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第一章制冷系统方案设计第一节制冷系统慨述一、制冷系统的定义及分类1．定义任何使用外部能量不断把温度低的物质的热量档蛤温度较高的物质的系统称制冷系统。2．分类按上述定义，制冷系统可分为蒸汽制冷系统，空气制冷系统和热电制冷系统。其中蒸汽制冷系统又可分为：(1)蒸汽压缩式；(2)蒸汽喷射式；(3)蒸汽吸收式。蒸汽制冷系统是利用液体汽化成蒸汽时要吸收热量的原理来实现制冷的。可以说蒸汽制冷系统是目前使用得最为广泛的制冷系统*特别是冷库中的制冷装置，绝大部分是采用蒸汽压缩式制冷系统，因此本教材所述及的范围也只限于蒸汽压缩式制冷系统的设计。二、蒸汽压缩式制冷系统基本构成1．单级压缩系统的基本构成⑦蒸发器，②压缩机，②冷凝器，④节流阀这是单级庄缩系统必不可少的四大部件，如图1—1一I所示。这些设备之间用管道依次连接形成一个封闭系统，制冷剂在系统中经过压缩、冷凝、节流、汽化这样四个过程，完成了一个循环。2．双级压缩系统的基本构成①蒸发钳，②低压级压缩机(缸＞，⑧中间冷却器，④高压级压缩机＜缸)、⑤待凝器，⑥节流阀，这是双级压缩系统必不可少的六部件，把它们依次用管道连接起来，就构成了一个最基本的双级压缩系统，如图1—1—2所示。来自蒸发器的制冷剂先经低压级压缩机(缸)压缩至中间压力，低压级排出的过热气体在冷凝器中被等压冷却至饱和蒸汽，然后再入高压级压缩机被压缩至系统的冷授压力，最后经节流阀进入蒸发器去执行制冷任务。3．单、双级综合系统的基本构成冷库中，蒸汽压缩制冷装置并不总是纯粹的单级或纯粹的双级系统，更多的情况是两者并存的综合系统，如图I—I一3所示，由图可见：综合系统实际上是单级系统和双级系统共同并联到一个冷凝器上的综合体。从理论上来讲，一个系统只要有上述的基本部件就可以工作了。但在实际的制冷装置中，为了提高运行的经济性和保证操作管理的安全可芹．除T这些部件外，还增设f许多其它的辅助设备，这些辅助设备有：油分离器、高压贮液器、汽液分离设施、排液捅、柴油器、空气分离器、加氨站和各种高、低庆调节站。这些设备和基本部件的关系见图1—1—4制冷流程方框图。三、蒸汽活塞压缩式制冷装置原理图制冷系统原理图是表达整个系统全貌的关键图纸，从原理图上可以看出：①系统的规模相特性；②设备的容量、数量、规格型号，②系统是否先进、合理等。因此查问系统原理图是了解制冷装置的重要手段，在学会设计制冷系统之前，应先学会阅读制冷系统原理图。图1—1—5是个典型食品冷库的制冷系统原理图．正规的设计图纸，除了有图l一1—5的内容外，一般还应有国标、图例、设备项表、备注等内容。看图时，应首先了解——下图例，冷库制冷装置原理图常见的图例见表1—1—1。在图例清楚之后，就开始寻找制冷剂的整个循环过程。实际系统中往往有些并联管道或切换阀，所以制冷剂的流向有时并不是单一的*查闻回路时要先找主要循环。看图时，循环的始参往往是从蒸发器的出口处出发。主循环摘清楚之后，接下来应探究各压缩机互相切换的可能性，把起多种作用的压缩机的吸、排气接管捐清楚。最后才是寻找各种辅助流程，如空气流程、放油流程、紧急泄氨和充注制冷剂流向等。在弄值了这些循环和流程之后，对整个系统就有了初步的印象，再深究下去就是搞清各种阀门及仪表在系统中所起的作用。结合一览表，还可了解备设备的尺寸、容量等。第二节制冷系统方案设计一、提高制冷效率的基本措施1．润滑油的分离与回收润滑油对于压缩机来说不仅起着润滑、降低摩擦力的作用，还起着密封、带走潜屑和热量以及作能量调节机构的动力的作用，尤其是对螺杆压缩机的正常运行更显得重要。但是，压缩机在运行时，当诽气速度达到24—30顺／5时，就会把部分润滑油带出气缸。此外，当排气温度达90℃一140℃时，部分润滑油也会气化为油气(宜径为5—50Pm的油较)，随着制冷剂蒸汽进入排气管(见表1—2—1)，所以，压缩机在运行时总是把润滑油源源不断地排入系统的高压部分。