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第五章 压缩式制冷系统的设备和自控装置,第一节 冷凝器和蒸发器,一、冷凝器的种类、构造和工作原理 冷凝器的作用是将压缩机排出的高温高压制冷剂蒸气的热量传递给冷却介质（空气或水）后冷凝为高压液体，以达到制冷循环的目的 冷凝器按其冷却介质的不同，可分为水冷式、空冷式（风冷式）、水-空气冷却式三类 （一）水冷式冷凝器 这一类冷凝器是以水作为冷却介质，常用的冷却水有江水、河水、自来水等冷却水可以一次流过冷凝器，也可以经过冷却塔冷却后再循环使用 常用的水冷式冷凝器有立式壳管式冷凝器、卧式壳管式冷凝器和套管式冷凝器等，现分别介绍如下第一节 冷凝器和蒸发器,1、立式壳管式冷凝器 这种冷凝器的构造如图5-1所示，其外壳是由钢板卷焊而成的大圆筒，上下两端各焊一块多孔管板，板上用胀管法或焊接法固定着许多无缝钢管冷凝器顶部装有配水箱，箱内设有均水板冷却水自顶部进入水箱后，被均匀地分配到各个管口，每根钢管 图5-1 立式壳管式冷凝器 图5-2 导流管嘴 1—导流管嘴 2—管板,顶端装有一个带斜槽的导流管嘴，如上页图5-2所示冷却水通过斜槽沿切线方向流入管中，并以螺旋线状沿管内壁向下流动，在管内壁形成一层水膜，这样可使冷却水充分吸收制冷剂的热量而节省水量。

沿管壁顺流而下的冷却水流入冷凝器下部的钢筋混凝土水池内，通常在冷凝器的一侧需装设扶梯，便于攀登到配水箱进行检查和清除污垢 高温高压的氨气从冷凝器上部管接头进入管束外部空间，凝结成的高压液体从下部管接头排至贮液器此外，在冷凝器的外壳上还设有液面指示器、压力表、安全阀、放空气管、平衡管（即均压管）、放油管和放混合气（即不凝性气体）等管接头，以便与相应的设备和管路相连接 立式壳管式冷凝器的优点是，垂直安装，占地面积小，可安装在室外，无冻结危险，便于清除水垢，而且清洗时不必停止制冷系统的运行，对冷却水的水质要求不高主要缺点是耗水量大、笨重、搬运不方便，制冷剂在里泄漏不易发现尽管如此，目前我国大中型氨制冷装置中多采用此种冷凝器第一节 冷凝器和蒸发器,,2、卧式壳管式冷凝器 图5-3为卧式壳管式冷凝器卧式壳管式冷凝器用钢板焊成卧式圆筒形壳体，壳体内装有许多根无缝钢管，用焊接或胀接法固定在筒体两端的管板上，两端管板的外面用带有隔板的封盖封闭，使冷却水在筒内分成几个流程冷却水在管内流动，从一端封盖的下部进入，按顺序通过每个管组，最后从同一端封盖上部流出这样可以提高冷却水的流动速度，增强传热效果 高压高温的氨气从上部进入冷凝器管间，与管内冷却水充分发生热量交换后，氨气冷凝为氨液从下部排至贮液器。

筒体上设有安全阀、平衡管、放空气管和压力表、冷却水进出口等管接头此外，在封盖上还设有放空气阀和放水阀，在冷凝器开始运转时，可打开放空气阀，以排除冷却水管内的空气，冷凝器检修或停止运转时，可利用放水阀将其冷却水排出 卧式壳管式冷凝器的主要优点是传热系数较高，耗水量较少，操作管理方便，但是要求冷却水的水质要好，清洗水垢时不太方便，需要停止冷凝器的工作这种冷凝器一般应用在中、小型制冷装置中，特别是压缩式冷凝机组中使用最为广泛第一节 冷凝器和蒸发器,图5-3 卧式壳管式冷凝器,第一节 冷凝器和蒸发器,,氟利昂用卧式壳管式冷凝器与氨用卧式壳管式冷凝器不同之处在于用铜管代替无缝钢管，由于氟利昂侧放热系数较低，所以在铜管外表面轧成肋片状此外，由于氟利昂能和润滑油相溶解，润滑油随氟利昂一起在整个系统内循环，所以不需要设放油管接头 冷凝器的下侧还设有一个安全塞，它是用易熔合金制成，当遇火灾或严重缺水时，熔塞自行熔化，氟利昂能自动地从冷凝器排出，避免发生爆炸 3、套管式冷凝器 套管式冷凝器一般用于小型氟利昂制冷机组，例如柜式空调机、恒温恒湿机组等其构造见下页图5-4它的外管采用φ50的无缝钢管，内管套有一根或若干根紫铜管或低肋铜管，内外管套在一起后，用弯管机弯成圆螺旋形。

