毕业论文范文——15kW-35℃制冷机组

郑州轻工业学院本科毕业设计（论文） 题 目 15kW-35制冷机组 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 机电工程学院 指导教师(职称) 完成时间 郑州轻工业学院毕业设计（论文）任务书题目 15kW -30制冷机组 专业 热 能 学号 姓名 一、原始资料及技术条件1. 设计环境温度： 352. 最高环境温度： 383. 最低环境温度： 104. 载冷剂进口温度： -255. 载冷剂出口温度： -306. 控温精度： 27. 制冷量： 15kW8. 冷凝器冷却方式： 强制对流风冷9. 制冷剂： R404a10. 电源： 380 V 50Hz二、主要内容1. 设计计算：载冷剂系统计算、循环热力计算、压缩机选择计算及说明、冷凝器设计计算、蒸发器选择计算、辅助设备选择计算、节流机构选择计算及说明。2. 零部件选择：压缩机选择、蒸发器选择、辅助设备选择、温度控制仪选择、压力控制器选择、其他零部件选择。3. 设计图样：系统流程图、电控原理图、总装图、冷凝器部装图、蒸发器部装图、其他零部件图。三、基本要求1. 认真进行实习(调研)、完成实习(调研)报告。2. 阅读文献写出文献综述。3. 按统一格式完成开题报告。4. 阅读英文文献，并译成中文(不少于5000汉字)。5. 规范绘制图样，上机绘图不少于二张装配图、一张零件图。6. 英中文对照摘要，中文不少于400 字。7. 按统一格式编制设计说明书，不少于 30000字。8. 有全部设计的纸介质文档和电子文档。四、主要参考资料1 吴业正主编小型制冷装置设计指导M北京：机械工业出版社，20042 王如竹等编制冷原理与技术M北京：科学出版社，20033 郑贤德主编制冷原理与装置M北京：机械工业出版社，20014 陈光明主编制冷与低温原理M北京：机械工业出版社，20005 时 阳主编制冷技术M北京：中国轻工业出版社，20076 W.F.Stoecker & J.W.Jones 著；陈国邦等译制冷与空调M北京：机械工业出版社，19877 徐传宙，时阳，湛清平编。制冷器具原理与技术M北京：中国轻工业出版社，1996.58 张祉祐，石秉三主编制冷及低温技术M北京：机械工业出版社，19829 张祉祐主编制冷原理与设备M北京：机械工业出版社，198710 吴业正，韩宝琦制冷原理及设备(第2版) M西安：西安交通大学出版社，1997完 成 期 限：2014年 5 月 12 日指导教师签章： 时 阳 专业负责人签章： 2013年 12 月 26 日15kW -30制冷机组目 录摘 要IABSTRACTII绪论11 制冷机组11.1 制冷机组概述11.2 制冷机组分类21.2.1 电驱动的压缩式制冷机21.2.2 热驱动吸收式式冷机32 课题条件及系统热力计算32.1 课题背景及条件32.2 设计方案的选择及论证42.3 系统热力计算42.3.1 初始参数的选定42.3.2 进行热力计算53 主要制冷设备73.1 制冷压缩机73.2 冷凝器103.2.1 冷凝器概述103.2.2 强制通风空气冷却式冷凝器参数113.2.3 冷凝器设计计算123.3 蒸发器选择计算173.3.1 蒸发器概述173.3.2 载冷剂选型计算193.3.3 蒸发器选型计算224 节流装置的选取254.1 节流装置分类254 .2 节流机构选择计算264.3 热力膨胀阀的使用285 辅助机构选择计算295.1 干燥过滤器295.2 电磁阀315.3 视液镜325.4 压力继电器335.5 单向阀345.6 截止阀的选型365.7 气液分离器375.8 储液器38结 束 语40致 谢43参考文献44 15kW -30制冷机组摘 要此次毕业设计的课题是15kW -30制冷机组。其中制冷剂为R404A，系统制冷量为15kW，冷凝温度50，蒸发温度-35，过冷度10，过热度20，进风温度35，出出温度45。本设计主要部件选用的是谷轮公司的6SUW-400E活塞式半封闭单级压缩机、杭州奇诺机电设备有限公司的YWF(K)4D 450-Z型外转子轴流风机、杭州钦宝B3-052 铜钎焊板式换热器、艾默生公司T系列外热力膨胀阀中的X2244088B（TCLE系列）。除此以外，本文还完成了热力计算、冷凝器设计计算以及辅助设备的选型问题。