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制冷中的辅助设备与选择计算
制冷中的辅助设备与选择计算
来源:中制冷设备网    2009-9-11
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  在一个完整的蒸汽压缩式制冷系统中,除压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四个主件外,为了保证系统正常、经济和安全的运行,还需设置一定数量的其它辅助设备。辅助设备的种类很多,按照它们的作用,基本上可以分为两大类:

  (1)维持制冷循环正常工作的设备,如两级压缩的中间冷却器等;

  (2)改善运行指标及运行条件的设备,如油分离器、集油器、氨液分离器、空气分离器以及各种贮液桶(或器)等。

  此外,在制冷系统中还配有用以调节、控制与保证安全运行所需的器件、仪表和连接管道的附件等

  制冷系统中的辅助设备

 

  一、油分离器与集油器

  (一)油分离器的作用 在蒸汽压缩式制冷系统中,经压缩后的氨蒸汽(或氟利昂蒸汽),是处于高压高温的过热状态。由于它排出时的流速快、温度高。汽缸壁上的部份润滑油,由于受高温的作用难免成油蒸汽及油滴微粒与制冷剂蒸汽一同排出。且排汽温度越高、流速越快,则排出的润滑油越多。对于氨制冷系统来说,由于氨与油不相互溶,所以当润滑油随制冷剂一起进入冷凝器和蒸发器时会在传热壁面上凝成一层油膜,使热阻增大,从而会使冷凝器和蒸发器的传热效果降低,降低制冷效果。据有关资料介绍在蒸发表面上附有0.1mm油膜时,将使蒸发温度降低2.5℃,多耗电11~12%。所以必须在压缩机与冷凝器之间设置油分离器,以便将混合在制冷剂蒸汽中的润滑油分离出来。

 

  (二)油分离器的工作原理 大家都知道,汽流所能带动的液体微粒的尺寸是与汽流的速度有关。若把汽流垂直向上运动产生的升力与微粒的重量相平衡时的汽流速度称为平衡速度,并用符号ω表示。则显然当汽流速度等于平衡速度时,则微粒在汽流中保持不动;如果汽流速度大于平衡速度时则将微粒带走;而当汽流速度小于平衡速度,微粒就会跌落下来,从而使油滴微粒制冷剂汽流中分离出来。

  油分离器的基本工作原理主要就是利用润滑油和制冷剂蒸气的密度不同;以及通道截面突然扩大,气流速度骤降(油分离器的筒径比高压排气管的管径大3~15倍,使进入油分离器后蒸气的流速从原先的10~25m/s下降至0.8~1m/s); 同时改变流向,使密度较大的润滑油分离出来沉积在油分离器的底部。或利用离心力将油滴甩出去,或采用氨液洗涤,或用水进行冷却降低汽体温度,使油蒸汽凝结成油滴,或设置过滤层等措施来增强油的分离效果。

 

  (三)油分离器的形式和结构 目前常见的油分离器有以下几种:洗涤式、离心式、过滤式、及填料式等四种结构型式,下面分述它们的结构及工作原理。

  1、洗涤式油分离器 洗涤式油分离器适用于氨系统,它的主体是钢板卷焊而成的圆筒,两端焊有钢板压制的筒盖和筒底。进汽管由筒盖中心处伸入至筒下部的氨液之内。进气管的下端焊有底板,管端四周开有出气孔,以免高压蒸气直接冲击筒底,使已沉淀的润滑油搅动浮起。筒内进气管的中部(位于液面之上)管壁上还开有平衡孔,其作用是当压缩机停车时平衡排气管路、油分离器、冷凝器三者之间的压力,特别是在压缩机发生事故时,可以防止因冷凝器的高压将油分离器中的氨液压回压缩机,造成更大事故。在进气管的外侧上部还装有多孔伞形挡板,作分离液滴之用。筒体下部侧面设有放油管接头,与集油器相连。伞形挡板之上的筒体侧面设有出气管接头,并使出汽管伸入筒内有一定的长度,且引出口是朝上开的,其目的是使氨汽在排出分离器以前再折流一次,有助于提高分离效果,如图7—1所示。

  洗涤式油分离器在工作时主要是利用混合气体在氨液中被洗涤和冷却来分离油,同时还利用降低气流速度与改变气流运动方向,油滴自然沉降的分离作用。其中洗涤和冷却作用对洗涤式油分离器的分油效率影响最大,因此筒体内必须保持一定高度的氨液。

  洗涤式油分离器中的氨液一般是由冷凝器供给,为了保证油分离器内有足够高度的氨液,它的进液管应比冷凝器出液口位置低240~250mm,另外它一般装在机房外,紧靠冷凝器的地方,这样可以多台压缩机共同用一个油分离器。

 

