10L-10℃低温冷却液循环器——毕业论文

10L/-10低温冷却液循环器摘 要 低温冷却液循环泵又称低温箱，它有一个小型化的，独立的制冷系统和载冷剂循环系统两部分组成。其中，制冷系统采用蒸汽压缩式制冷，使制冷剂发生气液相变，吸收载冷剂氯化钙(CaCl2)水溶液所放出的热量。载冷剂由于被冷却使其温度降低，利用其低温来对一些实验用品进行保温和降温。根据设计的不同，温度能达到不同的要求。本设计主要关注的是制冷剂的选择和制冷系统中各部件的设计及选取。由于现如今“温室效应”和臭氧层破坏等环境问题的日益严重，采用环保型制冷剂已是迫在眉睫，本文中选取R407C 作为制冷剂。制冷器件的选择包括全封闭活塞式压缩机的选型与校核，风冷冷凝器的设计，套管式蒸发器的设计，热力膨胀阀的选型以及其他辅助设备的选取等。关键词：低温冷却/制冷技术/热力计算/蒸发器/冷凝器10L/-10 Low-temperature cooling liquid circulating pumpABSTRACT Low-temperature cooling liquid circulating pump is similar to a low-temperature box,It contains two parts that are a smaller ,independent refrigeration system and a cooling agent circulatory system. Among this device, refrigeration system makes use of vapor compression refrigeration, the system makes the refrigerant change from gas to liquid ,and the refrigerant absorps energy that are released by the containing cooling agent (CaCl2). So the containing cooling agents temperature was cooled by the refrigeration. Now wo can make use of the lower temperature to cool some experiments or suffer the cooling energy from losing. According to the design of different requirements,we can achieve different temperature. During this design ,I think that the main concern are the choice of refrigerant and cooling systems and the various parts of the cooling systems. However, as a result of the “greenhouse effect” and ozone depletion, more and more poople put theirs attention to theserious environmental problems, so it is imminent to make use of the environment-friendly refrigerant. In the paper I select R407C as a refrigerant. Besides,The choice of refrigeration devices included closed-piston compressor, design of air-cooledcondenser, casing-evaporator designing, the selection of thermal expansion valve and other auxiliary equipments.KEYWORDS:Cryogenic/cooling/Refrigeration/technology/Thermodynamic calculation Evaporator/Condenser II1. 