润滑油进入系统的循环回路将造成下述不良后果：(1)油积存在设备和管道内，使其工作容积减少；(2)油的粘度大，遇到活物和机械杂质后易混合成为胶状物质。当其积累在截面较小的管道或阀门中时，易造成堵塞，使系统不能正常运行；(3)油的导热系数远比金屑小，当时在热交换器壁面时，将使传热恶化，引起冷凝温度升高和蒸发压力下降，并使排气温度上升，从而使制冷装置的工作效率降低；(4)若淘滑油无法及时返回压缩机曲轴箱时，可能导致压缩机失油而发生事故。因此，在设计时必须采取措施使油从系统的积油设备中分离出来，然后通过手动或自动使之返回压缩机曲袖箱循环使用。首先，应在压缩机和冷起器之间的排气管上设置油分离器，利用降低流速、改变流向、液态制冷刑洗涤和冷却，或利用重力和离心力的作用，使绝大部分的油在进入冷踞器之前就被分离出来。为了进一步分离少量混入冷凝器、又随冷剂液体流出的润滑油，还可以在冷凝器的出液管上设置液油分离器，利用离心力的作用使油从液体中分离出来。通过这两道分离后，仍有少量的润滑抽混同在制冷剂液体中而进入其他设备，所以在贮液器、中冷器、低压循环桶、排液桶、汽液分离器以及蒸发器等设备的底部，都会沉积润滑油，因此还应在这些设备的底部设置放油管道。从集泊器中放出的油应经过油处理设备的再生处理，经抽除氨气，过滤油污，蒸发水份后再注入压缩机循环使用。2．不凝性气体的分离在制冷装置中，由于金属材料的腐蚀，润滑油的分解，制冷剂不纯及接触污物后的分解，负压运行时由于制冷装置不密闭或手动加油时把空气吸入系统，投产前和维修后对系统的空气抽除不干净等原因，使系统内含有O2：、N：、H2、C1z、水汽和其他碳氢化合物的混合气体。这些混合气体混同制冷剂在制冷装置中循环，由于不能被液化，使冷凝器内增加这部分不凝性气体的分压力造成冷凝压力升高，冷凝器的传热效果下降。而且，混合气体中的水份相对会加剧对金属材料的腐蚀和加速润滑油的氧化。由于不凝性气体总是和制冷剂气体混合存在，采用直接排放的方法势必同时放掉一部分制冷剂，这样既不安全又造成浪费，所以应设置空气分离器，通过它来冷凝回收不凝性气体中的制冷剂。只有经常处在正压下工作的制冷装置，才可以不设置空气分离器，但仍需设置放空气阀，必要时从冷凝器或贮液器的顶部直接排放掉系统中的不凝性气体。3．高压制冷剂液体的过冷4．蒸发器的除霜和排液二、制冷系统的安全保护措施1．压缩机的安全保护〔1)安全保护装置：压缩机的安全保护装置主要有商低压保护、油压和油温保护、诽气温度保护和水套断水保护等．(2)防止湿冲程的措施：防止湿冲程的措施主要是对蒸发器的回汽进行充分的汽液分离．(3)压缩机的安全启动2．液泵的安全保护液泵的安全保护措施包括：低压循环捅正常液依控制及设置加压管，液泵上装没抽气管和压差控制器，泵出口设置自动旁通阀和止回阀。3．设贮液器受液器不仅有调节和平衡制冷刑的供需作用，还有对制冷装置的正常运行起安全保护的功能。4．压力容器的安全装置除了油分离器和集油器外，其余的压力容器一般均需要设置安全阀。5．制冷装置的紧急泄液6．设备液面的控制和显示三、制冷系统供液方式的确定根据供液的动力不同，供液方式有多种，如：直流供液方式、重力供液方式、液泵供液方式、气泵供液方式等等。其共同特点是：必须使供到蒸发器的制冷剂是经过节流后的低温低压液体，并要求制冷剂液体中所台的闪气越少越好，这些供液方式各有其优缺点。（一)几种供液方式原理及特点1．直流供液(1)工作原理直流供液就是将高压制冷别液体经节流阀节流后直接供到冷间蒸发器。它是以冷凝压力和蒸发压力之差为动力。(2)缺点直流供液系统简单，不需较多设备，但存在许多缺点。①节流过程中产生的闪发气体将随液体进入蒸发器而影响传热效果。②要将节流后的两相流体按设计要求均匀分配至多组并联的蒸发器中去很困难*若蒸发器供液量较少则不能充分发挥其传热效能，且压缩机吸入气体过热度增大；芳药发器供液员过多，又会因氨液不能全部蒸发而可能引起压缩机液击事故。