60kW模块式水冷冷水机组——毕业论文

郑州轻工业学院 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 一、原始资料及技术条件一、原始资料及技术条件 1. 制冷量： 60kw 2. 制冷量输出方式： 输出冷媒水 冷媒水出口温度： 7 冷媒水进口温度： 12 3 冷凝器冷却方式： 水冷 冷却水进口温度： 30 冷却水出口温度： 35 4. 控温精度： 2 5. 气候环境类型： 空气干球温度 32、空气湿球温度27.8 6. 使用环境温度： 0 38 7. 使用环境相对湿度： 85 8. 电源： 380V 50Hz 9. 制冷剂： 自选 二、主要内容二、主要内容 1. 设计计算：几何参数计算、隔热计算、冷负荷计算、循环热力计算、压缩机选择计算 及说明、冷凝器设计计算、蒸发器设计计算、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：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：总装图、主要零部件图、系统流程图、电控原理图。 三、基本要求三、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. 设计计算至少有两部分为上机计算。 6. 规范绘制图样，上机绘图不少于二张装配图、一张零件图。 7. 英中文对照摘要，中文不少于500 字。 8. 按统一格式编制设计说明书，不少于 32000 字。 9. 有全部设计的纸介质文档和电子文档。 四、主要参考资料四、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，2004 2 时 阳主编 . 制冷技术 M北京：中国轻工业出版社，2007.9 3 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，1982 4 张祉祐主编制冷原理与设备 M北京：机械工业出版社，1987 5 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 6 郑贤德主编制冷原理与装置 M北京：机械工业出版社，2001 7 陈光明主编制冷与低温原理 M北京：机械工业出版社，2000 8 王如竹等编制冷原理与技术 M北京：科学出版社， 2003 9 齐铭主编 . 制冷附件 M北京：航空工业出版社，1992 10 陈芝久主编 . 制冷装置自动化 M北京：机械工业出版社，2003 11 徐德胜主编 . 制冷与空调M上海：上海交通大学出版社， 1991 12 时 阳主编小型制冷与空调作业 M北京：气象出版社， 2002 13 缪道平主编制冷压缩机 M北京：机械工业出版社，2001 14 李连生主编 . 涡旋压缩机M北京 : 机械工业出版社， 1998 15 史美中 王中铮主编 . 热交换器原理与设计 第二版 M南京：东南大学出版社， 1996 16 吴业正，李红旗，张华主编. 制冷压缩机 M. 北京：机械工业出版社， 2010-11. 17 冯开平，左宗义主编. 画法几何与机械制图 第二版 M. 广州：华南理工大学出版社， 2007-07 18 曹德胜主编 . 制冷剂手册 M. 北京：治金工业出版社， 2003-05 19 邬志敏主编 . 制冷机工艺M上海：上海科学技术出版社，1989-09. 20 张小松 , 王铁军 , 金苏敏主编 . 制冷装备与装置设计 M. 重庆：重庆大学出版社， 2008-4 21 胡桂香，模块式水冷冷水机组的特点分析及其应用 J.暖通空调 , 2006,第B11 期 22 中国制冷学会.J慧聪暖通空调制冷网简报 202期2011-12-19 全球冷水机 组和空调市场 23 张秀平，田旭东，钟根仔，姚宏雷 . 水冷冷水机组能效特性变化规律的研究 J 制冷 空调 ,2008, 第10 期 24 施敏琪，李元旦, 张彦 . 水冷冷水机组冷却温度优化控制的探讨 J 建筑科学 , 2004,第s1 期 25 孙方田，马一太，安青松，姜云涛，王洪利. 水冷式冷水机组的能效现状 J 暖通空 调,2007, 第 4期 26 律宝莹，石富金，耿凤彦，程保才 . 不同因素对于风冷和水冷冷水机组经济性能的影 响 J 河北建筑工程学院学报 ,2003, 第 4期 27 黄进青 . 模块式冷水机组, 国外技术介绍 28 捷丰冷冻器材有限公司 . 广州 510060 , 模块化中央空调冷水机组 29 胜利 2007 麦克维尔2007年度新产品推广会拉开序幕J 暖通空调 ,2007, 第 B05 期 30 无缝钢管尺寸、外形、重量 GB/T17395-2008. 31 平面和突面板式平焊钢制管法兰 GB/T9119. 