蒸汽压缩式制冷系统及制冷剂的选择.docx
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蒸汽压缩式制冷系统及制冷剂的选择
蒸汽压缩式制冷系统及制冷剂的选用
一、蒸汽压缩式制冷系统按供液方式的不同，蒸汽压缩式制冷系统又可分为直接供液制冷系统、重力式供液制冷系统和氨泵强制氨液循环制冷系统。
1.直接供液氨制冷系统
直接供液式制冷系统如图1所示。
蒸发器6内产生的低温低压氨蒸汽被压缩机1吸入汽缸，经压缩后温度、压力升高。
高温高压的氨蒸汽经氨油分离器2分离润滑油后进入冷
凝器3。
在冷凝器中，氨蒸汽被冷却水冷却凝结成液氨，不断存入贮罐4中。
使用时，液
氨经膨胀阀5降低压力和温度后进入蒸发器6。
在蒸发器中，液氨蒸发吸热。
为了将油氨分离器、冷凝器和氨液贮罐中的润滑油定期排出，先将它们中的润滑油汇集到集油器7中，以便在低压下排出。
在冷凝器和氨液贮罐中，若有空气等不凝性气体存在，将影响正常工作，应经空气分离器8将不凝性气体所携带的氨蒸汽液化分离，再将不凝性气体排除。
当机房发生火警等意外事故时，为了安全，可将氨液贮罐和蒸发器中的液氨经紧急泄氨器9排入下水道。
图1直接供液氨制冷系统
1．压缩机；2．油氨分离器；3．冷凝器；4．氨液贮罐；5．调节阀；
6．蒸发器；7．集油器；8．空气分离器；9．紧急泄氨器
（2）重力供液制冷系统。
重力供液制冷系统如图2所示。
氨液经过膨胀阀后即进入高位氨液分离器，利用重力作用送至调节站，然后再进入冷却排管或冷风机进行降温。
氨液在蒸发排管内蒸发为饱和蒸汽，进入氨液分离器。
若气体中带有氨液，则再进行分离，使氨液再流入蒸发排管，氨气则经分离器顶部被压缩机吸入压缩。
这种系统的应用相当广泛，多用于单层冷库或发酵间冷冻。
图2单级压缩直接蒸发制冷系统
1．氨液分离器；2．蒸发器；3．氨吸入管；4．氨压缩机；5．高压氨管；6．加氨管；
7．排液桶；8．空气分离器；9．水缸；10．贮液桶；11．调节阀；12.过冷器；
13.油氨分离器；14.排油管；15．液氨管；16．均压管；17．安全管；18．安全阀；
19．冷凝器；20．接氨吸入管；21．放油管；22．排油桶
3.氨泵强制氨液循环制冷系统
氨泵强制氨液循环制冷系统如图3所示。
该系统多用于单层冷库
1．氨泵；2．低压循环贮液桶；3．液体总调节站；4．液体分调节站；5．汽体分配调节站；6．冷风机；7．排液管道；8．旁通道；9．抽汽管；11．过滤器二、蒸汽压缩式制冷系统的机械与设备
蒸汽压缩式制冷系统的主要设备包括：
压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、氨液贮罐、气液分离器、空气分离器、油氨分离器等。
1.压缩机
压缩机的作用是压缩经过蒸发器蒸发吸收了大量热能的制冷剂，以便于其冷凝放出所吸收的热能。
可使用的压缩机类型包括往复式压缩机、回转式压缩机、离心式压缩机三类，按照压缩机汽缸的轴线方向分卧式压缩机和立式压缩机两类。
卧式压缩机的特点是：
产冷量大；操作稳定；转速慢；因受活塞自重的作用,汽缸的单面磨损大。
立式压缩机的特点是：
灵活轻便；转速快；占地面积小；磨损小；汽缸受热情况良好。
2.冷凝器
冷凝器的作用是使高温高压的过热蒸汽冷却，冷凝成高压氨液，并将热量传递给周围介质。
冷凝器一般采用管壳式换热器。
3.膨胀阀
膨胀阀的作用是：
降低压力；控制流量；调节蒸发器的工况。
制冷装置中常用的膨胀阀分两类，一类是人工调节阀，另一类是自动膨胀阀。