关键词 制冷 制冷机组 设计计算2015kW -30 REFRIGERATION UNITS ABSTRACTThe graduation design topic is 15kW -30 refrigerating unit.The refrigerant is R404A, refrigerating capacity is 15kW system,condensing temperature is 50, evaporation temperature is-35, super-cooling degree is 10, superheating temperature is -20, inlet air temperature is 35, and the temperature is 45.Selection of main components of this design are copeland 6SUW-400E piston semi-closed single stage compressor, kino of mechanical and electrical equipment co., LTD. Hangzhou YWF(K) 450-Z exterior rotor axial flow fan, hangzhou qin bao B3-052, Emerson T a series of plate heat exchanger copper brazing outside of the thermal expansion valve X2244088B (TCLE series).In addition to this, this article also completed the thermodynamic calculation, condenser design calculation and the selection of auxiliary equipment problems.KEY WORDS refrigeration, refrigeration unit,design calculations.42绪论从较低的环境温度空间或物体中吸取热量，并将其转移给高温环境介质的过程称为制冷。制冷技术是为适应人们对低与环境温度条件的需要而产生和发展起来的。实际制冷所必需的机器和设备，称为制冷机。例如，机械压缩式制冷机包括压缩机、蒸法器、冷凝器和节流机构；吸收式制冷机包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和节流机构等。在制冷机中，除压缩机、泵和风机外，其余是换热器及各种辅助设备，统称为制冷设备。而将制冷机同消耗冷量的设备结合一起的装置称为制冷设置，如冰箱、冷库、空调机等。随着人们对生活质量的要求提高，制冷越来越多的应用到人们生活、生产的各方各面。制冷系统从原理上来讲即是：液体制冷剂在蒸发器中吸收被冷却的物体热量之后，汽化成低温低压的蒸汽、被压缩机吸入、压缩成高压高温的蒸汽后排入冷凝器、在冷凝器中向冷却介质(水或空气)放热，冷凝为高压液体、经节流阀节流为低压低温的制冷剂、再次进入蒸发器吸热汽化，达到循环制冷的目的。这样，制冷剂在系统中经过蒸发、压缩、冷凝、节流四个基本过程完成一个制冷循环。在制冷系统中，蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀是制冷系统中必不可少的四大件，这当中蒸发器是输送冷量的设备。制冷剂在其中吸收被冷却物体的热量实现制冷。压缩机是心脏，起着吸入、压缩、输送制冷剂蒸汽的作用。冷凝器是放出热量的设备，将蒸发器中吸收的热量连同压缩机功所转化的热量一起传递给冷却介质带走。节流阀对制冷剂起节流降压作用、同时控制和调节流入蒸发器中制冷剂液体的数量，并将系统分为高压侧和低压侧两大部分。实际制冷系统中，除上述四大件之外，常常有一些辅助设备，如电磁阀、分配器、干燥器、集热器、安全阀、压力控制器等部件组成，它们是为了提高运行的经济性，可靠性和安全性而设置的。1 制冷机组1.1 制冷机组概述 我国制冷机制造业是20世纪50年代末期才发展起来的。从20世纪50年代的仿制开始到60年代自行设计制造，并制定了比较系统的制冷空调产品系列和标准，以后又开发了各种形式的制冷空调产品。目前，制冷空调行业已具有品种比较齐全的大、中、小型制冷空调产品系列及相关技术标准，并已形成有一定技术基础的科研、教学、设计、生产制造和营销管理体系，正在缩小与国外先进水平的差距。1.2 制冷机组分类目前，空调系统中的制冷装置主要利用“液体气化制冷法”的原理而工作，其主要有电驱动的压缩式和热驱动的吸收式两种。制冷机组就是将制冷系统中的全部或部分设备直接在工厂组装成一个整体，为用户提供所需要的冷量和用冷温度。制冷系统机组化是现代空调用制冷装置的发展方向。1.2.1 电驱动的压缩式制冷机电驱动的压缩式制冷机主要以氟里昂、氨为制冷剂，民用制冷机大部分采用氟里昂作为制冷剂。按冷却介质的种类可分为空气冷却和水冷却两种形式，按压缩机种类可分为活塞式、螺杆式、离心式三种形式，按提供的冷源或热源情况可分为冷水机组和热泵机组两种形式.活塞式冷水机组由活塞式制冷压缩机、风冷式或水冷式冷凝器、热力膨胀阀和蒸发器等组成，并配有自动或手动能量调节和自动安全保护装置，常用的水冷活塞式冷水机组冷凝器进出水温分别设置为32、37，蒸发器出口冷冻水温度设置为7度，冷量范围一般为35580千瓦。