冷冻水制冷系统设计-课程设计

冷冻水制冷系统设计

摘要：为了理论与实际相结合，更好的掌握《制冷技术》这门课程的知识，现对其进行冷冻水制冷系统的课程设计。

设计内容包括以下几点：

1、根据设计要求和任务，合理拟定制冷系统总体方案。

2、根据制冷系统设计方案要求，选择制冷剂、制冷压缩机、节流阀及制冷辅助设备等部件。

3、依据热力学、传热学及流体力学原理，设计计算制冷换热器（主要是冷凝器和蒸发器）。

4、制冷管道计算及保温层结构、厚度等设计。

5、绘制制冷系统流程图和机器设备布置图，并注明有关尺寸和技术要求。

设计资料：

冷冻水工艺需冷量

=（150+50×N）KW，

=150+50 34=1850KW

N=34，Q

载冷剂为冷媒水：

供水温度t1=+5℃；回水温度t2=+10℃，冷媒水采用闭式系统。冷凝器采用水冷却式，冷却水进水温度tw=32℃。

关键字：蒸发器；压缩机；保温层；冷负荷

第一章设计说明

1.1确定制冷剂种类和系统型式

制冷剂为氨；单级蒸汽压缩式制冷；供冷方式为直接供液；冷凝器的冷却方式为水冷却。

1.2制冷系统的设计工况确定

1.蒸发温度t o ：一般比冷冻水供水温度低3~5℃，由所给条件知冷冻水

供水温度为t 1=5℃，所以t o =5-5=0℃。

2.冷凝温度t k ：由冷却水进出口温差为4~10℃，取Δt=6℃，而冷却水进水温度为t w =32℃，可得冷却水出水温度为t n =32+6=38℃；则t k =

4052

=++k

n t t ℃ 3.吸气温度t x ：氨制冷压缩机吸气的过热度一般为5~8℃，取5℃，故t x =0+5=5℃ 4.过冷温度t g ：再冷度一般为3~5℃，取5℃，故t g =40-5=35℃

5.绘制制冷L gP-h 图并查出各点参数：

图1.2 LgP-h 图

查焓湿图可得：h 1=1761kJ/kg ,h2=1950 kJ/kg ,h 3=h 4=523kJ/kg ,v 1=0.29m 3/kg ,

P k =1.5MPa ,P o =0.41MPa

1.3制冷系统热力计算

1、单位质量制冷能力：q o =h 1-h 4=1761-523=1238kJ/kg

2、单位容积制冷能力： q v = q 0/v 1=1238/0.29=4269kJ/m 3

3、制冷剂的质量流量：M R =Q o /q o =1850/1238=1.494kg/s

4、制冷剂的体积流量：V R =M R v 1=1.494×0.29=0.433m 3/s

5、冷凝器的热负荷：Q k =M R (h 2-h 3)=1.494×(1950-523)=2132KW

6、压缩机的理论耗功率：P th =M R (h 2-h 1)=1.494×(1950-1761)=282.366KW

7、理论制冷系数：εth =Q o /P th =1850/282.366=6.55

1.4选配制冷压缩机设计工况下的输气系数：

（1）余隙系数 v λ=1-C{[c p /0p ]1/m -1}

其中相对余隙容积C 取0.035，膨胀系数 m 取1。p 0=0.27Mpa, c p =1.735Mpa

v λ=1-0.035?[（1.735/0.27-1）]=0.81 （2）节流系数 p

v λ=1-(1+C) Δp1/( v λ? p1)；一般氨制冷压缩机Δp1/p1=0.03到0.05 取0.04。其中, p λ=0.81, C=0.035.所以 p λ=1-（1+0.035）?0.04/0.81=0.948 （3）预热系数 0

