蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)及制冷劑的選擇

1、蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)及制冷劑的選用一、蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)按供液方式的不同，蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)又可分為直接供液制冷系統(tǒng)、重力式供液制冷系統(tǒng)和氨泵強制氨液循環(huán)制冷系統(tǒng)。1.直接供液氨制冷系統(tǒng)直接供液式制冷系統(tǒng)如圖1所示。蒸發(fā)器6內(nèi)產(chǎn)生的低溫低壓氨蒸汽被壓縮機1吸入汽缸，經(jīng)壓縮后溫度、壓力升高。高溫高壓的氨蒸汽經(jīng)氨油分離器2分離潤滑油后進(jìn)入冷凝器3。在冷凝器中，氨蒸汽被冷卻水冷卻凝結(jié)成液氨，不斷存入貯罐4中。使用時，液氨經(jīng)膨脹閥5降低壓力和溫度后進(jìn)入蒸發(fā)器6。在蒸發(fā)器中，液氨蒸發(fā)吸熱。為了將油氨分離器、冷凝器和氨液貯罐中的潤滑油定期排出，先將它們中的潤滑油匯集到集油器7中，以便在低壓下排出。在冷凝器和

2、氨液貯罐中，若有空氣等不凝性氣體存在，將影響正常工作，應(yīng)經(jīng)空氣分離器8將不凝性氣體所攜帶的氨蒸汽液化分離，再將不凝性氣體排除。當(dāng)機房發(fā)生火警等意外事故時，為了安全，可將氨液貯罐和蒸發(fā)器中的液氨經(jīng)緊急泄氨器9排入下水道。圖1 直接供液氨制冷系統(tǒng)1壓縮機；2油氨分離器；3冷凝器；4氨液貯罐；5調(diào)節(jié)閥；6蒸發(fā)器；7集油器；8空氣分離器；9緊急泄氨器（2）重力供液制冷系統(tǒng)。重力供液制冷系統(tǒng)如圖2所示。氨液經(jīng)過膨脹閥后即進(jìn)入高位氨液分離器，利用重力作用送至調(diào)節(jié)站，然后再進(jìn)入冷卻排管或冷風(fēng)機進(jìn)行降溫。氨液在蒸發(fā)排管內(nèi)蒸發(fā)為飽和蒸汽，進(jìn)入氨液分離器。若氣體中帶有氨液，則再進(jìn)行分離，使氨液再流入蒸發(fā)排管，氨氣

3、則經(jīng)分離器頂部被壓縮機吸入壓縮。這種系統(tǒng)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，多用于單層冷庫或發(fā)酵間冷凍。圖2單級壓縮直接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)1氨液分離器；2蒸發(fā)器；3氨吸入管；4氨壓縮機；5高壓氨管；6加氨管；7排液桶 ；8空氣分離器；9水缸；10貯液桶；11調(diào)節(jié)閥；12.過冷器；13.油氨分離器；14.排油管；15液氨管；16均壓管；17安全管；18安全閥；19冷凝器；20接氨吸入管；21放油管；22排油桶3.氨泵強制氨液循環(huán)制冷系統(tǒng)氨泵強制氨液循環(huán)制冷系統(tǒng)如圖3所示。該系統(tǒng)多用于單層冷庫。圖3 氨泵供液制冷系統(tǒng) 1氨泵；2低壓循環(huán)貯液桶；3液體總調(diào)節(jié)站；4液體分調(diào)節(jié)站；5汽體分配調(diào)節(jié)站；6冷風(fēng)機；7排液管道；8旁通道

4、；9抽汽管；11過濾器二、蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的機械與設(shè)備蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的主要設(shè)備包括：壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、氨液貯罐、氣液分離器、空氣分離器、油氨分離器等。1.壓縮機壓縮機的作用是壓縮經(jīng)過蒸發(fā)器蒸發(fā)吸收了大量熱能的制冷劑，以便于其冷凝放出所吸收的熱能。可使用的壓縮機類型包括往復(fù)式壓縮機、回轉(zhuǎn)式壓縮機、離心式壓縮機三類，按照壓縮機汽缸的軸線方向分臥式壓縮機和立式壓縮機兩類。臥式壓縮機的特點是：產(chǎn)冷量大；操作穩(wěn)定；轉(zhuǎn)速慢；因受活塞自重的作用,汽缸的單面磨損大。立式壓縮機的特點是：靈活輕便；轉(zhuǎn)速快；占地面積小；磨損??；汽缸受熱情況良好。2.冷凝器冷凝器的作用是使高溫高壓的過熱蒸汽冷卻，

