第六章 制冷设备-换热器2012.ppt

1、第六章 制冷设备-换热器,换热器,冷凝器（必备） 制冷装置向制冷系统外放出热量换热设备； 蒸发器（必备） 吸收被冷却物体或介质的热量； 回热器（气液换热器） 蒸发器出来蒸气过热，冷凝器出来液体过冷； 过冷器 使得冷凝后的液态制冷剂达到一定的过冷度； 中间冷却器 冷却低压压缩机出来的过热蒸气，过冷从冷凝器中排出来的制冷剂液体。,6.1 冷凝器,作用：压缩机的排气（或经油分离器后）进入冷凝器后，将热量传递给周围介质水或空气，制冷剂蒸气冷却凝结为液体。 按其冷却介质和冷却方式，可分为三种： 水冷却式 空气冷却式 蒸发式,6.1.1 水冷冷凝器,冷却介质 循环水（冷却塔）（最常用） 地下水； 海水、江

2、水、河水； 常用：壳管式、套管式、螺旋板式和板式； 特点： 冷凝温度低； 相同换热面积排热量大； 多用于大中型制冷机组; 要求有冷却水源。,卧式管壳式冷凝器,管外制冷剂 管内冷却水 材料氨-钢光管 氟利昂低肋螺纹铜管,卧式管壳式冷凝器的特点,使用最广泛，多用于大、中、小型制冷机组，结构紧凑； 制冷剂为氨或氟利昂； 传热系数较高，冷却水温升4-6； 水侧多管程； 冷却水耗量少； 对冷却水水质要求高，清洗不方便； 水侧流动阻力大。,立式管壳式冷凝器,管外：制冷剂 管内：冷却水,立式管壳式冷凝器特点,一般用于大、中型氨制冷系统； 传热系数低于卧式； 可安装在室外； 容易清水垢，对冷却水水质要求不高；

3、 占地面积小，但体积大，金属耗量大； 冷却水耗量达，冷却水温升2-3 。,套管式冷凝器,外套管制冷剂 内套管冷却水,套管式冷凝器,套管式冷凝器的特点,优点： 结构紧凑； 制造简单； 传热特性好，冷却后进口温差达8-10 。 缺点： 冷却水和制冷剂两侧的阻力都较大； 单位体积的换热面积小； 对水垢的清洗不方便，对水质的要求比较高。,6.1.2 空气冷却式冷凝器,空气冷却式冷凝器又称为风冷冷凝器，制冷剂蒸汽冷却和冷凝所放出的热量是由空气来的冷却的。 冷却方式： 自然对流空气冷却式冷凝器 强迫对流空气冷却式冷凝器 空气冷却式冷凝器不需要冷却水，特别适用于缺水或供水困难的地区，多用在中小型氟利昂空调机

4、、冷柜、家用冰箱等。,空气冷却式冷凝器-图,空气冷却式冷凝器-图,空气冷却式冷凝器换热方式,自然对流空气冷却方式， 9-16W/(m2) 依靠空气在被冷凝器加热后自动上升的过程将热量带走，不需要风机，应用于冰箱； 平板式，百叶窗式，钢丝式 强迫对流空气冷却方式，23-50W/(m2) 使用风机 为了提高换热系数，换热管外套有翅片。,图 自然对流空气冷却式冷凝器,图 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,空气冷却式冷凝器特点,传热系数低，传热温差大； 冷凝温度受环境影响大，气温

5、高时冷凝压力高； 不需要配冷却水系统，不会产生腐蚀； 露天布置，不需要机房； 翅片清洗不便。,6.1.2 蒸发式冷凝器,蒸发式冷凝器,使用范围： 适用于缺水地区，中小型氟利昂或者氨制冷系统 原理： 冷却水喷淋时蒸发吸热，吸收高压制冷剂蒸汽的热量，同时使空气从下向上在水膜表面吹过。 优点 循环水量与耗水量较少，水泵耗功率低； 传热系数高，冷凝温度低。 缺点 盘管易腐蚀，管外易结垢，且维修困难； 消耗水泵和风机功率。,不同形式的冷凝器的热工性能,6.2 蒸发器,制冷剂液体在蒸发器的换热管内流动，并在低温下变为蒸汽，制冷剂在蒸发的过程中吸收被冷却物体或介质的热量。 蒸发器分类 冷却液体载冷剂：管壳式

