制冷原理与装置课件

2014年年 3月月制冷原理与装置制冷原理与装置Refrigeration Principle and Refrigeration Equipment1第六章第六章 制冷设备制冷设备分类：主要设备（压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构等）和辅助设备（油分离器、储液器、回热器、过冷器、膨胀容器等）第1节 概述制冷设备:制冷装置中的热交换器和具有安全、控制等功能的器件统称2压缩机压缩机热交换设备热交换设备节流机构节流机构管道管道各种控制阀各种控制阀辅助部件辅助部件蒸气压缩式制蒸气压缩式制冷系统的构成冷系统的构成3四个主要部件四个主要部件压缩机压缩机冷凝器冷凝器节流件节流件蒸发器蒸发器不可缺少不可缺少管道管道附加附加净化净化贮集贮集分离设备分离设备4过滤器过滤器 干燥器干燥器贮液器贮液器 集油器集油器 油分离器油分离器空气分离器空气分离器5制冷设备的简图制冷设备的简图6压缩机压缩机制冷和空调用压缩机的分类及结构示意图制冷和空调用压缩机的分类及结构示意图7压缩式制冷系统的心脏压缩式制冷系统的心脏主机主机有用能的输入有用能的输入制冷剂在系统中的循环流动制冷剂在系统中的循环流动整机性能整机性能可靠性可靠性寿命寿命噪声噪声压缩机压缩机称为称为8压缩机按压缩原理有两大类：压缩机按压缩原理有两大类：容积型容积型速度型速度型容积型压缩机容积型压缩机速度型压缩机速度型压缩机 通过对运动机构作功，以减通过对运动机构作功，以减少压缩式容积，提高蒸气压力来少压缩式容积，提高蒸气压力来完成压缩功能。完成压缩功能。由旋转部件连续将角动量转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。换给蒸气，再将该动量转为压力。9图图 各类压缩机在制冷和空调工程中的应用范围各类压缩机在制冷和空调工程中的应用范围 10主要换热设备有：冷凝器、蒸发器、回热器、冷凝蒸发器、中间冷却器、发生器、吸收器和溶液热交换器，以及冷却塔和蒸发式冷凝器特别重要的换热器：冷凝器和蒸发器第2节 制冷换热设备11制冷设备的安全问题制冷设备的安全问题12一、制冷换热器的结构（一）冷凝器分类：水冷、风冷、蒸发式13 冷凝器冷凝器 用冷凝器将制冷剂从低温热源吸收的热量及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。压缩后增加的热焓排放到高温热源。冷凝器按冷却方式冷凝器按冷却方式空气冷却式冷凝器中空气冷却式冷凝器中根据管外空气流动方式根据管外空气流动方式空气冷却式空气冷却式水冷式水冷式蒸发冷却式蒸发冷却式自然对流空气冷自然对流空气冷却式冷凝器却式冷凝器强制对流空气冷强制对流空气冷却式冷凝器却式冷凝器14图图6-1A 氨卧式壳管式冷凝器氨卧式壳管式冷凝器1、水冷冷凝器（1）壳管式冷凝器1）卧式壳管式冷凝器1516换热管：氨系统：无缝钢管氟利昂系统：铜管或无缝钢管*换热管在制冷剂侧可采用低肋管，强化换热。氨的卧式冷凝器的换热参数：氟利昂的卧式冷凝器的换热参数：172）立式冷凝器见图见图6-1b P119氨的立式冷凝器的换热参数：18（2）套管式冷凝器套管冷凝器的换热参数：19 图图6-3B 氟利昂套管式冷凝器氟利昂套管式冷凝器202、空冷冷凝器（1）空气自由运动冷凝器冷凝器的换热参数：21图图6-4B 自然对流空气冷却式冷凝器自然对流空气冷却式冷凝器22（2）空气强制对流冷凝器：冷凝器的换热参数：23图图空气强制对流冷凝器空气强制对流冷凝器1-肋片肋片 2-传热管传热管 3-上封板上封板 4-左端板左端板 5-进气集管进气集管6-弯头弯头7-出液集管出液集管 8-下封板下封板 9-前封板前封板10-通风机通风机 11-装配螺钉装配螺钉24（3）蒸发式冷凝器冷凝器的换热参数：25图图 蒸发式冷凝器结构原理蒸发式冷凝器结构原理 1-通风机通风机 2-挡水栅挡水栅 3-传热管传热管4-水泵水泵 5-滤网滤网 6-补水阀补水阀 7-喷水嘴喷水嘴26Cooling Tower(Evaporative Cooling)27 蒸发器蒸发器 蒸发器是制冷机中的冷量输出设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，达温热源介质（水或空气）的热量，达到制冷的目的。