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制冷技术及设备培训讲义(新)


第一章 绪论
§1-1 制冷慨述
一、 何谓制冷 制冷作为一门科学是指用人工的方法在一定的时间和一定的空间内将物体或流体冷却,使其温度降到环境 温度以下,并保持这个低温。 冷和热是同一范畴的两个物理概念, 都是物质分子运动平均动能的标志。 日常生活中常说的“热”或“冷” 是指温度高低的相对概念,是人体对温度高低感觉的反应。 在制冷技术中所说的冷,是指某空间内物

体的温度低于周围环境介质(如水或空气)温度而言。因此“制冷” 就是使某一空间内物体的温度低于周围环境介质的温度,并连续维持这样一个温度的过程。 二、何谓人工制冷 我们都知道,热量传递终是从高温物体传向低温物体,直至二者温度相等。热量决不可能自发地从低温物 体传向高温物体,这是自然界的客观规律。 然而,现代人类的生活与生产经常需要某个物体或空间的温度低于环境温度,甚至低得很多。例如,储藏 食品需要把食品冷却到0℃左右或-15℃左右,甚至更低;合金钢在-70℃~-90℃低温下处理后可以提高硬度和 强度。而这种低温要求天然冷却是达不到的,要实现这一要求必须有另外的补偿过程(如消耗一定的功作为补 偿过程)进行制冷。这种借助于一种专门装置,消耗一定的外界能量,迫使热量从温度较低的被冷却物体或空 间转移到温度较高的周围环境中去,得到人们所需要的各种低温,称谓人工制冷。而这种装置就称谓制冷装置 或制冷机。 三、实现制冷的途径 制冷的方法很多,可分为物理方法和化学方法。但绝大多数为物理方法。目前人工制冷的方法主要有相变制 冷、气体绝热膨胀制冷和半导体制冷三种。 1、相变制冷 即利用物质相变的吸热效应实现制冷。如冰融化时要吸取 80 kcal/kg 的熔解热;氨在1标 准大气压下气化时要吸取 327kcal/kg 的气化潜热;干冰在1标准大气压下升华要吸取 137kcal/kg 的热量,其 升华温度为-78.9℃。目前干冰制冷常被用在人工降雨和医疗上。 2、气体绝热膨胀制冷 利用气体通过节流阀或膨胀机绝热膨胀时,对外输出膨胀功,同时温度降低,达到 制冷的目的。 3、半导体制冷 珀尔帖效应告诉我们:两种不同金属组成的闭合电路中接上一个直流电源时,则一个接合 点变冷,另一个接合点变热。但是纯金属的珀尔帖效应很弱,且热量通过导线对冷热端有相互干扰,而用两种 半导体(N型和P型)组成的直流闭合电路,则有明显的珀尔帖效应且冷热端无相互干扰。因此,半导体制冷 就是利用半导体的温差电效应实现制冷地。目前温差电制冷只用在小型制冷器中,如电子计算机恒温冷却、精 密测量仪器的冷源及精密机床的油箱冷却器等等,都是温差电制冷。 利用物理现象制冷的方法还有很多,我们不一一介绍。目前生产实际中广泛应用的制冷方法是:利用液体的 气化实现制冷,这种制冷常称为蒸气制冷。它的类型有:蒸汽压缩式制冷(消耗机械能)、吸收式制冷(消耗 热能)和蒸汽喷射式制冷(消耗热能)三种。 四、制冷体系的划分 制冷服务对象不同,要求的制冷温度也不同。在工业生产和科学研究上,人们通常根据制冷温度的不同把 人工制冷分为“普冷”和“深冷”两个体系。一般把制取温度高于-120℃的称为“普冷”、低于-120℃的称为 “深冷”。其中深冷又可分为深度制冷(120-20K)、低温制冷(20-0.3K)与超低温制冷(0.3K 以下)。 由于低温范围的不同,制冷系统的组成也不同,因此,根据食品制冷要求,本课程我们只介绍普通制冷温度 范围内的蒸气压缩制冷。

§1-2 制冷的发展简史及应用
一、我国制冷的发展简史 人类最早的制冷方法是利用自然界存在的冷物质-冰、深井水等。我国早在周朝就有了用冰的历史。到了秦 汉,冰的使用就更进了一步,据《艺文志》记载:大秦国有五宫殿,以水晶为柱拱,称水晶宫,内实以冰,遇 夏开发。”这实质是我国最早的空调房间。到了唐朝已生产冰镇饮料并已有了冰商。冰酪、奶冰也发源于中国, 是冰淇淋的雏形,在元朝时由意大利著名旅行家马可·波罗带到了欧洲。

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人工制冷至今在世界上才有 100 多年的历史。旧中国制冷工业基本上是空白,解放前上海只有几家很小的 “冰箱厂”且只搞维修业务,全国冷库也仅有几座。解放后,制冷工业得到飞速发展,特别是八十年代通过引 进国外先进技术,使我国的制冷、空调产品打入了国际市场。 二、制冷技术的应用 随着制冷工业的发展,制冷技术的应用也日益广泛,现已渗透到人们生活和生产活动的各个领域,从日常的 衣、食、住、行,到尖端科学技术都离不开制冷技术。 1、空调工程 空调工程是制冷技术应用的一个广阔领域。光学仪器仪表、精密计量量具、纺织、药品等生产车间及计算机 房等,都要求对环境的温度、湿度、洁净度进行不同程度的控制;大型建筑、公共场所、车站、机场、体育馆、 大会堂、宾馆、商厦、影剧院、游乐厅、办公楼等公共建筑使用的中央空调系统;小汽车、飞机、大型客车、 火车、轮船等交通工具使用的空调设施;家庭、办公室等使用的局部空调装置或房间空调器。 2、食品工程 易腐食品从采购或捕捞、加工、贮藏、运输到销售的全部流通过程中,都必须保持稳定的低温环境,才能延 长和提高食品的质量、经济寿命与价值。这就需有各种制冷设施,如冷加工设备、冷冻冷藏库、冷藏运输车或 船、冷藏列车、分配性冷库、供食品零售商店、食堂、餐厅使用的小型装配式冷库、冷藏柜、各类冷饮设备、 冷藏售货柜及家庭用的电冰箱等。 食品工程另外的应用制冰,目前有大块冰、管冰、片冰等,应用于冷库、渔船、冷藏运输、食用等领域。 3、工业生产及农牧业 在化学工业中,借助制冷使气体液化、混合气分离带走化学反应中的反应热;盐类结晶、润滑油脱脂需要制 冷;石油裂解,合成橡胶、合成树脂、燃料生产、化肥生产需要制冷;天然气液化、脱水、贮运也需要制冷。 精密机床油压系统利用制冷来控制油温,可稳定油膜刚度,使机床能正常工作。在机械制造中,对钢进行低温 处理(-70℃―-90℃)可改善钢的性能,提高钢的硬度和强度,延长工件的使用寿命。在机器的装配过程当中, 利用低温方便地进行零件间的过盈配合。在钢铁工业中,高炉鼓风需要用制冷的方法先将其除湿,然后再送入 高炉,以降低铁水的焦化比,保证铁水的质量。多路通讯、雷达、卫星地面站等电子设备也都需要在低温下工 作。 在农牧业中,制冷用于对农业种子进行低温处理;建造人工气候育种室;保存良种畜的精液,以便进行人工 配种。 4、建筑工程 利用制冷实现冻土法开采土方。在挖掘矿井、隧道、建筑江河堤坝时或者在泥沼、沙水中掘进时,采用冻土 法保持工作面,避免坍塌和保证施工安全。在水利大坝的施工和大型混凝土构件施工中,拌合混凝土时,用冰 代替水,借冰的熔化热补偿水泥的固化反应热。在中国的大型水利工程三峡工程施工工程当中,就采用了很多 制冷工艺来保证拌合好的混凝土为 7℃(一次风冷、二次风冷冷却石头、加冰冷却等),同时在浇注完后一段时 间内,再用低温的冷却水冷却。 5、医疗卫生事业 制冷在医疗卫生方面发挥日益重要的作用。冷冻医疗是可靠、安全、有效易行和经济的治疗方法,特别是用 于治疗恶性肿瘤。血浆、疫苗及某些特殊药品需要低温保存。低温麻醉、低温手术及高烧患者的冷敷降温等也 需制冷技术。 6、国防工业和现代科学实验 在高寒地区使用的发动机、汽车、坦克、大炮等常规武器的性能需要作环境模拟试验,航空、航天仪表、火 箭、导弹、航天器中的控制仪也需要在模拟高空条件下进行试验,这些都需要人工制冷技术。 在气象科学中,综合云雾室的制冷系统提供+30--45℃的温度条件,主要用于研究雨滴、冰雹的增长过程、 冷暖催化剂,各种催化方法,及扰动对云雾的宏观、微观影响、模拟云的物理现象,人工降雨也需要制冷。 除此以外,在尖端科学领域,如:微电子技术、能源、新型材料、宇宙开发、生物技术等,低温制冷技术也 有十分重要的作用。总之,制冷技术的应用是很广泛的,随着国民经济的发展,科学技术的进步,人民生活水 平的不断提高,制冷技术的发展与应用将会走向新的领域。

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第二章 制冷技术的热力学基础
§2-1 基本定义及概念
一、制冷工质的热力状态参数
在制冷循环中,工质不断地进行着热力状态变化。描述工质所处热力状态的物理量称为工质的热力状态参 数,简称状态参数。一定的状态,其状态参数有确定的数值。工质状态变化时,初、终状态参数之间的差值, 仅与初、终状态有关,而与状态变化的过程无关。 制冷技术中常见的状态参数有:温度、压力、比容、内能、焓与熵等。这些参数对于进行制冷循环的分析 和热力计算,都是非常重要的。 1、温度 温度是描述热力系统冷热状态的物理量,它的高低反映物体内部分子无规则运动的剧烈程度, 是标志物体冷热程度的参数,是物体状态基本参数之一。 物体的温度可采用测温仪表来测定。为了使温度的测量准确一致,就要有一个衡量温度的标尺,简称温标, 工程上常用的温标有: 1、摄氏温标 又叫国际百度温标,常用符号 t 表示,单位为℃。 2、绝对温标 常用符号 T 表示,单位为开尔文(代号为 K) 。 3、华氏温度 常用℉表示,它是欧美习惯用的一种温标,它规定纯水冰点为 32℉,沸点为 212℉,两定点 之间为 180 等分,每一等分为华氏 1℉。 绝对温标与摄氏温标仅是起点不同而已(t=0℃时,T=273.16K) ,它们每度的温度间隔确是一致的。在工程 上其关系可表示为: T=273+t(K) 华氏温标与摄氏温标关系表示为: F=

9 t℃+32(℉) 5

例:摄氏 20℃,相当于多少绝对温度及华氏温度? 解:T=t+273=20+273=293K F=

9 9 t℃+32= *20+32=68℉ 5 5

2、压力 压力是单位面积上所承受的垂直作用力,常用符号 P 表示。压力的大小取决于分子热运动情况, 在一定的容积内,分子运动剧烈,压力就高,反之就低。压力也是物体重要的状态参数。 压力可用压力表来测定。在国际单位制中,压力单位为帕斯卡(Pa) ,实际应用时也可用兆帕斯卡(MPa)或 6 5 2 巴(bar)表示,1MPa=10 Pa 而 1bar=10 Pa。在工程上,压力的单位也用 kgf/cm 或 mmHg 表示。 压力的标记有绝对压力、表压力和真空度三种情况。绝对压力是指容器中气体的实际压力,用符号 P 表示; 表压力(PB)是指压力表(或真空表)所指示的压力;而当气体的绝对压力比大气压力(B)还低时,容器内的 。三者之间的关系是: 绝对压力比大气压力低的数值,称为真空度(PK) P=B-PK P=PB+B 或 作为工质的状态参数应该是绝对压力,而不是表压力或真空度。制冷系统的计算需用绝对压力,在查阅制 冷技术有关的图表时,其图表所注明的压力一般为绝对压力。制冷系统中压力表所测得的读数必须经过换算。 3、比容 比容是指单位质量工质所占有的容积,用符号υ表示,常用单位为 m /kg。
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比容是说明工质分子之间密集程度的一个物理量。比容这个参数,在选取蒸发器和贮液器的大小以及计算 压缩机的排汽量时,都要用到它,也是基本参数。比容的大小与压力、温度有关。压力一定时,温度不同比容 不同。温度一定时,压力不同比容也不同。 3 比容的倒数为工质的密度,即单位容积工质所具有的质量,用符号ρ表示,单位为 kg/m 。比容和密度之间 互为倒数关系。 4、内能 内能是工质内部所具有的分子动能和分子位能的总和,用符号u表示。 分子动能包括分子的直线运动动能、旋转运动动能和分子内部振动能三项,其大小与气体的温度有关。而分 子位能的大小与分子间的距离有关,亦即与工质的比容有关。 既然气体的内动能决定于气体的温度、内位能决定于气体的比容,所以气体的内能是其温度和比容的函数。 也就是说内能是一个状态参数。 5、 焓 焓是一个复合的热力状态参数, 表征系统中所有的总能量, 它是内能与压力之和。 对1kg 工质而言, 可表示为: h=u+Pυ (kJ/kg)或(kcal/kg) 3 式中 h— 焓或称比焓(kJ/kg 或 kcal/kg) υ— 比容(m /kg) 2 u— 内能(kJ/kg 或 kcal/kg) P— 绝对压力(N/m 或 Pa) 在工程单位制中,压力单位常用工程气压、物理大气压和毫米水柱等单位。 由于内能和压力位能都是温度的参数,所以焓也是状态参数。确切地说,焓是一定质量的流体,从某一初 始状态变为任一热力状态所加入的总热量。 6、熵 熵是一个导出的热力状态参数,熵的中文意义是热量被温度除所得的商,熵的外文原名意义是“转 变” ,指热量可以转变为功的程度,它表征工质状态变化时,与外界热交换的程度。熵是通过其他可以直接测量 的数量间接计算出来的。 热力学第二定律说明: ⑴ 热量不能自发地,不付代价地从低温物体传向高温物体。 、 ⑵ 要使热量全部而且连续地转变为机械功是不可能的。 、 制冷是使热量从低温物体转移到高温物体,根据热力学第二定律,必需消耗一定的外界功,这个功就是压缩机 所耗的动力。 关于熵的含义:热力学第二定律说明热量的传递有方向性,对于具有一定温度 T 的一系统,有热量 q 可以 交换,但这个热量是从系统放出还是向系统中加入,希望有一个数学方式表示传递的方向,由此引出熵的概念, 用符号 S 表示,其表达式为 S=△q/T。 因为绝对温度 T 值总是大于零的,故熵值的增加,表示对系统加热,熵值减少,表示系统放热,熵值为零, 侧说明系统没有与外界进行热交换,并称这个过程为绝热过程。绝热压缩就是等熵过程。在理想制冷循环中, 我们一般把压缩机的压缩作为绝热压缩。

二、制冷的一些基本定义
1、比热 任何物质当加进热量,它的温度会升高。但相同质量的不同物质,升高同样温度时,其所加进 的热量是不一样的。为相互比较,把 1kg 水温度升高 1℃所需的热量定为 4.19KJ。如把 1kg 水温度升高 1℃需 4.19KJ 热量,我们把水的比热值定为 4.19KJ/kg℃作为标准,其它物质所需的热量与其质量和温度的比值称为 比热。例如:1kg 铜温度升高 1℃所需的热量为 0.39KJ,即铜的比热为 0.39KJ/kg℃。比热一般用 C 表示,单位 为 KJ/kg℃。 2、导热系数 导热系数是表示一种材料传导热量能力的一个物理量,如二块同样厚的材料,一块是铜块, 一块是软木块,把它们放在比本身温度高的环境中,铜块立刻感觉到温度升高,而软木块在短时间内感觉不到。
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这说明二种材料对热量传导的能力不同,把这种材料对热量的不同传导的能力以一个数值表示称为导热系数, 2 其数值等于:当材料厚度为 1m,二边温差为 1℃,在 1h 内通过 1m 表面积所传导的热量,以符号λ表示,单位 为 w/m.k。 不同材料有不同的导热系数,它与材料的成分、密度。分子结构等因数有关。 同一种材料影响导热系数的主要因数是密度和湿度,密度大则导热系数大,湿度大则导热系数亦大。 3、放热系数 当冻结一块实物时,如在表面吹风则它的冻结速度比不吹风时快,表示这种不同物质(如实 2 物是固体、空气是流体)之间在不同状态下换热能力的物理量称为放热系数。其数值等于 1h、每 1m 面积上, 2 当流体和固体壁之间的温度差为 1℃是传递的热量。用符号α表示,单位为 w/m .k。 4、传热系数 热量从高温侧流体透过平壁转移到低温侧流体,这种热量传递的能力除与二侧温差、传热面 积的大小有关外,还与平壁的导热系数、平壁的厚度及壁面两侧的放热系数有关。 通过平壁的传递的热量可以用公式表示为: Q=KF△t(KJ/h) 式中:Q--传递的热量 F—平壁的表面积 △t--温差(平壁两侧温差) 、△t=t1-t2 K—传热系数 K=

1 1 δ 1 +∑ + 1 2 λ α α
α1、α2—平壁两侧放热系数 λ—平壁的导热系数 δ—平壁的厚度

式中:

5、湿度 空气的潮湿程度以湿度表示。潮湿度的大小随空气中水汽含量而定。按用途不同,湿度有三种表 示方法: 3 ⑴ 绝对湿度 每立方米湿空气中含有水汽的质量称为空气的绝对湿度。设湿空气的体积为 Vm ,其中水汽 3 的质量为 GCkg,则绝对湿度 Z=GC/V(kg/m ) ⑵ 含湿量 湿空气在状态变化过程当中,由于水份的蒸发和凝结,其体积和质量是变化的,即使湿空气 中水汽含量不变,由于温度变化其体积亦随着改变。绝对湿度是以体积 V 作为参数的,这样绝对湿度也随着变 化,所以用它不能反映湿空气中水汽含量的多少。干空气在状态变化过程当中其质量是不变的。以 1kg 干空气 中带有的水汽量(一般用 g)表示湿空气的湿度,称为含湿量,用符号 d 表示: d=1000 GC/ Gg (g/kg) 公式中表示 1kg 干空气中带有 dg 的水汽。 在空调中含湿量是重要的参数,它反映了空气中水汽含量的多少。任何的空气状态变化过程都可用含湿量 的增减来判断空气是加湿还是干燥处理,在计算中要经常用到它。由含湿量 d 和焓 h 制成的湿焓图是空调计算 的基本线图。 ⑶ 相对湿度(φ) 空气在容纳水汽方面具有这样一种物理性质:即在一定温度下,一定量的空气中只 能容纳一定限度的水汽量,如果超过这一限度,多余的水汽就在空气中凝结成雾。这种一定限量的水汽量称为 饱和湿度。在饱和湿度下相应的有饱和水汽分压 PCB、饱和绝对湿度 ZB 与饱和含湿量 dB,它们随空气湿度的高低 而不同。 一定温度下的空气所带有的水汽量,达到该温度下的最大值时称为饱和空气。能接受一定量水汽的空气称 为未饱和空气。未饱和空气的绝对湿度 Z 小于同温度下的饱和绝对湿度 ZB。相对湿度即 Z 和 ZB 的比值,用它反 映空气的潮湿程度。 φ=Z/ZB*100% 空调中相对湿度是衡量空气潮湿程度对人和生产是否适宜的一个指标。

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6、湿球温度 当温度计的感温球与空气直接接触,测出的空气温度称为空气的干球温度。如果用带有水份 的湿纱布包在温度计的感温球上,所测的温度称为湿球温度。 湿球温度是纱布中的水在与周围空气进行热、湿交换达到最终稳定状态时的温度。在一定空气温度下,空 气的相对湿度越小,空气的吸湿能力越大,此时纱布中的水份蒸发越快,水份蒸发所需的汽化热越多,湿球温 度降得越低,此时干球温度和湿球温度之差越大。反之,温差越小。因此干湿温度差可以确定空气相对湿度的 大小。 7、露点温度 某物体被降温时,在其表面会出现凝结水,这是由于临近这些表面的空气含湿量超过了饱和 含湿量,空气中的水汽就凝结出来。对应于水汽凝结出来时饱和含湿量的温度称为露点温度。这样只要知道空 气的含湿量 d,根据空气性质表查出饱和含湿量 dB 等于这个 d 值时所对应的温度,就是这时空气的露点温度。 8、饱和温度及饱和压力 在密闭容器中的液体,其表面不断产生汽化现象,由于蒸气相互作用以及容器壁 面、液体表面碰撞,在气体开始时,其中的一部分蒸气又变为液体。汽化时产生的蒸气大于由蒸气变为液体的 数量。经过一段时间后,从液体变为气体的量等于气体变为液体的量,这时的状态称为饱和状态。处于饱和状 态下的蒸气(液体)称为饱和蒸气(液体) ,所表现的温度、压力称为饱和温度和饱和压力。在制冷系统中,同 一制冷剂,一个饱和温度对应一个饱和压力,在制冷剂热力性质表中可以查到。例如:当氨的冷凝温度为 30℃ 时,对应的冷凝压力为 1.67MPa,当氨的蒸发压力为 0.1MPa 时,其蒸发温度为-33.4℃。 9、过热蒸气 在一定压力下,温度高于饱和饱和温度的蒸气,称为过热蒸气。制冷压缩机排气管处的蒸气 温度,一般高于饱和温度,是过热蒸气,过热蒸气的温度与压力没有对应关系。如氨压缩机的排气压力为 1.167MPa,测得其温度为 78℃。从氨的热力性质表上查得,当压力为 1.167MPa 时对应的饱和温度为 30℃。因 此排气管的蒸气为过热蒸气。 过热蒸气的温度超过饱和温度的数值称为过热度。 制冷压缩机吸入的蒸气一般都是过热蒸气,即蒸气的温度高于相应压力下的饱和温度。在制冷压缩机的操 作中,一般要求压缩机的吸入过热度为 5~10℃。 10、蒸发 蒸发是指液体表面分子汽化变成蒸气分子的过程。在自然界,所有液体都具有蒸发能力。蒸发 过程的快慢与蒸发的条件有很大关系。实践证明同一蒸发液体蒸发面积愈大,蒸发就快;当液体温度升高时, 蒸发过程也快;液体表面上方的气体排走得愈快,蒸发也快;当液体蒸发压力与周围空间压力形成压差,其压 差愈大,蒸发也快。 由于物质不同,液体分子克服的引力也不同,所以蒸发的快慢还与物质的性质有关。如氨液比水蒸发的快, 水又比油蒸发的快。 液体被加热到某一温度时,其内部气泡上升到表面破裂而放出蒸汽,这种液体表面的强烈汽化现象叫做沸 腾。沸腾的液体温度叫沸点。沸腾与蒸发是有区别的。沸腾是在一定压力下,只有达到与此压力相对应的一定 温度时才能进行。而蒸发是在任何温度、任何压力下都可能发生。在制冷工程当中,往往把蒸发与沸腾理解为 一回事,统称为蒸发。

三、传热学基本概念
制冷过程实质上是一个热量传递的过程,因此了解传热学的知识极为重要。制冷系统中的传热可分为两种 类型:一种是力求增加传热的过程,如蒸发器、冷凝器等热交换器。在这些设备中增强传热过程可以缩小设备 尺寸或提高它的效率;另一种是力求减弱传热过程,如冷库和管道的隔热层,减弱传热过程可减少冷量损耗, 节约能源。 1、热量传递的基本方式 不同物体或物体不同部位之间产生热量传递,其原因是它们之间存在温差,所以温差是产生热流的动力。 所有热传递的现象可以归纳为三种基本方式,即热传导、热对流和热辐射。实际工程中的传热往往是综合
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作用,但其中某项是主要的。 (1)热传导 由于物体内部分子和原子的微观运动,使热量从高温部分转向低温部分,这种能量传递过程称为热传导。 其特点是传热过程中物体各部分之间不发生宏观的位移。固体、液体和汽体都会发生导热现象,但单纯的导热 只有在固体中才能发生。 导热又分为平壁导热和圆管壁导热。 通过一个平壁的导热,导热面积 F 越大,传递的热量越多,平壁两侧温度差△t 越大,传递的热量越多。 但平壁厚度越厚,则越不易传递热量。它们的之间的关系可表示为
Q=

λ F△t(kJ/h) δ
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式中: F——垂直于导热方向面积,m ; δ——壁厚度,m; △t— 平壁两侧的温差,℃; 入——材料的导热系数,kJ/(m.h.℃) 在热交换器中,如蒸发器、冷凝器的计算中,常常遇到圆管壁导热,其热量传导可表示为
Q=

λ πd . δ ?