32 HE Yijian, HONG Ronghua 液体制冷剂在蒸发器中吸收被冷却的物体热量之后，气化成 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 却介质放热，冷凝成高压液体、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 本的过程完成一次制冷循环。 1.6 模块式水冷冷水机组的特点 1. 无可比拟的可靠性 在模块化机组中, 模块单元以步进方式达到空调所需的容量 , 这本身就使机组具有 备用能力。使用模块化机组可大大减少设备发生重大故障的可能性。如果一台大型离心式 压缩机发生故障, 整个系统就失效。而使用模块化机组时 , 是用多台独立的制冷系统来 满足与单台离心机组相同容量的制冷负荷的。假如其中一个系统发生故障, 仍有很多个制 冷系统可作备用。模块化机组提供了最大的备用能力 , 使制冷系统可靠地运。 2. 以最高效率经济运行 按建筑冷负荷不同 , 电脑自动地调整运行的压缩机台数 , 使输出的冷量与需求冷量 作最佳匹配。这样不论负荷为多大 ( 即使是在低负荷下 ),每个模块单元总是以其设计的 最高效率运行 , 则整个模块机组也就总是以最节能的效率来运行。据有关资料显示 ) 模块 化机组与常规机组相比年运行费用可节约 22 一26% 。 3. 节约建筑空间 由于采用紧凑和组合单元的设计, 安装模块化机组需要机房的空间大约是常规冷水 机组的 40%,而且不需要管道及蒸发器、冷凝器的拆卸空间。也可安装在任何无其他用途 7 的狭小空间而不设专机房。模块化机组与常规机组相比可节约占地面积 50% 。 4. 重量轻、尺寸小 模块机组的重量约为其他同容最冷水机组的 1/3,其尺寸之小可以用小车推着穿过门 和走廊 , 也可用窄的电梯运送至高层 , 不 定用吊车 , 这样就节省了起吊机械设备和运 输机械。 5. 灵活组合 因为模块机组为单元化设计 , 可以通过不同单元数的组合而组成多种单机组或多机组 的系统。若要增加容量 , 可以再多加几个模块或选择适当个模块单元组成机组 , 接人已有 的控制系统和冷水管道系统即可投入使用。另外 , 模块机组与常规机组还可相结合运行。 模块机用部分负荷时运行 , 常规机组在满负荷下运行 , 常规机组运行时间可减少 50% 或 更多。这样, 模块化机组不仅可延长常规型机组的工作寿命, 还可在低负荷下高效率运行, 使得总能量费用降低。常规机组也可以并入模块机电脑统一控制。 6. 适宜于改建 由于安装方便 , 在建筑改建或增建的情况下 , 模块化冷水机组是十分理想的机组。如 原有建筑物无空调需增设空调时 , 使用模块机组最简单、最经济。只要找一个空地安装模 块机即可实现。可大大减少投资费用 , 包括节省的土建费、运行费和维修费。 7. 安装要求低 安装模块机不一定必须有专用机房 , 一组组的模块可以安装在走廊上或放于露天 , 例如安装在屋顶上或走廊端头等。 8. 震动小、噪音低 模块化机组设计精良 , 并采取大幅度衰减噪声的措施和使用隔震装置, 使机组震动 很小。保养和维修费用低电脑自动轮换启停每台压缩机 , 保证了每个单元的使用时间大 致相同 , 延长了机组的使用寿命 , 降低了费用, 比一般常规机组可减少保养和大修费用达 60% 以上。由于模块化设计使本身就具有备用能力, 所以可在不停机不影响整个制冷系 统的正常工作情况下进行维修 8。 1.7 模块式水冷冷水机组的发展的方向 1. 智能化控制技术 机组监控更智能 业内首家推出 132台的模块机组集中控制系统，智能实现压缩机 8 平均寿命，提高机组的整体寿命，动态监控机组的运行，确保机组的每一部件安全运转， 当机器出现故障时，控制器迅速准确显示故障所在地，协助快速排除故障；机组自带冷冻 水泵、冷却水泵及冷却水塔智能控制信号输出，并可设为自动运行模式，更可以一个星期 为周期，每天自动运行中央空调系统，实现无人监管功能。 9 2. 新型的热交换装置大冷量冷水模块机组换热器 大冷量冷水模块机组换热器包括外管 内管 内管由若干束多头螺旋管束组成，若干束 多头螺旋管一端汇集在一起与冷媒出口相接，外管两端开设有进出口。 10 3. 可直接并联安装的模块式水冷冷水机组 可以简化多模块式机组并联连接时简化外部水路安装，对机组的使用不产生任何影响。 11 4. 种新型的模块式水冷冷水机组 该模块式水冷冷水机组包括底盘，以及设置在底盘上的箱体，涡旋式压缩机 干式蒸 发器 壳管式冷凝器 压力表 制冷附件以及连接管路：所述压力表集中设置在一压力表箱上， 所述壳管式冷凝器上设置有橡胶软接头，所述连接管路包括排气管和进气管呈对称的双S 型设置。 12 1.8 模块式水冷冷水机组存在问题 （ 1 ）由于冷却塔由于蒸发、风吹和排污损失，需要进行补水水量约为流量的 1% 1.5%。一台1400kw冷量的离心机组冷却水量约为288t/h，则补水量即为3t/h。 我国淡水资源总量居世界各大国的中游，但由于人口众多，人均水资源量居大国的末位。 我国的特大城市( 也是中央空调应用最多的城市) 北京、天津和上海，人均水资源均低 于世界资源研究所(WRI) 规定的每人每年拥有可重复使用淡水总量的临界标准 3 1000m。 