制冷技术论文.doc

石家庄科技信息职业学院
顶岗实习岗位技术工作论文

题目

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企业指导老师:
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二〇一四年四月

题 目 ：
自动化制冷技术

企业指导教师：吴程飞
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成 绩

年 月 日

摘 要

“自动化制冷”从本质上讲就是让空气中分子运动减慢。通俗的讲就是使自然界的某物体或某空间达到低于周围环境温度，并使之维持这个温度。利用天然冰等自然冷源过渡到人工制冷，是制冷技术发展的初始级段。
在自动化制冷系统中，蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀是制冷系统中必不可少的四大件，这当中蒸发器是输送冷量的设备。制冷剂在其中吸收被冷却物体的热量实现制冷。压缩机是心脏，起着吸入、压缩、输送制冷剂蒸汽的作用。冷凝器是放出热量的设备，将蒸发器中吸收的热量连同压缩机功所转化的热量一起传递给冷却介质带走。节流阀对制冷剂起节流降压作用、同时控制和调节流入蒸发器中制冷剂液体的数量，并将系统分为高压侧和低压侧两大部分。
制冷系统的基本原理：
液体制冷剂在蒸发器中吸收被冷却的物体热量之后，汽化成低温低压的蒸汽、被压缩机吸入、压缩成高压高温的蒸汽后排入冷凝器、在冷凝器中向冷却介质(水或空气)放热，冷凝为高压液体、经节流阀节流为低压低温的制冷剂、再次进入蒸发器吸热汽化，达到循环制冷的目的。这样，制冷剂在系统中经过蒸发、压缩、冷凝、节流四个基本过程完成一个制冷循环。
空气调节用制冷系统中换热设备的设计，是全部系统设计之中的重要部分和难点部分。工质类型多，设备类型多，彼此计算方法差别大。广泛应用传热学和热力学知识。本课题借助文献提供的经验公式和 计算方法，设计相应类型蒸发器和冷凝器。同时要对系统和设备的基本原理有系统的理解，并构建制冷系统。

关键词：自动化技术 自动化制冷技术 自动化热换设备

目 录

第1章 自动化蒸气压缩式制冷的热力学原理......................

1.1 自动化蒸汽压缩式制冷的理想循环........................
1.2 自动化蒸汽压缩式制冷理论循环的热力计算.................

第2章 自动化制冷装置的换热设备..............

冷凝器的种类、构造及工作原理...........................
2.1 自动化空冷式冷凝器..................................
2.2自动化蒸发式冷凝器..................................

第3章 自动化制冷压缩机......................................

3.1 塞式压缩机的种类及型式.................................
3.2 活塞式制冷压缩机的总体及主要零部件.....................

第4章 自动化制冷装置的换热设备-蒸发器........................

4.1 自动化蒸发器的种类、基本构造及工作原理..................

第5章 自动化蒸汽压缩式制冷系统...............................

5.1 氟利昂系统流程.........................................
5.2 氟利昂系统工作原理......................................

结论

致谢

参考文献.