△t

(kJ/ h)

式中:

δ——为(d2-d1)/2,是圆壁的厚度,m; d——为(d2+d1)/2,是圆筒壁的平均直径,m; ? ——形状系数,可查有关资料。

(2)对流换热 由于流体(液体和汽体)不同部分之间的相对位移,而把热量从一处传到另一处的现象称为热对流。由于热 对流过程中,热量传递是依靠流体的迁移流动而进行的,所以只有液体和汽体才能产生热对流。热对流的流体 与固体壁面之间的热量交换称为对流换热。 对流换热可分为二种情况。即自然对流和强制对流换热。 自然对流换热是由于流体温度不同,其重度亦不同,流体中热的部分因密度小而上升,冷的部分则因密度 大而下降,由此自然地产生流体相对运动。冷库内空气和排管之间的热交换就属于这一种换热。 强制对流换热是用机械方法使流体强迫流动,并与壁面之间产生换热。如冻结间中,风机使空气强迫流动, 它们彼此之间的换热就属于强制对流换热。 对流换热是由对流作用引起的热量转移和流体的移动结合在一起,因此,它是个复杂过程,与很多因素有 关,如流体种类及状态、运动状况,与流体接触的表面形状及表面光洁度等。用放热系数来表明这种流体和物 体表面之间的热交换强度,对流换热可表示为 Q=αF(tw2-t2)(kJ/h) 式中:α——放热系数,KJ/m2.h.℃; F——放热面的面积,m2; Tw2—t2——物体壁面与周围流体温度差,℃; (3)辐射换热 物体因备种原因会发出辐射能,并在空间以电碰波的方式传播。这种由于物质分子热运动的原因而发出的 辐射能称为热辐射。物体除不断发出热幅射外,也从周围环境吸收来自其它物体的辐射能。这种以辐射方式进 行的能量转移辐射换热。 显然,热辐射是不同于传导和对流的一种热量传递方式。热辐射可在真空中传播,而传导和对流仅在固体、 流体、气体等物质内进行,若物体内部不存在温差则传导和对流换热就能进行。 在温度较低的情况下,由于热辐射很小,一般可忽略不计。但对于 100℃或几百度的高温,则热幅射则不

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能忽视。制冷系统中出现的温度都比较低,因此与辐射有关的换热较小,只有在压缩机汽缸盖和高压汽体排出 管上才有明显辐射热产生。 2、传热温差 传热温差是指传热壁两侧的二种流体之间的温度差。它是传热过程的推动力。在制冷设备的换热过程中, 间壁二侧的温度不是固定不变的,而是随流体的位置及换热的时间而变。如蒸发器中,冷流体(制冷剂)的温度 保持不变,但热流体(空气)的温度在传热过程中逐步降低。又如冷凝器中,热流体(制冷剂)的温度保持不变,但 冷流体(水或空气)的温度在传热的过程中逐步升高,冷热流体之间的相对流动方向不同,传热温差也不同。
冷、热流体间的相对流动方向,大致有以下几种: 1、顺流――冷热流体在两侧以相同方向流动; 2、逆流――冷热流体在两侧以相对方向流动; 3、错流――冷热流体在两侧彼此呈直角交叉方向流动; 4、折流――冷热流体在两侧以顺流或逆流交替方向流动; 顺流和逆流,冷热流体沿传热壁面的温度变化是不一样的。

顺流时,最高温度的热流体和最低温度的冷流体,在换热器入口端的传热面两侧相遇,此时两者温差最大, 此后,热流体的温度逐渐下降,冷流体的温度逐步上升。在出口端以热流体的最低温度和冷流体的最高温度结 束换热过程。这种传热方式,热流体的最低温度不可能降到冷流体的最高温度之下,传热效率较低。 逆流时,热流体的最低温度和冷流体的最低温度相遇,这样流体的最终温度比顺流时低, 传热效果也好。 不管是顺流还是逆流,由于在整个传热过程中两种流体和温度都在变化。因此用对数平均 温差来较真实地反映两者之间的温差。关于对数平均温差计算公式在后面换热器再讲。

四、流体力学基本概念
制冷是靠制冷剂在一个闭合系统中循环流动,不断改变它的状态,从而获的低温。流体在管内和换热器中 的流速、流量、压力、阻力等对整个冷系统的制冷效率影响很大。 气体和液体同属流体,它们的共性是都可以流动;其区别是气体具有很大的可压缩性,在加压之下,其比 容减小,压力升高,而液体是不可压缩的流体。 1、稳定流动 在流体通过导管或设备的任一截面时,该截面上流体的物理量如流速、压力等不随时间而变,仅随流体的 位置而变,这种流动情况称为稳定流动。 在连续操作的过程中,如制冷系统中低压蒸汽不断地被吸入压缩机,同时经压缩后被排到冷凝器。在冷凝 器内被冷凝成液体,液体又经节流阀进入蒸发器。因而流体在这些设备中进行流动属于稳定流过程。 2、伯努利方程 流体在流动时有四种能量可发生转化。它们是位能、动能、静压能和内能。位能、动能和静压能属于机械 能, 而内能是流体内部大量分子运动能与分子间相互作用的位能之和。 内能随流体的温度和密度的改变而改变。 它们之间的关系可用一个方程——伯努利方程式来表达为

△ △P =0 △Z+ w + ρ 2g
△Z——截面 1 和 2 处位能的增量;
2

2

△w ――截面 1 和 2 处动能的增量 2g △P

ρ

—— 截面1和2处静压能的增量;

8

上式公式说明,流体从截面 1,流到截面 2.三项能量均有变化,但其总能量保持不变,只是静压能转化为 动能和位能。 液体具有粘性,在流动过程中会产生阻力,从而消耗能量。此外,为保证流量,通常加入泵等外加输送机 械,这样就对流体输入了外加能量。考虑该因素后 1kg 工质实际伯努利方程为

Z1+

w

2

1

2g



P 1

ρ

+ he= Z2+

w

2 2

2g



P2

ρ

+

∑ hf

式中:h e —— 外加能量;

∑ hf ——克服实际阻力而消耗的能量。
例:有一个重力供液系统,氨液分离器内的液面与蒸发器内的液面相差为 1.6m。蒸发器管内流动损失经 计算为 1.5m 氨液柱。求蒸发器内(φ38×2.5mm 钢管)氨液的流量。 解:取氨液分离器内的液面作为 1—1 截面,蒸发器内的液面作为 2—2 截面,把 2—2 截面作为基础面,则 ,系统中无机械功加入,则 he=0,1—1 截面处 Z2=0,Z1=1.6m 氨液分离器与蒸发排管相通,故 P2=P1=P。 液面不变,w1=0, 得w
2 2

∑ hf =

1.5m(已知),将上述数值代入公式,

2g

=0.1,

w2= 0.1 × 2 × 9.81 =1.4m/s 每分钟氨液的流量为

V=60×

π
4

×d2×w2=60×

3.14 38 ? 2 × 2.5 2 ×( ) ×1.4=0.072m/min 4 1000

§2-2 热力学第二定律与理想制冷循环
一、热力学第二定律 在热量传递和热、功转换时,热力学第一定律只能说明它们之间的数量关系,的确不能揭示热功转换的条 件和方向性。对于能量传递和转换过程进行的方向、条件和限度则是由热力学第二定律来揭示的,它指出: “热 量能自发的从高温物体传向低温物体,而不能自发的从低温物体传向高温物体” 。这正像石头或水不可能自发的 从低处向高处运动一样。但这并不是说石头和水在任何条件下都不可能由低处移向高处,只要外界给它们足够 大的作用力,在这个力的作用下石头或水就能由低处移向高处,这个外界作用力称为补偿。同样,不能把热力 学第二定律的说法理解为: “不可能把热量从低温物体传到高温物体” 。而是只要有一个补偿过程,热量就能自 低温物体传到高温物体。制冷装置就是以消耗一定的外间功作为补偿过程而实现人工制冷的。 二、循环与理想制冷循环

P 1
w0

q1 2 4 q2 3 5 υ
正 环 循

P 1 2
-w0

q1

q2 4 6
逆 环 循

3 5 υ

6

9

1、正循环及热效率 膨胀--压缩循环按顺时针 方向进行的,称为正循环。在 P—υ图上,正循环的膨胀线 1—2—3 位于压缩线 3—4—1 之上。正循环的单位质量净功 w0 为正值,若设高温热源加给 工质的热量为 q1,工质放给低 温热源的热量为 q2,则: (一)循环 热变功的根本途径是依靠工质的膨胀。为了持续不断地将热转换为功,工程上是通过热机来实现 的。但工质在热机汽缸中仅仅完成一个膨胀过程是不可能满足要求的。为了能重复地进行膨胀,工质在每次膨 胀之后必须进行压缩,以便使其回到初态。我们把工质从初态出发,经过一系列状态变化又回到初态的封闭过 程,称为“循环” 。循环按其进行方向不同又可分为正循环和逆循环。如下图所示: 评价正循环的好坏,通常用循环热效率ηt 来衡量,循环热效率是指工质在整个热力循环中,对外界所作的 净功 w0 与循环中外界所加给工质的热量 q1 的比值。即: ηt= q2 q1-q2 w0 =1= q1 q1 q1

2.逆循环及性能系数 膨胀--压缩循环按逆时针方向进行的,称为逆循环。如图 2-1 所示。逆循环的压缩线 3—2—1 位于膨胀线 1—4—3 之上。其循环的净功为负值。若用 q1 表示工质向高温热源放出的热量,用 q2 表示工质从低温热源吸收 的热量,则有:

w0=q1-q2 或 q1=q2+w0
上式说明,外界对工质做功,且热量的传递方向也全部改变。也就是说,逆循环的效果是消耗外界的功, 将热量从低温物体传递给高温物体。如逆循环的目的是从低温物体中吸收热量,则称为制冷循环。如逆循环的 目的是给高温物体供热,则称为热泵循环。 逆循环的好坏通常用性能系数ε来衡量。对于制冷机来说,是指从冷源吸收的热量 q2 与消耗的循环净功 w0 的比值ε1 称为制冷系数。对于热泵来说,是指供给热源的热量 q1 与消耗的循环净功 w0 的比值ε2 称为供热系数。则有: ε1= q2/ w0 ε2= q1/ w0= q2+ w0 w0 =ε1+1

从上述分析可见,伴随着低温热源把一部分热量 q2 传送到高温热源中去的同时, 循环的净功 w0 也将转变 为热量并流向高温热源,这就是使热量从低温热源传给高温热源所必需的补偿条件。没有这个补偿条件,热量 是不可能从低温热源传给高温热源的。 (二)理想制冷循环 理想制冷循环可通过逆卡诺循环来说明。 逆卡诺循环如图 2-2 所示,它由两个等温过程 和两个绝热过程组成。假设低温热源(即被冷却物 体)的温度为 T0,高温热源(即环境介质)的温度 为 Tk, 则工质的温度在吸热过程中为 T0,在放热过 程中为 Tk, 就是说在吸热和放热过程中工质与冷源 及高温热源之间没有温差,即传热是在等温下进行
10

T Tk T0 3 4

qk 2 w0 q0 1 S

图 2-2 逆卡诺循环 T—S 图

的,压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行 的。其循环过程为: 首先工质在 T0 下从冷源(即被冷却物体)吸取热量 q0,并进行等温膨胀 4-1,然后通过绝热压缩 1-2,使其 并向环境介质 (即高温热源) 放出热量 qk, 最 温度由 T0 升高至环境介质的温度 Tk, 再在 Tk 下进行等温压缩 2-3, 降至 T0 即使工质回到初始状态 4,从而完成一个循环。 后再进行绝热膨胀 3-4,使其温度由 Tk 对于逆卡诺循环来说,由图 2-2 可知: q0=T0(S1-S4) qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4) w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4) 则逆卡诺循环制冷系数εk 为: εk= T0 (S1—S4) q0 T0 = = w0 (Tk—T0) (S1—S4) Tk—T0

由上式可见,逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关,只取决于冷源(即被冷却物体)的温度 T0 和热源 “在给 (即环境介质)的温度 Tk;降低 Tk,提高 T0,均可提高制冷系数。此外,由热力学第二定律还可以证明: 定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环,以逆卡诺循环的制冷系数为最高” 。任何实际制冷循环的制冷系数都 小于逆卡诺循环的制冷系数。 总上所述,理想制冷循环应为逆卡诺循环。而实际上逆卡诺循环是无法实现的,但它可以用作评价实际制 冷循环完善程度的指标。通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数ε与逆卡诺循环制冷系数εk 之 比,称为该制冷机循环的热力完善度,用符号η表示。即: η=ε/εk 热力完善度是用来表示制冷机循环接近逆卡诺循环循环的程度。它也是制冷循环的一个技术经济指标,但 它与制冷系数的意义不同,对于工作温度不同的制冷机循环无法按其制冷系数的大小来比较循环的经济性好坏, 而只能根据循环的热力完善度的大小来判断。

§2-3 制冷剂的相态变化及其状态图
一、制冷剂的相态变化 众所周知,物质有三种状态,就是固态、液态和气态。通常我们把固态的物体叫固体,固体物质内部的分子 成有规则的布置,并在一定的晶格节点上振动。液态的物体叫液体,液态物质的分子彼此密集,相对地说是不 可压缩,并具有相互移动位置的趋势。气态的物体叫气体,气态物质的分子处于不规则的运动中,其密度甚小, 分子之间有一定的空隙,可以压缩,又能均匀地充满任何形状的空间。物质的三种状态,在一定的压力和温度 条件下是可以相互转化的。其转化过程分别称为: 1.汽化 物质从液态转变为气态的过程称为汽化。 汽化有蒸发和沸腾两种形式。其中,在液体表面进行的汽化过程叫蒸发,在液体内部产生气泡的剧烈汽化 过程叫沸腾。在一定压力下,蒸发在任何温度下都可进行,而沸腾只有液体被加热到一定温度才开始进行。当 汽液两相共存并且保持平衡状态时称为饱和状态。此时的蒸汽和液体分别叫做饱和蒸汽和饱和液体,处于饱和 状态的压力与温度称为饱和压力与饱和温度。饱和压力与饱和温度总是相互对应的,即一定的饱和压力对应着 一定的饱和温度,反之亦然。二者之间的对应关系是:饱和温度愈高,饱和压力也愈高。反之,饱和压力愈高, 饱和温度也愈高。这是饱和状态的一个重要特点。 2.冷凝 物质从汽态转变为液态的过程称为冷凝或叫做液化。 汽体的液化温度与压力有关,增大压力,可使汽体在较高的温度下液化。液化的基本方法是降低温度和增 加压力。

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3.升华 4.凝华 程。

物质由固态直接转变为气态的过程称为升华。 物质由气态直接转变为固态的过程称为凝华。例如空气中的水蒸汽在膨胀阀上结霜时发生的过

二、制冷剂的压—焓图及热力性质表 制冷剂的热力状态可以用其热力性质表来说明(常用制冷剂的饱和热力性质表见附表),也可以用压—焓图 来表示。压—焓图(lgP—h 图)是一种以绝对压力的对数值 lgP 为纵坐标,焓值为横坐标的热工图表。采用对数 值 lgP(而不采用 P)为纵坐标的目的是为了缩小图的尺寸,提高低压区域的精确度,但在使用时仍然直接从图 上读出 P 的数值即可。 1. 压—焓图(lgP—h 图)的结构 压—焓图中有两条比较粗的曲线,左边一条为饱和液体线(干度χ=0),右边一条为干饱和蒸汽线(干度χ =1),两线交于一点 K,且将图分成了三个区域。其中 K 称为临界点,饱和液体线左侧为过冷液体区,干饱和蒸 汽线右侧为过热蒸汽区,两线之间为湿蒸汽区。 压—焓图中有六种等状态参数线,如图 2—3 所示: ①等压线 P:水平细直线。 ②等焓线 h:竖直细直线。 ③等温线 t:点划线,其在过冷液体区 为竖直线,在湿蒸汽区为水平线,在过热蒸 汽区为稍微向右下方弯曲的曲线。 ④等熵线 S:为从左到右稍向上弯曲的

lgP

2 1 5 6
3

4

h 实线。 ⑤等比容线υ:在湿蒸汽区和过热蒸汽 图 2—3 压—焓图 区中,为从左到右稍向上弯曲的虚线,但比 等熵线平坦,液体区无等比容线,因为不同压力下的液体容积变化不大。 ⑥等干度线χ:只存在于湿蒸汽区和过热蒸汽区域内,走向与饱含液体线或干饱和蒸汽线基本一致。 压—焓图上每一点都代表制冷剂的某一状态,在温度、压力、比容、焓、熵、干度六个状态参数中,只要 知道其中任意两个独立的状态参数,就可以在图中确定其状态点,从而查出其它几个状态参数。 制冷工程中,高压区和湿蒸汽区的中间部分很少用到,所以有些压一焓图中往往将这两部分删去不画。不 同的制冷剂,其压—焓图(lgP—h 图)的形状也有所不同,常用制冷剂 R717、R12 及 R22 的饱和热力性质表见附 表。 在工程计算中,根据需要可以查取制冷剂的饱和热力性质表,根据一个状态参数,再查取制冷剂的饱和液 体或干饱和蒸汽的其它状态参数。
2.压—焓图(lgP—h 图)的应用 压—焓图(lgP—h 图)是进行制冷循环分析和计算的重要工具,在进行制冷循环的热力分析和计算之前,必 须首先确定循环的工作参数,以便利用压—焓图再来确定循环的各有关状态点的参数值,如图 2—4 所示。

lgP

t0 tg tk
3

5 1

2

点 1:为制冷剂蒸汽进入压缩机的状态。如不考虑管路的冷量损失,则压 缩机的吸汽温度 t1 即为制冷剂出蒸发器时的温度 t0,即 t1=t0,在理想 情况下,进压缩机的制冷剂蒸汽为饱和状态。如已知蒸发温度 t0,便能 这样便能根据 P0=C 的等压线和干饱和蒸汽线的 知道制冷剂蒸发压力 P0, 交点得出点 1。

4 h
图 2—4

点 2:为制冷剂出压缩机的状态,也是进冷凝器的状态。过程 l—2 为制 12 冷剂在压缩机中绝热压缩过程。绝热过程中熵不变,即 S1=S2,该过程沿 点 1 的等墒线进行,它与 Pk=C 的等压线的交点即为点 2。

点 5:为制冷剂在冷凝器中凝结成饱和液体的状态。它可由 Pk=C 的等压线与饱和液体线相交得到。 点 3:为制冷剂液体过冷后的状态。因为制冷剂液体在过冷过程中的等于冷凝压力 Pk,它的温度低于冷凝温 度,所以 Pk=C 的等压线和 tg=C 的等温线交点即为点 3。 点 4:为制冷剂出节流阀(膨胀阀)的状态,也是进蒸发器的初态。因为节流前后的焓值不变,而压力降低至 蒸发压力 P0,温度为蒸发温度 t0,所以由点 3 作垂线(即等焓线)与 t0=C 的等温线相交即得点 4。 4—1:为制冷剂在蒸发器中的汽化吸热过程。这样根据图上所得的状态点,即可查得各状态点的热力参数 值。 例 2—1 绝对压力为 2bar,比容为 0.7m /kg 的氨呈何种状态? 3 解: 所求的状态是 1gP 一 h 图上 P=2bar 的水平线和υ=0.7 m /kg 的等比容线的 交点 A(见图 2—4)。因为 A 点在过热区内,所以这时氨的状态是过热蒸汽,该状态点的温度为 20℃,焓值约为 1470 kJ/kg。 例 2—2 绝对压力为 10bar,温度为 20℃的氟利昂—22 呈何种状态? 解: 所求状态可由 10bar 的等压线和 20℃等温线的交点 B 来表示(见图 2—5)。因为 B 点在过冷区内,所以 这时氟利昂—22 的状态为过冷液体,其焓值为 224.08 kJ/kg。 其压缩终态 例 2—3 氟利昂—22 压缩机吸入的汽体为-5℃的干饱和蒸汽, 如将其绝热压缩到 PK 为 12bar 时, 的温度是多少? 解: 压缩机吸入状态可由-5℃等温线与干饱和蒸汽线的交点 C 来确定(见图 2—6)。点 C 的熵值 S=1.76 kJ /kg·K,因其为绝热压缩过程,故压缩过程熵值不变。因此压缩终点 D 是压力 PK=12 bar 的等压线与 S=1.76 kJ /kg·K 的等熵线的交点。由图上查得此点的温度 Td=47℃即为所求压缩终态温度。
3

lgP

υ=0.7m3/kg

lgP 10 bar

20℃

lgP
―5℃

2.0 bar

A 20℃ h

12 bar C

47℃ D

S=1.76 1470kJ kg /
图 2—5

224.08kJ/kg
图 2—6

h
图 2—7

h

综上所述,压一焓图不仅可以简便地确定制冷剂的状态参数,并且能表示出制冷循环及过程中参数的变化和 能量变化,它可以用线段的长短来表示能量多少。由于制冷剂在蒸发器和冷凝器中的吸热和放热过程都是在定 压下进行,而定压过程中热量的变化以及压缩机在绝热压缩过程中所消耗的功都可以用焓差来计算,并且制冷 剂在节流阀前后的焓值又保持不变,所以利用 1gP 一 h 图来分析制冷循环及进行热力计算最为方便。

13

第三章 制冷剂 载冷剂与润滑油
§3-1 制 冷 剂
制冷剂又称制冷工质,它是在制冷系统中不断循环并通过其本身的状态变化以实现制冷的工作物质。制冷剂 在蒸发器内吸收被冷却介质(水或空气等)的热量而汽化,在冷凝器中将热量传递给周围空气或水而冷凝。它 的性质直接关系到制冷装置的制冷效果、经济性、安全性及运行管理,因而对制冷剂性质要求的了解是不容忽 视的。 一、对制冷剂性质的要求 1.临界温度要高,凝固温度要低。这是对制冷剂性质的基本要求。临界温度高,便于用一般的冷却水或空 气进行冷凝;凝固温度低,以免其在蒸发温度下凝固,便于满足较低温度的制冷要求。 2.在大气压力下的蒸发温度要低。这是低温制冷的一个必要条件。 3.压力要适中。蒸发压力最好与大气压相近并稍高于大气压力,以防空气渗入制冷系统中,从而降低制冷 能力。冷凝压力不宜过高(一般≯12~15 绝对大气压) ,以减少制冷设备承受的压力,以免压缩功耗过大并可降 低高压系统渗漏的可能性。 4.单位容积制冷量qv 要大。这样在制冷量一定时,可以减少制冷剂的循环量,缩小压缩机的尺寸。 5.导热系数要高,粘度和密度要小。以提高各换热器的传热系数,降低其在系统中的流动阻力损失。 6.绝热指数k要小。由绝热过程中参数间关系式可知,在初温和压缩比相同的情况下,K↑→T2↑。可见, k小可降低排气温度。 7.具有化学稳定性。不燃烧、不爆炸、高温下不分解、对金属不腐蚀、与润滑油不起化学反应、对人身健 康无损无害。 8.价格便宜,易于购得。且应具有一定的吸水性,以免当制冷系统中渗进极少量的水分时,产生“冰塞” 而影响正常运行。 二、制冷剂的一般分类 根据制冷剂常温下在冷凝器中冷凝时饱和压力 Pk 和正常蒸发温度 T0 的高低,一般分为三大类: 1.低压高温制冷剂 2 ,T 冷凝压力 Pk≤2~3Kg/cm (绝对) 0 >0℃ ,其 T0=23.7℃。这类制冷剂适用于空调系统的离心式制冷压缩机中。通常30℃时,Pk 如R11(CFCl3) 2 ≤3.06Kg/cm 。 2.中压中温制冷剂 2 ,0℃< T0 >-60℃。 冷凝压力 Pk< 20Kg/cm (绝对) 如R717、R12、R22 等,这类制冷剂一般用于普通单级压缩和双级压缩的活塞式制冷压缩机中。 3.高压低温制冷剂 2 ,T 冷凝压力 Pk≥20Kg/cm (绝对) 0≤-70℃。 、R14(CF4) 、二氧化碳、乙烷、乙烯等,这类制冷剂适用于复迭式制冷装置的低温部分或 如R13(CF3Cl) -70℃以下的低温装置中。 三、常用制冷剂的特性 目前使用的制冷剂已达 70~80 种,并正在不断发展增多。但用于食品工业和空调制冷的仅十多种。其中被 广泛采用的只有以下几种: 1.氨(代号:R717) 氨是目前使用最为广泛的一种中压中温制冷剂。氨蒸汽无色、具有强烈的刺激性臭味。氨的凝固温度为 -77.7℃,标准蒸发温度为-33.3℃,在常温下冷凝压力一般为 1.1~1.3MPa,即使当夏季冷却水温高达30℃时
14