其中天津为 3 159m，居全国倒数第二位，上海为 3 191m，居全国倒数第 3位，北京为 3 328m，居全国倒数第 7位。因此，水冷制冷机除消耗能源之外，也是耗水大户。加之 我国水污染严重，城市供水的水处理成本逐年提高。从节水的角度，反倒是应提倡用风冷 9 机。我国香港特别行政区由于水资源严重匮乏，完全依靠内地水库供应淡水，因而当地禁 止使用淡水水冷机组，个别大型建筑由于空调冷量特别大而采用初投资很大的海水冷却。 （ 2）模块式水冷冷水机组价格比较昂贵 （ 3）模块式水冷冷水机组的模块片数一般不宜超过 8片 （ 4）现在存在的主要问题是国家的重视程度不够，所以导致企业对这项产品的投 资兴趣不大。这也会带来一系列问题，例如：企业研发不积极等 （ 5）资料偏少，对其研究的专家不多。成果较少，在中国期刊网上查阅相关资料， 平均一年不到 10 篇的文献，而且质量不是很高。 2 方案论证 2.1 流程选择 压缩式蒸气制冷循环是目前应用最广泛的一种制冷方式。这类制冷机设备比较紧凑， 可以制成大、中、小型，以适应不同场合的需要，能达到的制冷温度范围比较宽广，而在 普通制冷温度范围内具有较高的循环效率。吸收式制冷循环的制冷机的工质通常是采用两 种不同沸点的物质组成的二元溶液，通常的工质对有溴化锂水溶液和氨水溶液；而气体涡 流制冷是要借助涡流管得作用使高速气流产生旋涡分离出冷、热两股气流，从而利用冷气 流获得制冷量的方法；热电制冷器是一种不用制冷剂、没有运动件的电器。所以，空调冷 水机组的流程应选用压缩式蒸气制冷循环。 2.2 冷凝器介绍与类型选择 冷凝器是制冷装置的主要热交换设备之一。它的任务是通过环境介质（水或空气）将 制冷压缩机排出的高压过热制冷剂蒸汽冷却、冷凝成为饱和液体，甚至过冷液体。在大型 制冷机中，有的设置专用过冷器与冷凝器配合使用，使制冷剂液体过冷，以增大制冷机的 制冷量，提高其经济性。 冷凝器是用于为制冷系统排出显热和潜热。排出的热量包括蒸发器吸收的热量，压缩 10 机压缩过程中排出的压缩热或机械摩擦的热量以及进入压缩机前吸气管上因过热所吸收的 热量。制冷剂在冷凝器中会有三个重要的传热过程： 1来自压缩机的高温蒸汽，其温度从排气温度逐渐降低至冷凝温度。这是一个显热 传热过程。 2制冷剂从蒸汽冷凝成液态制冷剂是一个潜热传热过程。 3液态制冷剂温度还可以低于冷凝我温度，即过冷。通常这种情况是一个显热传热 过。 冷凝器按冷却介质和冷却方式可分为水冷式冷凝器，空冷式冷凝器和蒸发式冷凝器。 2.2.1 水冷冷凝器 1. 水冷冷凝器 冷却性能由环境湿球温度来决定，环境湿球温度越高，那么冷凝温度也越高。一般地， 采用水冷冷凝器，冷凝温度比环境湿球温度高 5 7左右。温度极限不高于 55， 不低于 20。通常情况下，环境湿球温度超过 42的地区都不建议采用水冷冷凝器。 所以是否可选择水冷冷凝器，首先要确认环境湿球温度。一般设计水冷制冰机时，必须要 求知道当地全年最高的环境湿球温度。同时当环境温度超过 50 时，也不能用水冷冷凝 器，冷却塔容易会被高温晒坏。冷却塔必须在有遮阳保护的情况下使用。 工作原理： 高温高压的制冷剂气体由冷凝器上方的进气口进入冷凝器的壳程内，冷却水泵将冷却 水由冷却塔的蓄水槽内抽出，经冷凝器右侧下方的进水口进入冷凝器的管程内，与冷凝器 铜管外的制冷剂进行热交换，温度升高，从冷凝器右侧上方的出水口出来，经过出水管后， 进入冷却塔的进水管处，再由洒水管的出水口，均匀的洒在填料上，通过风扇吸风与填料 中的水热交换，使水温降低，被冷却的水储存在蓄水槽内，待重复利用。 高温高压的制冷剂气体在冷凝器壳程内，与管程内流动的冷却水热交换，温度降低， 冷凝成液体。制冷机组的排热先与水进行热交换（冷凝内发生的热交换），水再与空气进 行热交换（冷却塔内发生的热交换）。 这种形式的冷凝器是用水作为冷却介质带走制冷剂冷凝时放出的热量。冷却水可以一 次性使用，也可以循环使用。用循环水时，必须配有冷却塔或冷水池，保证水不断得到冷 却。水冷式冷凝器主要有壳管式和套管式两种结构。 11 (1) 壳管式冷凝器 壳管式又可以分为立式壳管式和卧式壳管式两种。采用哪一种类型与制冷机使用的制 冷剂有关。一般立式壳管式冷凝器适用于大型氨制冷装置，而卧式壳管式冷凝器则普遍使 用大、中型氨或氟利昂制冷装置中。其壳内管外为制冷剂，管内为冷却水。壳体的两端上 穿有传热管。壳体一般由钢板卷制焊接而成。管板与传热管的国定方式可采用胀接法和焊 接法，一般胀接法更便于修理和更换传热管。 1）卧式壳管式冷凝器 除了上述壳管式冷凝器的一般结构特点外，卧式壳管式冷凝 器在管板外侧设有左右端盖，端盖的内侧具有满足水流程需要的隔腔，保证冷却水在管程 中往还流动，经过若干流程后由同侧端盖的上部流出，冷却水从一个端头向另一个端头流 一次称为一个流程。采用多流程设计的主要是为了减小水的流速面积，提高冷却水流速， 增强水侧换热效果。国产一般是 4-10 流程。流程过多，会增大水侧流动阻力，加大水泵 功耗。