5.1.1 蒸气压缩式制冷热泵系统在线视频

大家好

我是清华大学建筑技术科学系的石文星

前面

我们已经学习了 蒸气压缩式制冷

与热泵的热力学原理 制冷工质

并学习了 构建制冷系统的主要部件的结构

原理和特点

这些部件 包括

压缩机 冷凝器 节流装置 蒸发器和辅助设备

同时

我们还介绍了 连接这些部件的管道的设计要点

及其管径的确定方法

今天 我们讲授的内容就是

按照我们讲授的制冷原理

如何利用管道将这些部件

连接成一个满足特定工艺要求的

制冷或热泵系统的相关内容

并介绍 所构建系统的工作特性

以及这些系统的性能调节方法

我们把这个内容 作为课程的第5讲

即“制冷热泵系统及其运行调节”

本讲 我们将讲述三个方面的内容

首先

我将较为细致地介绍 常用制冷系统的基本流程

包括

冷库用氨制冷系统和氟利昂制冷系统

并总结两类系统的异同点及主要特征

这些特点 也能有效地指导氟利昂制冷

与热泵设备的设计研发

然后

再简要介绍 制冷与热泵系统的工作特性

并重点讲解 这些系统的容量调节方法

制冷热泵系统及其运行调节

是蒸气压缩式制冷技术的重要内容

希望同学们 通过对课程的学习

能够灵活应用所学的原理 工质

和部件的相关知识

分析和解决工程实际问题

我们 先来学习第一个内容

蒸气压缩式制冷热泵系统

蒸气压缩式制冷热泵系统

就是 一种按照制冷或热泵原理

由制冷剂管道将压缩机 冷凝器 节流装置

蒸发器和必要的辅助设备连接而成

能够实现制冷 制热功能的

气液两相流体网络系统

在建筑冷热源领域

常用的系统有

氨制冷系统 氟利昂制冷与热泵系统

我们在实际工程中

我们经常会听到各种各样的冷水机组 热泵机组

以及 制冷装置等说法

那我们应该如何去称呼 这些不同类型的产品呢

一般而言

经过研发设计

并在工厂生产

将一个制冷系统 或者是制冷系统的一部分

做成一个整体的产品

我们把它称为 制冷机组

这些机组 往往配套有控制系统

如 冷水机组 水源热泵机组

压缩冷凝机组 冷风机等

而根据工艺需求

通过工程设计

确定出制冷系统的连接关系

各个部件的容量和安装位置

并在工程现场 按照设计图纸进行施工

建造而成的制冷系统

我们称之为 制冷装置

制冷装置的自控系统 往往也是

在施工现场安装 集成的

一般的大中型冷库制冷系统 就属于这一类

为了说明方便

我们 在本讲将

“机组”与“装置”的本质抽象出来

叫做 “制冷系统”

这样 既方便说明

也体现了 不同类型机组

装置的共同特征和普适性

我们首先来了解 氨制冷系统的典型流程

这是一个制取低温载冷剂

如 盐水 乙二醇溶液

的制冷系统原理图

在这个系统中

蒸发器 是氨制冷系统中最简单的蒸发器

与我们常见到的冷水机组的

满液式蒸发器相似

但 由于氨的特殊物理性质和化学性质

使其制冷系统的构成 则非常复杂

它主要包含 以下几个回路

第一 制冷剂回路

图中给出了 氨制冷循环的“四大件”