也决不可能超过 1.5MPa 。氨的单位标准容积制冷量大约为 520kcal/m 。 氨有很好的吸水性,即使在低温下水也不会从氨液中析出而冻结,故系统内不会发生“冰塞”现象。氨对 钢铁不起腐蚀作用,但氨液中含有水分后,对铜及铜合金有腐蚀作用,且使蒸发温度稍许提高。因此,氨制冷 装置中不能使用铜及铜合金材料,并规定氨中含水量不应超过 0.2%。 氨的比重和粘度小,放热系数高,价格便宜,易于获得。但是,氨有较强的毒性和可燃性。若以容积计, 当空气中氨的含量达到 0.5%~0.6%时,人在其中停留半个小时即可中毒,达到 11%~13%时即可点燃,达到 16%时遇明火就会爆炸。因此,氨制冷机房必须注意通风排气,并需经常排除系统中的空气及其它不凝性气体。 氨在 260℃以上可以分解成氢和氮。 氨在润滑油中的溶解度是很小的,因此氨制冷机的管道及热交换器的传热表面上会积有油膜,影响传热效 果。在运行中润滑油也会积存在贮液器及蒸发器的下部(因润滑油的比重比氨液的比重大) ,应定期放出。 氨和湿酚酞试纸相遇时会使试纸变成深红的颜色,由此可以用来检查氨泄漏的部位。 总上所述,氨作为制冷剂的优点是:易于获得、价格低廉、压力适中、单位制冷量大、放热系数高、几乎 不溶解于油、流动阻力小,泄漏时易发现。其缺点是:有刺激性臭味、有毒、可以燃烧和爆炸,对铜及铜合金 有腐蚀作用。 2.氟利昂-12(代号:R12) R12 臭氧衰减指数 ODP 为 1.0,温室指数 GWP 为 2.8~3.4 R12 为烷烃的卤代物,学名二氟二氯甲烷。它是我国中小型制冷装置中使用较为广泛的中压中温制冷剂。 R12 的标准蒸发温度为-29.8℃,冷凝压力一般为 0.78~0.98MPa,凝固温度为-155℃,单位容积标准制冷量约 为 288kcal/m3。 R12 是一种无色、透明、没有气味,几乎无毒性、不燃烧、不爆炸,很安全的制冷剂。只有在空气中容积 浓度超过 80%时才会使人窒息。但与明火接触或温度达 400℃以上时,则分解出对人体有害的气体。 R12 能与任意比例的润滑油互溶且能溶解各种有机物,但其吸水性极弱。因此,在小型氟利昂制冷装置中 不设分油器,而装设干燥器。同时规定R12 中含水量不得大于 0.0025%,系统中不能用一般天然橡胶作密封垫 片,而应采用丁晴橡胶或氯乙醇等人造橡胶。否则,会造成密封垫片的膨胀引起制冷剂的泄漏。 R12 可以用肥皂水、卤素喷灯或电子卤素检漏仪进行系统检漏。 R12 由于破坏大气层中的臭氧层, 目前在中国已被禁止生产和使用。 目前认为可替代产品为: R134a、 R152a。 3.氟利昂-22(代号:R22) R22 臭氧衰减指数 ODP 为 0.05,温室指数 GWP 为 0.35 R22 也是烷烃的卤代物,学名二氟一氯甲烷,标准蒸发温度约为-41℃,凝固温度约为-160℃,冷凝压力同 3 氨相似,单位容积标准制冷量约为 454kcal/m 。 R22 的许多性质与R12 相似,R22 也是一种无色、透明、没有气味,几乎无毒性、不燃烧、不爆炸,对金 属无腐蚀、很安全的制冷剂。但化学稳定性不如R12,毒性也比R12 稍大。但是,R22 的单位容积制冷量却比 R12 大的多,接近于氨。当要求-40~-70℃的低温时,利用R22 比R12 适宜,故目前R22 被广泛应用于-40~ -60℃的双级压缩或空调制冷系统中。 R22 与水的互溶性很差,在 0℃时水在 R22 中的溶解度仅为 0.06%(Wt)。系统中水的含量超标可能发生冰堵 和镀铜腐蚀。故规定R22 中含水量不得大于 0.0025%(JB453-64) 。 R22 与润滑油有限溶解。在系统高温侧部分(冷凝器、贮液器)R22 与油完全溶解;在低温侧,R22 与油混 合物处于溶解临界温度以下时,蒸发器和低压贮液器中液体将出现分层。油在上层,R22 在下层。 在中国 R22 将在 2035 年禁止生产和使用。现在混合制冷剂 R23/R152a 可以替代 R22。 4.R134a(HFC-134a,C2H2F4) R134a 臭氧衰减指数 ODP 为 0,温室指数 GWP 为 0.24~0.29 R134a 被认为是最有可能替代 R12 的新制冷剂。 标准蒸发温度-26.2℃,凝固点为-101.0℃。
15

3

R134a 的制冷循环特性与 R12 接近,但不如 R12(容积制冷量和 COP 都小于 R12) 。 R134a 分子量大,流动阻力损失比 R12 大,传热性能比 R12 好。 R134a 的分子极性大,在非极性油中的溶解度极小。 R134a 的分子直径比 R12 小,比 R12 更容易泄漏。 R134a 的热分解温度远高于压缩机和系统可能出现的温度。 R134a 对非金属材料的膨润作用比 R12 略强。可以通用的材料为氢化丁晴橡胶和氯化橡胶。 目前 R134a 的生产必须通过二级合成和完全分离的方法才能得到满足纯度指标要求的制冷剂。生产该制冷 剂原料贵,产量小,还要消耗太多的催化剂,因此价格昂贵。 R134a 的温室效应指标是个令人耽心的问题。

§3-2 载 冷 剂
载冷剂是用来先接受制冷剂的冷量而后去冷却其它物质的媒介物质,又称冷媒。它在间接制冷系统中起着传 递制冷剂冷量的作用。 一、对载冷剂的要求 选择载冷剂时应考虑因素有:冰点、比热、对金属腐蚀性和价格等。 1.比热要大 比热大,载冷量就大,从而可减小载冷剂的循环量。 2.粘度低、导热系数高。 3.凝固点低且要适宜,因凝固点过低将导致比热减小、粘度增大。 4.无臭、无毒、使用安全,且对金属的腐蚀性要小。 5.价格低廉,易于购得。 二、常用载冷剂及性质 载冷剂的种类较多,可以是气体、液体或固体。常用载冷剂有空气、水和盐水溶液。 1.空气和水 空气或水是最廉价、最易获得的载冷剂。都具有密度小、安全无害、对设备几乎无腐蚀性等优点。但空气 的比热小,所以只有利用空气直接冷却时才采用空气作载冷剂。水虽有比热大的优点,但水的冰点高,所以水 仅能用作制出0℃以上的载冷剂。0℃以下应采用盐水作载冷剂 。 2.盐水溶液 盐水是最常用的载冷剂,由盐溶于水制成。常用的盐水主要有氯化钠水溶液和氯化钙水溶液。 盐水的性质于溶液中含盐量的多少有关。特别需要指出,盐水的凝固点取决于盐水的浓度。图 2-1 中的曲 线表示盐水溶液的凝固点与浓度的关系。 图中曲线Ⅰ(实线)为氯化钠盐 水的凝固曲线,曲线Ⅱ(虚线)为氯 0℃ 化钙盐水的凝固曲线。由这两条曲线 -10 可知 ,无论哪一种盐水,当盐水的浓 -20 度小于某一定值时,其凝固温度随浓 -30 度的增加而降低,当浓度大于这一定 -40 值以后,凝固温度随浓度的增加反而 -50 升高。此转折点称为冰盐共晶点,对 -60 应的浓度称共晶浓度。该点相当于全 0 10 20 30 40 50% 部盐水溶液冻结成一块冰盐结晶体, 它是最低的凝固点。 图 3-1 盐水的凝固点与浓度的关系 在共晶点的左侧,如果盐水的
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浓度不变,而温度降低,当低于该浓度所对应的凝固点时,则有冰从盐水中析出,所以共晶点左面的曲线称为 析冰线。当盐水的浓度超过共晶浓度时(即在共晶点的右面) ,如果盐水的浓度不变,而当温度降低到该浓度所 对应的凝固点以下时,从溶液中析出的不再是冰而是结晶盐,因此共晶点右面的曲线称为析盐线。 不同的盐水溶液其共晶点是不同的,如氯化钠盐水的共晶温度为-21.2℃,共晶浓度为 22.4%;而氯化钙盐 水的共晶温度为-55℃,共晶浓度为 29.9%。 盐水虽具有原料充沛、成本低、凝固点可调等优点,但由于盐水的浓度对盐水溶液的性质具有很大影响, 故盐水作为载冷剂时应注意以下问题: (1)要合理地选择盐水的浓度。盐水的浓度增高,虽可降低凝固点,但使盐水密度加大、比热减小。而盐 水密度加大与比热减小,都会使输液泵的功率消耗增大。因此,不应选择过高的盐水浓度,而应根据使盐水的 凝固点低于载冷剂系统中可能出现的最低温度为原则来选择盐水的浓度。目前一般在选择盐水浓度时,使其凝 固温度比制冷剂的蒸发温度低5~8℃为宜。 (2)注意盐水对设备及管道的腐蚀问题。盐水对金属的腐蚀随溶液中含氧量的减少而变慢。为此,最好采 用闭式盐水系统,以减少盐水与空气接触机会,从而降低对设备及管道的腐蚀。此外,盐水的含氧量随盐水浓 度的降低而增高。因而,从含氧量与腐蚀性来要求,盐水浓度不可太低。另外,为了减轻盐水的腐蚀性,还应 3 在盐水中加入一定量的防腐剂并使其具有合适的酸碱性。一般1m 氯化钠水溶液中应加 3.2kg 重铬酸钠和 3 0.88kg 氢氧化钠;1m 氯化钙水溶液中应加 1.6kg 重铬酸钠和 0.44kg 氢氧化钠。加入防腐剂后,必须使盐水 呈弱碱性(pH=7.5~8.5) ,这可通过氢氧化钠的加入量进行调整。添加防腐剂时应特别小心并注意毒性。 (3)盐水载冷剂在使用过程中,会因吸收空气中的水分而使其浓度降低。为了防止盐水的浓度降低,引起 凝固点温度升高,必须定期检测盐水的比重。若浓度降低,应适当补充盐量,以保持在适当的浓度。 一般情况是当蒸发温度高于-16℃时,采用氯化钠盐水溶液。当蒸发温度低于-16℃时而高于-55℃时, 采用氯化钙盐水溶液作为载冷剂。 例:作冰棍时,通常使用-16℃的盐水,盐水与蒸发器的传热温差取 5℃,则蒸发温度为-21℃,为了不至于 出现结冰现象,取盐水的凝固温度比蒸发温度低 7℃,即所配制盐水的凝固温度应不高于-28℃。 因为蒸发温度低于-16℃,所以选用氯化钙溶液,由特性表可知,当凝固温度为-28℃(取-28.3℃)时,溶 液的比重为 1.23kg/L,百分比浓度 24.7%。 3.有机载冷剂 ⑴ 甲醇(CH3OH) 、乙醇(C2H6OH)和它们的水溶液 甲醇的冰点为-97℃,乙醇的冰点为-117℃。它们的纯液体比重和比热容都比盐水低,故可以在更低的温度 下载冷。甲醇比乙醇的水溶液粘性稍大一些。它们的流动性都比较好。甲醇和乙醇都有挥发性和可燃性,所以 使用中要注意防火,特别是当机器停止运行,系统处于室温时,更需格外当心。 ⑵ 乙二醇、丙二醇和丙三醇水溶液 丙三醇(甘油)是极稳定的化合物,其水溶液对金属无腐蚀。无毒,可以和食品直接接触,是良好的载冷 剂。 乙二醇和丙二醇水溶液的特性相似,它们的共晶温度可达-60℃左右(对应的共晶浓度为 0.6 左右) 。它们的 比重和比热容较大。溶液粘度高。略有毒性,但无危害。在-20℃以下工艺制冷使用中,为了降低溶液的粘度, 往往在乙二醇的溶液中加入乙醇,变成三元混合溶液,一般配方为乙二醇:乙醇:水=40:20:40,溶液的凝 - 固点为-64℃,比重 1,比热为 3.14Kj/(kgK) ,在-35℃时运动粘度为 45×10 6m2/s。 ⑶ 纯有机液体 纯有机液体如二氯甲烷 R30(CH2CL2) 、三氯乙烯 R1120(C2HCL3)和其它氟利昂液体。它们的凝固点很 低(在-100℃左右或更低)。特点是比重大、粘性小、比热容小。可以用来得到更低的载冷温度。

§3-3 润 滑 油
一、润滑油的作用 润滑油在制冷工程上通常称为冷冻机油,它在制冷压缩机的运行中起着重要作用。主要有如下几方面: 1.起润滑作用 减小机器运动部件的摩擦和磨损,延长使用寿命。 2.降低温度 冷冻机油在制冷压缩机内不断循环,能够带走制冷压缩机工作过程中产生的许多热量,使机 器保持较低的温度,从而提高制冷压缩机的效率和使用可靠性。
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3.起密封作用 冷冻机油在轴封及汽缸与活塞间起密封作用,防止制冷剂泄漏。 4.提供卸载机构的动力 带有卸载装置的制冷压缩机中,利用冷冻机油的油压作为卸载机构的动力。 二、润滑油的性能指标及选用 (一) 润滑油的性能指标 1.粘度 粘度是润滑油的一个主要性能指标,不同制冷剂对粘度有不同要求,如 R12 与润滑油能相互溶解, 会使润滑油粘度降低,故应选用粘度较高的润滑油。压缩机中润滑油的粘度过大和过小都不好。粘度过大会使 压缩机摩擦功率和摩擦发热量增加,启动力矩增大,机器效率降低;粘度过小,则因不能建立起所需油膜而加速 轴承等处的磨损。因此粘度必须适中。 润滑油的粘度随温度变化而有很大变化(例如温度由 50℃升高到 100℃时,矿物油的粘度值降低到原来值的 1/3—1/6)。故应选用温度对粘度影响小的润滑油。 2.浊点 润滑油的浊点是表示当温度降低到某一数值时,润滑油中开始析出石蜡(即润滑油变得混浊)时的 温度。制冷压缩机中所使用的润滑油,其浊点应低于制冷剂的蒸发温度。特别在氟系统中,一部分润滑油溶解 于制冷剂中而随制冷剂流到制冷系统各处,若油中有石蜡析出,它会积存在节流阀处引起堵塞,或积存在蒸发 器的传热表面,减弱传热效果。 3.凝固点 润滑油在试验条件下,冷却到停止流动的温度,称为凝固点。用于制冷 压缩机的润滑油,凝固点应越低越好。一般凝固点应低于-40℃。当润滑油与制冷剂互相溶解时,凝固点将会降 低。 4.闪点 润滑油(在开口盛油器内)加热到它的蒸汽与火焰接触时,发生闪火的最低 温度称为闪点。制冷压缩机所用的润滑油其闪点应比排汽温度高 25—35℃,以免引起润滑油的燃烧与结焦。通 常对氨、R12 和 R22 用的润滑油,其闪点应在 160—170℃以上。 5.学稳定性及抗氧化性 润滑油应具有良好的化学稳定性和抗氧化,否则在高温或金属的催化作用下,与 制冷剂等接触反应,会生成焦炭、酸性物等有害物质。 6.含水量与机械杂质 润滑油中不应含有水分,因为水分不但会使蒸发压力下降,蒸发温度升高,而且会 加剧油的化学变化及腐蚀金属的作用。水分在氟利昂压缩机中还会引起“镀钢现象” ,使铜零件与氟利昂发生作 用而分解出铜,并积聚在轴承、阀门等零件的钢质表面上。结果使这些表的厚度增加,破坏了轴承的间隙,使 机器运转不良。这种现象出现在封闭式和半封闭式压缩机中较多。 一般新油中不含有水分和机械杂质,因为用于制冷机的润滑油,在生产过程中都经过了严格的脱水处理。 但脱水润滑油具有很强的吸湿性,所以在储运、加油时,应尽量避免和空气接触。 用汽油或苯将润滑油溶解稀释,并用滤纸过滤后所残存的物质称为润滑油的机械杂质。润滑油中的机械杂 质会加速零件的磨损和油的绝缘性能的降低、堵塞润滑油通道,所以杂质也是越少越好,一般规定不超过 0.01 %。 7.击穿电压 击穿电压是一个表示润滑油绝缘性能的指标,纯润滑油绝缘性能很好,但当其含有水分、纤 维、灰尘等杂质时,绝缘性能就会降低。 半封闭式和全封闭式压缩机,一般要求润滑油的击穿电压在 25kV 以上。因为润滑油直接和电机绕组接触。 (二)国产冷冻机油的规格及选用 我国目前冷冻机油规格是按照石油化工总公司颁布的《ZBE34003—86》的标准生产 的,本标准的产品,按 40℃时运动粘度中心值分为 N15、N22、N32、N46 和 N68 五个粘度等级,都可用于以氨为 制冷剂的冷冻机。 其主要性能指标如表 2—1 所示。 但是以前颁布的冷冻机油规格是按 50℃时的运动粘度值而分 为 13、18、25 和 30 四个牌号。选用时可参考冷冻机油新旧粘度等级对照表。 实践中, 一般 R12 压缩机选用 N32(18 号), 压缩机选用 N46(25 号), R22 氨压缩机选用 N22 (13 号)或 N46(25 号)。 表 2—1 国产冷冻机油的规格及主要性能指标 项 目 粘 度 等 级 2 运动粘度(mm /s) 闪点(℃)≤ 凝点(℃)≤ 酸值(mgKOH/g)≤ 质 N15 13.5-16.5 150 量 指 N22 N32 19.8-24.2 28.8-35.2 160 160 -40 0.02
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标 N46 41.4-50.6 170 0.03

N68 61.2-74.8 180 -35 0.05

氧化后酸值≤ 氧化沉淀物≤ 水分 机械杂质

0.05 0.005%

0.2 0.02%

0.05 0.005% 无 无

0.1 0.02%

㈢ 矿物油和武冷润滑油介 矿物油是从奈及高粘性指数的石蜡基础油精炼出的,这些矿物油通过-30℃左右的低温脱去蜡,以便去除 与工质不溶的物质(或降低凝絮点) ,同时改进与制冷剂的化学稳定性。 这些石油基润滑油属于环烷烃类,精制程度较低,组分较复杂,物理性质、化学结构都不稳定,而这些会 影响在制冷应用时的性能。 一般粘温性不好,粘度指数低,温度越低粘度越大,系统能耗增加,同时易在蒸发器中沉积 使用矿物油,用制冷剂通过匹配压缩机和系统来达到最优性能是十分困难的,有时候是不可能的。 矿物油由于价格便宜而大量在制冷系统中采用。 尽管如此,我们建议其使用极限温度为蒸发温度 -30℃左右,这是因为: 1、一旦吸气温度达到-30℃左右,在压缩机吸气过滤网上将析出大量蜡,堵塞过滤网,减少吸气量,大大 降低制冷量; 2、矿物油在蒸发器中长期积累,严重影响传热,造成更低的蒸发温度,降低制冷量; 3、在氨系统中,矿物油在蒸发器中形成油泥,呈牙膏状,无法通过集油器顺利排油; 4、机组油温较高,喷油粘度较低,影响润滑,缩短轴承寿命; 5、含碳量高,容易析出产生油渣,堵塞过滤网; 6、挥发性高,降低油分效果; 7、通过测定,以上几项可减少制冷量 10%~60%。 武冷润滑油介绍 -WL1 冷冻机油(半合成油) 挥发性小,与氨的溶解度低,油分效果好,可减少 60%冷冻机油的消耗,使油分分离精度提高到 5ppm 以上;使用温度:15~-40℃; 对压缩机有良好的润滑性: ? 减少磨损,延长轴承寿命; ? 产生更清洁的系统, 没有油渣; ? 允许从老系统中的油慢慢被更换; ? 与所有的常用在氨制冷系统其他的油及橡胶材料兼容; 含蜡量极低,低温下不会析出蜡,不会吸附在过滤网上,充分发挥压缩机性能; 倾点低,容易从蒸发器中排油; 较好的抗氧化稳定性,换油周期较 N46 冷冻机油延长 3~6 倍; 具有极性,有自清洁作用,可将换热器中的污垢带回来,提高换热效率。 -WL2 冷冻机油(半合成油) 专为 R717 应用而开发,以半合成油为基础,价格相对较低廉; 采用了特殊的无酸添加剂,可防止脂肪酸铵盐的生成,与氨制冷系统适应性优良; 优异的热稳定性—延长油品使用寿命,延长维护周期和减少换油次数较好,换油周期较 N46 冷冻机油延 长 2~5 倍; 杜绝漆膜、胶质和油泥形成—提高设备可靠性和效率; 与氨的互溶性很小,挥发性小,提高油分效果 50%,油分离精度提高到 5ppm 以上; 高粘度指数和低温流动性—提高蒸发器效率; 制冷剂存在下油膜厚度高—提高压缩机油抗剪切性能,延长压缩机寿命,密封性能好;

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使用温度:15~-40℃。 -WL4 冷冻机油(PAO 合成油) 具有 WL1 油的所有特性; 使用温度更低,范围更广:15~-60℃。 -WL5 冷冻机油(烷基苯冷冻机油) (氟系统用油) 挥发性小,油分效果好,可减少 50%冷冻机油的消耗,使油分分离精度提高到 5ppm 以上; 使用温度:15~-45℃; 对压缩机有良好的润滑性: ? 减少磨损,延长轴承寿命; ? 产生更清洁的系统, 没有油渣; ? 允许从老系统中的油慢慢被更换; ? 与所有的常用在氨制冷系统其他的油及橡胶材料兼容。 -WL8 冷冻机油(合成油) (丙烷/丙烯制冷系统专用) 挥发性小,油分效果好; 使用温度:15~-45℃; 对压缩机有良好的润滑性: ? 减少磨损,延长轴承寿命; ? 产生更清洁的系统, 没有油渣; ? 与所有的常用在氨制冷系统其他的油及橡胶材料兼容。 丙烷/丙烯制冷系统专用此油,寿命较矿物油延长 5 倍。

武冷OEM润滑油参数表 武冷编号 润滑油类型 WL1 半合成油 WL2 半合成油 WL4 WL5 WL6 WL8 WL9 WL10 PAO 烷基苯 POE醇酯油 合成油 PAG 合成酯 适用介质 R717 R717 R717 R22 R22 R290/R1270 R600/R600a R22/R23 适用温度(℃) 15~-40 15~-40 15~-60 15~-45 15~-60 15~-35 15~-45 15~-100

N46 VS WL1 & WL2 性能比较: 武冷用 1 台 LG20IIIA 在试验站上做了数月的对比试验,试验结果是惊人的,以下仅以常用工况-15/+35 ℃为例:

比较项目 制冷量 轴功率 COP

N46

WL1

WL2

100 100 100

110.1 95.2 115.7

109.7 95 115.5

% % %

也就是采用 WL2 之后,不仅制冷量提高了 9.7%,功耗反而降低了 5%!这还不包括对换热器的强化作用。 1 台 LG20IIIA,按年运行 8000h 计算,制冷量提高姑且不算,年节省耗电 7.5 万度,按 0.5 元/度计算, 年节省电费 3.75 万元!