螺杆式冷水机组是由螺杆式制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀、油分离器、自控元件和仪表等组成的一个完整的制冷系统。常用的水冷式螺杆式冷水机组冷凝器进出水温分别设置为32、37，蒸发器出口冷冻水温度设置为7度，冷量范围为5801163千瓦。离心式冷水机组是由离心式制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构和调节机构以及各种控制元件组成的整体机组。离心式冷水机组的制冷量较大，常用的水冷式离心式冷水机组冷凝器进出水温分别设置为32、37，蒸发器出口冷冻水温度设置为7度，单机容量通常在1163千瓦以上，所以，这种一般用于大型中央空调系统。热泵机组的循环流程有几种形式，但不论何种，系统中除装有制冷系统中的四大元件外，还需装有四通换向电磁阀、单向阀等，使制冷剂的流动方向在制冷或制热状态时能得到控制。热泵机组根据冷却方式可分为风冷式热泵机组、水源热泵机组和土壤热泵三种。水源热泵机组是利用地下水、河水、湖水等资源，借助压缩机系统，通过消耗部分电能，冬季，把水中的低品位能量“取”出来，供给室内采暖或空调；夏季，把室内的热量取出来，释放到水中，达到空调的目的。它不受环境和气候的影响，运行稳定，没有风冷热泵机组的除霜以及小区的热岛效应等问题。土壤热泵系统是利用地下岩土中热量的闭路循环的地源热泵系统，它通过循环液在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。在冬季供热过程中，流体从地下收集热量，再通过系统把热量带到室内。夏季制冷时，系统逆向运行，即从室内带走热量，再通过系统将热量送到地下岩和土中。因此，土壤热泵系统既保持了水源热泵作为冷热源的优点，又克服了空气源热泵效率低下的缺点，是一种可持续发展的建筑节能新技术。简单地说就是低谷时段制冰，高峰时将其冷量释放出来，即将高峰时段较大的制冷负荷转移到低谷时段，起到移峰填谷作用。设备为常规压缩式电制冷空调的主机采用双工况主机，同时增加一套蓄冰装置。利用电力低谷时段让机组工作在制冰工况，将冷量以冰的形式储存在蓄冰装置内，高峰时段通过融冰从蓄冰装置中取出冷量以供空调负荷的需要。1.2.2 热驱动吸收式式冷机热驱动吸收式制冷机组目前主要以溴化锂为吸收剂，有如下分类：第一，按溴化锂吸收式制冷机使用的能源可分为：蒸汽型、热水型、直燃型、太阳能型；第二，按溴化锂吸收式制冷机使用能源被利用程度可分为：单效型、双效型；第三，按溴化锂吸收式制冷机中各换热器布置情况可分为：单筒型、双筒型、三筒型；第四，按溴化锂吸收式制冷机的应用范围可分为：冷水型、温水型；第五，按溴化锂吸收式制冷机的综合方法可分为：蒸汽单效型、蒸汽双效型、直燃型冷温水机组。土壤源热泵是利用地下常温土壤温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部完成热交换的装置。冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向土壤排热，为建筑物制冷。它以土壤作为热源、冷源，通过高效热泵机组向建筑物供热或供冷。高效热泵机组的能效比一般能达到4.0kW/h以上,与传统的冷水机组加锅炉的配置相比，全年能耗可节省40%左右,初投资偏高，机房面积较小，节省常规系统冷却塔可观的耗水量，运行费用低，不产生任何有害物质，对环境无污染，实现了环保的功效。2 课题条件及系统热力计算2.1 课题背景及条件本设计课题类型为真实课题，根据设计任务书要求，原始资料及技术条件如下所示：设计环境温度： 35；最高环境温度： 38；最低环境温度： 10；载冷剂进口温度： -25；载冷剂出口温度： -30；控温精度： 2；制冷量： 15kW；冷凝器冷却方式： 强制对流风冷；制冷剂： R404A；电源： 380V 50Hz；2.2 设计方案的选择及论证蒸汽压缩式制冷作为目前应用最广泛的制冷方式，其各项技术均已十分成熟。且 本次设计中，蒸发温度为30，高于40，且制冷量为3kW。因此选择单级蒸汽压缩式的制冷机。 图1 系统循环图2.3 系统热力计算2.3.1 初始参数的选定根据设计任务书要求，设计制冷量为15kW，蒸发温度为-30，环境温度为35，选取蒸发器内温差为5，即制冷剂蒸发温度为t0=-35；冷凝器内制冷剂冷凝温度为tk=50，高于最高环境温度38，因而温度选取合适。2.3.2 进行热力计算选取系统为单级压缩循环，无回热，有吸气过热和液体过冷。