6、、直立管式、螺旋管式、蛇形管式 冷却空气,6.2.1 冷却液体（载冷剂）的蒸发器,管壳式 满液式：管外为制冷剂，管内为载冷剂； 干式：管外为载冷剂，管内为制冷剂。 沉浸式（冷水箱式） 直立管式 螺旋管式 蛇形管式,优点： 1）结构紧凑，占地面积小； 2）传热性能好； 3）制造和安装较方便；,满液式蒸发器,缺点： 1）制冷剂的充注量大； 2）载冷剂有冻结的危险； 3）回油比较困难；,干式蒸发器,优点： 1）充液量少，管内容积30%-40%； 2）排油方便； 3）载冷剂结冰不会胀裂管子；,缺点： 1）加工工艺复杂； 2）换热管外清洗困难；,用水作为载冷剂，可冷却到接近于0，适用于空调系统；用盐水作

7、为载冷剂，可冷却到1020，适用于制冰或食品冷加工。,特点： 1）占地面积大，结构不紧凑； 2）直立式和螺旋式适用氨制冷系统，盘管式适用氟利昂系统； 3）有蓄冷能力； 4）容易积油。,冷却空气蒸发器,直接蒸发式空气冷却器：适用于家用空调和组合式空调机组； 制冷剂在管内蒸发； 空气在风机的作用下在管外流动； 蒸发器的换热管通常采用翅片管。 排管式蒸发器:适用于冷库和冰箱 制冷剂在管内蒸发； 空气在换热管外只做自然对流。,直接蒸发式空气冷却器,排管式蒸发器,6.3 其他制冷用换热器-回热器,利用从蒸发器出来制冷剂饱和蒸气需要过热时冷量来使节流前制冷剂液体作进一步的冷却。 通常用于氟利昂制冷装置。

8、优点：保证压缩机工作的安全性；提高制冷装置的制冷量。 结构：汽液式换热器，有盘管式、套管式等。,6.3 其他制冷用换热器-中间冷却器,用在两级压缩制冷循环，主要有两方面作用： 冷却压缩机出来的过热的制冷剂蒸气； 过冷从冷凝器出来的制冷剂液体。 氟利昂中间冷却器一级节流中间不完全冷却（图6.28）； 氨中间冷却器一级节流中间完全冷却.,氨中间冷却器 一级节流中间完全冷却,6. 4 强化传热,总传热系数的计算公式,换热设备的基本传热公式,总传热系数与基本传热方程,顺流和逆流时流体温度的变化 a）顺流b）逆流,强化传热的途径与原则（一）,增加传热面积 热传递面采用扩展表面：如翅片； 改良热传递表面性

9、能，如管内外做成螺纹管，横纹管等； 采用螺旋式、板式等新型换热器。 增大传热平均温差 使得冷热流体逆流或者尽量接近逆流。,强化传热的途径与原则（二）,提高总传热系数 增加湍流的程度 采用导热系数大的流体 采用有相变的载热体 采用导热系数大的传热壁面 减小污垢热阻,6.5 制冷机其他辅助设备,截至阀 安装在制冷系统的设备和管路上，以手动控制启闭阀芯，起接通或切断制冷剂通道的作用。 用途：添加制冷剂、润滑油和抽真空操作等。 电磁阀 自动接通或切断制冷系统的供液管路 用于如冷藏箱、空调器等氟利昂制冷机中，与压缩机同时开启或者关闭。,6.5 制冷机其他辅助设备,电磁换向阀（四通阀） 控制、改变制冷剂流

10、向，使系统由制冷工况向热泵工况转变； 主要用于热泵型家用空调器。 油分离器 分离压缩机排气中夹带的润滑油，分离出来的油重新送入压缩机。,过滤器型油分离器,6.5 制冷机其他辅助设备,气液分离器 分离来自蒸发器出口的低压蒸气中的液滴，防止压缩机发生湿压缩甚至是液击现象。 对于氨用气液分离器还具有使节流装置供给的气液混合物分析，只让液氨进入蒸发器，提高蒸发器的制冷效果。,6.5 制冷机其他辅助设备,干燥过滤器 过滤器用来清除制冷剂蒸气和液体中的铁屑、铁锈等杂质； 干燥器只用在氟利昂制冷装置中。,干燥剂,滤网,6.5 制冷机其他辅助设备,储液器 起稳定制冷剂流量的作用，并可用来储存液态制冷剂。 安全