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第四章 蒸气压缩式制冷循环
§4-1 压缩式制冷循环原理
前面我们讲过,液体气化的吸热作用可用来制冷,如氨液气化、氟利昂气化都有良好的吸热制冷能力。但 是,如果液体气化后排放到大气中,则既浪费又污染环境,且制冷效应只能维持到液体全部气化为止。为了解 决上述问题,必需设法将气化后的蒸汽恢复到液体状态重复利用。这就需要通过压缩机和冷凝器等来完成。以 下我们以氨为例来说明蒸气压缩式制冷循环原理。 理论上,最简单的压缩式制冷循环系统由:蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四大部件组成,如图所示。

3
膨 胀 阀

lgP

冷凝器

2
压 缩 机

3 4
图 2— 4

2 1
h

4

蒸发器

1

从蒸发器出来的氨的低温低压蒸气(状态1)被吸入压缩机内,压缩成高压高温的过热蒸气(状态2) ,然 后进入冷凝器。由于高压高温过热氨气的温度高于其环境介质的温度,且其压力使氨气能在常温下冷凝成液体 状态,因而排至冷凝器时,经冷却、冷凝成高压常温的氨液(状态3) 。高压常温的氨液通过膨胀崐时,因节流 而降压,在压力降低的同时,氨液因沸腾蒸发吸热使其本身的温度也相应下降,从而变成了低压低温的氨液(状 态4) 。把这种低压低温的氨液引入蒸发器吸热蒸发,即可使其周围空气及物料的温度下降而达到制冷的目的。 从蒸发器出来的低压低温氨气重新进入压缩机,从而完成一个制冷循环。然后重复上述过程。

§4-2 单级压缩制冷循环
一、单级压缩制冷循环的基本组成 如前所述,蒸气压缩式制冷,是由压缩机、冷凝器、膨胀阀(或毛细管)和蒸发器四大部件组成的。实际 上,单级压缩制冷循环的组成,除上述四大部件外,一般还有分油器、贮液器、汽液分离器及各种控制阀等部 件,如下图所示。
压 缩 机 蒸 发 器 蒸 发 器

放空气 放油 水

冷 凝 器 均 压 管

分 油 器 放 油 汽 液 分 离 器

膨胀阀 贮液器

图 4-1 单级压缩制冷循环示意图

二、单级压缩制冷机的工作过程
来自蒸发器内的低温低压蒸气,经汽液分离器后,被压缩机吸入气缸内压缩成高压高温的过热蒸气。然后, 经氨油分离器使其中所携带的润滑油分离出来,再进入冷凝器与冷却水进行热交换后凝结成高压中温的氨液并

21

流入贮液器。该高压液体通过调节站经膨胀阀节流降压后,再次进入汽液分离器。从汽液分离器出来的低压低 温液体,进入蒸发器吸热蒸发产生冷效应,使库房内的空气及物料的温度下降,从而完成一个制冷循环。 这里需要说明一点,上述两次提到了汽液分离器,这说明该部件在制冷循环中有很重要的作用。关于这一 点,我们后面再讲。

三、单级压缩制冷循环的性能指标(图 2-4)
1.单位制冷量 q0 即1kg 制冷剂在蒸发器中所能制取的冷量。用 h1-h4 表示。 2.单位容积制冷量qv 指压缩机吸入每立方米制冷剂蒸气所能制取冷量。用(h1-h4)/υ表示。 3.单位理论功w。 指压缩机压缩每公斤制冷剂所消耗的功。用 h2-h1 表示。 4.单位冷凝热负荷qK 指1kg 制冷剂蒸气在冷凝器中放出的热量。用 h2-h4 表示,也可用 q0+w 表示。 5.理论制冷系数ε0 即单位制冷量与单位理论功之比。用 q0/w 表示。 例题:一个型冷藏库,库内要求温度为-10℃,冷却水温度为 28℃,利用一台 2F10 型压缩机配套组成一个 R12 的回热循环制冷系统。已确定低压蒸汽经回热器到压缩机吸入口的温度为 0℃,管道无有害过热,压缩 机输汽系数λ=0.65,指示效率ηi=0.8,机械效率ηm=0.9,试进行该制冷系统的热力计算。
解 : 已 知 2F10压 缩 机 的 汽 缸 直 径 D=100mm, 活 塞 行 程 S=70mm, 转 速 n=24r/ s, 汽 缸 数 Z=2,并假定冷凝器 中冷却水的温升△t=4℃;冷凝温度较冷凝器出水温度高3 ℃;蒸发温度较库内温度低10℃循环的热力计算按如下步 骤进行: ⑴确定循环的工作参数 冷凝温度tk=28+4+3=35℃ 查R12热力性质表得 冷 凝压力 Pk=8.47726bar(绝 对) 蒸 发温 度to=-10-10=-20℃ 蒸 发压 力P。 =1.5093bar(绝对 ) ⑵ 在 R12的 压 — — 焓 图 上 查 出 循 环 各 主 要 点 有 关 热 力 参 数 值 如 下 : 0点为蒸发器蒸发饱和气相点,1点为压缩机吸气口点,2点为压缩机排气口点,3点为冷凝饱和气相点, 4点为冷凝饱和液相点,5点为冷凝液体过冷点,6点为节流后的点。 h 0 =343kJ/kg h1=355 kJ/kg υ1=0.12m3/kg h2=388 kJ/kg h4=233.5 kJ/kg ⑶出回热器液体的焓值h5的计算: 根据回热器热平衡有 ⑷压缩机的理论输气量Vn: Vn= ⑸单位制冷量q0: q 0 =h0-h6=h0-h5=343-221.5=121.5 kJ/kg ⑹单位容积制冷量qυ: qυ=q0/υ1=121.5/0.12=1012.5kJ/m3 ⑺总制冷量QO: Q0=Vn×λ×qυ=0.02639×0.65×1012.5=17.36kJ/s=62496kJ/h ⑻制冷剂循环量G: G=Q0/ q 0 =62496/121.5=514.4kg/h ⑼单位理论压缩功Al0: Al0=h2-h1=388-355=33 kJ/kg ⑽压缩机理论功率N0: N0=G×Al0=514.4×33/3600=4.72kW
22

h4-h5=h1-h0

h5=221.5 kJ/kg

1 ×π×D2×n×Z=0.25×3.14×(0.1)2×0.02×24×2=0.02639m3/s 4

(11)压缩机指示功率Ni: Ni=N0/ηi=4.72/0.8=5.9kW

(12)压缩机轴功率Ne: Ne=Ni/ηm=5.9/0.9=6.55Kw (13)单位轴功率制冷量EER: EER=Q0/Ne=17.36/6.55=2.65kJ/kW (14)冷凝器热负荷Qk: Qk=Q0+4.187×860×Ni=83741kJ/h (15)回热器热负荷Qh: Qh=G×(h1-h0 )=514.4×(335-34)=6173Kj/h

§4-3 双级压缩制冷循环
一、采用双级压缩的原因
制冷系统的冷凝温度(或冷凝压力)决定于冷却剂(或环境)的温度,而蒸发温度(或蒸发压力)取决于 制冷要求。由于生产的发展,对制冷温度的要求越来越低,因此,在很多制冷实际应用中,压缩机要在高压端 压力(冷凝压力)对低压端压力(蒸发压力)的比值(即压缩比)很高的条件下进行工作。由理想气体的状态方 程 Pv/T≡C可知,此时若采用单级压缩制冷循环,则压缩终了过热蒸气的温度必然会很高(V一定,P↑→T ↑) ,于是就会产生以下许多问题。 1.压缩机的输气系数λ大大降低,且当压缩比≥20 时,λ=0 。 2.压缩机的单位制冷量和单位容积制冷量都大为降低。 3.压缩机的功耗增加,制冷系数下降。 4.必须采用高着火点的润滑油,因为润滑油的粘度随温度升高而降低。 5.被高温过热蒸气带出的润滑油增多,增加了油分离器的负荷,且降低了冷凝器的传热性能。 总上所述,当压缩比过高时,采用单级压缩循环,不仅是不经济的,而且甚至是不可能的。为了解决上述 问题,满足生产要求,实际中常采用带有中间冷却器的双级压缩制冷循环。但是,双级压缩制冷循环所需的设 备投资较单级压缩大的多,且操作也较复杂。因此,采用双级压缩制冷循环并非在任何情况下都是有利的,一 般当压缩比≥8时,采用双级压缩较为经济合理。

二、双级压缩制冷循环的组成及常见形式
两级压缩制冷循环,是指来自蒸发器的制冷剂蒸气要经过低压与高压压缩机两次压缩后,才进入冷凝器。 并在两次压缩中间设置中间冷却器。两级压缩制冷循环系统可以是由两台压缩机组成的双机(其中一台为低压 级压缩机,另一台为高压级压缩机)两级系统,也可以是由一台压缩机组成的单机两级系统,其中一个或两个 汽缸作为高压缸,其余几个汽缸作为低压缸,其高、低压汽缸数量比一般为 1:3 或 1:2 。 两级压缩制冷循环由于节流方式和中间冷却程度不同而有不同的循环方式,通常分为:两次节流中间完全 冷却、两次节流中间不完全冷却、一次节流中间完全冷却和一次节流中间不完全冷却四种两级压缩制冷循环方 式。其中,两次节流是指制冷剂从冷凝器出来要先后经过两个膨胀阀再进入蒸发器,即先由冷凝压力节流到中 间压力,再由中间压力节流到蒸发压力,而一次节流只经过一个膨胀阀,大部分制冷剂从冷凝压力直接节流到 蒸发压力,相比之下,一次节流系统比较简单,且可以利用其较大的压力差实现远距离或高层冷库的供液。因 此实践中采用的基本上都是一次节流两级压缩制冷循环系统。至于采用哪一种中间冷却方式,由选用制冷剂的 种类来决定。通常两级压缩氨制冷系统采用中间完全冷却,而两级压缩氟利昂制冷系统,则常采用中间不完全 冷却。 1、一次节流中间完全冷却的双级循环
4
冷 凝 器

3
中 间 冷 却 器

2
低压机

1
蒸 发 器
23

lgP 7 5 4 3 1 h 2

高压机

6
膨胀阀

6 8 8

5

7

膨胀阀

图 4-2 一次节流中间完全冷却的双级循环 这个系统的特点是采用盘管式中间冷却器。它既有两级节流的减少节流损失效果,又起到对低压级排气完 全冷却的作用。其工作过程是: 在蒸发器中产生的低压低温制冷剂蒸气(状态1) ,被低压压缩机吸入并压缩成中间压力的过热蒸气(状态 2) ,然后进入同一压力的中间冷却器,在中冷器内被冷却成干饱和蒸气(状态3) 。中压干饱和蒸气又被高压 压缩机吸入并压缩到冷凝压力的过热蒸气(状态4) ,随后进入冷凝器被冷凝成制冷剂液体(状态5) 。然后分 成两路,一路经膨胀阀F节流降压后(状态8)进入中间冷却器,大部分液体从另一路进入中间冷却器的盘管 内过冷(状态6) ,但由于存在传热温差,故其在盘管内不可能被冷却到中间温度,而是比中间温度一般高△t =3-5℃。过冷后的液体再经过主膨胀阀节流降压成低温低压的过冷液(状态7) ,最后进入蒸发器吸热蒸发, 产生冷效应。 这种循环系统只适用于R717 与R22 的双级制冷循环系统中。 2、一次节流中间不完全冷却的双级循环

4

3

2

1

lgP 7 5 4 2

高压机

低压机

6
膨胀阀

6 7
膨胀阀

3 1

8 8

5

h

图 4-3 一次节流中间不完全冷却的双级循环 一次节流中间不完全冷却的双级循环,主要适用于氟利昂制冷装置,采用回热循环。如图 3-4 所示的 SD2——4F——10A 型两级压缩氟利昂制冷装置系统图,就是按图 3-3 的循环设计的。这种循环系统的特点是:制 冷剂主流先经盘管式中间冷却器过冷,再经回热器进一步冷却;且低压压缩机的吸气有较大的过热度;此外, 低压级的排气没有完全冷却到饱和状态。 其工作过程为:从蒸发器出来的蒸汽经回热器后被低压压缩机吸入,压缩到中间压力并与中冷器出来的干 饱和蒸汽在管路中进行混合,使从低压机排出的过热蒸汽被冷却后再进入高压压缩机,经压缩到冷凝压力并进 入冷凝器,冷凝后的高压制冷剂液体进入了中冷器的蛇形盘管进行再冷却,然后进入回热器与从蒸发器出来的 低温低压蒸汽进行热交换,使从中冷器蛇形盘管中出来的过冷液体再一次得到冷却,最后经膨胀阀进入蒸发器 吸热蒸发。

3
分油器

4
冷 凝 器

高压机

6
膨胀阀

中 间 冷 却 器

分 油 器

2

1 lgP 8
低压机

7 5 6 3 10 1

4 2

7

回热器

8
膨胀阀

5
图 4—4

10

蒸发器

9

9

h

SD2——4F——10A 型两级压缩氟利昂制冷装置系统图
24

这种循环系统,只适用于R12 或R22 的双级制冷循环系统中,而决不能用于氨的制冷系统中。这是因为: 虽然高、低压级吸入蒸汽的过热度都比较大,但是因为氟利昂的绝热指数 K 值比氨要小,故压缩机的排气温度 不高。 3、两次节流中间完全冷却的双级循环

4
冷 凝 器

3
中 间 冷 却 器

2
低压机

1
蒸 发 器

lgP 7 5 4 3 1 h 2

高压机

6
膨胀阀

6 8 8

5

7

膨胀阀

图 4—5 两次节流中间完全冷却的双级循环 这个系统的特点是选用了闪发式中间冷却器。它起两个作用,其一是相当于两次节流的中间液体分离器, 其二是利用一小部分液体的吸热蒸发作用,对低压机的排气进行完全中间冷却。这种型式的制冷循环系统,只 适用于R717 或R22 的双级压缩制冷循环系统中。为了防止从中间冷却器出来的饱和液体在管路中闪发成蒸汽, 通常要求中间冷却器与蒸发器之间的距离要近。 综上分析可知,采用双级压缩制冷循环,不但降低了高压机的排气温度,改善了压缩机润滑条件,而且由 于各级压缩比都较小,压缩机的输汽系数大大提高。此外,采用双级压缩循环的功耗也比单级压缩循环的功耗 降低。

§4-4 复叠式制冷循环
一、采用复叠式制冷循环的原因
随着制冷设备在各行各业中的广泛使用,要求达到的温度越来越低,如一 120℃~一 70。采用常规的中温 制冷剂受到蒸发压力过低或制冷剂凝固点的限制。 例如 R12 与 R22 在 to=-80℃时蒸发压力低于 0.098×105Pa, 而氨在一 77.7℃时就已经凝固了。 蒸发压力过低会带来下列问题 (1)空气容易渗入制冷系统,影响制冷设备正常工作。 (2)吸气比容增大,输汽系数降低,使压缩机汽缸直径增大。 (3)对活塞式压缩机因阀片自动启闭的特性, 当吸汽压力低于 0.098~0.147×155Pa 时将难以克服吸汽阀弹簧 力,使压缩机不能正常工作。因此,即使再增加压缩级数也无济于事。 鉴于上述原因,当要求蒸发温度低于一 70℃时,就要用像 R13、R14 之类的低温制冷剂,这类制冷剂的沸 点一般都在一 80℃以下。但是这类制冷剂的冷凝温度要求很低,用常温冷却水无法将其冷凝为液体。为此,出 现了应用两种制冷剂的复叠式制冷循环。复叠式制冷循环一般采用中温制冷剂的蒸发来冷凝低温制冷剂使其液 化。尔后,液体通过节流进入蒸发器内蒸发制冷。这种方法可达到一 120℃~一 80℃的低温。

二、复叠式制冷循环的原理
复叠式制冷系统通常由高温部分和低温部分组成、高温部分使用中温制冷剂,低温部分使用低温制冷剂。 每一部分都是一个完整的制冷循环。高温部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低温部分的制冷剂冷凝;低温部分 的制冷剂在蒸发时吸热制冷。 高温部分和低温部分用一个蒸发冷凝器联系起来, 它既是——高温部分的蒸发器, 又是低温部分的冷凝器。这样低温部分制冷剂吸收的热量就可以通过蒸发冷凝器传递给高温部分的制冷剂,而 高温部分的制冷剂再通过其本身系统中的冷凝器将热量释放给环境介质(水或空气)。 一个复叠制冷系统可以由两个单级压缩系统组成,它的高温部分和低温部分分别可采用 R22 和 R13 作制
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冷剂,蒸发温度可达一 90~一 80℃。 复叠式制冷循环的优点是: a、 相同蒸发温度时,复叠式制冷压缩机的尺寸比双级制冷压缩机要小:例如:t。=-60℃时,R12 一 R13 复叠式制冷机比 R12 双级压缩机汽缸容积减少 65%左右,且功耗还可减少 10%以上。 b、 系统内保持正压,空气不会漏入,因而运行稳定。 c、 复叠式制冷机还可以用不同的制冷方式。如低温部分用压缩式或离心式制冷机制冷,高温部分用吸收 式制冷机制冷。

三、复叠式制冷循环的热力计算
复叠式制冷循环的热力计算可分别对高温部分及低温部分单独进行计算。 计算中令高温部分的制冷量等于 低温部分的冷凝热负荷加上冷损。计算方法与单级或两级压缩制冷循环的热力计算相同。 复叠式制冷循环中中间温度的确定应根据制冷系数最大或各个压缩机压力比大致相等的原则。前者对能量 利用最经济,后者对压缩机气缸工作容积的利用率较高(即输气系数较大)。由于中间温度在一定范围内变动时 对制冷系数影响并不大,故按各级压力比大致相等的原则来确定中间温度似乎更为合理。 冷凝蒸发器传热温差的大小不仅影响到传热面积和冷量损耗,而且也影响到整个制冷机 的容量和经济性,一般位一 5~10℃,温差选得大,冷凝蒸发器的面积可小些,但却使压力比增加,循环经济 性降低。 制冷剂的温度越低, 传热温差引起的不可逆损失越大, 故蒸发器的传热温差因蒸发温度很低而应取较小值, 最好不大于 5℃。

四、复叠式制冷机的启动与膨胀容器
复叠式制冷机必须先启动高温级,当中间温度降低到足以保证低温级的冷凝压力不超过 1.57MPa 时才可以 启动低温级。如果膨胀容器和排气管路连接,并在连接管路上装有压力控制阀,则高、低温部分可以同时启动。 因为当低温部分的排气压力一旦升高到限定值时,压力控制阀将自动打开,使排气管路与膨胀容器接通,压力 降低。这种启动方式常被小型复叠式制冷机组所采用。 复叠式制冷机的低温部分设置了膨胀容器,它是低温系统中一个特有的设备,其功用是在于防止系统内压 力过度升高。因为当复叠式制冷机停止运行后,系统内的温度将逐渐升高至环境温度,低温制冷剂将会全部气 化为过热蒸气(因为低温制冷剂的临界温度一般都较低),为了防止低温系统内压力过度升高,在大型装置中通 常使低温制冷剂始终处于低温状态(定期使高温部分运行)或将低温制冷剂抽出,液化后装入高压钢瓶中。对于 中、小型试验用低温复叠式制冷装置,则是在低温系统内设置膨胀容积,以便停机后使大部分气化后的低温制 冷剂蒸气进入膨胀容器中,使整个系统内的压力保持在允许的工作压力之内。当膨胀容器与吸气管道连接 时,其容积 qvp。可按下式计算:

qvp=(qmxυp-qvxt)

υx m3 υx ? υ p

式中 qmx——低温系统中(不包括膨胀容器)在工作状态时制冷剂的充灌量,kg; qvxt——低温系统中(不包括膨胀容器)的总容积,m3; υp——在环境温度与平衡压力下制冷剂的比容,m3/kg; υx——在环境温度及吸气压力下制冷剂的比容,m3/kg。 停机后系统中保持的压力一般取 0.98~1.47 MPa。

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第五章 制冷压缩机
§5-1制冷压缩机概述
一、 制冷压缩机的作用:
制冷压缩机是制冷装置中最主要的设备,通常称为制冷装置中的主机。制冷剂蒸气从低压提高为高压以及 气体的不断流动、输送,都是借助于压缩机的工作来完成的。 1、 蒸发器内吸取制冷剂蒸气,以保证蒸发器内一定的蒸发压力。 2、 提高压力将低温低压的制冷剂蒸气提高为高温高压的过热蒸气, 以创造在较高温度(如夏季 35℃左右的气温) 下冷凝。 3、 输送并推动制冷剂在系统内流动,完成制冷循环。

二、 制冷压缩机的种类及工作原理:

制冷压缩机的种类和形式很多,根据其工作原理,可分为容积型和速度型两大类,如图所示。 1、 容积型 容积型压缩机是靠工作腔容积的改变实现吸气、压缩、排气等过程。容积型压缩机根据其工 作部件的运动形式,又分为往复式和回转式,前者活塞在气缸内作往复运动,而后者是工作部件在气 缸内作回转运动,如图 5-1 所示的螺杆式、滑片式等压缩机均为回转式。但目前制冷工业使用最广泛 的为活塞式压缩机,且机型有几十种之多。 2、 速度型 速度型压缩机是靠高速旋转的工作叶轮对蒸气做功,使压力升高并完成输送蒸气的任务。这 类压缩机根据蒸气的流动方向分为离心式和轴流式两种,其中应用较广的是离心式。

§5-2 活塞式压缩机
一、活塞式压缩机的分类
我国系列制冷压缩机的特点是高速、多缸、能量调节、三种制冷剂通用。 高速通常就是指压缩机的转速在 960~1450r/min 范围,活塞平均线速度达到 3~4m/s;压缩机的吸、排
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气阀都采用逆流式,结构紧凑,重量轻,尺寸小。 多缸是指一台压缩机有几个气缸。通常,开启式和半封闭系列的压缩机是 2、4、6、8 缸四种气缸数。全封 闭压缩机系列产品是 1、2、3、4 四种气缸数。选择多缸结构型式能使压缩机结构合理,布置紧凑,动平衡性能 好,利用缸数的多少来达到不同的制冷量匹配,以适应用户的需要。 气缸数多的压缩机,可以通过一套卸载机构,使一部分气缸空载运转,达到调节制冷量的目的。一般 8 缸机的 调节范围是 50%,75%,和 100%;6 缸机的调节范围是 33%、66%和 100%。在压缩机运转过程中,可按外 界需要的冷负荷大小,自动或手动进行调节。在停机时,该卸载机构可使部分或全部气缸的吸气阀片呈顶开状 态。因而,压缩机可实施减载启动或空载启动。 新系列大缸径压缩机如 125、170、100 缸径的压缩机,对 R717、R12、R22 三种制冷剂都可运用。但需要 . 更换一部分零部件, 如安全阀, 气阀弹簧、 冷却水套、 轴封等。 三种工质通用提高了压缩机的通用化程度。 我国自行设计、制造的中小型活塞式制冷压缩机基本参数及型号可参见 GBl0874—89。 1、按所采用的工质分类,一般有氨压缩机和氟利昂压缩机两种。 按压缩级数分类,有单级压缩和两级压缩。单级压缩机是指压缩过程中制冷剂蒸气由低压至高压只经过一 次压缩。而所谓的两级压缩机,压缩过程中制冷剂蒸气由低压至高压要连续经过两次压缩。

(a)

(b)

直流式

非直流式

图 5—2 压缩机的作用方式

图 5—3 压缩机中气体流动方式

2、 按作用方式分类,有单作用压缩机和双作用压缩机。 单作用式如图 5-2a 所示,其制冷剂蒸气仅在活塞的一侧进行压缩,活塞往返一个行程,吸气排气各一次。 而双作用压缩机如图 5-2b 所示,制冷剂蒸气轮流在活塞两侧的气缸内进行压缩,活塞往返一个行程,吸、排气 各两次。所以同样大小的气缸,双作用压缩机的吸气量较单作用的大。但是由于双作用压缩机的结构较复杂, 因而目前大都是采用单作用压缩机。 3、按制冷剂蒸气在气缸中的运动分类,有直流式和逆流式,如图 5-3 所示。所谓直流式是指制冷剂蒸气的 运动从吸气到排气都沿同一个方向进行,而逆流式,吸气与排气时制冷剂蒸气的运动方向是相反的。从理论分 析来看,直流式与逆流式相比,由于蒸气在气缸中温度及比容的变化较少,故直流式性能较好。但是由于直流 式压缩机的进汽阀需装在活塞上,这样便相对增加了活塞的长度和重量,因而功的消耗就增加、检修也麻烦, 所以目前生产的压缩机大都采用逆流式。 4、按气缸中心线的位置分类,有立式压缩机、卧式压缩机、V型、W型和S型压缩机等。立式压缩机如图 5-2a 及图 5-3 所示,卧式压缩机如图 5-2b 所示,前者气缸中心线呈垂直位置而后者气缸中心线是水平的。V 型、W型和S型是高速、多缸、现代型压缩机,其速度一般为 960~1440 转/分,气缸数目多为2、4、6、8 四 种,其中,字母表示气缸的排列形式。 5、活塞式制冷压缩机,根据其结构特征,还可分为开启式、半封闭式和全封闭式三种。虽然构造各异,但 它们之间也有许多共同之处,只是其结构特征不同。 开启式制冷压缩机的结构特征在于: 压缩机的动力输入轴伸出机体外, 通过联轴器或皮带轮与电动机联结, 并在伸出处用轴封装置密封。目前,氨压缩机和容量较大的氟利昂压缩机都采用这种结构形式。 半封闭式制冷压缩机的结构特点是:压缩机与电动机共用一主轴,并共同组装于同一机壳内,但机壳为可 拆式,其上开有各种工作孔用盖板密封。

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全封闭式制冷压缩机的结构特点在于:压缩机与其驱动电动机共用一个主轴,二者组装在一个焊接成型的 密封罩壳中。这种压缩机结构紧凑,密封性好,使用方便,振动小、噪音小,广泛使用在小型自动化制冷和空 调装置中。

