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第三章 制冷换热器及其他辅助 设备,概述,在制冷设备中，除去起主导作用的压缩机外，还包括其他一些设备，这些设备统称辅机。其中换热器占很大比重，而且在制冷系统中起着重要的作用。,一、制冷换热器的换热机理,制冷机的换热器，热量从一种流体通过金属壁传给另一种流体。,制冷剂在管内流动,外部空气,热流传递,传热的基本方程式,K :传热系数,用平均温差法计算传热：,F :传热面积,tm :平均温差,Q :换热设备的传热量,二、增强传热的方法,1、 增加传热面积2、加大传热温差3、提高传热系数 a、减少导热热阻 b、改变流体的流动状态 c、改变流体的物性 d、改变换热面的表面状况,第一节 肋片管式换热器,一、换热器加肋的原因,由于管内外的放热系数相差悬殊，管外空气侧的放热系数较小，通常只有3050 w/m2.，而管内R12或R22的放热系数可高达10003000 w/m2. ，所以在蛇管外部设有肋片，以强化传热，这种具有肋片的蛇管式换热器称为肋片管式换热器。 它是目前车辆制冷设备中广泛采用的结构型式。,二、肋管型式及其参数,1、肋管的型式较多，常见的肋管有： 绕片管 轧片管 套圈管 套片或套圈管,绕片管,绕片管是将薄钢带内侧轧有皱折用专用机具绕在光铜管外，然后整根肋管紧固所以接触热阻小，但其根部带有皱折，易于污脏，清除较困难，因此只适宜在蒸发器上采用。,轧片管,是在同一金属管外轧制出肋片，它的优点是没有 接触热阻但肋化系数小，重量大。,缠丝管,缠丝管是在光管外缠绕针形肋带，靠胶合紧固这种肋管紊流换热性好，且可制成非直线肋管，但空气流动阻力大,针形肋带,套片肋管,套片式肋管是将预先冲好孔的厚0.20.3mm的铝片，用套片机套在管族上，根部带有卷边，用以增大与管子的接触面积。,铝片,铜管,冷凝器，制冷剂在管内为冷凝（气体变为液体）蒸发器，制冷剂在管内为沸腾（液体变为气体）管内制冷剂的当量换热系数与制冷剂在管内的状态有关，需要对具体的情况进行分析。,第二节 肋片管式冷凝器和蒸发器,一、冷凝器1、冷凝器结构,冷凝器是使制冷剂将热量放给冷却介质(水或空气)的换热设备，从压缩机出来的高温高压制冷剂蒸气在冷凝器中进行冷却、冷凝以至过冷。,三种类型的冷凝器,按其冷却方式可： 水冷式 空气冷却式 蒸发淋激式 (此种方式，制冷剂冷凝时放出的热量主要被水蒸发时吸收的汽化潜热带走)。,立式壳管式冷凝器,卧式壳管式冷凝器,套管式冷凝器,冷凝器中制冷剂放出的热量被冷却水带走。冷却水可以一次流过，也可以循环使用。当循环使用时，需设置冷却塔或冷却水池。水冷式冷凝器分为壳管式、套管式、板式、螺旋板式等几种类型。,水冷式冷凝器,卧式壳管式冷凝器 :优点是：管内流速较高，因而传热系数也高；冷却水温升大，因而循环水量较少；结构紧凑，占地面积和空间高度都比较小，操作维护比较方便。缺点是：冷却水阻力大，清洗水垢比较麻烦,套管式冷凝器:优点: 结构紧凑，制造简单。缺点: 水侧和制冷剂侧阻力都较大，水垢清除比较困难， 因而要求冷却水的水质较好。应用: 一般用于制冷量小于40kW的小型制冷系统中,d),自然对流空气冷却式冷凝器,强制对流空气冷却式冷凝器,空气冷却式冷凝器也叫风冷式冷凝器。空气在冷凝器管外流动，冷凝器中制冷剂放出的热量被空气带走，制冷剂在管内冷凝。这类冷凝器中有自然对流空气冷却式冷凝器和强制对流空气冷却式冷凝器。,空气冷却式冷凝器,车辆用制冷设备中，由于运用条件的限制，只采用空气冷却式，即风冷冷凝器。 采用空气冷却比较简便，但冷凝压力高、尺寸大、能量消耗也较大。风冷冷凝器也用于其他小型制冷机上，如冰箱、冷藏柜、冷藏汽车、窗式空调器等。,风冷冷凝器都做成蛇管式，外套肋片，制冷剂蒸气在管内冷凝，空气在轴流式回风机的作用下，在蛇管外横向流过。为了使冷凝器的结构紧凑，通常是作成长方体形，几蛇管并联在一起。