第1章 自动化蒸气压缩式制冷的热力学原理

液体的气化过程要吸收热量，而且液体压力不同，其饱和温度也不同，压力越低，其饱和温度越低。只要创造一定的低压条件，就可以利用液体的汽化获取所要求的低温。蒸气压缩式制冷的工作原理是使制冷剂在压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器等热力设备中进行压缩，放热冷凝，节流和吸热蒸发四个主要热力过程，以完成制冷循环。
1.1自动化蒸汽压缩式制冷的理想循环
卡诺循环式两个温度不相同德定温热源之间进行的热力循环，而逆卡诺循环最大的困难是两个等温过程。只有液体的定压蒸发吸热过程和蒸汽的定压凝结放热过程是等温过程，所以在湿蒸汽区域内进行的制冷循环有可能易于实现逆卡诺循环。
一、蒸汽压缩式制冷的理论循环
（一）膨胀阀代替膨胀机
原因：
①进入膨胀机的是液态制冷剂，其膨胀过程膨胀功不大，而机件小，摩擦损失相对较大；
② 简化制冷装置便于调节进入蒸发器的制冷剂流量。
（二）干压缩代替湿压缩
在湿压缩时，压缩机所吸入的是湿蒸汽，压缩后为饱和蒸汽，而干压缩时压缩机吸入的是饱和汽，压缩后为过热蒸汽。实际上均采用干压缩，严禁湿压缩。
（三） 关于热交换过程的传热温差
有传热温差制冷循环的冷凝温度必然高于冷却剂温度，蒸发温度必然低于被冷却物质的温度，因此，制冷稀释必将降低，传热温差越大，制冷系数降低越多；实际应用中应进行技术经济分析，已选择合理的传热温差，使初投资和运行费的综合值最为经济。
综上所述，制冷理论循环与理想循环的3个不同点是：
①用膨胀阀代替膨胀机；②干压缩代替湿压缩；③吸热及放热过程为定压过程且存在传热温差。

1.2自动化蒸汽压缩式制冷理论循环的热力计算

制冷循环的热力计算是根据所确定的蒸发温度，冷凝温度，液态制冷剂的再冷度和压缩机的吸气温度等已知条件，求出各状态点的状态参数，计算下列数值：

1．单位质量制冷能力：q0=h1-h4
单位容积制冷能力： kJ/m3

v1——压缩机入口气态制冷剂的比容，m3/kg
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第1章 蒸汽压缩式制冷的热力学原理

qv——表示吸入1m3制冷剂所产生的冷
2. 制冷剂质量流量MR和体积流量VR
kg/s m3/s
φ0——制冷量，kJ/s或kW
3. 冷凝器的热负荷
φk＝Mr(h2-h3)]kW
4. 压缩机理论耗功率Pth
Pth=Mr(h2-h1)
5. 理论制冷系数εth：
εth＝q0/wc=Φ0/Pth=(h1-h4)/(h2-h1)
6.制冷效率ηR.制冷效率ηR是理论循环制冷系数εth与考虑了传热温差的理想制冷循环制冷系数ε'c与ε'1之比，即
ηR=εth/ε'c或εth/ε'1

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第2章 自动化制冷装置的换热设备-冷凝器

蒸汽压缩制冷循环是由压缩、放热、节流和吸热四个主要热力过程组成，制冷装置的基本热力设备，除了具有心脏作用的压缩机和节流降压作用的膨胀阀以外，还应该既有基本换热设备冷凝器和蒸发器，它们是制冷设备四大件中的两大件；另外制冷装置上根据需要还可能设有再冷却器、回热器、中间冷却器和冷凝-蒸发器等。这些设备的传热效果，直接影响制冷装置的性能以及运行经济性。
冷凝器和蒸发器都是换热设备。制冷循环的换热设备的特点：
(1)制冷装置的压力、温度变化范围工作压力及温变的范围比较窄。
(2)介质之间的传热温差较小。小温差换热导致设备的热流密度小，传热系数低，传热面积增大，设备体积增加；而提高传热温差则加大制冷循环的不可逆失败，整机运行不经济。因此，强化换热，改进结构形式和加工工艺，是设计和制造换热设备的正确途径。
（3）换热器与制冷压缩机相匹配。制冷换热设备性能的优劣，不紧要考虑传热系数、流动阻力、单位材料好靓和单位外形体积等，同时还要考虑导致制冷压缩机所耗功率的变化。
2.1 冷凝器的种类、构造及工作原理
冷凝器的作用是将制冷压缩机排出的高温高压气态制冷剂予以冷却，使之液化，以便制冷剂在系统中循环使用。

2.1 自动化空冷式冷凝器
空气冷却式冷凝器又称为风冷式冷凝器，制冷剂冷却放出的热量被空气带走。
1. 分类：

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空冷式冷凝器多为蛇管式，制冷剂蒸气在管内冷凝，空气在管外流过。根据空气运动的方式，又分为自然对流式和强迫对流式两种形式。