t k

T T λ=

0T =273-12=261 K ； t 0=-12℃；k T =273+40=313 K ；所以：0

t k

T T λ=

=261/313=0.834 （4）气密系数 m λ

一般取为0.95~0.98，取m λ=0.96。

输气系数：66.096.0834.0948.081.01=???=???=m l p λλλλλ ⑵ 理论排气量：λ

V th V q q ,,= =

s m /016.166

.067.03==3658m 3

/h ⑶ 压缩机功率计算: 制冷压缩机的轴功率：d

m i t

e p P P ηηηη=

；实际的制冷量kW o 5.212715.11850=?=φ，

现选用两台大连冷冻机场生产JZLG25开启螺杆压缩机而JZLG25压缩机的技术规格为：

表1-4 JZLG25压缩机的技术规格

4、验证压缩机：

所以选用两台JZLG25压缩机则Q c =1300.7×2=2601.4>2127.5KW

第二章蒸发器与冷凝器的设计选型

2.1卧式壳管式蒸发器的计算

采用满液式卧式壳管蒸发器，传热管采用Φ32?3.0mm 的无缝钢管，排列采用正三角形错排，冷冻水流速为1.5 s m /。 2.1.1冷冻水侧放热系数的计算

冷冻水的平均温度为 5.72

5221=+=+=

t t t f ℃；以此为定性温度，从附录查得 =f λ0.515 W/（m.K ）,)./(10789.16

s m kg v f -?=,6.1Pr =f 得，3

.08

.0Pr Re 023.0f

f f

w d Nu d ?=

λλα

3.08

.06

6.1)10789.1026.05.1(023.0026.0515.0?????=-

1551=K m W ?2/

2.1.2制冷剂侧的放热系数的计算

因为t k =40℃，查物性表可得：

=f λ0.455 W/（m.K ）,)./(103018.16

s m kg v f -?=,356.1Pr =f

得，k m w c 2/1681=α

2.1.3传热系数计算

根据《制冷空调原理与设备》[1]，取污垢系数R f =0.00035，制冷剂为氨，偏于安全，考

虑取()3320.3510~0.610/oil R m k w --=??，取油垢热阻R oil =0.0006 则， K =[]

1p oil f c

p w i

A A w

R R m k

A A δαλα-??++

++ ????

=?++?++-1

]026

.0032.0)1551100035.0(029.0032.02.46003.00006.016811324.12w m k ?

2.1.4蒸发器的传热面积的计算

t K Q F ?=

式中：Q 0——蒸发器的热负荷( kW)；K ——蒸发器的传热系数 [W/(2m .K)] Δtm ——制冷剂与载冷剂的对数平均温差(C o )。

其中传热温差:在蒸发器中制冷剂和载冷剂之间的温差按对数平均温差计算: 2.7ln

212

1=---=

l o l l l m t t t t t t t ℃

式中：t l1--载冷剂进蒸发器的温度(C o )T l2--载冷剂出蒸发器的温度(C o )

0t --蒸发温度(C o

)∴ 23

4222

.782.608101850m t K Q F m o =??=?=

2.1.5载冷剂循环量的计算

)

(210

,l l l m t t c Q q -=

式中：ρc ——载冷剂的比热容，kJ/(kg.k)；1l t ,2l t ——载冷剂在蒸发器进出口处的温度，(C o )；)(210,l l l m t t c Q q -=

ρ=s kg /9.1006678

.351850

=?；载冷剂的循环流量按容积来计算l V q ,；查水

的密度密度为ρ=1000kg/m3 l V q ,=Q 0/ρc ρ(1l t -2l t )=

s m /1009.01000

6678.351850

3=??

2.1.6蒸发管的计算

冷冻水流速对氨蒸发器一般取1.0到1.5m/s,所以取管内水流速V=1.5m/s ，则每一流程的管子根数m 为

m=l m q ,/(πdi 2ρv/4) =100.9/(3.14?0.0262)4/5.11000??=127 v=

π2,4i l

m md q =

s m /5.11000

026.076.12614.39

.10042=????

取m=124,则管内流速v=1.5m/s.管子流程数n 与管子有效长度了l 之间的关系

nl=m A A ol =1.33127

032.014.3422

=??

经布置v=1.5m/s ，z=8，n=9，则68.39

1.33===

n n l l ；而管子的总根数N=mn=127?9=1143根。通常工程上为了检修方便，冷冻水管接口希望设置在同一侧，因此行程数n 取偶数为宜。采用大连冷冻机厂的卧式蒸发器，型号如下：

表2-1 卧式蒸发器型号

2.2冷凝器设计

2.2.1冷凝器的型式选择

冷凝器的型式很多，目前最常用的是立式壳管式冷凝器，卧式壳管式冷凝器。蒸发式冷凝器由于耗水量少，故被人们所重视。冷凝器的选择取决于水质，水温，水源，气候条件以及布置个的要求等。一般应根据下列原则选择：

(1)在水质较差，水温较高，水源充足时，宜采用立式壳管式冷凝器。 (2)在水质较好，水温较低，宜采用卧式壳管式冷凝器。

(3)缺乏水源或夏季室外空气含湿量较低时，宜采用蒸发式冷凝器；冷却水质较差时，宜进行处理。

2.2.2冷凝器的选择计算

冷凝器的选择计算主要是确定冷凝器的传热面积,选定适用型号的冷凝器. 因为采用的是卧式壳管式冷凝器。冷凝器的传热计算式为:Φc =KA ?m t 2.2.3冷凝器的热负荷的计算