人工调节阀依靠人工来调节阀的开启度，调节适量的制冷剂从高压区流向低压区。
其特点是调节迅速，结构简单，但供液量不能随热负荷的变化而自动调节。
自动膨胀阀有多种，用液位调节的有浮球调节阀等，用蒸汽过热度调节的有热力膨胀阀等。
①浮球调节阀：
图4直通式浮球调节阀示意图，主要用于氨制冷系统中。
浮球阀壳体内的液面随蒸发器负荷的变化而涨落，可通过浮球的浮沉改变针阀的开度，以调节供液量的大小。
图4浮球阀结构示意图
1．液体进口；2．针阀；3．支点；4．浮球；5．液体连接管；6．气体连接管
②热力膨胀阀：
图5为热力膨胀阀的工作原理图。
它是利用制冷剂蒸汽的过热度来调节阀孔的开度以改变供液量的。
在毛细管和感温包中充有感温工质，利用它的压力通过膜
片和推杆将阀门打开。
膨胀阀接在蒸发器进口管上，感温包敷在蒸发器出口管上。
当蒸发
器热负荷增大因而制冷剂供液量显得不足时，标志全部汽化的截面A-A将左移，蒸发器出口蒸汽过热度增大，感温工质的压力上升，于是膜片鼓动推杆，使阀孔开度增大，供液量增加。
反之，当蒸发器热负荷减小因而供液量显得过剩，则作用相反，阀孔开度减小，使供液量减小。
图5热力膨胀阀工作原理
1．阀盖；2．毛细管；3．感温包；4-．膜片；
5．推杆；6．阀体；7．阀芯；8．弹簧；9．调整杆；11．蒸发器
4.蒸发器蒸发器的作用是使低温低压的液体制冷剂汽化吸热。
常用的蒸发器主要有立管式和卧式两种。
1立管式蒸发器：
立管式蒸发器如图6所示。
由2～8个单位蒸发器组成。
每个蒸发器有上、下两根水平总管，中间焊有多根直立的短管。
整个蒸发器由输液总管、回气总管、氨液分离器、集油器及远距离液面指示器接头。
蒸发器里装有卧式搅拌器，使盐水在箱内循环，上部装有盐水溢流管，避免盐水溢出，下部装有排水管，便于维修。
水箱的底部及四周壁装有绝热层。
图6带开启式水箱的立管式蒸发器
1．回气管；2．进液管；3．上集气管；4．蒸发排管；5．进水管；6．搅拌器；7．出水管；8．放水管；9．下集液管；11．放油口；11．集油器；11．氨液分离器
氨液从上部的导液管进入蒸发器，导液管插入直立的粗管中，并让其下部出口接近
下总管，这样可保证液体立即进入下总管，然后再进入立管，立管中充满氨液，使液面接近上总管处。
制冷剂自下总管通过直立细管至上总管，再沿直立粗管返回下总管。
由于制冷剂的循环，提高了蒸发器的传热效果。
立管式蒸发器的优点是：
传热效率高；构造比较简单；检修与清理方便。
其缺点是蒸发管组易受腐蚀。
图7卧式壳管式蒸发器
1．氨液过滤器；2．安全阀；3．压力表；4．氨浮球阀
2卧式壳管式蒸发器：
卧式蒸发器的构造如图9-14所示。
用离心泵将盐水从一个端盖的下部打入蒸发器中，借水盖内的挡板转折进出，以增强对流效果。
氨液由节流阀或浮球阀自壳体下部进入，后者能自动调节氨液并维持一定的液面。
卧式壳管式蒸发器的优点是：
传热效率高；构造简单、紧凑；由于盐水循环系统密闭，因而减少了腐蚀，并可避免因低温盐水吸湿而引起浓度降低。
其缺点是当盐水浓度不够或盐水泵发生故障而停止运转时，管内的盐水可能发生冻结，冻结后，管子有破裂的危险。
图9-15氨液贮罐
1．进液管；2．平衡管；3．压力表；4．安全阀；5．出液管；
6．排空管；7．放油管8．液位计
--5
5.氨液贮罐在制冷系统中，氨液贮罐位于冷凝器和蒸发器之间，其作用是贮存和供应制冷系统内的液体制冷剂，使系统各设备内具有均衡的氨液量，以保证压缩机的正常运转。