自然对流式：依靠空气受热后产生的自然对流将热量带走，用于＜300L以下家用电冰箱和微型制冷装置的冷凝器；
强迫对流式：借助于轴流或离心式风机使空气以2～3m/s的速度横向流过翅片。用于＜60 kW中小氟里昂机组。
制冷剂在风冷式冷凝器中的传热过程与水冷式冷凝器相似，分降低过热、冷凝和再冷三个阶段。如下图所示。从图中可以看出，约90％的传热负荷用于使制冷剂冷凝，在冷凝段内制冷剂的温度基本不变。当然，由于流动过程中的阻力影响，制冷剂温度稍有降低。

2. 空冷和水冷比较
在冷却水充足的地方，水冷式设备的初投资和运行费均低于风冷式设备；采用风冷式冷凝器由于夏季室外空气温度较高，冷凝温度一般可达50℃，为了获得同样的制冷量，制冷压缩机的容量约需增大15%。但是，采用风冷式冷凝器的
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制冷系统组成简单，可缓解水源紧张，并易于构成空气源热泵，所以目前中小型
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氟利昂制冷机组多采用风冷式冷凝器。
2.2蒸发式冷凝器
构造及工作原理
在自动化蒸发式冷凝器中，来自制冷压缩机的高压气态制冷剂，从上部被送入盘管，冷凝后液态制冷剂从盘管下部流出。蛇形盘管可用铜管或无缝钢管弯曲制成。冷却水由盘管上部的喷嘴喷出，淋洒在盘管外表面上，水吸收气态制冷剂放出的热量，一部分蒸发变成水蒸气，其余则落入下部水槽，循环使用。室外空气自下向上流经盘管，这样不仅可以强化盘管外表面的换热，而且可以及时蒸发形成的水蒸气，以加速水的蒸发，提高冷凝效果。空气流经盘管的迎面速度不超过2.5m/s，为了防止空气带走水滴，喷水管上部装有挡水板。
风机可设在盘管的上部，称为吸入式；也有设在盘管下部者，称为压送式。这两种形式的蒸发式冷凝器各有优缺点，吸入式由于气流均匀地通过冷凝盘管，所以传热效果好，但通风机在高温高湿下运行，易发生故障。压送式则与之相反。
自动化蒸发式冷凝器基本上是利用水的汽化以带走制冷剂蒸气冷凝过程中放出的凝结潜热，因此，蒸发式冷凝器所消耗的冷却水只是补给散失的水量，这比水冷式冷凝器的冷却水用量要少的多。因为水的汽化潜热约为2450kJ/kg，而冷却水在水冷式冷凝器中温升只有6～8℃，即每kg水只能带走25～35kJ的热量，所以理论上蒸发式冷凝器消耗的水量只是水冷式的1/70～1/100。由于挡水板的效率不能达到100％，以及空气中的灰尘对水的污染，经常需要更新部分循环水等原因，实际上补充的水量约为水冷式的1/25～1/50。
自动化蒸发式冷凝器耗水量很小，所需空气流量不足风冷式冷凝器所需空气流量的1/2,因此特别使用于缺水地区，气候越干燥使用效果越好。它的主要缺点是管外易结水垢，易腐蚀，且维修困难。