,上进下出式风冷冷凝器结构图,1 分配集管 2-冷凝蛇管 3-集液器,横进横出式风冷冷凝器结构图,制冷剂蒸汽入口,制冷剂液体出口,冷却用空气,典型的风冷冷凝器外形图（一）,典型的风冷冷凝器外形图（二）,自然对流的冷凝器外形图,强制对流空气冷却式冷凝器,水和空气联合冷却式冷凝器,淋激式冷凝器,蒸发式冷凝器,冷凝器中制冷剂放出的热量同时由冷却水和空气带走，冷却水在管外喷淋蒸发时，吸收气化潜热，使管内制冷剂冷却和冷凝。因此耗水量少。这类冷凝器中有淋激式冷凝器和蒸发式冷凝器两种类型。,淋激式冷凝器,返回,吸风式蒸发式冷凝器,鼓风式蒸发式冷凝器,2、冷凝器的选择和计算,冷凝器选择计算的目的： 是通过热力计算和传热计算，确定其传热面积，从而选用合适的冷凝器，以及通过流体动力计算，确定冷却介质的流量和流过冷凝器的阻力损失，从而选择泵或风机的容量及功率。,冷凝器选择计算,冷凝器的选择计算包括确定冷凝器的传热面积、冷却介质流量及冷却介质在冷凝器中的流动阻力损失。,冷凝器传热面积的确定：,1）冷凝器热负荷Qk。这是指制冷剂蒸气在冷凝器中排放出的总热量，kW。一般情况下，它包括制冷剂在蒸发器中吸收的热量及在压缩过程中所获得的机械功所转换的热量。可用下式表示：,式中：Qk冷凝器在计算工况下的热负荷（kW）； Qo压缩机在计算工况下的制冷量（kW）； Pi压缩机在计算工况下的消耗功率（kW）。,冷凝器热负荷也可按制冷循环的热力计算确定，即,式中：G制冷剂的质量流量（kgs）； h2制冷剂进入冷凝器的比焓（kJkg）； h3制冷剂出冷凝器的比焓（kJkg）。,冷凝器负荷系数a）氨系统 b）卤代烃系统,对单级压缩制冷循环，冷凝器热负荷Qk也可按下式近似计算：,式中：冷凝器负荷系数，其值与制冷剂种类及运行工况有关，具体数值可由图查得。,2）冷凝器传热系数K（kW/m2）。各类冷凝器的传热系数和热流密度qf（kW/ m2）的推荐值见表。,3）传热温差tm。可按下式计算：, （44）,式中： t1冷却介质进口温度，； t2冷却介质出口温度，； tk冷凝温度，。传热温差也可按表推荐值选取。,4）冷凝器传热面积A（m2）。可按下式计算：,m2,式中：q热流密度（kWm2），其经验数据可按表所列推荐值选取。,3、冷凝器的热力分析,制冷剂蒸气的热量是通过冷凝器的传热表面传给水或者空气，制冷剂侧放出热量的同时被冷凝成液体。,冷凝器中的传热过程，包括：1、制冷剂侧蒸气凝结放热过程；2、通过金属壁和污垢层的导热过程；3、冷却介质侧的吸热过程。,凝结的形式有两种：膜状凝结与珠状凝结。制冷剂在冷凝器的凝结，一般都是膜状凝结。从换热效果看，以珠状凝结为好。,1）影响制冷剂侧蒸气凝结放热的因素,制冷剂蒸气的流速和流向的影响,制冷剂蒸气中含空气或其它不凝性气体的影响,制冷剂蒸气中含油对凝结放热的影响,2）影响空气侧放热的因素,空气的流速影响,4. 冷凝器的维护 经常进行除垢,冷凝器的污垢清除方法：,清洗方法： 用钢丝刷帚拉刷、用特别刮刀滚刮、用盐酸溶解等。除垢后，应对冷凝器的制冷剂侧进行气压检漏，检漏完毕后，连接好系统，进行抽真空与试运转。,2）水冷式冷凝器 污垢主要是在冷却管内形成的水垢。应进行定 期清洗，清洗周期一般为23年一次，当采用深井 水或山水作冷却水时，则应每年清洗一次。,1）风冷式冷凝器 传热面上的污垢主要是灰尘，可定期用压缩空 气进行吹除。,二、蒸发器的结构,蒸发器是制冷机的另一主要热交换设备。在蒸发器中，制冷剂液体在较低温度下蒸发（沸腾）而转变为蒸气，利用制冷剂的蒸发潜热，吸收被冷却介质的热量而使被冷却介质的温度降低。所以，蒸发器是制冷系统中产生和输出冷量的设备。,1、蒸发器的分类,冷却液体载冷剂,冷却空气或其他气体,按被冷却介质的不同分,卧式蒸发器,沉浸式蒸发器,1）冷却液体载冷剂,干式蒸发器,氨卧式蒸发器结构,返回,氟壳管式干式蒸发器,水箱型（沉浸式）蒸发器,直管式蒸发器,螺旋管式蒸发器,蛇管（盘管）式蒸发器,直管式蒸发器a）直管式蒸发器 b）螺旋管式蒸发器,返回,氟蛇管（盘管）式蒸发器,2）冷却空气的蒸发器,冷却自由运动空气的蒸发器： 冷却排管空气冷却器,冷却强制运动空气的蒸发器： 直接蒸发式空气冷却器,直接蒸发式空气冷却器也称冷风机，它适用于各种空调机组、冷藏库及低温试验箱中。