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本科畢業(yè)設計（論文）
題 目 4kW小型工業(yè)用冷水機組
學生姓名
專業(yè)班級
學 號
院 （系）
指導教師(職稱)
完成時間
4kW小型工業(yè)用冷水機組
摘 要
冷水機組是一個小型化的，有獨立的制冷系統(tǒng)和載冷劑循環(huán)系統(tǒng)兩部分組成制冷機。其中，制冷系統(tǒng)采用蒸氣壓縮式制冷，使制冷劑發(fā)生氣液相變，吸收載冷劑水所放出的熱量。載冷劑由于被冷卻從而自身溫度降低，利用其低溫來制冷。根據(jù)設計要求的不同，溫度能達到不同的要求。冷水機組是將制冷系統(tǒng)中的部分設備或全部設備，主要有壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹設備和一些其他的輔助設備，配套組裝在一起而成的一個整體。本次設計主要著重于系統(tǒng)壓縮機的選擇計算，翅片式冷凝器的設計計算，板式蒸發(fā)器的選型計算以及節(jié)流閥的選擇計算。本文通過對各個部件的介紹與計算，根據(jù)已知的設計條件，進行熱力循環(huán)計算，選擇適合本次設計的設備。與此同時，對于一個水冷式冷水機組而言，為保障制冷機組的高效運行，一些系統(tǒng)的附件也是不可缺少的，比如風機、儲液器、電磁閥、干燥過濾器、視液鏡，水泵，膨脹水箱，截止閥等。
關鍵詞 風冷式冷水機組/壓縮機/翅片式冷凝器/板式蒸發(fā)器/風機
4kW SMALL INDUSTRIAL CHILLERS
ABSTRACT
Chiller is miniaturized and independent,which contains of two part of refrigeration systems and containing refrigerant cycle system .Among this device,refrigeration system makes use of vapor compression refrigeration,the system makes the refrigeration change from gas to liquid,and the refrigerant absorbs energy that heat released by water.Since the secondary refrigerant is cooled ,it has a lower temperature ,which can be used for cooling. Depending on design requirements,it can achieve different temperature. Chiller cooling system is assembled of part of the equipment or all equipment together to a whole package ,they are a compressor, a condenser, an evaporator, an expansion device, and other auxiliary equipment.The design is mainly focused on the choice of the system compressor calculations, design calculations fin condenser, evaporator plate selection calculator and the choice calculations of the throttle. According to the description of the calculation of the various components, and the known design conditions,the paper does the thermodynamic cycle calculation, and choose the appropriate equipment.At the same time, for a water-cooled chiller, some system of accessories is also indispensable for the protection of the efficient operation of the refrigeration unit, such as fans, reservoir, solenoid valve, filter drier, sight glass, water pumps, expansion tank, shut-off valves, etc.
KEY WORDS air-cooled chillers，compressor，fin condenser，plate evaporator，fans
II
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 冷水機組概況 1
1.2 風冷式冷水機組的特點 2
1.3 原始資料及技術條件 3
2 制冷工質(zhì)的選擇與系統(tǒng)熱力計算 4
2.1 制冷劑的選擇 4
2.1.1 制冷劑的分類 4
2.1.2 制冷劑的性能要求 6
2.1.3 制冷劑的選擇 7
2.2 載冷劑的選擇 8
2.2.1 載冷劑的分類 8
2.2.2 載冷劑的選擇原則 8
2.3 系統(tǒng)熱力計算 9
