【正文】 第五章 壓縮式制冷系統(tǒng)的設(shè)備和自控裝置 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 一、冷凝器的種類、構(gòu)造和工作原理 冷凝器的作用是將壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑蒸氣的熱量傳遞給冷卻介質(zhì)（空氣或水）后冷凝為高壓液體，以達(dá)到制冷循環(huán)的目的。 冷凝器按其冷卻介質(zhì)的不同，可分為水冷式、空冷式（風(fēng)冷式）、水 空氣冷卻式三類。 （一）水冷式冷凝器 這一類冷凝器是以水作為冷卻介質(zhì)，常用的冷卻水有江水、河水、自來水等。冷卻水可以一次流過冷凝器，也可以經(jīng)過冷卻塔冷卻后再循環(huán)使用。 常用的水冷式冷凝器有立式殼管式冷凝器、臥式殼管式冷凝器和套管式冷凝器等，現(xiàn)分別介紹如下。 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 立式殼管式冷凝器 這種冷凝器的構(gòu)造如圖 51所示，其外殼是由鋼板卷焊而成的大圓筒，上下兩端各焊一塊多孔管板，板上用脹管法或焊接法固定著許多無縫鋼管。冷凝器頂部裝有配水箱，箱內(nèi)設(shè)有均水板。冷卻水自頂部進(jìn)入水箱后，被均勻地分配到各個管口，每根鋼管 圖 51 立式殼管式冷凝器 圖 52 導(dǎo)流管嘴 1—導(dǎo)流管嘴 2—管板 頂端裝有一個帶斜槽的導(dǎo)流管嘴，如上頁圖 52所示。冷卻水通過斜槽沿切線方向流入管中，并以螺旋線狀沿管內(nèi)壁向下流動，在管內(nèi)壁形成一層水膜，這樣可使冷卻水充分吸收制冷劑的熱量而節(jié)省水量。沿管壁順流而下的冷卻水流入冷凝器下部的鋼筋混凝土水池內(nèi)，通常在冷凝器的一側(cè)需裝設(shè)扶梯，便于攀登到配水箱進(jìn)行檢查和清除污垢。 高溫高壓的氨氣從冷凝器上部管接頭進(jìn)入管束外部空間，凝結(jié)成的高壓液體從下部管接頭排至貯液器。此外，在冷凝器的外殼上還設(shè)有液面指示器、壓力表、安全閥、放空氣管、平衡管（即均壓管）、放油管和放混合氣（即不凝性氣體）等管接頭，以便與相應(yīng)的設(shè)備和管路相連接。 立式殼管式冷凝器的優(yōu)點是，垂直安裝，占地面積小，可安裝在室外，無凍結(jié)危險，便于清除水垢，而且清洗時不必停止制冷系統(tǒng)的運行，對冷卻水的水質(zhì)要求不高。主要缺點是耗水量大、笨重、搬運不方便，制冷劑在里泄漏不易發(fā)現(xiàn)。盡管如此，目前我國大中型氨制冷裝置中多采用此種冷凝器。 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 臥式殼管式冷凝器 圖 53為臥式殼管式冷凝器。臥式殼管式冷凝器用鋼板焊成臥式圓筒形殼體，殼體內(nèi)裝有許多根無縫鋼管，用焊接或脹接法固定在筒體兩端的管板上，兩端管板的外面用帶有隔板的封蓋封閉，使冷卻水在筒內(nèi)分成幾個流程。冷卻水在管內(nèi)流動，從一端封蓋的下部進(jìn)入，按順序通過每個管組，最后從同一端封蓋上部流出。這樣可以提高冷卻水的流動速度，增強(qiáng)傳熱效果。 高壓高溫的氨氣從上部進(jìn)入冷凝器管間，與管內(nèi)冷卻水充分發(fā)生熱量交換后，氨氣冷凝為氨液從下部排至貯液器。 筒體上設(shè)有安全閥、平衡管、放空氣管和壓力表、冷卻水進(jìn)出口等管接頭。