制冷装置设计

冷库工程讲义第1章制冷系统方案的选择与制定1.1制冷系统概述1.1.1制冷系统的分类实际的制冷系统多种多样。

根据不同的分类依据，制冷系统方案的分类方法也不同。

按照制冷系统采用的制冷剂，可分为氟里昂制冷系统和氨制冷系统等；按照制冷方式的不同，可分为蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷、吸附式制冷等；按照压缩的级数，可分为单级压缩、单级压缩、双级压缩、多级压缩、复叠式等；按照供液方式，可分为直流式、重力式、泵供液式等。

本章依据压缩级数，结合供液方式进行分类，主要介绍单级、双级制冷系统方案及其各种方案的供液方式，制冷机及其设备的配置方案、螺杆压缩机制冷系统，并提出制定制冷系统方案时应注意的问题。

1.1.2蒸汽压缩式制冷系统的基本组成一、单级蒸汽压缩式制冷系统的基本组成单级蒸汽压缩式制冷系统的基本组成为①压缩机，②冷凝器，③节流阀，④蒸发器。

二、双级蒸汽压缩式制冷系统的基本组成双级蒸汽压缩式制冷系统的基本组成为①低压压缩机（缸）；②高压压缩机（缸）；③中间冷却器；④冷凝器；⑤节流阀；⑥蒸发器，三、单、双级综合蒸汽压缩式制冷系统的基本组成冷库制冷中采用的并不总是纯粹的单级或纯粹的双级制冷系统，更多的是两者并存的综合系统。

综合制冷系统实际上是单级制冷系统和双级制冷系统共同并联到一个冷凝器上的综合体。

在实际的制冷系统中为了提高运行的经济性和保证操作管理的安全可靠，除了基本部件外，还设置了许多其它的辅助设备，这些设备有：油分离器、高压贮液器、低压循环贮液桶、空气分离器、排液桶、集油器、加氨站和汽、液调节站等。

这些设备和部件的关系如图1-4所示。

1.1.3蒸汽活塞压缩式制冷系统原理图制冷系统原理图是表达制冷系统的关键图纸，从原理图上可以看出：①系统的规模和特性；②设备的容量、数量、规格型号；③系统是否先进、合理等。

因此查阅制冷系统原理图是了解制冷装置的重要手段，在学会设计制冷系统之前，应先学会阅读制冷系统原理图。

图1-5是一个典型食品冷库制冷系统原理图，正规的施工图纸除了有如图1-5的内容外，一般还应有图例、图标、主要设备明细表、备注、管径与设备标注、阀径标注、制冷剂流向等内容。

一、单级压缩回路：蒸发器出口→回汽调节站→汽液分离设备→单级压缩机→油分离设备→冷凝器→高压贮液器→总调节站→节流阀→低压循环贮液桶（汽液分离器）→氨泵→液体调节站→蒸发器进口→蒸发器出口。

二、双级压缩回路：蒸发器出口→回汽调节站→汽液分离设备→低压级压缩机→一级油分器→中间冷却器→高压级压缩机→二级油分器→冷凝器→高压贮液器→中冷供液（中冷过冷盘管）→总调节站→节流阀→低压循环贮液桶（汽液分离器）→氨泵→液体调节站→蒸发器进口→蒸发器出口。

1.2制冷系统方案设计1.2.1制冷系统方案概述一、确定制冷方案的依据确定制冷方案的主要依据：冷库的使用性质；冷库的规模和投资限额；食品冷加工工艺要求；冷却水水质、水温和水量；制冷装置所处环境、室外空气温湿度等。

二、确定制冷方案的原则主要考虑：满足食品冷加工工艺要求，保证质量，降低干耗；制冷系统应尽量简单，运转可靠和操作管理方便，又要有安全保证；制冷系统应尽量采用新机器、新设备、新技术、新工艺，应优先选用自动控制方案；应降低费用指标，全面比较初期投资费用和运转费用，还要考虑技术经济发展趋势。

总之，要使确定的制冷方案安全、可靠、方便、灵活、技术先进，经济费用低。

三、确定制冷方案的内容制冷系统压缩级数及压缩机类型的确定；制冷剂种类及冷凝器类型的确定；自动化方案的确定；制冷系统供液方式的确定；冷间冷却方式的确定；冷间冷却设备和融霜方式的确定。