二、活塞式制冷压缩机的工作原理
活塞式压缩机的工作是靠气缸、气阀和在气缸中作往复运动的活塞所构成的工作容积不断变化来完成。如 果不考虑活塞式压缩机实际工作中的容积损失和能量损失(即理想工作过程),则活塞式压缩机曲轴每旋转一 周所完成的工作,可分为吸气、压缩和 排气三个过程,如图 5-4 所示。 吸气过程 4-1: 活塞由上止点 向下运动时,气缸容积增大压力降 低,当气缸内压力低于吸气管路中 的压力时,在压力差作用下使吸气 阀门打开,制冷剂蒸气便被吸入活 塞上部的气缸内,当活塞移到下止 点位置时停止吸气,吸气阀在弹簧 力和阀片本身的重力作用下关闭, 完成吸气过程。吸气过程一般被看 作是等压过程。

P

3

2

4 0

1

b

a

V

图 5—4 理想压缩机的工作过程

压缩过程 1-2: 活塞从下止点向上运动,吸、排汽阀处于关闭状态,气体在密闭的气缸中被压缩,由于气 缸容积逐渐缩小,则压力、温度逐渐升高直至气缸内气体压力与排气压力相等。压缩过程一般被看作是等熵过 程。 排气过程 2-3: 活塞继续向上移动,致使气缸内的气体压力大于排气压力,则排气阀开启,气缸内的气体 在活塞的推动下等压排出气缸进入排气管道,直至活塞运动到上止点。此时由于排气阀弹簧力和阀片本身重力 的作用,排气阀关闭排气结束。 至此,压缩机完成了一个由吸气、压缩和排气三个过程组成的工作循环。此后,活塞又向下运动,重复上 述三个过程,如此周而复始地进行循环。这就是活塞式制冷压缩机的理想工作过程与原理。

三、活塞式制冷压缩机产品型号的表示方法
每一台压缩机的基本型式都用一定的符号表示。这些符号亦称为型号,单级产品型号主要由气缸数目、所 用制冷剂的种类、气缸布置形式与气缸直径四个方面的内容组成,如下表所示。

表 5—1 压 缩 机 型 号 举 例
压缩机型号 8AS—12.5 6AW—17 4FV—10B 3FW5(B) S8—12.5 汽 缸 数 8 6 4 3 8 工质种类 氨(A) 氨(A) 氟利昂(F) 氟利昂(F) 汽缸布置形式 S型 W型 V型 W型 汽缸直径(cm) 12.5 17 10 5 12.5 备 注 直接传动 直接传动 皮带传动 半封闭式 单机双级

三、 活塞式制冷压缩机的基本构造
一台制冷压缩机为了保证其安全可靠的运行,必须具备好多零部件。对于一个初次接触压缩机的人来说, 显的相当复杂。因此我们首先必须抓住主要问题,了解整体结构,其次应剖析各个零部件的作用和结构以及它 们之间的相互关系。 压缩机一般须具备下列几部分: 运动部分:包括曲轴、连杆、活塞等。

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配气部分:包括吸、排气阀,吸、排气截止阀,吸、排气通道等。 密封部分:包括活塞环、轴封、垫片、填料等。 润滑部分:包括油泵、滤油器,调压阀等。 . 安全和能量调节部分:包括假盖弹簧、安全阀,能量调节装置、高压保护继电器,油压保护 继电器等。 按照整体结构的布置可分为开启式、半封闭式和全封闭式制冷压缩机。 开启式的特点是曲轴一端外露在压缩机外,通过联轴器与电机相连接。在曲轴外露处需设轴封装置,防止 制冷剂泄漏。 半封闭式压缩机同开启式压缩机相比较,具有结构紧凑、体积小,重量轻的特点。在结构上最明显的区别 在于电动机壳体和压缩机机体是铸在一起的,内腔相通,不需要轴封,避免了轴封泄漏的弊病,并且还可利用 吸入的低压低温制冷剂蒸气来冷却电机绕组,改善了电动机的冷却条件,减少了电动机的电耗,提高了电动机 的出力。而且压缩机与电动机之间取消了联轴器,缩短了机组的轴向尺寸。目前汽缸直径小于 70mm 时,大都 制成半封闭式。 全封闭式压缩机被广泛应用在小型自动化的制冷和空调设备中。全封闭压缩机的结构特点在于:压缩机及 其驱动电机共用一个主轴,两者组装在一个焊接成型的密闭罩壳中。这种形式的压缩机结构紧凑,密封性极好, 而且使用方便。振动动和噪声都比较小。因其结构的特殊性,压缩机主要零部件和组装与开启式有所不同。 活塞式制冷压缩机主要由机体、曲轴、连杆、活塞组、阀门、轴封、油泵、能量调节装置、油循环系统等 部件组成。 1、机体:包括汽缸体和曲轴箱两部分,一般 采用高强度灰铸铁(HT20-40)铸成一个整体。它 是支承汽缸套、 曲轴连杆机构及其它所有零部件重 量并保证各零部件之间具有正确的相对位置的本 体。 汽缸采用汽缸套结构,安装在汽缸体上的缸套 座孔中,便于当汽缸套磨损时维修或更换。因而结 构简单,检修方便。
机体就是压缩机的机身,它由气缸体、 曲轴箱等部分组成。机体的几何形状复杂, 加工面多,在工作时承受较大的流体压力 和运动部件的惯性力。采用强度高和密封 性好的灰口铸铁来铸造。为了消除应力,防 止在高、低温情况下工作时变形,机体都要 经过时效处理。 小型压缩机的机体一般都采用把气 缸体和曲轴箱铸成一体的整体结构。这种 结构的优点是整个机体的刚度好,工作时 变形小,因此,压缩机的磨损和耗功有所减 少,提高了其使用寿命。其次,机体的配合 面少,可以改善压缩机的密封性,减少加工 成本。 大中型压缩机的气缸工作镜面不是直 接和机体铸在一起,而是另配有可单独装 卸的气缸套,这样做有以下几好处: 气缸套耗材少,可以采用优质材 料或表面镀铬,来提高气缸镜面的耐磨性; 8FSlO型 压 缩 机 的 机 体

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2、曲轴:曲轴是活塞式制冷压缩机的主要部件之一,传递着压缩机的全部功率。其主要作用是将电动机 的旋转运动通过连杆改变为活塞的往复直线运动。曲轴在运动时,承受拉、压、剪切、弯曲和扭转的交变复合 负载,工作条件恶劣,要求具有足够的强度和刚度以及主轴颈与曲轴销的耐磨性。故曲轴一般采用 40、45 或 50 号优质碳素钢锻造,但现在已广泛采用球墨铸铁(如 QT50-1.5 与 QT60-2 等)铸造。 3、连杆:连杆是曲轴与活塞间的连接件,它将曲轴的回转运动转化为活塞的往复运动,并把动力传递给 活塞对汽体做功。连杆包括连杆体、连杆小头衬套、连杆大头轴瓦和连杆螺栓。 连杆体在工作时承受拉、压交变载荷,故一般用优质中碳钢锻造或用球墨铸铁(如 QT40-10)铸造,杆身 多采用工字形截面且中间钻一长孔作为油道。 连杆小头通过活塞销与活塞相连,销孔中加衬套以提高耐磨、耐冲击能力。连杆小头衬套常用锡磷青铜 ZQSn10-1 做成整体筒状,外圆面车有环槽并钻有油孔,内表面开有轴向油槽。 连杆大头与曲轴连接。连杆大头一般做成剖分式,以便于装拆和检修。为了改善连杆大头与曲柄销之间的 磨损状况,大头孔内一般均装有轴承合金轴瓦即连杆大头轴瓦。连杆大头轴瓦分薄壁和厚壁两种,系列制冷压 缩机都采用薄壁轴瓦。轴瓦的上瓦与连杆油孔相应的地方也开有油孔。 连杆螺栓用于连接剖分式连杆大头与大头盖。连杆螺栓是曲柄连杆机构中受力严重的零件,它不仅受反复 的拉伸且受振动和冲击作用,很容易松脱和断裂,以致引起严重事故。所以对连杆螺栓的设计、加工、装配均 有严格要求。连杆螺栓常用 40Cr、45Cr 钢等制造,且采用细牙螺纹,其安装时要求有一定的预紧力,以免在载 荷变化时连杆大头上下瓦和曲柄销之间松动敲击,加速机器零件的损坏。但预紧力过大也是不利的。所以在上 紧连杆螺栓时,最好用扭力扳手按说明书规定施力,若无规定可参照 P121 表中数值或以下式计算施力。 当8≤d≤18时,连杆螺栓上紧力: 2 3 4 5 F=977.2-397.613d+63.2d -4.91042d +0.1875d -0.0028125d 4、活塞组:活塞组是活塞、活塞销及活塞环的总称。活塞组在连杆带动下,在汽缸内作往复直线运动, 从而与汽缸等共同组成一个可变的工作容积,以实现吸气、压缩、排气等过程。 活塞---活塞可分为筒形和盘形两大类。我国系列制冷压缩机的活塞均采用筒形结构,它由顶部、环部和 裙部三部分组成。活塞顶部组成封闭汽缸的工作面。活塞环部的外圆上开有安装活塞环的环槽,环槽的深度略 大于活塞环的径向厚度,使活塞环有一定的活动余地。活塞裙部在汽缸中起导向作用并承受侧压力。 活塞的材料一般为铝合金或铸铁。灰铸铁活塞过去在制冷压缩机中应用较广,但由于铸铁活塞的质量大且 导热性能差,因此,近年来系列制冷压缩机的活塞都采用铝合金活塞。铝合金活塞的优点是质量轻、导热性能 好,表面经阳极处理后具有良好的耐磨性。但铝合金活塞比铸铁活塞的机械强度低、耐磨性差也差。 活塞销---活塞销是用来连接活塞和连杆小头的零件,在工作时承受复杂的交变载荷。活塞销的损坏将会 造成严重的事故, 故要求其有足够的强度、 耐磨性和抗疲劳、 抗冲击的性能。 因此, 活塞销通常用 20 号钢、 20Cr 钢或 45 号钢制造。

(a)斜面式油环 图 5-5 油环的布油及刮油作用

(b)槽式油环

活塞环---活塞环包括汽环和油环。汽环的主要作用是使活塞和汽缸壁之间形成密封,防止被压缩蒸气从 活塞和汽缸壁之间的间隙中泄漏。为了减少压缩汽体从环的锁口泄漏,多道汽环安装时锁口应相互错开。油环 的作用是布油和刮去汽缸壁上多余的润滑油。汽环可装一至三道,油环通常只装一道且装在汽环的下面,常见 的油环断面形状有斜面式和槽式两种,斜面式油环安装时斜面应向上。汽环的密封作用和油环的布油及刮油作 用可用图 5-5 来说明。

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图 5—6 汽阀

图 5—7 轴封

5、汽阀与轴封:汽阀是压缩机的一个重要部件,属于易损件。它的质量及工作的好坏直接影响压缩机的 输汽量、功率损耗和运转的可靠性。汽阀包括吸气阀和排气阀,活塞每上下往复运动一次,吸、排气阀各启闭 一次,从而控制压缩机并使其完成吸气、压缩、排气等四个工作过程。由于阀门启闭工作频繁且对压缩机的性 能影响很大,因此汽阀需满足如下要求:气体流过阀门时的流动阻力要小,要有足够的通道截面,通道表面应 光滑,启闭及时、关闭严密,坚韧、耐磨,工作可靠。 轴封---轴封的作用在于防止制冷剂蒸汽沿曲轴伸出端向外泄漏,或者是当曲轴箱内压力低于大气压时, 防止外界空气漏入。因此,轴封应具有良好的密封性和安全可靠性、且结构简单、装拆方便、并具有一定的使 用寿命。 轴封装置主要有机械式和填料式两种。目前常用的机械式轴封主要有摩擦环式和波纹管式。其中,国产系 列活塞式制冷压缩机大都采用摩擦环式轴封,这种轴封由活动环(摩擦环)、固定环、弹簧及弹簧座、压圈和两 个“0”形耐油橡胶圈所组成,如图 5—7 所示。活动环槽内嵌一橡胶密封圈并与活动环一同套装在轴上,在弹 簧力和压圈的作用下,活动环与橡胶圈一同被压紧在轴上且使活动环紧贴在固定环上。工作时弹簧座与弹簧、 轴上橡胶密封圈及活动环随同曲轴一起转动,固定环及其上的橡胶圈则固定不动。故工作时活动环和固定环作 相对运动,紧贴的摩擦面起防止制冷剂往外泄漏的密封作用,轴上橡胶圈用来密封轴与活动环之间的间隙,固 定环上的耐油橡胶密封圈起防止轴封室内润滑油外泄的作用。 6、能量调节装置:在制冷系统中,随着冷间热负荷的变化,其耗冷量亦有变化,因此压缩机的制冷量亦 应作必要的调整。压缩机制冷量的调节是由能量调节装置来实现的,所谓压缩机的能量调节装置实际上就是排 气量调节装置。它的作用有二,一是实现压缩机的空载启动或在较小负荷状态下启动,二是调节压缩机的制冷 量。压缩机排气量的调节方法有:1°顶开部分汽缸的吸气阀片;2°改变压缩机的转速;3°用旁通阀使部 分缸的排气旁通回吸气腔,这种方法用于顺流式压缩机;4°改变附加余隙容积的大小。顶开汽缸吸气阀片的调

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图 5—8 卸载机构构造原理

节方法是一种广泛应用的调节方法,国产系列活塞式制冷压缩机,均采用顶开部分汽缸吸气阀片的输气量调节装 置,如图 5—8 所示。 顶开部分汽缸吸气阀片的输气量调节装置的原理很简单, 即用顶杆将部分汽缸的吸气阀片顶起, 使之常开, 使活塞在压缩过程中,压力不能升高,吸入蒸汽又通过吸气阀排回吸气侧,故该汽缸无排气量,从而达到调节 输气量的目的即能量调节。 顶开吸气阀片能量调节装置可分为执行机构、传动机构和油分配机构三部分,主要由油分配阀、油缸、油 活塞、拉杆、转动环、顶杆和弹簧等部件组成。拉杆上有两个凸圆,分别嵌在两个汽缸套外部的转动环中。若 不向油缸中供油,由于油活塞左侧弹簧的作用,油活塞处于油缸的右端位置,汽缸套外部的顶杆都是处在转动 环斜槽的最高位置,将吸汽阀片顶开,于是该汽缸卸载(图 5—8a)。当压力油经油分配阀向油缸供油时,因油 压的作用,克服弹簧力使油活塞及拉杆向左移动,并通过拉杆上的凸圆使转动环转动一定角度,相应地使顶杆 在顶杆弹簧作用放下而下滑到斜槽的最低处(图 5—8b), 这时吸汽阀片在重力和弹簧力作用下降落在阀座上并可 以自由启闭,则该汽缸处于工作状态。 压缩机起动时,由于机器尚未转动,油压为零,因而全部汽缸的吸汽阀片都被顶杆顶开,汽缸不起压缩作 用,从而实现了空载启动。 我国系列活塞式制冷压缩机,以两个汽缸为一组,即每一个油活塞和拉杆控制两个汽缸。8AS—12.5 型压 缩机的油分配阀上标有 0、1/4、1/2、和 1 五个挡位,也就是说可以根据制冷量的需要,使制冷量按 0、25%、 50%、75%及 100%来进行调节。 利用卸载装置来调节压缩机的制冷量,比采用温度控制器和低压继电器来控制压缩机的停、开要好得多。特别 是大功率的电动机,停开过于频繁是电源所不允许的。

§5-3 离心式制冷压缩机
一、离心式制冷压缩机的构造与工作原理

1、轴

2、轴封 3、工作轮 4、扩压器 6、工作轮叶片 7、扩压器叶片

5、蜗壳

图 5—9 单级离心式制冷压缩机
离心式制冷压缩机的构造和工作原理与离心式鼓风机极为相似。但它的工作原理与活塞式压缩机有根本的 区别,它不是利用汽缸容积减小的方式来提高汽体的压力,而是依靠动能的变化来提高汽体压力。离心式压缩 机具有带叶片的工作轮,当工作轮转动时,叶片就带动汽体运动或者使汽体得到动能,然后使部分动能转化为 压力能从而提高汽体的压力。这种压缩机由于它工作时不断地将制冷剂蒸汽吸入,又不断地沿半径方向被甩出 去,所以称这种型式的压缩机为离心式压缩机。其中根据压缩机中安装的工作轮数量的多少,分为单级式和多 级式。如果只有一个工作轮,就称为单级离心式压缩机,如果是由几个工作轮串联而组成,就称为多级离心式 压缩机。在空调中,由于压力增高较少,所以一般都是采用单级,其它方面所用的离心式制冷压缩机大都是多 级的。单级离心式制冷压缩机的构造主要由工作轮、扩压器和蜗壳等所组成,如图 5—9 所示。
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压缩机工作时制冷剂蒸汽由吸汽口轴向进入吸汽室,并在吸汽室的导流作用引导由蒸发器(或中间冷却器)来的 制冷剂蒸汽均匀地进入高速旋转的工作轮 3(工作轮也称叶轮,它是离心式制冷压缩机的重要部件,因为只有通 过工作轮才能将能量传给汽体)。汽体在叶片作用下,一边跟着工作轮作高速旋转,一边由于受离心力的作用, 在叶片槽道中作扩压流动,从而使汽体的压力和速度都得到提高。由工作轮出来的汽体再进入截面积逐渐扩大 的扩压器 4(因为汽体从工作轮流出时具有较高的流速,扩压器便把动能部分地转化为压力能,从而提高汽体的 压力)。汽体流过扩压器时速度减小,而压力则进一步提高。经扩压器后汽体汇集到蜗壳中,再经排气口引导至 中间冷却器或冷凝器中。

二、离心式制冷压缩机的特点与特性
离心式制冷压缩机与活塞式制冷压缩机相比较,具有下列优点: (1)单机制冷量大,在制冷量相同时它的体积小,占地面积少,重量较活塞式轻 5~8 倍。 (2)由于它没有汽阀活塞环等易损部件,又没有曲柄连杆机构,因而工作可靠、运转平稳、噪音小、操作简 单、维护费用低。 (3)工作轮和机壳之间没有摩擦,无需润滑。故制冷剂蒸汽与润滑油不接触,从而提高了蒸发器和冷凝器的 传热性能。 (4)能经济方便的调节制冷量且调节的范围较大。 (5)对制冷剂的适应性差,一台结构一定的离心式制冷压缩机只能适应一种制冷剂。 (6)由于适宜采用分子量比较大的制冷剂,故只适用于大制冷量,一般都在 25~30 万大卡/时以上。如制冷 量太少,则要求流量小,流道窄,从而使流动阻力大,效率低。但近年来经过不断改进,用于空调的离心式制 量与冷凝温度、蒸发温度的关系。 C2 由物理学可知,回转体的动量矩 C2 r U2 C2U 的变化等于外力矩,则 ω 2 ω 1 T=m(C2UR2-C1UR1) β 两边都乘以角速度ω,得 C1 R2 Tω=m(C2UωR2-C1UωR1) R1 也就是说主轴上的外加功率 N 为: U1 N=m(U2C2U-U1C1U) 上式两边同除以 m 则得叶轮给予 单位质量制冷剂蒸汽的功即叶轮的理 论能量头。 冷压缩机,单机制冷量可以小到 10 万大卡/时左右。 离心式制冷压缩机的特性是指理论能量头与流量之间变化关系,也可以表示成制冷

W=U2C2U-U1C1U≈U2C2U

(因为进口 C1U≈0)

W=

Vυ 1 ctgβ) A2υU2 2

又 C2U=U2-C2rctgβ C2r=Vυ/(A2υ) 故有 1 2 式中:V—叶轮吸入蒸汽的容积流量(m3/s) υυ ——分别为叶轮入口和出口处的蒸汽比容(m3/kg) 1 2 A2、U2—叶轮外缘出口面积(m2)与圆周速度(m/s) β—叶片安装角
由上式可见,理论能量头 W 与压缩机结构、转速、冷凝温度、蒸发温度及叶轮吸入蒸汽容积流量有关。对 于结构一定、转速一定的压缩机来说,U2、A2、β 皆为常量,则理论能量头 W 仅与流量 V、蒸发温度、冷凝温 度有关。 按照离心式制冷压缩机的特性,宜采用分子量比较大的制冷剂,目前离心式制冷机所用的制冷剂有 F—11、 F—12、F—22、F—113 和 F—114 等。我国目前在空调用离心式压缩机中应用得最广泛的是 F—11 和 F—12,且通常
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是在蒸发温度不太低和大制冷量的情况下,选用离心式制冷压缩机。此外,在石油化学工业中离心式的制冷压 缩机则采用丙烯、乙烯作为制冷剂,只有制冷量特别大的离心式压缩机才用氨作为制冷剂。

三、离心式制冷压缩机的调节
离心式制冷压缩机和其它制冷设备共同构成一个能量供给与消耗的统一系统。制冷机组在运行时,只有当 通过压缩机的制冷剂的流量与通过设备的流量相等时, 以及压缩机所产生的能量头与制冷设备的阻力相适应时, 制冷系统的工况才能保持稳定。但是制冷机的负荷总是随外界条件与用户对冷量的使用情况而变化的,因此为 了适应用户对冷负荷变化的需要和安全经济运行,就需要根据外界的变化对制冷机组进行调节,离心式制冷机 组制冷量的调节有:1°改变压缩机的转速;2°采用可转动的进口导叶;3°改变冷凝器的进水量;4°进汽节 流等几种方式,其中最常用的是转动进口导叶调节和进汽节流两种调节方法。 所谓转动进口导叶调节,就是转动压缩机进口处的导流叶片以使进入到叶轮去的汽体产生旋绕,从而使工 作轮加给汽体的动能发生变化来调节制冷量。所谓进汽节流调节,就是在压缩机前的进汽管道上安装一个调节 阀,如要改变压缩机的工况时,就调节阀门的大小,通过节流使压缩机进口的压力降低,从而实现调节制冷量。 离心式压缩机制冷量的调节最经济有效的方法就是改变进口导叶角度,以改变蒸汽进入叶轮的速度方向(C1U)和 流量 V。但流量 V 必须控制在稳定工作范围内,以免效率下降。

§5-4 螺杆式制冷压缩机
螺杆式制冷压缩机和活塞式制冷压缩机在汽体压缩方式上相同,都属于容积型压缩机,也就是说它们都是 靠容积的变化而使气体压缩的。不同点是这两种压缩机实现工作容积变化的方式不同。螺杆式制冷压缩机是利 用置于机体内的两个具有螺旋状齿槽的螺杆相啮合旋转及其与机体内壁和吸、排气端座内壁的配合,造成齿间 容积的变化,从而完成气体的吸入、压缩及排出过程。 螺杆式压缩机可分为无油式和喷油式两种。无油螺杆压缩机本世纪 30 年代问世时主要用于压缩空气,50 年代才用于制冷装置中。60 年代出现了气缸内喷油的螺杆式制冷压缩机,性能得到提高。近年来,随着齿形和 其他结构的不断改进,性能又有了很大提高。再加上螺杆式压缩机无余隙容积,效率高,无吸、排气阀装置等 易损件。因此,目前螺杆式制冷压缩机已成为一种先进的制冷压缩机,特别是喷油式螺杆压缩机已是制冷压缩 机中主要机种之一,得到了广泛的应用。 螺杆式压缩机是一种高速回转的容积式压缩机,通过工作容积缩小进行气体压缩,除了两个高速回转的螺 杆转子外,没有其它运动部件,具有回转式压缩机(如离心式压缩机)和往复式压缩机(如活塞式压缩机)各 自的优点,如体积小、重量轻、运转平稳、易损件少、效率高、单级压比大、能量无级调节等,在压缩机行业 得到迅速发展及应用。由于螺杆制冷压缩机单级有较大的压缩比及宽广的容量范围,故适用于高、中、低温各 种工况,特别在低温工况及变工况情况下仍有较高的效率,这一优点是其它机型(如吸收式、离心式等)不具 备的。因此,螺杆式制冷压缩机被广泛用于空调、冷冻、化工、水利等各个工业领域,是制冷领域特别是工业 制冷领域的最佳机型。 由于螺杆制冷压缩机属于容积式压缩机,适用于NH3(氨) R22(氟利昂22)等各种制冷工质,不需要对 、 机器结构作任何改变,所以一般认为螺杆式制冷压缩机不存在困扰制冷界的CFCS工质替代问题。 我国的螺杆式压缩机最早由合肥通用所组织国内有关厂家共同开发研制,于1974年下达联合设计任务书, 4~5个行业厂家同时研制,最后只有武冷厂一家在研制,1978年,武冷厂成功地运行了国产第一台螺杆式压缩 ,并于1979年率先通过部级鉴定,八十年代初投入批量生产,开始了我国螺杆式压 机KA20C(现型号LG20A) 缩机的生产。