2.3.1 幾個狀態(tài)溫度點的確定 9
2.3.2 熱力計算 9
3 壓縮機的選型計算 13
3.1 壓縮機的分類與初選 13
3.1.1 壓縮機的分類 13
3.1.2 壓縮機的初選 13
3.2 壓縮機的選型計算 14
3.2.1 理論輸氣量的計算 14
3.2.2 軸功率的計算 16
3.3 壓縮機選型 16
3.4 壓縮機的校核 16
3.4.1 壓縮機名義工況下的熱力計算 16
3.4.2 壓縮機的校核計算 18
4 冷凝器設計計算 20
4.1 冷凝器的選擇 20
4.2 冷凝器設計計算 21
4.2.1 有關溫度參數(shù)及冷凝熱負荷確定 21
4.2.3 進行傳熱計算 23
4.3 風機的選擇計算 26
5 蒸發(fā)器選擇計算 28
5.1 蒸發(fā)器的選擇 28
5.2 蒸發(fā)器的計算 29
5.2.1 水流量 29
5.2.2 計算平均溫差 29
5.2.3 體積流量 30
5.2.4 傳熱系數(shù)的計算 30
5.2.5 換熱面積校核 33
6 節(jié)流裝置的選擇 35
6.1 節(jié)流裝置的介紹 35
6.2 節(jié)流前后壓差的計算 35
6.3 節(jié)流裝置的選型 35
7 輔助設備的選型 37
7.1 儲液器的選型 37
7.2 干燥過濾器 38
7.3 視液鏡的選型 39
7.4 電磁閥的選擇 40
7.4.1 電磁閥的工作原理及作用 40
7.4.2 電磁閥的安裝和使用 40
7.5 截止閥選擇 41
7.6 水泵的選擇 41
7.7 膨脹水箱的選型 43
結束語 45
致 謝 46
參考文獻 47
V
1 緒論
1.1 冷水機組概況
隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展進步，和人們生活質(zhì)量的不斷提高，冷水機組在工業(yè)和集中空調(diào)中的應用也越來越多。在工業(yè)中，冷水機組主要應用于產(chǎn)品的生產(chǎn)工業(yè)過程；在生活中，主要應用于各種類型建筑的集中空調(diào)系統(tǒng)，給人們創(chuàng)造一個舒適的生活工作環(huán)境。冷水機組是將壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流機構、控制器件、儀器儀表組裝在一個整體的鋼架上，外部只需接上冷水管、冷卻水管路系統(tǒng)和電源即可使用。冷水機組一般使用在空調(diào)機組和工業(yè)冷卻中，在空調(diào)系統(tǒng)中將冷凍水分配給各末端設備換熱器以冷卻或加熱在其各自的空間以給人創(chuàng)造一個冬夏舒適的工作、生活環(huán)境，然后冷凍水重新回到蒸發(fā)器冷卻；在工業(yè)生產(chǎn)中，冷水機廣泛運用于食品、制藥、醫(yī)療、玻璃、塑膠、焊接、電鍍等各個領域[1]。
常用冷水機組的分類方式及種類如下表所示：
表1-1 常用冷水機組分類
分類方式
種類
按壓縮機形式分
活塞式（往復式）、螺桿式、離心式
按冷凝器冷卻方式分
水冷式、風冷式
按能量利用方式分
單冷型、熱泵型、熱回收型、單冷冰蓄冷雙功能型
按密封方式分
開式、半封閉式、全封閉式
按能量補償不同分
電力補償（壓縮式）、熱能補償（吸收式）
按熱源不同分（吸收式）
熱水型、蒸汽型、直燃型
按燃料種類分
燃油型：柴油、重油
燃氣型：煤氣、天然氣
按冷水出水溫度分
空調(diào)型：7、10、13、15
低溫型：-5~-30
按載冷劑分
水、鹽水、乙二醇
按制冷劑分
R22、R123、R134a
若按制冷機組的壓縮機形式分，可以分為活塞式、螺桿式、離心式等，其中活塞式冷水機組體積小、效率高、維修方便，價格低，加工容易，技術成熟，通常多機并聯(lián)，適應于變工況條件，因此在中、小冷量范圍內(nèi)得到廣泛應用；螺桿式冷水機組以其對變工況運行有較好適應性，對氣體帶液運行不敏感，轉速高、體積小重量輕，動力平衡性好，零部件少，尤其易損件少，運行壽命長，可靠性高，排溫低，容積效率高，操作簡單，易于實現(xiàn)自動化等特點，在大、中冷量范圍內(nèi)得到廣泛應用，并且有向活塞式冷水機組應用的小冷量范圍和離心式冷水機組應用的大冷量范圍擴展的趨勢；而離心式冷水機組具有動平衡特性好，運行平穩(wěn)，振動小，噪聲低；易損件少，故障少，工作可靠，壽命長，維護費用低；制冷量大，性能系數(shù)高，結構緊湊，體積小，重量輕，占地少；自動化程度高，制冷量調(diào)節(jié)方便和范圍寬等特點，廣泛使用在各種大型空調(diào)系統(tǒng)中[2]。
冷水機組若按冷水機組冷凝器的冷卻方式來分，一般分為水冷式和風冷式兩種。水冷式冷水機組是用水冷卻高壓氣態(tài)制冷劑，使之冷凝。采用水冷式冷凝器可以得到比較低的冷凝溫度，這對于制冷系統(tǒng)的制冷能力和運行經(jīng)濟性均較為有利。因此，目前多采用此種制冷方式。而風冷式冷水機組是利用空氣使氣態(tài)制冷劑冷凝，無需冷卻塔、冷卻水循環(huán)管路。因此系統(tǒng)簡單，特別適用于水源缺乏，用水有限制的地方。因此，近幾年來，風冷式冷水機組的應用在我國有增加的趨勢[3]。
本設計選用風冷式冷水機組。
1.2 風冷式冷水機組的特點
風冷式冷水機組是以空氣源為冷熱源，采用電驅(qū)動制冷和制熱，可實現(xiàn)全年性氣候運行的一種機型。它是一種能夠提供冷熱源的獨立完整機組，又可充分利用空氣這個自然能源，因此較之傳統(tǒng)的冷水機組更具有優(yōu)勢和特點：
（1）可在制冷季節(jié)向機組系統(tǒng)提供冷水。在采暖季節(jié)向機組系統(tǒng)提供熱水，是理想的空調(diào)冷熱源；
