930KW制冷量水冷式制冷机组设计

930KW制冷量水冷式制冷机组设计 本科毕业设计（论文）930KW 制冷量水冷式制冷机组的设计学 院 材料与能源学院 专 业 热能与动力工程 （制冷与空调方向) 年级班别 2007 级（2）班 学 号 学生姓名 指导教师 2011 年 6 月设计总说明本论文设计的是制冷量为 930KW 水冷式冷水机组。制冷系统四大部件分别选用了螺杆式压缩机、满液式蒸发器、卧式壳管冷凝器以及电子膨胀阀。其中制冷剂为 R22，系统制冷量为 930KW，冷凝温度 40，冷却水进口温度32，出口温度 36，过冷度 3，蒸发温度 2，过热度 3，冷冻水进口温度 12，出口温度 7。本文首先介绍了水冷式冷水机组的发展状况、存在问题和解决方法。接着介绍了如何确定主要设计参数。本论文的重要部分是满液式蒸发器和壳管式冷凝器的设计计算，它阐述如何确定制冷剂流量和载冷剂流量、传热管数、传热系数。另外，完成了冷却水流动阻力计算、总体结构的设计计算。除此以外，还完成了压缩机的选型、热力分析、制冷剂充灌量的计算、冷冻油添加量的计算、管道设计、保温层的选择和辅助设备的选型。最后，利用计算机完成换热器图纸的绘制。关键词：冷水机组，满液式蒸发器，壳管冷凝器，设计计算，辅助设备General information for the designIn the dissertation a water-cooled chiller system is designed, which consists of screw compressor, flooded evaporator, horizontal type shell-tube condenser and electronic expansion valve. The refrigerant is R22, and refrigeration capacity is 930KW. Condensing temperature is 40. The inlet and outlet temperature of cooled water are 32 and 36, respectively. The subcooling temperature is 3.And the evaporation temperature is 2. The superheating temperature is 3.The inlet and the outlet temperature of chilled water is 12 and 7, respectively.The dissertation introduces the development of water-cooled chiller, some problems and their solutions. Then it also describes how to determine the main design parameters. And the important part of the design is the calculation of the flooded evaporator and the horizontal type shell-tube condenser in this dissertation. It describes how to determine the flux of the refrigerant and secondary refrigerant, the number of tubes, and the heat transfer coefficient. Whats more, the resistance calculation of cooling water and the calculation of overall structure are completed. Besides, the choice of compressor, heat analysis, the amount of refrigerant, the refrigeration oil filling quantity, the pipeline design, the choice of insulation layer and the