冷水机组设计实例

冷水机组设计
储云霄
热能070221
设计任务：中央空调用制冷量为50kW 的水冷螺杆式冷水机组，制冷剂R410a ⑴工况确定
根据表4-7和表4-11等确定：
冷媒水进口温度112s t =℃，出口温度27s t =℃，蒸发温度02t =℃； 冷却水进口温度132w t =℃，出口温度237w t =℃，冷凝温度40k t =℃；
吸气温度7℃(采用热力膨胀阀时，蒸发器出口气体过热度3~5℃)，过冷度5℃（单级压缩系统中，节流前液体的过冷是在冷凝器中实现的，一般取过冷度为5℃）。

⑵热力计算
制冷循环热力状态参数见表1，热力性能指标计算见表2。

⑶压缩机选择
在实际工况所需冷负荷已知的情况下，螺杆压缩机理论输气量为2
44p V m =。

据此选择开利涡普单螺杆压缩机，型号×××，该压缩机理论排气量为2
p V m h =⨯⨯⨯。

此压缩机在实际工况下的制冷剂流量为：m q kg s '=⨯⨯⨯，实际工况下的制冷量为×××kW.。

相对误差为：∆=×××。

因此，此压缩机选择满足要求。

⑷蒸发器的设计计算
① 蒸发器机构的初步规划
本系统采用干式管壳蒸发器，结构初步规划如图1所示。

传热管选取ɸ12×1mm 铜管，管束按正三角形排列，管距取16mm ，壳体内径308i d mm =，流程数N=4，总管数Z=116，则每一流程平均管数Z m =29，管长L=1960mm ，折流板数N b =19,折流板间距S 1=130mm, S 2=85mm,管板厚32B mm δ=，折流板厚5b mm δ=，折流板上缺口高H 1=64mm ，折流板下缺口高H 2=59mm ，上缺口内含管数116b n =，下缺口内含管数214b n =，壳体直径附近含管数38b n =。

蒸发器外侧总面积:
210(2) 3.14160.012429(1.9620.032)8.29m B A d NZ L m πδ=-=⨯⨯⨯⨯-⨯=
有效传热面积:
2
10(2) 3.14160.012429(1.9620.032190.005)7.88c m B b b A d NZ L N m πδδ=--=⨯⨯⨯⨯-⨯-⨯=
② 计算管外水的换热系数
用下标f 表示管外冷水的参数，首先计算平均水流速度u 1。

折流板平均间距S 为：12321820.13180.085
0.199181
b S S S m N +⨯+⨯=
==++
横向流通面积：32
30()[(0.308190.012)0.199]15.910c i b A S d n d m -=-=-⨯⨯=⨯
横向流速为：330,,1250
2.410/()1000 4.187(127)
v f f p f s s Q q m s c t t ρ-=
==⨯⋅-⨯⨯-
3
,3
2.4100.151/15.910v f
c c q u m s A --⨯===⨯
折流板上下缺口面积为;2
2211101
0.00954b b i b A K D n d m π=-=
22
2222010.00844
b b i b A K D n d m π=-=
其中，K b 为折流板缺口面积系数，按表2选取。

b
图1 蒸发器初步规划图
上下缺口面积平均值：2121
()0.0092
b b b A A A m =+= 纵向流速为：
,0.0024
0.27/0.009
v f b b
q u m s A =
=
=
横向截面上流速u c 与折流板缺口处的纵向流速u b 的几何平均值u 1为：
10.2/u m s =
冷冻水平均温度：
12()/29.5f s s t t t =+=℃
查表得，该温度下水的物性参数：
Pr 9.693f =；0.5729/()f W m K λ=⋅；621.3310/f m s υ-=⨯；4192/()p c J kg K =⋅，
在定性温度下雷诺数为：0Re 1815.6f
f f
d u υ=
=，则管外冷媒水侧表面传热系数为：
0.60.330.60.3320
0.5729
0.22
Re Pr 0.221815.69.6932005.7/()0.012
f
f f f W m K d λα==⨯
⨯⨯=⋅
③ 计算管内沸腾表面传热系数
用下标w 表示管内制冷剂系数。