  2、填料式油分离器 填料式油分离器的结构如图7—2所示。在钢板卷焊而成的筒体内装设填料层,填料层上下用二块多孔钢板固定。填料可以是陶瓷杯,金属切屑或金属丝网,以金属丝网效果最佳。当带油的制冷剂蒸气进入筒体内降低流速后,先通过填料吸附油雾,沿伞形板扩展方向顺筒壁而下,然后改变流向从中心管返回顶腔排出。分离出的油沉积在它的底部,再经过浮球阀或手动阀排回压缩机曲轴箱。

  由上述可见,这种油分离器的分油是依靠降低流速、填料吸附及改变气流方向来实现的,其中以填料层的吸附作用为主。与洗涤式油分离器相比,填料式油分离器的分油效率较高,可达95%(洗涤式为80~85%),安装位置较紧凑且对安装位置及安装高度没有严格的要求,可以多台压缩机共同用一台油分离器,故填料式油分离器现已广泛用于氨制冷系统
中。但填料式油分离器对气流的阻力较大,要求筒内制冷剂蒸气的流速不大于0.5m/s。此外填料式油分离器的金属丝网一般采用不锈钢丝网,价格较贵。

 

  3、离心式油分离器 离心式油分离器的油分离效果较好,适用于大型制冷系统,其结构如图7—3所示。压缩机的排气经油分离器进气管沿切线方向进入筒内,随即沿螺旋导向叶片高速旋转并自上而下流动。借离心力的作用将排气中密度较大的油滴抛在筒壁上分离出来,沿壁流下,沉积在筒底部。蒸气经筒体中心的出气管内多孔板引出。筒侧装有浮球阀,当油面上升到上限位时,润滑油通过浮球阀打开阀芯,自动向压缩机曲轴箱或集油器排油。有的在油分离器外部还设有冷却水套,使混合汽体在其中又受到冷却水的冷却并通过降低流速和改变流向的作用,进一步得到分离。

 

  4、过滤式油分离器 过滤式油分离器用于氟利昂制冷系统,常称为氟利昂油分离器,其结构如图7—4所示。

  当压缩机排出的高压制冷剂气体进入分离器后,由于过流截面较大,气体流速突然降低并改变方向,加上进气时几层金属丝网的过滤作用,即将混入气体制冷剂中的润滑油分离出来,并下滴落聚集在容器底部。当聚集的润滑油量达一定高度后,则通过自动回油阀,回到压缩机曲轴箱。在正常运行时,由于浮球阀的断续工作,使得回油管时冷时热,回油时管子热,不回油时管子就冷。如果回油管一直冷或一直热,这说明浮球阀已经失灵,必须进行检修,检修时可使用手动回油阀进行回油。这种油分离器结构简单,制造方便,应用普遍,但分油效果不及填料式。

 

  (四)油分离器的计算 油分离器的计算就是确定其筒体直径的大小。油分离器筒体直径的大小,是根据压缩机的排气量和油分离器的流量相同这一连续方程及油分离器中气流速度必须降为υ≤0.8~1m/s的工作条件推导出来。具体的计算公式如下:

  式中:D——油分离器筒体直径,[m]。

  Vh——压缩机的理论排汽量,[m3/h]。

  λ——压缩机的输气系数,无因次。

  υ——油分离器内蒸气的流速,[m/s)。对于填料式油分离器取υ=0.3~0.5m/s,其它形式油分离器取υ≤0.8m/s。

  例:某冷库分三个系统,设双级和单级机排汽合用一台油分离器,已知 —15℃系统输气系数λ=0.66,Vh=285m3/s,—28℃系统输气系数λ=0.77,低压级Vh=142.5m3/s,—33℃系统输气系数λ=0.72,低压级Vh=285m3/s,若采用洗涤式油分离器,试求所需的油分离器直径。

  解:

  则应选用直径D≥363mm的油分离器一台。

 

  (五)集油器

  所谓集油器就是将系统中的油集中起来的容器(也称放油器)。在氨制冷系统中,如果从油分离器、高压贮液器、冷凝器等压力较高的容器中直接放油,对操作人员是很不安全的。另外,在这些容器中氨液也较多,为了保证操作人员的安全并减少氨液的损失,应将系统中各有关容器的油先排至集油器,再在低压下将油从集油器排出。

  对于氟利昂系统,油分离器分离出来的润滑油一般都通过它下部的手动或浮球自动放油阀直接送回压缩机曲轴箱,其它设备中的润滑油靠流速带回压缩机。因此氟利昂制冷系统一般不单独设置集油器。