selection of the role auxiliary equipments are also completed. Finally,the drawings of the heat exchanger are completed by the computer.Keywords: water chiller, liquid filled evaporator, shell and tube condenser, design calculation, auxiliary equipments 目 录1 绪 论 .11.1 引言 .11.2 国内外发展状况 .11.3 节能和环保政策对市场的影响 .21.4 存在问题及发展前景 .31.5 本文研究内容 .51.5.1 本设计的要求与数据 .51.5.2 本设计的研究内容 .51.6 设计参数的确定 .51.6.1 设计原始参数 .51.6.2 已知设备 .61.6.3 蒸发器冷媒水的进出口温度 .61.6.4 冷凝温度及冷却水出口温度 .62 满液式蒸发器设计 .72.1 制冷剂流量的确定 .72.2 结构的初步规划 .82.2.1 结构型式 .82.2.2 污垢系数的选择 .82.2.3 冷冻水的流速 .82.2.4 管型选择 .82.2.5 冷冻水流量 .92.2.6 估算传热管总长 .92.2.7 确定每流程管数 Z，有效单管长 L及流程数 N .92.2.8 传热管的布置排列 .102.3 热力计算 .112.3.1 水侧表面传热系数 .112.3.2 氟利昂侧冷凝表面传热系数 .112.3.3 实际所需热流密度计算 .122.3.4 实际所需换热面积 .132.4 阻力计算 .132.4.1 冷冻水的流动阻力计算 .132.4.2 冷冻水泵的总压头与离心水泵的功率 .142.5 结构设计计算 .142.5.1 筒体 .142.5.2 管板 .152.5.3 法兰 .152.5.4 端盖 .152.5.5 分程隔板 .162.5.6 支撑板与拉杆 .162.5.7 封头和支座 .162.5.8 垫片的选取 .172.5.9 螺栓的选取 .172.5.10 连接管的确定 .173 管壳式冷凝器设计设计 .193.1 冷凝器热负荷的确定 .193.2 结构的初步规划 .203.2.1 结构型式 .203.2.2 污垢系数的选择 .203.2.3 冷却水的流速 .203.2.4 管型选择 .203.2.5 冷却水流量 .213.2.6 估算传热管总长 .213.2.7 确定每流程管数 Z，有效单管长 L及流程数 N.22 3.2.8 传热管的布置排列 .233.3 热力计算 .233.3.1 水侧表面传热系数 .233.3.2 氟利昂侧冷凝表面传热系数 .243.3.3 实际所需热流密度计算 .243.3.4 实际所需换热面积 .253.4 阻力计算 .253.4.1 冷却水的流动阻力计算 .253.4.2 冷却水泵的总压头与离心水泵的功率 .263.5 结构设计计算 .263.5.1 筒体 .263.5.2 管板 .273.5.3 法兰 .273.5.4 端盖 .273.5.5 分程隔板 .283.5.6 支撑板与拉杆 .283.5.7 封头和支座 .283.5.8 垫片的选取 .293.5.9 螺栓的选取 .293.5.10 连接管的确定 .294 压缩机的选用 .314.1 压缩机的特点 .314.2 压缩机负荷计算 .334.3 压缩机选型 .344.4 管道设计 .354.4.1 吸气管 .354.4.2 排气管 .364.4.3 液体管 .36 4.5 冷冻油的选用和添加量 .364.5.1 冷冻机油在压缩机中的作用 .364.5.2 制冷机对冷冻油的性能要求 .364.5.3 冷冻油的选用 .374.5.4 冷冻油的添加量所需考虑因素 .375 节流装置和辅助设备的计算和选型 .395.1 节流装置的简介 .395.2 膨胀阀的选型 .395.3 辅助设备的计算和选型 .395.3.1 干燥过滤器的选型 .405.3.2 油分离器的选择 .405.3.3 气液分离器 .405.3.4 温控阀的选择 .415.3.5 电磁阀的选择 .415.3.6 截止阀的选择 .415.3.7 安全设备的选择 .425.3.8 视液镜的选择 .426 保温层和制冷剂的充注量计算 .446.1 蒸发器保温层计算 .446.2 冷冻水管保温层计算 .446.3 制冷剂的充注量组成 .446.4 冷凝器充注量的计算 .456.5 蒸发器充注量的计算 .466.6 液管充注量的计算 .466.7 吸气充注量的计算 .466.8 排气充注量的计算 .476.9 制冷剂充注总量的计算 .47结 论 .48参 考 文 献 .49致 谢 .50附 图 .5111 绪 论1.1 引言 根据 BSRIA 的统计，2010 年冷水机组、空气末端产品和大型空调设备的全世界总市场容量已超过 500 亿美元。