30万制冷机组设计

南京工业大学制冷课程设计130kw 制冷机组设计计算书院（系） 城市建设与安全环境学院专业 建筑环境与设备工程班级姓名学号指导教师南京工业大学制冷课程设计22007-06-17第 1 章 制定方案，选择制冷剂设计按“空调工况”进行设计，热负荷为 30Kw/h,采用循环水冷却型式，根据南京市气象参数，冷却水平均水温为 32，取 tk=40（t=8） ，冷媒水水温为进水 18，出水 8，取 t0=0（t=8）.1、根据 tk=40，t 0=0，制冷量为 40Kw 进行初步热力计算器发蒸冷 凝 器 压缩机节流阀1-1 理论循环装置图LgPh341-2 LgPh 图制冷剂状态点 1的焓值（KJ/Kg）状态点 2的焓值（KJ/Kg）状态点 3的焓值（KJ/Kg）状态点 4的焓值（KJ/Kg）冷凝压力Pk（MPa）质量流量G（Kg/s）压缩功W（Kw）制冷系数R12 350.8 371.8 240.0 240.0 0.96 0.271 5.69 5.2南京工业大学制冷课程设计38R22 405.1 433.7 249.7 249.7 1.53 0.193 5.52 5.43R717 1462.2 1646.7 390.6 390.6 1.56 0.028 5.17 5.81R134a398.6 429.6 256.4 256.4 1.02 0.211 6.54 4.59其中 q0=h1-h4,w=h2-h1, qk =h2-h3，Q 0=G* q0，W=w*G，Q k=G*qk2、各制冷剂的特点比较制冷剂特点R12 R12 是氟利昂簇制冷剂中最早得到广泛应用的一种传统制冷剂。特别是它的冷凝压力较低，等熵指数较小，因此在相同的高低温介质温度条件下，它的排气温度和压力较氨和 R22 低，在空调、小型冷库、冷柜、电冰箱制冷系统中，一直长期使用。但 R12 的单位容积制冷量较小，远低于氨和 R22，因此在空调制冷系统中，逐渐被 R22 所替代。目前主要应用在中、小型低温制冷系统及车辆空调制冷系统中。R22 R22 的综合性能极佳，具有良好的热力性能。如：运行压力适中；单位容积制冷量大仅次于氨；等熵指数较小；而且无毒、无燃烧及无爆炸等优点。R22 的出现并随其价格的逐渐降低，它在空调制冷系统中得到了广泛应用。R717 R717 除了毒性大以外，是一种很好的制冷剂。它的最大优点是单位容积制冷量大，蒸发压力和冷凝压力适中，制冷效率高；而且，破坏臭氧层潜能值 ODP 和温室效应潜能值 WGP 均为 0。氨的最大缺点是有强烈的刺激性，对人体有害。氨中含有水分对铜和铜合金有腐蚀作用。R134a R134a 的容量比 R22 小，压力比 R22 低，不发生漂移。由于这些特点，相同能力的 R134a 空调需要配置一台更大排气量的压缩机，更大的蒸发器、冷凝器和管路。最终所导致的是，制造和运行一个和 R22 相同冷量的系统，R134a 系统会需要更高的成本。南京工业大学制冷课程设计4制冷剂 冷凝压力 Pk 制冷系数 ODP GWPR12 0.96 5.28 0.9 8500R22 1.53 5.47 0.034 1900R717 1.56 5.80 0 0R134a 1.02 4.56 0 1300其中，ODP 是破坏臭氧层潜能值。WGP 是温室效应潜能值综上所述，从技术、环境、经济三方面考虑，R22 单位容积制冷量大，等熵指数较小，冷凝压力较低，它对大气臭氧层稍有破坏作用，值为.，值为，：R22 的综合性能极佳，具有良好的热力性能。