优点：结构紧凑，占地面积小，换热管内的水流速较高，所以传热系数大；冷却水 的温升较大，所以冷却水的消耗量较小。缺点：冷却水的阻力较大；清洗污垢不方便，设 备要停止工作才能进行清理；冷却水水质要求较高。 2） 立式壳管式冷凝器 立式壳管式冷凝器是以适合立式安装而得名。与卧式壳管 式冷凝器的不同点在于它的壳体两端无端盖，制冷剂过热蒸汽由竖直壳体的上部进入壳内， 在竖直管簇外冷凝成为液体，然后从壳体下部引出。壳体的上端口设有配水槽，管簇的每 一根管口装有一个水分配器，冷却水通过该分配器上的斜分水槽进入管内，并沿内表面形 成的液膜向下流动，以提高表面传热系数，节约冷却水循环量。冷却水由下端流出并集中 到水池内，在用泵送到冷却塔降温后，可循环使用。 气态制冷剂从冷凝器外壳的中上部进入冷凝器壳体和换热管之间的空间，制冷剂在换 热管外冷凝后沿换热管外壁流下，冷凝液积存在冷凝器的底部，从出液管流出。换热管一 般选用较小直径的无缝钢管，传热系数在 2 689-814W/()m。优点：可以露天安装，节 省机房面积，也可以，安装在冷却塔下面，以简化冷却水系统，换热管是直管，清洗水垢 比较方便，可以 在运行中清洗，对水质要求不高。缺点 : 冷却用水量大，单位面积冷却 水量为 2 1-1.7/h（m），设备体积大，金属消耗量大，搬运安装不方便，制冷剂泄漏不易被 发现。 12 （ 2）套管式冷凝器 套管式冷凝器是由是不同直径的管子套在一起，并弯制成螺旋形或蛇形的一种水冷式 冷凝器，目前，套管式主要用于小型的氟利昂系统中。制冷蒸汽从套管式冷凝器的上端进 入，在内管的外表面冷凝成液体，液体在外管的底部沿管子的径向向下流动，从下端进入 储液器。冷凝器的冷却水从套管换热器的下端进入依次向上流动，与制冷剂的流动方向相 反，这样能够实现比较理想的逆流换热。优点：结构紧凑，制造简单，传热特性好。缺点： 在套管长度较大时，下部管间易被液体充斥，使传热面积不能得到充分的利用，冷却水和 制冷剂两侧的阻力较大；单位体积换热面积小，仅为 3 20m。金属消耗较大；水垢清洗不 方便，对水质要求比较高。 （ 3）螺旋板式冷凝器 螺杆式换热器是一种效率较高的换热器。流道始于螺旋板式换热器的中心，而终于螺 旋板式换热器的外缘，螺旋板的上下两端用封条旱死。冷却水从螺旋板式换热器的外缘端 进入，从中央的上部流出。制冷剂蒸汽从螺旋板式冷凝器的中央隔板的另一侧上部进入， 制冷剂的冷凝液集于底部流出。优点：体积小，重量轻，传热系数高，在工作条件相同的 情况下，螺旋板式冷凝器的传热系数可管壳式冷凝器提高 50% 左右。缺点：承受压力有限， 制造较复杂，冷却水的阻力较大而且内部不易清洗，对冷却水的水质要求较高。 （ 4）板式冷凝器 板式冷凝器的传热元件是冲压成型的薄金属板片，板片上冲有波纹以强化传热，很多 换热薄片叠放在一起旱死，换热板与换热板之间的周边放入一定形状的密封圈，使换热板 之间保持一定距离，构成制冷剂和冷却水的流道。流体在换热板之间的流程可以按具体情 况进行并联、串联和混联，在制冷装置中多用并联形式。板式冷凝器的传热系数为2000- 3000 2 /()Wm。具有结构紧凑、体积小、耗材少等优点。但是承受压力受一定的限制， 冷却水的阻力较大，清洗不方便，对冷却水水质要求较高。 2.3 蒸发器的选择 蒸发器是制冷装置产生和输出冷量的重要部件，位于制冷系统节流阀和压缩机的吸气 13 管之间。制冷剂液体在蒸发器的换热管内流动，并在低温下变为蒸汽，制冷剂在蒸发的过 程中吸收被冷却物体或介质的热量。按被冷却的介质蒸发器可分为冷却液体载冷剂蒸发器 和冷却空气的蒸发器。根据供液方式的不同，有满液式、干式、循环式和喷淋式等。 2.3.1 满液式蒸发器 满液式蒸发器 满液式蒸发器大多为壳管式，载冷剂在管内流动，制冷剂在管外蒸发， 制冷剂液体基本浸满管束，上部留有一定的气空间。其筒体是钢板卷板后焊接成形，两端 焊有管板，多根25mm2.5mm 或19mm2mm 的换热钢管穿过管板后，通过胀接 或焊接的方式与管板连接。筒体两端的管板外为装有分程隔板的封头，制冷剂走壳程，载 冷剂（冷冻水）在管程内多程流动。封头上有载冷剂（冷冻水）进口管、载冷剂（冷冻 水）出口管和泄水管、放气旋塞。在筒体上部设有制冷剂回气包和安全阀、压力表、气体 均压管等，回气包上有回气管。筒体中下部侧面有氨液供液管、液体均压管等。筒体下部 设集油包，包上有放油管。在回气包与筒体间还设有钢制液面指示器。 满液式卧式壳管式蒸发器的工作过程是：制冷剂液体节流后进入筒体内与数根换热管 外的壳程空间，与在换热管内作多程流动的载冷剂（冷冻水）通过管壁交换热量。制冷剂 液体吸热后气化上升回到回气包中作气液分离。气液分离后的饱和蒸气通过回气管被制冷 压缩机吸走，而制冷剂液体流出回气包进入蒸发器筒体继续吸热气化。润滑油沉积在集油 包里，由放油管通往集油器放出。 满液式卧式壳管式蒸发器内充满了液态制冷剂，可使传热面与液态制冷剂充分接触，总传 热系数高，在大型制冷系统中若增设制冷剂泵强制循环流动，还可以提高蒸发器的换热效 率。 