此外，在封蓋上還設(shè)有放空氣閥和放水閥，在冷凝器開始運轉(zhuǎn)時，可打開放空氣閥，以排除冷卻水管內(nèi)的空氣，冷凝器檢修或停止運轉(zhuǎn)時，可利用放水閥將其冷卻水排出。 臥式殼管式冷凝器的主要優(yōu)點是傳熱系數(shù)較高，耗水量較少，操作管理方便，但是要求冷卻水的水質(zhì)要好，清洗水垢時不太方便，需要停止冷凝器的工作。這種冷凝器一般應(yīng)用在中、小型制冷裝置中，特別是壓縮式冷凝機(jī)組中使用最為廣泛。 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 圖 53 臥式殼管式冷凝器 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 氟利昂用臥式殼管式冷凝器與氨用臥式殼管式冷凝器不同之處在于用銅管代替無縫鋼管，由于氟利昂側(cè)放熱系數(shù)較低，所以在銅管外表面軋成肋片狀。此外，由于氟利昂能和潤滑油相溶解，潤滑油隨氟利昂一起在整個系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，所以不需要設(shè)放油管接頭。 冷凝器的下側(cè)還設(shè)有一個安全塞，它是用易熔合金制成，當(dāng)遇火災(zāi)或嚴(yán)重缺水時，熔塞自行熔化，氟利昂能自動地從冷凝器排出，避免發(fā)生爆炸。 套管式冷凝器 套管式冷凝器一般用于小型氟利昂制冷機(jī)組，例如柜式空調(diào)機(jī)、恒溫恒濕機(jī)組等。其構(gòu)造見下頁圖 54。它的外管采用 φ 50的無縫鋼管，內(nèi)管套有一根或若干根紫銅管或低肋銅管，內(nèi)外管套在一起后，用彎管機(jī)彎成圓螺旋形。 冷卻水在內(nèi)管流動，流向為下進(jìn)上出，制冷劑在大管內(nèi)小管外的管間流動，制冷劑由上部進(jìn)入，凝結(jié)后的制冷劑液體從下面流出。制冷劑與冷卻水的流動方向相反，呈逆流換熱，因此，它的傳熱效果好。 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 套管式冷凝器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、體積小、緊湊、占地少、傳熱效果好。缺點是冷卻水流動阻力大、清洗水垢不方便、單位傳熱面積的金屬消耗量大。 圖 54 套管式冷凝器 圖 55 空氣冷卻式冷凝器 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 （二）空冷式冷凝器 空冷式冷凝器又稱風(fēng)冷式冷凝器，它是用空氣作為冷卻介質(zhì)使制冷劑蒸氣冷凝為液體。根據(jù)空氣流動的方式可分為自然對流式和強(qiáng)迫對流式。自然對流冷卻的空冷式冷凝器傳熱效果差，只用在電冰箱或微型制冷機(jī)中，強(qiáng)迫對流冷卻的冷凝器廣泛應(yīng)用于中小型氟利昂制冷和空調(diào)裝置。 上頁圖 55所示為空氣冷卻式冷凝器，制冷劑蒸氣從進(jìn)氣口進(jìn)入各列傳熱管中，空氣以 2~3m/s的迎面流速橫向掠過管束，帶走制冷劑的冷凝熱，制冷劑液體由下部排出冷凝器。 空冷式冷凝器由于空氣側(cè)的放熱系數(shù)較小，其傳熱系數(shù)為：強(qiáng)迫對流式（以外表面積為準(zhǔn)）約為 24~28W/（ m2℃ ），自然對流式約為 7~9W/（ m2℃ ）。為了強(qiáng)化空氣側(cè)的傳熱，傳熱管均采用肋片管。肋片管分為銅管鋁片、銅管銅片和鋼管銅片，通常采用銅管鋁片。 