（2）由于采用風冷模式，可省去傳統(tǒng)系統(tǒng)中一般都需要的冷卻水系統(tǒng)，即不需要設計安裝冷卻塔、冷卻水泵及相關管道，系統(tǒng)設計簡單那，施工方便，安裝快捷；
（3）機組可放置在屋頂及其他適合的露天位置，不必專門建造冷凍機房，可為投資者節(jié)約寶貴的建筑空間；
（4）機組可靈活組合，形成不同的機組容量，滿足用戶不同的需要；
（5）因為機組制冷制熱均使用電力這一清潔的能源，避免了由于燃煤、燃油與燃氣所帶來的排放污染或消防問題，也無冷卻塔的噪音和廢水污染，是典型的“環(huán)境友好”產(chǎn)品。
1.3 原始資料及技術條件
本設計的原始資料及技術條件：（1）制冷溫度：7℃；（2）制冷量：4kW；（3）控制溫度：±1℃；（4）使用環(huán)境溫度：0~35℃；（5）使用環(huán)境相對濕度：≤85%；（6）電源：3φ-380V 50Hz；（7）名義工況：室外空氣干球溫度 32℃，出水溫度12℃、回水溫度7℃；（8）冷卻方式：強制對流風冷；（9）制冷劑：HFC類；（10）安全保護：高壓、低壓、斷水、凍結。
2 制冷工質(zhì)的選擇與系統(tǒng)熱力計算
2.1 制冷劑的選擇
2.1.1 制冷劑的分類
制冷劑是制冷機中的工作介質(zhì)，它在制冷機系統(tǒng)中循環(huán)流動，通過自身熱力狀態(tài)的變化與外界發(fā)生能量交換，從而達到制冷的目的。目前用得較多的制冷劑，按其化學組成主要有三類：無機物、鹵代烴、碳氫化合物。
2.1.1.1 無機物
（1） 氨
氨是應用較廣的中溫制冷劑。沸點-33,3℃，凝固點-77.9℃。氨具有較好的熱力學性質(zhì)和熱物理性質(zhì)，在常溫和普通低溫范圍內(nèi)壓力比較適中。單位容積制冷量大，粘性小，流動阻力小，傳熱性能好。
目前氨用于蒸發(fā)溫度在-65℃以上的大型或中型單級、雙級往復活塞式及螺桿式制冷機中，也有于大容量離心式制冷機中。
（2） 二氧化碳
二氧化碳是一種古老的制冷工質(zhì)，又是一種新興的自然工質(zhì)。干冰是固體二氧化碳的習慣叫法。干冰的三相點參數(shù)為：三相點溫度-56.6℃，三相點壓力520kPa。因此，在大氣壓力下，二氧化碳為固態(tài)或氣態(tài)，不存在液態(tài)。干冰在大氣壓力下的升華熱為573,6kJ/kg，升華溫度為-78.5℃。
二氧化碳作為制冷工質(zhì)可以應用在制冷空調(diào)系統(tǒng)的大部分領域，就目前發(fā)展狀況而言，在汽車空調(diào)、熱泵和復疊式循環(huán)等領域應用前景良好。二氧化碳跨臨界循環(huán)由于排熱溫度高、氣體冷卻器的換熱性能好，因此比較適合汽車空調(diào)這種惡劣的工作環(huán)境。
2.1.1.2 鹵代烴
（1） R134a
R134a（四氟乙烷，CH2FCF3）是被廣泛應用的中溫制冷劑，沸點為-26.26℃，凝固點為-96.6℃；應用于中等蒸發(fā)溫度和低蒸發(fā)溫度的制冷系統(tǒng)中。
R134a無色，毒性很小，不燃燒，不爆炸，是一種很安全的制冷劑。只有在空氣中含量（體積分數(shù)）過大（超過80%）時才會使人窒息。它對大氣臭氧層沒有破壞作用，但全球變暖潛能值為1430。
（2） R22
R22（二氟一氯甲烷，CHF2Cl）也是教常用的中溫制冷劑，在相同的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下，R22比R134a的壓力要高65%左右。R22的沸點為-40.8℃，凝固點為-160℃。它在常溫下的冷凝壓力和單位容積制冷量與氨差不多，比R134a要大，壓縮終溫介于氨和R134a之間，能制取的最低蒸發(fā)溫度約為-80℃。
R22無色，無味，不燃燒，不爆炸，毒性小，但仍然是安全的制冷劑，安全分類為A1。它的傳熱性能與流動性能較好；它屬于不溶于水的物質(zhì)，制冷系統(tǒng)水的含量限制在0.001%以內(nèi)。同時系統(tǒng)內(nèi)應裝設干燥器。
2.1.1.3 碳氫化合物
（1） R600a
常用的碳氫化合物制冷劑為R600a。R600a（異丁烷，i-C4H10）的沸點為-11.73℃，凝固點為-160℃，曾在1920~1930年作為小型制冷裝置的制冷劑，后由于可燃性等原因，被氟利昂制冷劑取代了。在CHCs制冷劑會破壞大氣臭氧層的問題出來后，作為自然制冷劑的R600a又重新得到重視。盡管R134a在許多方面表現(xiàn)出作為R12替代制冷劑的優(yōu)越性，但它仍有較高的GWP值，因此，許多人提倡在制冷溫度較低場合（如電冰箱）用R600a作為R12的永久替代物。
（2） R290
R290的標準沸點和臨界溫度與R22非常接近，臨界壓力比R22低，凝固點比R22低，其基本物理性質(zhì)與R22相當，具備替代R22的基本條件。
R290的最大缺點是具有可燃性和爆炸性。另外R290的蒸氣比體積比R22的大，單位容積制冷量比R22小，這意味著壓縮機的排氣量相同時，R290的制冷量有所減少。
2.1.1.4 混合制冷劑
混合制冷劑是由兩種或兩種以上的純制冷劑以一定的比例混合而成的。按照混合后的溶液是否具有共沸的性質(zhì)，分為共沸制冷劑和非共沸制冷劑兩類。
（1） 共沸制冷劑R502
R502的沸點為-45.4℃，是性能良好的中溫制冷劑，可代替R22用于獲得低溫。當下相同的吸氣溫度和壓力比下，使用R502時壓縮機的排氣溫度比使用R22時低10~25℃。由于R502構成組分中含有大量的R115，因此，它的ODP值較高，在發(fā)達國家也已經(jīng)禁止使用。
（2） 共沸制冷劑R507
