额定制冷量440kW二级能效的风冷螺杆机组的设计.doc

装订线安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书额定制冷量440kW，二级能效的风冷螺杆机组的设计热能与动力工程专业 杨健春(099014028) 指导教师 任能 讲师摘 要随着经济和社会的发展，人们越来越多地开始追求工作和生活环境的舒适性。而影响人体舒适感的一个重要参数就是空气温度，所以空调器也越来越普及。众所周知，空调器的形式多种多样。就大型建筑和高层楼宇而言，采用集中式供冷系统成为发展趋势，本文所设计的风冷螺杆式冷水机组就是众多集中式供冷机型中比较成熟的一种，在大型建筑和高层楼宇暖通设备中频频采用。首先，本文对采用不同的蒸发器的两套方案可行性比较，其中采用比泽尔压缩机选型软件BITZER Software 5.1进行系统工作点的确定（蒸发温度和冷凝温度）和压缩机的选择，还兼顾了风机的选择，最终确定采用干式蒸发器设计的系统方案。其次，本文先对总体方案和部件布局进行设计；然后分别使用不同的设计软件对蒸发器和冷凝器进行设计，其中冷凝器设计部分还就不同方案进行了具体比较，并详细研究了风机与冷凝盘管的匹配问题（即风机工作点的确定），最终对所设计的冷凝器进行了优化；紧接着完成了节流部件的选择。再次，利用数据拟合技术建立了压缩机、蒸发器和冷凝器的热力学模型，根据能量守恒定律建立了系统匹配模型，以此找到了最合适的系统工作点（蒸发温度和冷凝温度）。最后，本文还就所设计的冷水机组中使用到的辅助部件进行了一一选型，并对整个设计工作进行总结并提出未来工作展望。关键词：冷水机组；制冷系统；数学模型；优化设计 AbstractWith the development of economy and society, people are increasingly starting the pursuit of comfort with working and living environment. The air temperature is an important parameter which affects the human body comfort, that is why air conditioners are so popular. As we all know, the forms of air conditioner are various. As for huge building and high-rise building, adopting the centralized cooling system is the developing tendency. In this paper, the designed air cooled screw water chiller system is one of the relatively mature centralized cooling systems, which is used frequently in huge building and high-rise building equipment.At the very first, the paper compares two solutions which use different evaporators. Among these, the paper uses BITZER Software 5.1 to ensure the system working points ( evaporating temperature and condensing temperature ) and to select the compressor, also the fans selection. Then I select the project which uses dry-type evaporator.Secondly, the paper designs the whole project and the parts layout at first; then using different designing softwares I devise the evaporator and condenser. In the condenser part two solutions are compared specifically, the matching problem between fan and condensing coil ( that is the ensuring of fan working point ) is studied detailedly. Then perfect the designed condenser. After these it is the throttling elements selection.Thirdly, the paper establishes the thermodynamic model of compressor, evaporator and condenser using the data fitting technique, establishes the system matching model on the basis of the energy conservation law, then finds the most appropriate system working point(evaporating temperature and condensing temperature).Lastly, the paper selects accessories that is necessary in the designed water chilling unit, summarizes the whole design, and put forward to theoutlook of future work.Keywords: chiller; refrigerating system; digital model; optimization design1 文献综述1.1 前言风冷螺杆式冷水机组由螺杆式压缩机、蒸发器、风冷式冷凝器、节流部件、油分离器、油冷却器、油过滤器、气液分离器、控制箱和起动柜等主要部件组成。目前市场上常见的风冷螺杆式冷水机组，绝大部分为多机头机组。风冷式冷水机组工作流程与水冷机组大致相同，所不同的是水冷式机组的冷凝器采用壳管式冷凝器，而风冷式机组的冷凝器采用翅片管式换热器。1.2 螺杆式制冷机组1.2.1 常用制冷剂螺杆式制冷压缩机是容积式压缩机，又是回转式压缩机。在高温、中温领域都常用，可采用的制冷剂也有多种，如R22、R410A、R134a等。1 R22R22是一种中温制冷剂，它的沸点为-40.8，常温下冷凝压力和氨相近，单位容积制冷量也差不多，在中温和低温下饱和压力较高，因此在较低温度下R22比氨好。目前，在螺杆式压缩机中氨作为制冷剂已基本不用。R22排气温度较高，若在压力比较高的工况下工作，要对压缩机采取冷却措施，以避免压缩机排气温度超过安全温度限。水在R22中的溶解度很小，而且随着温度的降低，水的溶解度越小。当R22中溶解有水时，会引起冰堵现象和对金属的腐蚀作用。R22能部分地与矿物油互相溶解，其溶解度与润滑油的种类和温度有关1。R22的ODP值为0.055，GWP值为0.35。R22属于HCFC类制冷剂，根据蒙特利尔协议书规定，将于2020年前全面淘汰2。2 R410AR410A是由R32和R125两种工质按50%和50%的质量分数混合而成，属HFCs制冷剂。R410A在标准压力下，泡点温度为-51.6，相变温度滑移小于0.2，属近共沸混合物，热力学性质十分接近单工质。同R22相比，R410A的冷凝压力增大近50%，是一种高压制冷剂，需要提高系统耐压强度。由于R410A的高压、高密度，使得允许制冷剂管径减小许多，压缩机的排量也可大大降低；同时R410A液相的热导率高、粘度低，使其具有明显高于R22的传输特性。该制冷剂的ODP值为0，GWP值小于0.21。3 R134aR134a是一种新型制冷剂，其标准蒸发温度为-26.5。它的主要热力性质与R12相似，见表1-1，其毒性类似R12，对臭氧层没有破坏作用，温室效应比R12小，是R12的十分之一。R134a对金属的腐蚀作用比较小、稳定性好、也不溶于水。R12为制冷剂的制冷机改用R134a后，其制冷量和能效比不会下降，但系统须用适合R134a的润滑油、干燥过滤器等。国际上对R134a进行研究，认为R134a是比较理想的一直R12替代制冷剂。但R134a的GWP为0.29，仍比较大，制冷界也有人认为R134a不是最适宜的制冷剂3，最好使用天然制冷剂。本设计中使用的制冷剂就选择R134a。表1-1 R134a与R22、R410A的主要性能比较工质R22R410AR134a相对分子质量86.4772.58102.0标准蒸发温度/-40.8-51.6-26.5临界温度/96.272.5100.6临界压力/MPa4.994.953.944ODP值0.05500GWP值0.35-0.291.2.2 螺杆式压缩机1 工作原理螺杆式压缩机是靠气缸中一对螺旋转子相互啮合旋转，造成由齿形空间组成的基元容积的变化，实现了对制冷剂气体的压缩。