4.4.1 辅助设备的类型与安装位置在线视频

大家好 我是清华大学建筑技术科学系的石文星

今天我们讲 第4讲的第4部分

制冷热泵系统的辅助设备

前面 我们介绍了实现制冷循环的四大部件

压缩机 冷凝器 节流装置和蒸发器的主要结构

工作原理 及其所涉及的关键问题

理论上讲

有了这四大件 就能够实现基本的制冷循环

并制造出制冷设备

为了提升系统性能

保证系统安全 可靠运行

有时 还需改变系统的功能

这就需要一些辅助部件

我们在这里称它们为 辅助设备

从这个角度上看

我们在换热设备部分所介绍过的

再冷却器 回热器 中间冷却器

以及冷凝-蒸发器

都是制冷热泵系统的一些辅助设备

在这一部分 我将介绍氨和氟利昂制冷系统中的

辅助设备的类型 设置位置

以及主要设备的结构和功能

这些主要设备包括

油分离器 高压贮液器 气液分离器 干燥过滤器

单向阀 电磁阀 四通阀 安全装置等

还有一个非常重要的辅助部件

它是将压缩机 冷凝器 节流装置

蒸发器和必要的辅助设备连接成为

一个循环系统的制冷剂管道

由于它在系统中的重要性 容易被忽视

所以 我们在这里特别提出来进行讲解

希望大家 通过对这一部分的学习

结合对实际实物进行解剖

掌握这些辅助设备的功能 结构和工作原理

另外 四通换向阀是热泵系统中转换制冷剂方向

实现制冷和制热功能的重要部件

希望大家重点关注

并思考利用它的原理

是否可以研发出其他的功能阀件

首先 我们来学习辅助设备的类型

和在氨和氟利昂系统中的设置位置

制冷系统的辅助设备 有很多类型

归纳起来 有如下6种

第一类是 容器类 包括油分离器 集油器

高压贮液器 低压贮液桶 气液分离器

经济器等

它们的外观都是一个压力容积的形状

其内部具有保证其功能的结构

第二类是 换热器类 如我们已经介绍过的

再冷却器 回热器 中间冷却器 蒸发-冷凝器

在氨系统中 用于排放进入系统中的空气

同时回收空气中的制冷剂的

不凝性气体分离器

也是一种换热器类型的辅助设备

容器类和换热器类辅助设备 都属于压力容器

需按照压力容器进行管理

要求必须具有相应的资质 才能进行设计和生产

第三类是 控制阀件类 它们是完成特定功能的阀件

有自力式 电磁或电动式两种类型

自力式阀件是利用制冷系统中

高低压的相对大小

或系统中的压力与环境之间的压差

来开启或关闭 管路或者是器件的一些阀门

如 单向阀 蒸发压力调节阀

冷凝压力调节阀 压缩机吸气压力调节阀等

电磁或电动式的阀件

主要是 利用电磁力或步进电机

实现某个管路的通断 改变开度大小

使制冷剂改变流向等功能

如 直动式与伺服式电磁阀

电磁三通阀 四通阀等

第四类是 安全装置类 根据安全等级不同

可以分为 如下三种级别或者类型

最低级别的辅助设备

如 除去制冷剂中的水分和杂质的干燥过滤器

通过眼睛观察冷冻油的流动状态

判定制冷剂充注量是否适宜

以及是否含有水分的视液镜

中等级别的辅助设备

是根据设备的压力 温度 水压是否超低或超高

并采取强制停机等措施

保护制冷设备安全的辅助设备

这些设备 往往也是一些控制阀件

最高级别的安全保护装置

它主要有三种类型

用于氨系统和氟系统中的安全阀

它是通过紧急措施将系统中的制冷剂

排放到环境或者排放到制冷系统中

压力更低部位的装置

第二类是熔塞

它是一种自我牺牲型保护措施

是一种 设置在高压贮液器液体部位壳体上

熔点较低 如70℃ 的金属部件

在火灾发生的时候

当制冷剂温度超过熔塞的熔点时

就立即融化 将制冷剂排出罐体

以防发生爆炸

这两种措施都是

保证制冷系统安全的最后一道防线

还有一种是 紧急泄氨器

为了保证高压液氨的安全排放

将排放的高压液氨与水混合成氨水

以免液氨散发扩散到空气中 致人窒息事故发生

第五种是 泵类设备

在制冷系统中

主要是指 驱动制冷剂循环流动的氨泵和氟泵

由于制冷剂也可作为相变载冷剂使用

故 制冷剂泵是非常重要的辅助设备

它们的结构与水泵类似

但由于它们输送的制冷剂的再冷度很小

压力降低就容易闪发 出现气蚀

故其安装位置必须保证

具有足够的液柱高度 以防止气蚀现象发生

同时 由于制冷剂泵对密封和承压的性能要求很高

故 一般采用屏蔽泵

最后一种是 制冷剂管道

它看似简单

好像选用一截管道

将各种设备按照制冷原理连接起来就行了

但由于需要保证管道的阻力小 回油安全

因此 管道的设计则非常重要

对于不同制冷剂的系统

其设计也具有其特殊要求

下面 我通过两个例子来介绍

制冷系统中辅助设备的安装位置

同时 介绍一些辅助设备的功能和工作原理

这里给出了一个典型的

具有高 低两种蒸发温度的

冷库用氟利昂制冷系统的原理图

图中给出了非常齐全的辅助设备

但 在实际应用中

不一定把这些辅助设备都用上

而需根据技术经济分析 来进行合理的取舍

这个制冷系统有一台压缩机 一个冷凝器