满液式卧式壳管式蒸发器在工作时要保持一定的液面高度，液面过低会使蒸发器内产生过 多的过热蒸气而降低蒸发器的传热效果；液面过高易使湿蒸气进入制冷压缩机而引起液击。 所以用浮球阀或液面控制器来控制满液式卧式壳管式蒸发器的液面。满液式卧式壳管式蒸 发器壳体周围要设置保温层，以减少冷量损失。 满液式卧式壳管式蒸发器的优点是：（ 1）结构紧凑，占地面积小；（ 2）传热性能好； （ 3）制造和安装较方便；（ 4）用盐水作载冷剂，不易腐蚀和避免盐水浓度被空气中水 分稀释等。满液式卧式壳管式广泛地应用于船舶制冷、制冰、食品冷冻和空气调节中。 14 2.3.2 干式蒸发器 干式蒸发器是一种制冷剂液体在传热管内能够完全汽化的蒸发器。其传热管外侧的被 冷却介质是载冷剂（水 ) 或空气，制冷剂则在管内吸热蒸发，其填充量约为传热管内容积 的20%-30% 。增加制冷剂的质量流量，可增加制冷剂液体在管内的湿润面积，同时， 其进出口处的压差随流动阻力增大而增大，以至使制冷系数降低。 干式管壳式蒸发器属于冷却液体载冷剂大类的蒸发器，主要用于氟利昂制冷系统中。 这种蒸发器的制冷剂液体走管程，因而制冷剂的充注量较少。其结构与满液式蒸发器相似， 不同的是换热管为外径 12 16mm 的紫铜管，管内有纵向翅片，以增加管内制冷剂的 流速，制冷剂液体经节流后从蒸发器一端端盖的下方进口进入管程内，经 2 4个流程 吸热后由同侧端盖上方出口引出。制冷剂在壳管式干式蒸发器内的流动有单进单出、双进 单出、双进双出等不同形式。载冷剂（冷冻水）走壳程，为保证载冷剂（冷冻水）横向流 过换热管束时的速度为 0.5 1.5m/s ，壳程内换热管束上装有多块缺口上下错开布置的 弓形折流板。在干式壳管式蒸发器内，随着液态制冷剂在管内流动，沿程吸收管外载冷剂 的热量逐渐汽化，制冷剂处于液汽共存的状态，蒸发器部分传热面与气态制冷剂接触，导 致总传热系数较满液式低，但其制冷剂充注量少，回油方便，适用于氟利昂作制冷剂。 干式壳管式蒸发器的优点是：（ 1）充液量少，为管内容积的 40% 左右；（ 2）受制冷 剂液体静压力的影响较少；（ 3）排油方便；（ 4）载冷剂结冰不会胀裂管子； （ 5）制冷剂液面容易控制；（6）结构紧凑。缺点是制冷剂在换热管束内供液不易均匀， 弓形折流板制造与装配比较麻烦，由于装配间隙的存在，载冷剂在折流板孔和换热管间、 折流板外周与筒体间容易产生泄漏旁流，从而降低传热效果。 2.3.3 板式蒸发器 板式蒸发器是近几年开始应用在制冷装置中的，其换热板是焊死不可拆的。板式蒸发 器的换热板与换热板之间的周边放入一定形状的密封圈，使换热板之间保持一定距离，构 成制冷剂与载冷剂的流道。但是，它的制冷剂的进出口和板式冷凝器不同。具有传热系数 高、结构紧凑的优点。但是承受压力受一定限制，载冷剂流动阻力较大，清洗不方便。 满液式蒸发器和干式蒸发器二者的比较：1、换热性方面 : 满液式蒸发器的蒸发管表 15 面为液体润湿，表面传热系数大；干式蒸发器的蒸发管表面为部分液体润湿，表面传热系 数略低 ;2、制冷剂侧阻力方面：满液式蒸发器的制冷剂侧阻力较大； 3、回油性能方面： 对于润滑油与制冷剂互溶情况下，满液式蒸发器的回油较难且不稳定，而回油状况直接影 响机组的工作工况和工况油移。干式蒸发器的回油稳定、方便； 4、充液量方面：满液式 蒸发器的壳体内充满制冷剂，充液量大。多用于制冷剂易泄露的开启式压缩机。干式蒸发 器的制冷剂充液量只有满液式蒸发器的 1/2 到 1/3。而且从价格、维护和稳定性等方面 考虑，建议选择干式蒸发器。冷水机组的蒸发器和冷凝器大多都是管壳式换热器，制冷剂 在壳内流动，而冷水或冷却水在管内流动。所以蒸发器应该选择壳管式干式蒸发器。 13 2.4 制冷剂 2.4.1 制冷剂的选择原则 1. 热力性质方面 (1) 在工作温度范围内有合适的压力和压力比，即蒸发压力不要过低，避免制冷系统 的抵压部分出现负压，是外界空气渗入系统引起不良后果。冷凝压力不要过高，以免设备 过分笨重。冷凝压力和蒸发压力之比不宜过大，以免压缩终了的温度过高或是压缩机的输 气系数过低，同时压力比过大将造成级数增加。 (2) 通常希望单位质量制冷量错误：引用源未找到 和单位容积制冷量错误：引用源 未找到 比较大。因为对于制冷量一定的装置，错误：引用源未找到 大可以减少制冷剂的 循环量。错误：引用源未找到 大可减少压缩机的输气量，故可缩小压缩机的尺寸，这对 大型制冷装置是有意义的。 (3) 比功 0 w和单位容积压缩功错误：引用源未找到小，循环效率高。 (4) 等熵压缩的终了温度错误：引用源未找到不太高，以免润滑条件恶化或制冷剂自 身在高温下分解。 2. 环境友好 对大气环境无破坏作用，无温室效应。 3. 传输性质方面 16 (1) 黏度、密度尽量小，这样可以减少制冷剂在系统中的流动阻力。 (2) 导热率大，可以提高热交换设备的传热系数，减少传热面积，是系统结构紧凑。 4. 物理化学方面 (1) 无毒、不易燃烧，不爆炸，使用安全。 (2) 化学稳定性和热稳定性好，制冷剂在循环中不变质，不与润滑油反应，不腐蚀制 冷机构件。