5、冷凝成高壓氨液，并將熱量傳遞給周圍介質(zhì)。冷凝器一般采用管殼式換熱器。3.膨脹閥膨脹閥的作用是：降低壓力；控制流量；調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的工況。制冷裝置中常用的膨脹閥分兩類，一類是人工調(diào)節(jié)閥，另一類是自動膨脹閥。人工調(diào)節(jié)閥依靠人工來調(diào)節(jié)閥的開啟度，調(diào)節(jié)適量的制冷劑從高壓區(qū)流向低壓區(qū)。其特點是調(diào)節(jié)迅速，結(jié)構(gòu)簡單，但供液量不能隨熱負(fù)荷的變化而自動調(diào)節(jié)。自動膨脹閥有多種，用液位調(diào)節(jié)的有浮球調(diào)節(jié)閥等，用蒸汽過熱度調(diào)節(jié)的有熱力膨脹閥等。浮球調(diào)節(jié)閥：圖4直通式浮球調(diào)節(jié)閥示意圖，主要用于氨制冷系統(tǒng)中。浮球閥殼體內(nèi)的液面隨蒸發(fā)器負(fù)荷的變化而漲落，可通過浮球的浮沉改變針閥的開度，以調(diào)節(jié)供液量的大小。圖4浮球閥結(jié)構(gòu)示意圖1液

6、體進(jìn)口；2針閥；3支點；4浮球；5液體連接管；6氣體連接管熱力膨脹閥：圖5為熱力膨脹閥的工作原理圖。它是利用制冷劑蒸汽的過熱度來調(diào)節(jié)閥孔的開度以改變供液量的。在毛細(xì)管和感溫包中充有感溫工質(zhì)，利用它的壓力通過膜片和推桿將閥門打開。膨脹閥接在蒸發(fā)器進(jìn)口管上，感溫包敷在蒸發(fā)器出口管上。當(dāng)蒸發(fā)器熱負(fù)荷增大因而制冷劑供液量顯得不足時，標(biāo)志全部汽化的截面A-A將左移，蒸發(fā)器出口蒸汽過熱度增大，感溫工質(zhì)的壓力上升，于是膜片鼓動推桿，使閥孔開度增大，供液量增加。反之，當(dāng)蒸發(fā)器熱負(fù)荷減小因而供液量顯得過剩，則作用相反，閥孔開度減小，使供液量減小。圖5 熱力膨脹閥工作原理1閥蓋；2毛細(xì)管；3感溫包；4-膜片；5推

7、桿；6閥體；7閥芯；8彈簧；9調(diào)整桿；11蒸發(fā)器4.蒸發(fā)器蒸發(fā)器的作用是使低溫低壓的液體制冷劑汽化吸熱。常用的蒸發(fā)器主要有立管式和臥式兩種。立管式蒸發(fā)器：立管式蒸發(fā)器如圖6所示。由28個單位蒸發(fā)器組成。每個蒸發(fā)器有上、下兩根水平總管，中間焊有多根直立的短管。整個蒸發(fā)器由輸液總管、回氣總管、氨液分離器、集油器及遠(yuǎn)距離液面指示器接頭。蒸發(fā)器里裝有臥式攪拌器，使鹽水在箱內(nèi)循環(huán)，上部裝有鹽水溢流管，避免鹽水溢出，下部裝有排水管，便于維修。水箱的底部及四周壁裝有絕熱層。 圖6 帶開啟式水箱的立管式蒸發(fā)器1回氣管；2進(jìn)液管；3上集氣管；4蒸發(fā)排管；5進(jìn)水管；6攪拌器；7出水管；8放水管；9下集液管；11放

8、油口；11集油器；11氨液分離器 氨液從上部的導(dǎo)液管進(jìn)入蒸發(fā)器，導(dǎo)液管插入直立的粗管中，并讓其下部出口接近下總管，這樣可保證液體立即進(jìn)入下總管，然后再進(jìn)入立管，立管中充滿氨液，使液面接近上總管處。制冷劑自下總管通過直立細(xì)管至上總管，再沿直立粗管返回下總管。由于制冷劑的循環(huán)，提高了蒸發(fā)器的傳熱效果。立管式蒸發(fā)器的優(yōu)點是：傳熱效率高；構(gòu)造比較簡單；檢修與清理方便。其缺點是蒸發(fā)管組易受腐蝕。圖7 臥式殼管式蒸發(fā)器1氨液過濾器；2安全閥；3壓力表；4氨浮球閥臥式殼管式蒸發(fā)器：臥式蒸發(fā)器的構(gòu)造如圖9-14所示。用離心泵將鹽水從一個端蓋的下部打入蒸發(fā)器中，借水蓋內(nèi)的擋板轉(zhuǎn)折進(jìn)出，以增強對流效果。氨液由節(jié)流