绪论1.1 低温冷却液循环泵介绍 随着改革开放30 年的深入进行，我国的制冷技术也有了突飞猛进的快速发展。在高新技术飞速发展的二十一世纪，低温与超低温的实验和冷藏对许多行业和部门已成为必不可少的手段。例如，在生物制药厂、医院、高等院校及科研院所的实验室中进行低温生物、生化实验研究或产品小试，血浆、脏器和生物制品的保存，远洋制品、电子元件、化工材料、建筑材料等特殊材料的超低温实验及储存等1。 低温箱是用于低温冷藏的主要设备，我国对于低温实验的设备需求量很大，但是使用的低温箱多从国外进口，主要原因是他们的产品性能稳定、可靠性高、体积小并且能达到很低的温度，还容易操作。反观我国生产的同类产品体积不仅庞大并且可靠性也不高，制冷温度和精度也都达不到要求。目前国内进行低温实验一般采用消耗制冷剂法，如进行-60-80实验时大多以丙酮为冷媒，在其中加入干冰来制冷降温。消耗制冷剂法常用的制冷剂还有液氮、液氦、液氢等，采用这种方法制冷剂的消耗量比较大，而且温度不容易保证。低温冷却液循环泵是近几年问世的一种低温实验设备，它结合了低温冷却器和循环泵的功能，能够连续的、低成本的获得所需的低温。 这类产品大多数采用风冷式全封闭压缩机组制冷及微机智能控制系统,提供低温循环冷却水(液)流或低温恒温水(液)流,以满足用冷却水及低温液体去降温或恒温仪器,如旋转蒸发器、发酵罐、电子显微镜、低温化学反应釜、电子能谱仪、质谱仪、密度仪、冷冻干燥仪、真空镀膜仪、反应釜等。也可把多种容积直接在槽内低温恒温实验。它的特点主要有以下几个2： （1）采用了全封闭压缩机组制冷，可以有效的防止制冷剂的泄露。微机智能控制制冷系统自动开启，制冷系统具有延时、过热、过电流等多重保护装置。 （2）循环泵可将槽内冷却液输出冷却产品，或在恒温机外实验容器中建立第二恒温场。 （3）所有操作均可在微机智能控制仪上按动触摸软键完成，操作简单，方便。随着我国教育、科研、医疗和制药事业的不断发展，对低温实验设备的需求量也不断增加。本文针对-20温区的需求，对低温冷却循环泵进行设计。着重关注的是对制冷各器件的设计及选取。1.2 设计要求 （1）制冷温度： -10 （2）制冷量： 1kW （3）储液容器： 10L （4）温度精度： 1 （5）使用环境温度： 035 （6）使用环境相对湿度：85% （7）电源： 3380V 50Hz （8）名义工况： 室外空气干球温度32，出水温度-10，回水温度-5 （9）冷却方式： 强制对流风冷 （10）冷却剂： HCFC类或HFC类 （11）安全保护： 高压，低压，断水，冻结1.3 制冷系统的选择 制冷系统的重要性对于产品不言而喻。选择一个合适的制冷系统不仅能使产品更容易的达到制冷要求，而且还能有效地降低成本和消耗，有利于节能减排。因此，我们要针对产品的要求，选择合适的制冷系统。 从课题的设计要求并综合了各方面因素来看，现我拟采用最简单的制冷循环系统，即单级压缩制冷循环。原因主要有以下几个： （1）根据经验可知，单级压缩制冷所能达到的温度大约为0至-403。 （2）设计要求的制冷温度为-20，此温度并不算高，用普通的中温制冷剂即可达到要求。 （3）在单级压缩制冷系统中，制冷器件数量少，易设计及选取，更有利于节约成本。 （4）系统组成简单，布置结构紧凑，体积更小。综合以上因素考虑，选定本设计产品采用单级压缩制冷系统。2. 制冷机的选择及热力性质计算如果说制冷系统是一个产品的灵魂，那么制冷剂就是它流动的血液。毋庸置疑，选择一种合适的制冷剂对产品的性能影响重大。制冷剂在整个制冷系统中起着纽带作用，地位是不可替代的，制冷系统通过制冷剂状态的变化与外界发生热交换，进行热量传递，从而达到制冷的目的。2.1 制冷剂的分类 目前，制冷剂大概有以下几种类型，无机物氨制冷剂、氟利昂制冷剂（如：R11、R22、R23 等）、共沸制冷剂（如：R507、R502）和非共沸制冷剂（如：R407C、R410A）等4。 氨作为一种无机物制冷剂，历史上曾被广泛使用，但是由于氨泄漏所引起的危害，一度被禁止使用。直到最近，由于环保型制冷剂的发展，才又一次开始使用。