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小型冷水机制冷系统中冷凝器工作原理

  冷凝器是小型冷水机制冷系统的主要换热部件之一。由压缩机排出的高温高压制冷剂蒸气在其内向冷却介质放热冷凝成为制冷剂液体,制冷荆在蒸发器内吸收的被冷却物体的热量以及压缩过程耗功转化成的热量在冷凝器内向冷却介质(水或空气等)放出,从而使制冷剂温度下降实现制冷循环。制冷剂冷凝过程中也会呈现复杂的两相流状态,制冷剂进入冷凝器的热量实际上包括以下三部分:

    (1)蒸发器吸收的热量。即液态制冷剂在蒸发器中汽化时从被冷却物体中吸收的热量。
    (2)压缩功转变的热量。即低温低压的制冷剂蒸气在压缩机中受压缩时接受由外加机械功转化的热量。

    (3)低温管道吸收的热量。即低温的制冷剂在管道和设备中流动时从外界传人的热量。
制冷剂在冷凝器中冷凝为液体,经过以下三个放热过程:

    (1)过热蒸气冷却为干饱和蒸气。由压缩机排出的高压高温过热蒸气经过放热,变为冷凝温度、冷凝压力下的干饱和蒸气。这个过程较快,占用管道长度很短。

    (2)干饱和蒸气冷却为饱和液体。在保持冷凝压力不变的条件下,干饱和蒸气在冷凝管中流动、放热,逐渐凝结为饱和液体,成为气、液两相混合的湿蒸气。这个过程占用冷凝管道较长,放热量较大。

    (3)饱和液体冷却为过冷液体。饱和液体在冷凝器中继续放热,制冷剂液体温度将下降至冷凝温度以下,但压力仍为冷凝压力,放此时的制冷荆液体成为过冷液体。这个过程在冷凝器的末端,放热量虽少,但过冷液体的过冷度对制冷量有较大影响。

    冷凝器的传热量和换热面积、传热温差及传热系数有关。同蒸发器一样,对巳选定的冷凝器而言,换热面积一定,因此除提高冷凝器的传热温差外,主要应设法提高冷凝器的传热系数,因此应了解影响冷凝器传热的因素。

    (1)制冷剂特性对冷凝器传热的影响。影响冷凝器传热特性的主要是制冷剂的导热系数、比热、黏度、密度等。导热系数大的制冷剂能减小制冷剂内部以及与换热壁面之间的导热热阻,增大传热系数。当比热和密度大时,单位容积的制冷剂就可以携带更多的热量,故其以对流抉热方式转移热量的能力就大,当然传热系数也大。黏度下降、密度增大、汽化潜热增大时,都能使制冷剂侧的传热系数增大。

    (2)冷却介质的特性对冷凝器传热的影响。空气和水是制冷装置中最常见的冷却介质。由于水的热容量大于空气的热容量,因此用水作冷却介质的冷凝器的传热性能要优于用空气作冷却介质的冷凝器的传热性能。冷凝器的传热性能除与其物理性质有关外,还与其流动速度(一般冷凝器内最佳水流速度为0. 8~1.5 m/s,空气流速约为2~4 m/s)、流动途径及流动方式(如自然对流、强迫对流等)等外界因素有关。流速大,流动的几何形状和流动的途径合
理,则传热系数增大。

    (3)换热面状况对冷凝器传热的影响。如冷却壁面光洁、液膜流动阻力就较小,凝结的制冷剂液体就能较快地流去,使液膜层减薄,放热系数就能相应增大。但当凝结雷诺效大于140后,粗糙的冷凝器传热表面的传热系数有可能高于光滑管。当换热面上形成油膜时,显然增大了传热热阻而不利于冷凝器传热。

    (4)冷凝器结构形式对冷凝器传热的影响。不论何种结构的冷凝器,在结构形式上都应注意设法使制冷剂凝液迅速地从冷却壁面离开。另外,在冷凝器换热管制冷剂侧的管壁上加肋,可增大换热面积,提高换热效果。

    (5)不凝性气体对冷凝器传热的影响。在制冷系统中,经常会存在空气等一些不凝性气体。不凝性气体会积聚在制冷荆液膜层附近形成气体层,这显然影响了制冷剂蒸气的迸一步凝结放热。为防止系统中积聚过多的不凝性气体,通常在制冷装置中设有空气分离器,用以及时排除不凝性气体。在小型氟利昂装置中,一般不专设空气分离器,若系统需要放空气时,可通过放空气管(或阀)将其直接排出系统。