1 第十讲 冷凝器和蒸发器 陈江平 上海交通大学制冷研究所 《制冷原理与装置》讲义 一．冷凝器的种类和工作原理  水冷冷凝器  卧式壳管冷凝器 立式壳管冷凝器  套管式冷凝器  风冷冷凝器  蒸发冷凝器  淋水式冷凝器 The condenser is a heat exchanger in which the heat from the evaporator and the electric motor is removed from the refrigeration system. In the condenser the heat from the discharge gas is ransferred to the water, air or ombination of the two (evaporative). 1. 水冷式冷凝器 ? 冷却水来源 ? 冷却塔 ?? 应用最广泛 ? 深井水 ? 海水或河水 ? 特点 ? 冷凝温度低 ? 相同换热面积排热量大 ? 多用于大中型制冷机组 ? 要求有冷却水源 Water-cooled condensers Modern types with special copper tubes with very large internal and external surfaces 1.1 卧式壳管式冷凝器 管外 ? 制冷剂 管内 ? 冷却水 材料：氨 ? 钢光管 氟利昂 ? 低肋螺纹铜管 卧式壳管式冷凝器 2 卧式壳管式冷凝器的特点 ? 使用最广泛，多用于大、中、小型制冷机组， 结构紧凑 ? 冷媒为氨或氟利昂 ? 传热系数高 ? 水侧多管程，冷却水温升一般为4~6℃ ? 冷却水耗量少 ? 对冷却水水质要求高，清洗不方便 ? 水侧流动阻力大 1.2 立式壳管冷凝器 管外：制冷剂 管内：冷却水 立式壳管式冷凝器的特点 ? 一般用于大、中型氨制冷系统 ? 传热系数低于卧式，传热温差4~6℃ ? 可安装在室外 ? 容易清水垢，故对冷却水水质要求不高 ? 占地面积小，但体积大 ? 冷却水耗量大，冷却水温升2~3℃ ? 需要高的操作平台 1.3 套管式冷凝器 )外套管为55mm无缝钢管 )外套管：制冷剂 内套管：冷却水 套管式冷凝器 制作套管的材料 套管式冷凝器的特点 ? 多用于冷量小于25kW的氟利昂制冷机组 ? 传热效果好 ? 结构简单，易加工 ? 可套在全封闭压缩机上，结构紧凑 ? 冷却水流动阻力大 ? 金属耗量大 3 1.4 其它类型水冷式冷凝器：可清洗型 1.5 水冷式冷凝器的传热温差 T F 制冷剂 水 2. 风冷式冷凝器 风冷式冷凝器 风冷式冷凝器 Air-cooled condenser 4 风冷式冷凝器的特点 ? 适用于中、小型氟利昂制冷机组、缺水环境和 汽车空调 ? 传热系数低，传热温差大 ? 气温高时冷凝压力高 ? 不需要配冷却水系统 ? 露天布置，不需要机房 ? 翅片清洗不便 冷式冷凝器的传热温差 T F 制冷剂 空气 3 . 蒸 发 式 冷 凝 器 蒸发式冷凝器 蒸发式冷凝器 蒸 发 式 冷 凝 器 小型机组 的室外机 5 蒸发式冷凝器的特点 ?? 兼备水冷式和风冷式的优点 ? 适用于中、小型氨和氟利昂制冷机组 ? 传热系数比较高，冷凝温度低 ? 耗水量少 ? 露天布置，不需要机房 ? 造价高 ? 清洗、维修均较麻烦 蒸发式冷凝器的传热温差 T F 制冷剂 冷却介质 二、冷凝器的热工性能 1. 不同冷凝器的传热性能比较 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 卧式立式套管式风冷式蒸发式 传热 系数 (W / m 2 ℃ ) 1200 750 1100 28 700 2. 影响冷凝器传热性能的因素 ?2.1 机理 ?制冷剂侧 ? 凝结换热 ?冷却介质侧 ? 风冷/水冷式：对流换热 ? 蒸发冷凝式：蒸发换热 ?2.2 冷却介质侧 ?冷却介质流速 ? 流速高：换热增强，减少积垢 ? 流速低：流动阻力小，泵/风扇能耗小 ? 最佳流速 Q水：0.8~1.2m/s(氨), <2.5m/s(氟利昂) Q空气：2～4m/s ?冷却介质传热面积垢 ? 水冷式：水垢、锈蚀 ? 风冷式：灰尘、锈蚀 ?2.3 制冷剂侧 ?流态：过热蒸汽－饱和蒸汽－两相－液态－ 过冷液。 ?凝结形式 ? 膜状凝结：换热系数小 ? 珠状凝结：换热系数大 ? 立式冷凝器下部液膜增厚，传热系数降低 ?冷凝壁面的表面状态 ? 壁面粗糙会使液膜积聚变厚，热阻增大 6 ?传热面油膜的影响 ? 氨冷凝器会沉积润滑油膜 ?不凝气体的影响 ? 制冷剂蒸汽中含有空气等不凝性气体时， 聚集的气膜和降低传热系数 ?2.4 冷凝器热阻的大致分配 ?R 总 ＝R 介质 ＋R 管壁 ＋R 制冷剂 ＋R 污垢 ?R 总 ： 卧0.0008 立0.0013 套管0.0009 风冷0.036 蒸发 0.0014 ?