  1、集油器结构 集油器的构造如图7—5所示。它是用钢板焊制的立式圆柱形容器,其顶部设有回汽管接头,用作回收氨汽的出口和降低筒内的压力。筒体上侧部设有进油管接头,它与其它容器的放油管相连接,各容器中的油由此进入集油器。筒体的下侧设有放油管,以便在氨回收后将油从筒内放出。此外,为了便于操作管理,在壳体上还装有压力表和玻璃液面指示器,通常集油器的进油量不易超过其容积的70%。在放油前,为了加速油中氨液的蒸发,更好地回收制冷剂,常采取在集油器顶部用水淋浇加热的措施。放油时只允许各设备逐一进行,避免压力不同的设备互相串通。

  2、集油器的选择 当压缩机总制冷量小于或等于233KW时,采用筒径为159mm的JY—150集油器一台,总制冷量在233~1163KW时,采用筒径为325mm的JY—300集油器1—2台,总制冷量在1163KW以上时,采用筒径为325mm的JY—300集油器二台。

 

  二、空气分离器

  空气分离器是排除制冷系统中不凝性气体(主要是空气)并同时回收制冷剂的制冷剂净化设备。它通常只是在大中型的制冷装置主使用,因为大中型的制冷装置中不凝性气体的数量较多。而在小型制冷装
置中通常不设置空气分离器,而直接从冷凝器、高压贮液器或排气管上的放空阀把空气等不凝气体放出,以力求系统的简化。

  1、制冷系统中不凝性气体的来源 制冷机在运行过程中,系统中的不凝性气体主要来自以下几个方面:

  ①在投产前或大修后充灌制冷剂时,未将系统内的空气彻底抽净。

  ②补充润滑油及制冷剂时操作不慎,必然会有少量的空气进入系统。

  ③当制冷装置在蒸发压力低于大气压力下运转时,外界的空气即有可能从不严密处(如压缩机的轴封处、各法兰连接处、阀门的填料处等等)进入系统中。

  ④润滑油及制冷剂在很高的排气温度下也会少量分解产生一些其它不凝性气体。

  制冷系统存有不凝性气体时,由于高压贮液器出液管的液封作用,只能存在于冷凝器和高压贮液器中,其中大部分是集中在冷凝器中,由于这些气体的存在,将妨碍冷凝器的传热,并使压缩机的排气压力和排气温度升高,因而使耗电量随之增加,因此这些气体必须予以清除。

 

  2、空气分离器的结构及工作原理 制冷系统中空气等不凝性气体实际上是与制冷剂蒸气混合存在的,空气分离器就是在冷凝压力下将混合气体冷却到接近蒸发温度,使混合气体中的大部分制冷剂蒸气凝结成液体,并把空气等不凝性气体分离出来,达到回收混合气体中制冷剂的目的,减少制冷剂随不凝气体的排出对大气的污染及浪费。

  空气分离器的型式不同结构也不同,常用的空气分离器有两种结构型式:一种是立式空气分离器,另一种是四重管式空气分离器。

  立式空气分离器是目前在氨制冷系统中应用比较多空气分离器,其结构如图7—6所示。它的壳体由无缝钢管制成,在两端加封的壳体中设有一组冷却盘管,下端与进液管相通,上端与回气管相接。 壳体的中部侧面和上部侧面分别焊接混合气体入口管接头和放空气管接头。混合气体进入壳体中即与盘管表面进行热交换,冷凝下来的制冷剂由壳体的下封头引出,经节流阀后与进液管接通。分离下来的不凝性气体由上部的放空气口放至存水的筒中。壳体顶部设有温度计套管。整个空气分离器的外面用隔热材料隔热。 —

  立式空气分离器与卧式空气分离器比较,它的优点是操作简单,装上自控元件后即可实现自动操作。

  它是由四根直径不同的无缝钢管焊接而成,它的第一夹层(即最外夹层)与第三夹层相通,第二夹层与第四夹层相通,从贮液器来的氨液经节流阀节流后进入内管,然后再进入第二夹层,来自贮流器和冷凝器的混合气体进入第一夹层和第三夹层,低温的氨液经传热管壁吸收混合气的热量而蒸发,蒸发的气体经回气管去氨液分离器或低压循环筒。混合气体则在较高的冷凝压力和较低的蒸发温度下被冷却,其中的氨蒸气被冷凝为液体,并流到空气分离器的底部,通过节流阀节流后,送往空气分离器的第四夹层供使用。。空气等不凝性气体通过一接

  管放至水中从水中气泡的大小和多少可以判断系统中的空气是否已放尽,..当家统中的空气已差不多放净时,水中便不再有大的气泡。 —。

  四重管式空气分离器层于卧式,当安装时应使进氨掖的一端稍高些,约30—50mm,以便分离下来的氨液能流进旁通管。其结构见6—5—1。

  ·量、空气分离器的选择 对于需设空气分离器的—期统湖制冷量在4187000[kJ/h]以上时,采用KP—50一台(注::宜径D;219mm),小于4187000[kJ/h]以下时,采用KF—30一台(直径D;108mm)。
 

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