在压缩高温下不分解。 5. 来源充足、制造工艺简单、价格便宜 来源充足、制造工艺简单、价格便宜是其能够商业化的首要条件。 2.4.2 制冷剂介绍与选择 目前使用的制冷剂已多达近百种，并正在不断发展增多。但用于食品工业和空调制冷 的仅十多种。其中被广泛采用的只有以下几种： (1) R717（氨， NH3 ）氨是目前使用最为广泛的一种中压中温制冷剂。氨的凝固 温度为 -77.7，标准蒸发温度为 33.3，在常温下冷凝压力一般为1.1 1.3MPa，即使当夏季冷却水温高达30时也不超过1.5MPa。氨的单位标准容积制冷量 大约为 3 520kcal/ m错误：引用源未找到 。氨有很好的吸水性，即使在低温下水也不会 从氨液中析出而冻结，故系统内不会发生“冰塞”现象 17 。氨对钢铁不起腐蚀作用，但 氨液中含有水分后，对铜及铜合金有腐蚀作用。氨作为制冷剂的优点是：易于获得、价格 低廉、压力适中、单位制冷量大、放热系数高、几乎不溶解于油、流动阻力小，泄漏时易 发现。其缺点是：有刺激性臭味、有毒、可以燃烧和爆炸，对铜及铜合金有腐蚀作用。 (2) R134a （四氟乙烷， 23 CH FCF ）是目前广泛使用的 R12 的替代制冷剂。它 的许多特性与 R12 很接近。其臭氧破坏指数（ODP）值为 0，温室效应指数 （ GWP）值为 0.24 0.29 。标准蒸发温度为 -26.2，凝固点为 -101.0。其制 冷循环特性与 R12 接近，但不如 R12 。R134a 相对分子量大，流动阻力损失比 R12d 大，传热性比 R12 好。 R134a 与R12 在溶油种类和溶油行为上有很大差异。 R134a 的分子极性大，在非极性油中的溶解度极小，在为 R134a 专门开发的诸多合成油中，主 要是聚烯醇类油 PAGs、酯基油和氨基油。 PAGs作用 R134a 系统润滑油对金属有轻微 17 腐蚀作用。PAGs的吸湿性强，吸湿后会加速金属腐蚀。 R134a 分子不含 Cl ，自身不具 备润滑性。机器中的运动件供油不足时，会加速磨损，为此，在合成油中需要添加添加剂 以提高润滑性。R134a 对钢铁铜铝等金属均未发现有相互反应现象，仅对锌有轻微作用。 和塑料相比，合成橡胶受 R134a 的影响略大，特别是氟橡胶。因为 R134a 分子中不含 Cl ，不能用传统电子捡漏仪器捡漏，应用专门的捡漏仪器捡漏。 (3) R12（二氟二氯甲烷，CF2Cl2 ）为烷烃的卤代物，学名二氟二氯甲烷 19 。 它是我国中小型制冷装置中使用较为广泛的中压中温制冷剂。R12 的标准蒸发温度为 29.8 ，冷凝压力一般为 0.78 0.98MPa，凝固温度为-155，单位容积标准制冷 量约为 288kcal/m3。R12 是一种无色、透明、没有气味，几乎无毒性、不燃烧、不爆 炸，很安全的制冷剂。只有在空气中容积浓度超过 80 时才会使人窒息。但与明火接触 或温度达 400 以上时，则分解出对人体有害的气体。 (4) R22（二氟一氯甲烷， CHClF2 ）也是烷烃的卤代物，学名二氟一氯甲烷，标 准蒸发温度约为 41，凝固温度约为160 ，冷凝压力同氨相似，单位容积标准 制冷量约为454kcal/m3。R22 的许多性质与 R12 相似，但化学稳定性不如 R12 ，毒 性也比 R12 稍强。但是， R22 的单位容积制冷量却比 R12 大的多，接近于氨。当要求 40 70的低温时，利用R22 比R12 适宜，故目前 R22 被广泛应用于 40 60的双级压缩或空调制冷系统中。 (5) R404A 是一种不含氯的非共沸混合制冷剂，常温常压下为无色气体，贮存在钢 瓶内是被压缩的液化气体。其ODP为 0，因此 R404A是不破坏大气臭氧层的环保制 冷剂。主要用途： R404A主要用于替代 R22 和 R502，具有清洁、低毒、不燃、制冷 效果好等特点，大量用于中低温冷冻系统。 (6) R410A 在常温常压下是一种不含氯的氟代烷非共沸混合制冷剂，贮存在钢瓶内 是被压缩的液化气体。其 ODP为 0，因此 R410A是不破坏大气臭氧层的环保制冷剂。 主要用途： R410A主要用于替代 R22 和 R502，具有清洁、低毒、不燃、制冷效果好等 特点，大量用于家用空调、小型商用空调、户式中央空调等。 14 本次设计选取 R134a 作制冷。 18 2.5 节流装置的选择 2.5.1 节流机构概述 作为制冷循环的四大部件之一，节流装置在系统中起着非常关键的作用，通过选择应 用合适的节流机构与制冷系统匹配是整个制冷设备降低能耗的重要一环。节流装置是制冷 系统中的膨胀机构，又称为膨胀阀，位于冷凝器之后。从冷凝器出来的高压液体制冷剂经 膨胀机构后，压力降低，同时小部分液体闪发为蒸汽，成为低温低压制冷剂液体，经气液 分离器后，进入蒸发器制取冷量。节流阀除起降压的作用外，还能调节进入蒸发器的制冷 剂的流量。通过这样的调节作用，使制冷剂离开蒸发器时有一定的过热度，保证制冷剂液 体不会进入压缩机，避免“液击”事故。