制冷剂为R404A由上节给出的各值根据以上条件进行计算，首先可得到压焓图如下所示：图2 系统压焓图状态点T()P(Bar)h（kJ/kg）v(m3/kg)s(kJkg-1K)0-351.64346.71116.081.63201-151.64363.12128.161.6982279.922.96422.729.941.6982292.1022.96437.6210.761.7397392.1022.96437.6210.761.739745 39.72-35.3122.961.64259.62259.26 1.0364.19 1.19871.2646表1 压焓图各点值查表可以得到各状态点的值（2-1）由上可知：单位制冷量：单位容积制冷量： （2-2） （2-3）单位理论功： （2-4）单位冷凝量：制冷机质量流量： （2-5）（2-6）压缩机理论功率：取压缩机的指示功率为0.75，机械功率为0.92.压缩机的指示功率：（2-7）压缩机的轴功率：（2-8）制冷系数：（2-9）（2-10）卡诺循环制冷系数：（2-11）热力完善度：（2-12）（2-13）冷凝器热负荷：（2-14）回热器热负荷:（2-15）系统所需输气量:3 主要制冷设备3.1 制冷压缩机制冷压缩机根据其对制冷剂蒸气的压缩热力学原理可以分为容积型和速度型两大类。容积型压缩机在容积型压缩机中，一定容积的气体先被吸入到气缸里，继而在气缸中其容积被强制缩小，压力升高，当达到一定压力时气体便被强制地从气缸排出。可见，容积型压缩机的吸排气过程是间歇进行，其流动并非连续稳定的。容积型压缩机按其压缩部件的运动特点可分为两种形式：往复活塞式（简称往复式）和回转式。而后者又可根据其压缩机的结构特点分为滚动转子式（简称转子式）、滑片式、螺杆式（又称双螺杆式）、单螺杆式、涡旋式等。速度型压缩机在速度型压缩机中，气体压力的增长是由气体的速度转化而来，即先使吸入的气流获得一定的高速，然后再使之缓慢下来，让其动量转化为气体的压力升高，而后排出。可见，速度型压缩机中的压缩流程可以连续地进行，其流动是稳定的。在制冷和热泵系统中应用的速度型压缩机几乎都是离心式压缩机。按密封结构形式分为开启式压缩机、半封闭式压缩机、全封闭式压缩机。半封闭符号为B,全封闭式为Q，开启式符号省略。为便于用户选型，一些压缩机生产厂家常提供一些性能曲线图和一些性能参数表格，用户可根据使用条件（蒸发温度、冷凝温度、制冷量等）按性能曲线或性能数据表进行选用。压缩机性能曲线都是由试验测定后绘制的，从性能曲线可以看出：当蒸发温度不变时，随着冷凝温度的提高，制冷量减少，而压缩机功率增大；当冷凝温度不变时，制冷量则随着蒸发温度的降低而减小。虽然这些性能曲线及其数值各不相同，但随着工作温度条件而变化的规律却是一致的。往复式压缩机就是靠一个或几个作往复运动的活塞来改变压缩腔内部容积的容积式压缩机。主要由三大部分组成：运动机构(包括曲轴、轴承、连杆、十字头、皮带轮或联轴器等)，工作机构(包括气缸、活塞、气阀等)，机身。此外，压缩机还配有三个辅助系统:润滑系统、冷却系统以及调节系统。工作机构是实现压缩机工作原理的主要部件。活塞在气缸内做周期性往复运动时，活塞与气缸组成的空间(称为工作容积)周期性地扩大与缩小。当空间扩大时，气缸内的气体膨胀，压力降低，吸人气体；当空间缩小时，气体被压缩，压力升高，排出气体。活塞往复一次，依次完成膨胀、吸气、压缩、排气这四个过程，总称为一个工作循环。当要求压力较高时，可以采用多级压缩。往复式压缩机与其他类型的压缩机相比，具有以下特点：第一、压力范围广，从低压到高压都适用；第二、气缸工作表面不承受活塞重量，因而气缸与活塞环磨损小且均匀，导向环、活塞环、填料使用寿命长；第三、热效率较高，适应性强，排气量可在较大的范围内调节；第四、往复运动部件的惯性垂直作用在基础上，而基础抗垂直振动的能力较强尺寸可以做得较小。这种压缩机的缺点有外形尺寸及重量都较大，结构复杂，易损部件较多，气流有脉动，运转中有振动等。使用于中、低流量和压力较高的情况下，实现无润滑密封效果好，压缩气体不受油的污染，可以保持气体的高纯度，运行安全可靠。经过对各种形式压缩机的比较分析，考虑到经济因素，最后选定采用半封闭往复式制冷压缩机。压缩机选择计算由热力计算阶段结果可知，系统所需实际输气量Vh=67m3/h。经上网及查阅相关资料，本文拟选定谷轮公司的6SUW-400E活塞式半封闭单级压缩机。具体参数如下：图3 SUW-400E活塞式半封闭单级压缩机的参数 由图可知 ，蒸发温度为-35，冷凝温度为50时，该压缩机的制冷量为19.10kW,大于所要求的15kW，所以所选的压缩机合适。图4 SUW-400E活塞式半封闭单级压缩机外形尺寸图图5 S系列压缩机型号说明3.2 冷凝器3.2.1 冷凝器概述冷凝器是制冷设备中主要的热交换设备之一，它的作用是使压缩机排出的制冷剂过热蒸汽凝结成饱和液体或过冷液体。冷凝器是制冷设备向制冷系统外放热量的换热装置。从压缩机出来的高压过热蒸气进入冷凝器后，将热量传递给周围的空气，或将热量先传递给水，再由水把热量传递到周围的空气中去。制冷剂在冷凝器中放出的热量包括两部分：一是在蒸发器中吸收的被冷却物体的热量；二是制冷剂蒸气在制冷压缩机中被压缩时，由压缩机消耗的机械功转化的能量。