R507是一種新的制冷劑，是作為R502的替代物提出來的，其ODP值為零。它的沸點為-46.7℃，與R502的沸點非常接近。相同的工況下，它的制冷系數(shù)比R502略低，容積制冷量比R502略高，壓縮機排氣溫度比R502略低，冷凝壓力比R502略高，壓比略高于R502。它不溶于礦物油，但能溶于聚酯類潤滑油。凡事能用R502的場合，都可以用R507來替代。
（3） 非共沸混合制冷劑R407C
R407C是一種三元非共沸混合制冷劑，它是作為R22的替代物而提出的。在壓力為標準大氣壓時，其泡點溫度為-43.4℃，露點溫度為-36.1℃，與R22的沸點較接近。由于R407C的泡點與露點溫差較大，在使用時最好將換熱器做成逆流形式，以充分發(fā)揮非共沸混合制冷劑的優(yōu)勢。
（4） 非共沸混合制冷劑R410A
R410A 是一種兩元混合制冷劑，它的泡露點溫差僅0.2℃，可稱之為進共沸混合制冷劑。它也是作為R22的替代物提出來的。雖然在一定的溫度下它的飽和蒸汽壓力比R22和R407C的均要高一些，但它的其他性能比R407C的要優(yōu)越。與R407C相比較，尤其是在低溫工況使用R410A 的制冷系統(tǒng)具有更小的體積（容積制冷量大），更高的能量利用率。但在R22的制冷系統(tǒng)里，R410A 不能直接用來替換R22，在使用R410A 時要使用專門的制冷壓縮機，而不能用R22的制冷壓縮機。
2.1.2 制冷劑的性能要求
2.1.2.1 熱力學性能方面的要求
（1）在工作溫度范圍內(nèi)有合適的壓力和壓力比，即希望蒸發(fā)壓力不低于大氣壓力，避免制冷系統(tǒng)的低壓部分出現(xiàn)負壓，使外界空氣滲入系統(tǒng)，影響制冷劑的性質(zhì)或加劇對設備材料的腐蝕或引起其他一些不良后果（如燃燒、爆炸等）；冷凝壓力不要過高，以免設備過分笨重；冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比也不宜過大，以免壓縮終了的溫度過高或使往復活塞式壓縮機的輸氣系數(shù)過低。
（2）通常希望單位制冷量q0和單位容積制冷量qv比較大。因為對于總制冷量一定的裝置，q0大，可減少制冷劑的循環(huán)量；qv大，可以減少壓縮機的輸氣量，故可縮小壓縮機的尺寸。這對大型制冷裝置是有意義的。但對于離心式壓縮機，尺寸過小會帶來制造上的困難，因此必須采用q0和qv稍小的制冷劑。
（3）比功w和單位容積壓縮功wv小，循環(huán)效率高。
（4）等熵壓縮的終了溫度t2不太高，以免潤滑條件惡化（潤滑油粘性下降、結焦）或制冷劑自身在高溫下分解。
2.1.2.2 遷移性質(zhì)的要求
（1）粘度、密度盡量小，這樣可減少制冷劑在系統(tǒng)中的流動阻力以及制冷劑的充注量。
（2）熱導率大，這樣可以提高熱交換設備（如蒸發(fā)器、冷凝器、回熱器等）的傳熱系數(shù)，減少傳熱面積，使系統(tǒng)結構緊湊。
2.1.2.3 物理化學性質(zhì)方面的要求
（1）無毒、不燃燒、不爆炸、使用安全。
（2）化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，制冷劑要經(jīng)得起蒸發(fā)和冷凝的循環(huán)變化，使用中不變質(zhì)，不與潤滑油反應，不腐蝕制冷機構件，在壓縮終了的高溫下不分解。
（3）對大氣環(huán)境無破壞作用，即不破壞大氣臭氧層，沒有溫室效應。
2.1.2.4 其他方面的要求
原料來源充足，制造工藝簡單，價格便宜[4]。
2.1.3 制冷劑的選擇
綜上所述，本設計用R134a作為制冷劑。R134a作為中溫制冷劑，具有無色，毒性小，不燃燒，不爆炸，水溶性小，不與金屬發(fā)生化學反應等優(yōu)點，其基本的熱力性質(zhì)如下表所示[5]：
表2-1 R134a熱力性能
分子式
CH2FCF3
分子量
102.03
沸點，℃
-26.26
凝固點，℃
-96.6
臨界溫度，℃
101.1
臨界壓力，MPa
4.01
飽和液體密度25℃，（g/cm3）
1.207
液體比熱25℃，[kJ/(Kg?℃)]
1.51
溶解度（水中，25℃）%
0.15
破壞臭氧潛能值（ODP）
0
全球變暖系數(shù)值（GWP）
1430
臨界密度，g/cm3
0.512
費點下蒸發(fā)潛能，KJ/Kg
215.0
數(shù)據(jù)來源：2003年李惠黎 任建綱編著《環(huán)保型制冷劑—氫氟烴的生產(chǎn)、性質(zhì)及應用》
2.2 載冷劑的選擇
在制冷裝置中，蒸發(fā)器向載冷劑輸出冷量，載冷劑向末端設備輸出冷量。
采用載冷劑的優(yōu)點是可以使制冷系統(tǒng)集中在較小的場所，因而可以減小制冷機系統(tǒng)的容積及制冷劑的充注量；且因載冷劑的熱容量大，被卻冷卻對象的溫度易于保持恒定。其缺點是系統(tǒng)比不用載冷劑時復雜，且增大了被冷卻物和制冷劑間的溫差，需要較低的制冷機蒸發(fā)溫度。
2.2.1 載冷劑的分類
(1)水
水可以用來作為蒸發(fā)溫度高于0℃的制冷裝置中的載冷劑。由于水價格低廉，容易獲得，傳熱性能較好，因此在空調(diào)裝置及某些0℃以上的冷卻過程中廣泛地用作載冷劑。它的缺點是不能用于0℃以下的系統(tǒng)。
(2) 鹽水
鹽類，如氯化鈉，氯化鈣等的水溶液，稱為鹽水。鹽水的冰點比純水低，因此在蒸發(fā)溫度低于0℃的制冷裝置中可用作載冷劑。它的主要缺點是對一些金屬材料要產(chǎn)生腐蝕。
(3) 有機化合物及水溶液
某些有機化合物，如乙二醇水溶液，二氯甲烷，三氯乙烯，具有較低的凝固溫度，可用作低溫載冷劑。他們的主要缺點是相對與水而言比熱容較小，某些化合物還有一定的毒性。
2.2.2 載冷劑的選擇原則