R22 是最优的制冷剂，所以此制冷机组选制冷机为 R22.3、根据所选的制冷剂完成热力计算 冷 凝 器蒸 发 器回 热 器热 力 膨 胀 阀 压 缩 机1234561-3 回热循环装置图南京工业大学制冷课程设计5lgph34567211-4 LgPh 图制冷剂为 R22，t k=40，t 0=0，回热器的过热度为t=10，热力膨胀阀的过热度为t=5，焓值 状态点 1状态点 2状态点 3状态点 4状态点 5状态点 6状态点 7蒸发压力P0冷凝压力Pkh（KJ/Kg）405.1 409.2 416.2 446.1 249.7 242.7 242.7 0.50 1.53q0=h2-h7=166.5,w=h4-h3=29.9, qk =h4-h5=196.3，q t= h3-h2=7，G=Q 0/q0=0.18,制冷系数为 q0/w=5.57, Qk=Gqk=0.18196.3=35.334kwPk/ P0=1.53/0.50=3.065%,不合格， （要求厂家更换一个可调电机） 。第 3 章 冷凝器的设计1 冷凝器的选择冷凝器型式的选择取决于水源、水温、水质、水量及气象条件，同时与热负荷大小，机房的布置要求等情况有关，由上所述，故选择卧式冷凝器。选择水冷卧式壳管式冷凝器，因为a 结构紧凑，体积比立式壳管式小；b 传热系数比立式壳管式大；c 冷却水进出口温差大，耗水量小；d 室内布置，操作较方便；e 适用于大中小型氨和氟利昂制冷装置。2.冷凝器的设计计算（1）管型选择选取表 3-4 所列 3 号滚轧低翅片管为传热管，有关结构参数为di=10.4mm,dt=15.1mm,t=0.4mm,db=12.4mm,sf=1.2mm 南京工业大学制冷课程设计7单位管长的各换热面积计算如下：每米管长翅顶面积 ad=dtt/ sf=0.01510.0004/0.0012m2/m=0.0158 m2/m每米管长翅侧面积 af=(dt2- db2)/(2 sf)=(0.01512-0.01242)/(20.0012)m2/m=0.0972 m2/m每米管长翅间管面面积 ab=db(sf-t)/ sf=0.024(0.0012-0.0004)/0.0012 m2/m=0.026 m2/mai=di=0.0104 m2/m每米管长管外总面积 aof= ad+ ab +af=(0.0158+0.0972+0.026) m2/m=0.139 m2/m(2)估算传热管总长 假定按管外面积计算的热流密度 q=4500w/m2,则应布置传热面积Qk=Gqk=0.18196.3=35.334kwAof=Qk/q=35334/4500=7.852 m2应布置的有效总管长L= Aof/ aof=7.852/0.139=56.489m(3)确定每流程管数 Z，有效单管长 l 及流程数 N 取冷却水进口温度 tw1=32,出口温度 tw2=37,由水物性表知，在平均温度 34.5时水的密度=994.13kg/m3,比定压热容 Cp=4174j/(kgk),则所需水量南京工业大学制冷课程设计8qv=Qk/Cp(tw2 -tw1)=35334/994.134174（37-32）=0.0017 m3/s取冷却水流速 =2.5m/s（按年运行小时数选择的冷却水流速）在水冷冷凝器中，由于水在管内的流动状态与水速、管径及水温有关，在一定管径和水温条件下，所选取的水速应保证水的流动状态处于湍流状态，即雷诺数 Re=di/104, 、d i和分别为水速、管内径和水的运动粘度；若Re104,所以流速取 2.5 m/s.则每流程管数Z= qv/(di2/4)=40.0017/(0.010422.5)=8.0 根取整数 8 根对流程数 N、总根数 NZ、有效单管长 l、壳体内径 Di、及长径比 l/Di 进行组合计算，组合计算结果如表所示。对流程数 N 总根数 NZ 有效单管长l/m壳体内径Di/m长径比 l/Di2 16 3.54 0.1 35.44 32 1.77 0.14 12.66 48 1.18 0.17 6.948 64 0.88 0.2 4.4在组合计算中，当传热管总根数较多时，壳体内径 Di 可按下式估算。Di=（1.151.25）s(NZ) 0.5式中 s相邻管中心间距，s=（1.251.30）d 0,单位为米，d 0 为管外径，单位南京工业大学制冷课程设计9为米，d 0=0.016m。