假设按内侧传热表面A i 计算的热流密度q>4000W/m ²(该假设将在后面检验)，则管内沸腾传热系数：
0.60.2
0.257.8i m
w i
q v a d α=
其中，a 是与制冷剂性质及蒸发温度有关的系数，见表3。

表3 系数a 值
查得，a =0.0189
因为,222
20.29
127/()3.14160.0129444
m ri m m i i
m
q q v kg m s d d Z ππ====⋅⨯⨯ 则：0.60.2
0.20.6
0.60.20.2
12757.857.80.01897.2340.01
i m w i q v a q q d α==⨯⨯= w α由q 确定。

④ 计算阻力及传热温差
制冷剂饱和蒸汽流速为：22
440.290.03178
4.05/29 3.14160.01m m i q u m s Z d ρπ⨯⨯''=
==''⨯⨯
饱和蒸汽雷诺数为：4Re 7.710i
u d υ''''=
=⨯''
摩擦阻力系数为：0.25
0.3164Re 0.0190f -''==
制冷剂饱和蒸汽沿程阻力为：
221196011
0.01904 4.0514637.920.0120.03178
r
i l p fN u Pa d ρ''''''∆=-=⨯⨯-⨯⨯=
两相流动制冷剂沿程阻力：l R r
p p ε''∆=∆ 式中，R ε为两相流动时的阻力换算系数，与制冷剂种类和质量流速有关，对R410a 可按表4查取。

表4 两相流动R410a R ε值
已知02t =℃时，3
32.58/kg m ρ''=，查表R ε=0.721 则：10555.7l R r
p p ε''∆=∆= 实验表明，沿程阻力为总阻力的20%~50%，总阻力可写为：i p ∆=（2~5）l p ∆，本设计中，总阻力331.67i l p p kPa ∆=∆=
对数平均温差：12
1020
7.21ln
s s m s s t t t t t t t -∆=
=--℃
⑤ 计算热流密度及传热系数
100211
1
1
()()d d w i m f K d d R R d d δαλα=
++++
=
330.61
1120.0011210.09100.045107.23410380112005.7
q
--⎛⎫⎛⎫
+⨯⨯+⨯++⨯ ⎪ ⎪
⎝⎭⎝⎭
=
0.6
1
0.1659
0.00065445q
+
按内侧表面计算的热流密度与按外侧表面计算的热流密度关系为：
200010.6
1217.21/0.1659
100.00065445i m i i A d q q K t W m A d q =
=∆=⨯⨯+ 用试凑法解方程得i q =53582
/W m > 4000，假定成立。

则有：
2000
4465/i i i i A d
q q q W m A d =
== 2100211
619.3/()1
1(
)
()d d w
i m f
K W m K d d R R d d δαλα=
=⋅++++
⑥ 计算传热面积
根据q 0得所需传热面积
20
6.3lcal Q F m q =
= 考虑到蒸发器出口处制冷剂过热度的影响，所需传热面积为
21.27.6lreq lcal F F m ==
与初步规划所定的有效传热面积相比，误差只有3.5%，故初步规划是合理的。

⑸冷凝器的设计计算 ① 管型选择
选用ɸ16×1.5mm 的紫铜管轧制的低翅片管为内管，如图2所示。

其管型参数：翅节距S f =1.25mm ，翅厚t δ=0.223mm ，翅高h=1.5mm ，管内径d i =11mm ，翅根管面外径d b =12.86mm ，翅顶直径d t =15.86mm 。