包括

开启式活塞压缩机 卧式壳管冷凝器

浮球式膨胀阀 以及满液式蒸发器

在此基础上

制冷剂管道上 还设置有油分离器

高压贮液器 集油器

不凝性气体分离器

紧急泄氨器等辅助设备

它们通过管路 按制冷原理的流程顺序 连接而成

就构成了这样一个制冷剂回路

第二 制冷剂平衡管

为了保证液态制冷剂

能够顺利地 从冷凝器中流入到高压贮液器

通常 在冷凝器和储液器顶部

设置一根压力平衡管

并保证冷凝器底部和贮液器液位之间

具有合适的高差

第三 冷冻油回路

在运行过程中

被氨气从压缩机中带出的润滑油

大部分在油分离器中 被分离下来

少量被带入冷凝器 高压贮液器以及蒸发器中

由于 氨是一种有限溶解润滑油的制冷剂

且 润滑油的比重大于氨液

故 润滑油将积存在这些设备或管路的底部

因此

需在上述设备的底部 设置放油阀

并用油管路 按照所处压力高低

分别汇入高 低压集油器中

由于 润滑油中还含有部分的氨液

因此 从油分离器定期放油时

将与压缩机吸气管相连的阀门打开

让氨气返回压缩机

而润滑油呢 则通过过滤 清洁处理后

通过油泵或压差 将润滑油送回压缩机

第四 放空气回路

氨制冷系统的容量 一般都很大

所以 它系统的内容积也都很大

当系统抽空 不彻底

系统中 一定还会残留一部分空气

同时

由于氨的标准蒸发温度为-33.3℃

故 当蒸发温度低于这个温度的时候

系统将出现负压运行

且因为 氨制冷系统采用的是开启式压缩机

所以 容易从压缩机的轴封处

以及负压区存在焊接不严的地方 渗入空气

无论是（从）哪个地方渗入系统的空气

都会通过 压缩机转移到系统的高压区

即 冷凝器和高压贮液器的顶部

由于 空气不能被冷凝

故将占用冷凝器的换热器空间

使得系统的冷凝压力上升

从而 将严重影响制冷系统的性能

因此

需在系统中的高压区 设置不凝性气体分离器

以放出渗入系统中的空气等不凝性气体

在放出空气的同时

要求 不能放出氨气

故 在不凝性气体分离器中

一般都需要采用 氨液节流降温

使混合气体中的氨液冷凝下来 并返回系统中

只允许 不凝性气体排放到系统之外

第五 安全泄氨回路 以及紧急泄氨回路

在冷凝器 高压贮液器和蒸发器等

压力容器上 装有安全阀

当系统内压力超过允许值时

安全阀会自动开启

将氨气排至大气中

同时

还装有紧急泄氨器

在发生火灾等紧急情况时

将高压贮液器 蒸发器中的氨液 排出系统

在排放过程中

利用氨极易溶于水的特性

将自来水管 一同打开

使排放的氨液与水混合为氨水

再排放至安全的地方 或者是下水道

以避免爆炸事故发生

此外

还有 冷却水和载冷剂回路

这一点 与我们常见到的冷水机组是完全相同的

上面所介绍的是 直接供液制冷系统

还有一种系统

是利用氨泵向蒸发器供液的制冷系统

这里 给出了一个氨泵供液制冷系统的原理图

我们简化了 制取氨液的高压区部分的原理

其实 它与前面所介绍的直接供液制冷系统相同

需由多个回路构成

这里 我将重点介绍的是

高压液体从高压储液器流出

经过浮球式节流阀 进入低压区后的系统原理图

即 这个闪烁的部分

从图中 可以看出

来自高压贮液器的高压氨液 经浮球式节流阀节流以后

并进入低压循环储液桶

闪发气体 被分离后

氨液 由氨泵送入液体调节站

从这里 将低温液态制冷剂

送入不同区域的蒸发器

液态制冷剂 在各个蒸发器中吸热蒸发

蒸发产生的气体和未蒸发的液体

一并返回气体调节站

再返回低压循环桶

在这里

气体和液体 再次被分离

液体 再经过氨泵送入液体调节站

而在蒸发器中 蒸发产生的气体和高压液体节流

所产生的闪发气体 一并回到压缩机

在氨泵供液系统中

送入蒸发器的液体量

往往大于蒸发器中的蒸发量

二者的比值 称为“循环倍率”

循环倍率 一般为3~4

因此

氨泵供液系统 是一个多倍循环供液系统

那么

为何需要采用多倍供液循环呢

这主要有 两个原因

一个原因是 强化传热

研究表明

（多倍循环的）气液两相流动换热的换热系数 大于单倍循环

另一个原因是 为了回油

为了将进入蒸发器中的润滑油

带回低压循环储液桶

采用多倍循环时

就可以 利用较大的流速和冲刷力

将存集在蒸发器中的润滑油

带回低压循环储液桶中

这样

在低压循环储液桶的下部 设置低压集油器

就可以在这里 集中地将低温润滑油

经过过滤 清洁处理后

再利用压差或油泵 将润滑油压回压缩机

虽然这类系统 在氨制冷系统中最早得到应用

但后来 也用到了氟利昂的制冷系统中

因此

为通用起见

我们把这类 靠制冷剂泵将制冷剂

送入蒸发器的系统 统称为

“液泵循环供液系统”

此外

还有一种系统形式是

将蒸发器设置在低压循环储液桶的下部

利用制冷剂的重力

将低温液态制冷剂 送入蒸发器

蒸发产生的气体和未蒸发完的液态制冷剂

再回到低压循环储液桶中

气体 被压缩机抽回

而液体再进入蒸发器中 继续吸热蒸发

这类系统 叫做“重力供液系统”

在冷库中的制冰系统中经常用到