第六章制冷设备

第六章制冷设备第一节概述第三节制冷装置的节流机构第四节其他制冷换热器及辅助设备第二节制冷装置的换热设备第一节概述一、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。下面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。材料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。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)。气密试验时的压力标准非常重要，它直接关系到制冷机寿命和操作人员的生命安全。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。第二节制冷装置的换热设备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。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按冷却方式水冷式空气冷却式蒸发冷却式1、水冷式冷凝器这种型式的冷凝器是用水作为冷却介质带走制冷剂冷凝时放出的热量。冷却水可以一次性使用．也可以循环使用。水冷式冷却塔冷却水蒸发器水冷冷凝器泵压缩机水吸收冷媒热量而使冷媒液化气态冷媒向水放热成为液态水冷式冷凝器主要有壳管式和套管式两种结构型式。1）.壳管式冷凝器壳管式冷凝器分为立式和卧式两大类。一般立式壳管式冷凝器适用于大型氨制冷装置卧式壳管式冷凝器则普遍使用大、中型氨或氟利昂制冷装置中。1-端盖2-壳体3-进气管4、17-传热管5-支架6-出液管7-放空气管8-水槽9-安全阀11一平衡管12－混合管13－放油阀14－出液阀15-压力表16-进气阀其壳内管外为制冷剂,管内为冷却水。壳体的两端管板上穿有传热管。壳体一般用钢板卷制(或直接采用无缝钢管)焊接而成。管板与传热管的固定方式一般采用胀接法，以便于修理和更换传热管。1）卧式壳管式冷凝器：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，增强水换热效果。国产卧式壳管式冷凝器一般为4—10个流程。若流程数过多，会增大水流动阻力。加大水泵功耗，在端盖的上部和下部设有排气和放水阀，以便装置启动运行时排出水里空气，或在停止运行时排出管内存水，防止冬季时冻裂传热管。氨制冷机配用的卧式壳管式冷凝器：试验证明，其传热系数不受单位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。mm32~25smw5.1~8.0)(1160~9302KmW25234~4071mWqF。通常采用无缝钢管作为传热管：一般卧式壳管式氨冷凝器在水速：传热系数K：单位面积热流量为卧式壳管式氟利昂冷凝器：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，一般在采用铜质翅片管以后．其氟利昂侧换热系数较相同规格光管大1.5~2倍。一般卧式壳管式氨冷凝器在水速：传热系数K：sm8.2~6.1)(1600~13602KmW污垢热阻(m2K)/W：铜管钢管海、井、湖水：310)172.0~086.0(310)344.0~172.0(硬水、含泥水：310)344.0~516.0(310)516.0~688.0(不仅如此，污垢热阻对冷凝器换热效果有重要影响，其冷却介质为海、井、湖水时为铜管污垢热阻仅为钢管的50％，而且冷却水流速可提高到2.5m/s,传热系数则随流速提高而增大。此外，减少传热管壁厚、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。目前滚轧低肋管和新型锯齿形高效冷凝管已在大、中型氟利昂制冷装里的冷凝器中得到广泛应用。2）立式壳管式冷凝器立式壳管式冷凝器以适合立式安装而得名。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。冷却水由下端流出井集中到水池内，再用泵送到冷却塔降温后，可循环使用。从传热理论分析，立管的换热性能较水平管差得多。其原因在于立管上冷凝液膜的流动路线较短，而且管内的水较难以保证完全为膜层流动，因此在传热系数方面，立式冷凝器低于卧式冷凝器。立式壳管式冷凝器可以使用水质较差的水，因为它可以在运转时进行清洗。但由于冷却水不能始终沿管壁流动，且上部管壁产生的凝结液覆盖下部管壁，因此传热系数低于卧式壳管式。Ctm06~4)(814~6982KmW24652~4071mWqF传热系数K约为单位面积热流量在平均传热温差3）.套管式冷凝器氟利昂套管式冷凝器逆流换热端部温差小传热效果好sm2~1水速传热系数)(9302KmW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。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，与制冷剂成逆流式，因此传热效果较好。套管式冷凝器该冷凝器结构简单、制作方便。