空气冷却式冷凝器，这种冷凝器以空气为介质，制冷剂在管内冷凝，空气在管外流动，吸收管内制冷剂放出的热量。由于空气的换热系数较小，管外常常设置肋片，以强化管外换热。按空气流动方式不同，这类冷凝器分为空气自由运动和空气强制运动两种型式。空气自由运动的空冷冷凝器：该冷凝器利用空气在管外流动时吸收制冷剂排放的热量后，密度发生变化引起空气的自由流动而不断带走制冷剂蒸汽的冷凝热。它不需要风机，没有噪声，多用于小型制冷装置。目前应用最广泛的式丝管式结构的空气自由运动式冷凝器。空气强制流动的空冷冷凝器；它由一组或几组带有肋片的蛇管组成。制冷剂蒸汽从上部集管进入蛇管，其管外肋片用以强化空气测换热，补偿空气表面传热系数过低的缺陷。这种冷凝器的传热系数较空气自由流动型冷凝器高。适用于中小型氟利昂制冷装置中。它具有结构紧凑，换热效果好，制造简单等优点。此设计中要求的制冷量比较小，温差比较大，宜选用强制通风空气冷却式冷凝器。它的主要优点是不需要冷却水，安装、使用和维护都很方便，经济性强。风冷冷凝器的设计主要是根据制冷机的额定工况确定冷凝器的结构和空气流经冷凝器时的阻力，并选择合适的风机，选用强制风冷冷凝器。由已给条件可知，如图6所示，它是由机组或几组带有肋片的蛇管组成。制冷剂蒸汽从上部集管组成。图6 冷凝器结构示意图3.2.2 强制通风空气冷却式冷凝器参数第一，结构型式空气冷却冷凝器选用带肋片管的蛇管式冷凝器。氟利昂在管内凝结，空气在管外横向流过。整台冷凝器由几排(一般36排)蛇形管并联组成，氟利昂蒸气从上部的分配集管进入每条蛇形管内，凝结成的液体沿蛇形管流下，经液体集管流入储液器中。由于空气侧的换热系数小，故采用肋片管，增强换热能力。肋片管一般都采用等边三角形排列。肋片的片距约为1.53mm，肋高712mm，肋化系数13；第二，空气进口温度和温升的选择 空气进口温度应根据当地高温季节的日平均气温计算。空气在冷凝器内的温升一般取810左右；第三，管子列数的选择 在空气冷却冷凝器中，进口处空气与制冷剂的温差约为1315，出口处的沮差约为35，考虑到空气流经管束时温度不断升高，对于后面几排管子而言，出口处的温差将更小、因此管于排数不宜过多，一般选用26排；第四，迎面风速的选择 冷凝器的传热效果与风速有很大的关系。迎面风速愈高，冷凝器的传热效果愈好，但风机消耗的功率也相应地增加，通常选择的迎面风速在13m/s之间。3.2.3 冷凝器设计计算根据设计任务书要求，冷凝器设计采用强制对流风冷形式。初始条件为设计环境温度： 35 冷凝温度： 38 进风温度： 10冷凝温度： 50制冷剂： R404A冷凝器冷负荷： 25755W冷凝器结构规划及有关参数传热管选用10mm0.5mm的纯铜管，=0.01m， =0.09m，肋片选用平直翅片（铝片），片厚0.11510-3m。管排方式采用正三角形排列，管间距=0.025m，排间距=0.0216m，肋片节距=0.0014m，沿气流方向的管排数n=4，片宽L=0.09m。管外肋片单位面积fr为（3-2）（3-1）由 得肋间管外单位表面积为（3-3）（3-4）管外单位表面积（3-5）管内单位表面积肋化系数（3-6）空气侧传热系数的计算空气进出冷凝器的温差及风量（3-7）取进风温度（3-8）出风温度（3-9）则温差 平均温度（3-10）则风量（3-11）平均温度下空气物性参数为：密度，比定热容，运动粘度，热导率。肋片效率及空气侧传热系数的计算冷凝器的空气最窄流通面积与迎风面积之比为（3-12）取迎面风速，则最小流通面的风速（3-13）当量直径（3-14）以管外径为特征长度的雷诺数（3-15） 单元空气流道长径比（3-16）根据流体流过整张平直套片管簇时的换热公式，有（3-17）（3-18）（3-19）（3-20）对于翅片的管外表面传热系数为（3-21）（3-22）对于叉排管有其中所以肋片当量高度（3-23）肋片特性参数（3-24）（3-25）则肋片效率（3-26）则冷凝器外表面效率（3-27）当量表面传热系数为管内R404A冷凝时表面传热系数计算（3-28）首先设管壁温度tw=47.0，则平均温度根据R404A管内冷凝换热计算公式（3-29）（3-30）其中，rs=105200J/kg，Bm=64.97，代入上式中，则（3-31）由热平衡可得管壁温度平衡方程由试凑法得tw=47.03，与设定值近似相等地，证明合适。此时 W/(m2K)。计算所需传热面积考虑到传热管为纯铜管，取传热管导热热阻、接触热阻和污垢热阻之和r0=0.0048 m2K/ W。以管外面积为基准的传热系数为（3-32）W/(m2K)平均温差为（3-33）所需管外面积（3-34）m2所需肋片管总长度（3-35）m冷凝器每列管数取40根，总管数为160根，单管有效长度1.31m，总有效管长为209.6m，裕度为1.98%。冷凝器高度为H=40.50.025=1.0125m，实际迎风面积A=0.10251.31=1.3264m2，实际迎面风速w=qva/A=2.32m/s，与初取值接近，设计合理。