图1-1是典型开启式螺杆压缩机的一对螺旋齿转子、气缸和两端端盖的外形图。由图可见，压缩机8字形的气缸3里有一对转子，其中一个有凸齿的称阳转子6，另一个有凹齿槽的称阴转子2，气缸的左右有吸气端盖1和排气端盖5封住，一对转子就支撑在左右端盖的轴承上。转子之间及转子和气缸、端盖间留有很小的间隙。在吸气端盖1和气缸3上部设有轴向和径向进气口，在排气端盖5和滑阀4的端部设有轴向和径向排气孔口4。图1-1开启式螺杆压缩机的结构1-吸气端盖 2-阴转子 3-气缸 4-滑阀 5-排气端盖 6-阳转子当压缩机运转时，阳转子带动阴转子（也有由阴转子带动阳转子的结构），由阴阳转子凹凸齿槽、啮合密封线与气缸和端盖内壁所围成的人字形所围成的基元容积不断变化（图1-2为由下而上的仰视图）。当基元容积由最小向最大变化时，它与轴向和径向吸气口相通，进行吸气过程（图1-2-a、b、c）。当基元容积达到最大并与吸气口隔开时，吸气结束。此后，基元容积由最大逐渐变小，开始气体的压缩过程（图1-2-d、e）当基元容积开始与轴向和径向排气口接通时，进行排气过程(图2-f),直到基元容积变为零为止。上述过程，随着转子连续运转，重复地进行5。图1-2 螺杆压缩机的工作原理图2 型式和结构1）开启式螺杆制冷压缩机图1-3为武汉新世界制冷工业有限公司研制生产的螺杆型制冷压缩机。该制冷压缩机的结构特点是：全部采用滚动轴承，转子精确定位，轴颈无磨损，期望寿命40000h；润滑系统在机器运转时由高低压压差供油，一个小油泵仅在开机前提供预润滑油；能量调节滑阀及内容积比调节机构均由微机自动控制，保证压缩机在高、中、低温各种工况下，均运行在效率最高点；吸气过滤器布置在机体内，吸排气截止阀和吸排气止逆阀合二为一6。2）半封闭螺杆制冷压缩机半封闭式螺杆压缩机的额定功率一般在10-100kW之间。图1-4为比泽尔公司开发的单级半封闭式螺杆压缩机较为典型的结构图。该压缩机在使用R134a工质时，其冷凝温度可达70，使用R404A或R407C工质时，蒸发温度最低可达-456。3）全封闭式螺杆制冷压缩机图1-3 开启式螺杆型压缩机1-油活塞 2-吸气过滤网 3-滑阀 4-联轴器 5-阳转子 6-机体 7-平衡活塞 8-能量测定装置 9-阴转子图1-4 比泽尔半封闭式螺杆压缩机结构图1-阳转子 2-安全卸载阀 3-滚动轴承 4-止逆阀 5-排温控制探头6-内容积比控制结构 7-喷油阀 8-电动机 9-输气量控制器10-阴转子 11-接线盒 12-电动机保护装置由顿汉布什的子公司HARTFORD公司生产的MSC型压缩机，是世界上较早投产的全封闭式螺杆制冷压缩机之一，由于它具有噪声低、振动小、电动机效率高、寿命长等优点，被许多厂家用作冷水机组主机。该公司的全封闭式螺杆制冷压缩机MSC127系列有4个型号：MSC1210、1212、1215和1218。转子直径为127mm,长径比分别为1.0、1.2、1.5和1.8。压缩机的阴转子与电动机直联，阳转子由阴转子驱动。转子表面经过激光渗碳硬化处理，以提高使用寿命。它们的排气量分别为262.4、328.6、394.4、473.3 m3/h。噪声声压级低于85dB(A)。电动机由排气冷却，比用吸气冷却提高效率。滑阀10%-100%无级调节容量6。图1-5为空调用全封闭螺杆压缩机结构图。图1-5 空调用全封闭螺杆压缩机结构1-排气口 2-内置电动机 3-吸气截止阀 4-吸气口 5-吸气止回阀 6-吸气过滤网 7-滤油器 8-输气量调节油活塞 9-调节滑阀 10-阴阳转子 11-主轴承 12-油分离环 13-挡油板3 技术发展特点1）采用变频调速以代替原来的滑阀调节容量的方式，滑阀调节在部分负荷时性能系数较低，且噪声有所增高。采用变频调速技术的企业有重庆美的和上海开利等。2）冷水机组配置降膜式或满液式蒸发器，在保证螺杆式压缩机安全回油的前提下，保证压缩机高效安全运转。3）为适应制冷剂替代，神户制钢开发了带变频器的单机双级半封闭螺杆式压缩机，其关键在于电机使用纯铝导线以替换常规易被氨腐蚀的铜导线。另外，大连三洋还销售由神户制钢生产的双级和单级变频螺杆机组。莱富康开发出了一体化134IS系列变频螺杆式压缩机。烟台冰轮和大连冰山相继开发出CO开启式螺杆式压缩机，用于NH/CO制冷剂7。4 主要制造商1）比泽尔比泽尔是欧洲最大的制冷压缩机制造商。该公司又是世界范围的商用空调压缩机市场的领跑者。比泽尔的螺杆压缩机分为4种类型：半封闭（HSK/NSK）、半封闭紧凑型(CSH/CSW)、全封闭紧凑型（VSK）和开启式驱动（OSK/OSN）。比泽尔的紧凑型螺杆压缩机（CS65、CS75、CS85与CS95型）在2011年获得了德国劳埃德（Germanischr Lloyd-GL）奖8。