制冷和空调装置的结构

2、压缩制冷剂蒸气（低温低压 高温高压）。,第四章 制冷和空调装置的结构,引子：制冷压缩机是制冷系统的核心。,蒸气压缩式制冷系统的构成,一、作用,压缩机 热交换设备（蒸发器、冷凝器等） 节流机构 辅助部件 管道 各种控制阀和仪表,1、循环所需的动力；,第一节 制冷压缩机,2019/5/17,2,二、分类,制冷和空调用压缩机的分类及结构示意图,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,3,1、按制冷量大小分,大型 400KW 小型 60KW 中型 400-60KW,2、按作用原理分,（1）容积型：通过对运动机构作功，以减少压缩式容积，提高蒸气压力来完成压缩功能。,活塞式压缩机：开启式 、半封闭式 、全封闭式 ；回转式：螺杆式（单、双）、滚动活塞式、滑片式、涡旋式。,（2）速度型：离心式压缩机。 由旋转部件连续将角动量转换给蒸气，再将该动量转为压力。,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,4,开启式,半封闭式,封闭式,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,5,各类压缩机在制冷和空调工程中的应用范围,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,7,由1 2：绝热过程,第一节 活塞式制冷压缩机的工作过程,研究的目的：、i、j（前面描述过的修正系数）,一、示功图（即压容图）,注意：在示功图上区分理论功和实际功。,1、理论过程,2 3：等压排气,4 1：等压吸气,做功：面积1-2-3-4-1。,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,8,存在着余隙容积Vc；Pk由工质决定；,是由余隙容积中工质膨胀造成的。,2、实际过程,1 2多变压缩过程,2 3有阻力的排气过程,3 3 4 4有余隙容 积的膨胀过程,4 1 有阻力的吸气过程, 吸气阀压力损失, 排气阀压力损失,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,9,1.压缩过程 将制冷剂的压力提高。当活塞处于最下端位置1-1（称为内止点或下止点）时，活塞移动到2-2位置时，开始排气。制冷剂在气缸内从吸气时的低压升高到排气压力的过程称为压缩过程。,4.吸气过程 从蒸发器吸入制冷剂。活塞从位置4-4向下运动时，吸气阀开启，低压气体被吸人气缸中，直到活塞到达下止点1-1的位置。此过程称为吸气过程。,3.膨胀过程 将制冷剂的压力降低。直至气缸内气体的压力降至稍低于吸气腔内气体的压力，即将开始吸气过程时为止，此时活塞处于位置4-4。活塞从3-3移动到4-4的过程称为膨胀过程。,2.排气过程 制冷剂进入冷凝器。直到活塞运动到最高位置3-3（称为外止点或上止点）时排气过程结束。制冷剂从气缸向排气管输出的过程称为排气过程。,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,10,三、性能参数及计算,1、输气量及输气系数,（1）理论输气量,假定压缩机有z个气缸，转速为n，则压缩机的理论输气量为：,（2）实际输气量,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,11,（3）输气系数： 也称压缩机的容积效率。通常可用容积系数c、压力系数p、泄漏系数v 、温度系数t的乘积来表示，即,=cpvt,其中，容积效率总小于1，其大小反映压缩机气缸容积的有效利用程度。影响它的主要因素有四个：,一是气缸余隙容积的大小； 二是吸、排气压力以及吸、排气阀片阻力； 三是吸入气缸的低温制冷剂蒸汽遇到热的气缸壁所引起的热膨胀； 四是气缸内部的泄漏。,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,12,1）考虑余隙容积影响的容积系数, 3点的容积；, 4点的容积。,3 4 为多变的膨胀过程。,式中：m气体膨胀过程中变化的多变指数。,令,，则,式中：C压缩机相对余隙容积。,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,13,（2）吸、排气压力损失影响的压力系数,（3）考虑漏泄影响的漏泄系数,（4）考虑热交换影响的温度系数,输气系数：,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,14,二、压缩机的功率和效率,1、指示效率,或,（经验公式）,式中：Na理论功率；T0蒸发温度（K）； Ni指示功率；Tk冷凝温度（K）； T0蒸发温度（）；b常数，b=0.0025。