风侧阻力计算及风机选择本设计中冷凝器每列管数40根，总管数160，单管有效长度则冷凝器正对风扇迎风面长度为 、高度动压（3-36）其中其中为35时空气密度，查阅资料得，代入数据得（3-37）静压（3-38）风机采用电动机直接传动，则传动效率，取风机全压效，则电动机输入功率（3-39）则可得风机的风量为（3-40） 。根据参数，经上网查阅资料选用杭州奇诺机电设备有限公司的YWF(K)4D 450-Z型外转子轴流风机。其额定风量。因而可以满足要求。其结构参数如图7所示：图7 风机图3.3 蒸发器选择计算3.3.1 蒸发器概述根据被冷却介质的种类不同，蒸发器可分为两大类：第一，冷却液体载冷剂的蒸发器。用于冷却液体载冷剂水、盐水或乙二醇水溶液等。这类蒸发器常用的有卧式蒸发器、立管式蒸发器和螺旋管式蒸发器等；第二，冷却空气的蒸发器。这类蒸发器有冷却排管和冷风机。换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。间壁式换热器的类型：根据作用原理可分为间壁式换热器、蓄热式换热器和混合式换热器；根据使用目的可分为冷却器、加热器、冷凝器和汽化器；根据结构材料可分为金属材料换热器和非金属材料换热器；根据传热面的形状和结构可分为管式换热器和板式换热器。间壁式换热器：这种换热器是在容器外壁安装夹套制成，结构简单。但其加热面受容器壁面限制，传热系数也不高。为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器。当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时，亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施，以提高夹套一侧的给热系数。为补充传热面的不足，也可在釜内部安装蛇管。夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。沉浸式蛇管换热器：这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状，并沉浸在容器内的液体中，蛇管换热器的优点是结构简单，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造；其缺点是容器内液体湍动程度低，管外给热系数小，为提高传热系数，容器内可安装搅拌器。喷淋式换热器：这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动，冷却水从上方喷淋装置均匀淋下，故也称喷淋式冷却器。喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜，管外给热系数较沉浸式增大很多。另外，这种换热器大多放置在空气流通之处，冷却水的蒸发亦带走一部分热量，可起到降低冷却水温度，增大传热推动力的作用。因此，和沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果大有改善。套管式换热器：是由直径不同的直管制成的同心套管，并由U形弯头连接而成.在这种换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙，两者皆可得到较高的流速，故传热系数较大。另外，在套管换热器中，两种流体可为纯逆流，对数平均推动力较大。套管换热器结构简单，能承受高压，应用亦方便(可根据需要增减管段数目)。特别是由于套管换热器同时具备传热系数大，传热推动力大及能够承受高压强的优点，在超高压生产过程(例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产过程)中所用的换热器几乎全部是套管式。板式换热器：最典型的间壁式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。主体结构由换热板片以及板间的胶条组成。长期在市场占据主导地位，但是其体积大，换热效率低，更换胶条价格昂贵（胶条的更换费用大约占整个过程的1/3-1/2）.主要应用于液体-液体之间的换热，行业内常称为水水换热，其换热效率在500.。为提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流档板。折流档板不仅可防止流体短路，增加流体速度，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。常用的档板有圆缺形和圆盘形两种，前者应用更为广泛。目前，由于我国新版GMP的推出，板式换热将逐渐退出食品，饮料，制药等卫生级别高的行业。