2）开利开利已经为其Aquafoce 30XW系列开发了大容量螺杆压缩机，这个系列将用于下一代水冷式液体冷却机组，共有从115冷吨到515冷吨的27个型号的产品。开利还已经为Evergreen 23XRV冷水机组开发了可变速螺杆压缩机。在2011年的AHR展览会上，该公司展示了用于Evergreen 23XRV上的三螺杆压缩机8。3）汉钟以中国台湾为基地的汉钟公司一直在积极从事螺杆压缩机市场经营，在汉钟的产品中，其RC2系列螺杆压缩机拥有从25到500 USRT容量范围的26个型号，对应不同的制冷剂，包括R22、R407C、R134a与R410A，在50/60Hz频率下具有从98/118到1523/1832m3/h排气量。这些机组被广泛应用于中、低温工程，安装在冰蓄冷、水冷、风冷及满液式冷水机组及热泵工程，热回收设备及海运设备上8。4）三菱电机三菱电机的单级与两级螺杆压缩机的特点是能有较高效率与可靠性的创新结构。其单级螺杆压缩机具有独特的外形结构设计，使在运行时的热变形所造成的损失最小化。他的两级螺杆压缩机的特点是更紧凑，并且采用单门转子结构（single gate rotor structure）改善第二级的性能8。5 市场概况在中、高容量的空调系统中，如冷水机组和空气源冷、热水机组，采用螺杆式压缩机的产品占了很大比例。近年来在商业制冷工程中，采用螺杆压缩机的数量也正在逐渐增加。大约85%的螺杆式压缩机是双螺杆，其余的是单螺杆。本文中所说的螺杆式压缩机特指双螺杆压缩机。领先的双螺杆压缩机制造商包括比泽尔、汉钟、特灵、开利、约克、复盛、莱富康、Frascold、日立及顿汉布什。单螺杆压缩机制造商有Vilter(Emerson)、三菱电机、大金与麦克维尔。2011年全球螺杆压缩机的需求是138000台。其中，中国占44000台，美国占33000台，日本占3000台，欧洲占43000台。螺杆压缩机的主要生产地有中国、美国、德国、意大利、日本与中国台湾等8。中国既是螺杆压缩机应用增长最快的市场，又是世界上最大的生产基地，紧随其后的是美国和欧洲。随着中国螺杆压缩机市场的迅速扩张，许多领先的螺杆压缩机制造商已经把他们的生产基地迁至中国。比泽尔、日立、开利、约克、特灵、大金及麦克维尔在中国都有了工厂。莱富康在上海设了一个装配车间。6 容量调节机构螺杆式制冷压缩机的能量调节方法主要有吸入节流调节、转停调节、变频调节、滑阀调节、柱塞调节等。下面简单介绍一下滑阀调节和柱塞调节。1）滑阀调节机构滑阀调节的基本原理9，是通过滑阀的移动，使压缩机阴、阳螺杆齿间容积对，在齿面接触线从吸气端向排气端移动的前一段时间内，仍与吸气口连通，并使部分气体回流到吸气腔，即滑阀减小了螺杆的有效工作长度，以达到气量调节的目的。2）柱塞调节机构在转子座上，沿螺杆轴向的某一特定位置，开设一旁通通道，柱塞在通道内沿着螺杆径向作往复滑动，柱塞的前端面形状为圆柱气缸的一部分，满负荷时，柱塞前端面与螺杆紧密配合，以防止气体从此处泄漏。一般对应阴、阳螺杆各有一个柱塞。与滑阀不同，柱塞属于有级调节，每一个柱塞对应一级卸载10。7 噪声源分析及控制1）噪声形成原因的分析 螺杆压缩机气流噪声： 螺杆一对转子高速运转时，产生强烈的空气动力性噪声。这种气流性噪声，主要是由周期性吸、排气噪声；过压缩和欠压缩的气体膨胀和回流噪声；齿槽内气体涡流噪声及泄漏噪声等组成。开启式压缩机电动机噪声 ：主要有冷却风扇的气流噪声、电动机的磁性噪声及轴承的机械性噪声所构成，其中以气流噪声占主要地位。换热器轴流风机噪声：对于风冷式机组和风冷热泵式冷热水机组，轴流风机噪声也是主要噪声源11。2） 噪声防止途径螺杆压缩机设计：首先在螺杆压缩机设计时，应考虑从声源上降低噪声。这主要是改进机组的结构域工艺，即尽可能消除和减少产生噪声的条件。例如，在转子沟槽和管道中，限制气流速度，造成气流在转子中环流的良好条件；对称齿型改成非对称齿型；提高转子的加工精度；减少排气压力落差，降低排气噪声和涡流；减弱机械噪声等。消声器：目前常用的消声器分为三类：抗性消声器、阻性消声器和阻抗复合消声器。消声器安装在压缩机排气侧，可放在压缩机内部，或者排气管路上，也可同时设置。开启式压缩机电动机噪声：对产生高噪声的大型电动机，改用后曲式叶片的冷却风扇，可明显降低电动机噪声。隔声罩：对于体积较小的制冷机组，可采用隔声罩，将整个机组罩起来。机罩内部要进行吸声处理1、5。1.2.3 主要换热设备1 蒸发器1）满液式蒸发器如图1-6所示，从线性浮阀室来的R134a液体和气体混合物先进入满液式蒸发器的均液板，均液板的顶部和侧面都装有扰动喷嘴，从喷嘴喷出的气液混合物大大增加了蒸发器内液体的扰动，有强化沸腾换热的作用。喷嘴一般制成圆锥形以增加喷出的气流速度，喷嘴常用ICr18Ni9Ti的不锈钢制成，在使用中要防止喷嘴孔被堵塞。