制冷系統設備與機組

制冷系統設備：蒸氣壓縮式制冷循環是由壓縮、放熱、節流和吸熱四個主要熱力過程組成，每一個熱力過程都是在對應的設備中完成，這些設備被稱為制冷系統設備。

輔助設備：指各種分離器、貯液器、回熱器、過冷器、安全閥等，它們在制冷系統中的作用是提高系統運行穩定性、經濟性和安全性。

制冷機組：是將制冷系統中的部分設備或全部設備組裝在一起，成為一個整體。這種機組結構緊湊，使用靈活，管理方便，而且占地面積小，安裝簡便，其中有些機組只需連接水源和電源即可。

制冷機組已成為目前制冷設備的重要發展方向。常用的制冷機組有壓縮-冷凝機組，冷水機組，單元式空調機組，熱泵機組等。

換熱器：

制冷系統的基本換熱設備是冷凝器和蒸發器，輔助換熱設備有過冷器、回熱器、中間冷卻器等。

制冷系統換熱器的特點：

1.制冷換熱器的工作壓力、溫度范圍比較窄。一般壓力約在0.1～2.0MPa左右，溫度在-60～50℃左右；

2.介質間的傳熱溫度差較小。一般在幾度至十幾度范圍；

3.制冷換熱器應與壓縮機匹配。

制冷系統換熱器材料選擇的依據：

根據介質的不同選擇材料；

根據工作溫度的不同選擇材料；

根據壓力的不同選擇材料。

氨對黑色金屬無侵蝕作用，而對銅及其合金的侵蝕性強烈，所以氨制冷裝置中設備都用鋼材制成。

氟利昂對一般金屬材料無侵蝕作用，可以使用銅或銅合金制造。

對于以海水作為冷卻介質的冷凝器仍然可采用銅管或銅鎳合金管。

氨冷凝器采用銅管時，必須采取加厚和增加鍍鋅保護等措施。

以鹽水作為載冷劑的氟利昂蒸發器，銅管上也應增加鋅保護層，以延長使用壽命。

換熱器在30℃以上工作時，可采用普通低碳鋼；

在-80～30℃范圍內工作時，應采用高碳優質鋼；

在-80℃以下工作時，需采用銅或鎳鉻合金。

冷凝器：

1.冷凝器的基本作用：將制冷劑從低溫熱源吸收的熱量及壓縮后增加的熱焓排放到高溫熱源。

冷凝器熱負荷的計算：

1.焓差；2.蒸發器冷負荷與壓縮機耗功之和；3.蒸發器冷負荷與冷負荷系數之積。

2.冷凝器的種類：

水冷式冷凝器：這種型式的冷凝器用水作為冷卻介質，帶走制冷劑冷凝時放出的熱量。冷卻水可以一次性使用，也可以循環使用。用循環水時，必須配有冷卻塔或冷水池，保證水不斷得到冷卻。根據其結構不同，主要有殼管式和套管式兩種。

殼管式冷凝器：制冷裝置中使用的制冷劑不同，其結構特點也有所不同。一般立式殼管式冷凝器適用于大型氨制冷裝置，而臥式殼管式冷凝器則普遍使用大、中型氨或氟利昂制冷裝置中。管板與傳熱管的固定方式一般采用脹接法，以便于修理和更換傳熱管。

冷卻水走管程，制冷劑走殼程。

套管式冷凝器：它是由不同直徑的管子套在一起，并彎制成螺旋形或蛇形的一種水冷式冷凝器。如圖所示，制冷劑蒸氣在套管間冷凝，冷凝液從下面引出，冷卻水在直徑較小的管道內自下而上流動，與制冷劑成逆流式，因此傳熱效果較好。

三種形式水冷式冷凝器比較：

立式殼管式冷凝器：傳熱系數高，占地面積小，清洗方便；耗水量大，體型笨重。

臥式殼管式冷凝器：傳熱系數高，耗水量小，占空間小；水質要求高，清洗不易，留出拔管空間。

套管式冷凝器：傳熱系數高，機組占地面積小，結構簡單；金屬耗量大，清洗困難，水阻力大。

空氣冷卻式冷凝器：這種冷凝器以空氣為冷卻介質，制冷劑在管內冷凝，空氣在管外流動，吸收管內制冷劑蒸氣放出的熱量。由于空氣的換熱系數較小，管外（空氣側）常常要設置肋片，以強化管外換熱。分為空氣自由運動和空氣強制運動兩種型式。

自然對流的空冷冷凝器：該冷凝器利用空氣在管外流動時吸收制冷劑排放的熱量后，密度發生變化引起空氣的自由流動而不斷地帶走制冷劑蒸氣的凝結熱。它不需要風機，沒有噪聲，多用于小型制冷裝置。目前常見的是絲管式結構和板管式結構的空氣自然對流冷凝器。