节流阀是制冷系统的四个主要组成部分之一，它 和压缩机共同维持系统内的高低压侧的压力差，达到制冷目的。 节流的工作原理是制冷工质流过阀门时流动截面突然收缩，流体流速加快， 压力下 降，压力下降的大小取决于流动截面收缩的比例。节流机构的作用如下： （ 1）节流降压：当常温高压的制冷剂饱和液体流过节流阀，变成低温低压的制冷 剂液体并产生少许闪发气体，进而实现向外界吸热的目的。 （ 2）调节流量：节流阀通过感温包感受蒸发器出口处制冷剂过热度的变化来控制 阀的开度，调节进入蒸发器的制冷剂流量，使其流量与蒸发器的热负荷相匹配。当蒸发器 热负荷增加时阀开度也增大，制冷剂流量随之增加，反之，制冷剂流量减少。 （ 3）控制过热度：节流机构具有控制蒸发器出口制冷剂过热度的功能，既保持蒸 发器传热面积的充分利用，又防止吸气带液损坏压缩机的事故发生。 （ 4）控制蒸发液位：带液位控制的节流机构具有控制蒸发器液位的功能，既保持 蒸发器传热面积的充分利用，又防止吸气带液降低吸气过热度。 若节流机构向蒸发器的供液量与蒸发负荷相比过大，部分液态制冷剂一起进入压缩机， 易引起湿压缩或冲缸事故。相反若供液量与蒸发器负荷相比太少，则蒸发器部分传热面积 未能充分发挥其效能，甚至会造成蒸发压力降低，而且使制冷系统的制冷量降低，制冷系 数减小，制冷装置能耗增大。因而说节流机构流量的调节对制冷装置节能降耗起着非常重 要的作用。 19 2.5.2节流装置的分类 节流阀的种类有很多，根据制冷剂不同，可以分为氨用节流阀和氟利昂节流阀；根据 结构形式，可以分为手动膨胀阀、热力膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管和浮球调节阀五种。 （ 1）手动节流阀手动节流阀是最老式的节流阀，其外形与普通截止阀相似。它由 阀体、阀芯、阀杆、填料压盖、上盖、手轮和螺栓等零件组成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。 （ 2）浮球节流阀 1. 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，靠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。 2. 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。 20 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，最好把浮球节流阀适当降低一些。浮球节流 阀的管路系统中一般应装置液体过滤器 ( 采用 250孔cm2 的钢丝网 ) ，以保证进入 浮球阀内的液体无杂质，避免阀门堵塞。此外还要装设旁路手动节流阀，以便在浮球节流 阀发生故障或清洗过滤器时仍可继续供液。 （ 3）热力膨胀阀热力膨胀阀是氟利昂制冷装置中根据吸入蒸气的过热程度来调节 进入蒸发器的液态制冷剂量，同时将液体由冷凝压力节流降压到蒸发压力的。 热力膨胀阀的型式很多，但在结构上大致相同。按膨胀阀中感应机构动力室中传力零 件的结构不同，可分为薄膜式和波纹管式两种；按使用条件不同，又可分为内平衡式和外 平衡式两种。目前常用的小型氟利昂热力膨胀阀多为薄膜式内平衡热力膨胀阀。 内平衡式热力膨胀阀：内平衡式热力膨胀阀一般都由阀体、阀座、阀针、调节杆座、 调节杆、弹簧、过滤器、传动杆、感温包、毛细管、气箱盖和感应薄膜等组成。 外平衡式热力膨胀阀：外平衡热力膨胀阀与内平衡热力膨胀阀在结构上略有不同，其 不同处是感应薄膜下部空间与膨胀阀出口互不相通，而且通过一根小口径的平衡管与蒸发 器出口相连。换句话说，外平衡热力膨胀阀膜片下部的制冷剂压力不是阀门节流后的蒸发 压力，而是蒸发器出口处的制冷剂压力。这样可以避免蒸发器阻力损失较大时的影响，把 过热度控制在一定的范围内，使蒸发器传热面积充分利用。 内、外平衡式热力膨胀阀工作原理完全相同，只是适用的条件不同，如果蒸发器中制 冷剂的压力损失较大，使用内平衡式热力膨胀阀时，就会造成蒸发器供液量不足，出口处 气态制冷剂的过热度增大。也就使蒸发器的传热面积的利用率降低，制冷量相应减小，所 以在实际应用中，蒸发器压力损失较小时，一般使用内平衡式热力膨胀阀，而压力损失较 大时 ( 当膨胀阀出口至蒸发器出口制冷剂的压力降相应的蒸发温度降低超过 2 3 时 ) ，应采用外平衡式热力膨胀阀。 安装热力膨胀阀时应注意的问题：首先应检查膨胀阀是否完好，特别注意检查感温动 21 力机构是否泄漏；膨胀阀应正立式安装，不允许倒置；感温包安装在蒸发器的出气管上， 紧贴包缠在水平无积液的管段上，外加隔热材料缠包，或插入吸气管上的感温套内；当水 平回气管直径小于25mm 时，感温包可扎在回气管项部；当水平回气管直径大于25mm 时，感温包可扎在回气管下侧 45处，以防管子底部积油等因素影响感温包正确感温；外 平衡膨胀阀的平衡管一般都安装在感温包后面 100mm处的回气管上，并应从管顶部引出， 以防润滑油进入阀内；一个系统中有多个膨胀阀时，外平衡管应接到各自蒸发器的出口。 （ 4）毛细管在电冰箱、空调器等小型制冷设备中，常用毛细管做节流装置，它主 要是靠其管径和长度的大小来控制液体制冷剂的流量以使蒸发器能在适当的状况下工作。 制冷工程中一般称内径 0.5 2mm左右，长度在1 4m左右的紫钢管为毛细管。与 节流阀相比毛细管做为节流装置的优点是无运动件不会磨损不易泄漏、制造容易价格便宜、 安装省事，缺点是流量小并不能随时随意进行人为调整。 在内径及长度已确定后，毛细管的流量主要受进、出口两侧即高、低压两端压力差大 小的影响，与来液过冷度大小、含闪发气体多少以及管弯曲程度、盘绕圈数等也有关。因 此机组系统一定时，不能任意改变工况或更换任意规格的毛细管。 因此，采用毛细管的制冷设备，必须根据设计要求严格控制制冷剂的充加量。 根据毛细管进口处制冷剂的状态分为过冷液体，饱和液体和稍有气化等情况。从毛细 管的安装方式考虑，制冷剂在其进口的状态按毛细管是否与吸气管存在热交换而分为回热 型和无回热型两种。回热型即毛细管内制冷剂在膨胀过程对外放热 ; 无回热型即毛细管内 制冷剂为绝热膨胀。 （ 5）电子膨胀阀 1. 电子膨胀阀吸气过热度控制 吸气过热度控制系统由电子膨胀阀、压力传感器、温度传感器、控制器组成，工作时， 压力传感器将蒸发器出口压力P1、温度传感器将压缩机吸气过热度传给控制器，控制器 将信号处理后，随后输出指令作用于电子膨胀主阀的步进电机， 将阀开到需要的位置要， 以保持蒸发器需要的供液量。电子膨胀阀的步进电机是根据蒸发器出口压力 P1 变化、压 缩机吸气过热度变化实时输出变化的动力 , 这个实时输出变化的动力能及时克服各种工况 和各种负荷情况下主膨胀阀变化的弹簧力，使阀的开度满足蒸发器供液量的需求，进而蒸 发器的供液量能实时与蒸发负荷相匹配，即电子膨胀阀可通过控制器人为设定，有效地控 制过热度 17 。另外，电子膨胀阀从全闭到全开状态其用时仅需几秒钟，反应和动作速度 22 快，开闭特性和速度均可人为设定；电子膨胀阀可在 10% 100%进行精确调节，且调 节范围可根据不同产品的特性进行设定。选用电子膨胀阀吸气过热度控制，机组无论在 标准工况下、变工况、满负荷、变负荷运行均维持较高的COP 值水平。电子膨胀阀吸气 过热度控制制冷系统原理图如图所示。 2. 电子膨胀阀 - 液位控制 液位控制系统由电子膨胀阀、液位传感器、液位控制器组成。当蒸发器内的液面上下 变化时 , 蒸发器内的液位传感器将液位变动的比例关系用 420mA 信号传给液位控 制器 , 液位控制器将信号处理后 , 随后输出指令作用于电子膨胀主阀的步进电机 , 使其 开度增大、减小 , 以保持制冷剂液位在限定的范围内。电子膨胀阀的步进电机是根据制冷 剂液位变化实时输出变化的动力 , 这个实时输出变化的动力能及时克服各种工况和各种负 荷情况下主膨胀阀变化的弹簧力 , 使阀的开度满足蒸发器供液量的需求 , 进而蒸发器的 供液量能实时与蒸发负荷相匹配 , 即电子膨胀阀可通过控制器人为设定 , 有效地控制蒸 发液位。选用电子膨胀阀液位控制 , 机组无论在标准工况下、变工况、满负荷、变负荷 运行均维持较高的 COP 值水平。电子膨胀阀液位控制一般应用在吸气过热度低于2 冷装置 , 而电子膨胀阀吸气过热度控制一般应用在吸气过热度 5 左右的制冷装 置 , 因此前者比后者更能有效地利用蒸发面积, 提高蒸发负荷, 获取更高的 COP 值。 15 综合上所述，本次设计选用热力膨胀阀。 2.6 压缩机的选择 2.6.1 压缩机的概述 压缩机是制冷系统的心脏，它以泵送热载体的制冷剂方式移送热量，压缩机可以视为 一种真空泵，它将系统低压侧（包括蒸发器）的压力降低并将系统高侧的压力提高，从而 使制冷剂从低压侧向高压侧流动。抽吸来自蒸发器的制冷剂蒸气，并提高其温度和压力后， 将它排向冷凝器。在冷凝器中，高压制冷剂过热蒸气在冷凝温度下放热冷凝。而后通过节 流元件，降压后的气液混合物流向蒸发器，在那里制冷剂液体在蒸发温度下吸收沸腾，变 为蒸气后进入压缩机，从而实现了制冷系统中制冷剂的不断循环流动。 23 在蒸气压缩式制冷和热泵系统中，各种类型的制冷剂压缩机是决定系统能力大小的关 键部件，对系统的运行性能、噪声、振动、维护和使用寿命等有着直接影响。 2.6.2 压缩机的分类 根据制冷压缩机的工作原理、结构和工作的蒸发温度划分其种类。 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。 1. 容积型压缩机，直接对可变容积中的气体进行压缩，使该部分气体容积缩小，压 力升高。其结构形式有：往复式（活塞式）、螺杆式、涡旋式和滚动转子式。 2. 速度型压缩机（动力型压缩机） 首先使吸入气体的速度升高，然后使气流速度 有序降低，将气体的动能转化为压力能使压力升高。两种结构形式：离心式和轴流式。 按照蒸发温度范围分类： 对于单级制冷压缩机，一般可按其工作蒸发温度的范围分为高温、中温和低温压缩机 三种，但在具体蒸发温度区域的划分上并不统一。 高温制冷压缩机的额定蒸