其中的蒸发管采用Wolverine Turbo B2的高效传热管，管表面有许多针形小孔，小孔底下均由隧道相通，管内表面有螺旋形凸起以强化冷水侧的换热。从管表面蒸发的R134a气体，经吸气管吸入压缩机。传热管簇由纵向布置的多块支撑板支撑。高效传热管在支撑板处为光管，传热管两端用胀管法胀紧在管板上1。满液式蒸发器具有完全润湿的热传表面，可增加蒸发器的使用效率，提高系统低压侧压力。液态冷媒于蒸发器壳侧沸腾，压损较小，温度亦较均匀；且因吸入端的蒸气以接近饱和的气态进入压缩机，故可增加压缩机的压缩效率与质量流率。由于多压缩机机组可共享一蒸发器及冷凝器，于部分负载时仍能有效地利用热传面积，故可拥有较高的部分负载效率。需要注意的是，液气分离空间要能够将大部分的气态与液态冷媒分离，以免造成大量液态冷媒进入压缩机，造成液压缩。由于进入蒸发器的冷冻油无法随气态冷媒直接返回压缩机，回油的问题必须特别谨慎处理。图1-6 满液式蒸发器2）干式蒸发器图1-7所示是一种螺杆式冷水机组中的干式蒸发器。R22液体制冷剂经膨胀阀后从右侧进入前端盖下部。为了使气液混合物分配均匀，在各管的进口处装有一只节流孔口。R22液体在传热管内部不断地蒸发，再进入后端盖，换向后再通过筒体内另一部分传热管，完全蒸发后流回压缩机。被冷却的冷水从进水管进入，通过筒体内纵向布置的弓形折流板，在筒体内横向来回流动，冷却后的冷水从出水管流出。热力膨胀阀的感温包敷设在回气管上，根据回气的过热度来调节干式蒸发器的供液量。该系列中的蒸发管也采用高效传热管，这种高效管是管内有内螺纹，管外轧成螺旋波纹状，这样可同时增强管外水侧和管内R22侧的换热12。干式蒸发器大都以感温式膨胀阀为节流装置，能适应负载的变动，控制性良好，且施工容易、成本低廉。冷媒流经管内，因流速较大，可借助气态冷媒的速度直接将冷冻油带回压缩机。缺点在于，过热的冷媒蒸气约占蒸发器热传面积的20%，却仅能提供少量制冷的焓值，故蒸发器总热传效率较低。流经膨胀阀的冷媒必须维持一定的压差，以确保系统的冷媒循环量及制冷能力。通常是以设定冷却水入水温度为30的高压控制来保持一定的压差，但此种控制模式须维持一定的系统高压，当高压侧的操作条件低于设计条件或于部分负载时，系统效率无法随之提升。在多压缩机系统中，冷媒循环各自独立，卸载后便有部分闲置的热交换面积无法利用，因此系统的部分负载性能受到限制。图1-7 干式蒸发器2 冷凝器1）风冷冷凝器风冷式机组在额定负荷下的输入功率虽比水冷式的大，但由于一天内干球温度变化比湿球温度大，但气温下降时，风冷式机组的排气压力下降幅度也大，因此在部分负荷时机组的能耗减少较多。在使用螺杆压缩机的风冷冷水机组中，室外侧换热器属于一种空气-制冷剂间的换热器。这种翅片管式换热器有L形、平直形和V形三种形式1。图1-8所示是翅片管式换热器用翅片管的几种类型。风冷冷凝器无需水资源，运行成本较低。安装、使用方便，无需其他配套设备，只要接通电源即可投入运行，不污染环境。适用于严重缺水或供水难的地区。不足之处是投入成本较高。冷凝温度较高，使制冷机组的运行效率降低。且在北方地区容易结霜，工作效率下降明显。2）水冷壳管式冷凝器图1-9是上海合众-开利空调有限公司生产的19XL系列冷水机组中的水冷冷凝器。压缩机的排气从进气管8进入，为了防止排气直接冲击冷凝管，正对进气管在管簇上方装有一块钻有小孔的防冲击板7，高压气体沿冷凝器纵向扩散后在冷凝管簇上冷凝。冷凝管9采用Wolverine Turbo C型的高效冷凝管。这是一种管外带锯齿，管内有螺旋形凸缘的高效传热管，它同时增强管内与管外侧的换热。冷凝后的制冷剂液体通过底部两侧节流孔板14的小孔进入过冷器15.过冷后的制冷剂液体经冷凝器中间孔口流入线性浮阀室16，经节流后流入蒸发器。冷凝器水侧为2流程。水从右下侧进水管17进入，从右上侧出水管1流出。在额定工况下，冷却水的温升约512-13。水冷壳管式冷凝器使制冷机组的冷凝温度低，提高制冷效率，初期投入成本比风冷式、蒸发式低，冷却效果好，适用于中大型制冷系统。水冷冷凝器的缺点是消耗水资源，喷水对周围环境有些影响，需要安装水路系统、供水系统。图1-8 几种类型的翅片管图1-9 19XL系列冷水机组中的水冷冷凝器1-出水管 2-右端盖 3、12-水室 4-右管板 5-壳体 6-安全阀 7-防冲击板8-进气管 9-冷凝管 10-支撑板 11-左管板 13-左端盖 14-节流孔板15-过冷器 16-线性浮阀室 17-进水管3）蒸发式冷凝器如图1-10所示，蒸发式冷凝器由水系统和空气系统两部分组成14。水系统包括水泵、喷淋水管、水池、浮球阀、放水阀和补水系统。空气系统包括冷凝盘管、风机和分水器（汽水分离器）等。对于大多数制冷与空调系统而言，蒸发式冷凝器具有节省费用的突出优点。它们排除了水冷式系统中水泵的问题和大量用水产生的水处理问题。