制冷系统设备与机组

制冷系统设备：蒸气压缩式制冷循环是由压缩、放热、节流和吸热四个主要热力过程组成，每一个热力过程都是在对应的设备中完成，这些设备被称为制冷系统设备。

辅助设备：指各种分离器、贮液器、回热器、过冷器、安全阀等，它们在制冷系统中的作用是提高系统运行稳定性、经济性和安全性。

制冷机组：是将制冷系统中的部分设备或全部设备组装在一起，成为一个整体。这种机组结构紧凑，使用灵活，管理方便，而且占地面积小，安装简便，其中有些机组只需连接水源和电源即可。

制冷机组已成为目前制冷设备的重要发展方向。常用的制冷机组有压缩-冷凝机组，冷水机组，单元式空调机组，热泵机组等。

换热器：

制冷系统的基本换热设备是冷凝器和蒸发器，辅助换热设备有过冷器、回热器、中间冷却器等。

制冷系统换热器的特点：

1.制冷换热器的工作压力、温度范围比较窄。一般压力约在0.1～2.0MPa左右，温度在-60～50℃左右；

2.介质间的传热温度差较小。一般在几度至十几度范围；

3.制冷换热器应与压缩机匹配。

制冷系统换热器材料选择的依据：

根据介质的不同选择材料；

根据工作温度的不同选择材料；

根据压力的不同选择材料。

氨对黑色金属无侵蚀作用，而对铜及其合金的侵蚀性强烈，所以氨制冷装置中设备都用钢材制成。

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。

对于以海水作为冷却介质的冷凝器仍然可采用铜管或铜镍合金管。

氨冷凝器采用铜管时，必须采取加厚和增加镀锌保护等措施。

以盐水作为载冷剂的氟利昂蒸发器，铜管上也应增加锌保护层，以延长使用寿命。

换热器在30℃以上工作时，可采用普通低碳钢；

在-80～30℃范围内工作时，应采用高碳优质钢；

在-80℃以下工作时，需采用铜或镍铬合金。

冷凝器：

1.冷凝器的基本作用：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。

冷凝器热负荷的计算：

1.焓差；2.蒸发器冷负荷与压缩机耗功之和；3.蒸发器冷负荷与冷负荷系数之积。

2.冷凝器的种类：

水冷式冷凝器：这种型式的冷凝器用水作为冷却介质，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。用循环水时，必须配有冷却塔或冷水池，保证水不断得到冷却。根据其结构不同，主要有壳管式和套管式两种。

壳管式冷凝器：制冷装置中使用的制冷剂不同，其结构特点也有所不同。一般立式壳管式冷凝器适用于大型氨制冷装置，而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。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。

冷却水走管程，制冷剂走壳程。

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。如图所示，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。

三种形式水冷式冷凝器比较：

立式壳管式冷凝器：传热系数高，占地面积小，清洗方便；耗水量大，体型笨重。

卧式壳管式冷凝器：传热系数高，耗水量小，占空间小；水质要求高，清洗不易，留出拔管空间。

套管式冷凝器：传热系数高，机组占地面积小，结构简单；金属耗量大，清洗困难，水阻力大。

空气冷却式冷凝器：这种冷凝器以空气为冷却介质，制冷剂在管内冷凝，空气在管外流动，吸收管内制冷剂蒸气放出的热量。由于空气的换热系数较小，管外（空气侧）常常要设置肋片，以强化管外换热。分为空气自由运动和空气强制运动两种型式。

自然对流的空冷冷凝器：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。目前常见的是丝管式结构和板管式结构的空气自然对流冷凝器。

空气强制对流的空冷冷凝器：它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，其管外肋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。在结构方面，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，管排数以取4~6排为好。

空气冷却式冷凝器特点：不需水，安装简单，可置于屋面；传热系数小，受环境温度影响大，恶化环境，除尘困难。

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。

蒸发式冷凝器特点及应注意的问题：

特点：省水，造价低，结构简单，水垢易清除，体积小。

应注意的问题：

1）进口空气的湿球温度ts1与当地气象条件有关。

2）风量配备与ts1有关。ts1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。

3.冷凝器的传热分析：

传热过程：

传热系数：

蒸发器：

1.蒸发器的基本作用：制取和输出冷量。

2.蒸发器的种类：根据制冷剂在蒸发器中的情况：

根据冷却介质的不同：

立式蒸发器：又称为水箱式蒸发器可由平行直管或螺旋管组成。它们均沉浸在液体载冷剂中工作，由于搅拌器的作用，液体载冷剂在水箱内循环流动，以增强传热效果。制冷剂液体在管内蒸发吸热，使管外载冷剂降温。