9、閥或浮球閥自殼體下部進(jìn)入，后者能自動調(diào)節(jié)氨液并維持一定的液面。臥式殼管式蒸發(fā)器的優(yōu)點是：傳熱效率高；構(gòu)造簡單、緊湊；由于鹽水循環(huán)系統(tǒng)密閉，因而減少了腐蝕，并可避免因低溫鹽水吸濕而引起濃度降低。其缺點是當(dāng)鹽水濃度不夠或鹽水泵發(fā)生故障而停止運轉(zhuǎn)時，管內(nèi)的鹽水可能發(fā)生凍結(jié)，凍結(jié)后，管子有破裂的危險。圖9-15 氨液貯罐1進(jìn)液管；2平衡管；3壓力表；4安全閥；5出液管；6排空管；7放油管8液位計5.氨液貯罐在制冷系統(tǒng)中，氨液貯罐位于冷凝器和蒸發(fā)器之間，其作用是貯存和供應(yīng)制冷系統(tǒng)內(nèi)的液體制冷劑，使系統(tǒng)各設(shè)備內(nèi)具有均衡的氨液量，以保證壓縮機的正常運轉(zhuǎn)。其組成與結(jié)構(gòu)如圖7所示。貯液罐的容量一般為每小時制冷劑

10、循環(huán)量的。正常運轉(zhuǎn)時，高壓貯液罐內(nèi)的氨液容納量不應(yīng)超過容量的80%，并保持穩(wěn)定。貯液罐必須進(jìn)行水壓試驗，試驗壓力一般為3MPa。 6.氣液分離器氣液分離器的作用是維持壓縮機的干沖程，同時將送入冷卻排管（蒸發(fā)器）液體內(nèi)的氣體分出，以提高制冷效率。冷凍機運轉(zhuǎn)時，如液體制冷劑被吸入壓縮機，氨液受壓縮而溫度升高，體積膨脹并產(chǎn)生較大的壓力，使汽缸遭受沖擊，甚至使壓縮機損壞。同時，液體制冷劑將迅速汽化而降低壓縮機的吸氣能力。氣液分離器的構(gòu)造如圖8所示。其上有氨蒸氣進(jìn)、出口，氨液進(jìn)、出口，遠(yuǎn)距離液面指示器，安全閥和壓力表等接頭。氣-液分離器應(yīng)安裝在較高的位置，一般高出冷卻排管0.52.0 m，這樣液體的壓力

11、可克服管路阻力而通暢地流入冷卻管內(nèi)。圖8 氣液分離器7空氣分離器空氣分離器的作用是分離并排除制冷系統(tǒng)中的空氣及不凝性氣體, 以保證制冷系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)?？諝夥蛛x器的工作原理是將氣-氨混合物在冷凝壓力下冷卻到蒸發(fā)溫度，使氨氣凝結(jié)成液體，從而將空氣及不凝性氣體加以分離。8油氨分離器在氨壓縮機運行過程中，總有潤滑油隨氣態(tài)的氨一起排出。潤滑油一旦進(jìn)入冷凝器或蒸發(fā)器，將在傳熱面上形成油膜，導(dǎo)致傳熱阻力增大，傳熱效果下降。為此，在壓縮機排氣管上應(yīng)設(shè)置油氨分離器以除去壓縮后氨氣中攜帶的油霧。常用的油氨分離器有洗滌式、填料式、離心式等。三、制冷劑與載冷劑的選擇1制冷劑及其選用在制冷系統(tǒng)中，借以吸取被冷卻介質(zhì)或載