s=1.25 d0, Di=1.251.250.016(NZ)0.5=0.025(NZ)0.5设计要求说明长径比 l/Di 一般在 6-8 较为适宜。分析组合计算结果，为便于端盖的加工制造，宜选取 6 流程方案。 （4）传热管的布置排列及主体结构传热管排列有序及主体结构为使传热管排列有序及左右对称，共布置 48 根管，则每流程平均管数 Z=8 根，管内平均水速 =2.5m/s，取传热管有效单管长 l=1.18m，则实际布置管外冷凝传热面积 Aof=7.852m2传热管按正三角形排列，管板上相邻管孔中心距为s=20mm，管数最多的一排管不在壳体中心线上。考虑最靠近壳体的传热管与壳体的距离不小于5mm，则所需最小壳体内径为166mm，根据无缝钢管规格，选用 190mm7mm 的无缝钢管作为壳体材料。冷凝器采用管板外径与壳体外径相同的主体结构型式，管排布置及管板尺寸能够保证在管板周边上均匀布置 6 个螺钉孔以装配端盖，且能避免端盖内侧装配孔周边的密封面不至遮盖管孔，同时，壳体内部留有一定空间起贮液作用。从整体上看，冷凝器的整体结构尺寸能满足压缩冷凝机组的装配要求和限制。布置如图所示（5）传热计算及所需传热面积确定 水侧表面传热系数计算：从水物性表及表 3-12知，水在平均温度tm=34.5时，运动粘度=0.73 910-6m2/s，物性集合系数 B=2189南京工业大学制冷课程设计10因为雷诺数 Re=3.5104104， 亦即水在管内的流动状态为湍流，则由式（3-5） ，水侧表面传热系数hwi=B0.8/di0.2=21892.50.8/0.01040.2=11355W/（m 2k）氟利昂侧冷凝表面传热系数计算：根据管排布置。管排修正系数由式(3-4)计算 n=（n 10.833+ n20.833+ n30.833+ nz0.833）/( n 1+ n2+ n3+ nz)= （2*1 0.833+2*20.833+ 2*30.833+7*40.833）/(2*1+2*2+2*3+7*4)=0.815根据所选管型，低翅片管传热增强系数由式（3-2）计算。其中环翅当量高度h=(dt2- db2)/(4 dt)= (15.12- 12.42)/(4* 15.1)=3.86mm增强系数=ab /aof+1.1（a d +af） （d b/h） 0.25/ aof= 0.026 /0.139+1.1*（0.0158+0.0972）（12.4/3.86） 0.25/ 0.139=1.384查表 3-11，R22 在冷凝温度 tk=40时，B=1447.1，由式（3-1）计算氟利昂侧冷凝表面传热系数，hko=0.725B db-0.25 n(tk-two) -0.25=0.725*1447.1* 0.0124-0.251.384*0.826(tk-two) -0.25=3546.290-0.25w/（ m2k）对数平均温差计算 ： m=（t w1-tw2）/（t k-tw1）/（t k-tw2）= （37-32）/（40-32）/（40-37）=5.10取水侧污垢系数 ri=0.000086（m 2k）/W,将有关值代入式（ 3-6）和式（3-7）计算热流密度 q0（W/m 2）南京工业大学制冷课程设计11q0=3546.2900.75q0=(5.10-0)/(11355-1+0.000086)*(0.139/0.327)+(0.001/393)*(0.139/0.0358)=1334*(5.10-0)选取不同的 0（单位为）进行计算，计算结果列于下表中。0/ 第一式 q0（Wm -2） 第二式 q0（Wm -2）. . 1.4 4564.26 4935.81.49 4782.60 4815.74. . .1.49886 4803.9121 4803.9276当 0=1.49886时，两式 q0误差已很小，取 q0=4803.9W/m2计算实际所需的传热面积 Aof= Qk/q0=35334/4803.9=7.36 m2初步结构设计中实际布置冷凝传热面积为 7.852 m2，较传热面积大 6.3%，可作为富裕量，初步结构设计布置的冷凝传热面积能满足负荷传热要求。