氨制冷剂多用于大型冷库系统中。 氟利昂是迄今为止应用最为广泛的制冷剂，虽然它有着优越的热力学性能，但是随着环境问题的恶化，它有被逐渐代替的趋势。 共沸和非共沸制冷剂是近年兴起的环保型制冷剂。不同于单一的制冷剂，它是有几种不同的制冷剂按照不同的配比所混合而得到的。由于混合型制冷剂有着和单一制冷剂迥然不同的热力学性能，它已经开始作为一种环保节能的制冷剂进入人们的视野。特别是非共沸制冷剂，它是有几种不同沸点的制冷剂混合而成。由于高，低沸点的不同，非共沸制冷剂存在有“温度滑移”的现象。这样当使用冷却水冷却时，更容易实现“洛伦兹循环”，从而有利于提高制冷系数和节能性能。2.2 制冷机的选用原则 由于制冷剂有着许多不同的种类，因而，在选取制冷剂的时候，我们应采用“具体问题，具体分析”的方法，针对不同的设计要求，选取相应的制冷剂类型。现将选取原则大致陈述于下5： （1）制冷剂必须是环境可接受物质，并且价廉易获得。应对环境无破坏作用或破坏作用轻微。 （2）应有良好的化学稳定性和热稳定性，不燃烧、不爆炸、无毒，不腐蚀常用的工程材料、与润滑油不起化学反应，在使用温度下不分解、不变性。 （3）有合适的饱和蒸气压。希望在使用条件下蒸发压力最好不低于大气压，以避免空气漏入制冷系统内部，还希望冷凝压力不太高，通常应低于2.5MPa，以免压缩机和冷凝器等设备过于庞大，同时冷凝压力与蒸发压力之比不过大，以免压缩终温过高，压缩机的输气系数过低，冷凝压力与蒸发压力之差也希望尽可能的小，以降低对压缩机强度的要求。 （4）临界温度要高。临界温度是指制冷剂可以加压液化的最高温度，临界温度低的制冷剂在常温或普通低温下有可能不会液化，此时将需要温度很低的冷却介质，且由于当制冷剂在节流前的温度接近临界温度时，制冷剂的气化潜热很小，节流损失就会很大，循环的经济性将很差，因此希望制冷剂的临界温度比环境温度高的多。 （5）粘度和密度要小，目的是减小制冷剂的流动阻力。 （6）凝固温度要低，以免制冷剂在蒸发温度下凝固。 （7）绝热指数要小，可使压缩过程耗功减少，降低压缩终温。 （8）导热系数要高，这样可提高换热器的传热系数，减小传热面积，降低材料消耗。 （9）气化潜热要大，可获得较大的单位制冷量，同时节流后的干度较小。 （10）液体比热要小，这样在节流时液体降温放出的热量少，节流产生的闪发蒸气量小，节流损失较小。2.3 初选制冷剂 根据以上制冷剂的分类和选用原则来看，并考虑到各方面因素，现拟选用非共沸制冷剂，原因有以下几条： （1）根据当前发展趋势来看，非共沸混合制冷剂已经开始被越来越多的国家和企业所接受。 （2）非共沸制冷剂充分考虑到了安全，性能和环境要求之间的平衡。更容易实现变温工况下的“洛伦兹”循环。 （3）从以往低温冷却液循环泵的制冷剂来看，采用R22 作为制冷剂的占大多数，但是考虑到蒙特利尔协议的规定，R22 制冷剂终究是要被淘汰的，非共沸制冷剂中的R407C 和R410A 作为R22 的替代品，有着和R22 所几乎一样完美的热力学性能，能长久的替代R22。因而从长远来看，现在选用非共沸制冷剂更有利于降低成本。 故现在选定采用非共沸制冷剂中的R407C和R410A，然后再对这两种制冷剂进行对比选取。R410A 和R407C 的简单介绍如下： R410A 是一种两元非共沸混合制冷剂，由R32 和R125 混合而成，是作为R22的替代物提出来的。虽然在一定的温度下它的饱和蒸汽压力比R22和R407C均要高一些，但它的其他性能比R22 要优越一些，它的容积制冷量在低温工况时比R22 还要高约60%，制冷系数也比R22 高约5%，但R410A不能直接替换R22的制冷系统。在使用R410A时要对压缩机进行重新设计，并且由于R410A的饱和压力高，设备及管路材料应都相应加强，压缩机结构也应作出相应的调整。 R407C 是一种三元非共沸混合制冷剂，由R32、R125和R134A混合而成，它也是作为R22的替代物而提出的。在标准大气压下，其泡点温度为-43.4，露点温度为-36.1，与R22 沸点比较接近。在低温工况时，虽然R407C 的制冷系数比R22 略低一点，但它的容积制冷量却比R22 要高的多。因此，将R407C 用于替代R22 的制冷系统时，只要将润滑油和制冷剂改换就可以了，而不需要更换制冷压缩机，这是R407C 作为R22 替代物的最大优点6。