图

26、6-51所示。图右侧部分适用于单级压缩氨制冷系统和两级压缩系统的高压级，右侧部分适用于其低压级。,(4) 水系统的管径选择：水管管径选择主要取决于水泵或载冷剂泵压头所允许的压降。其最小管径不应小于25mm, 管径在 100mm，以下者管内流速不要超过1m/s， 管径大时流速可以偏高一些，但不宜超过2m/s,以免磨损。 2. 管道系统的阻力计算 制冷装置的管道系统中有单相流和两相流两种形式。 (1)单相流管道阻力计算： 管道摩阻压降 （单位为Pa): 式中， 为管内摩阻压降； 为管内摩阻系数，层流 时 湍流时 是管内表面相对粗糙度， 为绝对粗糙度。各种管子的绝对粗糙度见表6-14； 为管长度，单

27、位为m; 为管内径，单位为m; w为管内流速，单位为m/s; 为流体密度，单位为,2)管内局部阻力损失 （单位为Pa） 式中， 为局部阻力系数。 工程中常采用“当量管长”法将各种弯头、 阀门、 三通及附件的阻力损失与该流体相同管径的直管段某长度内产生摩阻压降等效计算， 即将式(6-15 ）变成为,式中， 为摩擦阻力系数,按相同管径和流速的直管取用。 为当量直径，即当量长度为其直径的倍数，各种管件的当量直径见表6-15。 3) 管系总阻力计算： 对于封闭系统总阻力 （单位为 对于开启系统总阻力 （单位为Pa) 式中， 分别为入口与出口的液柱，单位为m; g为重力加速度，,(2) 两相流管道阻力计

28、算：,（二）制冷装置的隔热 1.制冷装置隔热的目的 制冷装置中凡需要保持低温的场合如冷库库房、电冰箱、冷藏及空调车辆、低温条件下工作的设备（中间冷却器、气液分离器、低压贮液器等），以及低温下工作的管道、阀门等都需要进行隔热处理。其目的在于减少环境介质向这些低温场合以及低温设备、管道的热量传入量，提高制冷装置运行的经济性。同时还要通过隔热设施使制冷装置的外表面温度高于环境空气的露点，防止出现凝露甚至结霜。提高装置的使用寿命。 2. 对隔热材料的要求隔热材料应具有密度小、导热系数小；吸湿性小；抗冻性强；耐火性强；机械强度及抗振性好、耐用；比热容小；无毒、无臭味、不污染食品、不怕虫蛀、鼠咬等优良性能。 3.常用隔热材料的特性 制冷装置可使用的隔热材料很多，性能也各不相同，所以隔热结构型式也不同。 常用隔热材料的特性见表,第六章思考题 1、制冷装置中常用的冷凝器主要有哪几种?它们的结构有何区别？分别适用与什么制冷装置？ 2、制冷装置中常用的蒸发器有哪几种?试比较壳管式满液式蒸发器与壳管式干式蒸发器的工作原理及其优缺点？ 3、热力膨胀阀有哪几种？简述其工作原理及结构特点。,