1.2.2制冷系统压缩级数及冷凝器类型的确定一、单级压缩型式在普通制冷温度范围内，只有单级和双级压缩之分。

单级压缩形式，是制冷系统中只有一台制冷压缩机或几台制冷压缩机并联使用，如图1－6所示。

确定制冷系统的压缩级数的主要依据压缩比，选用活塞式氨压缩机时，当冷凝压力与蒸发压力比值小于或等于8时，应采用单级压缩。

氟里昂系统当冷凝压力与蒸发压力比值小于或等于10时，采用单级压缩。

二、双级压缩型式当冷库的制冷系统，冷凝压力与蒸发压力的比值超出单级压缩形式，如氨系统冷凝压力与蒸发压力比值大于8，氟里昂系统冷凝压力与蒸发压力比值大于10时，就应考虑采用双级压缩形式。

这样可使制冷系统安全、经济地运行，同时还能延长制冷压缩机的使用寿命。

双级压缩型式又分为单机双级压缩和配组式双级压缩型式。

单机双级压缩型式，就是采用一台制冷压缩机进行双级压缩，它具有占地面积小，系统管道简单，施工周期短，操作管理方便等优点，用于大、中型冷库中。

但不能根据工作条件变化灵活调整。

如图1-7所示。

配组式双级压缩型式，是由几台单级压缩机配合来完成高、低压级压缩。

用来配组的制冷压缩机，可以是同型号的也可以是不同型号。

应尽量选用相同系列的，便于零配件互换。

配组式双级压缩形式配合的标准以压缩机理论排汽量为准，常采用高、低压机的理论排汽容积比为：V gh/ V dh=1/2~1/3。

三、制冷压缩机类型的确定制冷压缩机类型的确定与制冷装置的使用性质、规模和采用制冷剂种类有关。

活塞式制冷压缩机；螺杆式制冷压缩机比；离心式制冷压缩机；制冷机组，常用的制冷机组有：压缩——冷凝机组、冷水机组四、制冷剂种类的确定确定制冷剂的种类，通常从以下几个方面考虑：①货源和冷库造价。

②安全、船舶制冷装置、空调系统、电冰箱、冷藏柜及人口密集场所的空气调节，应采用R134a、R123、R407C、R410A、及R22作为制冷剂，一旦制冷剂泄漏时，不会威胁或直接影响到人们的生命安全。

③蒸发系统和压缩级数。

五、冷凝器类型的确定冷凝器类型有多种，应根据制冷装置所处的环境、冷却水水质、水温和水量来进行确定。

在具有水源充足、水质较差的地区，采用立式壳管式冷凝器；若水温低，水质较好，船舶制冷装置应采用卧式壳管式冷凝器；对水质差、大气湿球温度比较低的地区应采淋浇式冷凝器；对水源缺乏地区、耗水量小应采用蒸发式冷凝器；对于小型氟利昂制冷装置，应采用空气冷却式冷凝器。

1.2.3制冷系统供液方式的确定一、直接节流供液直接节流供液是利用冷凝压力和蒸发压力之间的压差，将液态制冷剂经节流阀膨胀后直接供入蒸发器。

见图所示。

这种供液方式的特点是：①系统简单，操作管理方便，工程费用低但可靠性较差；②对于多个冷间，当使用情况不均衡时，不易调节控制；③因系统中缺少汽液分离器，回汽中夹带液滴得不到分离，容易造成液击和湿冲程；④由于节流后有无效蒸汽产生，这将占去部分蒸发器内部的空间，从而降低了传热效果。

直流供液应注意：①一只节流阀只宜向一组蒸发器供液。

②因由于制冷剂流经蒸发排管的压力降与该通路蒸发排管的当量总长成正比，为了使蒸发排管内的压力降处在允许的范围内，每通路蒸发排管的当量长度不应超过表1-3-1规定的数值。