載冷劑的選擇原則如下所示：(1)不污染環(huán)境，應是環(huán)境可接受物質(zhì)，最好是天然物質(zhì)；(2)載冷劑在工作溫度下應處于液體狀態(tài)，其凝固溫度應低于工作溫度，沸點應高于工作溫度；(3)比熱容要大，在傳遞一定的冷量時，可使流量減小，因而可以提高循環(huán)的經(jīng)濟性，或減小輸送載冷劑的泵功率消耗和管道的材料消耗；(4)密度小，載冷劑的密度小可使循環(huán)泵的功率減?。?5)粘度小，采用粘度小的載冷劑可使流動阻力減少，循環(huán)泵功率減小；(6)化學穩(wěn)定性好，載冷劑在工作溫度下不分解，不與空氣中的氧氣起化學變化，不發(fā)生物理化學性質(zhì)的變化；(7)不腐蝕設備和管道；(8)載冷劑應不燃燒、不爆炸、無毒、對人體無害；(9)價格低廉，便于獲得[6]。
由于本設計進水溫度為12℃，出水溫度為7℃，所以選用最常用的水作為載冷劑。
2.3 系統(tǒng)熱力計算
2.3.1 幾個狀態(tài)溫度點的確定
（1）設定冷凝溫度：制冷劑冷凝溫度等于外界環(huán)境溫度加上冷凝傳熱溫差，風冷冷凝器傳熱溫差一般為15℃，取 tk = 50℃。
(2)設定蒸發(fā)溫度：蒸發(fā)溫度一般比載冷劑出口溫度低4~6℃，取5℃，故t0 = 2℃。
(3)設定過熱溫度：壓縮機的吸氣溫度根據(jù)管道中的傳熱情況，或根據(jù)標準規(guī)定的過熱度確定?！鱰sh取2℃。
（4）設定過冷度：在冷凝壓力下，制冷劑液體的過冷溫度與冷凝溫度的差值，稱為過冷度?！鱰sc取5℃。
2.3.2 熱力計算
根據(jù)所確定的工作參數(shù)，設計工況如下表：
表2-2 設計工況表
蒸發(fā)溫度
2℃
冷凝溫度
50℃
過熱度
2℃
過冷度
5℃
制冷系統(tǒng)理論循環(huán)p-h圖如下圖所示：
圖2-1制冷系統(tǒng)理論循環(huán)p-h圖
各點的狀態(tài)參數(shù)如下表所示：
表2-3 各狀態(tài)點的參數(shù)值
狀態(tài)點
0
315
2
399.65
1
315
4
0.06531
401.43
1.7321
2s
1160
56.87
431.55
1.7321
2
1160
63.40
439.08
3
1160
50
271.52
4
1160
45
263.90
5
315
2
263.90
數(shù)據(jù)來源：制冷劑查詢軟件
熱力循環(huán)計算如下：
（1）單位制冷量q0
（2-1）
（2）單位容積制冷量qv
（2-2）
（3）理論比功w0
（2-3）
（4）單位指示功wi
（2-4）
（5）壓比
（2-5）
（6）單位冷凝熱qk
（2-6）
（7）制冷劑的質(zhì)量流量qm
（2-7）
（8）制冷系數(shù)
（2-8）
（9） 壓縮機的實際輸氣量Va
（2-9）
(10)壓縮機理論功率P0
（2-10）
（11）壓縮機的指示功率Pi（取壓縮機指示效率為）
（2-11）
（12）壓縮機的軸功率Pe（取機械效率）
（2-12）
（13）壓縮機的電功率Pel（電動機效率）
（2-13）
（14）冷凝器的熱負荷Qk
（2-14）
（15）性能系數(shù)COP
（2-15）
3 壓縮機的選型計算
壓縮機可謂是一臺制冷設備的心臟部件，它壓縮制冷劑，使其壓力升高，產(chǎn)生高溫高壓的制冷劑蒸汽。在蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)中，各種類型的制冷壓縮機是決定系統(tǒng)制冷能力大小的關鍵部件，對輸氣量起著決定性作用，對系統(tǒng)的運行性能、噪聲、振動、維護和使用壽命等均有直接的影響。
3.1 壓縮機的分類與初選
3.1.1 壓縮機的分類
按提高氣體壓力的原理不同，制冷壓縮機分為容積型制冷壓縮機和速度型制冷壓縮機。屬于容積型的制冷壓縮機主要有往復式（又稱活塞式）、螺桿式、渦旋式、滾動轉子式、滑片式和回轉式等形式。速度型壓縮機有離心式和軸流式兩種。
壓縮機按密封方式可分為三種：全封閉制冷壓縮機，半封閉制冷壓縮機和開啟式制冷壓縮機。
按工作蒸發(fā)溫度范圍可分為：高溫制冷壓縮機（﹣10~0）℃，中溫制冷壓縮機（﹣15~0）℃，低溫制冷壓縮機（﹣40~﹣15）℃[7]。
3.1.2 壓縮機的初選
在大中制冷量范圍內(nèi)，長期以來主要使用的是活塞式、螺桿式和離心式三種機型。這三種機型各有特點和適用范圍。
離心式壓縮機：制冷量350kW以上選用；
螺桿式壓縮機：制冷量在150kW～1500kW之間選用；
活塞式壓縮機：制冷量小于200kW時候選用。
針對本設計課題，選用全封閉活塞式制冷壓縮機，原因有以下幾個：
(1)往復式壓縮機能適應較廣的壓力范圍和制冷量的要求。
(2)熱效率高，單位耗電量較少，特別在偏離設計工況時更明顯。
(3)對材料要求低，多用普通鋼鐵材料，加工比較容易，造價較低廉。
(4)技術上較為成熟，生產(chǎn)使用上積累了豐富的經(jīng)驗。
(5)采用全封閉式，可以有效的防止制冷劑的泄露。
綜上所述，選用全封閉活塞式制冷壓縮機。
3.2 壓縮機的選型計算
采用全封閉活塞式制冷壓縮機，根據(jù)壓縮機的理論排氣量和軸功率來選取。
3.2.1 理論輸氣量的計算
由熱力計算可知壓縮機的實際輸氣量：
（3-1）
壓縮機的理論輸氣量：
（3-2）
輸氣系數(shù)：
（3-3）
——壓縮機的容積系數(shù)；
——壓縮機的壓力系數(shù)；
——壓縮機的溫度系數(shù)；
——壓縮機的泄露系數(shù)；
以上數(shù)據(jù)現(xiàn)分別計算如下：
壓縮機的容積系數(shù)：
（3-4）
——相對余隙容積，取值范圍是2.5%~6%，?。?