到制冷的目的。28冷却空气的蒸发器冷却空气的蒸发器空气自然对流时空气自然对流时多采用光盘管结构多采用光盘管结构空气强制对流时空气强制对流时采用翅片管结构采用翅片管结构壳管式壳管式沉没式沉没式 冷却液体（水或其它液冷却液体（水或其它液体载冷剂）的蒸发器体载冷剂）的蒸发器29（二）蒸发器1、满液式蒸发器（1）壳管式满液式蒸发器换热参数：30图图卧式满液式蒸发器结构卧式满液式蒸发器结构31（2）立式蒸发器换热参数：322、干式蒸发器换热参数：1）直管式，2）U形管式（1）冷却液体的干式蒸发器33图图 干式壳管蒸发器干式壳管蒸发器34（2）冷却空气的干式蒸发器：换热参数：352）冷却强制流动空气的干式蒸发器换热参数：363、循环式蒸发器37（三）低温装置的换热器1、中间冷却器换热参数：382、回热器换热参数：393、冷凝-蒸发器（1）绕管式冷凝-蒸发器（2）直管式冷凝-蒸发器（3）套管式冷凝-蒸发器40四、板式换热器换热条件：41二、制冷装置热交换设备的计算I 设计计算设计计算:设计换热器II 校核计算校核计算:看已知的换热器是否符合要求42换热器换热系数的定义：43换热器的壁温计算的重要性：44454647（二）冷凝器计算1、冷凝器热负荷的计算的确定482、卧式壳管式冷凝器计算（1）设计计算参数（2）计算过程：参考教材49503、空冷冷凝器的计算（1）设计参数的选择（2）空冷冷凝器计算：参考教材51（三）蒸发器计算1、干式蒸发器计算（1）设计计算参数的选择（2）设计计算过程：参考教材52第三节 制冷装置的节流机构一、制冷剂液体膨胀过程分析5354二、节流机构的种类（1）手动调节的节流机构氨系统的手阀（2）用液位调节的节流机构浮球调节阀（3）用蒸气过热度调节的节流机构热力膨胀阀（4）用电子脉冲调节的节流机构电子膨胀阀（5）不进行调节的节流机构毛细管55（三）节流机构（三）节流机构 节流机构是实现制冷循环所必须的四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个基本的系统组成部件之一 位于冷凝器与蒸发器之间。位于冷凝器与蒸发器之间。对制冷剂的流动起扼制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控制进入蒸发器的制冷剂质流率作用作用56 毛细管毛细管 毛细管用在小型而且不需要精确调毛细管用在小型而且不需要精确调节流量的制冷装置。节流量的制冷装置。家用冰箱家用冰箱冷柜冷柜房间空调器房间空调器 简单简单 便宜便宜 便于大批量生产便于大批量生产应用应用长处长处57 手动膨胀阀手动膨胀阀 通常与其它控制元件配合使用，一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辅助送液，或者在自动膨胀阀出故障时作为旁路备用阀。作为旁路备用阀。58 定压膨胀阀定压膨胀阀 从保持蒸发压力恒定为目的，自动调从保持蒸发压力恒定为目的，自动调节蒸发器供液量。其结构原理是：由设节蒸发器供液量。其结构原理是：由设定弹簧力和蒸发压力产生的流体压力之定弹簧力和蒸发压力产生的流体压力之差提供阀打开方向的驱动力。当蒸发压差提供阀打开方向的驱动力。