并且每年以超过 15%的增长率进行增长。 2010 年全世界冷水机组市场为 70 多亿美元，比 2009 年的 68.61 亿美元增长差不多 9。 空气末端产品为 79.3 亿美元，比 2009 年的 73.24 亿美元增长 83。大型单元式空调机组为 65.62 亿美元，比 2009 年的 62.73 亿美元增 长 4.6。大于 5kW 柜式空调机组为 222.01 亿美元，比 2009 年的 191.39 亿美元增长 16。在冷水机组市场里，2010 年离心式为 l055 亿美元，比 2009 年增长 99。大于 100 冷吨的吸收式为 71 亿美元，比 2009 年增长 91。往复、螺杆 、涡旋式冷水机组为 35328 亿美元，比 2009 年增长 83，冷水机组发展前景良好。 1.2 国内外发展状况螺杆冷水机组在很多应用中取代了往复式水冷机组。麦克维尔、日立等正在发展 R410A 螺杆压缩机，许多公司也注重开发大冷量的螺杆压缩机。 近年来，日本和中国的离心式冷水机组市场长很快，中国已成为重要制造基地。离心式冷水机组需要有复杂的润滑油系统，然而，制冷剂含油会降低传热性能。有两种方法解决无油的离心式冷机组：一种是开发磁悬浮轴承系统，另一种是用体制冷剂代替油去润滑和冷却轴承。 热泵和冰蓄冷离心式系统已开发出来，扩大离心式冷水机组的应用范围。三菱重工 已推 R410A 的离心式热泵系统，并推出了 5O 冷吨的微型透平系列。 近年来 ，江森控制器公司开发了建筑能源管理系统 (BEMS)，成功地推出了 Metasys 建筑自动化系统，能有效强化产品的节能性能。 近年中国冷水机组市场的发展具有下列特点：（1）制冷剂的置换根据蒙特利尔议定书关于淘汰 CFC 制冷剂的伦敦补充修正案的实施, 中国政府也将批准在哥本哈根和北京修正案中所规定的时间表以逐渐淘汰 HCFC 制冷剂。在 20022年 9 月, 中国政府官方宣布批准了京都议定书并实行温室气体的控制。在市场上已经可以获得大量的 HFC-134a 冷水机组, 并还出现了一些 HFC-407C 和氨冷水机组的新产品。此外, 为了减少温室气体的间接散发, 中国政府正积极地制订冷水机组和空调器的相关能效标准以相对地减少电力和燃料的消耗并减少 CO2 的排放。（2）家用中央空调系统的快速发展除了具有多台室内机组可变制冷剂流量系统的空调系统和有风管的空调器外, 家用风冷式冷水机组、热泵以及燃气型吸收式冷水机组也飞速发展并具有稳定的质量, 它们在高级住宅的应用将进一步扩大。（3）冰蓄冷技术由于夏季用电的急剧增加和在每一城市中先后实行了顶峰的低谷负荷的电价和峰值与低谷之间电价差别增大等原因, 这为冰蓄冷技术提供了良好的市场环境, 在 2002年完成了总数为 52 个冰蓄冷项目。中国国家制冷设备标准化技术委员会已经制订了“ 蓄热空调系统的试验和评定方法” 以促进和规定冰蓄冰技术的发展。(4) 地下水源热泵机组用地下水源在夏季作为冷却水而在冬季作为热源水可以获得节能效应, 在近年这种型式的机组有了快速发展, 到 2000 年底美国就有超过 40 万台地下水源热泵在家庭、学校和商业建筑中使用。对于这种型式机组的发展应给予谨慎的考虑。1.3 节能和环保政策对市场的影响节能、环保和室内空气品质 (IAQ)是冷水机组市场的三个重要主题。在许多国家里，电和燃气消耗的迅速增加，促使各生产厂开发节能产品。欧盟 (EU)已推出Roils(The Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment)，欧洲市场正渐渐转到使用 R410A，由于 Roils 的进入，必然会引起冷水机组价格上涨。 日本和韩国推出了能源多样化政策，推动燃气制冷，因此，吸收式制冷得到很好的扩展。日本厂商开始研发大冷量的 DC 变频系统，中国一些城市也颁布相关法规鼓励使用吸收式系统。 