冷却介质侧 ? 水冷式冷凝器 R 污垢 = 0.00018~0.0005 ? 风冷式冷凝器 R 污垢 =0.0001~0.0003 ?制冷剂侧 ? 氨冷凝器 R 污垢 =0.00035~0.0006 ?2.4 冷凝器热阻的大致分配 水冷式冷凝器传热热阻比例 冷却水 制冷剂 污垢 管壁 3. 冷凝器设计的要点 ? 首先根据当地条件确定采用冷凝器的类型 ? 总换热面积应满足最大负荷要求并有裕量 ? 冷凝器台数一般应与压缩机对应 ? 技术经济比较 ? 大、中型系统蒸发式冷凝器与水冷冷凝器＋冷 却塔基本相等，但运行费低 ? 维护费蒸发式冷凝器最高 ? 冷凝器的排热量有多少？ ?冷凝器排热量＋压缩机散热量 ＝蒸发器吸热＋压缩机指示功率 ＝（1＋1/COP)蒸发器吸热 ? 压缩机散热量是多少？ ?开启式压缩机 ? 风冷式散热少 ? 水冷式散热多 ?封闭式压缩机：散热量大于开启式 三．蒸发器的种类 ? 冷水器(cooler)：以水作载冷剂 ? 壳管式 ? 满液式 ? 干式 ? 水箱式 ? 直接蒸发器：直接冷却空气 ? 强制通风式 ? 自然对流式 The primary task of the evaporator is to cool the dedium to the required temperature. An air-cooled evaporator is, as the word indicates, surrounded by air. Normally this air is cooled by counterflow. The purpose of the fins on the evaporator is to make it more effective. The fin increase the heat transfer surface of the evaporator significantly. Heat is transferred mainly by conduction. The difference between evaporator temperature and air temperature is normally between 6 - 10 K. This difference ( LMTD) is an expression for the load on the evaporator. To ensure that the evaporator is effective and has capacity to cool the air, it is defrosted at certain intervals. 7 3.1 满液式壳管蒸发器 管外：制冷剂 管内：冷冻水 液面高度70～ 80％ 3.1 满液式壳管蒸发器的特点 ? 广泛用于氨制冷系统，也可用于氟利昂系统 ? 结构紧凑，占地面积小 ? 载冷剂可采用闭式循环，可采用易挥发的载冷 剂 ? 易积油 ? 载冷剂易发生冻结 3.2 干式蒸发器的流程 管内：制冷剂 管外：冷冻水 3.2 干式壳管蒸发器 管内：制冷剂 管外：冷冻水 3.2 干式壳管蒸发器 3.2 干式壳管蒸发器 8 3.2 干式壳管蒸发器的特点 ? 适用于氟利昂系统(易于带油) ? 结构紧凑，可用于冷水机组 ? 载冷剂不易冻结 ? 制冷剂充注量少(系统可不设贮液器) ? 可用热力膨胀阀供液 ? 装配工艺较复杂 3.3 水箱式蒸发器： 立管式水箱 管内：制冷剂 管外：冷冻水 3.3 水箱式蒸发器： 螺旋管式水箱 管内：制冷剂 管外：冷冻水 3.3 水箱式蒸发器： 盘管式水箱 管内：制冷剂 管外：冷冻水 3.3 水箱式蒸发器的特点 ? 占地面积大，结构不紧凑，用于非整体机组的系 统 ? 直立管和螺旋管式适用于氨制冷系统，盘管式适 用于氟利昂系统 ? 有蓄冷能力 ? 只能使用非挥发性载冷剂 ? 易积油 3.4 其它类型： Shell-and-Coil Cooler 9 Ceiling-mounted evaporator Natural air circulation Ceiling-mounted evaporator Forced air circulation Set point ?ts ?t t i = 0 癈 t e = -4 癈 t s = 1 癒 Plate heat exchanger 其它类型：Plate-type 3.5 冷却空气的直接蒸发器 冷却空气的直接蒸发器 直接蒸发器的特点 ? 适用于冷库和空调设备 ?家用空调器 ?组合式空调机组 ? 不需要载冷剂，冷损失少 ? 结构紧凑 ? 控制方便 10 2. 影响蒸发器传热性能的因素 ? 2.1 机理 ? 制冷剂侧 ? 蒸发换热 ? 冷却介质侧 ? 冷水器：水或载冷剂 ? 直接蒸发式：空气，强制和 自然对流