空氣強制對流的空冷冷凝器：它由一組或幾組帶有肋片的蛇管組成。制冷劑蒸氣從上部集管進入蛇管，其管外肋片用以強化空氣側換熱，補償空氣表面傳熱系數過低的缺陷。在結構方面，沿空氣流動方向的管排數愈多，則后面排管的傳熱量愈小，使換熱能力不能得到充分利用。為提高換熱面積的利用率，管排數以取4~6排為好。

空氣冷卻式冷凝器特點：不需水，安裝簡單，可置于屋面；傳熱系數小，受環境溫度影響大，惡化環境，除塵困難。

蒸發式冷凝器：以水和空氣作為冷卻介質。它利用水蒸發時吸收熱量使管內制冷劑蒸氣凝結。水經水泵提升再由噴嘴噴淋到傳熱管的外表面，形成水膜吸熱蒸發變成水蒸氣，然后被進入冷凝器的空氣帶走。未被蒸發的水滴則落到下部的水池內。箱體上方設有擋水柵。用于阻擋空氣中的水滴散失。

蒸發式冷凝器特點及應注意的問題：

特點：省水，造價低，結構簡單，水垢易清除，體積小。

應注意的問題：

1）進口空氣的濕球溫度ts1與當地氣象條件有關。

2）風量配備與ts1有關。ts1越高則所要求的送風量就越大，送風耗能也越多。所以送風量的配備應從節能和性能要求兩方面綜合考慮。

3）水量配備應以保證潤濕全部換熱表面為原則。隨意增大配水量會造成水泵功耗上升，水的飛散損失增大，運行成本提高。

3.冷凝器的傳熱分析：

傳熱過程：

傳熱系數：

蒸發器：

1.蒸發器的基本作用：制取和輸出冷量。

2.蒸發器的種類：根據制冷劑在蒸發器中的情況：

根據冷卻介質的不同：

立式蒸發器：又稱為水箱式蒸發器可由平行直管或螺旋管組成。它們均沉浸在液體載冷劑中工作，由于攪拌器的作用，液體載冷劑在水箱內循環流動，以增強傳熱效果。制冷劑液體在管內蒸發吸熱，使管外載冷劑降溫。

殼管式滿液式蒸發器：一般為臥式結構。制冷劑在殼內管外蒸發；載冷劑在管內流動，一般為多程式。載冷劑的進出口設在端蓋上，取下進上出走向。制冷劑液體從殼底部或側面進入殼內，蒸氣由上部引出后返回到壓縮機。殼內制冷劑始終保持約為殼徑70%~80%的靜液面高度。

應注意的問題：

1）以水為載冷劑，其蒸發溫度降低到0℃以下時，管內可能會結冰，嚴重時會導致傳熱管脹裂。

2）低蒸發壓力時,液體在殼體內的靜液柱會使底部溫度升高,傳熱溫差減小。

3）與潤滑油互溶的制冷劑，使用滿液式蒸發器存在著回油困難。

4）制冷劑充注量較大。同時不適于機器在運動條件下工作，液面搖晃會導致壓縮機沖缸事故。

干式蒸發器：干式蒸發器是一種制冷劑液體在傳熱管內能夠完全氣化的蒸發器。其傳熱管外側的被冷卻介質是載冷劑（水）或空氣，制冷劑則在管內吸熱蒸發，其每小時流量約為傳熱管內容積的20%~30%。增加制冷劑的質量流量，可增加制冷劑液體在管內的濕潤面積。同時其進出口處的壓差隨流動阻力增大而增加，以至使制冷系數降低。

冷卻液體介質的干式蒸發器：

殼管式干式蒸發器的直管式和U形管式的結構型式如下圖所示。它們的共同特點是殼內裝有多塊圓缺形折流板，目的在于提高管外載冷劑流速、增強換熱效果。

干式殼管式蒸發器的特點：

①能保證進入制冷系統的潤滑油順利返回壓縮機；

②所需要的制冷劑充注量較小，僅為同能力滿液式蒸發器的1/3；

③用于冷卻水時，即使蒸發溫度達到0℃，也不會發生凍結事故；

④可采用熱力膨脹閥供液，這比滿液式的浮球閥供液更加可靠。

這類蒸發器按空氣的運動狀態分有冷卻自由運動空氣的蒸發器和冷卻強制流動空氣的蒸發器兩種型式。

冷卻排管：冷卻自由運動空氣的蒸發器，由于被冷卻空氣呈自由運動狀態，其傳熱系數較低。所以這種蒸發器被制成光管蛇形管管組，通常稱做冷卻排管。一般用于冷藏庫和低溫試驗裝置中。

冷卻排管特點：冷卻排管具有存液量少，其充液量約為排管內容積的40%左右，操作維護方便等優點。但存在管內制冷劑流動阻力大，蒸發后的蒸氣不易排出。同時由于管外空氣為自由運動，傳熱系數較低，一般在6.3~8.1W（m2·K）范圍。

