制冷原理与装置课程设计

§2-2 确定制冷剂和循环形式


一、制冷剂
氨是一种广泛使用的中温制冷剂，它的主要优点： ①标准蒸发温度低(-33.4℃)，在冷凝器和蒸发器中的压力 适中； ②单位容积制冷量大，导热系数大，蒸发潜热大（-15℃时 的蒸发潜热是R-12的8.112倍，R-22的6.104 倍)，可实现冷 凝器等设备的小型化，节省材料； ③节流损失小，易溶于水，形成氨水溶液，在普通低温下， 不会有水分析出而造成冰堵； ④氨有特殊气味，一旦泄漏很容易被发现； ⑤对环境无害,不会破坏臭氧层(ODP=0)，不会造成温室效应 (GWP=0)。 ⑥价格便宜，易获得。
设计示例

武汉市某大型制药集团，一、二合成原 料药车间，全天候运行，分别需要-10℃的冷 量1200kw，试设计冷冻站满足供冷。
第二章 设计指导
§2-1 工业制冷系统的应用特性


⑴ 系统容量大，意味着制冷系统各类主、辅设备繁多， 管路复杂，控制要求高，设计和施工难度大； ⑵ 蒸发温度广，一个工厂往往需要几千至几万千瓦的制
方案二： 氨泵供液

氨泵供液是指高压液体节流后进入低压循环桶，经氨泵输 往各蒸发器。氨泵的输液量一般为蒸发器蒸发量的3-6倍， 氨泵的排出压力应足以克服总流动阻力和液位升高所需的 液柱压力，并有一定的压差裕度以便于调节流量。在蒸发 器中一部分氨液汽化，剩余的液体随同汽体回至低压循环 桶，经分离后，气体被压缩机吸走，液体被氨泵送到蒸发 器进行再循环，故这种供液又称氨泵再循环供液。
冷量，所需的蒸发温度有的在零度以上，有的则需要达到40℃甚至达到-150℃。因此必须有正确的方案和系统优良的 匹配性； ⑶ 全天候长期运行。工况变化范围大，在冬、夏两季， 由于气候原因会使冷凝器工作条件恶化，蒸发器的输出工况 将随着用冷单位的实际情况而不断变化。即使在一天之内也 会受到几个用冷高峰的冲击，这就要求系统有很强的调节和 适应能力，也给设计者提出了比一般空调、冷藏制冷系统设 计更高的要求。

过热度： 氟系统：≤10k 氨系统：≤5k
§2-4 热力计算

一、状态点热物性参数
状态点 压强p （bar） 温度t （℃） 焓值h （kj/kg） 比容v
（m3/kg）
0 1 2
3
4 5





⑴ 单位制冷量： ⑵ 单位容积制冷量： ⑶ 单位压缩功： ⑷ 理论制冷系数： ⑸ 螺杆机理论输气量： Biblioteka Baidu 输气系数可查表得 ⑺ 实际输气量： ⑻ 单台压缩机制冷量： ⑼ 单台压缩机制冷剂循环量：
方案三： 循环式供水

这种冷却水系统就是将从冷凝器出来的冷却水， 在经过水冷却设备的冷却降温，然后用水泵送 回冷凝器循环使用，只需补充少量冷却水。循 环式供水系统适用于水源水量较少，水温较高 的地区，在目前城市供水比较紧张的情况下， 一般制冷装置的冷却水系统多采用这种形式。 循环式供水系统需增设冷却水冷却设备和水泵 等设施，这样就增加了冷却水系统的投资、运 行费用及管理工作。

结论：本设计方案以重力供液氨制冷系 统，单级压缩蒸气制冷循环，载冷剂供 冷，冷却水循环使用为宜。
§2-3 确定制冷循环工作参数


传热温差：
△Tk---水冷式4~6k 风冷式10~14k △T0---冷却液体3~5k 冷却空气8~10k


确定：
Tk （ pk） T0（p0）

结论：大中型制冷系统中首选R717。

目前氨用于蒸发温度在-65℃以上的大中 型单级、双级往复式及螺杆式制冷机中， 也有应用于大容量离心式制冷机中。
二、供液方式

在直接冷却系统中，供液方式分为直接膨胀 供液、重力供液和液泵供液三种。
方案一 ：直接膨胀供液

直接膨胀供液是利用冷凝压力和蒸发压力之间的压差，将 液态制冷剂经节流阀节流后直接进入蒸发器。这种供液方 式简单，无气液分离器，不消耗其它动力，工程费用省。 缺点是调节困难，因为没有气液分离器，在工况突然变动 时如供液太少，则排管末端易产生过热，降低了蒸发器的 效率，又使压缩机排气温度升高，引起润滑油的焦化。若 供液太多，则压缩机极易吸入制冷剂液滴，造成液击事故。 此外，制冷剂经节流阀后产生的闪发蒸汽，无法分离掉， 它随低压液态制冷剂一起进入蒸发器，占去了蒸发器的表 面积，降低了蒸发器的传热效率。
四、冷却方式