从以上的介绍来看，这两种非共沸制冷剂都可以作为R22 的替代品，它们有着各自不同的优特点，但究竟哪一种更好一些呢，这就要对R407C 和R410A 的热力学性质进行计算比较。2.3.1 初步确定制冷工况 根据设计要求可知，该低温冷却液循环泵的最高环境使用温度为35，采用强制对流风冷式，室外空气干球温度即冷凝器进风温度为32。由于一般情况下，冷凝温度与进风口温度之差为15左右7。在此可初步选定冷凝温度为50。其中，为了保证制冷系统能有更大的制冷量，制冷剂可以有一定的过冷度，现取为5。 从设计要求的制冷温度-10来看，应使蒸发温度比制冷温度稍低一些，一般为35。 但是考虑到该装置要使用载冷剂，要求回水温度-5，出水温度为-10，并且为了防止制冷剂的“液击”现象，要求应有一定的过热度。综合这几方面的因素，拟定蒸发温度为-17，有效过热3。 故制冷工况如下：蒸发温度-17，有效过热3。冷凝温度50，过冷5。2.3.2 制冷机热力学性能计算 在第二部分“制冷系统的选择”中，我们确定采用单级压缩制冷系统。但是并没有探讨是否采用回热器进行过热。现探讨如下： 当使用回热器时，虽然有利于节能，利用了回热，但是考虑到，此时制冷剂的排气温度过高（可高达140），不利于润滑油的稳定性，并且造成冷凝压力升高等因素，故针对此小型制冷设备不采用回热器8。综上可知，该制冷系统采用单级压缩制冷循环，没有回热器。其制冷剂热力学性能计算的压焓图如下： 图1 制冷剂热力学计算压焓图表1 R407C 的各点状态状态点/0-270.159395.381-240.159397.780.143292.641.988478.392s78.621.988462.274451.988260.75单位制冷量： （2-1）单位理论功： （2-2）单位实际功： （2-3）单位冷凝功： （2-4）循环质流量： （2-5）实际输气量： （2-6）单位容积制冷量： （2-7）压缩机实际功率： （2-8）冷凝器实际功率： （2-9）实际制冷系数： （2-10）表2 R410A 的各点状态状态点0-270.304411.321-240.304413.920.08592104.133.063482.682s90.043.063482.684453.063275.68单位制冷量： （2-11）单位理论功： （2-12）单位实际功： （2-13）单位冷凝功： （2-14）循环质流量： （2-15）实际输气量： （2-16）单位容积制冷量： （2-17）压缩机实际功率： （2-18）冷凝器实际功率： （2-19）实际制冷系数： （2-20）2.3.3 比较确定制冷剂 根据上述制冷剂的热力性能计算结果.我们可从以下几方面比较以确定最终的制冷剂。 （1）从实际制冷系数比较，R407C大于R410A。 （2）从压缩机的实际功率来比较，R407C小于R410A有利于节能。 （3）从压缩机排气温度t2来比较，R407C小于R410A。更容易保证润滑油的稳定性。 （4）从冷凝器的实际功率上比较，R407C小于R410A节能，降低成本。 （5）从环境影响参数上比较，R407C比R410A更不容易引发“温室效应”。 （6）从循环质流量上比较，R407C和R410A几乎一样。 （7）从容积制冷量上比较，R407C小于R410A。综合以上七点，我们可以看出，选用R407C更好一些。故确定选用R407C 最为制冷系统的制冷剂。后续计算均以上述R407C的热力计算为标准进行计算。3. 冷凝器设计计算冷凝器是制冷系统中主要的热交换设备之一。根据设计任务的要求，该冷凝器的冷却方式采用强制对流风冷，它的主要优点是不需要冷却水，安装和使用都很方便。风冷冷凝器的设计主要是根据制冷系统的额定工况确定冷凝器的结构和换热面积，并选择合适的风机类型9。3.1 确定温度参数在公式（2-9）中，可以查知R407C制冷剂的冷凝热负荷。冷凝器设计中的各项温度参数如下：冷凝温度进口空气干球温度为保证进出口风温差在8至10，这里取出口风温度进出口空气温差则对数平均温差 （3-1）3.2 翅片管簇结构参数选择及计算空冷式冷凝器的翅片管一般有紫铜管套铝片构成。由于空气侧的对流传热系数较小，需要对其强化，故需在管外加肋片。