当蒸发压力降低时，阀开大，供液量增多，以补力降低时，阀开大，供液量增多，以补偿蒸发压力的下降；当蒸发压力升高时，偿蒸发压力的下降；当蒸发压力升高时，阀关小，供液量减少，抑制蒸发压力上阀关小，供液量减少，抑制蒸发压力上升。升。59 浮球阀浮球阀 用液位控制供液量。以浮球用液位控制供液量。以浮球杠杆机杠杆机构产生阀动作的驱动力。根据制冷机的情构产生阀动作的驱动力。根据制冷机的情况，又分两种。对于制冷剂液体主要在高况，又分两种。对于制冷剂液体主要在高压侧（冷凝器或高压贮液器）的制冷机，压侧（冷凝器或高压贮液器）的制冷机，采用高压浮球阀。它的浮球感受冷凝器或采用高压浮球阀。它的浮球感受冷凝器或高压贮液器的液位。当液位升高时，阀开高压贮液器的液位。当液位升高时，阀开大，增大蒸发器供液量；当液位降低时，大，增大蒸发器供液量；当液位降低时，阀关小，减少供液量。阀关小，减少供液量。60 热力膨胀阀热力膨胀阀 广泛用于干式蒸发器的供液量调节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通过弹簧力设定静态过热度设定范围一般为设定范围一般为2861 蒸发器出口制冷剂的过热度低于静态蒸发器出口制冷剂的过热度低于静态过热度时过热度时 阀处于关闭状态阀处于关闭状态过热度高于静态过热度时过热度高于静态过热度时阀才打开阀才打开 并按二者之偏差成比例地改变阀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度，即成比例地调节送入蒸发器的制冷剂质流率。剂质流率。62 目前，国际上流行的电子膨胀阀种类目前，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、很多，按阀的结构型主要有三类：热动式、电磁式和电动式（双金属片式的热电膨胀电磁式和电动式（双金属片式的热电膨胀阀已很少应用）。阀已很少应用）。6.电子膨胀阀电子膨胀阀热动式膨胀阀热动式膨胀阀 电磁式膨胀阀电磁式膨胀阀 电动式膨胀阀电动式膨胀阀631 1）热力膨胀阀的供液控制）热力膨胀阀的供液控制 迄今为止，热力膨胀阀仍是压缩式迄今为止，热力膨胀阀仍是压缩式制冷装置中蒸发器制冷剂流量控制的主制冷装置中蒸发器制冷剂流量控制的主要元件。要元件。它在制冷装置中的作用主要包括：它在制冷装置中的作用主要包括：a）使高压常温的制冷剂液体在经热力使高压常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膨胀阀时节流降压，变为低压低温的制冷剂湿蒸汽湿蒸汽,进入蒸发器，在蒸发器内蒸发吸热，进入蒸发器，在蒸发器内蒸发吸热，从而达到制冷降温的目的。从而达到制冷降温的目的。64 b）按照感温包感受到的蒸发器出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制冷剂流量，使制冷剂流量始终与蒸发器的热负荷相匹配。器的热负荷相匹配。c）通过热力膨胀阀的控制，使蒸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发器出口的制冷剂蒸汽保持一定的过热度，这样即能保证蒸发器传热面积的充度，这样即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分利用，又可以防止压缩机出现液击冲缸现象。缸现象。65 从调节特性来分析，热力膨胀阀从调节特性来分析，热力膨胀阀属于直接作用式比例调节器。属于直接作用式比例调节器。