——等端點膨脹多變過程指數(shù)，取值范圍是0.95~1.05，??；
——壓力比，由熱力計算可知，；
——排氣終了相對壓力損失，取值范圍是0.10~0.15，?。?
將以上數(shù)據(jù)代入公式可知：
（3-5）
壓縮機的壓力系數(shù)：
（3-6）
——吸氣終了的相對壓力損失，取值范圍是0.06~0.08，?。?
將以上數(shù)據(jù)代入公式可知：
（3-7）
壓縮機的泄露系數(shù)：
由于采用全封閉式壓縮機，故可取為。
壓縮機的溫度系數(shù)：
（3-8）
——蒸發(fā)溫度，；
——反應壓縮機吸氣終了時的溫度受冷凝溫度影響的系數(shù)，取值范圍是1~1.15，取；
——吸氣過熱度，；
——冷凝溫度，；
——反應壓縮機向周圍空氣散熱對壓縮機吸氣終了時溫度影響的系數(shù)，查圖（吳業(yè)正主編，《制冷壓縮機》第2版）可得，；
將以上數(shù)據(jù)代入公式可知：
（3-9）
故，壓縮機的輸氣系數(shù)為：
（3-10）
故，壓縮機的理論輸氣量為：
（3-11）
3.2.2 軸功率的計算
由熱力計算可知，壓縮機的軸功率為：
（3-12）
電機輸入功率：
（3-13）
3.3 壓縮機選型
綜合以上計算數(shù)據(jù)可知：壓縮機的軸功率，理論排氣量，制冷量為。
故選用丹弗斯的全封閉活塞式壓縮機，其型號是MTZ36—4，主要性能參數(shù)如下：
名義工況：℃，℃，過熱度5℃，過冷度0℃，額定制冷量，名義工況下的理論排氣量，名義工況下的軸功率，氣缸數(shù)為1個。
3.4 壓縮機的校核
壓縮機一般有三個工況：名義工況，運行工況和試驗工況。名義工況即壓縮機銘牌上所給出的工況，運行工況時用戶在使用時的工況。一般說來，壓縮機的名義工況和運行工況并不相同。這時，為了保障所選用壓縮機能夠正常使用，故需要對壓縮你進行校核。
3.4.1 壓縮機名義工況下的熱力計算
仍采用單級壓縮制冷循環(huán)，無回熱系統(tǒng)，其圖如下圖所示：
圖3-1 圖
各狀態(tài)點參數(shù)值如下表所示：
表3-1 各狀態(tài)點參數(shù)值
狀態(tài)點
℃
0
0
620
386.22
—
1
10
620
397.38
0.03887
2s
66.16
2311
429.20
—
2
71.47
2311
437.16
—
3
50
2311
282.03
—
4
0
620
282.03
—
數(shù)據(jù)來源：制冷劑查詢軟件
單位質(zhì)量制冷量：
（3-14）
單位理論功：
（3-15）
質(zhì)量流量：
（3-16）
實際輸氣量：
（3-17）
輸氣系數(shù)：
（3-18）
單位容積制冷量：
（3-19）
3.4.2 壓縮機的校核計算
壓縮機的校核，所要達到的目的是：計算出運行工況下的制冷量及軸功率，讓它們分別和設計所得的制冷量及軸功率相比較，如果前者比后者大，壓縮機即可滿足要求，視為合格。
為了獲得運行工況下的壓縮機性能參數(shù)，可以有兩條途徑進行。分別如下：
（1） 查壓縮機生產(chǎn)廠商提供的全性能曲線圖，可以很方便的查出實驗范圍內(nèi)任意工況的性能，如制冷量，輸入功率或軸功率等。但是此種方法的誤差過大。
（2） 利用換算公式。換算的依據(jù)是當轉速不變時，給定的壓縮機理論輸氣量不變。
現(xiàn)采用第二種方法，利用換算公式計算如下：
運行工況下的制冷量
（3-20）
——名義工況下的壓縮機制冷量，；
——運行工況下的單位容積制冷量，；
——運行工況下的輸氣系數(shù)，；
——名義工況下的單位容積制冷量，；
——名義工況下的輸氣系數(shù)，；
代入公式，可得運行工況下的制冷量：
（3-21）
故運行工況下的制冷量滿足要求。
運行工況下的軸功率
（3-22）
式中和分別是名義工況和運行工況下的軸效率，兩者變化不大，可視為相等。
——名義工況下的軸功率，；
——運行工況下的單位理論功，；
——運行工況下的比體積，；
——名義工況下的單位理論功，；
——名義工況下的比體積，；
將以上數(shù)據(jù)代入公式，可得運行工況下的軸功率
>（3-23）
故運行工況下的軸功率也滿足要求。
綜上所述，該壓縮機選型正確。
壓縮機的外形圖如下所示：
圖3-2 壓縮機外形圖
4 冷凝器設計計算
4.1 冷凝器的選擇
冷凝器是制冷裝置的主要熱交換設備之一。它的任務是通過環(huán)境介質(zhì)（水或空氣）將壓縮機排出的高壓過熱蒸汽冷卻、冷凝成為飽和液體，甚至過冷液體[8]。
冷凝器按冷卻方式可分為三類：水冷式冷凝器，空氣冷卻式冷凝器，蒸發(fā)式冷凝器。本設計使用空氣冷卻式冷凝器。這種冷凝器以空氣為冷卻介質(zhì)，制冷劑在管內(nèi)冷凝，空氣在管外流動，吸收管內(nèi)制冷劑蒸汽放出的熱量。由于空氣的傳熱系數(shù)較小，管外（空氣側）常常需要設置肋片，以強化管外換熱。按空氣流動的方式不同，此類冷凝器分為空氣自由運動和空氣強制運動兩種形式。