现采用的紫铜管作为传热管，选用翅片厚度的波纹型整张铝制套片。取翅片节距迎风面上管中心距，管簇排列采用正三角形叉排。其中，该冷凝器采用三角形叉排，上下距离因为翅片一般有一次翻边，且利用翻边保证均匀的翅片节距，则翅片根部外沿直径，又因为波纹片侧面积与平片侧面积误差很小，所以在此，按平片计算，即有： （3-2）则每米管长翅片侧面面积为 （3-3)每米管长翅片间管面面积为 （3-4）每米管长翅片侧总面积为 （3-5）每米管长管内面积为 （3-6）取当地大气压为一个大气压，则。由空气的热物理性质表可查知，在空气平均温度Tm=(32+42)/2=37条件下，导热系数,在进风温度的条件下,。则冷凝器所需空气体积流量为 （3-7）选取迎面风速，则迎风面积为 （3-8）取冷凝器迎风面宽度即有效单管长，则冷凝器迎风面的高度为 （3-9）则迎风面上的管排数为排 （3-10）3.3 传热计算现假定冷凝器在空气流通方向上的管排数，则翅片宽度： （3-11）微元最窄截面当量直径： （3-12）最窄截面风速： （3-13）有因为 （3-14）查参考文献10，用差值法求得： 则空气侧表面传热系数： （3-15）由于R407C与R22性能接近，在此物性集合系数B可按R22查得：时，B=1325.4，氟利昂在管内凝结的表面传热系数为： （3-16）翅片相当高度由下式计算： （3-17）取铝片热导率，计算翅片参数即： （3-18）由此计算翅片效率为： （3-19）表面翅片效率为： （3-20）忽略各有关污垢热阻及接触热阻的影响，则： （3-21）代入数据可知：整理得： （3-22）用试凑法可解得：，则制冷剂管内凝结的表面传热系数： （3-23）取管壁与翅片间接触热阻，则空气侧尘埃垢层热阻，紫铜管热导率，则总传热系数为： （3-24）则冷凝器所需的总传热面积为： （3-25）所需有效翅片管总长： （3-26）空气流通方向上的管排数：排 （3-27）取圆整后排，与预计取值相符。则实际总有效翅片管长： （3-28）实际传热面积： （3-29）比较后可见，实际传热面积大于所需的传热面积4.57，所以足够满足冷凝负荷。3.4 风机的选择计算由于冷凝器的迎风面宽度，高度，故从尺寸上考虑，该冷凝器安装一台小型轴流风机即可。动压为 （3-30）静压为 （3-31）风机采用电动机直接传动，由于是小型轴流风机，现取传动效率为，取风机全压效率为，则电动机输入功率为： （3-32）故冷凝器采用风机要求为：风机进风量，点击输入功率,风压为16.61Pa。根据要求，现选用“苏州威尔克电机电讯有限公司”的小型工频轴流风机11。选用的型号是：200FZY4-D,其主要性能参数如下：额定输入功率65W，额定电流0.18A，转速2500r/min，进风量13m3/min轴承为滚动转子型，扇叶直径200mm。4. 压缩机的选型与校核压缩机可谓是一台制冷设备的心脏部件，它压缩制冷剂，使其压力升高，产生高温高压的制冷剂蒸汽。在蒸汽压缩式制冷系统中，各种类型的制冷压缩机是决定系统能力大小的关键部件，对输气量起着决定性作用，对系统的运行性能、噪声、振动、维护和使用寿命等均有着直接的影响。4.1 压缩机的分类与初选压缩机可以分为两大类，速度型和容积型。速度型的又包括往复式和回转式，其中回转式的有滚动转子式制冷压缩机、涡旋式制冷压缩机、螺杆式制冷压缩机和滑片式制冷压缩机，而速度型的只有离心式制冷压缩机12。压缩机按密封方式可分为三种，全封闭制冷压缩机，半封闭制冷压缩机和开启式制冷压缩机。针对本设计课题，现拟采用全封闭活塞式制冷压缩机，原因有以下几个13：（1）往复式压缩机能适应叫广阔的压力范围和制冷量的要求。（2）热效率高，单位耗电量较少，特别在偏离设计工况时更明显。（3）对材料要求低，多用普通钢铁材料，加工比较容易，造价较低廉。（4）技术上较为成熟，生产使用上积累了丰富的经验。（5）采用全封闭式，可以有效的防止制冷剂的泄露。综上所述，故选定采用全封闭活塞式制冷压缩机。4.2 压缩机的选型计算采用全封闭活塞式制冷压缩机，现拟定根据以下两点来选取压缩机，理论排气量和轴功率。4.2.1 理论排气量的计算从公式(2-6)可以查知采用R407C时压缩机的实际输气量理论排气量为 （4-1）输气系数为 （4-2）其中，为压缩机的容积系数；为压缩机的压力系数；为压缩机的温度系数；为压缩机的泄漏系数。