11、阀 可安装在压缩机上，连通吸气管和排气管，当压缩机排气压力超过允许值时，阀门开启，保证压缩机安全。,7 制冷装置的自动控制,7.1 制冷压缩机能量调节 7.2 制冷装置节流和能量控制 7.3 制冷装置主要循环工作参数控制,7.1 制冷压缩机能量调节,使得制冷装置产冷量始终与外界热负荷相匹配，提高系统运行的经济性； 减小蒸发压力的波动范围，提高制冷空调对象的温度控制精度，避免压缩机频繁启动； 保证压缩机轻载启动，避免引起电网负载的过大的波动。,7.1.1 压缩机吸气卸载和运行控制,原理：根据吸气压力大小，采用压力控制器控制压缩机间断运转，以调节压缩机的排量输出。 分类： 双位控制器； 压力控制器

12、-电磁阀式能量调节； 油压比例调节器式能量调节系统。,实例1-单台压缩机,为使压缩机的能量与蒸发负荷相匹配，可以从压缩机外部与内部分别进行调节。若压缩机本身不带卸载机构，只能采用压力或温度控制器，感受吸气压力（温度）或制冷空调对象的温度高低，直接控制压缩机的启动。 例如： 冰箱、冷柜和小型家用空调器的能量调节，常采用温度双位控制器来实现。,实例2：多台压缩机开停压力设定值（图7.1）,压缩机能量调节中四台压缩机的起停次序,压缩机I,温度,全部库房 温度的下限,任何库房 温度的上限,断开,接通,断开,接通,压缩机 II,III,IV,吸气压力/MPa 吸气温度oC,II号机,III号机,IV号机

13、,0.09 -20,0.11 -18,0.15 -14,0.20 -9,0.22 -7,0.3 -2,压缩机能量调节,7.1.2 热气旁通能量调节,将制冷系统高压侧气体旁通到低压侧的一种能量调节方式； 用于压缩机无卸载机构的制冷机组； 目的是保证当热负荷降低，吸气压力下降到低压控制值以下时，机组仍然开启,系统运行过程中仍然有较少的制冷量。 两种形式： 热气向吸气管旁通+喷液冷却 热气向蒸发器中部或蒸发器前旁通,旁通能量调节系统原理图,7.1.3 压缩机变速能量调节,制冷压缩机的制冷量与功率消耗，与其转速成正比，利用压缩机的变速方法进行能量调节，是能量调节最佳方法； 以改变电动机电源频率的方式实

14、现变速； 在系统中，通常以电子膨胀阀取代传统的毛细管和热力膨胀阀，相应形成相适应的流量控制。,7.2 制冷装置的节流和流量控制,使得高压高温的制冷剂液体节流降压，变为低压低温的制冷剂湿蒸气进行蒸发器； 控制进入蒸发器的制冷剂流量使其与蒸发器的负荷相匹配； 流量控制元装置包括：手动膨胀阀、热力膨胀阀、毛细管、浮球阀及电子膨胀阀等。,手动膨胀阀,原理：利用阀芯与阀座间隙变化调节工质通过量。 只有氨制冷系统或试验装置中使用。 作为备用阀装在旁通管路上，以备应急或检修自动膨胀阀时使用。,手动膨胀阀,热力膨胀阀的主要功能,高压常温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

15、器。 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。 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过热度，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。,热力膨胀阀,原理：利用蒸发器出口处制冷剂蒸汽过热度的变化调节供液量。（即利用蒸发压力、感温包内压力和弹簧力的变化来控制阀孔开启度） 应用：氟利昂系统中广泛使用（与非满液式蒸发器配合使用）。 分类：按膜片平衡方式不同，内平衡式，外平衡式。,热力平衡阀两种基本形式,内平衡式热力膨胀阀,蒸发器负荷 供液量不足 过热度 感

16、温包温度压力 膜片向下鼓起 阀门开大 蒸发器负荷 供液量太大 过热度 感温包温度压力 膜片向上鼓起 阀门关小,外平衡式热力膨胀阀,热力膨胀阀的缺点,控制品质不高 调节系统无法实施计算机控制 系统的运行过程只能实施静态匹配 阀工作温度范围窄 温包迟延大 在低温调节场合振荡问题比较突出 无法满足无级变容量制冷系统供液量调节范围宽、调节反应快的要求。,电子膨胀阀,近年国内外新开发产品。利用被调节参数产生的电讯号，控制施加于膨胀阀上电流或电压，进而控制阀针的运动，达到调节目的。 目前，国际上流行的电子膨胀阀种类很多，按阀的结构型主要有三类：热动式、电磁式和电动式。 优点： 流量调节范围大； 控制精度高