冷却水在内管流动，流向为下进上出，制冷剂在大管内小管外的管间流动，制冷剂由上部进入，凝结后的制冷剂液体从下面流出制冷剂与冷却水的流动方向相反，呈逆流换热，因此，它的传热效果好第一节 冷凝器和蒸发器,套管式冷凝器的优点是结构简单、制造方便、体积小、紧凑、占地少、传热效果好缺点是冷却水流动阻力大、清洗水垢不方便、单位传热面积的金属消耗量大图5-4 套管式冷凝器 图5-5 空气冷却式冷凝器,第一节 冷凝器和蒸发器,,（二）空冷式冷凝器 空冷式冷凝器又称风冷式冷凝器，它是用空气作为冷却介质使制冷剂蒸气冷凝为液体根据空气流动的方式可分为自然对流式和强迫对流式自然对流冷却的空冷式冷凝器传热效果差，只用在电冰箱或微型制冷机中，强迫对流冷却的冷凝器广泛应用于中小型氟利昂制冷和空调装置 上页图5-5所示为空气冷却式冷凝器，制冷剂蒸气从进气口进入各列传热管中，空气以2~3m/s的迎面流速横向掠过管束，带走制冷剂的冷凝热，制冷剂液体由下部排出冷凝器 空冷式冷凝器由于空气侧的放热系数较小，其传热系数为：强迫对流式（以外表面积为准）约为24~28W/（m2·℃），自然对流式约为7~9W/（m2·℃）。

为了强化空气侧的传热，传热管均采用肋片管肋片管分为铜管铝片、铜管铜片和钢管铜片，通常采用铜管铝片第一节 冷凝器和蒸发器,空冷式冷凝器和水冷式凝器相比较，其优点可以不用水，使冷却系统变得十分简单，因此它适宜于缺水地区或用水不适合的场所（如冰箱、冷藏车等）一般情况下，它不受污染空气的影响（即一般不会产生腐蚀）而水冷式冷凝器用冷却塔的循环水时，则水有被污染的可能，进而腐蚀设备 这种冷凝器的冷凝温度受环境温度影响很大夏季的冷凝温度可高达50℃左右，而冬季的冷凝温度就很低太低的冷凝压力会导致膨胀阀的液体通过量减小，使蒸发器缺液而制冷量下降因此，应注意防止空冷式冷凝器冬季运行时压力过低也可采用减少风量或停止风机运行等措施弥补第一节 冷凝器和蒸发器,（三）蒸发式冷凝器 蒸发式冷凝器是以水和空气作为冷却介质它是利用冷却水喷淋时蒸发吸热，吸收高压制冷剂蒸气的热量，同时利用轴流风机使空气由下而上通过蛇形管使管内制冷剂气体冷凝为液体 根据蒸发冷凝器中轴流风机安装的位置不同可分为吸入式和压送式，其构造见图5-6（a）、（b），它是由换热盘管、供水喷淋系统和风机三部分组成第一节 冷凝器和蒸发器,,蒸发式冷凝器的优点： 1）与水冷式冷凝器相比，循环水量和耗水量减少。

水冷式冷凝器靠水的温升带走制冷剂的热量，1kg水大约带走25～35KJ（温升6～8℃）的热量，而1kg水蒸发带走2450 KJ的热量，所以理论上蒸发式冷凝器耗水量只是水冷式耗水量的1%实际上，由于漏水和空气中夹带水滴等的耗水，补水量约为水冷式冷凝器耗水量的5%～10%，此外，蒸发式冷凝器中循环水量以能够形成管外水膜为度，水量不需要很大，所以，降低了水泵的耗功率 2）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 蒸发式冷凝器的缺点： 1）蛇形盘管容易腐蚀，管外易结垢，且维修困难 2）既消耗水泵功率，又消耗风机功率但风机和水泵的电耗不是很大，对于每1KW的热负荷，循环水量为0.014～0.019kg/S，空气流量为0.024～0.048m3/S,而水泵和风机的耗电量为0.02～0.03KW蒸发式冷凝器适用于缺水地区，可以露天安装，广泛应用于中小型氨制冷系统第一节 冷凝器和蒸发器,二、冷凝器的选择计算 冷凝器的选择计算主要是确定冷凝器的传热面积，选定适用型号的冷凝器，计算冷却介质（水或空气）的流量，以及冷却介质通过冷凝器时的流动阻力 （一）冷凝器选择的原则 1、对于冷却水水质较差、水温较高、水量充足的地区宜采用立式壳管式冷凝器； 2、水质较好，水温较低的地区宜采用卧式壳管式冷凝器； 3、小型制冷装置可选用套管式冷凝器； 4、在水源不足的地区或夏季室外空气湿球温度较低的地区可采用蒸发式冷凝器； 5、冷却水采用循环使用时，应根据制冷装置的要求进行合理的选择。