(6) 冷却水侧阻力计算 按式（ 3-8）计算冷却水侧阻力， 南京工业大学制冷课程设计12其中阻力系数 =0.3164/35000 0.25=0.0231冷却水侧阻力P=1/2*994.13*2.5 20.0231*6*（1.18+0.06）/0.0104+1.5（6+1 ）= 90675Pa式中 lt左、右两管板外侧断面间距离，取每块管板厚度为 30mm，则lt=1.18+0.06=1.24m（7）链接管管径计算 取冷却水在进出水接管中的流速 为 1m/s，则进出水接管管内径di=（4qv）/（） 0.5=（4*0.0017）/（1 ） 0.5=0.047m根据无缝钢管规格，选 57mm5mm 无缝钢管为进出水接管现将所设计的卧室壳管式冷凝器的主体结构及有关参数综述如下：低翅片管总极数为 48 根，每根传热管的有效长度为 1180mm，管板的厚度取30mm，考虑传热管与管板之间胀管加工时两端各伸出 3mm，传热管的实际下料为 1246mm。壳体长度为 1180mm（等于传热有效单管长） ，壳体规格为190mm7mm 的无缝钢管。取端盖水腔深度 5060mm，端盖铸造厚度为 10mm，则冷凝器外形总长度为 13601380mm。冷却水流动的流程数为 6，由于总的传热管根数为 48 根，则每流程管数可分别为每回程 8 根管。南京工业大学制冷课程设计133、冷凝器简易设备图1-泄水管 2-放空气管 3-进气管 4-均压管 5-传热管 6-安全阀接头 7-压力表接头 8-放气管 9-冷却水出口 10-冷却水入口 11-出液管第四章 蒸发器1、 蒸发器的选型蒸发器按被冷却介质不同，分为冷却液体载冷剂，冷却空气或其他气体的两大类型。蒸发器种类、特点及使用范围类型形式 优点 缺点 使用范围立管式 1）载冷剂冻结危险性小2）有一定蓄冷能力3）操作管理方便1）体积大，占地面积大2)容易发生腐蚀3）金属耗量大4）易积油氨制冷系统螺旋管式1）3）同立管式4）结构简单、制造方便5）体积、占地面积比立管式小维修比立管式麻烦 氨制冷系统冷却液体载冷剂的蒸发器水箱型（沉浸式）蛇管式 1）3）同立管式 管内制冷剂流速低， 小型氟利昂南京工业大学制冷课程设计14（盘管式）4) 结构简单、制造方便传热效果差 制冷系统满液式 1）结构紧凑、重量轻、占地面积小2）可采用闭式循环，腐蚀可能小1）加工复杂2）载冷剂易发生冻结易胀裂管子3）无蓄冷能力氨、氟利昂制冷系统卧式壳管式干式 1）载冷剂不易冻结2）回油方便3)制冷剂充罐量小1）制造工艺复杂2）不易清洗氟利昂制冷系统板式蒸发器 1）传热系数高2) 结构紧凑、组合灵活1）制造工艺复杂2）造价较高氨、氟利昂制冷系统螺旋板式蒸发器1）体积小2）传热系数高1)制造复杂、维修困难2）使用淡水有冻结危险氨、氟利昂制冷系统套管式蒸发器 1）结构简单、体积小2）传热系数高1）水质要求高、不易清洗2）维修困难小型氟利昂系统设计要求采用冷却液体式蒸发器，而冷却液体式蒸发器通常采用管壳式换热器的结构形式，干式蒸发器的外形和结构，与满液式卧式蒸发器基本相同。主要不同点在于干式蒸发器中，制冷剂在管内蒸发，制冷剂液体的充罐量很少，大约为管组内容积的 35%40%，约为满液式卧式壳管式蒸发器的 1/21/3 或更少，而且制冷剂在蒸发气化过程中，不存在自由液面，所以称为“干式蒸发器” 。制冷剂在管侧蒸发，载冷剂在壳侧被冷却 。2、蒸发器的设计计算初始条件tk=40，t 0=0，回热器过热度为t=10，热力膨胀阀的过热度为t=5南京工业大学制冷课程设计15进水温度 ；出水温度 18st28st制冷量 Q0=40Kw，q 0= 166.2KJ/h对数平均温差 t m =（t s1-ts2）/（t 0-ts1）/（t 0-ts2） =12.33 假设热流密度 则总换热面积 0QAq算出所需管子总长 0iAld管子按正六边形排列假设管子数 g 从 50 根取起，排列圈数 n 从 5 圈起。