其组成与结构如图7所示。
贮液罐的容量一般为每小时制冷剂循环量的1～1。
正常运转时，高压
32贮液罐内的氨液容纳量不应超过容量的80%，并保持稳定。
贮液罐必须进行水压试验，试验压力一般为3MPa。
6.气液分离器气液分离器的作用是维持压缩机的干冲程，同时将送入冷却排管（蒸发器）液体内的气体分出，以提高制冷效率。
冷冻机运转时，如液体制冷剂被吸入压缩机，氨液受压缩而温度升高，体积膨胀并产生较大的压力，使汽缸遭受冲击，甚至使压缩机损坏。
同时，液体制冷剂将迅速汽化而降低压缩机的吸气能力。
气液分离器的构造如图8所示。
其上有氨蒸气进、出口，氨液进、出口，远距离液面指示器，安全阀和压力表等接头。
气-液分离器应安装在较高的位置，一般高出冷却排管0.5～2.0m，这样液体的压力可克服管路阻力而通畅地流入冷却管内。
图8气液分离器
7．空气分离器
空气分离器的作用是分离并排除制冷系统中的空气及不凝性气体,以保证制冷系统的正常运转。
空气分离器的工作原理是将气-氨混合物在冷凝压力下冷却到蒸发温度，使氨气凝结成液体，从而将空气及不凝性气体加以分离。
8．油氨分离器在氨压缩机运行过程中，总有润滑油随气态的氨一起排出。
润滑油一旦进入冷凝器或蒸发器，将在传热面上形成油膜，导致传热阻力增大，传热效果下降。
为此，在压缩机排气管上应设置油氨分离器以除去压缩后氨气中携带的油雾。
常用的油氨分离器有洗涤式、填料式、离心式等。
三、制冷剂与载冷剂的选择
1．制冷剂及其选用在制冷系统中，借以吸取被冷却介质或载冷剂的热量，并将热量传递给周围介质的循环工质称为制冷剂。
从热力学方面考虑，冷制剂应符合的以下要求。
①常压下，制冷剂的沸点要低。
2常温下，制冷剂的冷凝压力不宜过高。
③单位容积制冷剂的产冷量要大。
④临界温度要高。
便于使用一般的冷却水或空气作为冷却介质将其冷凝。
⑤凝固温度要低，便于获得低的蒸发温度。
⑥压缩终了时，制冷剂的温度不应太高，以免压缩机的润滑条件变得恶化。
⑦黏度和密度要小。
⑧导热系数要大。
同时，选择冷制剂时还应从以下几个方面。
1化学性质稳定。
在高温下，不易分解、不易燃烧、不易爆炸。
②具有一定的吸水性。
不至于在制冷系统中形成“冰塞”而影响制冷设备的正常运行。
③对金属等无腐蚀作用。
对装置中所使用的材料无腐蚀性。
④渗透性要弱。
如果发生泄漏，应能迅速地确定泄漏处。
⑤对人体无损害、无毒性、无刺激、无燃烧和爆炸的危险，使用安全。
⑥价格低廉、易于获得。
2．制冷剂的分类根据常压下的蒸发温度Ts的不同，制冷剂可分为以下3类。
1高温制冷剂：
Ts>273K，如R11、R113、R114等。
2中温制冷剂：
当213K3低温制冷剂：
Ts≤213K，如R13，R14，乙烯等。
3．常用的制冷剂
①氨（R－717）：
氨是无色、有毒、有强烈刺激性气味，并能燃烧和爆炸的中温制冷剂。
氨液飞溅到皮肤上会引起冻伤。
氨蒸气能刺激人的眼睛及呼吸器官。
当空气中的体积分数达到0.5%～0.6%时，人在其中停留半小时即可中毒；空气中氨的含量达到11%～14%时即可点燃，并呈现黄色火焰；空气中氨的含量达到16%～25%时会引起爆炸。
常温下，一个体积的水可溶解700体积的氨；低温下，水也不会从氨液中析出而冻结，所以系统不易形成“冰塞”。
但氨液中溶有水后，它的蒸发温度便会略有升高，润滑油的润滑效果下降，同时对金属也有腐蚀作用。
一般规定氨液中的含水量应不超过0.2%。
纯氨对钢铁无腐蚀作用，但含有水分时会腐蚀锌、铜及铜合金。