与具有同等制冷量和成本的风冷式冷凝器相比，它们的风机功率要小得多。最重要的是，采用蒸发式冷凝器制冷空调系统，其冷凝压力可以比传统的水冷式或水冷式更低一些，这样压缩机所消耗的功率就减小一些。图1-10 蒸发式冷凝器简图1.2.4 节流部件螺杆式冷水机组主要采用的节流机构有节流孔板、热力膨胀阀和电子膨胀阀。1 节流孔板 采用固定孔板节流降压，主要在中大型螺杆式冷水机组中配合满液式蒸发器使用。节流孔板的作用，就是在管道的适当地方将孔径变小，当液体经过缩口，流束会变细或收缩。流速的最小横断面出现在实际缩口的下游，称为缩流断面。在缩流断面处，流速是最大的，流速的增加伴随着缩流断面处压力的大大降低。当流束扩展进入更大的区域时，速度下降，压力增加，但下游压力不会完全恢复到上游的压力，这样节流孔板的降压作用就实现了。2 热力膨胀阀 热力膨胀阀是传统的节流元件，在干式蒸发器上使用。它可使供入蒸发器的流量到蒸发器出口全部蒸发掉，既避免过量供液，又保证蒸发器的传热面积得到充分利用，所以它以检测蒸发器出口处制冷剂的过热度为信号来调节供液量15。图1-11为热力膨胀阀的三种类型。3 电子膨胀阀电子膨胀阀是因制冷机组机电一体化控制的要求而发展起来的。如图1-12所示为某种电子膨胀阀的结构。该电子膨胀阀主要由步进电动机、螺杆、套筒、节流孔等部分组成。步进电动机根据控制系统接受到的脉冲信号执行动作，通过螺杆带动套筒移动。节流孔为槽形，步进电动机的动作改变开槽的大小，从而达到调节制冷剂流量的目的。图1-11 热力膨胀阀图1-12 电子膨胀阀1.2.5 主要辅助部件1 油分离器在压缩机工作过程中，一部分冷冻油因受高温的影响也随着汽化，混合在制冷剂中排出，当其进入蒸发器和冷凝器后，就会在管壁上凝结成一层油膜，油膜的导热系数很小，这样会导致冷凝器和蒸发器的传热效率降低，从而降低了制冷效率。特别是回转式制冷压缩机(如螺杆式压缩机等)，其冷冻油不仅起润滑作用，而且还起密封和冷却作用，所以一般喷油量较大。因此，制冷剂气体中的冷冻油应当在压缩之后设法排回压缩机，而油分离器起的正是这个作用。当螺杆压缩机排出的高压气、油混合物进入油分离器（图1-13和图1-14），由于油分离器容积大，气体的流速突降，加上气体的流动方向改变，依靠惯性作用使油分离沉降下来，大量的油聚集在分离器底部。这种分离被称为一级分离1。图1-13 卧式油分离器图1-14 立式油分离器为了进一步提高分离精度，有些螺杆冷水机组还进行二次油分离或多次油分离。二次分离1是在一次分离后进行的，它是利用特制的填充物，将细小雾状油滴通过捕集作用，使油滴凝聚变大，在流经填充物时被进一步分离下来.目前填充物有不锈钢金属丝网、玻璃纤维、聚脂纤维、微孔陶瓷等。一般气流流经滤网的流速控制在1-2m/s范围内，过高流速会影响分离效果。在设计具体结构时，应注意使气流方向和分离方向一致。另外，H牌螺旋式油分离器（见图1-15）被广泛用作满液式冷水机组外置油分离装置。从压缩机来的制冷剂和油的混合物进入油分离器的进口，混合物流过一个过滤器和挡板装置，使油的细粒聚集并跌落到油分离器的底部，制冷剂气体通过出口过滤器将残余的油粒分离，并在“无油”状态下进入冷凝器。制冷剂的油聚集在油分离器的底部，在该处的一个由浮球操作的针型阀开启，让油回到压缩机中。由于油分离器中的压力比曲轴箱的压力要高，因此油很快返回压缩机。当油位下降，针型阀将关闭以防止制冷剂气体返回到压缩机16-17。图1-15 H牌螺旋式油分离器2 经济器为了提高螺杆压缩机制冷装置的制冷效率，越来越多的采用带经济器的循环。经济器可以是壳管式、板式、壳盘管式换热器，亦可以是直接闪发的容器。如图1-16所示。来自冷凝器的高压液态制冷剂在进入经济器后，分为两部分，一部分通过节流膨胀的方式来吸收另一部分的热量，以进一步降低另一部分的温度，其中一部分稳定下来的过冷液体通过制冷剂供液阀直接进蒸发器制冷，而另一部分未冷却的气态制冷剂通过经济器与压缩机的连通线，重新进入压缩机继续压缩，进入循环。它巧妙通过膨胀制冷的方式来稳定液态制冷工质，以提高系统容量和效率。3 油冷却器喷入螺杆制冷压缩机的油温，一般根据不同的制冷剂和冷冻机油分别有相应的喷油温度。设置油冷却器的目的就是控制油温，使其满足相应的要求。水冷型油冷却器，壳管式结构，管内侧为冷却水，管外侧为油。为了使油、水充分换热，壳体内装有折流板。水冷油冷却器，由于水质的缘故，在管内易结水垢而使传热系数下降，因此必须定期清洗水垢。4 油过滤器 设置油过滤器的目的在于去除冷冻机油中的杂质和压缩机运动部件运动带来的磨损碎屑。图1-16 经济器简图一般机组通常有粗过滤器和精过滤器两个过滤器，实现两级过滤功能，用于保证压缩机的正常润滑和避免磨损。油粗过滤器上焊有进、出油接管，内装不锈钢丝滤网胆，油从网胆内表进入，经过滤后流入油泵。