容积系数 （4-3）其中，c为相对余隙容积，取值范围是2.5%至6%，现取c=4%；m为等端点膨胀多变指数，取m=1；为压缩比，；为排气压力相对损失，取为0.12。将以上数据代入（4-3），得： （4-4）压力系数 （4-5）其中为吸气压力相对损失，取0.07。数据代入（4-5），得：压力系数 （4-6）由于采用全封闭式压缩机，故泄漏系数可取=0.975。温度系数 （4-7）代入公式（4-2），得压缩机的输气系数为： （4-8）代入公式（4-1），得压缩机的理论输气量为： （4-9）4.2.2 轴功率的计算在计算压缩机功率时要用到以下几个数据：电机效率为，机械效率为从公式(4-8)可以查知采用R407C时，压缩机实际功率，此功率即为压缩机在运行时的指示功率故压缩机的轴功率为 （4-10）电机输入功率为 （4-11）4.3 压缩机选型综合以上计算数据可知：压缩机的轴功率为，理论排气量为，制冷量为。故在此选用法国“美优乐公司”的全封闭活塞式压缩机，其型号是：MTZ44HJ-4V1，主要性能参数为：名义工况：，过热度11.1,过冷度8.3，额定制冷量，名义工况下的理论排气量，名义工况下的轴功率，气缸为2个，润滑油充注量为1.8dm3，压缩机净重36kg。4.4 压缩机的校核压缩机一般有三个工况：名义工况，运行工况和试验工况。名义工况即压缩机的铭牌上所给出的工况，运行工况是用户在使用时的工况。一般说来，压缩机的名义工况和运行工况并不相同。这时，为了保障所选压缩机能够正常使用，故需要对压缩机进行校核。4.4.1 压缩机名义工况下的热力计算仍采用单级压缩制冷循环，无回热系，其压焓图如下所示：图2 压缩机名义工况下的压焓图表3 名义工况下各点的状态状态点07.20.589412.85118.30.589423.510.04247284.882.213466.312s77.842.213457.75446.12.213262.89单位制冷量： （4-12）单位理论功： （4-13）循环质流量： （4-14）实际输气量： （4-15）输气系数： （4-16）单位容积制冷量： （4-17）4.4.2 压缩机的校核计算压缩机的校核，所要达到的目的是，计算出运行工况下的制冷量及轴功率，让它们分别和设计所得的制冷量及轴功率相比较，如果前者比后者大，压缩机即可满足要求，视为合格。运行工况下的制冷量 （4-18）其中，为名义工况下的压缩机制冷量，；为名义工况下的单位容积制冷量，；为名义工况下的输气系数，；为运行工况下的单位容积制冷量，；为运行工况下的输气系数，。代入（4-18）得，运行工况下的制冷量为 （4-19）所以运行工况下的制冷量满足要求。运行运行工况下的轴功率 （4-20）其中，和分别是名义工况和运行工况下的轴效率，两者差别不大，可视为相等；为名义工况下的轴功率，；为名义工况下的单位理论功，；为名义工况下的比体积，；为运行工况下的单位理论功，；为运行工况下的比体积，。代入数据到公式（4-20），得运行工况下的轴功率为： （4-21）所以运行工况下的轴功率也满足要求。所以选型正确。外形图如下：图3 压缩机外形图5. 蒸发器的设计计算5.1 蒸发器的分类蒸发器的种类很多，适用场合也不尽相同。蒸发器的设计，就是根据不同的使用目的，进行型式的选择和传热与结构计算，已达到最佳的使用效果。蒸发器按被冷却对象的不同，可分为冷却固体，冷却液体和冷却气体三类。按结构型式的不同，又可以分为，壳管式，套管式，立管式，螺旋管式，翅片管式，排管式，板管式和板片式等类型。壳管式，套管式，板片式均是冷却液体用的蒸发器，其配套液体载冷剂系统通常是闭式系统。排管式，板管式主要用于冷却气体，与被冷却气体间一般是自由对流。目前，壳管式，套管式，板片式及排管式，板管式的设计方法基本成熟，有定型的产品生产，可以根据用户的不同需要进行设计14。5.2 初步选定蒸发器由设计要求可知，该低温冷却液循环泵采用载冷剂间接冷却的方式，要求载冷剂的出水温度-10，回水温度-5。因而，此蒸发器应为冷却液体的类型。从上面所述的蒸发器的分类中，我们可以看出，壳管式和套管式两者都适合使用，但是由于壳管式换热器的制冷剂充注量较大，成本较高。