一、螺杆式制冷压缩机的总体构造与工件原理

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吸气

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(a)螺杆式制冷压缩机结构简图
1.吸汽端座 2.机体 3.螺杆

(b) 螺杆式制冷压缩机结构立体图 4.排气端座 5.能量调节阀

图 5—10 螺杆式制冷压缩机
螺杆式制冷压缩机主要由机壳、转子、轴承、轴封、平衡活塞及能量调节装置等组成,如图 5—10 所示。 下面介绍我国具有代表性的螺杆式制冷压缩机,以武汉新世界制冷工业有限公司产品为例。 1、螺杆Ⅰ型制冷压缩机

螺杆 I 型压缩机垂直剖面图

螺杆 I 型压缩机水平剖面图

1.能量指示 2.滑阀 3.联轴器 4.阳转子 5.机体 6.平衡活塞 7.阴转子
螺杆Ⅰ型系列制冷压缩机是我国最早开发并广泛使用的第一代螺杆式制冷压缩机,具有八十年代螺杆式制 冷压缩机的典型结构,一对转子装入由吸气端座、机体、排气端座组成的机壳中,通过特殊的吸排气通道和转 子的啮合回转而完成吸气、压缩、排气三个过程,转子下部的滑阀装置除完成能量调节功能外,还保证压缩机 空载起动。 主轴承采用滑动轴承,装在吸、排气端座上,必须用一个较大的油泵进行强制而充分地润滑,同时,也对 转子主轴颈表面硬度提出了较高的要求。 内容积比可调节机构属于武新制冷公司国际首创,它克服了内外压力不等时的等容压缩或等容膨胀损失 功,可使压缩机运行在最省功状态,它最先应用在LG20和LG16螺杆式制冷压缩机上。 LG12.5和LG25螺杆式制冷压缩机是固定排气口,内容积比不能调节,为适应不同工况(不同压力比)而配 备了3种不同的内容积比滑阀,供用户订货时选用一种,当外压比变化时内压力不能同步变化而增加了压缩机 的功耗。

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目前、国内的开启式用于制冷螺杆压缩机生产厂家主要有3家:武冷、大冷、烟冷,大冷、烟冷供应市场 仍为Ⅰ型压缩机,武冷已基本不生产Ⅰ型压缩机。

2、 螺杆III(II)型制冷压缩机

螺杆 III(II)型压缩机垂直剖面图

螺杆 III(II)型压缩机水平剖面图

1. 油活塞 2. 吸气过滤网 3. 滑阀 4. 联轴器 5. 阳转子 6. 机体 7. 平衡活塞 8. 能量测定装置 9. 阴转子
螺杆II型制冷压缩机是武新制冷公司瞄准国外先进水平在1994年开始研制开发、1996年全部完成系列化的 第二代开启式螺杆制冷压缩机,严格地说,II型制冷压缩机是一个过渡产品,主要针对Ⅰ型压缩机上的很多缺 陷作了重大改进而没有改变螺杆的核心-型线,主要原因是武新制冷公司想走一个比较稳健的产品开发之路。 螺杆II型制冷压缩机在结构上采用了多项先进技术: 轴向定位及径向支撑全部采用高质量进口滚动轴承,转子精确定位,轴颈无磨损,额定寿命40000h。由于 轴承精确定位使得转子装配间隙减小,实测其容积效率高于I型机,相同工况下的制冷量比螺杆I型压缩机高出

2~3%;
采用最新结构的机械密封,密封压力可达2.5MPa,确保使用寿命; 润滑系统在机器运转时由高低压压差供油,一个小油泵仅在开机前提供预润滑油,油泵故障率极低; 能量调节滑阀及内容积比调节机构均由微机自动控制,保证压缩机在高、中、低温各种工况下均运行在效 率最高点,运行更经济,便于实现自动化控制。内容积比可调在国外已普遍被采用,在国内仅我公司采用此项 新技术; 吸气过滤器布置在机体内,吸排气截止阀和吸排气止逆阀合二为一,成为最新结构的止回式截止阀。这一 切使机器的结构更紧凑,外形更美观。
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上述新技术使整个压缩机的技术水平得到了提升,使武新制冷公司的产品迈上了一个新台阶。为了快速赶 上国外先进水平,武新制冷公司在Ⅱ型压缩机已全面推向市场并已被市场接受的情况下,于1997年开始研制Ⅲ 型螺杆式压缩机,Ⅲ型螺杆式压缩机是在Ⅱ型压缩机的基础上着重改变了两项内容,第一它采用了武新制冷公 司与西安交通大学合作开发的具有国际先进水平的第三代螺杆转子型线,使压缩机的效率提高了5~8%;第二

LG20Ⅱ、 LG25 它改变了传统的转子长径比设计, 开发了短导程及特长导程压缩机, 由Ⅱ型压缩机只有LG16Ⅱ、
Ⅱ三种变为Ⅲ型压缩机有LG16ⅢD、LG16Ⅲ、LG20ⅢD、LG20Ⅲ、LG20ⅢT、LG25ⅢD、LG25Ⅲ、LG25ⅢT、

LG31.5Ⅲ、LG31.5ⅢT十种,可以方便客户选型。
还值得一提的是,武新制冷公司在螺杆III型压缩机的研制、开发过程中,全部采用专用软件进行各种型线 参数、热力性能计算、动力分析、几何特性计算、受力计算、工作过程模拟、刀具刃形计算,使压缩机的设计、 开发能力与水平也同时达到了世界先进水平。 机壳:—般为剖分式,由机体、吸气端座及排气端座等三部分用螺栓连接组成。机体内腔横断面为双圆相 交的横 8 字形,与置于其内的两个啮合转子的外圆柱面相适合。 转子:一对互相啮合的螺杆,其上具有特殊的螺旋齿形。 其中凸齿形的称为阳转子, 凹齿形的称为阴转子。 阳转子与阴转子的齿数比,一般为 4:6(大流量的压缩机齿数比可为 3:4,当压缩比高达 20 时,齿数比可采用 6:8)目前也有很多采用 5:6、5:7 齿数比。多数情况下,阳转子与电动机直接连接,称为主动转子,阴转子为从 动转子,故阳转子多为四头右旋,阴转子多为六头左旋。为了使螺杆式制冷压缩机系列化,零件标准化和通用 化,我国确定的螺杆的公称直径系列有为 100、125、160、200、250、315、355、510mm 等 8 种,其长径比分别 有λ=1.14、1.5、1.65、1.94 几种,武新制冷公司产品将λ=1.14 称为短导程、λ=1.5 称为正常导程(因 我国的国标型线导程为 1.5)、λ=1.94 称为特长导程。 几种型线的介绍:

JB2780齿形:单边不对称圆弧摆线齿形是我 国标准齿形,它具有泄漏三角形极小的特点,属 于国际第二代齿形。

JB2780 齿形 XBY齿形:新型单边不对称圆弧齿形是我公司首创 高效专利齿形,它具有:a.齿形光滑无尖点棱角,气流 扰动损失小;b.接触线缩短,泄漏损失小;c.两转子在 整个接触线上均存在速度差,密封效果好;d.采用5:6 的齿数比,使得传速比增大,阴阳转子转速差缩小,基 元容积之间的压力差减小,因而泄漏减少等优于其它转 子齿形的独特优点,属于国际第三代齿形。 XBY齿形

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WL-C型线:WL-C型线是武冷与西安交通大学合作
开发的新一代型线,已全面应用于武冷第三代螺杆压缩 机中,它具有以下优点:

a. 组成齿曲线均为圆弧或圆弧包络线,接触线短,
啮合平稳,密封性好,效率高;

b. 各组成齿曲线间光滑连接,型线上无尖点,便于
加工和检测,流线性好,噪声低;

c. 节圆处点啮合,整个啮合线均可形成油膜; WL-C型线 d. 采用双边不对称型线设计方案,阴阳转子直径调
整方便,转子间力矩分配合理,振动小;

e. 齿高半径和齿顶高合理,面积利用系数大,输汽
量和制冷量提高; f. 阴阳转子直径相差不大,转子刚度接近,承载能 力高,可用于压差和压比较大的工况。

轴承与轴封:螺杆式Ⅰ型制冷压缩机的阴、阳转子均由滑动轴承(主轴承)和向心推力球轴承支承。主轴承 用柱销正确安装固定在吸、排气端座内,止推轴承在排气侧阳、阴转子上各装有两只,以承受一定的轴内力。 Ⅲ(Ⅱ)制冷压缩机全部采用进口的滚动轴承,他采用了四个圆柱滚动轴承代替了Ⅰ型制冷压缩机的滑动轴承, 采用四点角接触球轴承代替向心推力球轴承。螺杆式制冷压缩机的轴封也多采用弹簧式或波纹管式机械密封, 安装在主动转子靠联轴器——端轴上。一般承压为 2.5MPa,国内轴封生产厂家最好的有两家,一家为英国克兰公 司在天津独资企业,另一家为民营的丹东克隆公司,武新制冷公司产品均采用上述两家生产的轴封,可以保证 压缩机的长期运行。 平衡活塞:由了结构上的差异,因吸、排气侧之间的压力差所引起的,作用在阳转子上的轴向合力,比作 用在阴转子上的轴向合力大得多。因此,阳转子上除装设止推轴承外,还增设油压平衡活塞,以减轻阳转子对 滑动轴承端面的负荷,减轻止推轴承所承受的轴向力。 能量调节装置:由滑阀、油缸、油活塞、四通换向阀及油管路等组成。活塞装在气缸壁下部两圆交汇处, 改变滑阀的位置,即可起调节制冷量的作用。 螺杆式制冷压缩机工作时,齿间基元容积作周期性变化,从而使汽体沿转子轴向移动过程中完成吸汽,压 缩和排气过程,其具体工作过程如下:

Φ

图 5—12 工作容积、气体压力与阳转子转角的关系

39

a、吸气过程

b、压缩过程

c、排气过程

图 5—11 转子的工作过程
螺杆式制冷压缩机压缩原理: 螺杆式制冷压缩属于容积式制冷压缩机,它利用一对相互啮合的阴阳转子在机体内作回转运动,周期性地 改变转子每对齿槽间的容积来完成吸气、压缩、排气过程。 1、吸气过程 当转子转动时,齿槽容积随转子旋转而逐渐扩大,并和吸入口相连通,由蒸发系统来的气体通过孔口进入 齿槽容积进行气体的吸入过程。在转子旋转到一定角度以后,齿间容积越过吸入孔口位置与吸入孔口断开,吸 入过程结束。 2、压缩过程 当转子继续转动时,被机体、吸气端座和排气端座所封闭的齿槽内的气体,由于阴、阳转子的相互啮合和 齿的相互填塞而被压向排气端,同时压力逐步升高进行压缩过程。 3、排气过程 当转子转动到使齿槽空间与排气端座上的排气孔口相通时,气体被压出并自排气法兰口排出,完成排气过 程。 由于每一齿槽空间里的工作循环都要出现以上三个过程,在压缩机高速运转时,几对齿槽的工作容积重复 进行吸气、压缩和排气循环,从而使压缩机的输气连续、平稳。 二、螺杆式制冷压缩机的能量调节及内压比调节 螺杆式制冷压缩机的能量调节及内压比调节有多种方法,但目前应用得最广泛的是滑阀调节,因为它能使 螺杆式制冷压缩机的制冷量在 10%~100%之间无级调节。滑阀调节的基本原理是通过滑阀的移动改变转子的 有效工作长度(即改变压缩机阴、阳转子齿间工件容积),以达到能量调节的目的。滑阀装在气缸壁下部两圆交 汇处,与两转子外圆柱面紧密配合。 (一)内容积比调节 螺杆式制冷压缩机属于容积式压缩机,具有内压缩这一特性,有一定内压比,而压缩机的工作范围又极其 广泛, 其工作压力比 (冷凝压力/蒸发压力) 即外压力比随工况而定, 这就要求螺杆制冷机的内压力比随之变化, 使螺杆式制冷机的内压力比接近或等于外压比,使机器的耗功最小,运转最经济,否则将形成一个等容压缩或 等容膨胀过程,使压缩机耗功增加。当内压力与外压力的差值愈大,多消耗的功也愈大。因此,为了使机器能 长期经济运转,必须调节机器的内容积比,使内压力比接近或等于外压力比。外压比的计算公式为: 冷凝压力 排气压力(表压)+0.1
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外压力比=

=

蒸发压力 吸气压力(表压)+0.1 内容积比的调节机构主要由电磁(或手动)换向阀、内容积比滑阀组成,如图所示,内容积比的测定机构 主要由位移传递杆和直线电位器组成, 图中 L1 为滑阀排气口的大小, 它的大小即决定了机器的内容积比的大小。 当控制盘上发出增大内容积比的信号时,换向阀中孔口 P 和孔口 A 连通,从油滤器来的高压油先后通过换向阀 的 P、 孔口后经 SC-3 孔口进入内容积比活塞左边的油缸内, A 该活塞右边的油从 SC-4 孔口流出后经换向阀的 B、T 孔口后流向回油管回到压缩机中,则内容积比活塞在前后压差的作用下带动内容积比滑阀向右移动,排气 口 L1 逐渐减少。反之,当减少内容积比时,换向阀中孔口 P 和孔口 B 连通、T 和 A 连通,从油滤器来的高压油 先后通过换向阀的 P、 孔口后经 SC-4 孔口进入内容积比活塞右边的油缸内, B 该活塞左边的油从 SC-3 孔口流 出后经换向阀的 A、 孔口后流向回油管回到压缩机中, T 内容积比活塞在前后压差的作用下带动内容积比滑阀向 左移动,排气口 L1 逐渐增大。 滑阀的位置由位移传递杆传感到电位器,电位器上测出的电阻值经处理后转换为内 容比的数值显示出来,当活塞到达油缸的最右端时,排气口最小,内容积比为最大值 5,当该滑阀到达左止点 时,内容积比为最小值 2.5。内容积比可在 2.5~5 范围内实现无级调节。 (二)能量调节 能量调节机构主要由电磁(或手动)换向阀,能量调节油活塞和能量调节滑阀组成。能量的测定机构主要由 螺旋杆和旋转电位器组成,如图所示。增载时,从油滤器来的高压油先后通过换向阀的 P、A 孔口后经 SC-2 孔口进入能量活塞右边的油缸内,该活塞左边的油从 SC-1 孔口流向压缩机回油孔口,则能量活塞带动能量滑 阀向左移动,当滑阀靠紧可调滑阀时,压缩机为全负荷,控制盘上能量显示为 100%,此时工作腔有效长度为 转子全长 L3。反之,当减载时,滑阀同理向右移动,工作腔的气体从滑阀与内容积比滑阀之间的空腔回流到吸 入端,工作腔有效长度为 L2,设备即在部分负荷下运转,滑阀右移到右止点时,则 L2 达到最小值,此时设备 能量最小,为全负荷的 15%,故压缩机的制冷量可在 15~100%之间无级调节,能量滑阀所在位置经螺旋杆传 递到旋转电位器,经处理后转换为能量百分数显示出来。 注意:能量滑阀的移动范围与内容积比滑阀的位置有关。当内容积比调到最小时,能量滑阀的移动范围最 大,这种情况下当能量滑阀靠紧可调滑阀即压缩机全负荷时,控制盘上显示的能量百分数为 100%。当内容积比 调到最大值时,能量滑阀的移动范围最小,这种情况下当压缩机全负荷时控制盘上显示的相对能量百分数将低 于 100%,但此时压缩机的实际能量为 100%(即绝对能量百分数) 。对手动机型,控制盘上只显示相对百分数。

三、 开启式螺杆制冷压缩机技术参数

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● 螺杆 I 型、II 型制冷压缩机技术参数
型号 转子直径 转子长度 阳转子转速 理论排量 能量调节范围 内容积比 噪声 振动 进气管直径 排气管直径 dB(A) μm mm mm ≤80 ≤10 DN50 DN45 DN80 DN65 2.6/3.6/5 ≤83 ≤85 ≤88 ≤20 DN100 DN80 ≤85 mm mm r/min m /h
3

LG10A LG12.5ALG12 .5-1A LG16A LG10F 100 150 2960 133 264

LG16IIA

LG20A LG20F

LG20IIA LG25A LG25IIA LG31.5-1A LG25F LG25IIF LG31.5-1F 250 315 375 530 4620

LG35.5A LG35.5F

LG12.5F LG12 .5-1F LG16F LG16IIF 125 160 190 4400 396 552 240

LG20IIF 200 300

357 589
7240 2.6~5.0

2960 1068 15%~100%无级调节 手动调节 自动调节 手动调节 自动调节 2.6/3.6/5 自动调节 2.6/3.6/5 ≤90 ≤88 ≤98 ≤95 ≤25 DN200 DN150 ≤102 DN300 DN250 2110

DN150 DN100

≤105 ≤35 DN350 DN250

● 螺杆 III 型制冷压缩机技术参数

型号 转子直径 转子长度 阳转子转速 理论排量 能量调节范围 内容积比 噪声 振动 进气管直径 排气管直径 dB(A) μm mm mm mm mm r/min m /h
3

LG16IIIDA LG16IIIA LG20IIIDA LG20IIIA LG20IIITALG25IIIDA LG25IIIA LG25IIITALG31.5IIIALG31.5IIITA LG16IIIDF LG16IIIF LG20IIIDF LG20IIIF LG20IIITFLG25IIIDF LG25IIIF LG25IIITF LG31.5IIIF LG31.5IIITF

160 182 436 240 574 228 852

200 300 1120 375 1400 285 2960 1663

250 375 2189 485 2831

315 460 4150

315 625 5670

15%~100%无级调节 2.6~5.0 ≤85 ≤20 DN100 DN80 DN125 DN150 DN100 ≤88 ≤95 ≤25 DN150 DN200 DN225 DN150 ≤102 ≤30 ≤102 ≤30

DN300 DN225

四、螺杆III(II)型制冷压缩机性能曲线

LG16III(II)F
其他机型的性能曲线可参照选型手册或样本。

LG16III(II)A

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第六章 螺杆式制冷压缩机组
螺杆式制冷压缩机是一种高速回转机械,在运行中通过向压缩机转子工作腔喷入大量的润滑油,来达 到润滑、密封、提高压缩机工作效率、降低排气温度和噪声等目的。因而它配有一套高效的油路系统。 螺杆式制冷压缩机组由螺杆式压缩机、电动机、联轴器、气路系统(包括吸气止回式截止阀和吸气过 滤器)、油路系统(包括油分离器、油冷却器、油过滤器、油泵、油压调节阀和油分配管路)、控制系统 (包括操作仪表箱、控制器箱、电控柜等)和设备、系统间的连接管路等组成。 用户按各自需要配备冷凝器、蒸发器等设备,就可组成一个完整的制冷系统,满足各种不同温度的工 艺需要。 为满足用户的需要,武新制冷公司能生产各种型式的螺杆式制冷压缩机组:螺杆式制冷压缩机组(标准 型)、加大油冷型螺杆式制冷压缩机组、热虹吸油冷型螺杆式制冷压缩机组、防爆螺杆式制冷压缩机组、经 济器螺杆式制冷压缩机组等。 本文着重介绍武新制冷公司Ⅲ(Ⅱ)螺杆式制冷压缩机组: ● 压缩机组使用条件 蒸发温度:+5℃~-40℃; 冷凝温度:不大于40℃; 排气温度:不大于 105℃; 油 温:不大于 65℃。
直角止回截止阀

☆ 典型的喷油螺杆式单级制冷压缩机组系统流程图

电磁换向阀

图 例
气 路
直角止回截止阀 安全阀

控制管路 油 路 温度传感器 安全阀 油 分 离 器 电磁换向阀 压力表 压力变送器

电磁换向阀座

压 力 传 感 器 座 截止管道阀 加油阀 止回式截止管道阀
油粗过滤器

放油阀

截止管道阀 止回式截止阀

油 冷 却 器
单向阀

截止管道阀

止回式截止管道阀

油泵 截止管道阀

☆ 典型压缩机组外形图

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● 螺杆式制冷压缩机组型号表示方法
W- F H JLLG 25 III T B A 560
配用电机功率:数字表示,单位为kW 制冷剂种类:A—氨,F—氟利昂 高低压级机组:B-低压级;高压级不表示 转子导程:D-短导程,T-特长导程,长导程不表示 压缩机类型:III、II-表示III、II型压缩机,I型不表示 转子名义直径:用数字表示,单位为cm 型式:LG—螺杆式制冷压缩机 JLG—带经济器补气口螺杆式制冷压缩机 JLLG—带经济器补气口及经济器换热器螺杆式制冷压缩机 PLG—喷液螺杆式制冷压缩机 JPLG—带经济器补气口喷液螺杆式制冷压缩机 机组类型(2):D—加大油冷、H—热虹吸油冷,标准型不表示 机组类型(1):F—防爆型,非防爆不表示 控制方式: W—微机控制,非微机控制不表示

压缩机组的油分离系统 由于螺杆式制冷压缩机工作时喷入大量的润滑油与制冷剂蒸汽一起排出,所以在压缩机与冷凝器之间设置 了高效的卧式油分离器。油分离器的作用是分离压缩机排气中携带的润滑油,使进入冷凝器的制冷剂纯净,避 免润滑油进入冷凝器而降低冷凝器的效率。油分离器还有贮油器的功能。目前机组主要采用卧式油分离器,从 压缩机排出的高压气体,通过排气管进入油分离器,降低流速,改变方向,向油分的另一端排去。在这个过程 中,大量的润滑油因为惯性及重力的作用沉降到油分底部,剩余的含有微量冷冻机油的气体再通过油分滤芯, 此微量冷冻机油被最后分离,通过油分离器底部的回油阀回到压缩机中,以确保挡油板之后的筒体底部尽量少 存油。靠近油分离器出口的过滤芯采用的是高分子复合材料,油分离效果可达 10ppm,当分油效果不够理想时 可更换。



油分离器 ● 压缩机组的润滑油系统 (一)作用 机组中的润滑油主要起下列作用: 1、喷入压缩机转子工作容积中起润滑、冷却、密封、降噪、减震的作用。 2、提供轴承及轴封的润滑。 3、提供能量及内容积比调节机构所需的压力油。 4、向平衡活塞供油。 (二)供油方式

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1、预润滑 在压缩机的启动初期,压缩机各个润滑点、内容积比调节滑阀以及能量滑阀的减载所需要的压力油靠预润 滑油泵供给,压缩机运行正常后预润滑油泵的运行与否决定于排气压力与吸气压力的压差,压差达到 0.45MPa, 油泵停止运行,压差低于 0.35MPa 时,油泵投入运行。 2、压差供油 压缩机启动完毕,正常运行时的供油靠排气压力与吸气压力的压差保证。油分离器中分离出的油在高压作 用下,流向油冷却器,然后经滤油器,油分配座流向压缩机内,最终随工质一起被排至油分离器内。 ● 压缩机组的油冷却方式 从压缩机排出的高温、高压油气混合物中分离出来的润滑油温度较高,不能直接喷入压缩机中,需经油冷 却器冷却达到压缩机所需的粘度和温度后才可重复使用。油冷却的方式一般有以下几种: (一)水冷油冷却器 水冷油冷却器是一种卧式壳管式热交换器,油在管外,水在管内。管束固定于两端管板上,油冷却器筒体 内有折流板,可以改善油和冷却水的热交换。 由于水中杂质会在冷却器水管内结垢而降低传热系数, 因此必须定期进行检查和清洗。 冬季机组不运行时, 请注意拧开水盖上的放水塞,将油冷却器内的水放掉,以防结冰损坏设备。 油冷却器冷却水进水温度应小于 32℃,机组油温控制在 40~65℃。

水冷油冷却器 (二)热虹吸油冷却器 热虹吸油冷却器的结构同水冷油冷却器的原理类似,为卧式壳管式,油在管外,制冷剂在管内。经冷凝器 冷凝后流出的制冷剂液体流入热虹吸贮液器后分流出一路液体进入热虹吸油冷却器,沿途吸收管外高温油的热 而蒸发。制冷剂在蒸发过程中密度逐渐减小,油冷回气管中的气液混合物的密度低于油冷却器供液管中液体的 密度,这种不平衡产生了一个压力差使制冷剂在油冷却器中流动。热虹吸系统安装时,注意热虹吸贮液器的位 置应尽量靠近机组,而且热虹吸贮液器中的液面应高于油冷却器中心线 1.5~2m 以克服管路中的压力损失。 经热虹吸油冷却器冷却后的油温度一般比冷凝温度高 10~20℃。