冷風機：用于冷卻強制流動空氣的蒸發器。由于光管式空氣冷卻器傳熱系數K很低，為加強空氣側的換熱，往往需要在管外設置肋片以提高傳熱系數值。但是在一般情況下，設置肋管后因片距較小會引起較大的流動阻力，必須采取措施強制空氣以一定的流速通過肋片管簇，以便于獲得較好的換熱效果。

氟利昂直接蒸發式空氣冷卻器

提高蒸發器傳熱效率的措施：

氨制冷系統，應定期排油；

適當提高載冷劑流速；

及時清除載冷劑側水垢；

冷庫中應定期除霜；

防止蒸發溫度過低，避免結冰。

3.蒸發器的傳熱分析

蒸發器傳熱過程與冷凝器相同：

蒸發器的傳熱系數K的計算與冷凝器基本相同，但制冷劑側的放熱為沸騰放熱，故放熱系數與冷凝器不同，Ｋ值也不同。

冷凝器和蒸發器的選擇計算

1.冷凝器的選擇計算：

2.蒸發器的選擇計算

其他換熱器：

這類換熱器用于提高制冷裝置工作效率，或用于較低蒸發溫度的制冷系統，這類換熱器的兩種傳熱介質都是制冷劑。這類換熱器包括回熱器、中間冷卻器、冷凝蒸發器等。

1.回熱器：回熱器一般是指氟利昂制冷裝置中的氣-液熱交換器，它的主要作用是使進入熱力膨脹閥前的液體得到必要的過冷，以減少閃發氣體產生，保證節流效果的正常發揮。同時還可使回氣達到過熱狀態后進入壓縮機，以防止壓縮機液擊故障。由于回熱器中是相同介質的氣-液進行熱交換，根據制冷裝置的容量大小不同，有盤管式、套管式、液管與回氣管焊接式幾種結構型式。

盤管式回熱器均采用殼內盤管結構，如圖所示。其外殼采用無縫鋼管，盤管用銅管繞制而成，制冷劑液體在管內流動，蒸氣在管外橫掠流過盤管螺線管族。

2.中間冷卻器

它是兩級壓縮制冷裝置的關鍵設備，用于同時冷卻低壓級壓縮機的排氣和高壓制冷劑液體，使之獲得較大的過冷度。中間冷卻器內具有的壓力稱做中間壓力，該壓力下制冷劑液體保持一定的液面高度。

冷凝-蒸發器：

它既是裝置中低溫級循環的冷凝器，又是高溫級循環的蒸發器。常見的結構型式有繞管式、直管式和套管式三種。

繞管式冷凝-蒸發器：其結構如圖所示，它是將一個四頭螺旋型盤管繞在一個管芯上放置在一圓筒形殼體內。一般用于氟利昂復疊式(即R22/R13)系統，R22由盤管上方管口進入管內蒸發吸熱，產生的蒸氣由下方管口導出，R13在盤管外表面冷凝后由殼體底部排出。

直管式冷凝-蒸發器：在結構上是將直管管簇設置在殼筒內，以取代盤管式中的螺旋盤管，其型式與殼管式冷凝器基本相同。

套管式冷凝-蒸發器：它結構簡單，易于制造。但當為蛇形套管管組結構時，外形尺寸較大，所以它僅適用于小型復疊式制冷裝置。

3.板式換熱器：板式換熱器一般作為冷凝器、蒸發器或冷卻器等，在制冷及空調用冷水機組中的應用相當普遍。

由于板式換熱器具有體積小、重量輕、傳熱效率高、可靠性好、工藝過程簡單、適合于批量生產，很受國內各制冷設備廠商的重視。目前已在國產模塊化空調冷水機組和空氣-水熱泵機組等裝置上批量使用。對促進我國制冷、空調事業的發展將起到重要的促進作用。

節流機構：

1.節流機構的基本作用

2.節流機構的基本類型

手動節流閥：以手動方式調整閥孔的流通面積來改變向蒸發器的供液量。其結構與一般手動閥門相似。多用于氨制冷裝置。

通常與其它控制元件配合使用，一般只在短時期內使用，例如在冷凍初期輔助送液，或者在自動膨脹閥出故障時作為旁路備用閥。

手動膨脹閥：

由工作人員根據負荷大小，手動調節閥門開度，管理不方便；結構同普通截止閥。

浮球調節閥：

它利用浮球位置隨液面高度變化而變化的特性控制閥芯開閉，達到穩定蒸發器內制冷劑的液量的目的。它可作為單獨的節流機構使用，也可作為感應元件與其他執行元件配合使用，適用中型及大型氨制冷裝置。

根據節流后的液體制冷劑是否通過浮球室，可分為直通式和非直通式。

直通式浮球膨脹閥：

非直通式浮球膨脹閥：

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