12、冷劑的熱量，并將熱量傳遞給周圍介質(zhì)的循環(huán)工質(zhì)稱為制冷劑。從熱力學(xué)方面考慮，冷制劑應(yīng)符合的以下要求。常壓下，制冷劑的沸點要低。常溫下，制冷劑的冷凝壓力不宜過高。單位容積制冷劑的產(chǎn)冷量要大。臨界溫度要高。便于使用一般的冷卻水或空氣作為冷卻介質(zhì)將其冷凝。凝固溫度要低，便于獲得低的蒸發(fā)溫度。壓縮終了時，制冷劑的溫度不應(yīng)太高，以免壓縮機的潤滑條件變得惡化。黏度和密度要小。導(dǎo)熱系數(shù)要大。同時，選擇冷制劑時還應(yīng)從以下幾個方面?；瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。在高溫下，不易分解、不易燃燒、不易爆炸。具有一定的吸水性。不至于在制冷系統(tǒng)中形成“冰塞”而影響制冷設(shè)備的正常運行。對金屬等無腐蝕作用。對裝置中所使用的材料無腐蝕性。滲透性

13、要弱。如果發(fā)生泄漏，應(yīng)能迅速地確定泄漏處。對人體無損害、無毒性、無刺激、無燃燒和爆炸的危險，使用安全。價格低廉、易于獲得。2制冷劑的分類根據(jù)常壓下的蒸發(fā)溫度Ts的不同，制冷劑可分為以下3類。高溫制冷劑：Ts273K，如R11、R113、R114等。中溫制冷劑：當(dāng)213KTs273 K，如氨（R717）、R12、R22、R502、丙烯等。低溫制冷劑：213K，如R13，R14，乙烯等。3常用的制冷劑氨（R717）：氨是無色、有毒、有強烈刺激性氣味，并能燃燒和爆炸的中溫制冷劑。氨液飛濺到皮膚上會引起凍傷。氨蒸氣能刺激人的眼睛及呼吸器官。當(dāng)空氣中的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%0.6%時，人在其中停留半小時即

14、可中毒；空氣中氨的含量達(dá)到11%14%時即可點燃，并呈現(xiàn)黃色火焰；空氣中氨的含量達(dá)到16%25%時會引起爆炸。常溫下，一個體積的水可溶解700體積的氨；低溫下，水也不會從氨液中析出而凍結(jié)，所以系統(tǒng)不易形成“冰塞”。但氨液中溶有水后，它的蒸發(fā)溫度便會略有升高，潤滑油的潤滑效果下降，同時對金屬也有腐蝕作用。一般規(guī)定氨液中的含水量應(yīng)不超過0.2%。純氨對鋼鐵無腐蝕作用，但含有水分時會腐蝕鋅、銅及銅合金。綜上所述，氨的優(yōu)點是：易于獲得，價格低廉；壓力適中；單位容積產(chǎn)冷量大；不易溶解于潤滑油；對流放熱系數(shù)高；在管道中流動阻力??；易發(fā)現(xiàn)泄漏。缺點是：有刺激性臭味；有毒；會燃燒和爆炸；對銅和銅合金有腐蝕作用

15、 。氟利昂：氟利昂是飽和碳?xì)浠衔锏柠u素衍生物的總稱，種類繁多，性能各異，但又有其共同的特性。其優(yōu)點是：無毒；不易燃燒；絕熱壓縮時，排氣溫度低；相對分子質(zhì)量大，適用于離心式壓縮機。其缺點是：價格昂貴；容易泄漏，而且泄漏時不易發(fā)現(xiàn)；含有氯原子的氟利昂與明火接觸時會分解出有毒的光氣（COCl2）；對流放熱系數(shù)低；單位容積制冷量小，因而制冷劑的循環(huán)量大；相對密度大，流動阻力大。下面是幾種工業(yè)中常用的氟利昂制冷劑。a二氟二氯甲烷（R-12）：R-12的蒸氣無色，氣味很弱；當(dāng)空氣中的體積分?jǐn)?shù)超過80%時會引起窒息。水在R-12液體中的溶解度很小，故R-12液體中溶有水時，會引起“冰塞”現(xiàn)象，并對金屬產(chǎn)生

16、腐蝕作用。R-12能溶解于多種有機物質(zhì)，所以不能用橡膠墊片密封。R-12滲透性能強，所以鑄件的質(zhì)量要求較高，機器密封性要好。b三氟一氯甲烷（R-13）：R-13是一種低溫制冷劑。其凝固點很低（-181），毒性比R-12更小。因不含氫原子，所以不會爆炸，也不會燃燒，在潤滑油中也不溶解。c二氟一氯甲烷（R-22）：R-22是一種中溫制冷劑，毒性較R-12稍大，不燃燒也不爆炸。水在R-22液體中的溶解度比較小，在制冷機工作時同會發(fā)生“冰塞”現(xiàn)象，在系統(tǒng)中要裝干燥器。在干燥器中，充以吸收劑硅膠或活性氧化鋁。在應(yīng)用活性氧化鋁時，要在干燥器之前裝油過濾器，以防油進(jìn)入干燥器而使氧化鋁的活性降低。d.一氟三氯