油精过滤器上焊有进出油孔及放空接头，里面装有席状不锈钢的钢丝布滤网胆，用于滤净油中杂质，网胆内装有一组永久磁铁，可以吸住油中铁质粉末等杂质，由油泵来的油经网胆内表进入，经由外表进入供油总管。5 气液分离器气液分离器的基本原理是利用气液比重不同，在一个突然扩大的容器中，流速降低后，在主流体转向的过程中，气相中细微的液滴下沉而与气体分离，或利用旋风分离器，气相中细微的液滴被进口高速气流甩到器壁上，碰撞后失去动能而与转向气体分离。结构如图1-17所示。图1-17 气液分离器6 干燥过滤器干燥过滤器的外壳是用紫铜管收口成型，两端进出接口有同径和异径两种，进端为粗金属网，可以有效地过滤杂质。内装吸湿特性优良的分子筛作为干燥剂，以吸收制冷剂中的水分，以确保节流部件畅通和制冷系统正常工作。当干燥剂因吸收水过多而失效时，应该及时进行更换。7 储液器储液器安装在冷凝器之后。冷凝器的制冷剂液体应畅通无阻地流入储液器内，这样就可以充分利用冷凝器的冷却面积。另一方面，当蒸发器的热负荷变化时，制冷剂液体的需要量也随之变化，那时，储液器便起到调剂和储存制冷剂的作用。对于小型制冷装置系统，往往不装储液器，而是利用冷凝器来调剂和储存制冷剂。8 油引射器由于满液式蒸发器的回油问题较难解决，一般对冷冻机油的要求较高，还需要增设必要的其他辅助回油设备。目前在螺杆机中采用回油引射器能很好地解决这个问题。回油引射器利用流体力学基本原理可将沉积在蒸发器底部的冷冻机油重新送回压缩机，避免压缩机因缺油而发生故障，也可以提高蒸发器制取冷量的能力。1.3 发展趋势自1934年诞生第一台螺杆机以来，已有近80年的发展历史。目前国际上螺杆机的技术发展趋势主要在以下六个方面18：转子新齿型的开发与研究；转子加工精度的提高和质量稳定性；开启式双螺杆机在结构和应用上的不足已引起厂家和市场的重视；重量级滚动轴承的应用，以提高主机运转寿命和为压缩机小型化、封闭化提供必要条件；合成冷冻机油的应用；压缩机结构更趋合理和紧凑。2 系统方案选择本设计的系统方案主要由蒸发器的类型来决定，本章旨在分析使用各种类型的蒸发器的可行性，并对各系统方案进行比较。分析中会涉及到压缩机的选型、风机的选择及系统工作点（蒸发温度、冷凝温度）的确定。具体内容会在本章各节中分别阐述。蒸发器的作用是利用液态制冷剂在低压下蒸发（沸腾），转化为蒸气并吸收被冷却介质的热量, 达到制冷目的, 是制冷系统中制取冷量和输出冷量的设备。蒸发器按被冷却介质的不同，分为冷却液体载冷剂、冷却空气或其他气体两大类型。在冷却液体载冷剂的蒸发器中，有水箱型（沉浸式）蒸发器（包括立管式、螺旋管式、蛇管式）、板式蒸发器、壳管式蒸发器（包括满液式、干式）等。而冷水机组通常采用壳管式蒸发器，所以本设计就存在选用满液式蒸发器或干式蒸发器这两种方案。接下来就两者的可行性进行具体分析。2.1 满液式蒸发器的可行性分析满液式蒸发器，也称为卧式壳管式蒸发器。制冷剂在壳侧，水在管内流动，并布置成多流程形式。制冷剂液体几乎充满全部的壳体，所有的传热管应保证全部浸入制冷剂液体中，而吸热后蒸发的制冷剂气体从壳体上部排出。2.1.1 压缩机选型本设计中压缩机由BITZER Software 5.1选型软件选择。在采用满液式蒸发器的风冷螺杆式冷水机组系统中，采用经济器可提高机组性能系数COP。过冷度一般选择3-8进行设计预测，本方案中选择过冷度为5。而冷水机组的过热度一般在3-5之间选择，本方案中选择吸气过热度为5。对于单冷型机组而言，蒸发温度一般在2-4之间选择，高效型号的机组的蒸发温度会在4-5之间选择，而满液式蒸发器的蒸发温度可以更高。性能预测时，每隔0.2选取一个蒸发温度点。翅片管冷凝器，冷凝温度和进风温度之间的温差一般选择10-15，即冷凝温度为45-50。考虑风冷盘管的换热性能等因素，冷凝温度可适当提高一点。性能预测时，每隔0.5选取一个冷凝温度点。本方案中蒸发温度范围选择4-6，每隔0.2选取一个蒸发温度点，冷凝温度范围选择47-50，每隔0.5选取一个冷凝温度点，进行压缩机选型和系统工作点的确定19。由于制冷量要求是440kW，冷量较大，所以初步考虑采用选用两台螺杆式压缩机的并联系统，两系统共用一套水系统。用BITZER Software 5.1选型软件进行螺杆式压缩机选型，初选结果见表2-1所示。