水冷、空冷、蒸发冷凝 制冷装置的冷却水系统，根据其水源情 况、气象条件、冷凝器型式、冷却水量 大小等因素的不同，可以采用不同的冷 却水形式。常用的冷却水系统有直流式 供水、循环供水和混合式供水三种形式。
方案一： 直流式供水
此供水系统也称一次供水系统。用水泵将冷却水从 水源送到有关设备中，经过冷凝器换热后直接排至 下水道或用作他用。这种冷却水系统比较简单，一 般在水源水量充沛、水温适宜、排水方便的地区， 可以优先考虑采用直流式供水系统。 直流式冷却水系统投资小，供水设备简单，但是耗 水量大，特别是在城市供水比较紧张的情况下不宜 采用。还应指出，即使在江河水量充沛的地区，夏 季水温会较高，洪水期水质较差，采用直流式供水 要有一些相应的措施。
《制冷原理与装置》课程设计
大型氨制冷系统 初步（方案）设计
第一章 前言

一、初步设计内容
热力计算 设备选型计算 系统流程图 设备一览表 设计方案说明书






二、初步设计步骤
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 确定制冷剂和循环形式 确定制冷循环工作参数 热力计算 确定系统配置 设备选型计算 系统流程图 设备一览表(可以附在说明书中) 设计说明书
良
中 差
良
中 很差
GWP
优
良
差
很差


虽然在650℃下氨燃烧，但如果没有外部提供大量热量的情 况下,氨很难燃烧或爆炸,如在日本的历次地震中,制冷装置 虽遭到破坏,但没有发生火灾或爆炸,所以不少专家认为以往 对氨的危险性估计过高。 世界环保组织认为，目前用来替代冰箱及小型冷藏库制冷剂 CFCs和HCFCs的物质绝大部分是人工合成制冷剂，虽然它们 的ODP=O，但GWP不能完全使人满 意。随着时间的推移，这 些物质也会遇到和CFCs、HCFCs同样的问题。因此环保组织 希望使用自然界中存在的物质作CFCs和HCFCs的替代物一步 到位，而不是新的人工合成物质。氨便是环保组织推荐用作 制冷剂替代的主要物质之一。氨做制冷剂的历史已很长了, 它具有很好的热物性，是一种成熟的制冷剂，所剩下的只是 要解决它的使用安全性的问题。
表1
项目 毒性 可燃性
氨与R12，R22主要替代物的评价比较
氨（R717） 很差 中 优 中 丙烷 HFC （R290） （R134a） 良 良 差 中 良 优 差 差 HFC混合物 （R407c） 良 良 差 良
泄露容易发现 每1Kw制冷量投资
每1Kw制冷量运转费用
服务费用 价格
优
良 优
良
中 中

但是： ①氨泵的设置约增加系统的动力消耗1～1.5%，而且

增加泵的维修工作。 ②回气管中因带有液体就形成二相流动，这种流体的 流动阻力要比单相流体大。因此管径要较重力供液时 增大一个号，相应地加大了阀门和增加了隔热材料。
方案三： 重力供液

重力供液系统是借低压氨液本身的重力进行供液。即高压 液态氨经过节流阀节流，压力温度均降低后进入氨液分离 器，进行气液分离后，闪蒸的气体被压缩机吸入，而液体 则依靠自身的重力进入蒸发器进行蒸发换热。另外从蒸发 器出来的回气也要经过氨液分离器将气态和液态分离，同 样气体被压缩机吸入，而液体又依靠重力进入蒸发器。这 样通过气液分离避免了节流后的闪蒸气体进入蒸发器，保 证了蒸发器的传热效率和压缩机的制冷量免受影响，同时 也尽可能避免了压缩机的湿行程的发生。为满足供液所需 的静液柱，氨液分离器液面需高于冷分配设备最高点 0.5m～2m。
优点：




①蒸发器的热交换效率提高。由于流量数倍于蒸发量，流速较高，使制 冷剂蒸汽和雾状液滴在管道中心流动，而把液体压向管道壁面贴附管壁 流动，形成“雾状流”，提高了蒸发器内表面润湿面积。由于液体的冲 刷，减轻了润滑油对管壁的污染程度，使蒸发器的换热面积比较充分的 发挥作用，相应的提高了蒸发器的换热量。其制冷效率比直接膨胀供液 提高25%-30%。 ②低压循环桶到压缩机的回气管距离很短，蒸汽的压力损失小，压缩机 吸气口的蒸汽过热度亦小，因此提高了压缩机的制冷效率。 ③操作简便，供液量受库房热负荷变化的影响较小，因而不必经常调整 节流阀。氨泵设置的位置只要能满足氨泵吸入的净正吸入压力的要求就 可以了，不需要另建阁楼。由于所有制冷设备都集中在一起，操作控制 都较方便。 ④融霜操作时间短，低压循环桶可兼作排液桶使用，融霜时可将蒸发器 内的液体直接排入循环桶。融霜完毕，启动氨泵就可恢复供液，能使库 温很快降下来。
优点：