每米管长各有关换热面积分别为：
每米管长翅顶面积：2
/0.0089/d t t f a d S m m πδ== 每米管长翅侧面积：222()
0.1083/2t b f f
d d a m m S π-=
=
每米管长翅间管面面积：2()
0.0332/b f t b f
d S a m m S πδ-=
=
每米管长管外总面积：2
0.1504/of d f b a a a a m m =++= ② 估算传热管总长
假定按管外面积计算的热流密度为2
05050/W m Φ=,则应布置传热面积为：
20
11.8k
of Q A m =
=Φ 应布置的有效总管长为：78.4of of
A L m a =
=
③ 确定每流程管数Z ，有效单管长L 及流程数N
定性温度34.5℃时，水的密度3
994.20/kg m ρ=，比定压热容4179/()p c J kg K =⋅，
则所需水量为：
()
32159600
0.00287/()994.241793732k v p w w Q q m s c t t ρ=
==-⨯⨯-
取冷却水流速u=2m/s ，则每流程管数为
图2 低翅片管的结构参数
22
0.00287
10.93.14160.01324
4
v i q Z d u
π
=
=
=⨯⨯
取整数11，并考虑到此冷凝器配用于螺杆压缩机组，选取2流程方案作为冷凝器结构设计依据。

④ 传热管布置排列及主体结构
为使传热管排列有序及左右对称，共布置22根管，则每流程平均管数Z=11根，管内平均流速u=1.97m/s.取传热管有效单管长L=4m,则实际布置外冷凝器传热面积
213.2of A m =。

传热管按正三角形排列，管板上相邻管孔中心距为2.5mm ，管数最多的一
排管不在管体中心线上。

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78mm ，根据无缝钢管规格，选用ɸ89×5mm 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形式，管排布置及管板尺寸能够保证在管板周边上不均匀布置6个端盖螺钉孔以装配端盖，且能避免端盖内侧装配孔周边的密封面不致遮盖管孔，同时壳体内部留有一定空间起贮液作用。

⑤ 传热计算及所需传热面积确定 a. 水侧表面传热系数
定性温度34.5m t =℃，水的热物性参数：
620.75710/m s υ-=⨯；Pr 4.92f =；0.6257/()W m K λ=⋅
因为6
1.960.011
Re 28480100.75710
i d u
υ
-⨯=
=
=>⨯，水在管内为湍流，水侧表面传热系数： 0.80.42
,0.023
Re Pr 9059.8/()w i f f
i
h W m K d λ
==⋅ b. 氟利昂侧冷凝表面传热系数
根据管排布置，管排修正系数计算：0.788n ε=。

根据所选管型，可查得增强系数φ=1.384。

在冷凝温度T k =40℃时，B=1446.1。

计算氟利昂侧冷凝表面传热系数：
0.25
0.25,,0.725()k o b n k w o h Bd T t ϕε-=-
0.250.250.25000.7251446.10.01286 1.3840.7883850θθ--=⨯⨯⨯⨯=
对数平均温差：
12
21
5.1ln
w w m k w k w t t t t t t t -∆=
=--℃
取水侧污垢系数R i =0.000086(m ²·K)/W,计算热流密度0q :
0.750,003850k o q h θθ==
001172(5.1)q θ=⨯-
经试算得，当0θ=1.23℃时，两式0q 误差已经很小，0q =4497W/m ²，计算实际所需换热面积：
205960013.24497
k of Q A m q =
== 初步结构设计中实际布置冷凝器传热面积为13.2m ²，与计算面积相当，实际应适当增
大以作为富裕量，初步结构设计所布置的冷凝传热面积能满足负荷传热要求。

⑥ 连接管管径计算
取冷却水在进行水接管中流速为u=1m/s ，则进出水接管管内径为：
0.060i d m =
=
根据无缝钢管规格，选取ɸ63.5×4mm 无缝钢管进出水接管。

考虑到卧式管壳式冷凝器的进气接管管径与所配制冷压缩机的排气管管径相同，取ɸ45×2.5mm 钢管为出液接管。

⑹节流阀的选择
选用热力膨胀阀。

本系统蒸发量为0.0123m ³/s
本系统中蒸发压力为850kPa ，冷凝压力为2419kPa ，忽略其他压力损失，则：
0 1.569k p p p MPa ∆=-=，选取热力膨胀阀型号为×××。

参考资料
[1] 杨世铭，陶文铨．传热学[M]．北京：高等教育出版社，2009． [2] 沈维道，童钧耕。

工程热力学[M]. 北京：高等教育出版社，2007．
[3] 张小松，王铁军，金苏敏．制冷技术与装置设计．.重庆大学出版社，2008． [4]
李彦宏．百度百科《无缝钢管规格表》．。