第3章 自动化制冷压缩机

制冷压缩机是蒸汽压缩制冷装置的一个重要要的设备，制冷压缩机的形式很多，根据工作原理的不同，可分为两大类：容积式制冷压缩机和离心式制冷压缩机
容积式制冷压缩机是靠改变工作改变工作腔的容积，将周期性吸入的定量气体压缩。长用的容积是制冷压缩机和回转式制冷压缩机。目前，国外空调用氟利昂离心式制冷压缩机的单机制冷量最高可达30000KW使用的是离心式制冷压缩机
。
3.1 塞式压缩机的种类及型式
往复式压缩机又称活塞式压缩机，种类和型式较多，而且有多种不同的分类方法。常见的有下列几种：
1. 按制冷量的大小分
气缸直径＜70mm的为小型；气缸直径为70～170 mm的为中型。国产多缸新系列产品均属于中小型压缩机，大型的多为非系列产品。
2. 按压缩机的级数分类
可分为单级和多级（一般为两级）压缩。
3. 按电动机与压缩机的组合型式分类
可分为开启式与封闭式两种。其中封闭式又可分为半封闭式和全封闭式两种型式。
4. 按气缸的布置型式分类
对开启式与封闭式可分为卧式、立式和角度式三种类型。
5. 按蒸汽在气缸内的流动情况分类
可分为顺流式和逆流式。
目前，我国中小型活塞式制冷压缩机的系列产品为高速多缸逆流式压缩机。据气缸直径有5个系列，直径分别为：50、70、100、125、170mm，再配有不同缸数，共组成22种规格，以满足对不同制冷量的要求。
3.2 活塞式制冷压缩机的总体及主要零部件结构
该压缩机结构复杂，组合件较多，可概括为以下几部分：机体、气缸套及吸排气阀组合件、活塞及曲轴连杆机构、能量调节装置、轴封和润滑系统等六部分。
一、 机体
机体是活塞式制冷压缩机最大的部件。
二、气缸套及吸排气阀组合件
它包括气缸套、吸气阀和排气阀等部件。吸、排气阀又分别由外阀座、内阀座、进排气阀片及阀盖、缓冲弹簧组成。
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三、活塞及曲轴连杆机构
活塞的作用是与气缸共同组成一个可变的封闭工作容积，使气体能在此封闭容积中受到压缩。

四、卸载装置（能量调节装置）
在压缩机的使用过程中，负荷的大小是随外界条件与冷量的需要情况而变化的。能量调节装置就是来调节压缩机的制冷能力的。
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卸载装置的作用：
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1. 实现在无负荷或小负荷状态下启动压缩机；
2. 调节压缩机的制冷量。
多缸活塞式制冷压缩机多采用卸载法调节压缩机的制冷能力，例如，八缸式制冷压缩机可以停止两个、四个或六个气缸的工作，使压缩机的制冷能力为总制冷量的75％、50％，24％。此外，采用卸载法还可以降低启动负荷，减小启动转矩。
五、轴封装置
开启式压缩机曲轴的一端装有油泵，另一端则通到曲轴箱外，与联轴器或带轮相联接。
六、润滑系统
压缩机的润滑是一个很重要的问题。其目的是：（1）使各个摩擦面完全被油膜隔开，从而降低摩擦功的消耗，提高零部件的使用寿命；（2）带走摩擦产生的热量，降低各运动部件的温度，提高压缩机的耐久性；（3）向能量调节装置提供有压油。

第4章 自动化制冷装置的换热设备-蒸发器

蒸发器的种类、基本构造及工作原理
蒸发器的作用是通过制冷剂蒸发，吸收载冷剂的热量，从而达到制冷目的。
按制冷剂的供液方式，蒸发器可分为如图所示的满液式、非满液式、循环式及淋激式四种类型。