综上所述，氨的优点是：
易于获得，价格低廉；压力适中；单位容积产冷量大；不易溶解于润滑油；对流放热系数高；在管道中流动阻力小；易发现泄漏。
缺点是：
有刺激性臭味；有毒；会燃烧和爆炸；对铜和铜合金有腐蚀作用。
2氟利昂：
氟利昂是饱和碳氢化合物的卤素衍生物的总称，种类繁多，性能各异，但又有其共同的特性。
其优点是：
无毒；不易燃烧；绝热压缩时，排气温度低；相对分子质量大，适用于离心式压缩机。
其缺点是：
价格昂贵；容易泄漏，而且泄漏时不易发现；含有氯原子的氟利昂与明火接触时会分解出有毒的光气（COCl2）；对流放热系数低；单位容积制冷量小，因而制冷剂的循环量大；相对密度大，流动阻力大。
下面是几种工业中常用的氟利昂制冷剂。
a．二氟二氯甲烷（R-12）：
R-12的蒸气无色，气味很弱；当空气中的体积分数超过80%时会引起窒息。
水在R-12液体中的溶解度很小，故R-12液体中溶有水时，会引起“冰塞”现象，并对金属产生腐蚀作用。
R-12能溶解于多种有机物质，所以不能用橡胶垫片密封。
R-12渗透性能强，所以铸件的质量要求较高，机器密封性要好。
b．三氟一氯甲烷（R-13）：
R-13是一种低温制冷剂。
其凝固点很低（-181℃），毒性比R-12更小。
因不含氢原子，所以不会爆炸，也不会燃烧，在润滑油中也不溶解。
c．二氟一氯甲烷（R-22）：
R-22是一种中温制冷剂，毒性较R-12稍大，不燃烧也不爆炸。
水在R-22液体中的溶解度比较小，在制冷机工作时同会发生“冰塞”现象，在系统中要装干燥器。
在干燥器中，充以吸收剂硅胶或活性氧化铝。
在应用活性氧化铝时，要在干燥器之前装油过滤器，以防油进入干燥器而使氧化铝的活性降低。
d.一氟三氯甲烷（R-11）：
R-11是一种高温制冷剂。
正常蒸发温度为296.75K，相对分
--8子质量较大，主要用于空调离心式制冷机中。
R-11与明火接触比R-12更易分解出有毒的光气。
因此，在R-11制冷机附近应严禁明火。
R-11易溶于油，并能溶解天然橡胶。
为了改进制冷剂的特性，目前常采用共沸溶液制冷剂，如R-500、R-502等。
表1列出了常用制冷剂的性能。
表1常用制冷剂的性能
制冷剂名称
氨
R-11
R-12
R-500（R-12与R-152a的共沸混合物）
R-502（R-22与R-115的共沸混合物）
二氧化碳
化学分子式
NH3
CCl3F
CCl2F2
CF2Cl2/C2H4F2
73.8/26.2
CHF2Cl/C2H5Cl
46-8.8/51.2
CO2
常压下沸点/℃
-33.4
23.6
-29.8
-33.3
-45.6
-78.5
凝固温度/℃
-77.7
-19.1
-158.2
-158.9
-
临界温度/℃
132.4
198
19.5
105.5
90.0
31
临界压力（绝对）/MPa
9.43
4.38
4.01
43.0
42.66
7.39
-15℃时蒸发压力
（绝对）/MPa
0.236
0.021
0.183
2.29
-15℃蒸发,
30℃冷凝的压缩
比
4.94
6.19
4.075
3.14
-15℃时汽化潜热/
（kJ/kg）
1312.4
191.8
161.6
260.7
制冷系数
4.87
5.23
4.7
2.56
使用温度范围/℃
-60～10
0～10
-60～10
-60～0
四、载冷剂的选择
1．冷却方式制冷剂在制冷系统中所产生的冷量对其他系统进行冷却有两种方式：
一种是直接式冷却，另一种是间接式冷却。