第一节 冷凝器和蒸发器,（二）冷凝器传热面积的计算 1、冷凝器传热面积的计算公式 冷凝器传热基本方程式 Φk=KA△t （5-1） 式中 ΦK——冷凝器的热负荷（KW）； K——冷凝器的传热系数[W/（m2·℃）]； A——冷凝器的传热面积（m2）； △t ——冷凝器的传热平均温差（℃） 因此，冷凝器传热面积计算公式为 ΦK ΦK A = —— = —— （5-2） K△t ψ 式中 ψ——冷凝器的热流密度（W/m2）第一节 冷凝器和蒸发器,,2、冷凝器的热负荷ΦK 冷凝器的热负荷是指制冷剂在冷凝器中放给冷却水（或空气）的热量如果忽略掉压缩机和排气管表面散失的热量，那么，高压制冷剂蒸气在冷凝器中所放给冷却水（或空气）的热量应等于制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物体的热量（制冷量ΦO ），再加上低压制冷剂蒸气在压缩机中压缩成高压制冷剂蒸气所消耗的功转化成热量这样，冷凝器的热负荷为 ΦK =Φo+ Pi （5-3） 由于压缩机的指示功率Pi与制冷量有关，因此上式也可简化为 ΦK = φΦo （5-4） 式中φ——冷凝负荷系数它与冷凝温度tk、蒸发温度to、制冷剂种类等因素有关。

蒸发温度愈低，冷凝温度愈高，φ值就愈大φ值可由图5-7、5-8和图5-9查得；也可由制冷工程设计手册中查得第一节 冷凝器和蒸发器,,图5-7 R717制冷压缩机冷凝负荷系数 图5-8 R12制冷压缩机冷凝负荷系数,图5-9 R22制冷压缩机冷凝负荷系数,第一节 冷凝器和蒸发器,,3、冷凝器的传热系数K 1）对于水冷式（立式壳管式和卧式壳管式）冷凝器，按外表面计算 1 dO 1 K= —— + R1 + ——（R2 + ——） （5-5） αo di αW 式中 αO·αW ——分别为制冷剂的凝结放热系数和水侧的放热系数[W/（m2·℃）]； R1·R2 ——分别为油膜热阻和水垢热阻[（m2·℃）/W]； do·di ——分别为传热管的外径和内径（m） 2）采用肋片铜管的壳管式冷凝器，按外表面（包括肋片的面积）计算 1 1 K= ——— + τ（R2 +———） （5-6） ηαo αW 式中 η——肋干管总效率，对于低肋管η=1； τ——外表面与内表面的面积比第一节 冷凝器和蒸发器,,第一节 冷凝器和蒸发器,4、传热平均温差△t 制冷剂在冷凝器中冷却冷凝时是一个变温过程。

进入冷凝器的制冷剂是过热蒸气，通过与冷却介质发生热量交换，由过热蒸气冷却冷凝为饱和蒸气→饱和液体→过冷液体因此，在冷凝器内制冷剂的温度并不是定值，如下页图5-10所示即分为过热区、饱和区和过冷区三个区冷却水一侧则由进水温度升高到出水温度，空气也一样这样计算两者之间的传热平均温差就很复杂，考虑到制冷剂的放热主要在中间的冷凝段，即由饱和蒸气凝结成饱和液体，而此时的温度是一定的，为了简化计算，把制冷剂的温度认定为冷凝温度，因此在计算传热平均温差时应用下面的公式 （5-7） 式中 t1·t2——分别为冷却剂的进出口温度（℃）； tk——制冷剂的冷凝温度（℃） 由此可见，只要确定制冷剂的冷凝温度tk和冷却介质进出口温度t1、t2 ，就可求得△t 知道了φk、K和△t之后，即可利用公式（5-2）计算传热面积各种冷凝器的K值和ψ值见表5-1图5-10 冷凝器中制冷剂和冷却剂温度变化示意图 （a）无过冷（b）有过冷1—过热蒸气冷却 2—凝结 3—液态制冷剂过冷 4—冷却剂温度,第一节 冷凝器和蒸发器,表5-1 各种冷凝器的k和ψ值表,第一节 冷凝器和蒸发器,（三）冷却介质流量的计算 冷却介质（水或空气）流量的计算是基于热量平衡原理，即冷凝器中制冷剂放出的热量等于冷却介质所带走的热量。

φK =MCP（t2–t1） φK M= ———。