满液式蒸发器内充满液态制冷剂，可使传热面与液态制冷剂充分接触，因此，沸腾换热系数更高；但是，这种蒸发器需充入大量制冷剂，而且，若采用能溶于润滑油的制冷剂，则润滑油难以返回压缩机。
非满液式蒸发器液态制冷剂经膨胀阀进入蒸发器管内，随着在管内流动，不断吸收管外载冷剂的热量，逐渐气化，所以蒸发器内制冷剂处于气液共存状态；这种蒸发器虽然克服了满液式蒸发器的缺点但是，有较多的传热面与气态制冷剂接触，所以传热效果不如满液式蒸发器。
循环式蒸发器是通过液泵使制冷剂在蒸发器内进行强迫循环，制冷剂循环量是蒸发量的几倍。因此，沸腾放热强度较高，并且润滑油不易在蒸发器内积存。其缺点是设备费及运转费用较高。目前多应用于大中型冷藏库。
淋激式蒸发器是借助液泵将液态制冷剂喷淋在传热面上进行沸腾换热，因此蒸发器中制冷剂充灌量很少，而且不会产生液柱高度对蒸发温度的影响。溴化锂吸收式制冷机中采用。在其他场合由于其设备费用很高而较少使用。
上述四种蒸发器中，前两种应用最多，故这里我们只介绍这两种。
一、满液式蒸发器
主要有卧式壳管蒸发器和水箱式蒸发器两种。载冷剂均为液体。
（一）卧式壳管蒸发器
卧式壳管蒸发器的筒体由钢板焊接而成，筒体两端焊有管板，板间焊接或胀接许多跟水平传热管。两端管板外侧装有带隔板的封盖，靠隔板将水平管束分为几个管组，使被冷却液体顺序流过各管组，以提高管中液体流速，增强传热。
卧式壳管蒸发器优点结构紧凑，传热性能好，制造工艺简单；缺点：一是使用时需注意蒸发压力的变化，避免蒸发压力过低，使被冷却的水冻结，胀裂传热管；二是蒸发器水容量小，运行过程的热稳定性差，水温容易发生较大变化。
（二）水箱式蒸发器
由于卧式蒸发器存在上述两个缺点，可以采用水箱式蒸发器来消除。
水箱式蒸发器由水箱和蒸发管组成，水箱由钢板焊接而成，盘管可分为立管，螺旋形盘管或蛇形盘管。水箱中装有两排或多排管组，每排管组由上下集管和介于期间的许多钢制立管组成；上集管焊有液体分离器，下集管焊有集油罐，集油

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罐上部接有均压管与回气管相通。进液管从中间一根较粗的立管上部插入蒸发管组，几乎伸之下集管，这样可以保证液体直接进入下集管，均匀分配给各个立管；吸热气化后的制冷剂，上升之上集管，经液体分离器分液后，返回压缩机。
水箱式蒸发器的优点是：传热系数高，沸腾放热系数高；缺点是：焊点多，制造复杂。对于满液式蒸发器，具有K较大，结构紧凑等优点，缺点是：① 制冷剂充注量大，对氟来讲，价格贵，此缺点更为突出；② D大时，受静液压影响，t0↑使Δt↓，尤其是氟；③ 用氟作制冷剂时，润滑油难以排出。
二、非满液式蒸发器
针对满液式的缺点，采用干式蒸发器（制冷剂在管内一次完全汽化）。
非满液式蒸发器按照冷却介质可分为冷却液体干式蒸发器和冷却空气干式蒸发器，前者主要有干式壳管蒸发器和焊接板式蒸发器，焊接板式蒸发器从结构形式和特点上与前面所介绍的焊接板式冷凝器相似，故不再多说。
（一）干式壳管蒸发器
构造与满液式相似，主要区别在于：制冷剂在管内流动，被冷却液体在管外流动，筒体内横跨管束装有若干块隔板，以增加液体横掠管束的流速。
直管式可以采用光管或具有多股螺旋形微内肋的高效蒸发管作为传热管。由于载冷剂侧的对流换热系数较高，所以一般不用外肋管。由于随着制冷剂沿流动时蒸汽含量逐渐增加，所以后一流程的管数应多于前一流程，以满足蒸发管内制冷剂湿蒸汽比容逐渐增大的需要。