,2、机械功率, 轴功率,3、压缩机的总效率,0.65-0.72,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,15,4、轴功率、摩擦功率和机械效率,两者之比值称为机械效率，用j表示,由原动机传到曲轴上的功率称为轴功率Ne,一部分直接用于压缩气体 称为指示功率用Ni表示,另一部分用于克服曲柄连杆机构等的摩擦阻力，称为摩擦功率，用Nm表示,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,16,指示效率i与机械效率j的乘积，称为压缩机的轴效率， 用e表示。 一般在0.60.7之间,提高j可以从 以下几方面着手,选用合适的气缸间隙，适当减少活塞环数,选用合适的润滑油,加强曲轴、曲轴箱等零件刚度,降低摩擦表面的粗糙度,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,17,5、配用电动机功率 对于开启式压缩机，如用带传动，应考虑传动效率d =0.90.95。 用联轴器直接传动时，不必考虑传动效率。对于封闭式压缩机，因电动机与压缩机共用一根轴，也不必考虑传动效率问题。 电动机的功率可按运行工况下压缩机的轴功率，再考虑适当裕量（10%15%）选配。,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,18,第二节 压缩机的结构,一、活塞式压缩机,组成,机体（曲轴箱） 气缸 活塞 吸、排气阀 曲轴连杆机构,活塞式压缩机有以下特点： 因为是往复运动，转速不宜太高； 气缸工作腔有余隙容积； 气缸工作腔必须设置吸、排气阀，使吸、排气过程产生阻力损失； 结构复杂，零部件多； 往复式压缩机不允许吸气带液。,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,19,六个系统： （1）运动系统：曲轴、活塞连杆组件、联轴器等； （2）配气系统：阀板、气阀弹簧等； （3）密封系统：活塞环、油封、垫片、填料等； （4）机体系统：曲轴箱、气缸体、气缸套、盖板等； （5）润滑系统：润滑油泵、滤油器、调压阀等； （6）安全和能量调节系统：假盖、假盖弹簧、安全阀、能量调节装置等。,当压缩机发生液击时，可保护气缸不致被破坏。,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,20,8FS10压缩机,2019/5/17,21,2019/5/17,22,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,23,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,24,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,25,活塞式制冷压缩机的优缺点:,优点,能适应较广阔的压力范围和制冷量要求； 热效率较高，单位耗电较少，特别是偏离设计工况运行时更为明显； 对材料要求低，多用普通钢铁材料，加工较易，造价较低廉； 技术上较为成熟，生产使用上积累有丰富的经验； 装置系统比较简单。,缺点,因受活塞往复惯性力的影响，转速受限制，不能过高，因此单机输气量大时，机器显得很笨重； 结构复杂，易损件多，维修工作量大； 由于受到各种力、力矩的作用，运转时振动较大； 输气不连续，气体压力有波动。,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,26,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,27,我国活塞式制冷压缩机的型式及基本参数,表 活塞式压缩机气缸布置型式,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,28,表 压缩机基本参数,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,29,活塞式单级制冷压缩机型号表示方法如下,（1）压缩机型号表示方法：,（2）压缩机组型号表示方法：,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,30,目前国内有些生产厂家仍习惯沿用老的压缩机型号表示方法，即,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,31,全封闭式制冷压缩机,特点：是将压缩机与电动机一起组装在一个密闭的罩壳内，形成一个整体，从外表上看只有压缩机进、排气管和电动机引线。