(1)空氣自由運動的空冷冷凝器
該冷凝器利用空氣在管外流動時吸收制冷劑排放的熱量后，密度發(fā)生變化引起空氣的自由流動而不斷地帶走制冷劑蒸汽的凝結熱。它不需要風機，沒有噪音，多用于小型制冷裝置。目前應用非常普遍的是絲管式結構的空氣自由運動式冷凝器。
(2)空氣強制流動的空冷冷凝器
它是由一組或幾組帶有肋片的蛇管組成。制冷劑蒸汽全從上部集管進入蛇管，其管外肋片用以強化空氣側換熱，補償空氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)過低的缺陷。肋片一般采用δ=0.2~0.4mm的鋁片制成，套在?10 mm~16mm的銅管外，由彎頭連接成蛇管管組。肋片根部用二次翻邊與管外壁接觸，經(jīng)機械或液壓脹管后，兩者緊密接觸以減少其傳熱熱阻。一般肋片距離在2~4 mm范圍。由低噪聲軸流式通風機迫使空氣流過肋片間隙，通過肋片及管外壁與管內(nèi)制冷劑蒸汽進行熱交換，將其冷凝成為液體。這種冷凝器的傳熱系數(shù)較空氣自由流動型冷凝器的高，約為25~50W/(m2·K)。適用于中、小型氟利昂制冷裝置。它具有結構緊湊、換熱效果好、制造簡單等優(yōu)點。純銅管鋁肋片空氣強制流動熱交換器的典型結構參數(shù)：一般60 kW以下的裝置多采用?10 mm純銅管，管間距25mm；或?12mm純銅管，管間距35mm，管壁厚度為δ錯誤！未找到引用源。t = 0.5~1.0 mm；其肋管排列方式可順排，也可叉排；肋片間距在2.0~2.5 mm范圍。其空氣強制流動速度，從經(jīng)濟實用考慮一般將其迎面風速控制在2.5~3.5 m/s 范圍內(nèi)。冷凝溫度tk和空氣進出冷凝器的溫度，對冷凝器的性能具有不可小視的影響。一般tk越高，傳熱溫差越大，傳熱面積將隨傳熱溫差增大而減小。由此會引起壓縮機耗功增大，排氣溫度上升。所以綜合各方面影響因素考慮，tk與進風口溫度之差應控制在15錯誤！未找到引用源?！孀笥?；空氣進出冷凝器的溫差一般取8~10℃。在結構方面，沿空氣流動方向的管排數(shù)越多，則后面排管的傳熱量越小，使換熱能力不能得到充分利用。為提高換熱面積的利用率，管排數(shù)以取2~6排為好[9]。
本設計的是4的小型工業(yè)用冷水機組，根據(jù)設計要求，故選擇翅片管式強制對流風冷冷凝器。
圖4-1 空冷式冷凝器主體參數(shù)示意圖
4.2 冷凝器設計計算
4.2.1 有關溫度參數(shù)及冷凝熱負荷確定
各有關溫度參數(shù)取值如下表所示：
表4-1 溫度參數(shù)值
項目
參數(shù)值/℃
項目
參數(shù)值/℃
冷凝溫度tk
50
進出口空氣溫差ta2-ta1
10
進口空氣干球溫度ta1
32
出口空氣干球溫度ta2
42
對數(shù)平均溫差
℃ （4-1）
由熱力計算可知
（4-2）
4.2.2 翅片管簇結構參數(shù)及計算
選擇的紫銅管為傳熱管，選用的翅片厚度的波紋形整張鋁制套片。取翅片節(jié)距，迎風面上管中心距，管簇采用正三角形叉排。
表4-2 鋁片厚度及翅片節(jié)距范圍（單位為mm）
子銅管規(guī)格
翅片厚度
翅片節(jié)距
0.15~0.2
1.8~2.2
0.15~0.2
1.8~2.2
0.2~0.3
2.2~3
數(shù)據(jù)來源：1998年吳業(yè)正主編，《小型制冷裝置設計指導》
圖4-2 翅片管簇結構參數(shù)示意圖
每米管長各有關傳熱面積分別為
單位管長翅片面積
（4-3）
單位管長基管面積
（4-4）
單位管長管外表面積
（4-5）
單位管長管內(nèi)面積
（4-6）
出風溫度
℃ （4-7）
空氣平均溫度
℃ （4-8）
取當?shù)卮髿鈮?，在空氣平均溫度℃條件下，由(干空氣)物理性質(zhì)表（《傳熱學》陶文銓第四版P559），利用插值法可得：
冷凝器所需空氣體積流量
（4-9）
選取迎面風速，則迎風面積
（4-10）
取冷凝器迎風面寬度即有效單管長，則冷凝器的迎風面高度
（4-11）
迎風面上管排數(shù)
排 （4-12）
4.2.3 進行傳熱計算
確定所需傳熱面積、翅片管總長及空氣流通方向上的管排數(shù)。
預計冷凝器在空氣流通方向上的管排數(shù)，則翅片寬度
（4-13）
微元最窄截面的當量直徑
（4-14）
最窄截面風速
（4-15）
因為
（4-16）
查表3-18和表 3-19（《小型制冷裝置知道》（吳業(yè)正））用插入法求得，，，，則空氣側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
（4-17）
查表3-11，（《小型制冷裝置指導》（吳業(yè)正））。R134a在℃物性集合系數(shù)，氟利昂在管內(nèi)凝結的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
（4-18）
翅片相當高度
（4-19）