U形管式干式蒸发器，传热管为U形管，从而构成制冷剂为二流程的壳管式结构。U形管式结构可以消除由于管材热胀冷缩而引起的内应力，且可以抽出来清除管外的污垢。再者，制冷剂在蒸发器中始终沿着同一管道流动，而不相互混合,因而传热效果较好。
（二）直接蒸发式空气冷却器
冷却空气的蒸发器都是以制冷剂在管内蒸发直接冷却空气的，按照空气的运动状可以分为自然对流和强制对流两种形式。
自然对流形式常用于冰箱、冷藏柜、冷藏车、冷藏库等处。例如冷藏库多采用安装在顶棚下或墙壁的排管冷却库内空气，排管为光管或片距6～12 mm的肋管。采用氨制冷系统时，多为满液式或循环式；采用氟系统时，多为非满液

式或循环式。由于空气侧为自然对流，所以这种冷排管的传热系数很低。光管K＝14 W/m2k，肋片管K＝5～10 W/m2k。
为增强传热，在间冷式冰箱的冷冻室、空调机组、冷藏库及除湿机等处多采用强制对流式的直接蒸发式空气冷却器。如图为空调用强制对流直接蒸发式空气冷却器构造示意图。来自节流装置的低压制冷剂湿
蒸汽通过分液器分成多通路，吸热蒸发后为气态制冷剂，汇集到集管中流出；而空气以一定流速从肋片管的肋片间掠过，将热量传给管内流动的制冷剂，温度降低。直接蒸发式空气冷却器一般由4～8排肋管组成，管材为φ7～12 mm的铜管，外套连续整体铝片。强制对流比自然对流蒸发器传热效果好、结构紧凑，应用广泛。
分液器和分液管是保证将液态制冷剂均匀分配给直接蒸发式空气冷却器各通路的主要部件。由于液态制冷剂流经膨胀阀降压后，呈气液两相状态，处理不当，则导致各通路分液不均；为了解决此问题，除在膨胀阀后设置分液器增强气
液混合以外，还设置等长度的分液管，增加各通路阻力，保证各通路分液均匀。分液管为内径很小的毛细管。
第7章 自动化蒸汽压缩式制冷系统

将压缩机、蒸发器、冷凝器和节流机构四大部件以及必要的辅助设备用管道连接起来，就组成了蒸气压缩式制冷系统。本章将介绍蒸气压缩式制冷系统的典型流程，制冷系统中的制冷剂管道和水系统、制冷机组以及制冷机房的设计。
7.1氟里昂系统流程
图6-1为氟利昂制冷系统流程图。

7.2氟利昂系统工作原理：
低压氟利昂蒸汽进入活塞是制冷压缩机1，被压缩为高压过热蒸汽，通过油分离器4将润滑油分离出来，在进入蒸发式冷凝器3；冷凝后的高压液态氟利昂储存在储液器5中，通过干燥器10以及回热器6和过热器9以后，经热力膨胀阀7膨胀节流供入直接蒸发空气冷却器2；低压氟利昂整齐被制冷压缩机吸入，不断进行循环。

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结 论

通过对本次课题的学习和研究，让我对制冷系统及其设备的基本原理有了更深入的认识，了解了蒸发器和冷凝器这两大主体设备的传热学原理，并通过对各个原始参数的拟定，掌握了对蒸发器和冷凝器的设计计算方法，同时也清楚了制冷系统的辅助设备的结构和原理，并学会了看系统图。
蒸气压缩式制冷的工作原理是使制冷剂在压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器等热力设备中进行压缩，放热冷凝，节流和吸热蒸发四个主要热力过程，以完成制冷循环
空气调节用制冷系统中换热设备的设计，是全部系统设计之中的重要部分和难点部分。工质类型多，设备类型多，彼此计算方法差别大。广泛应用传热学和热力学知识。本课题借助文献提供的经验公式和 计算方法，设计相应类型蒸发器和冷凝器同时要对系统和设备的基本原理有系统的理解，并构建制冷系统。

致 谢
本研究及学位论文是在我的导师国文学教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，国老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。四年来，国老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向国老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在此，我还要感谢在一起愉快度过大学生活的热动051班的各位同门，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!

参考文献

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