管壳式换热器：管壳式(又称列管式)换热器是管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束或者螺旋管，管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。管子的型号不一，过程一般为直径16mm、20mm或者25mm三个型号，管壁厚度一般为1mm，1.5mm，2mm以及2.5mm。进口换热器，直径最低可以到8mm，壁厚仅为0.6mm。大大提高了换热效率，今年来也在国内市场逐渐推广开来。管壳式换热器，螺旋管束设计，可以最大限度的增加湍流效果，加大换热效率。内部壳层和管层的不对称设计，最大可以达到4.6倍。这种不对称设计，决定其在汽-水换热领域的广泛应用。最大换热效率可以达到14000.，大大提高生产效率，节约成本。同时，由于管壳式换热器多为金属结构，随着我国新版GMP的推出，不锈钢316L为主体的换热器，将成为饮料，食品，以及制药行业的必选。3.3.2 载冷剂选型计算根据设计任务书要求及前期热力计算，可得初始数据为：制冷剂：R404A载冷剂进口温度：-25载冷剂出口温度：-30制冷剂蒸发温度：-50蒸发器形式：板式蒸发器制冷量：15kW以间接冷却方式工作的制冷装置中，将被冷却物体的热量传给正在蒸发的制冷剂的工质成为载冷剂。载冷剂通常为液体，在传送热量过程中一般不发生相变。但也有些载冷剂为气体，或者液固混合物，如二元冰等。在盐水制冰、冰蓄冷系统、集中空调等需要采用间接冷却方法的生产过程中，需使用载冷剂来传送冷量。载冷剂在制冷系统的蒸发器中被冷却后，用来冷却被冷却物质，然后再返回蒸发器，将热量传递给制冷剂18。载冷剂起到了运载冷量的作用，故又称为冷媒。这样既可减少制冷剂的充灌量，减少泄漏的可能性，又易于解决冷量的控制和分配问题。载冷剂的循环是在蒸发器中被制冷剂冷却并送到冷却设备中吸收被冷却系统的热量，然后返回蒸发器将吸收的热量传递给制冷剂，而载冷剂重新被冷却。如此循环不止，以达到连续制冷的目的。常用的载冷剂有水、盐水、乙二醇或丙二醇溶液、二氯甲烷和三氯乙烯，一般不包括一氟二氯甲烷，这个通常作为制冷剂，只有在直接制冷时，才使用制冷剂作为载冷剂。直接制冷用大量的制冷剂，制冷剂一般对环境的友好程度低，如氟利昂、氨气等，因此间接制冷是节能环保的一种方式。水：适用于制冷温度在0以上的场合，如空气调节设备等。工业用的循环冷却水，5度水，7度水等称呼的用水系统。盐水：即氯化钙或氯化钠的水溶液，可用于盐水制冰机和间接冷却的冷藏装置，或冷却袋装食品。盐水的凝固温度随浓度而变，当溶液浓度为29.9%时，氯化钙盐水的最低凝固温度为-55；当溶液浓度为22.4%时，氯化钠盐水的最低凝固温度为-21.2。使用时按溶液的凝固温度比制冷机的蒸发温度低5左右为准来选定盐水的浓度。氯化钙和氯化钠价格较低，对设备腐蚀性很大。丙二醇和乙二醇：性质稳定，与水混溶，其溶液的凝固温度随浓度而变，通常用它们的水溶液作为载冷剂，适用的温度范围为0-20。虽然乙二醇或丙二醇溶液的凝固点低，可达-50，但是低温下溶液的粘度上升非常迅速，因此，一般具有工业应用价值的温度为-20以上。其水溶液也有腐蚀性。二氯甲烷和三氯乙烯：通常用它们的液体作为载冷剂。二氯甲烷的凝固温度为-97，适用温度范围为-50-90。但是无论是二氯甲烷，还是三氯乙烯都具有以下明显的缺点：液体挥发性高，沸点低，因此损失很重，需要补充的量非常多；含氯元素，而氯元素非常活泼，容易脱落形成盐酸及盐酸盐，造成设备腐蚀；溶水性低，因此低温下容易造成管道及设备的冰堵、爆管等损害；传热系数低，有机物的传热系数均较低。目前针对此类有机物载冷剂，市场上通常选择替代品。选择理想的载冷剂，应具备下列基本条件：第一，载冷剂是依靠显热来运载热量的，所以要求载冷剂在工作温度下处于液体状态，不发生相变。要求载冷剂的凝固温度至少比制冷剂的蒸发温废低48，标准蒸发温度比制冷系统所能达到的最高温度高；第二，比热要大，在传递一定热量时，可使载冷剂的循环量小，使输送载冷剂的泵耗功减少，管道的耗材量减少，从而提高循环的经济性。另外当一定量的流体运载一定量的热量时，比热大能使传热温差减小；第三，热导率要大，可增加传热效果，减少换热设备的传热面积；第四，粘度要小，以减少流动阻力和输送泵功率；第五，化学性能要求稳定。载冷剂在工作温度内不分解；不与空气中的氧化合，不改变其物理化学性能；不燃烧、不爆炸，挥发性要小，如在特殊情况下，必须使用有燃烧性、有挥发性的载冷剂时，其闪点须高于65；载冷剂与制冷剂接触时化学性质应稳定，不发生化学变化；第六，要求对人体和食品、环境无毒、无害，不会引起其它物质的变色、变味、变质；第七，要求不腐蚀设备和管道，如果载冷剂稍带腐蚀性时，应能添加缓蚀剂阻滞腐蚀第八，要求价格低廉，易于获得。采用载冷剂的优点是可使制冷系统集中在较小的场所，因而可以减小制冷机系统的容积及制冷剂的充注量；且因载冷剂的热容量大，被冷却对象的温度易于保持恒定。其缺点是系统比不用载冷剂时复杂，且增大了被冷却物和制冷剂间的温差，需要较低的制冷机蒸发温度19。