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 空冷式冷凝器和水冷式凝器相比較，其優(yōu)點可以不用水，使冷卻系統(tǒng)變得十分簡單，因此它適宜于缺水地區(qū)或用水不適合的場所（如冰箱、冷藏車等）。一般情況下，它不受污染空氣的影響（即一般不會產(chǎn)生腐蝕）。而水冷式冷凝器用冷卻塔的循環(huán)水時，則水有被污染的可能，進(jìn)而腐蝕設(shè)備。 這種冷凝器的冷凝溫度受環(huán)境溫度影響很大。夏季的冷凝溫度可高達(dá) 50℃ 左右，而冬季的冷凝溫度就很低。太低的冷凝壓力會導(dǎo)致膨脹閥的液體通過量減小，使蒸發(fā)器缺液而制冷量下降。因此，應(yīng)注意防止空冷式冷凝器冬季運行時壓力過低。也可采用減少風(fēng)量或停止風(fēng)機(jī)運行等措施彌補(bǔ)。 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 （三）蒸發(fā)式冷凝器 蒸發(fā)式冷凝器是以水和空氣作為冷卻介質(zhì)。它是利用冷卻水噴淋時蒸發(fā)吸熱，吸收高壓制冷劑蒸氣的熱量，同時利用軸流風(fēng)機(jī)使空氣由下而上通過蛇形管使管內(nèi)制冷劑氣體冷凝為液體。 根據(jù)蒸發(fā)冷凝器中軸流風(fēng)機(jī)安裝的位置不同可分為吸入式和壓送式，其構(gòu)造見圖 56（ a）、（ b），它是由換熱盤管、供水噴淋系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)三部分組成。 圖 56 蒸發(fā)式冷凝器示意圖 （ a）吸入式 （ b）壓送式 1—風(fēng)機(jī) 2—淋水裝置 3—盤管 4— 擋水板 5— 水泵 6— 水盤 7— 浮球閥補(bǔ)水 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 蒸發(fā)式冷凝器的優(yōu)點： 1）與水冷式冷凝器相比，循環(huán)水量和耗水量減少。水冷式冷凝器靠水的溫升帶走制冷劑的熱量， 1kg水大約帶走 25～ 35KJ（溫升 6～ 8℃ ）的熱量，而 1kg水蒸發(fā)帶走 2450 KJ的熱量，所以理論上蒸發(fā)式冷凝器耗水量只是水冷式耗水量的 1%。實際上，由于漏水和空氣中夾帶水滴等的耗水，補(bǔ)水量約為水冷式冷凝器耗水量的 5%～ 10%，此外，蒸發(fā)式冷凝器中循環(huán)水量以能夠形成管外水膜為度，水量不需要很大，所以，降低了水泵的耗功率。 2）與風(fēng)冷式冷凝器相比，其冷凝溫度低，尤其是干燥地區(qū)更明顯。 蒸發(fā)式冷凝器的缺點： 1）蛇形盤管容易腐蝕，管外易結(jié)垢，且維修困難。 2）既消耗水泵功率，又消耗風(fēng)機(jī)功率。但風(fēng)機(jī)和水泵的電耗不是很大，對于每 1KW的熱負(fù)荷，循環(huán)水量為 ～ ，空氣流量為～ ,而水泵和風(fēng)機(jī)的耗電量為 ～ 。蒸發(fā)式冷凝器適用于缺水地區(qū)，可以露天安裝，廣泛應(yīng)用于中小型氨制冷系統(tǒng)。 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 二、冷凝器的選擇計算 冷凝器的選擇計算主要是確定冷凝器的傳熱面積，選定適用型號的冷凝器，計算冷卻介質(zhì)（水或空氣）的流量，以及冷卻介質(zhì)通過冷凝器時的流動阻力。 （一）冷凝器選擇的原則 對于冷卻水水質(zhì)較差、水溫較高、水量充足的地區(qū)宜采用立式殼管式冷凝器； 水質(zhì)較好，水溫較低的地區(qū)宜采用臥式殼管式冷凝器； 小型制冷裝置可選用套管式冷凝器； 在水源不足的地區(qū)或夏季室外空氣濕球溫度較低的地區(qū)可采用蒸發(fā)式冷凝器； 冷卻水采用循環(huán)使用時，應(yīng)根據(jù)制冷裝置的要求進(jìn)行合理的選擇。 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 （二）冷凝器傳熱面積的計算 冷凝器傳熱面積的計算公式 冷凝器傳熱基本方程式 Φ k=KA△ t （ 51） 式中 Φ K—— 冷凝器的熱負(fù)荷（ KW）； K—— 冷凝器的傳熱系數(shù) [W/（ m2℃ ） ]； A—— 冷凝器的傳熱面積（ m2）； △ t —— 冷凝器的傳熱平均溫差（ ℃ ）。 因此，冷凝器傳熱面積計算公式為 ΦK Φ K A = —— = —— （ 52） K△ t ψ 式中 ψ —— 冷凝器的熱流密度（ W/m2）。 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 冷凝器的熱負(fù)荷 ΦK 冷凝器的熱負(fù)荷是指制冷劑在冷凝器中放給冷卻水（或空氣）的熱量。如果忽略掉壓縮機(jī)和排氣管表面散失的熱量，那么，高壓制冷劑蒸氣在冷凝器中所放給冷卻水（或空氣）的熱量應(yīng)等于制冷劑在蒸發(fā)器中吸收被冷卻物體的熱量（制冷量 ΦO ），再加上低壓制冷劑蒸氣在壓縮機(jī)中壓縮成高壓制冷劑蒸氣所消耗的功轉(zhuǎn)化成熱量。這樣，冷凝器的熱負(fù)荷為 Φ K =Φ o+ Pi （ 53） 由于壓縮機(jī)的指示功率 Pi與制冷量有關(guān)，因此上式也可簡化為 Φ K = φΦo （ 54） 式中 φ —— 冷凝負(fù)荷系數(shù)。它與冷凝溫度 tk、蒸發(fā)溫度 to、制冷劑種類等因素有關(guān)。蒸發(fā)溫度愈低，冷凝溫度愈高， φ 值就愈大。φ 值可由圖 5 58和圖 59查得；也可由制冷工程設(shè)計手冊中查得。 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 圖 57 R717制冷壓縮機(jī)冷凝負(fù)荷系數(shù) 圖 58 R12制冷壓縮機(jī)冷凝負(fù)荷系數(shù) 圖 59 R22制冷壓縮機(jī)冷凝負(fù)荷系數(shù) 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 冷凝器的傳熱系數(shù) K 1）對于水冷式（立式殼管式和臥式殼管式）冷凝器，按外表面計算 1 dO 1 K= —— + R1 + —— （ R2 + —— ） （ 55） α o di α W 式中 α O α W —— 分別為制冷劑的凝結(jié)放熱系數(shù)和水側(cè)的放熱系數(shù) [W/（ m2℃ ） ]； R1R 2 —— 分別為油膜熱阻和水垢熱阻 [（ m2℃ ） /W]； dod i —— 分別為傳熱管的外徑和內(nèi)徑（ m）。 2）采用肋片銅管的殼管式冷凝器，按外表面（包括肋片的面積）計算 1 1 K= ——— + τ （ R2 +——— ） （ 56） ηαo α W 式中 η —— 肋干管總效率，對于低肋管 η =1； τ —— 外表面與內(nèi)表面的面積比。 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 第一節(jié) 冷凝器和蒸發(fā)器 2k 1k 12 tt tt1n ttt ?? 傳熱平均溫差△ t 制冷劑在冷凝器中冷卻冷凝時是一個變溫