在美国高性能绿色建筑设计、结构和运转中，能量和环境设计 (LEED)绿色建筑等级系统是指导基准。近年来，R134a 在美国的使用有所增加，R123 市场份额将减小，因为蒙特利尔提案的淘汰日期将临近。 中国政府也重视环境保护，对实现 2008 年“绿色奥运”已采取了许多3措施。热泵系统提供了有效降低温室气体排放的术，许多公司开发热泵冷水机组，降低能量消耗这也有助于环保。1.4 存在问题及发展前景随着经济的发展, 人类对能源的需求越来越大, 对环境的破坏也越来越严重。我国是世界上人口最多的国家, 为了使我国的经济实现持续、健康地发展, 必须采取“ 可持续发展战略” , 切实注意环境保护和节约能源。近年来人们的居住条件有了很大的改善, 家用空调的使用日益普及, 水冷式集中空调系统也已出现在住宅建筑中。由于空调能耗在整个建筑能耗中所占比例越来越大, 因此尽可能降低空调系统的能耗已成为空调发展的重要内容。同时, 人们对生活环境 , 包括室内和室外环境, 提出了更高的要求, 因此环保型空调的发展是空调发展的重要方向。为了与我国住宅建筑的发展相适应, 我们必须发展适合于我国国情的具有良好环保和节能特性的空调系统。水冷式制冷机在制冷效果和能耗上, 比起风冷式制冷机具有绝对的优势, 这已是不争的事实 14。但是水冷式空调器还没有进人家庭, 原因是普通家庭所需冷量都较小，单个房间风冷式空调器就能胜任, 省去了水管安装及对水流的控制设备。但随着居民住房条件的不断改善, 小康住宅的出现, 风冷式空调器难以再胜任, 它主要有以下不足：一是风冷式空调器制冷能力不强, 冷凝器体积大,多厅室制冷需安装多个空调, 不但增加了支出, 并且安装麻烦, 还影响建筑物的美观。二是风冷式空调器制冷速度慢, 耗电多, 噪音大。因为空气的热容量很小, 换热系数只有水的八分之一,并且空气快速流动, 热交换也不够充分, 冷凝风机还产生噪音。因此, 靠风冷式空调来组建家庭制冷系统是不太理想的。三是风冷式空调器冷凝器散发的热量, 没能再利用 , 白白地被浪费掉, 吹出的热气, 还影响周围环境；另一方面, 家庭用热水时（如洗澡, 洗衣服）又需用能源来烧, 既费事又耗能。这些不足, 风冷式空调器自身不能克服, 而水冷式空调器以其制冷能力强, 降温速度快, 用电省, 噪音低,体积小等优点, 顺应当今世界环保与节能的绿色新家电潮流, 有着诱人的发展前景。然而任何事物都有其两面性, 要发展家用水冷式空调器必须考虑以下几个问题。4一是需增设水管，且不能有碍厅室美观；二是要有水流量自动控制调节系统；三是冷凝器外壁结水垢后的清理问题。对于这些问题，设想中的解决方法是：随着安装、装修业的迅速发展，水管安装已不成什么问题，软硬管都可以使用，即使有碍美观的地方靠装修也能弥补。同时水冷式空调冷凝器不需对外散热，可将室外机（压缩机和冷凝器）改善在洗手间，这样空调器产生的热水方便地流入热水器的蓄水箱，蓄水箱满了之后，多余的水又可接入马水桶，或进入下水道，充分利用了水资源。由于水中带有各种杂质，空调器长久使用后，冷凝器外壁上会结上一层水垢，从而会影响交换效果，必须：(1) 拆卸 先回收制冷剂，后切断电源，卸下室外机组上的电源线和控制线后，按步骤拆卸室外机组和连接铜管。(2) 重新安装调试 确定室内外机组的安装位置，配备与空调器电源相符的电表、插座和闸刀，机组的安装固定。水冷式集中空调系统存在的不足和解决措施：1)运行费用高而且存在收费问题住宅小区中, 各住户居民的生活和工作规律不尽相同 , 有的家庭白天没人, 不开空调，有的家庭有老人、孩子, 白天仍要使用空调 , 为了满足他们的需求, 必须全天开机运行, 这样造成空调系统冷水机组的部分负荷运行时间长, 系统的运行费用较高。现在有不少的水冷式集中空调系统, 用户的计费很多是将系统的总运行费平摊到用户身上, 这种计费方法没有考虑用户在使用空调上的差异, 使得在负担空调系统的费用上很不公平。如果公平计费, 须安装计量装置。如果定流量系统还应该分时计费, 因为定流量系统在低负荷阶段效率低、能耗高, 冷冻机在低负荷阶段也是效率低, 因此低负荷阶段的用户应交较高费用才公平。这样就造成系统投资的进一步加大。调查结果显示山东某地的一住宅,集中空调收费最低按 20 元m 2 收取, 这样 60 m2 空调面积的住宅每年要花费 1200 元用于房间制冷。如果这个住宅使用家用空调器,