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(三)喷液冷却 带喷液冷却的机组中,有一路由本机组或系统中的冷凝器或贮液器引出的高压制冷剂液体,经过过滤器、 节流阀或高温膨胀阀后喷入压缩机某中间孔口(如下图所示) ,起吸收压缩热并冷却油温的作用。高温膨胀阀的 开启度取决定于排气温度,当排气温度偏高(高于 55℃)时,膨胀阀开启度增大;当排气温度偏低(低于 50 ℃)时,膨胀阀开启度减小。压缩机上开有两个喷液孔口?高位喷液口和低位喷液口,当压缩机在内容积比低 于或等于 3.0 时运行,制冷剂液体从低位喷液口喷入,当内容积比高于 3.0 时,则从高位喷液口喷入。 带喷液装置的机组中省却了油冷却器,使机组外形简洁,体积更小。

电磁阀

高温膨胀阀

过滤器 单向阀

● 经济器 (一)原理及结构 配经济器的系统中,从冷凝器或贮液器出来的液体,并不直接送节流阀节流,而是首先进入经济器冷却器 中进一步冷却,出来后的液体工质的温度可下降数十度,制冷量将得到提高。经济器冷却器中液体的冷却,是 依靠经辅助节流阀节流后进入经济器中的中压液体工质,它吸收高压液体工质的热量而蒸发,蒸发出来的中压 气体被螺杆压缩机的中间补气口吸走(见流程图) 。带经济器的机组特别适合取代双级活塞式机组,在较低蒸发 温度下经济运行。

武新制冷公司的经济器冷却器有立式螺旋管式和卧式壳管式两种结构型式,见下图。

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(二)JL 系列经济器冷却器的安装 JL 系列经济器冷却器,可以拼装在某些制冷机组上,成为带有经济器系统的机组整体出厂,但一般单件出 厂,用户现场拼装。现场拼装时,JL 系列经济器冷却器可以放置在低压循环贮液器附近,也可以放置在螺杆压 缩机组或者高压贮液器附近,以接管短为原则,冷却器应固定在高于地面 150mm 以上的基础上,基础尺寸依 底脚而定,底脚与基础之间可以加 50~100mm 厚木垫。 设备固定后,按 JL 系列经济器冷却器结构简图安装,注意电磁阀(用户自备)应保持水平,当系统中无主供 液电磁阀时,电磁阀应与螺杆机同步启闭,出线接到电控柜相应端子上。当系统中有主供液电磁阀时,只需将 温度计套管 2 中放入一支?50~ 电磁阀的出线与主电磁阀并联。 在温度计套管 1 中放入一支 0~50°C 的温度计, 50°C 的温度计。将经济器冷却器底部的回油阀至回气管之间的回油管接好,并将出液管、进液管、回气管等与 系统连通,连通管的最小管径见下表,可以放大,不能缩小。管径与法兰、阀口不符时,作变径处理。

连通管长度

<10m
Φ20 Φ25 Φ32 Φ38 Φ50 Φ70

10~30m
Φ25 Φ32 Φ38 Φ45 Φ65 Φ89

>30m
Φ32 Φ38 Φ40 Φ50 Φ80 Φ108

JL?0.3 JL?0.6 JL?1.2 JL?2.5 JL?5.0 JL?10

经 1.6MPa(16Kg/cm2)压力定压检漏后,进行保温,整个筒体、回气管、出液管都需进行保温,保温层 厚度 50~100mm。 (三)调试 初次开车,先不使用经济器冷却器,关闭螺杆压缩机补气口截止阀和经济器冷却器上的回油阀、回气阀、 ,系统按常规方式运行,这时要检查经济器冷却器上的电 节流阀和供液阀(见 JL 系列经济器冷却器结构简图) 磁阀是否与机组同步启闭,用一螺丝刀触及电磁阀线包顶端的螺丝,如有磁力,说明已通电。待吸气压力及排 气温度基本稳定后,经济器冷却器可以投入运行,开启螺杆压缩机补气口截止阀和经济器冷却器上的回气阀和 供液阀,仔细调节经济器冷却器上的调节阀,使系统运行在最佳状况。先将调节阀开启 45°,仔细观察低压、 中压、排气温度和出液温度的变化,调节合适时,低压略为升高,蒸发压力(低压)与中间压力、出液温度应
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大致符合下图中曲线的对应关系,排气温度大体不变或稍有降低,出液温度会迅速下降,从+20~40°C 下降到 ?5~?25°C。

氨经济器冷却器蒸发压力与中间压力关系曲线

氟经济器冷却器蒸发压力与中间压力关系曲线

调节阀调节过小时,中压偏低,出液温度偏高,不符合图中曲线关系,这时应开大调节阀,加大供液量。 调节阀开启过大时,中压偏高,出液温度也偏高,不符合图中曲线关系,同时排气温度将会降得很低,甚至油 分离器内大量积聚氨液,从视液镜上看到油位升高,这时应关小调节阀,直到排气温度恢复正常。 停车前,先关闭经济器冷却器上的供液阀,以免电磁阀封闭不严,导致停车期间大量氨液进入经济器冷却 器壳体内,再次开车时造成螺杆压缩机带液。 注意:当系统运行经济器冷却器不使用时,制冷剂液体流经经济器冷却器时将产生较大阻力损失,这时经 济器冷却器主供液进出管上应安装旁通管,在不使用经济器冷却器时开启旁通管上阀门,避免主供液管上阻力 损失过大影响系统正常运行。

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螺杆式制冷压缩机组(R717)配套表
型号 配套
冷凝器 立式 卧式 立式 卧式 WZ250 ZA1.5

LG16IIIDA
空调
LN200 WN150

LG16III(II)A
空调
LN250 WN200 WZ300 ZA1.5

LG20IIIDA
空调
LN350 WN300 WZ450 ZA2.5 JY300 KF046 JX159

LG20III(II)A
空调
LN450 WN350 WZ500 ZA3.5

标准
LN75 WN75 WZ110 AF500

低温
LN50 WN50 WZ50

标准
LN100 WN110 LZL135 WZ150 AF500

低温
LN50 WN50 LZL90 WZ60

标准
LN200 WN150 LZL180 WZ250 ZA1.5 AF600

低温
LN75 WN75 LZL90 WZ110 ZA1.0

标准
LN250 WN200 LZL270 WZ300 ZA1.5 AF800

低温
LN75 WN75 LZL90 WZ110 ZA1.0

蒸发器

LZL90 ZA1.0

氨贮液器 氨液分离器 集油器 空气分离器 紧急泄氨器

ZA1.0

型号 配套
冷凝器

LG20IIITA
空调 标准
LN310 WN250 LZL320 WZ360 ZA2.0 ZA4.5

LG25IIIDA
空调
LN350x2

LG25III(II)A
空调
LN450x2 WN350x2

LG25IIITA
空调
WN450x2 WZ750x2 ZA8.0

工况

低温
LN120 LZL120 WZ150 ZA1.5

标准
LN350 WN300 LZL360 WZ420 ZA2.5

低温
LN150 WN110 LZL135 WZ180 ZA2.0

标准
LN450 WN350 LZL270x2

低温
LN200 WN150 LZL180 WZ250 ZA2.0

标准
WN500 LZL640 WZ750 ZA5.0 AF1400

低温
LN250 WN200 LZL270 WZ300 ZA2.0

立式 LN310x2 卧式 WN250x2 立式 卧式 WZ360x2

LN350x2 LN310x2

WN110 WN300x2 WZ450x2 ZA5.0

蒸发器

WZ400x3 WZ300x2 ZA8.0 ZA3.5 AF1200

氨贮液器 氨液分离器 集油器 空气分离器 紧急泄氨器

AF1000 JY500 KF096 JX159

型号 配套
冷凝器

LG31.5IIIA
空调 标准 低温
LN450

LG31.5-1A
空调 标准 低温
LN450 WN400 WZ450 ZA2.5 LN400x5 LN400x3

LG31.5IIITA
空调 标准 低温
WN550 WZ550 ZA3.5 LN450x6 LN400x4 WN700x3 WN450x3 WZ550x5 WZ550x3 ZA20.0 ZA12.5 AF1800 KF096 JX159

LG35.5A
空调 标准 低温
WN700 WZ750 ZA5.0 WN700x4 WN800x2 WZ750x5 WZ750x3 ZA30.0 ZA15.0 AF2000 JY800

工况

立式 LN450x4 LN350x3 卧式 WN800x2 WN450x2 立式 ZA15.0 卧式 WZ750x3 WZ400x3 ZA8.0 AF1600

LN350x2 LN450x7 LN450x4 LN400x2 LZL640x3 LZL640

WN400 WN550x3 WN450x2 WZ420 ZA2.5 WZ750x3 WZ450x3 ZA20.0 ZA10.0 AF1600 JY500

蒸发器

LZL320x3 LZL360

LZL360x3 LZL135x3

LZL360x4 LZL270x2

氨贮液器 氨液分离器 集油器 空气分离器 紧急泄氨器

●其它典型的螺杆式制冷机组介绍 ★螺杆式冷凝贮液机组 螺杆式制冷压缩冷凝贮液机组是由螺杆式制冷压缩机组、冷凝器和贮液器、控制箱等几个部分组成的机组。 其压缩机采用我公司自行设计开发的、具有国际先进水平的第三代螺杆式压缩机。 螺杆式制冷压缩冷凝贮液机组, 其实就是制冷系统的高压侧部分, 我们将制冷系统的高压侧所需的元器件精 妙绝伦的揉合在一起,组成一个整体,用户只要配上相应的蒸发器,就成为一个完整的制冷系统,满足各种制 冷的需要。 螺杆式制冷压缩冷凝贮液机组的应用,简化了系统的设计,降低了用户制冷系统复杂管道的安装,同时减少 了占地面积和投资。 该机组广泛应用于石油、化工、水利、矿山、医药、纺织、水产、食品等部门,满足各种工艺制冷及食品 冷藏、冷冻的需求。

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螺杆式压缩冷凝贮液机组系统流程示意图

★ 螺杆式氨泵机组 螺杆式氨泵机组由螺杆式制冷压缩机组、冷凝器、氨泵、低压循环贮液器等组成,适用于水利电力工程、 鱼业以及商业等部门制造片冰/块冰、食品的冷藏和冻结、啤酒加工等工艺用冷。 经济器螺杆式氨泵机组在氨泵机组中增加了一个立式氨经济器,可以大幅度提高制冷量及制冷系数,并简 化了系统的设计和安装,同时减少了占地面积和投资。 机组配用的卧式壳管式冷凝器采用了新型的高效钢制换热管, 极大地提高了换热效率, 减少了容器的体积和 占地面积。 为提高机组的可靠性,机组采用了新型的制冷屏蔽电泵,其能耗低、噪音小、无振动,使用寿命长,维护费 用低。 螺杆式氨泵机组流程示意图

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★ 螺杆式冷水机组 用以提供各类建筑物的空气调节以及其它生产工艺所需的低 螺杆系列冷水机组是以 R22/R717 为制冷剂, 温水。可广泛应用在宾馆、饭店、医院、剧院、商场、体育场馆、纺织厂、仪器仪表、机电设备的冷却、生 产车间等场所 螺杆式冷水机组主要由螺杆式制冷压缩机组、冷凝器、蒸发器以及必需的控制设备等组成一个完整的制 冷装置。冷却水及冷冻水进出口均带有配对法兰(螺纹接口除外) ,以方便用户系统的连接。 机组出厂时已完成全部管路的连接,并已进行测试,用户只要配上冷却水系统、冷冻水系统并加入适量 工质和冷冻机油即可使用。 我公司可提供以 R22 为制冷剂的螺杆式冷水机组、半封闭螺杆式冷水机组以及 R717 为制冷剂的喷液螺 杆式冷水机组。 执行标准 GB/T18430.1-2001《蒸汽压缩循环冷水(热泵)机组 工商业用和类似用途的冷水(热泵)机组》 GB/T10870-2001《容积式和离心式冷水(热泵)机组性能测试方法》 控制器符合 UL(美国) CE(欧洲) IEC 等标准。 、 、 产品特点 压缩机采用第三代(III 型)螺杆式压缩机; 喷液螺杆式冷水机组独家采用喷液冷却技术; 主机采用 SKF 进口滚动轴承,保证最低的摩擦损失和最好的转子配置,效率更高,使用寿命更长; 采用吸排气压差供油,基本排除油泵故障,节省油泵电机功率; 采用约翰克兰或丹东克隆轴封,漏油少; 在不同的环境与负荷下,能量可在 15%~100%之间进行无级调节,节省运行费用; 油分滤芯可更换,分油效果可达 10ppm; 高效膜片式联轴器直联压缩机与电机,自动校中能力强,使用寿命长。 机组配用的冷凝器、蒸发器均采用高效换热管,使机组体积小,重量轻,结构更紧凑。 专业技术人员对系统合理的、优化设计。 型号表示方法

W- F LSLG F 1000 III 压缩机类型:III、II-表示III、II型压缩机,I型不表示 名义工况制冷量:用数字表示,单位kW 制冷剂种类:A-氨、F-氟利昂、半封闭不表示 型式:LSLG—开启螺杆式冷水机组 LSBLG—半封闭螺杆式冷水机组 PLSLG—喷液螺杆式冷水机组 机组类型(1):F—防爆型,非防爆不表示 控制方式: W—微机控制,非微机控制不表示

螺杆冷水机组的名义工况:指冷却水进水温度为 30℃、出水温度为 34℃; 冷冻水进水温度为 12℃、出水温度为 7℃。 开启螺杆式冷水机组(R22)
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螺杆式冷水机组,以 R22 为制冷剂,采用螺杆 III 型开启式螺杆压缩机,配用满液式蒸发器,名义工况制冷 量为 100~2700kW; 螺杆式冷水机组(R22)流程示意图

使用条件 电压偏差:±5% 冷却水进水温度:20~32℃ 冷水出水温度: 4~12℃,超出使用范围可以特殊设计 使用水质:应符合 GBJ50-1983 的规定 开启螺杆式冷水机组(标准型) 机组配用满液式蒸发器。满液式蒸发器是一种制冷剂液体在管外蒸发,而载冷剂(水)在管内流动的热交换 设备。制冷剂液体充满壳体与换热管间大部分空间,在较低的温度下沸腾蒸发,变为蒸气,并吸收载冷剂的热 量,载冷剂放热而被冷却。 这种蒸发器为卧式壳管式结构,具有换热效率高、结构紧凑、占地面积和空间高度小、构造简单、易于安 装、使用维护方便等优点。 换热管采用高效换热管,传热效率高; 载冷剂(水)侧为二流程。 开启螺杆式冷水机组(多流程) 为满足啤酒、饮料、水利等行业用户对冷冻循环水大温差的要求。我们设计有多种流程的满液式蒸发器, 供用户选择使用。 四流程:进出水温差可满足 14℃的要求 六流程:进出水温差可满足 22℃的要求 八流程:进出水温差可满足 28℃的要求 喷液螺杆式氨冷水机组 喷液螺杆式氨冷水机组,以 R717 为制冷剂,采用各种型号的开启式螺杆制冷压缩机,配用板式换热器作 冷凝器和蒸发器。名义工况制冷量为 470~3100kW。 该机组采用了多项先进技术,处于国际领先水平,为解决当前困扰制冷行业多年的工质替代问题开辟了一 个新思路,是一项填补国内空白的新产品。 微机控制螺杆式氨冷水机组流程示意图

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使用条件 电压偏差:±5% 冷却水进水温度:20~32℃ 冷水出水温度: 3~10℃,超出使用范围请与我公司联系 使用水质:应符合 GBJ50-1983 的规定 喷液螺杆式氨冷水机组的特点 以 R717 为制冷剂,绝对环保的“绿色”产品,是 R22 的理想替代品。 机组蒸发器和冷凝器均采用不锈钢激光焊接的板式换热器,传热效率大为提高,相较普通壳管式换热器其 体积缩小了 80%,克服了以往氨机体积庞大,充注氨量过多,操作控制极为烦琐的弱点; 制冷剂充注量少,运行维修费用低廉。本机组 R717 的充注量仅为同样冷量的 R22 机组、R134a 机组制冷 剂充注量的 10%,而 R717 的市场售价一般为 R22 的 10%、R134a 的 2%。综合以上因素本机组的运行维修费 用应为普通 R22 机组的 1%、R134a 机组的 0.2%。 独家采用中间喷液冷却的先进技术,省去了普通机组上必备的油冷却器,使机组的供油更加简单、通畅, 同时大大减少了整机的注油量、泄漏点和故障点; 档次高,技术含量高。机组的节流末端采用了引射技术,从而很好地解决了 R717 直接蒸发导致吸气带液 这一技术难题;另一方面,压缩机吸气过热度减少,制冷量进一步提高。 微机控制和先进制冷自控元件的使用使机组实现“智能化”和“数字化。 半封闭螺杆冷水机组 该系列机组为半封闭螺杆式冷水机组, 其压缩机采用我公司生产的半封闭螺杆式压缩机, 广范应用于宾馆、 影剧院、商场、医院等以冷水媒质集中供冷的舒适性空调场所,以及机械、化工等行业所需工艺冷源。 半封闭螺杆式冷水机组是我公司在多年设计、生产开启式螺杆冷水机组的基础上,采用先进技术和自动控 制系统,自行独立开发出的螺杆冷水机组。该机组把高效率、高自动化、高可靠性完美地结合在一起,给用 户提供了一种更方便、更经济、更信得过的制冷设备。 使用条件: 冷却水进水温度:20~32℃ 冷冻水出水温度:5~12℃ 机组特点:

电压偏差:±5℅ 使用水质:应符合 GBJ50-83 的规定

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压缩机转子采用武冷与华中科技大学联合研制的 5:6 不对称新齿形,容积效率明显提高; 机体采用屏蔽外壳,运转噪声低于 75 分贝,同时使机体外形更加美观; 热力膨胀阀,电磁阀均采用 Danfoss 公司产品,动作灵敏,控制精确; 冷凝器,蒸发器采用新型高效换热管,提高了机组的效率并节省了机组占地面积; 设有高低压保护,冰点保护,安全阀,易熔塞等多重保护装置,系统安全可靠; 机组的控制: 采用 PLC 微机全自动控制系统,主要控制元件采用德国 Simens 公司产品,绝对可靠; 设有电机热保护、电机过载保护、油温保护、高低压保护、冰点保护、相序保护等多项保护,确保压缩 机正常运转,系统安全可靠; 出水水温可由用户自行设定,机组自动调节水温至设定温度; 对于多压缩机机组可通过优选选择均衡各压缩机工作时间; 具有水泵、水塔连锁及保护功能,可实现全系统控制; 可实现多机组的并联运行,但需在订货时特别说明; 标准的 RS485 通讯接口,可实现机组的远程监控。 ★ 螺杆式盐水/乙醇机组 螺杆式盐水/乙醇机组广泛用于工业制冷的各个领域,满足各种不同的工艺需要。 螺杆式盐水/乙醇机组以 R22 为制冷剂,提供 0℃以下的低温冷源,出水温度可达-40℃。 根据用户需要或工艺需要,载冷剂可采用盐水(氯化钠或氯化钙溶液) 、乙醇(酒精)或乙二醇水溶液、 碱水溶液等。 螺杆式盐水/乙醇机组主要由螺杆式制冷压缩机组、冷凝器、蒸发器以及必需的控制设备等组成。冷却水及 冷冻水进出口均带有配对法兰(螺纹接口除外) ,以方便用户系统的连接。 机组出厂时已完成全部管路的连接,并已进行测试,用户只要配上冷却水系统、冷冻水系统并加入适量工 质和冷冻机油即可使用。 定购乙醇/盐水机组时需注明载冷剂种类、载冷剂出口温度、载冷剂进出口温差或流量。 螺杆式盐水/乙醇机组流程示意图

使用条件

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冷却水进水温度:20~32℃ 冷却水质符合 GBJ50-83 的规定 载冷剂适用范围(以载冷剂出口温度为准) : a、盐水水溶液:氯化钠水溶液适用于 0~-15℃、氯化钙水溶液适用于 0~-35℃ b、乙二醇溶液:乙醇、乙二醇水溶液适用于 0~-20℃/ 更低温度需乙二醇、乙醇、水三元混合溶液,比例为 4:2:4 c、载冷剂(盐水、乙二醇等)浓度:应按其凝固温度比所要求载冷剂出口温度低 7~10℃来确定 产品特点 压缩机采用第三代(III 型)螺杆式压缩机; 主机采用 SKF 进口滚动轴承,保证最低的摩擦损失和最好的转子配置,效率更高,使用寿命更长。 采用吸排气压差供油,基本排除油泵故障,节省油泵电机功率。 采用约翰克兰或丹东克隆轴封,漏油少。 在不同的环境与负荷下,能量可在 15%~100%之间进行无级调节,节省运行费用。 可变内容积比调节,使机组适应不同的运行负荷和工况。 机组低温带经济器运行,制冷量及制冷系数提高分别可达 33%、19%,节能性能高。 油分滤芯可更换,分油效果可达 10ppm。 高效膜片式联轴器直联压缩机与电机,自动校中能力强,使用寿命长。 机组配用的冷凝器、蒸发器均采用高效换热管,使机组体积小,重量轻,结构更紧凑。 蒸发器根据不同的工艺温度特别是在低温下,配备不同的高效换热管,以提高其传热效率。 蒸发器根据某些载冷剂对金属的腐蚀作用,采用新技术、新材料,以降低、阻止其对蒸发器的腐蚀。 机组可根据用户的温度设定进行自动控制。 专业技术人员对系统合理的、优化设计。 型号表示方法
W- F JYSLG F 600 III 压缩机类型:III、II-表示III、II型压缩机,I型不表示 压缩机在(-15/30℃)工况制冷量:用数字表示,单位kW 制冷剂种类:A-氨、F-氟利昂、半封闭不表示 型式:YSLG—螺杆式盐水机组 YCLG—螺杆式乙(二)醇机组 JSLG—螺杆式碱水机组 JYSLG—经济器螺杆式盐水机组 JJSLG—经济器螺杆式碱水机组 JYCLG—经济器螺杆式乙(二)醇机组 机组类型(1):F—防爆型,非防爆不表示 控制方式: W—微机控制,非微机控制不表示

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第七章 热交换设备与节流机构
§7-1 冷凝器
在压缩式制冷系统中,除了起心脏作用的压缩机外,还有为完成制冷循环所必需的冷凝器、蒸发器与节流 阀。其中冷凝器和蒸发器就是制冷装置中的主要热交换设备,它们传热效果的好坏会直接影响制冷装置的性能 和运转的经济性。因此,正确地选择、操作管理冷凝器和蒸发器对发挥和提高制冷装置的制冷性能、降低运行 费用有密切关系。 节流机构在蒸汽压缩式制冷系统中用来实现制冷剂液体的节流膨胀,并起调节蒸发器供液量的作用。设备 虽小,但它是制冷系统中四个必不可少的设备之一。 一、冷凝器的功用及其传热的基本情况 冷凝器是将制冷压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽的热量传递给冷却介质(空气或水)并使之凝结成液体的 热交换设备。其工作过程是:来自压缩机的过热制冷剂蒸汽进入冷凝器后先被冷却成饱和蒸汽,继而被冷凝成 饱和液体。若冷却介质流量大、温度低时,饱和液体还可进一步被冷却成过冷液体。 2 由传热学可知,在热交换设备中,传热量 Q 的大小与热交换面积 F(m )、对数平均温差Δt(℃)、传热系数

R 1/α+Σ /λ+1/α 1 δ 2 K(kcal/m ·h·℃)的大小等因素有关,即: Q=KFΔt (kcal/h)
2 2

其中

K=

1

=

1

Δt=

Δtmax—Δtmin

Ln(Δtmax/Δtmin)

式中:R——传热热阻(m ·h·℃/kcal); 2 α 1——换热壁内表面对流放热系数(kcal/m ·h·℃); 2 α 2——换热壁外表面对流放热系数(kcal/m ·h·℃); δ——组成热交换壁面的各层厚度(包括油垢、水垢等) (米); 2 λ——各层壁面材料的导热系数(kcal/m ·h·℃); Δtmax—最大温差(两流体在进口或出口处较大的温差),(℃); Δtmin ——最小温差(两流体在进口或出口处较小的温差),(℃). 由此可见,在既定的热交换设备中其热交换面积是一定的,因而要提高传热量 Q,除了提高对数平均温差 Δt外, 其重要途径是如何提高传热系数K。 而冷凝器传热系数 K 的大小则取决于冷凝器的结构、 管壁内外两侧(制 冷剂侧及冷却介质侧)放热系数α以及传热表面污脏的程度,下面简单地分析一下影响冷凝器的传热系数的因 素。 1、 影响制冷剂侧蒸汽冷凝放热系数的因素 制冷剂凝结的形式 当制冷剂蒸汽在冷凝器中与低于其饱和温度的壁面相接触时,它就在壁面上凝结为液体。其凝结形式可分 为“膜状凝结”和“珠状凝结”两种情况。一般说来,在相同温差下珠状凝结比膜状凝结的放热量要大 15~20 倍。但制冷剂蒸汽在冷凝器中的凝结一般为膜状凝结。 制冷剂的流速和流向 当制冷剂蒸汽在直立管壁上作膜状凝结时,在冷却表面的最上端,蒸汽直接同壁面接触而冷凝,凝结的液 体就沿着冷却表面向下流动,液膜层越向下越厚。这时液膜便把冷却表面同制冷剂蒸汽隔开,蒸汽凝结时所放 出的潜热必须通过液膜层传递到壁面。显然冷却表面越高,温差越大,平均放热系数将越小。 如果冷凝液膜的流动方向与汽流方向一致时,可使冷凝液膜能较迅速地流过传热表面。因此,液膜就薄,
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使放热系数增大。当制冷剂蒸汽的流动方向与冷凝液膜的流动方向相反,而且蒸汽流速较小时,液膜层就厚, 放热系数就降低。蒸汽流速增大到一定程度,会把液膜托起使液膜脱开壁面,在这种情况下,放热系数就升高。 传热表面的粗糙度 如果传热表面粗糙不平,则凝结液膜的流动阻力增加,冷凝的液体就不能很快向下 厚,放热系数相应降低。