热力膨胀阀热力膨胀阀热力膨胀阀的自动控制原理热力膨胀阀的自动控制原理内平衡热力膨胀阀内平衡热力膨胀阀外平衡热力膨胀阀外平衡热力膨胀阀66 外平衡热力膨胀阀与内平外平衡热力膨胀阀与内平衡热力膨胀阀的主要区别衡热力膨胀阀的主要区别 有一个专用的外平衡管接头，为引有一个专用的外平衡管接头，为引入外平衡压力所用入外平衡压力所用 调节杆的形式等也有所不同调节杆的形式等也有所不同67三、节流机构的工作原理及特性分析（一）热力膨胀阀1、热力膨胀阀的工作原理68外平衡热力膨胀阀的结构：外平衡热力膨胀阀的选用：蒸发器的压力降大，或低温系统692、热力膨胀阀的选择与使用容量的选用：蒸发器制冷量的1.2-1.3倍感温包的位置：外平衡管的位置：70热力膨胀阀的工作原理热力膨胀阀的工作原理 71外平衡热力膨胀阀的安装外平衡热力膨胀阀的安装72选择热力膨胀阀时，主要考选择热力膨胀阀时，主要考虑下列因素：虑下列因素：按系统采用的制冷剂按系统采用的制冷剂要考虑系统的蒸发温度要考虑系统的蒸发温度阀前制冷剂过冷度会影响阀后两相阀前制冷剂过冷度会影响阀后两相制冷剂的干度制冷剂的干度冷凝器至阀前的液管肯定有压力降冷凝器至阀前的液管肯定有压力降73（a a）内平衡内平衡 （b b）外平衡外平衡 图热力膨胀阀开启过热度的变化图热力膨胀阀开启过热度的变化74工质冷凝温度/p/MPa0.050.100.150.200.250.30t/R12302.65.48.311.514.718.3402.14.46.39.211.814.5501.83.75.67.69.611.7R22301.63.35.16.98.810.8401.42.84.25.77.28.8501.22.33.54.76.07.2R502301.53.24.86.58.210.0401.32.64.05.46.88.3501.12.23.44.55.76.9表表液体侧压力损失为液体侧压力损失为pp时不产时不产生气体闪发必须的最小过冷度生气体闪发必须的最小过冷度tt7576（二）电子脉冲式膨胀阀777879（三）毛细管80图图 R22、R12毛细管初步选择曲线图毛细管初步选择曲线图8182 2 2）电子膨胀阀供液控制电子膨胀阀供液控制 控制品质不高控制品质不高调节系统无法实施计算机控制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系统的运行过程只能实施静态匹配阀工作温度范围窄阀工作温度范围窄温包迟延大温包迟延大在低温调节场合振荡问题比较突出在低温调节场合振荡问题比较突出 热力膨胀阀用于蒸发器供液控热力膨胀阀用于蒸发器供液控制仍然存在着许多问题制仍然存在着许多问题83 电磁式电子膨胀阀供液控制电磁式电子膨胀阀供液控制 电磁式膨胀阀结构见上节图所示，电磁式膨胀阀结构见上节图所示，电磁线圈通电前处于全开位置，通电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。以通过改变控制电压调节流量。84图图 电磁式膨胀阀结构电磁式膨胀阀结构1 出口出口 2弹簧弹簧 3阀针阀针 4阀杆阀杆 5柱塞弹簧柱塞弹簧 6柱塞柱塞 7线圈线圈 8阀度阀度 9入口入口85电磁式电磁式膨胀阀流量特性膨胀阀流量特性0 150 300线圈电流（线圈电流（mA）控制电压（控制电压（V）0 0.5 1100流量（流量（%）86电动式电子膨胀阀供液控制系统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。进电动机，有直接驱动型与减速型。87图图 电动式膨胀阀（直动型）电动式膨胀阀（直动型）1入口入口 2针阀针阀 3阀杆阀杆 4技术技术 5线圈线圈 6出口出口88电动式膨胀阀流量特性电动式膨胀阀流量特性脉冲数脉冲数0 50 100 150 200 250100流量（流量（%）89 由于采用电子膨胀阀控制，使得先进由于采用电子膨胀阀控制，使得先进的控制手段运用于制冷剂流量调节成为可能，的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：主要表现在以下几个方面：1)1)流量调节不受冷凝压力变化的影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响。