冷凝器的热负荷Φc =Φ0+P i

由于压缩机的指示功率P i 与制冷量有关,因此Φc =φΦ0 由t 0=0℃,t c =40℃, 查得：φ=1.27 Φc =φΦ0 =1.27×1850=2349.5KW 2.2.4传热的计算

传热温差：设水的进出口温差为?t w =4℃,则冷却水出水温度: t 2=t 1+?t w =32℃+4℃=36℃

2ln

t t t t t t t k k m ---=

?=9.8℃ 传热面积：A=Φk /K ?t 根据《空调与制冷技术手册》[1]，表15.3 查得氨卧式壳管冷凝器传热系数K=700—900W/M 2×K ，现K=750 w/m 2×k

3208

.9750105.2349m t K F m c

=??=?=φ

2.2.5冷凝器冷却水循环量的计算

s kg t t c q s s p c

ms /3.1404

186.45

.2349)

(21=?=

2.2.6初步规划冷凝器结构

因为采用卧式壳管式冷凝器，传热管采用Φ32?3.0mm 的无缝钢管。排列采用正三角形错排

取管内水流速v=2m/s ，则每一流程的管子根数m 为； m=s m q ,/)(v di ρπ24/=140.3/[(3.14/4)× 0.0262?1000?2]=132 v=

π2,4i l

m md q =

s m /21000

026.013214.33

.14042=????

取m=33，则管内水流速v=2m/s 。由管内流程数n 与管子有效长度l 之间的关系：

nl=

m A A ol =7.29132

026.014.3320=?? 经布置v=2m/s ，z=8，n=9，则l=

n nl =3.39

7.29= 而管子的总根数N=MN =33?9=297根。通常工程上为了检修方便，冷却水管希望设置在同

一侧，因此行程数n 取偶数为宜。

2.2.7其他相关数据计算

w α=k m W ?=+?+22

.08

.0/7837)

026.0(99.1)23632221430(）

（ 1.制冷剂侧的冷凝放热系数的计算：

因为t k =40℃，查物性表可得：

.10126.0;52.1103;47.579;.455.0m s

n kg

r m

k m w -?====μρλ

则系数：β=μ

ρλgr

23=2.717?1015

于是：25

.00

???

? ???=d

t C M β

α=K m W ?=???225

.015/8751)032

.0410717.2(

725.0

2.实际的传热系数的计算：

根据《制冷空调原理与设备》[1]，取污垢热阻R f =0.00035，根据课本，制冷剂为氨，偏于安全考虑取()w k m R oil /10*6.0~10*35.0233--=，取油垢热阻R oil =0.0006 则，K ' =[]

1p oil f c

p w i

A A w

R R m k

A A δαλα-??++

++ ????

=k m W ?=?++?++-21

/780]026

.0032.0)7837100035.0(029.0032.02.85003.00006.087511[

3.实际的热流密度的计算：

t K ?=**ψ t K ?=ψ

*-ψ

ψ|?100=|**-K K K |?100=%5%8.3%100780750780<=?-与所设的值基本一致，故计算的K ’值适用。

4.实际传热面积的计算：

3078

.9780105.2349'm t K F m c

=??=?=φ

根据大连冷冻机厂的产品选择卧式冷凝器型号如下

表2-2 卧式冷凝器

5.浮球膨胀阀公称直径的计算：

G=2V C p CoA ?*ρ

式中A 通道截面积 ρc 截流阀前液体的密度 ⊿pv 截流阀前后的压力差 Co 流量系数取0.35；⊿Pv=15.3-3.0=12.3bar=12.3×105Pa ；ρc=587kg/m 3

Gmax=v c n

o P D C ??

ρπ

20.350.25Dn π???10525.1D n 2

又Gmax ?q 0≥Q o

所以 10525.1D n 2?1088.4≥900 D n ≥8.9 mm A=

222

18.629.84

.34

mm D n =?=?π

选择Dn 时，一般考虑使Gmax 在1.5—2.0Qo 之间所以取Dn 为9mm

所以G=10525.1? D n 2=10525.1?（9?310-）2=0.85kg/s=19.16m 3/s

由下表可确定浮球式膨胀阀的公称直径为32mm

表2-3 浮球式膨胀阀

第三章制冷辅助设备选型

制冷装置除了装有必须具备的四大部件外,通常根据各种制冷系统的运行特点和要求还设置了一些辅助设备和自控装置,安装这些附件的主要目的有以下几个方面：

1、使制冷装置能更有效和安全地运行;

2、简化管理,节省操作人员,提高制冷装置运行的经济性;

3、提高用户的用冷质量,稳定用冷场合所需要的冷量和温度.

