制冷与低温技术原理—第6章热交换过程与制冷设备

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1、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：,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：

2、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,25-32mm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： 383mm和 5

3、13.5mm，换热管高度约4-5m，冷却水温升2-4；传热系数约为698-814 W/(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

4、，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,（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1.4-1.6mm， 丝间距一般为4-10mm，传热管采用4-6mm复合钢管 （管外镀铜，又称帮迪管）； 传热系数较低，可达9-16 W/(m2

5、.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. 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

6、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

7、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,（1）冷却液体介质的干式蒸发器,（2）冷却空气的干式蒸发器,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,蒸发器 绕片管套片管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

8、.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 ；,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,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

9、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

10、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0.52mm。,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

11、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

12、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

13、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

14、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。,6.4.2 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。,