对膨胀阀前制冷剂过冷度的变化具有补偿作用。补偿作用。2)2)由于电信号传递快，执行动作迅速、由于电信号传递快，执行动作迅速、准确，故能够及时、准确地调节流量。即准确，故能够及时、准确地调节流量。即使负荷变化剧烈，也能避免振荡。使负荷变化剧烈，也能避免振荡。90 3)3)能够将蒸发器出口过热度控制到最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小，从而最大限度地提高蒸发器传热面积的利用率。的利用率。4)4)在装置的整个运行温度范围，可以在装置的整个运行温度范围，可以有相同的过热度设定值。有相同的过热度设定值。5)5)可以根据装置的实际情况决定调节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。行调节器参数整定。91第四节 蒸气压缩式制冷装置的辅助设备一、制冷剂的储存、分离和净化设备高压储液器：结构、作用、位置92低压储液器：结构、作用、位置93（二）空气分离器1、卧式空气分离器2、立式空气分离器结构、作用、位置94（三）气液分离器结构、作用、位置95结构、作用、位置96（四）过滤器和干燥器结构、作用、位置97结构、作用、位置98二、润滑油的分离及收集设备结构、作用、位置（一）油分离器99结构、作用、位置100氨系统氨系统101三、制冷装置的管道及其隔热（一）制冷装置的管道选择管道选择的目的：1、向蒸发器均匀送液、压降在允许范围内；2、压缩机运行不发生液击、失油、振动、噪音；3、润滑油正常工作。用管道将制冷机各组成部件连接成一个完整的制冷系统，用管道将制冷机各组成部件连接成一个完整的制冷系统，使制冷剂在封闭的系统中循环。使制冷剂在封闭的系统中循环。1021 管道的材质应与制冷剂相容管道的材质应与制冷剂相容2 管道与管道、管道与设备连接处必须管道与管道、管道与设备连接处必须可靠密封，采用焊接或可拆连接（法兰可靠密封，采用焊接或可拆连接（法兰或螺丝连接）或螺丝连接）3 连接处采用密封材料时，密封材料也连接处采用密封材料时，密封材料也必须与制冷剂相容必须与制冷剂相容4 管道与外界环境接触，将与管内制冷管道与外界环境接触，将与管内制冷剂发生热交换剂发生热交换5 制冷剂在管道中流动会产生管道压降制冷剂在管道中流动会产生管道压降关于制冷剂管道应考虑的问题是：关于制冷剂管道应考虑的问题是：103 按制冷剂的四个主要组成部件分按制冷剂的四个主要组成部件分割，制冷剂管道有：割，制冷剂管道有：排气管排气管高压液管高压液管低压液管低压液管吸气管吸气管104（1）Freon系统的管径选择1）回气管：一般Freon回气管的压降控制在相当于饱和温度差1 合适的管内流速在8-15m/s。上升回气管的回油问题。1052）排气管：一般Freon排气管的压降控制在相当于饱和温度差0.5 合适的管内流速在10-18m/s。上升排气管的回油问题。3）液体管：高压液管和低压液管 泄液管：一般限定管内流速在0.5m/s。高压液管：压降控制在相当于饱和温度差0.5 低压液管：不准出现闪发气体。（2）R134a系统的管径选择：（3）氨系统的管径选择：（4）水系统的管径选择：D25：1m/S；D100：2m/s1062、管道阻力的计算：（1）单相流管：107108109（2）两相流阻力计算110这四种情况见教材170页111计算方法见171页112113114115116（二）制冷管道的隔热1、制冷装置的隔热目的：1 减少与环境之间的热交换；2 防止管外出现凝露或凝霜。2、对隔热材料的要求3、常用隔热材料的特性1171184、隔热结构 的防潮隔气5、隔热层厚度的计算水蒸气渗透的过程及危害：在保温层中凝水或结冰，材料的导热系数增大。水蒸气渗透防止：加隔气层。如119120121