常用载冷剂有三类：水，盐水和有机化合物及其水溶液。水价格低廉，易于获得，传热性能较好，因此在空调装置及某些0以上的冷却过程中广泛地用作载冷剂。但水只能用于蒸发温度高于0的制冷装置，而本设计中蒸发温度为-30。常用盐水溶液如氯化钙和氯化钠等对金属材料有腐蚀作用，使用时需加入缓蚀剂。有机物载冷剂有乙醇（CH3-CH2OH）、乙二醇（CH2OH-CH2OH）、丙二醇（CH2OH-CHOH-CH3）、丙三醇（CH2OH-CHOH-CH2OH）、二氯甲烷（CH2Cl2）及三氯乙烯（CHCl-CCl2）等。它们都具有较低的凝固温度。例如，乙二醇常用在冰蓄冷系统中作载冷剂使用，是腐蚀性小的一种载冷剂。它无色、无味、无电解性、无燃烧性，乙二醇的价格和粘度较丙二醇低。乙二醇水溶液略有腐蚀性，应加缓蚀剂以减弱对金属的腐蚀。乙醇的凝固点为-117，二氯甲烷的凝固点为-97，适用于更低的载冷温度。丙三醇（甘油）是极稳定的化合物，其水溶液无腐蚀性、无毒，可以和食品直接接触。乙醇具有燃烧性，使用时应予以注意，并采取防火措施。有机物载冷剂标准蒸发温度均较低，因此一般都采用闭式循环，考虑到温度变化时，有机载冷剂体积有变化，系统中往往设有膨胀节或膨胀容器。因此本设计采用第三类中的乙二醇水溶液。选取质量浓度为57%的乙二醇水溶液 密度，比热 则载冷剂循环流量：（3-41） 取载冷剂流速 则载冷剂系统所需泵功率（3-42） 3.3.3 蒸发器选型计算传热温差（3-43） （3-44）由传热过程方程式移项得蒸发面积（3-45） 初步取传热系数 代入数据可得（3-46）取裕度为10%，则可得根据以上数据，选择杭州钦宝B3-052 铜钎焊板式换热器，其设计参数如图8图8 换热器参数技术参数如图9图9 技术参数则根据技术参数以及蒸发器计算可得(3-47)(3-48)取，则 换热器外形尺寸如图10 图10 换热器外形尺寸接管类型为焊接接管，尺寸如图11 图114 节流装置的选取4.1 节流装置分类节流是压缩式制冷循环不可缺少的四个主意过程之一。节流机构的作用有两点：一是对从冷凝器中出来的高压液体制冷剂进行节流降压为蒸发压力；二是根据系统负荷变化，调整进入蒸发器的制冷剂液体的数量。常用的节流机构有手动膨胀阀、浮球式膨胀阀、热力膨胀阀以及阻流式膨胀阀(毛细管)等。它们的基本原理都是使高压液态制冷剂受迫流过一个小过流截面，产生合适的局部阻力损失(或沿程损失)，使制冷剂压力骤降，与此同时一部分液态制冷剂汽化，吸收潜热，使节流后的制冷剂成为低压低温状态。手动节流阀。手动膨胀阀和普通的截止阀在结构上的不同之处主要是阀芯的结构与阀杆的螺纹形式。通常截止阀的阀芯为一平头，阀杆为普通螺纹，所以它只能控制管路的通断和粗略地调节流量，难以调整在一个适当的过流截面积上以产生恰当的节流作用。而节流阀的阀芯为针型锥体或带缺口的锥体，阀杆为细牙螺纹，所以当转动手轮时，阀芯移动的距离不大，过流截面积可以较准确、方便地调整。节流阀的开启度的大小是根据蒸发器负荷的变化而调节，通常开启度为手轮的1/8至1/4周，不能超过一周。否则，开启度过大，会失去膨胀作用。因此它不能随蒸发器热负荷的变动而灵敏地自动适应调节，几乎全凭经验结合系统中的反应进行手工操作。目前它只装设于氨制冷装置中，在氟利昂制冷装置中，广泛使用热力膨胀阀进行自动调节。浮球节流阀。浮球节流阀的工作原理 浮球节流阀是一种自动调节的节流阀。其工作原理是利用一钢制浮球为启闭阀门的动力，浮球随液面高低在浮球室中升降，控制一小阀门开启度的大小变化而自动调节供液量，同时起节流作用的。当容器内液面降低时，浮球下降，节流孔自行开大，供液量增加；反之，当容器内液面上升时，浮球上升，节流孔自行关小，供液量减少。待液面升至规定高度时，节流孔被关闭，保证容器不会发生超液或缺液的现象。浮球节流阀的结构型式与安装要求浮球节流阀是用于具有自由液面的蒸发器，液体分离器和中间冷却器供液量的自动调节。在氨制冷系统中广泛应用的是一种低压浮球阀。低压浮球阀按液体在其中流通的方式，有直通式和非直通式两种。直通浮球节流阀的特点是，进入容器的全部液体制冷剂首先通过阀孔进入浮球室，然后再进入容器。因此，结构和安装比较简单，但浮球室的液面波动大。非直通式浮球节流阀的特点是，阀座装在浮球室外，经节流后的制冷剂不需要通过浮球室而沿管道直接进入容器。因此，浮球室的液面较平稳，但其结构与安装均较复杂。目前我国冷冻机厂生产的浮球节流阀都是这种非直通式的。这种浮球节流阀的结构是由壳体、浮球、杠杆、阀座、平衡管、阀芯和盖等组成。浮球节流阀在安装时的要求是浮球室的气体平衡管应接在筒身上，而不应接在液体分离器的吸气管上。液体平衡管不应接在液体分离器与蒸发器之间的供液管上，也不应接在低压循环贮液筒的氨泵吸液管上，以免浮球室内液面波动过大。蒸发器中的液体往往呈气泡沸腾状态，致使气液混合物的密度显著降低，造成蒸发器中的实际液面要高于浮球室的液面，因此将浮球节流阀安装到蒸发器上时，最好把浮球节流