,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,32,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,33,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,34,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,35,二、回转式压缩机,回转机最普通的为固定叶片式结构，常常又称作“滚动活塞式压缩机”。,“固定叶片”,叶片只滑动不转动,特点：没有吸气阀 优点：比往复机更可靠；是同等能力下尺寸小；制造成本低。 回转机的局限性： 压缩机中任何基本磨损（轴承、轴、转子或叶片等磨损）都使间隙变大，并明显影响压缩机性能。 回转机当前研究与开发的重点： 降低振动与噪声，改善油处理和减小摩擦。,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,36,三、涡旋式压缩机,涡旋机在技术上的特点：（1）制冷装置中无气阀；（2）可靠性很高；（3）轴的扭矩更均匀，运转平稳；（4）压力脉动小；（5）振动和噪声低。 在给定吸气条件下：涡旋机容积效率几乎与压力比无关，不存在余隙容积影响。 长处：（1）能够用同一个电动机在很宽的工作范围内高效运转；（2）热泵的季节供热系数HSPF提高；（3）整个系统的效率提高，即季节能效比SEER提高。,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,37,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,38,四、螺杆式压缩机,近年来，随着螺杆机可靠性方面的改进，它在中等容量的制冷与空调装置上的应用更为广泛。 特点：螺杆机在部分负荷时的效率比离心机高8%10%；而且不存在离心机的喘振问题。,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,39,五、离心式压缩机,离心式压缩机依靠气流速度变化的动力学效应，起到压缩作用：吸入气体由叶轮旋转达到很高速度，然后导入涡壳使速度能转变成压力能。级压力比受叶轮圆周速度与制冷剂性质的影响。轮周速度受制于材料强度和气体动力条件。 一级叶轮可以达到的压力比（级压力比）一般为3-4；一般限制轮周速度不超过制冷剂进口处音速的1.4 -1.5倍。,离心式压缩机工作原理,第四章 制冷和空调装置的结构,2019/5/17,40,离心机的特点是： 结构简单、转速高、输气量大，故体积、重量小； 制冷剂不与润滑油接触，避免了油对制冷剂的影响； 与容积式压缩机特性一个重要的不同之处是：它的吸、排气压力差（或压力比）与吸气量有密切关系，吸气量变化还影响机器效率，在部分负荷运行时，有可能出现喘振。 喘振现象就是气流在流道内来回撞击而不能正常输出。,第四章 制冷和空调装置的结构,第四章 制冷和空调装置的结构,当,不变时，,与,的关系：,第三节 制冷机的工况影响分析,一、冷凝温度的变化对制冷机性能的影响,、,，增加,，,，减少,即,。但是,能随意降低吗？,第四章 制冷和空调装置的结构,当,不变时，,不变时，,当,不变时，,二、蒸发温度的变化对制冷机性能的影响,，,，增加,。,吸气比容,，,流量增加。,功率,不定。,当,，功率MAX，即当,，,不定。,但是,能随意升高吗？,第四节 制冷换热器,第四章 制冷和空调装置的结构,（2）机械冷藏车：氨 盐水 等,（1）空调客车：空气 R12、R22 等,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。,分类（1）按结构型式分：壳管式、蛇管式、螺旋管式和板翅式等； （2）按用途分：冷凝器、蒸发器、中间冷却器和回热热交换器等。 一般，采用面式换热器。,车辆上的传热介质：,辅机：换热器,第四章 制冷和空调装置的结构,，,4.4.1 肋片管换热器,一、加肋的目的（强化传热）,1、外部传热,可见，管子内外侧的放热系数相差悬殊较大。,2、内部传热,应尽量提高F外 Q外尽可能等于Q内 可以充分地发挥传热能力，提高换热效率。,3、肋化系数（肋化效率）,通过加肋方式,F外,F外, F内,，,它表示加肋的程度，一般为12-20。