壳管式满液式蒸发器：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。

应注意的问题：

1）以水为载冷剂，其蒸发温度降低到0℃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。

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，其每小时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。

冷却液体介质的干式蒸发器：

壳管式干式蒸发器的直管式和U形管式的结构型式如下图所示。它们的共同特点是壳内装有多块圆缺形折流板，目的在于提高管外载冷剂流速、增强换热效果。

干式壳管式蒸发器的特点：

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0℃，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。

这类蒸发器按空气的运动状态分有冷却自由运动空气的蒸发器和冷却强制流动空气的蒸发器两种型式。

冷却排管：冷却自由运动空气的蒸发器，由于被冷却空气呈自由运动状态，其传热系数较低。所以这种蒸发器被制成光管蛇形管管组，通常称做冷却排管。一般用于冷藏库和低温试验装置中。

冷却排管特点：冷却排管具有存液量少，其充液量约为排管内容积的40%左右，操作维护方便等优点。但存在管内制冷剂流动阻力大，蒸发后的蒸气不易排出。同时由于管外空气为自由运动，传热系数较低，一般在6.3~8.1W（m2·K）范围。

冷风机：用于冷却强制流动空气的蒸发器。由于光管式空气冷却器传热系数K很低，为加强空气侧的换热，往往需要在管外设置肋片以提高传热系数值。但是在一般情况下，设置肋管后因片距较小会引起较大的流动阻力，必须采取措施强制空气以一定的流速通过肋片管簇，以便于获得较好的换热效果。

氟利昂直接蒸发式空气冷却器

提高蒸发器传热效率的措施：

氨制冷系统，应定期排油；

适当提高载冷剂流速；

及时清除载冷剂侧水垢；

冷库中应定期除霜；

防止蒸发温度过低，避免结冰。

3.蒸发器的传热分析

蒸发器传热过程与冷凝器相同：

蒸发器的传热系数K的计算与冷凝器基本相同，但制冷剂侧的放热为沸腾放热，故放热系数与冷凝器不同，Ｋ值也不同。

冷凝器和蒸发器的选择计算

1.冷凝器的选择计算：

2.蒸发器的选择计算

其他换热器：

这类换热器用于提高制冷装置工作效率，或用于较低蒸发温度的制冷系统，这类换热器的两种传热介质都是制冷剂。这类换热器包括回热器、中间冷却器、冷凝蒸发器等。

1.回热器：回热器一般是指氟利昂制冷装置中的气-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。由于回热器中是相同介质的气-液进行热交换，根据制冷装置的容量大小不同，有盘管式、套管式、液管与回气管焊接式几种结构型式。

盘管式回热器均采用壳内盘管结构，如图所示。其外壳采用无缝钢管，盘管用铜管绕制而成，制冷剂液体在管内流动，蒸气在管外横掠流过盘管螺线管族。

2.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。

冷凝-蒸发器：

它既是装置中低温级循环的冷凝器，又是高温级循环的蒸发器。常见的结构型式有绕管式、直管式和套管式三种。

绕管式冷凝-蒸发器：其结构如图所示，它是将一个四头螺旋型盘管绕在一个管芯上放置在一圆筒形壳体内。一般用于氟利昂复叠式(即R22/R13)系统，R22由盘管上方管口进入管内蒸发吸热，产生的蒸气由下方管口导出，R13在盘管外表面冷凝后由壳体底部排出。

直管式冷凝-蒸发器：在结构上是将直管管簇设置在壳筒内，以取代盘管式中的螺旋盘管，其型式与壳管式冷凝器基本相同。

套管式冷凝-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。

3.板式换热器：板式换热器一般作为冷凝器、蒸发器或冷却器等，在制冷及空调用冷水机组中的应用相当普遍。

由于板式换热器具有体积小、重量轻、传热效率高、可靠性好、工艺过程简单、适合于批量生产，很受国内各制冷设备厂商的重视。目前已在国产模块化空调冷水机组和空气-水热泵机组等装置上批量使用。对促进我国制冷、空调事业的发展将起到重要的促进作用。

节流机构：

1.节流机构的基本作用

2.节流机构的基本类型

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。

通常与其它控制元件配合使用，一般只在短时期内使用，例如在冷冻初期辅助送液，或者在自动膨胀阀出故障时作为旁路备用阀。

手动膨胀阀：

由工作人员根据负荷大小，手动调节阀门开度，管理不方便；结构同普通截止阀。

浮球调节阀：

它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的液量的目的。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。

根据节流后的液体制冷剂是否通过浮球室，可分为直通式和非直通式。

直通式浮球膨胀阀：

非直通式浮球膨胀阀：

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