表2-1 压缩机选型数据信息一览表蒸发温度/冷凝温度/满足要求的压缩机型号制冷量/kW压缩机输入功率/kW压缩机性能系数COP4.047CSH8571-110Y-40P25769.93.674.047.5CSH8571-110Y-40P25570.63.6148CSH8571-110Y-40P25371.33.5548.5CSH8571-110Y-40P25172.03.4949CSH8571-110Y-40P24972.73.4349.5CSH8571-110Y-40P24773.43.3750CSH8571-110Y-40P24674.13.314.247CSH8571-110Y-40P25970.03.7047.5CSH8571-110Y-40P25770.73.6448CSH8571-110Y-40P25571.33.5748.5CSH8571-110Y-40P25372.03.5149CSH8571-110Y-40P25172.83.4549.5CSH8571-110Y-40P24973.53.4050CSH8571-110Y-40P24874.23.344.4 47CSH8561-90Y-40P22160.43.6547.5CSH8571-110Y-40P25970.73.6648CSH8571-110Y-40P25771.43.6048.5CSH8571-110Y-40P25572.13.5449CSH8571-110Y-40P25372.83.4849.5CSH8571-110Y-40P25273.53.4250CSH8571-110Y-40P25074.33.364.6 47CSH8561-90Y-40P22260.53.6847.5CSH8561-90Y-40P22161.03.6248CSH8571-110Y-40P25971.53.6348.5CSH8571-110Y-40P25772.23.5749CSH8571-110Y-40P25572.93.5049.5CSH8571-110Y-40P25473.63.4550CSH8571-110Y-40P25274.33.394.8 47CSH8561-90Y-40P22460.53.7047.5CSH8561-90Y-40P22361.13.6448CSH8561-90Y-40P22161.73.5848.5CSH8571-110Y-40P25972.23.5949CSH8571-110Y-40P25873.03.5349.5CSH8571-110Y-40P25673.73.4750CSH8571-110Y-40P25474.43.415.0 47CSH8561-90Y-40P22660.63.7347.5CSH8561-90Y-40P22461.23.6748CSH8561-90Y-40P22361.83.6148.5CSH8561-90Y-40P22162.43.5549CSH8561-90Y-40P22063.03.4949.5CSH8571-110Y-40P25873.73.5050CSH8571-110Y-40P25674.53.445.247CSH8561-90Y-40P22860.73.7647.5CSH8561-90Y-40P22661.33.695.248CSH8561-90Y-40P22561.83.6348.5CSH8561-90Y-40P22362.43.5749CSH8561-90Y-40P22163.03.5149.5CSH8561-90Y-40P22063.63.4550CSH8571-110Y-40P25874.53.465.4 47CSH8561-90Y-40P23060.83.7847.5CSH8561-90Y-40P22861.33.7248CSH8561-90Y-40P22761.93.6648.5CSH8561-90Y-40P22562.53.6049CSH8561-90Y-40P22363.13.5449.5CSH8561-90Y-40P22163.73.4850CSH8561-90Y-40P22064.33.425.6 47CSH8561-90Y-40P23260.83.8147.5CSH8561-90Y-40P23061.43.7548CSH8561-90Y-40P22862.03.6848.5CSH8561-90Y-40P22762.63.6249CSH8561-90Y-40P 22563.23.5649.5CSH8561-90Y-40P22363.83.50 50CSH8561-90Y-40P22264.43.445.8 47CSH8561-90Y-40P23460.93.8447.5CSH8561-90Y-40P23261.53.7748CSH8561-90Y-40P23062.13.7148.5CSH8561-90Y-40P22962.63.6549CSH8561-90Y-40P22763.23.5949.5CSH8561-90Y-40P22563.93.5350CSH8561-90Y-40P22364.53.476.0 47CSH8561-90Y-40P23661.03.8647.5CSH8561-90Y-40P23