3.1油分离器的选择

油分离器用以分离从压缩机排出的气体所带的油气，以防止冷凝器及蒸发器内油过多而影响传热效果。

油分离器现在较常用的有：惯性式、洗涤式、离心式、填料式和过滤式等几种。洗涤式油分离器适用于氨制冷系统。润滑油的分离是依靠排汽减速、流动方向改变、排汽在氨液中冷却、和洗涤四种作用分离出来的。分出的润滑油沉淀在分离器底部，定期排入集油器，以防止冷凝器及蒸发器内油过多而影响传热效果。

油分离器一般可按接管直径的大小来选择。如排气管管径为Φ89*4，则可选进口直径为D g 80的油分离器。

下列公式计算其所需的筒身直径，按直径选择适当的油分离器。

3600

4????=

w V D q

p πλ (m)

式中，p V ——压缩机排气量， m 2/h

q λ——压缩机吸气系数

w ——氨气流速，一般取0.6～0.8 m/s 取0.8

q λ上已求得，蒸发温度0℃时为0.72

则筒身直径：m w V D q

p 03.13600

8.014.372

.0365843600

4=????=

πλ

现选用大连冷冻机厂生产的冰山牌YF —200型洗涤式油分离器1台。

表3-1 YF —200型油分离器技术规格

3.2贮液器的选择

贮液器在制冷系统的流程中，位于冷凝器与蒸发器之间。它的功用是贮存和供应制冷剂，以使工况变化时补偿循环制冷剂数量的改变，使系统各设备内有均衡的氨液量，以保证压缩机的正常运转。

贮液器容积一般可按下列原则确定：贮液器应能贮藏工质每小时循环量的1/3到1/2。

其计算公式如下：

V=0.5×M

R ×v

′/0.8 (m3)

式中 v

′——冷凝温度下氨液的比容 (m3/kg)

——系统氨液循环量（kg/h）

=1.576kg/s=1.576×3600=5673.6kg/h

查表得v

′=1.2×10-3m3/kg

V=0.5×5673.6×2×1.2×10-3/0.8=8.5m3

现选用大连冷冻机厂生产的ZA—5.0B型贮液器

表3-2 ZA—5.0B型贮液器的结构参数

3.3空气分离器的选择

在制冷系统中，空气分离器用于排除系统中的不凝性气体（主要是空气）。一般压缩机总制冷量在100万标准千卡/小时以下时，采用冷却面积0.45平方米空气分离器一台，总制冷量在100万标准千卡/小时以上时，采用冷却面积1.82平方米空气分离器一台。

现在选用大连冷冻机厂生产的冰山牌KF—50B型空气分离器一台。

表3-3-1 KF—50B型空气分离器技术规格

表3-3-2 KF—20型空气分离器附件规格及数量

表3-3-3 KF—50B型空气分离器附件规格及数量

3.4紧急泄氨器的选择

为防止制冷设备在产生意外事故时引起爆炸，把制冷系统中有大量‘氨存在的容器（如贮氨器、蒸发器）用管路与紧急泄氨器联接，当情况紧急时，可将紧急泄氨器的液氨排出阀和通往紧急泄氨器的自来水阀打开排出。紧急泄氨器的作用是在紧急情况下，从系统中把氨液泄放。泄放时，每1公斤氨约需通入8升水。通常一个制冷系统设一个紧急泄氨器。现在选用XA—100型紧急泄氨器。

3.5 氨液分离器的选择

1、氨液分离器桶身直径

D f =0.0266[（V

×λ

）/2] 1/2=0.0266[（G×v

/2] 1/2

=0.0266[（3600×0.15625×2×0.435）/2] 1/2=0.416m

式中v

1为蒸发压力下氨饱和蒸汽的比容。查表得v

=0.435m3/kg

2、氨液分离器桶身高度

h=(3 ——4) D

现取h=3.5×0.416=1.456m

3、氨液分离器出液管面积为供液管面积的2倍。

可选用AFA—800型氨液分离器两台

表3-5 AFA—800型氨液分离器的结构参数