17、甲烷（R-11）：R-11是一種高溫制冷劑。正常蒸發(fā)溫度為296.75K，相對分子質(zhì)量較大，主要用于空調(diào)離心式制冷機中。R-11與明火接觸比R-12更易分解出有毒的光氣。因此，在R-11制冷機附近應(yīng)嚴(yán)禁明火。R-11易溶于油，并能溶解天然橡膠。為了改進(jìn)制冷劑的特性，目前常采用共沸溶液制冷劑，如R-500、R-502等。表1列出了常用制冷劑的性能。表1 常用制冷劑的性能制冷劑名稱氨R-11R-12R-500(R-12與R-152a的共沸混合物)R-502(R-22與R-115的共沸混合物)二氧化碳化學(xué)分子式NH3CCl3FCCl2F2CF2Cl2/ C2H4F273.8/26.2CHF2Cl /

18、 C2H5Cl46-8.8/51.2CO2常壓下沸點/-33.423.6-29.8-33.3-45.6-78.5凝固溫度 /-77.7-19.1-158.2-158.9-臨界溫度 /132.419819.5105.590.031臨界壓力(絕對)/MPa9.434.384.0143.042.667.39-15時蒸發(fā)壓力(絕對)/MPa0.2360.0210.1832.29-15蒸發(fā),30冷凝的壓縮比4.946.194.0753.14-15時汽化潛熱/（kJ/kg）1312.4191.8161.6260.7制冷系數(shù)4.875.234.72.56使用溫度范圍/-6010010-6010-600四、載

19、冷劑的選擇1冷卻方式制冷劑在制冷系統(tǒng)中所產(chǎn)生的冷量對其他系統(tǒng)進(jìn)行冷卻有兩種方式：一種是直接式冷卻，另一種是間接式冷卻。（1）直接式冷卻。直接式冷卻是利用制冷劑直接從被冷卻物體中吸收熱量，使被冷卻物體達(dá)到所要求的低溫。如圖9所示為直接蒸發(fā)式制冷系統(tǒng)，氨液通過膨脹閥經(jīng)節(jié)流膨脹后直接向蒸發(fā)器供給低壓制冷劑。直接蒸發(fā)式的優(yōu)點是：系統(tǒng)簡單；操作方便，適用于小型的冷凍間；降溫速度快；可獲得較低的溫度；耗電量小。其缺點為：氨用量大；無縫鋼管耗量大；氨液容易被吸入壓縮機，造成濕沖程。圖9直接蒸發(fā)式制冷系統(tǒng)1過濾器；2膨脹閥；3蒸發(fā)器；4貯液器；5冷凝器；6壓縮機（2）間接式冷卻。間接式冷卻是利用中間介質(zhì)將制冷

20、系統(tǒng)產(chǎn)生的“冷量”傳給冷凍系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，如圖10所示。制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器為沉浸式換熱器，容器內(nèi)盛有氯化鈣及氯化鎂等鹽的水溶液或醇類的水溶液。液體制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，首先吸收水溶液中的熱量，并使之冷卻，然后再用循環(huán)泵將被冷卻的溶液送入冷庫或其他冷加工設(shè)備中，用以吸收被冷凍物體中的熱量，最后回到蒸發(fā)器中，熱量又被制冷劑吸收，如此循環(huán)不已。鹽水或醇的水溶液常稱為載冷劑，它是間接冷卻制冷系統(tǒng)中用來傳遞冷效應(yīng)的中間介質(zhì)。這樣，制冷劑可以在較小的制冷系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，讓冷量通過載冷劑傳遞給被冷卻對象。圖10間接冷卻式制冷系統(tǒng)間接冷卻式制冷系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。氨循環(huán)量較小。無縫鋼管耗量較小?？深A(yù)先冷卻大量的載冷劑，供冷凍系統(tǒng)使用。當(dāng)全廠需要冷凍的地方較多時，可設(shè)計一大型蒸發(fā)器，將冷凍鹽水分送到多處使用。由于載冷劑的循環(huán)量較大，溫度容易保持穩(wěn)定，特別適用于生產(chǎn)過程中