但是在套管长度较大时，下部管间易被液体充斥，使传热面积不能得到充分利用，而且金属耗量较大，一般只在小型氟利昂制冷装置中使用。另外，套管式冷凝器无法机械清洗，应当使用符合水质要求的水，并定期进行化学清洗。2、空气冷却式冷凝器空冷式冷凝器（室外机）冷媒向空气放热，由气态转化为液态向空气排热冷凝器空气冷却式冷凝器中根据管外空气流动方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管：φ4～6mm,邦迪管（钢管外镀铜）管间距：4～10cm翅片：φ1.4~1.6钢丝翅片间距：4~10mm传热系数：15~17.5W/(m2K)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。(1)、空气自由运动的空气冷凝器(2)、空气强制流动的空冷冷凝器由一组或几组带有肋片的蛇管组成。制冷剂蒸气从上部集管进入蛇管，其管外助片用以强化空气侧换热，补偿空气表面传热系数过低的缺陷。肋片一般采用厚度为0.2~0.4mm铝片制成，套在φ10—φ16mm钢管外，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。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。管：φ5～16mm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排沿空气流动方向的管排数愈多，则后面排管的传热量愈小，使换热能力不能得到充分利用。为提高换热面积的利用率，管排数取2—6排为好。（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。为防止传热管外壁面结垢，对循环水应进行软化处理后使用。水经水泵提升再由喷田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。箱体上方设有挡水板，用于阻挡空气中的水滴散失。该冷凝器空气流且不大，耗水量也很少。蒸发式冷凝器的热流量与进口空气的湿球温度关系很大，湿球温度愈高，则空气相对湿度愈大，若要保持一定的蒸发量，就必须提高冷凝温度，对装置的正常运行造成不利影响。因此，蒸发式冷凝器设计参数的选择应注意以下问题：1)、进口空气的湿球温度与当地气象条件有关。其参数选择可参照JB/T7658.5氨制冷装置用蒸发式冷凝器标准。2)、风量配备与有关。越高则所要求的送风量就越大。送风耗能也越多。所以送风量的配备应从节能和性能要求两方面综合考虑。3)、水量配备应以保证润湿全部换热表面为原则。随意增大配水量会造成水泵功耗上升，水的飞散损失增大，运行成本提高。第三节蒸发器室内机蒸发器室内机组热液体气体蒸发器（室内机）内的液态冷媒吸收周围空气的热量。空气的温度从而下降影响蒸发器的传热系数因素主要是：(一).制冷剂蒸发时放热系数的大小(三)传热表面的污脏程度(二).冷却介质侧的放热强度(一).制冷剂蒸发时放热系数的大小制冷剂蒸发时的放热系数取决于制冷剂在蒸发器内的沸腾状态沸腾形式有泡状沸腾和膜状沸腾之分。泡状沸腾的放热系数比膜状沸腾高。随着传热温差的上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增q增加到最大值，汽泡扰动剧烈，称该段为泡状沸腾。在加热面上形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使上升时，热流密度q上升，此阶段称为稳定膜态沸腾。工业用的蒸发器一般应控制好传热温差，以便得到泡状沸腾，所以在实际制冷系统中，传热温差一般约10℃左右，蒸发器中制冷剂液体是处于泡状沸腾状态。蒸发器的结构有利于沸腾生成气泡尽快离开传热表面的，放热系数就高；反之，放热系数就下降。(二).冷却介质侧的放热强度主要取决于冷却介质的流速，流速增大，则放热系数提高，但过大的流速又将增大机泵的动力消耗，所以一般盐水的流速为0.75—2m/s。此外，它还受传热表面的几何特性(结构、形状)的影响，改进几何特性，可以增强流体流动时的扰动，破坏层流边界层，增强传热。(三)传热表面的污脏程度(1)制冷剂侧的传热表面，其管内壁的污垢，主要是制冷剂中夹带的润滑油在制冷剂蒸发后沉积在蒸发器管道中，过多的积沉将形成油膜。此时热阻增大，放热系数降低。〔2)冷却介质侧的传热表面，如盐水腐蚀管壁生成铁锈，其热阻很大；此外盐水浓度过大或过小，也会有盐或冰析出，粘附在传热表面，也使热阻增大，降低传热系数。一、蒸发器的结构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按其结构分为卧式壳管式、直管式、螺旋管式等几种结构型式。它们的共同特点是在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。(1)、壳管式满液式蒸发器：由于制冷剂与传热面充分接触，具有较大的换热系数。但不足之处是制冷剂充注量大，液柱静压会给蒸发温度造成不良影响。一般为卧式结构，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70％~80％的静液面高度。为防止液滴被抽回压缩机而产生“液击”，一般在壳体上方留出一