①利用氨液分离器将节流生成的闪发气体分离 出来，有利于提高设备的传热效能。 ②同一蒸发温度的冷分配设备可使用一个膨胀 阀和氨液分离器，节省膨胀阀。 ③供液中有氨液分离器的缓冲作用，因而容易 实现正常工况的操作调节。
缺点：



①氨液流动以重力作为动力，流速较慢，制冷 剂和管壁内表面之间的换热系数较小，设备的 传热效能较低。 ②由于流速缓慢，在蒸发器及管道的最低处容 易积油。 ③为保证液位差，必须将氨液分离器设置在较 蒸发器高的地方，会增加土建层高。

所以直接膨胀供液方式是大多数卤代烃（包括氟利昂）系 统采用的供液方法。这种供液方法基本采用热力膨胀阀供 液，由于选型、调节以及产品本身的问题，无法实现节能 的目的。电子膨胀阀的出现结合多点温度参数的库温调节， 可以较好地实现节能运行，一般可节能10％。卤代烃制冷 系统的热力膨胀阀产品已相当成熟而且还有专用的PLC库 温控制器。氨制冷系统蒸发器运行的过热度不大，控制难 度相对较大，目前尚无成熟的氨用电子膨胀阀产品。
三、供冷方式


在间接冷却的制冷装置中，被冷却物体或空间中的 热量是通过一种中间介质传给制冷剂。这种中间介 质在制冷工程中称为载冷剂或第二制冷剂。 采用载冷剂的优点是可使制冷系统集中在较小的场 所，因而可以减小制冷机系统的容积及制冷剂的冲 灌量；且因载冷剂的热容量大，被冷却对象的温度 易于保持恒定。其缺点是系统比不用载冷剂时复杂， 且增大了被冷却物和制冷剂间的温差，需要较低的 制冷机蒸发温度。

方案二 ：混合式供水

这种供水系统的一部分冷却水回水直接排放，另一 部分冷却水回水与来自水源的新鲜水进行混合，再 送入冷凝器中使用。系统中的循环水量与鲜新水量 的比例，由技术经济分析和制冷工艺的要求来决定， 以便既降低运行费用又能保证制冷装置的安全运行。 混合式供水系统适用于水温较低、水量不足或取水 费用较高的地区。

⑽ 压缩机理论功率： 给定压缩机指示效率ηi和机械效率ηm ⑾ 压缩机指示功率： ⑿ 压缩机轴功率： ⒀ 冷凝器热负荷： ⒁ 压缩机总制冷量： ⒂ 总冷凝器热负荷：
§2-5 确定系统配置

根据：用户要求、气候水文条件、运行 条件、系统调节度
用户 冷凝器 蒸发器 水泵 主机 冷却塔




但是：


①氨在矿物油中的溶解度很小，因此氨制冷剂 管道及换热器的传热面上会积有油膜，影响传 热效果。氨液的密度比矿物油小，在贮液筒和 蒸发器中，油会沉积在下部，需要定期放出。 ②氨的绝热指数较高，因此高压部分的安全性 要求很高。 ③氨对钢铁不起腐蚀作用，但当含有水分时将 要腐蚀锌、铜、青铜及其他铜合金。只有磷青 铜不被腐蚀。因此在氨制冷机中不用铜和铜合 金（磷青铜除外）材料，只有那些连杆衬套、 密封环等零件才允许使用高锡磷青铜。
数量和连 接方式！
蒸发器
冷凝器
（节流）氨液分离器
高压贮液器
主机
油分离器
水泵前置式
水泵后置式


确定时要考虑水系统的承压能力。水系统的承压能力最大的地方是水泵 出口，如图中的A点，系统承压有以下三种情况：系统停止运行时，水 泵出口压力为系统静水压力h＝Z；系统瞬时启动，但动压尚未形成时， 水泵出口压力为系统静水压力和水泵全压之和h＝Z+HP；正常运行时， 水泵出口压力为该点静水压力与水泵静压之和h＝Z+HP-v2/2g。 冷却塔如果设在高层建筑主楼屋面，产生的压力高于机组的承压能力时， 冷却水泵宜设在冷水机组的冷凝器出口，以降低冷凝器工作压力。