故针对此小型制冷设备，我选用套管式蒸发器。并且考虑到该低温冷却液循环泵的整体构造和制冷器件的布局因素，可以把把套管式蒸发器折成螺旋上升型式，这样不仅传热系数更大一些，并且节省了空间，使低温冷却液循环泵的体积更小。故在此选用套管式蒸发器，并使其折成螺旋型。5.3 选用载冷剂根据设计要求可知，此装置应采用载冷剂间接制冷的方式，在制冷装置中，蒸发器想载冷剂输出冷量，载冷剂向末端设备输出冷量。在制冷装置中使用载冷剂的优点是，可以使制冷系统集中于一处，从而简化制冷系统，便于生产和安装，使制冷系统的密封和检修易进行，便于运行管理，减少了制冷剂的充注量，可有效的防止制冷剂的泄漏，便于控制和分配制冷量。载冷剂的种类很多，凡是凝固温度低于蒸发温度，沸腾温度高于常温的物质均可作载冷剂，常用的有：水，盐水（如氯化钙水溶液，氯化镁水溶液）和有机化合物（如甲醇，乙二醇）等。载冷剂在选用时应考虑到以下因素15： （1）不污染环境，应是环境可接受的物质，最好是天然物质。 （2）凝固温度低于蒸发温度，沸腾温度高于可能达到的最高温度，即在使用温度范围内应保持液态。 （3）比热容大。比热容大的物质流量就小，可减少循环泵的功率及管路的材料消耗，提高系统的运行经济性。 （4）密度和黏度小，可以减少循环泵的功率及流动阻力。 （5）化学稳定性要好。载冷剂在使用温度内不分解，不发生物理和化学性质的变化。 （6）不燃烧，不爆炸，无毒，对人体无害。 （7）不腐蚀设备和管道。 （8）价格低廉，易于获得。从设计要求上可知，出水温度-10、回水温度-5，故要求该载冷剂的凝固温度一定要小于-5，并结合载冷剂选用的八点原则来说。现采用浓度的CaCl2溶液，其凝固点，可以满足要求。5.4 套管式蒸发器的设计从上述可知，采用套管式蒸发器，氯化钙(CaCl2)水溶液作为载冷剂。蒸发器的设计步骤如下。现取套管式蒸发器的内管为的紫铜管，其外管为的紫铜管。并且由于制冷剂侧难以清洗，故使载冷剂走管外侧，制冷剂R407C走管内侧。5.4.1 制冷剂侧传热系数的计算制冷剂R407C走管内侧，在管内吸收载冷剂侧放出的热量，产生管内沸腾传热。查阅文献可得16，制冷剂管内沸腾的传热系数： （5-1）其中，B是和制冷剂种类及蒸发温度相关的常数，取B=0.993；Gd为单根管内的制冷剂流量，；di为制冷剂通道的管内径，；qi为制冷剂侧管内表面的单位热流量，其数值可有下式计算可得， （5-2）代入公式（5-1）可得制冷剂侧的沸腾传热系数： （5-3）5.4.2 载冷剂侧传热系数的计算载冷剂氯化钙(CaCl2)水溶液走管外侧的环形通道，根据传热学的相关知识可知，此时的特征长度应为当量直径de， （5-4）其中，d2为套管式换热器的外管内径，d2=18mm；d1为套管式换热器的内管外径，d1=10mm，代入（5-4），得 （5-5）按照平均温度为特征温度，查得载冷剂氯化钙(CaCl2)水溶 液的物性数是：密度，导热系数，动力粘度，。由于载冷剂所放出的热量和制冷剂所吸收的热量相等，故有下式成立： （5-6）其中，为载冷剂放出的热量，也即制冷量，；为载冷剂的质量流量；为载冷剂的温差，代入（5-6）即可以求得载冷剂的质量流量： （5-7）故可以计算出雷诺数如下： （5-8）由雷诺数可知，载冷剂在环形通道内的流动状态可近视为湍流。可有下式计算出载冷剂侧的传热系数： （5-9）其中，为载冷剂的导热系数，；Re为载冷剂的雷诺数，Re=2664.02；Pr为载冷剂的普朗克数，Pr=25.2；de为载冷剂侧的当量直径，de=8mm，代入（5-9）得载冷剂侧的传热系数 （5-10）5.4.3 蒸发器总传热系数和面积计算已知了载冷剂侧和制冷剂侧的传热系数，可以有下式确定套管式蒸发器的总传热系数（以管内侧的内径面积为基准）： （5-11）该式中近似认为内管的内，外面积相等。其中为制冷剂侧的传热系数，；rn为制冷剂侧的污垢热阻，；为蒸发器内管的厚度，；为蒸发器紫铜管的导热系数，；为载冷剂侧的污垢热阻，；为载冷剂侧的传热系数，；di为蒸发器的内管内径，；de为蒸发器的当量直径，。