③当节流阀开度一定时，节流阀的制冷量主要取决于阀前后的压差而冷凝压力随冷却介质温度变化而变化，美发压力也随库温而波动，也就是说，阀前后压力差不是一个恒定值。因此，必须经常调节其开启度来维持一定的制冷量。所以，这种供液方式只适合负荷较稳定的小型制冷装置。2．重力供液系统(1)工作原理重力供液系统也是在蒸发器的回汽管上增设一汽液分离器，但它同时起着汽液分离和向蒸发器供液的作用。从机房来的高压液体经节流后进入汽液分离器，低压制冷剂液体借助静液柱的作用流入蒸发器吸热蒸发，蒸发形成的蒸汽同夹带的液滴回到汽液分离器，分离出来的汽体连同节流时产生的闪汽一起从吸入管返回压缩机。这样，分离器和蒸发器之间便产生了不同程度的再循环，氨重力供液系统的原理见图l一2—6。向蒸发器的供液是以汽液分离器内的液体与蒸发器之间的静压差为动力。(2)特点由于供液和回汽都经过汽液分离器，因此，供液管内的制冷剂是液相，易实现配液均匀，回汽经分离后被压缩机吸入，亦可保证压缩机安全运行。但由于向蒸发器供液的动力是静液柱差AH，故必须保证气液分离器的安装高度，因此一般单层冷库需加建阁楼，增加了一次投资。3．液泵供液系统(1)工作原理液泵供液是借助液泵的机械作用来克服管道阻力及静压力向蒸发器输送制冷剂液体。其工作原理如图1—2—7所示。在该系统中以低压循环桶代替了重力供液的汽液分离器，高压液体经节流后进入低压循环桶，在桶内分离掉闪发汽体后经液泵送入蒸发器吸热蒸发，汽化生成的蒸汽和没有汽化的液体一起经回汽管返回到低压捅再次被分离，汽体连同节流生成的闪汽进入吸入管回到压缩机，而液体汇同新补充来的液体供液泵再循环。(2)特点液泵供液方式问重力供液方式比较，具有如下持点：①由于制冷剂的供液员大，在徘管内循环速度高，使蒸发器内表面得以充分的润湿，并能冲刷排管内的泊膜，提高了蒸发器的传热系数；②由于液泵的供液量为数倍的蒸发量，可充分利用冷却面积，同时回汽管为两相流体管，压缩机的吸气过热度较小，从而提高了整个制冷循环的制冷系数；③融霜装置和除霜操作比较简单，装置可集中布在机房内，便于监视、操作、维修，也便于实现自动化；④由于设置液泵，设备费和维修费要相应增加，但同重力供液相比，不需另建阁楼或占用库房使用面积以及另设排液桶等，基建投资仍有所下降，但日常运行电耗要增加。(二)方案选择小型氨制冷装置，可采用直接节流供液以简化系统。盐水制冰多采用重力供液。大中型冷库最多采用的还是氨泵供液。四、冷间冷却方式的确定根据产生冷效应途径的不同，冷间的冷却方式可分为直接冷却和间接冷却两种方式。1．直接冷却方式直接利用制冷刑在冷间内的蒸发器中蒸发吸收热量而达到降温的目的。2．间接冷却方式即先用制冷剂冷却载冷剂，再由载冷剂在冷间的冷却设备内产生冷效应。五、制冷系统供冷方式的确定1．集中供冷式把制冷装置的主要机器和设备，在现场安装于特定的机房内。用供液、回气管道和各库房的冷却设备连接起来，这种方式称集中供冷方式。目前我国冷库一般均采用这种供冷方式。2．分散供冷式把制冷机器和设备在制造厂组装成为一套紧凑高效的具有全自动性能的制冷机组。六、制冷系统蒸发温度回路的方案确定1．蒸发温度的确定库房的功能决定了库房的温度。温差值的大小取决于冷却设备的一次投资与压缩机常年运转费用的技术经济比较，另外与贮藏的食品对相对湿度的要求也有关。冻结问和低温冷藏间，这个温差值一般为10℃。2．蒸发温度回路的概念一个制冷系统中，常常存在着几种不同的蒸发温度。如果把制冷剂在循环时所经历的路径叫做“回路”，那么某种蒸发温度的制冷剂所对应的“回路”就称做这种蒸发温度的回路，如一15℃回路、一28℃回路、一33℃回路等。3、蒸发温度回路的划分方案蒸发温度回路的合并可简化系统、节省投资和管理费用，但同时会增加压缩机的运转电耗。因此在设计制冷装置时，如何进行综合经济比较，定出合理的蒸发温度回路数是制冷装置设计的重要课题之一。在考虑制冷系统蒸发温度回路的划分时，应当遵循的主要原则是首先保证食品冷加工相冷贮藏的质量．在此前提下兼顾系统的经济合理性。以下介绍冷库设计中常用的一些蒸发温度回路的划分方案。七、制