其中，等邊三角形叉排。
取鋁片熱導率，翅片參數(shù)
（4-20）
翅片效率
（4-21）
表面效率
（4-22）
忽略各有關污垢熱阻及接觸熱阻的影響，則，
（4-23）
經(jīng)整理得
（4-24）
解上式得℃，則R134a在管內(nèi)的凝結表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
（4-25）
取管壁與翅片間接觸熱阻、空氣側塵埃垢層熱阻、紫銅管熱導率，則冷凝器的總傳熱系數(shù)
（4-26）
其中，為紫銅管每米管長平均面積
（4-27）
冷凝器的所需傳熱面積
（4-28）
所需有效翅片管總長
（4-29）
空氣流通方向上的管排數(shù)
排 （4-30）
取整數(shù)排，與計算空氣側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時預計的空氣流通方向上的管排數(shù)相符。
因此，冷凝器的實際有效總管長為
（4-31）
實際傳熱面積為
（4-32）
較傳熱計算所需傳熱面積大，能滿足冷凝負荷的傳熱要求。此外，冷凝器的實際迎面風速與所去迎面風速相一致。
4.3 風機的選擇計算
由于冷凝器的迎風面寬度、高度，安裝一臺風機比較合適。
動壓
（4-33）
靜壓
（4-34）
風機采用電動機直接傳動，則傳動效率；取風機全壓效率，則電動機輸入功率
（4-35）
故采用一臺風機，每臺風機風量為、輸入功率為、風壓為，現(xiàn)選用350FZL-01型風機，其具體參數(shù)如下：
表4-3 風機參數(shù)
風量
1800
風葉直徑
350
全壓
98
電壓
380
輸入功率
80
轉速
1400
數(shù)據(jù)來源：1998年吳業(yè)正主編，《小型制冷裝置設計指導》
5 蒸發(fā)器選擇計算
5.1 蒸發(fā)器的選擇
蒸發(fā)器的作用是使蒸發(fā)的制冷劑與被冷卻對象進行熱交換，以使被冷卻物體或空間降溫。在制冷機中，它是吸收熱量的設備。
蒸發(fā)器的種類很多，適用場合也不同。蒸發(fā)器的設計，就是根據(jù)不同的使用目的，進行型式選擇和傳熱與機構計算，以達到最佳的使用效果。
由于被冷卻對象的不同，蒸發(fā)器傳熱方式也不同。根據(jù)被冷卻對象的不同，正確分析傳熱方式，才能正確進行計算。按被冷卻對象的集態(tài)，蒸發(fā)器可以分為冷卻固體用、冷卻液體用和冷卻氣體用三類。本次設計采用冷卻液體。冷卻液體用蒸發(fā)器中的被冷卻介質(zhì)是液體， 傳熱壁面與被冷卻介質(zhì)之間是對流換熱。冷水機組的蒸發(fā)器、鹽水制冰的蒸發(fā)器均是冷卻液體用蒸發(fā)器。這類蒸發(fā)器用途廣泛，種類也很多。
蒸發(fā)器用于冷卻液體載冷劑，則液體載冷劑的循環(huán)方式有開式和閉式兩種。開式循環(huán)指載冷劑與環(huán)境空氣相接觸，載冷劑在離開蒸發(fā)器即為常壓。開式循環(huán)能耗較大，載冷劑易吸收空氣中的水蒸氣，易進入灰塵和雜物。開式循環(huán)常用于鹽水制冰、肉禽預冷等場合。閉式循環(huán)指載冷劑密封在載冷劑系統(tǒng)中，僅在系統(tǒng)最高處有一管口與大氣環(huán)境相通。閉式循環(huán)可利用重力回流、能耗較少、載冷劑不易稀釋和污染；但系統(tǒng)初投資較多、需設膨脹容器[10]。閉式循環(huán)常用于集中空調(diào)、工業(yè)生產(chǎn)中的工藝冷卻等場合。本設計采用閉式循環(huán)。
綜上所述，本系統(tǒng)選用的載冷劑為水，選用整體式釬焊板式換熱器為蒸發(fā)器。
根據(jù)本系統(tǒng)的制冷量4kW，初步選定使用寧波高力科技有限公司生產(chǎn)的k105型板式換熱器，其具體參數(shù)如下表所示：
表5-1 蒸發(fā)器型號
銅/錫焊
型式
使用壓力/測試壓力
工作溫度
傳熱面積
L
重量
容積
m2
mm
kg
L
K105×18
銅焊：300bar/43bar
錫焊：10bar/15bar-160℃~200℃
0.959
54
7.82
1.812
K105×26
1.386
73
9.74
2.665
K105×30
1.599
82
10.70
3.091
K105×34
1.812
92
11.66
3.518
K105×40
2.025
106
13.10
4.157
K105×48
2.558
126
15.02
5.010
K105×50
2.665
130
15.50
5.223
K105×60
3.198
154
17.90
6.289
K105×80
4.264
202
22.70
8.421
表5-2 接頭規(guī)格表
PT/NPT/GB外牙
PT/NPT/GB內(nèi)牙
螺紋接頭
、、、
、、、
焊制接頭
9.73、12.9、16.15、19.25、22.36、25.6、28.8、32.5
其中，板片總數(shù)為