以上数据代入（5-11）得蒸发器的总传热系数： （5-12）对数平均温差为： （5-13）故可以计算出蒸发器的传热面积A： （5-14）又有，套管式蒸发器的管长，式中d是指外管的管内，d=18mm，代入数据得l为： （5-15） 由于要尽可能的使装置的体积减小，现将蒸发器绕内筒做成盘管螺旋型，假定绕圈直径为d=28cm，则盘管所绕旋圈数n为： （5-16）由设计要求知，容积为V=10L,故从装置的整体考虑，取内筒的底面直径d0=0.18m则内筒的高度H为： （5-17） 综上所述可知，蒸发器的绕圈直径为d=22cm绕旋圈数n =3容积的内筒直径d0=18cm高度H=39cm。6. 节流机构的选取和校核 在蒸汽压缩制冷装置中，制冷剂液体的膨胀过程是通过节流机构来完成的。节流机构在实现制冷剂液体膨胀过程的同时，还具有以下两方面的作用18： （1）将制冷剂的高压和低压部分分隔开，防止高压蒸汽串流到蒸发器中。 （2）对蒸发器的供液量进行控制，使其宝石适量的液体，使蒸发器的换热面积能全面发挥作用。故在制冷装置中，选取合适的节流机构意义重大。6.1 节流机构的分类与初选节流机构有很多种不同的类型，按照供液量调节方式可分为以下五个类型： （1）毛细管 （2）热力膨胀阀 （3）电子膨胀阀 （4）浮球调节阀 （5）手动节流阀由于该低温冷却液循环泵为小型制冷设备，综合产品体积，生产成本和设计要求等要素考虑，在此选用热力膨胀阀。并且由于该装置的蒸发器管组长度较长，从进口到出口存在着较大的压降，故选用外平衡式的热力膨胀阀。6.2 热力膨胀阀的选型正常情况下，热力膨胀阀的的制冷量应与压缩机的制冷量相匹配。它应能控制进入蒸发器中的液态制冷剂量刚好等于在蒸发器中吸热蒸发的制冷量。使之在工作温度下蒸发器的出口过热度适中，蒸发器的传热面积能得到充分的利用。但是由于热力膨胀阀感温系统存在一定的热惰性，形成信号的传递滞后，往往使蒸发器产生供液量过大或过小的超调现象。为削弱此现象，稳定蒸发器的工作，在确定热力膨胀阀的容量时，一般应取蒸发器负荷的1.05至1.25倍。热力膨胀阀在生产时也有自己的名义工况，因此在选用热力膨胀阀时应考虑到运行工况和名义工况下制冷量的不同。故在此先对热力膨胀阀在名义工况下的数据参数进行计算。6.2.1 热力膨胀阀名义工况下的热力学计算在此选用“奉化市溪口中造自控元件厂”的热力膨胀阀，其名义工况如下：蒸发温度；冷凝温度；过热度7.5；过冷度2；节流阀前后的压力差。名义工况下的压-焓图为：图6 热力膨胀阀名义工况下的压焓图表4 图6 中各点状态参数表状态点050.00547411.86112.50.00547418.980.04482s57.360.1541445.13432.910.1541248.96单位制冷量： （6-1）节流前4点密度： （6-2）6.2.2 选定热力膨胀阀由于热力膨胀阀运行工况和名义工况的不同，可以依据下式来选取适当的类型。只要在式中确定热力膨胀阀在名义工况下的制冷量，就可以选取合适的热力膨胀阀，其计算式具体如下： （6-3）其中，为运行工况下，压缩机的制冷量，为保证有一定的富裕度，；为名义工况下压缩机的制冷量；运行工况下的单位制冷量，有（3-1）查得；名义工况下的单位制冷量，；为运行工况下，制冷剂节流前（即4点）的液体密度，有表1可查得4点的密度；为名义工况下节流阀前后的压力差，；为运行工况下节流阀前后的压力差，理想情况下，应是冷凝压力pk与蒸发压力p0之差，但是考虑到阀前，后管路的流动阻力的因素，。代入数据到（7-3）可求得名义工况下压缩机的制冷量： (6-4)即故对照名义工况下的制冷量来选择合适的热力膨胀阀，现选用“奉化市溪口中控自造有限公司”EVR0.8型号外平衡式热力膨胀阀，其外形尺寸和主要的性能参数如下所示：名义容量1.57kW，外平衡式；进口尺寸；出口；接管形式为喇叭口螺纹连接；外平衡管尺寸，喇叭口螺纹连接；外形尺寸为。外形如图：图4 热力膨胀阀外形图6.3 热力膨胀阀的使用 热力膨胀阀只有正确安装才能正常工作，在安装时需要注意以下几点19： （1）阀体垂直安装，膜盒向上。 （2）注意正确的流向。 （3）外平衡管在蒸发器出口管的接口应靠近感温包且处在制冷剂下游，接口应在出口管顶部。 （4）感温包应水平放置或头部向下，当管径为25mm以上时，敷贴在蒸发器出口管侧面，当管径为1822mm 时，呈45角敷贴在蒸发器出口管的斜上方，当管径为1016mm 时，呈60角敷贴在蒸发器出口管的斜上方，且