17、； 适用于智能控制； 能适用于高效率的制冷剂流量的快速变化。,(a)按真实过热度控制,(b)按温差控制,电子膨胀阀流量调节系统原理,TQ型为直接驱动式 PHTQ型为带自给放大的结 构，用于大冷量系统。,热动式亦称参考压力系统（PRS）电子膨胀阀，为Danfoss公司的专利产品，适用中大型制冷装置的供液控制。,热动式电子膨胀阀供液控制系统,热动式电子膨胀阀实物图（TQ型）,电磁式电子膨胀阀供液控制,电磁式膨胀阀：电磁线圈通电前处于全开位置，通电后，由于电磁力的作用，磁性材料所支撑的柱塞被吸引上升，从而带动针阀使开度变小。阀的开度取决于加在线圈上的控制电压（或电流），故可以通过改变控制电压调节流量

18、。,电磁式膨胀阀结构示意图,电磁式膨胀阀流量特性,电动式电子膨胀阀供液控制系统,和热动式相似，电动式电子膨胀阀也由发信器、控制器和电动式膨胀阀组成。与热动式的差别主要是阀的驱动部分，电动式膨胀阀由电动机驱动，目前使用最多的是四相永磁式步进电动机，有直接驱动型与减速型。,电动式膨胀阀（直动型）,1入口 2针阀 3阀杆 4技术 5线圈 6出口,电动式膨胀阀流量特性,采用电子膨胀阀控制，使得先进控制手段运用于制冷剂流量调节成为可能，主要表现在以下几个方面：,1) 流量调节不受冷凝压力变化的影响。对膨胀阀前制冷剂过冷度的变化具有补偿作用。 2)由于电信号传递快，执行动作迅速、准确，故能够及时、准确地调

19、节流量。即使负荷变化剧烈，也能避免振荡。,3)能够将蒸发器出口过热度控制到最小，从而最大限度地提高蒸发器传热面积的利用率。 4)在装置的整个运行温度范围，可以有相同的过热度设定值。 5)可以根据装置的实际情况决定调节规律，不仅限于采用比例调节，还可以采用比例积分或其他调节规律；并且能够进行调节器参数整定。,毛细管,原理：节流，利用孔径和长度变化产生压力差，控制制冷剂流量。 应用：主要用于热负荷较小的家用制冷装置中，要求制冷系统有比较稳定的冷凝压力和蒸发压力，如空调、冰箱。,毛细管,毛细管是最简单的节流装置， 有规定长度（0.6 6m）的直径很细的紫铜管，它的内径一般为0.52.5mm,毛细管的

20、特点,由紫铜管拉制而成，制造方便，价格低廉； 没有运动部件，本身不易产生故障和泄漏； 压缩机停止运行后，冷凝器和蒸发器压力可自动到平衡，减轻再次启动时电动机负荷； 对制冷剂流量的调节能力很低。 毛细管前需安装性能良好的过滤器。,浮球调节阀供液控制,浮球调节阀是根据液位变化进行流量控制的直接作用式比例控制器 分类：低压浮球阀、高压浮球阀,高压浮球调节阀供液控制,高压浮球调节阀根据冷凝器或高压贮液器中的液位变化，控制流向蒸发器的供液量。,高压浮球调节阀供液控制,a)系统布置 b）高压浮球阀SV与 主阀PMFH的配置 EVM-电磁导阀 SV（H）-高压浮球阀 PMFH-主阀,低压浮球调节阀供液控制,

21、低压浮球阀常直接和满液式蒸发器连通，按蒸发器液位的高低，调节从贮液器进到满液式蒸发器的制冷剂流量。,低压浮球调节阀供液控制,a)系统布置 b）低压浮球阀SV与主阀PMFH的配置 EVM-电磁导阀 SV（H）-低压浮球阀 PMFL-主阀,7.3.1 制冷装置主要循环工作参数控制,蒸发压力控制 冷凝压力控制 吸气压力控制,蒸发压力控制,保持蒸发温度恒定（压力恒定），使冷库温度波动减少，保证冷藏物品质量，减少干耗。适合一台压缩机配一个蒸发器,多台压缩机配一台蒸发器的系统。 一个压缩机配用多个蒸发器（一机多库），各蒸发器在不同蒸发压力下工作，如鱼、肉库要求-10、乳品库要求2，菜和水果库要求5，需要在乳品库与菜与水果库蒸发器出口处安装蒸发压力调节器。,蒸发压力的调节方式,蒸发压力的调节，实质是调节蒸发器的容量（