,第四章 制冷和空调装置的结构,二、肋片管的形式与参数,1、形式,（1）轧片管,（2）缠丝管,（3）绕片管,（4）套片管,第四章 制冷和空调装置的结构,1增大传热面积 2增大对数平均温度差 3增大总传热系数 4降低污垢热阻值 5降低管壁热阻,传热过程的强化,第四章 制冷和空调装置的结构,2、参数：肋片高h，肋厚，肋片间距e，管径d,注意：h不可太大，否则影响 ；e越小越好，但肋片间不能接触。,3、传热热阻计算,式中：,分别为肋管外、内侧的污垢热阻；,以肋片管外表面为基准的当量放热系数；,管内侧制冷剂的放热系数；,管材的导热系数。,第四章 制冷和空调装置的结构,三、肋片的效率,1、空气与管壁的温差,式中,肋片根部（管表面）与空气间的温差；,肋片平均温度与空气间的温差；,平均温度（因为肋片的表面温度依肋片高度的不同 而不同）。,第四章 制冷和空调装置的结构,2、肋片热交换的有效性,（亦称肋片效率）,式中 m肋片参数； h当量肋高； 肋片厚度； p肋片管外侧放热系数； 肋片的导热系数。,第四章 制冷和空调装置的结构,四、p空气侧的放热系数,用经验公式，利用试验得到，如卡拉辛娜公式、埋桥英夫的 实验公式等。,五、传热系数,考虑内外污垢的影响，以外表面的面积为计算依据。,第四章 制冷和空调装置的结构,1、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。,冷凝器按冷却方式,空气冷却式 水冷式 蒸发冷却式,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,六、换热器的分类和结构,第四章 制冷和空调装置的结构,自然对流空气冷却式冷凝器,第四章 制冷和空调装置的结构,空气强制对流冷凝器,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,第四章 制冷和空调装置的结构,氨卧式壳管式冷凝器,第四章 制冷和空调装置的结构,氟利昂套管式冷凝器,第四章 制冷和空调装置的结构,2、 蒸发器,蒸发器是制冷机中的冷量输出设备。制冷剂在蒸发器中蒸发，吸收低温热源介质（水或空气）的热量，达到制冷的目的。,冷却空气的蒸发器,空气自然对流时 多采用光盘管结构 空气强制对流时 采用翅片管结构,壳管式 沉没式,冷却液体（水或其它液 体载冷剂）的蒸发器,第四章 制冷和空调装置的结构,图 直接蒸发式空气冷却器及其安装位置示意图 （a）横向垂直；（b）水平；（c）倾斜。 1-膨胀阀；2-分液器；3-分液管；4-汇集管；4-回气管；6-感温包。,第四章 制冷和空调装置的结构,卧式满液式蒸发器结构,第四章 制冷和空调装置的结构,干式壳管蒸发器,第四章 制冷和空调装置的结构,空气强制对流的蒸发器及其肋片管型式,a) 蒸发器 b) 绕片管 c) 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,第四章 制冷和空调装置的结构,4.4.2 冷凝器的设计计算,1、上进下出,一、结构,2、横进横出,由6-8排肋管组成,传热方向：,制冷剂 空气,空气冷却：,简便，但PK高，尺寸大，能量消耗大。,注意：冷凝器容量较大时，采用两组并联，使传热强度低， 且空气流速越大，K越大，传热效率越高。,第四章 制冷和空调装置的结构,q 液膜 壁面 肋片 空气,液体 80-85%,二、蒸汽在管内的冷凝时放热,1、比例：,23：过饱和气体,饱和气体 10-15%,34：气体,44：过冷液体 5%,2、传热过程：,3、努谢尔准则,式中n努谢尔准则数，即制冷剂冷凝时的放热系数； dn 管子内径（m ）; m 冷凝液的导热系数（w/m.k）。,（该准则用以计算n，但尚不成熟。）,4、H.契板柯方程,5、影响n的其他因素,第四章 制冷和空调装置的结构,t0 或tK 时，C 。,三、冷凝器的设计计算,1、确定冷凝负荷,可用以下三种方法：,式中G制冷剂流量； N压缩机输入压缩功； C负荷系数。,2、确定传热温差（对数平均温差）,式中（t2-t1）空气在冷凝器内的温升； t1冷凝器入口（13-15）的传热温差； t2冷凝器出口（3-5）的传热温差。,第四章 制冷和空调装置的结构,空气吸收的热量：,式中,空气定压比热；,放出的热量。,3、n计算,空气平均温度,4、K的计算,5、传热面积,第四章 制冷和空调装置的结构,4.4.3 肋片管蒸发器 （既有热交换又有湿交换）,一、分类,空气冷却器（有强迫通风） 冷却盘管（自然对流）,冷却空气的蒸发器,二、特点,1、有分流器（传热均匀、效率高） 2、肋片直立（必须）（基于换热面积的原因，避免冷结水 积存在肋片上，增大空气阻力，影响传热效果） 3、肋片间距较大（考虑垢层、霜层的影响）,三、传热分析,热流方向：空气 冷表面传热通过霜层、垢层和管壁的透热， 使管内的制冷剂沸腾带走热量。