流,从而使液膜层加

冷凝器的构造形式 制冷剂在卧式单根管的外表面冷凝时的放热系数一般大于直立管的放热系数,这是因为具有一定长度的直 立管的下部冷凝液膜层的厚度较大。但是,由多根横管排列成管簇时,其平均放热系数就减小,也有可能低于 直立管的放热系数。 因此,要提高制冷剂在冷凝时的放热系数,无论任何一种构造的冷凝器,都应保证冷凝液体能从传热表面 上迅速的排除。 2、影响冷却水(或空气)侧的放热系数的因素 作为冷却介质的水或空气的流速大小,对其一侧的放热系数有很大的影响。随着冷却介质流速的增加,其 放热系数也就增加。但是,冷却介质流速的增大会使冷凝器内的流动阻力随之增加,从而使消耗的机械功也就 增加了。冷凝器内冷却介质的最佳流速:冷却水为 0.8~1.2 米/秒,空气为 2~4 米/秒。 3、传热表面污脏程度 在冷凝器传热表面上,被润滑油污染程度即使是极其轻微时,也会使冷凝器的传热系数大大降低。例如, 厚度为 0.1 毫米的油垢, 其所产生的热阻相当于厚度为 33 毫米钢板的热阻。 在冷凝器传热表面上积有水垢及气 冷式冷凝器传热表面上积有灰尘时,都会使冷凝器传热情况恶化。 4、制冷剂蒸汽中存在空气或其它不凝性气体的影响 在制冷系统安装和运行过程中,由于系统的不严密,常有空气渗入,此外制冷剂也会分解出一些气体。这 些气体在制冷系统中不能被凝结成液体,因而被称为不凝性气体,其中主要是空气。不凝性气体无论是从制冷 系统中哪一部分进入,以后都会聚集在冷凝器和高压贮液桶中。在冷凝器中的不凝性气体会造成冷凝器的总压 力增大,降低冷凝器的传热效率,并使压缩机消耗的功增加,排汽压力和温度也升高。由此可见制冷系统中存 有空气时,必须采取措施,既要防止空气渗入制冷系统内,又要及时地将系统中的不凝气体(主要是空气)利用 专门的设备排出。 二、冷凝器的种类及特点 冷凝器按其冷却介质不同,可分为水冷式、空气冷却式、蒸发式三大类。 (一)水冷式冷凝器 水冷式冷凝器是以水作为冷却介质,靠水的温升带走冷凝热量。冷却水一般循环使用,但系统中需设有冷 却塔或凉水池。水冷式冷凝器按其结构形式又可分为壳管式冷凝器和套管式冷凝器两种,常见的是壳管式冷凝 器。 1、立式壳管式冷凝器

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图 6—1 立式冷凝器
立式壳管式冷凝器又称立式冷凝器, 它是 2000 年以前氨制冷系统广泛采用的一种水冷式冷凝器。 立式冷凝 器的结构如图 6—1 所示,其主要由外壳(筒体)1、管板 2 及管束 3 等组成。筒体是由 8~16mm 的钢板卷成圆柱 形筒体后焊接而成,筒体两端各焊有一块多孔的管板,两管板之间焊接或胀接ф38~ф70 的无缝钢管数十根。 冷却水从顶部进入管束,沿管内壁往下流。制冷剂蒸汽从筒体高度 2/3 处的进汽口进入管束间空隙中,管内的 冷却水与管外的高温制冷剂蒸汽通过管壁进行热交换,从而使制冷剂蒸汽被冷凝成液体并逐渐下流到冷凝器底 部,经出液管流入贮液器。吸热后的水则排入下部的混凝土水池中,再用水泵送入冷却水塔中经过冷却后循环 使用。 为了使冷却水能够均匀地分配给各个管口,冷凝器顶部的配水箱内设有匀水板并在管束上部每个管口装有 一个带斜槽的导流器,以使冷却水沿管内壁以膜状水层向下流动,这样既可以提高传热效果又节约水量。 此外,立式冷凝器的外壳上还设有均压管、压力表、安全阀和放空气管等管接头,以便与相应的管路和设 备连接。 立式冷凝器的主要特点是: 1°由于冷却流量大流速高,故传热系数较高,一般 K=700~814W/m ·℃。 2°垂直安装占地面积小,且可以安装在室外。 3°冷却水直通流动且流速大,故对水质要求不高,一般水源都可以作为冷却水。 4°管内水垢易清除,人工清洗很麻烦,清洗剂清洗需清洗剂量较大。 5°但因立式冷凝器中的冷却水温升一般只有 2~4℃,对数平均温差一般在 5~6℃左右,故耗水量较大。 且由于设备置于空气中,管子易被腐蚀,泄漏时比较容易被发现。 2000 年以前立式冷凝器在国内使用较多,在 2000 年以后,立式冷凝器使用越来越少,武新制冷公司近年 来已基本没有订货。
58
2

武新制冷公司生产的立式冷凝器有关参数如下: 适用范围及特点: 一般安装在室外,占地面积小,冷却水消耗量较大,清洗方便;适用于水源充足、水质较差的地区。 技术参数: 设计压力:壳程 2.0MPa 管程 0.4MPa 试验压力(壳程):液压试验 2.5MPa 气密性试验 2.0MPa 设计温度:壳程 150℃ 管程 50℃ 2 传热系数 K(W/m ·℃) 700~814 : 单位面积热负荷 qF( W/m2 ) : 3000~4000 【冷却水温升(2~3)℃,单位面积冷却水量(1.0~1.7)m3/(m2·h) ,当进水温度(30~32)℃时推 2 荐取 qF(3000~3500) W/m 】 立式冷凝器主要数据表
冷凝面积 容器类别

型号 LN50 LN75 LN100 LN120 LN150 LN200 LN250 LN310 LN350 LN400 LN450
附件规格表

图号 510 511 C7116 512 513 C7136 514 515 C7151 C7156 519

m 51 76 101 121 150 201 251 311 352 401 452

2

EM

筒体直 DN(mm) 550 650 750 800 900 1000 1200 1300 1350 1400 1500

L

主要尺寸mm L1 L2 440 460 460 500 500 550 550 550 630 630 750 330 350 350 380 380 440 440 460 460 460 460

A

支座尺寸mm B d0 620 720 830 880 980 1080 1200 1400 1450 1490 1590 26

质量 kg 1830 2420 3320 3980 4900 6610 8080 10020 11070 12320 13940

150



220

530 630 730 780 880 980 1080 1280 1330 1370 1470

32

立 式 冷 凝 器 型 号 附 件 名 称 直通式截止阀 直通式截止阀 直角式截止阀 直角式截止阀 直角式截止阀 压 力 表 阀 压 力 表 d6 代号 d d1 d2 d3 d4 d5 1 数量

LN50

LN75 LN100 LN120 LN150 LN200 LN250 LN310 LN350 LN400 LN450 用途说明 附件规格 DN(mm)

备注

65 32

80 40

80 40

100 50

100 50

125 65 20 15

125 65

125 80

150 80

150 80

200 80

进气 出液 放油 混合气

用户自备 用户自备

20 4

25(直通式截止阀)

平衡
压力表前

YZA-100(-0.1~2.5)MPa 20 20 d7 89 4组 133 M24×300 173 211 283 15 349 M30×400 415 546 614 703 M30×630 797 25(直通式截止阀) 25

测压 32(直通式截止阀) 安全阀前 32 放空气

直角式截止阀 安 全 阀

直角式截止阀 分水器 (个) 地 脚 螺 栓

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2、卧式壳管式冷凝器

图 6—2 卧式冷凝器
卧式冷凝器的结构如图 6—2 所示。它与立式冷凝器有相类似的壳体结构,但在总体上又有很多不同之处, 主要区别在于壳体的水平安放和水的多路流动。卧式冷凝器两端管板外面各用一个端盖封闭,端盖上铸有经过 设计互相配合的分水筋,把整个管束分隔成几个管组。从而使冷却水从一端端盖下部进入,按顺序流过每个管 组,最后从同一端盖上上部流出过程中,要往返 4~10 个回程。这样做既可以提高管内冷却水的流速,从而提 高传热系数,又使使高温的制冷剂蒸气从壳体上部的进气管进入管束间与管内冷却水进行充分的热交换。冷凝 下来的液体从下部出液管流入贮液筒。 在冷凝器的另一端端盖上还常设有排空气阀和放水旋塞。排气阀在上部,在冷凝器投入运行开始时打开, 以排出冷却水管中的空气,使冷却水畅通地流动,切记不要与放空气阀混淆,以免造成事故。放水旋塞供冷凝 器停用时放尽冷却水管内的存水,避免冬季因水冻结而冻裂冷凝器。 卧式冷凝器的壳体上同样留有若干与系统中其它设备连接的诸如进气、出液、均压管、放空气管、安全阀、 压力表接头及放油管等管接头。 卧式冷凝器不仅广泛地用于氨制冷系统,也可以用于氟利昂制冷系统,但其结构略有不同。氨卧式冷凝器 的冷却管采用光滑无缝钢管或横纹管,而氟利昂卧式冷凝器的冷却管一般采用低肋铜管。这是由于氟利昂放热 系数较低的缘故。值得注意的是,有的氟利昂制冷机组一般不设贮液筒,只采用冷凝器底部少设几排管子,兼 作贮液筒用。 卧式和立式冷凝器,二者除安放位置和水的分配不同外,水的温升和用水量也不一样。立式冷凝器的冷却 水是靠重力沿管内壁下流,只能是单行程,故要得到足够大的传热系数 K,就必须使用大量的水。而卧式冷凝 器是用泵将冷却水压送到冷却管内, 故可制成多行程式冷凝器, 且冷却水可以得到足够大的流速和温升(Δt=4~ 6℃)。所以卧式冷凝器用少量的冷却水就可以得到足够大的 K 值。但过分地加大流速,传热系数 K 值增大不多, 而冷却水泵的功耗却显著增加, 所以氨卧式冷凝器的冷却水流速一般取 1m/s 左右为宜, 氟利昂卧式冷凝器的冷 却水流速大多采用 1.5~2m/s。 总上所述,卧式冷凝器传热系数高,冷却水用量小,结构紧凑、操作管理方便。但要求冷却水的水质好, 且清洗水垢不方便,一般采用清洗剂清洗,泄漏时也不易发现。目前在国内制冷系统用得较多。

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武新制冷公司生产的卧式冷凝器有关参数: 适用范围及特点: 一般安装在室内,结构紧凑,传热效果好,冷却水进出口温差比立式冷凝器较大,故水循环量较立式冷凝 器小;适用于水质良好的地区,大、中、小型氨制冷装置都可采用。 技术参数: 设计压力:壳程 2.0MPa 管程 0.8MPa 试验压力(壳程):液压试验 2.5MPa 气密性试验 2.0MPa 设计温度:壳程 150℃ 管程 50℃ 2 传热系数 K(W/m ·℃) 814~1045 : 水程阻力损失:≤0.06MPa 2 单位面积热负荷 qF(W/m ) 3500~4650 : 【冷却水温升(4~6)℃,单位面积冷却水量(0.7~0.9)m3/(m2·h) 】 卧式冷凝器(横纹管)主要数据表
型号 WN50 WN75 WN110 WN150 WN200 WN250 WN300 WN350 WN400 WN450 WN500 WN550 WN700 WN800 图号 FB203 520A 521A C4126 523A C4136 C4141 C4146 525A 526A 528A 529A C4181 C4191 冷凝面积 容器类别 筒体尺寸 m 50 75 110 150 200 250 300 350 400 450 500 550 700 800 二
2

外形尺寸mm L 4055 3805 4165 3920 6100 6755 7020 6140 6510 6955 6980 6145 7200 8200 B 665 655 750 945 840 930 945 1065 1065 1065 1575 1560 1560 1560 H 1300 1330 1490 1840 1740 1795 2030 1860 1890 1890 1900 2200 2200 2200 B1 360 400 460 590 530 530 590 600 600 600 660 660 840 840

安装尺寸mm B2 510 550 640 810 720 720 810 760 760 760 820 820 1000 1000 170 24 24×64 150 20 20×45 C d0 b×L

质量 kg 1640 1965 2685 3315 4800 5580 6865 7995 8435 8990 11060 13200 17020 19360

EM

DN(mm) 500 600 700 900 800 800 900 1000 1000 1000 1100 1100 1400 1400

卧式冷凝器(横纹管)主要尺寸表

型号
WN50 WN75 WN110 WN150 WN200 WN250 WN300 WN350 WN400 WN450 WN500 WN550 WN700 WN800

880 940 950 1185 1515 1450 1560 1340 1525 1525 1575 1440 1710 1710

L1

2400 2040 2440 1700 3200 4000 3600 3560 3565 4010 4000 3420 4000 5000

L2

340 360 380 450 800 600 800 370 550 330 600 345 655 655

L3

625 560 570 630 620 852 660 770 775 990 875 625 955 955

L4

850 800 1000 800 1900 2000 2100 1600 1735 1735 2100 1855 2155 2655

主 要 尺 寸 mm L5 L6 L7
850 800 900 800 1900 2600 2100 2250 2535 2755 2600 2355 2155 2155

90 120 130 200 240 -

485 510 560 760 710 610 760 710 910 910 765 920 925 925

H1

160 140 150 180 200 210 210 235 235 235 260 300 300 300

H2

H3
325

360 310

405

300 300 300 330 390 390 410 450 450 450 550 550 630 630

H4

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附件规格表
卧式冷凝器型号 附件名称 直角式截 止阀 压力表阀 压 力 表 直通式截止阀 直通式截止阀 安 全 阀 直通式截止阀 直通式截止阀 平面法 兰 平面法 兰 地脚螺栓 d6 d7 d8 4组 40 100 100 d3 d4 d5 1 80 25 25 40 150 150 50 150 150 M16×300 65 200 200 65 200 200 100 32 125 32 32 80 250 250 100 300 300 M20×300 125 150 代号 数量 d1 d2 10 4 YZA-100(-0.1~2.5)MPa 40 200 40 40 150 400 400 安全阀前 出 进 出 液 水 水
用户自备

WN50

WN75 WN110 WN150 WN200 WN250 WN300 WN350 WN400 WN450 WN500 WN550 WN700 附 件 规 格 DN(mm) 15

WN800

用途说明

备注

放空气 压力表前 测压力 平 进 衡 气
用户自备 用户自备

3、套管式冷凝器

图 6—3 套管式冷凝器 图 6—4 氟利昂套管式冷凝器 套管式冷凝器是由两种不同直径的无缝钢管或两种不同直径的铜管套装在一起而组成的,外套管直径一般 为φ57×3mm,内管直径为φ38×3.5mm。其结构如图 6—3 所示。 制冷剂的蒸气从上方进入内外管之间的空腔,在内管外表面上冷凝,液体在外管底部依次下流,从下端流 入贮液器中。冷却水从冷凝器的下方进入,依次经过各排内管从上部流出,与制冷剂呈逆流方式。这种冷凝器 的优点是结构简单,便于制造,且因系单管冷凝,介质流动方向相反,故传热效果好,当水流速为 1~2m/s 时 2 传热系数可达 930W/(m ·℃)。其缺点是金属消耗量大,而且当纵向管数较多时,下部的管子充有较多的液体, 使传热面积不能充分利用。另外紧凑性差,清洗困难,并需大量连接弯头。因此,这种冷凝器在氨制冷装置中 已很少应用。 对于小型氟利昂空调机组仍广泛使用套管式冷凝器,为了缩小机组体积将套管弯成盘管形状,如图 6—4 所 示。 通常是把封闭型压缩机放在冷凝器中间, 使整个机组布置紧凑。 这类套管式冷凝器内部常套有 3~4 根内管。 内管内侧带有纵向肋片,氟利昂在内管内冷凝,而水在内管外的环形空间中流动,有时也用塑料管或橡皮管代 2 替外管。这类套管式冷凝器的传热系数可达 1050~1160W/(m ·℃)。主要用在制冷量为 20kW 左右的小型氟利 昂机组中。 (二)空气冷却式冷凝器 空气冷却式冷凝器是以空气作为冷却介质,靠空气的温升带走冷凝热量的。这种冷凝器适用于极度缺水或 无法供水的场合,常见于小型氟利昂制冷机组。根据空气流动方式不同,可分为自然对流式和强迫对流式两种。 自然对流式又有线管式和百叶窗式两种结构形式,如图 6—5a 所示,从结构和性能来看,前者散热效果好,加 工方便,成本低。因此,电冰箱常采用线管式冷凝器。
62

百叶窗式

线管式

(a)自然对流式

(b)风冷式

图 6—5 空气冷却式冷凝器
强迫对流的风冷式冷凝器都是采用铜管穿整体铝片的结构,如图 6—5b 所示。铝片厚 0.2~0.3mm,片距为 2~4mm。风冷式冷凝器在沿空气流动方向上,常为 2~8 排蛇形盘管并联,迎面风速 2~3m/s,氟利昂蒸汽由上 集管进入每一排蛇形盘管中,冷凝液汇集于下集管,然后进入贮液器。 风冷式冷凝器的主要特点是不需冷却水且使用管理方便,但传热系数小,一般约为 23~29W/(m ·℃),所 以设计计算时取较大的平均温差Δt=10~15℃,否则需要较大的传热面积,会造成经济上的不合理。 (三)蒸发式冷凝器
2

图 6—6 蒸发式冷凝器原理图 蒸发式冷凝器的换热主要是靠冷却水在空气中蒸发吸收气化潜热而进行的。按空气流动方式可分为吸入式 和压送式,如图 6—6 所示。 蒸发式冷凝器由冷却管组、给水设备、通风机、挡水板和箱体等部分组成。冷却管组为无缝钢管弯制成的 蛇形盘管组,装在薄钢板制成的长方形箱体内。箱体的两侧或顶部设有通风机,箱体底部兼作冷却水循环水池, 如图 6—6 所示。 蒸发式冷凝器工作时,制冷剂蒸汽从上部进入蛇形管组,在管内凝结放热并从下部出液管流入贮液器。而 冷却水由循环水泵送到喷水器,从蛇形盘管组的正上方向盘管组的表面喷淋,通过管壁吸收管内冷凝热量而蒸 发。设在箱体侧面或顶部的风机强迫空气自下而上掠过盘管,促进水的蒸发并带走蒸发的水分。其中,风机安 装在箱体顶部,蛇形管组位于风机的吸气侧时称为吸入式蒸发冷凝器,而风机安装在箱体两侧,蛇形管组位于 风机的出气侧时称为压送式蒸发冷凝器,吸入式空气能均匀地通过蛇形管组,故传热效果好,但风机在高温高 湿条件下运行,易发生故障。压送式虽空气通过蛇形管组不太均匀,但风机电机工作条件好。 蒸发式冷凝器的特点: 1、与直流供水的水冷式冷凝器相比,节省水 95%左右。但与水冷式冷凝器和冷却塔组合使用时相比较, 用水量差不多。 2、与水冷式冷凝器和冷却塔组合系统相比,二者的冷凝温度差不多,但蒸发式冷凝器结构紧凑。而与风冷
63

式或直流供水的水冷式冷凝器相比,其尺寸就比较大。 3、与风冷式冷凝器相比,其冷凝温度低。尤其是干燥地区更明显。全年运行时,冬季可按风冷式工作。与 直流供水的水冷式冷凝器相比,其冷凝温度高些。 4、冷凝盘管易腐蚀,管外易结垢,且维修困难。 总上所述,蒸发式冷凝器的主要优点是耗水量小,但循环水温高,冷凝压力大,清洗水垢困难,对水质要 求严。特别适用于干燥缺水地区,宜在露天空气流通的场所安装,或安装在屋顶上,不得安装在室内。单位面 2 积热负荷一般为 1.2~1.86kW/m 。 国内生产蒸发式冷凝器主要的两家是大连的巴尔的摩公司和上海的益美高公司: 巴尔的摩蒸发式冷凝器制冷剂 R22 和 R134A 的排热量校正系数
冷凝温度

进风空气湿球温度(℃) 10 12 14 16 18 19 20 21 22 23 24 25 26 28 0.84 0.92 1.01 1.13 1.29 1.40 1.53 1.70 1.91 2.19 2.59 3.18 0.75 0.81 0.88 0.97 1.08 1.15 1.24 1.34 1.47 1.62 1.83 2.10 2.48 0.68 0.72 0.77 0.84 0.92 0.98 1.03 1.10 1.19 1.28 1.40 1.56 1.75 2.37 0.61 0.65 0.69 0.74 0.81 0.84 0.89 0.93 0.99 1.06 1.14 1.23 1.35 1.68 0.56 0.59 0.62 0.66 0.71 0.74 0.77 0.81 0.85 0.90 0.95 1.01 1.09 1.29 0.52 0.54 0.57 0.60 0.64 0.66 0.68 0.71 0.74 0.78 0.82 0.86 0.91 1.05 0.48 0.49 0.52 0.54 0.57 0.59 0.61 0.63 0.66 0.68 0.71 0.75 0.78 0.88 0.44 0.46 0.48 0.50 0.52 0.54 0.55 0.57 0.59 0.61 0.63 0.66 0.68 0.75 0.41 0.42 0.44 0.46 0.48 0.49 0.50 0.52 0.53 0.55 0.56 0.58 0.61 0.66

(℃) 29 31 33 35 37 39 41 43 45

巴尔的摩蒸发式冷凝器制冷剂 R717 的排热量校正系数
冷凝温度

进风空气湿球温度(℃) 10 12 14 16 18 19 20 21 22 23 24 25 26 28 0.71 0.76 0.84 0.94 1.07 1.16 1.27 1.40 1.57 1.80 2.12 2.61 0.63 0.67 0.73 0.80 0.89 0.95 1.02 1.10 1.20 1.33 1.49 1.71 2.02 0.56 0.60 0.64 0.69 0.76 0.80 0.85 0.90 0.97 1.05 1.14 1.26 1.42 1.92 0.51 0.53 0.57 0.61 0.66 0.69 0.72 0.76 0.81 0.86 0.92 1.00 1.09 1.35 0.46 0.48 0.51 0.54 0.58 0.60 0.63 0.66 0.69 0.72 0.77 0.82 0.88 1.04 0.42 0.44 0.46 0.49 0.52 0.53 0.55 0.57 0.60 0.62 0.66 0.69 0.73 0.84 0.39 0.40 0.42 0.44 0.46 0.48 0.49 0.51 0.53 0.55 0.57 0.60 0.63 0.70 0.36 0.37 0.38 0.40 0.42 0.43 0.44 0.45 0.47 0.49 0.50 0.52 0.54 0.60 0.33 0.34 0.35 0.37 0.38 0.39 0.40 0.41 0.42 0.43 0.45 0.46 0.48 0.52

(℃) 29 31 33 35 37 39 41 43 45

注:实际排热量=排热量×校正系数

64

(四)淋水式冷凝器 淋水式冷凝器是靠水的温升和水在空气中蒸发带走冷凝热量。其结构如图 6—7 所 示。 其主要由换热盘管、 淋水箱等 组成。 制冷剂蒸气从换热盘管下部 而冷却水从淋水箱 进汽口 4 进入, 的缝隙流到换热盘管的顶端, 成膜 状向下流, 水吸收冷凝热, 在空气 的自然对流情况下,由于水的蒸 发, 而带走部分冷凝热热量。 被加 热后的冷却水流入水池中, 再经冷 却塔冷却后循环使用, 或排掉一部 分水, 而补充一部分新鲜水送入淋 水箱。 冷凝后的液态制冷剂流入贮 液器中。 这种冷凝器主要用于大、中型氨制冷系统中。它可以露天安装,也可安装在冷却塔的下方,但应避免阳光 直射。淋水式冷凝器的主要优点为:1、结构简单,制造方便;2、漏氨时容易发现,维修方

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