它的特点是制冷剂在蛇管内吸热蒸发，管外空气在风机作用下强迫流动。由于空气是强迫流动，所以传热系数比冷却排管高。 车辆制冷系统中，采用的蒸发器均为直接蒸发式空气冷却器。,（a）横向垂直；（b）水平；（c）倾斜。1-膨胀阀；2-分液器；3-分液管；4-汇集管；5-回气管；6-感温包。,直接蒸发式空气冷却器及其安装位置示意图,典型的蒸发器结构图,典型的蒸发器结构图,平板形表冷器结构图,分液器,2蒸发器选择计算 蒸发器的选择计算包括确定蒸发器的传热面积，载冷剂流量等。,蒸发器传热面积的确定：,1）制冷量Qo。制冷量即蒸发器的热负荷，一般是给定的，也可根据生产工艺或空调负荷进行计算，或根据制冷压缩机的制冷量来确定，同时应考虑到冷损耗。,2）蒸发器的传热系数K（kW/m2）和热流密度qf。蒸发器的传热系数K可按传热学公式进行计算，或按蒸发器生产厂提供的资料进行选取，作为初步估算也可采用经实际验证的推荐数值。各种蒸发器的传热系数K和热流密度qf（kW/m2）的推荐值见表47。,3）传热温差tm。可按下式计算：, （411）,式中：t1载冷剂进口温度，； t2载冷剂出口温度，；to蒸发温度，。 tm或按表选取。,4）传热面积A（m2）。可按下式计算：,m2 （412）,式中：qf热流密度，kWm2，其经验数据可按表47所列推荐值选取。,4、蒸发器的热力分析,影响制冷剂液体沸腾换热的主要因素：1、制冷剂液体物理性质的影响；2、制冷剂液体润湿能力的影响；3、制冷剂沸腾温度的影响；4、蒸发器构造的影响。5、制冷剂中润滑油含量的影响,第三节 辅助设备,在实际的制冷系统中，为改善制冷装置的工作条件，提高运行的经济性和安全可靠性，还必须设一些辅助设备，如贮液器、气液分离器、干燥过滤器等。,一、 贮液器,1.功能： 贮液器安装在冷凝器液体出口的下方，用来收集液体制冷剂，均匀地向调节站供应液体，通过贮液器可看出制冷系统中制冷剂的盈亏情况。对于正常运行的系统，贮液器应有三分之一容积充满液体，其余三分之二用以贮存系统中过盈的液量。 小型氟里昂制冷系统中，往往用冷凝器兼作贮液器。,2.结构：,图2-18 氨贮液器1-氨液进口； 2-安全阀接口； 3-压力表接口； 4-平衡管口； 5-放油口； 6-氨液出口； 7-液面指示器； 8-排污口,二、 油分离器,1.功能： 油分离器安装在压缩机与冷凝器之间的管路上，用以分离压缩过程中混入制冷剂蒸气中的润滑油。制冷剂蒸气被分油后，进入冷凝器。2.结构： 目前国内生产的油分离器种类较多，但其结构原理相似。氨油分离器与氟油分离器的型式之一如图2-19。,1-制冷剂蒸气入口； 2-制冷剂蒸气出口； 3-液体制冷剂入口； 4-放油口； 5-自动回油口； 6-手动回油口,三、 干燥过滤器,1.功能 在氟里昂系统中，对含水量有十分严格的要求（含水量要求控制在0.0025以下）。氟里昂中如混有水分，不仅化学稳定性变差，产生酸性物质腐蚀设备与管路，而且在低温下，游离状态的水从氟中分离出来，产生冰塞阻塞管路。所以，在氟里昂制冷系统中应安装过滤器，一方面防止冰塞，另一方面防止腐蚀。后者在空调工况下更为重要。,干燥过滤器安装于氟里昂系统的液体管路上，位于膨胀阀与冷凝器之间。,在客车空调装置制冷系统节流装置前的输液管上，都装有干燥过滤器，它是制冷系统的净化设备。其作用是消除制冷剂中的水分和机械杂质。 干燥过滤器主要由壳体，滤网，干燥剂，进、出液管接头等组成 。,1-进液管接头；2-压盖；3-滤网；4-干燥剂；5-出液管接头；6-壳体；7-连接螺栓。,干燥过滤器图,四、气液分离器,气液分离器是用来分离蒸发器出口的蒸气中的液体，从而保证压缩机为干压缩。,气液分离器结构图,管内液，管外气,五、回热器,1. 使液态制冷剂过冷，防止闪气，改善制冷。,2. 使气态制冷剂过热，防止压缩机液击,减少有害过热。,小型制冷装置不设专门回热器，只将液管和吸气管紧靠在一起，外包隔热材料。,作用：,