,四、传热面积的计算,式中t对数平均温差,第四章 制冷和空调装置的结构,第五节 制冷装置自动控制器件,第四章 制冷和空调装置的结构,引子部分,节流机构是实现制冷循环所必须的四个基本的系统组成部件之一。 作用：对制冷剂的流动起扼制作用，使来自冷凝器的高压液态制冷剂压力降低；控制进入蒸发器的制冷剂质流率。,一、常见类型,1、膨胀阀 2、毛细管 3、电动膨胀阀 4、活球阀,第四章 制冷和空调装置的结构,二、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。 节流机构的作用有两点：一是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；二是根据系统负荷变化，调整进入蒸发器的制冷剂液体的流量。,第四章 制冷和空调装置的结构,三、热力膨胀阀的作用,利用蒸发器出口处制冷剂蒸气的过热度来调节制冷剂流量；对高压制冷剂液体节流降压，使制冷剂一出阀孔就沸腾膨胀成为低温湿蒸气，再进入蒸发器。,它在制冷装置中的作用主要包括：,（1）使高压高温的制冷剂液体在经热力膨胀阀时节流降压，变为低压低温的制冷剂湿蒸汽，进入蒸发器蒸发吸热，实现制冷降温。 （2）按照感温包感受到的蒸发器出口制冷剂蒸汽过热度的变化，来改变膨胀阀的开启度，自动调整流入蒸发器的制冷剂流量，使制冷剂流量始终与蒸发器的热负荷相匹配。 （3）通过热力膨胀阀的控制，使蒸发器出口的制冷剂蒸汽保持一定的过热度，这样既能保证蒸发器传热面积的充分利用，又可以防止压缩机出现液击冲缸现象。,第四章 制冷和空调装置的结构,4.5.1 热力膨胀阀,热力膨胀阀又称为自动膨胀阀或节流阀。 广泛用于干式蒸发器的供液量调节 以蒸发器出口处制冷剂的过热度为控制参数 通过弹簧力设定静态过热度 设定范围一般为28 基本原理： 蒸发器出口制冷剂的过热度低于静态过热度时，阀处于关闭状态；过热度高于静态过热度时，阀才打开。并按二者之偏差成比例地改变阀开度，即成比例地调节送入蒸发器的制冷剂质流率。 要确保制冷空调系统能够正常运行，就要对制冷空调系统热工参数（温度、湿度、压力、流量、液位等）进行控制。,第四章 制冷和空调装置的结构,(a),(b),(c),阀结构示意图,阀与蒸发器连接图,过热度控制原理,热力膨胀阀结构原理图,第四章 制冷和空调装置的结构,一、按平衡方式不同分类,内平衡式和外平衡式。,二、内平衡式热力膨胀阀的结构,主要由感温包、毛细导管、感温膜片、传动杆、阀座、阀针及调节机构组成。,第四章 制冷和空调装置的结构,热力膨胀阀实物图,三、工作原理,热力膨胀阀的工作原理,感温系统：指由感温包、毛细导管及膜盒（膜片上的空间）构成的密闭空间。,节流：将入口压力Pk调整为出口压力P0。,调节：针阀开度的大小将影响P0、流量Q。,P1膜片上方推力（来自感温包） P0经阀门节流后制冷剂的压力 P2 弹簧力 注意：P0、P2 均在膜片的下方。,从调节特性来分析，热力膨胀阀属于直接作用式比例调节器。,第四章 制冷和空调装置的结构,第四章 制冷和空调装置的结构,平衡状态：P1= P0+ P2 。此时，阀针不动，阀针孔开启度不变。,工作原理：,利用P1力的变化来改变阀针孔的开启度，从而改变制冷剂的流量，实现自动调节。,初步设定P2 ，自我调节P1感温包。,蒸发器t0,t01,P1,（P0+ P2 ）,阀针孔开度,流量,Q0,第四章 制冷和空调装置的结构,第四章 制冷和空调装置的结构,四、外平衡热力膨胀阀与内平衡热力膨胀阀的主要区别,（1）有一个专用的外平衡管接头，为引入外平衡压力所用； （2）调节杆的形式等也有所不同。,外平衡热力膨胀阀的安装,使用理由：因蒸发器存在压力损失，导致内平衡式膨胀阀开启过热度增大，使蒸发器传热面积的利用率降低，制冷能力相应减小。,第四章 制冷和空调装置的结构,（a）内平衡 （b）外平衡 热力膨胀阀开启过热度的变化,第四章 制冷和空调装置的结构,四、选择热力膨胀阀时，主要考虑下列因素：,1、按系统采用的制冷剂； 2、要考虑系统的蒸发温度； 3、阀前制冷剂过冷度会影响阀后两相制冷剂的干度； 4、冷凝器至阀前的液管肯定有压力降。,第四章 制冷和空调装置的结构,4.5.2 毛细管,应用场合：毛细管用在小型而且不需要精确调节流量的 制冷装置。,第四章 制冷和空调装置的结构,一、原理,当流体沿管内流动时，由于管道摩擦阻力而产生压降，管径越小或管子越长则流动阻力就越大，流量就越小。,工质流过阀门时流动截面突然收缩，压力下降，这种流动称为节流。,第四章 制冷和空调装置的结构,二、结构 小内径0.6-2、L=6m（紫铜管） 三、作用 节流（无调节作用）。 四、特点 1、无运动件、结构简单； 2、无储液器，充入的制冷剂量小； 3、停机后的高低压基本相同，便于启动； 4、工作的准确程度差； 5、小型空调或冰箱上运用。 缺点：供液量不能随工况变动而调节