（1）直接式冷却。
直接式冷却是利用制冷剂直接从被冷却物体中吸收热量，使被冷却物体达到所要求的低温。
如图9所示为直接蒸发式制冷系统，氨液通过膨胀阀经节流膨胀后直接向蒸发器供给低压制冷剂。
直接蒸发式的优点是：
系统简单；操作方便，适用于小型的冷冻间；降温速度快；可获得较低的温度；耗电量小。
其缺点为：
氨用量大；无缝钢管耗量大；氨液容易被吸入压缩机，造成湿冲程
图9直接蒸发式制冷系统
1．过滤器；2．膨胀阀；3．蒸发器；4．贮液器；5．冷凝器；6．压缩机
（2）间接式冷却。
间接式冷却是利用中间介质将制冷系统产生的“冷量”传给冷冻系统进行冷却，如图10所示。
制冷系统中的蒸发器为沉浸式换热器，容器内盛有氯化钙及氯化镁等盐的水溶液或醇类的水溶液。
液体制冷剂在蒸发器内蒸发，首先吸收水溶液中的热量，并使之冷却，然后再用循环泵将被冷却的溶液送入冷库或其他冷加工设备中，用以吸收被冷冻物体中的热量，最后回到蒸发器中，热量又被制冷剂吸收，如此循环不已。
盐水或醇的水溶液常称为载冷剂，它是间接冷却制冷系统中用来传递冷效应的中间介质。
这样，制冷剂可以在较小的制冷系统内循环，让冷量通过载冷剂传递给被冷却对象。
图10间接冷却式制冷系统
间接冷却式制冷系统具有以下优点。
①氨循环量较小。
②无缝钢管耗量较小。
3可预先冷却大量的载冷剂，供冷冻系统使用。
4当全厂需要冷冻的地方较多时，可设计一大型蒸发器，将冷冻盐水分送到多处使用。
5由于载冷剂的循环量较大，温度容易保持稳定，特别适用于生产过程中的冷却降温。
6盐水系统的安装比较容易。
7发生事故的危险性小。
其缺点是：
系统复杂；耗电量较大；盐水对设备及管路的腐蚀性较大；维修费用较高
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2．载冷剂的选择
（1）载冷剂的基本要求。
①凝固温度低：
只有冰点低于使用温度，才不会因载冷剂冻结而损坏设备。
②比热容大：
在传送一定冷量时，载冷剂的比热容越大，则载冷剂的循环量越小。
3导热系数大导热系数大，可减小换热设备的传热面积。
4黏度、密度小：
可减小流动阻力。
5挥发性小：
在使用温度范围内，应不会气化。
6腐蚀性小：
不会腐蚀设备、管道及其它附件。
7化学性质稳定：
不易燃烧，在使用过程中不分解、不变质。
8无毒：
与产品接触时，不会造成污染。
9价格低廉，易于购买。
（2）常用的载冷剂及其性质。
①水：
常压下水的冰点为0℃，所以通常用于空调及生产过程中的冷却降温。
②无机盐的水溶液：
工业上，常用氯化钙、氯化镁等无机盐调制成盐水。
盐水的种类和浓度不同，其冻结温度也不同。
在具体选择盐的种类，确定盐水的浓度时，应首先考虑冷却所需达到的温度。
氯化钙水溶液的最低冻结温度为-55℃,实际应用时不宜低于-45℃；氯化钠水溶液的最低冻结温度为-21℃,而实际应用时不宜低于-18℃。
3有机载冷剂：
常用的有机载冷剂有：
乙二醇、丙二醇、乙醇等。
乙二醇溶于水，其水溶液无色、无味、不易燃烧。
凝固温度随浓度的增加而降低。
对金属的腐蚀性小。
丙二醇是一种非常稳定的有机化合物，易溶于水，对金属腐蚀性小，对微生物的生长有抑制作用。
在食品、发酵、制药工业中的应用相当广泛。
乙醇的凝固点为-114℃，可用作低温载冷剂。
乙醇能以任意比与水互溶，生产上，既可用乙醇作载冷剂，也可用其水溶液作为载冷剂。
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