两个并联的蒸发器组成

两个蒸发器的前端 都设有一个热力膨胀阀

压缩机的排气管上 设置有油分离器

油分离器分离出来的润滑油

经过减压后 回到压缩机的吸气管

压缩机的排气 进入室外的风冷式冷凝器中

冷凝出来的液体 存储在高压贮液器中

并沿制冷剂管道 经干燥过滤器 视液镜

电磁阀进入热力膨胀阀

在蒸发器中 蒸发完毕的制冷剂蒸气

沿压缩机吸气管返回到压缩机

完成一个制冷循环

由于这个制冷系统 具有两个不同的蒸发温度

一个为+5℃ 一个为-20℃

压缩机吸气 只能保证-20℃的蒸发温度

因此 为了维持这个较高的蒸发温度

必须在该蒸发器出口 安装一个蒸发压力调节阀

为了防止系统停机后 高蒸发温度蒸发器内

温度较高的制冷剂 流入到低蒸发温度蒸发器中

导致低温库的库存回升

因此 应在低蒸发温度

蒸发器的出口 设置一个单向阀

为保证压缩机吸气压力稳定

在压缩机入口 设置了曲轴箱压力调节器

也就是 吸气压力调节阀

它保证压缩机压力 必须低于某一设定值

一旦出现吸气压力超高

它将根据预设的弹簧力

自动调节压缩机的吸气压力

以防止吸气压力超高 导致的压缩机电机超载

大家都知道 冷库需要全年供冷

但在冬天制冷系统的冷凝压力将可能过低

导致膨胀阀前后的压差减小

制冷量减小 能效比降低

因此 在系统中设置了冷凝压力调节阀

冷凝压力调节阀 由两个部分组成

一是设置在冷凝器出口的高压调节阀

和旁通冷凝器的压差调节阀

两者有机的组合 在高压贮液器的配合下

可实现制冷系统全年稳定供液 制冷

另外 为防止系统的高压过高 低压过低

系统一般都设置有 高压保护器和低压保护器

高压保护器的功能是 在高压过高的时候

强制切断供电电源

由于高压过高 对系统承压和性能影响很大

故需要通过人工排出故障后 才能继续投入运行

故这个开关一旦动作 就需要人工进行复位

当压缩机吸气压力过低的时候

可能是膨胀阀堵塞 制冷剂泄漏

风扇或水泵损坏等原因导致的

但也需进行保护控制

由于 这些现象不会导致机组出现严重事故

故 可以利用弹簧 波纹管等

作为动力设备实现自动复位

此前 这类压力保护器都是机械式的

利用制冷系统与环境压力的压差进行控制

并常常将这两种具有开关量特征的保护器

做成一个整体

这就是 高低压压力保护器 或者叫做高低压开关

随着技术的进步

目前 在制冷系统中装设有压力传感器

压力传感器可随时输出压力信号

结合制冷剂的物性方程 即可获得高低压的压力

并通过程序

指令必要的执行器进行开关量操作

或者 采取变容量调节措施

使制冷系统回归到安全运行状态

所以 现在我们在很多系统中看不到高低压开关了

也就是这个原因

还有就是冷库里面的温度控制器

也叫做温度开关

它是一种 将温度控制在规定的范围内的控制器

它除了有温度传感器以外

还能输出控制信号 指令执行器动作

在这里 温控器

指令热力膨胀阀入口的电磁阀启闭

向室内输送或停止提供制冷剂

此前的温度控制器

多采用感温包内感温介质的温度变化

引起的压力变化来驱动控制器接点动作

目前 将温度传感器 电磁阀

和热力膨胀阀的功能组合

研发出了电子膨胀阀

通过一个部件就能完美地实现上述所有功能

我们再来看看 一个典型的氨制冷系统

目前 氨制冷系统主要应用于

食品储藏 工艺冷却和化工领域

多采用重力供液和氨泵供液方式

这里给出了应用最广的

氨泵供液制冷系统原理图

请大家结合上面

我们介绍的氟系统辅助设备的功能

来理解 氨制冷系统的辅助设备的相关功能

氨系统的主要设备有 油分离器 集油器 高压贮液器

低压循环储液桶 氨泵 过滤器 安全阀等等

与氟系统相同 氨系统中也需设置油分离器

但分离出来的润滑油

不是马上就利用吸排气压差 将油送回压缩机

而是 集中存放在集油器中

在经过清洁处理后

再利用压差 或者是油泵 将冷冻油送回压缩机

一般而言

氨系统中 按高压区和低压区分别设置集油器

以便于回油的操作

在氨系统中 高压贮液器流出的液态制冷剂

经过滤器 进入电子或浮球式膨胀阀

节流成两相状态后 存放在低压循环储液桶中

其中的液态制冷剂 可以通过

重力供液方式向位置更低的蒸发器供液

也可以 采用氨泵增压的方式

将低温制冷剂液体送入距离较远

位置较高的（一台）蒸发器或一组蒸发器中

蒸发后的气体 和尚未蒸发完的液体

一同返回到低压循环储液桶中

返回的气体 和节流过程闪发出的气体

一同回到压缩机

而液体呢 再经氨泵或重力送入蒸发器进行制冷

在氨泵前后 安装有压差控制器

以防止氨泵过载

或 调节氨泵转速向蒸发器

提供适宜循环倍率的制冷剂

此外 为了保证氨系统的安全运行

需在所有压力容器

包括 高压容器和低压容器的顶部

都安装有安全阀

当容器内的压力超高 超过了安全阀预设的弹簧力的时候

安全阀就打开 将氨排出容器

以防止系统超压 出现爆炸危险