③氨系统蒸发管内制冷剂流向一般采用下进上出方式。

④为了避免蒸发器回汽中夹带的液摘引起压缩机湿冲程，可在蒸发器回汽管上增设汽、液分离器和排液桶，如图1-3-22所示。

被分离下来的液体靠位差作用流入排液桶，当桶内液位达一定高度后，对桶内液体进行加压后再供到蒸发器中去循环使用。

若设置一些自控元件，则可自动地根据排液桶液泣的高低而间断地代替高压液体管向蒸发器供液。

表1-3-1 氨直流供液蛇形排管允许当量长度二、重力供液重力供液是在蒸发器与节流阀之间设一汽液分离器。

利用汽液分离器内正常液面与蒸发器之间的位差，借重力作用使液态制冷剂流入蒸发器，见图1-6。

这种供液方式的特点是：①高压液体制冷剂节流后进入汽液分离器，将节流后产生无效蒸汽进行分离，低压液态制冷剂供入蒸发器，提高了蒸发器的热交换效果；②蒸发器的回气也是先经过汽液分离器，将回汽中夹带的液滴分离出来，保证了压缩机的安全运行；③汽液分离器的液面相对稳定，比较容易实现自动控制；④为了保持液面与蒸发器的位差，要求汽液分离器内液面高出蒸发器1～2m，提高了土建的造价；⑤由于液态制冷剂在蒸发器内作自然流动，随制冷剂进入的润滑油很难排出，形成油膜，降低了制冷效果。

这种供液方式适用于以氨为制冷剂的小型冷库制冷装置。

重力供液系统在设置时应注意以下几个方面：（1）蒸发器的配置①制冷剂流向及蒸发管组连接方式：蒸发器内制冷剂的流向采用下进上出。

蒸发管组的连接方式采用“同程式”或“羊角弯”，库房顶管采用u型顶管为佳。

②蒸发盘管的允许当量总长。

（2）氨液分离器的设置要点①保证正常供液所需的静液往ΔH。

ΔH的大小视系统的摩擦阻力和局部阻力而定。

ΔH过小，不足以克服阻力，供液不通畅；ΔH过大，又影响蒸发温度。

为了保证向蒸发器正常供液，又不至于对蒸发温度影响过大，理论上要求该液位差ΔH的大小为：在克服了通路总阻力后，剩余的压差对蒸发温度的影响不应超过1℃，各不同的蒸发温度回路所要求的剩余压差值分别为：-33℃回路：≯5kpa(约500kgf／m2)；-28℃回路：≯6kpa(约600kgf／m2)；-15℃回路：≯12kpa(约1200kgf／m2)。

在实际设计中，汽液分离器的控制液面与蒸发器最高一根管子的高差ΔH可取1.5m的经验数据。

②汽液分离器的数量：主要取决于蒸发温度回路的多少、蒸发器的种类、库房的间数及层数等因素。

不同蒸发温度回路应分别设置：冷风机和顶、墙排管要分开设置，多层库房也要分层设置。

汽液分离器可同时向同一蒸发温度、同一层的几个冷间的多组蒸发器供液，但供液半径不宜大于30 m，并且需要设置汽体和液体分调节站；③汽液分离器与蒸发器之间供液、回汽管径的确定；④为了减少静液柱对蒸发温度的影响，还可采取均压供液方式，(3）低压调节站氨重力供液系统的低压调节站，对于多层冷库一般是属于分散式(分层)布置，调节站的形式主要有三种：不带热氨融霜；热氨融霜、加压排液；热氨融霜、重力排液。

原则上，每冷间都应有单独的回汽管、阀件。

三、液泵供液泵供液在氨系统中称氨泵供液。

它是以液泵的机械作用克服管道阻力及静压力向冷间蒸发器进行供液。

液泵供液系统见图l-7。

这种供液方式的特点是：①蒸发器的热交换效率高。

②保证了压缩机的安全运转，制冷效率高。

由于系统设置低压循环贮液桶，可使回气中夹带的液滴得到分离，不易出现液击和湿冲程。

③操作简单，便于集中控制。

④便于热氨融霜，低压循环贮液桶可兼作排液桶用。

⑤氨泵的设置，增加耗电l％～1.5%左右，同时也增加了维修量。

⑥增加了钢材量、阀件量。

液泵供液根据制冷剂进出蒸发器的情况，又分为上进下出（顶部供液）和下进上出（底部供液）两种方式，见图1-7和图1-8。

上进下出式特点：蒸发器充液量较少，蒸发温度不会受到静液柱的影响。

液泵停止供液后，蒸发器内未蒸发的液体和积油很快自动排出，有利于融霜和自控。