则管子总数G=3n2+3n+1 已知条件：热流密度初始值= 7000W/m2，管子外径 =0.012m，管子内径=0.01m，管子中心距= 0.020m，折板间距=0.085m ，回程数= 4，制冷量=30kw，对数平均温差=12.33具体循环步骤参见流程图及附录一计算第一遍得出 g、n 每根管长；0lLg蒸发器管径 (21)Dns校核 。68L有效流通面积 南京工业大学制冷课程设计160(21)jcDndA则 冷媒水的流速 plcVQCtA式中： 为冷媒水的比热， ；pC/(kJg)为冷媒水的温降，。lt雷诺数 Re=vd/(10 -6) 式中： 为冷媒水的运动粘度。得出 冷媒水外侧的换热系数hw=0.22/d0Re0.6Pr0.33式中： 为冷媒水导热系数为冷媒水普朗特数。Pr管子的平均质量流速qmd=Qr/(q )w式中： 为回程数，个。w制冷剂的质量流速 2mdjiV管内侧制冷剂的换热系数 0.4.6njihBqd则传热系数 011nwhKd式中： 为管子厚度，m；hd南京工业大学制冷课程设计17为管材导热系数；为污垢热阻。1实际热流密度 0mqKt3、蒸发器简易设备图及具体计算流程图蒸发器简易设备图如图 4-1 所示图 4-1 干式壳管蒸发器蒸发器具体计算流程如图 4-2 所示南京工业大学制冷课程设计18图 4-2 蒸发器计算流程图4、 蒸发器编程界面南京工业大学制冷课程设计19第五章 节流机构和辅助设备1. 节流机构热力膨胀阀1)、热力膨胀阀在制冷系统中的主要作用有三个方面。a) 节流降压使高压常温制冷剂液体变成低压、低温的制冷剂湿蒸气，并进入蒸发器迅速蒸发，实现向外界吸热的目的。b) 控制流量通过阀的感温包，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的流量，以适应蒸发器热负荷的变化。南京工业大学制冷课程设计20c) 控制过热度既可保证蒸发器的传热面积的充分利用，又可防止湿压缩的发生。2) 热力膨胀阀的选用本设计中 R22 的流动阻力损失为 33KPa，蒸发器出口制冷剂的过热度增加值在设计的 5范围之内，所以选用内平衡热力膨胀阀。选用型号为 RF13 的内平衡热力膨胀阀。表 51：膨胀阀技术性能参数型号 直径 可调过热度 工质 制冷量 适用范围RF13 13mm 28 R22 40kw 10302. 附件1) 高压储液器储液器在制冷系统中起稳定制冷剂流量的作用，并可用来液态制冷剂。储液器筒体由钢板卷制焊成，上面设有进液管、出液管、安全阀、液位指示器等装置。高压储液器的容量一般应能容纳系统中的全部冲液量，为了防止温度变化时因热膨胀造成危险，储液器的储存量不应超过本身容积的 80%。2) 油分离器制冷压缩机工作时，总有少量滴状润滑油被高压气态制冷剂携带进入排气管，并可能进入冷凝器和蒸发器。如果不装设油分离器，对于氟利昂制冷装置来说，如果回油不良或管路过长蒸发器内肯能积存较多的润滑油，致使系统的制冷能力大为降低，蒸发温度越低其影响越严重。3.干燥过滤器通常所用的干燥过滤器其过滤芯设在筒体内部，由活性氧化铝和分子筛烧结而成，可以有效的除去水分，有害酸和杂质。应该装在氟利昂制冷系统节流机构前的管子上或装在充注液态制冷剂的管道上，氟利昂通过干燥过滤器的流速不应该大于 0.03m/s。参考文献：1空气调节用制冷技术.彦启森主编.中国建筑工业出版社，2004 年南京工业大学制冷课程设计212实用制冷与空调工程手册手册.尉迟斌主编.机械工业出版社，2005 年 3小型制冷装置设计指导.吴业正主编. 机械工业出版社，2004 年4制冷原理与装置.郑贤德主编. 机械工业出版社，2003 年5制冷装置自动化.陈之久主编.机械工业出版社，2005 年附录 1 蒸发器设计计算编程代码Private Sub Command1_Click()d1 = 0.01: d2 = 0.012: s = 0.020: q = 70