制冷系统设计
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课 程 设 计 设计题目 南京市某空调制冷机房 姓 名 院 系 专 业 年 级 学 号 指导教师 年 月 日 目 录 0 设计任务 1 1 前言 1 2 课程设计题目及数据 2 3 制冷机组的类型及条件 2 3 1 初参数 2 3 2 确定制冷剂种类和系统形式 2 3 3 确定制冷系统设计工况 2 3 3 1 冷凝温度的确定 2 3 3 2 蒸发温度的确定 3 3 3 3 过冷温度的确定 3 3 3 4 过热温度的确定 3 3 3 5 制冷系统理论循环 p h 图 4 4 制冷系统热力计算 5 5 制冷压缩机型号及台数 6 5 1 压缩机形式的选择 6 5 2 压缩机台数的选择 7 5 3 压缩机级数的选择 7 5 4 电机的选择 7 6 冷凝器的选择计算 7 6 1 冷凝器的选择 7 6 2 冷凝器热负荷计算 7 6 3 冷凝器的已知参数 8 6 4 计算肋管特性参数 8 6 5 计算平均传热温差 8 6 6 冷却水流量 9 6 7 概算所需传热面积 9 6 8 初步规划冷凝器结构 9 6 9 计算水侧的换热系数 9 6 10 计算制冷剂测得冷凝换热系数 10 6 10 1 求水平光管管外冷凝换热系数 10 6 10 2 计算水平肋管外的冷凝换热系数 10 6 10 3 计算水平肋管束外冷凝换热系 11 6 11 实际的热流密度 11 6 12 计算实际传热面积 11 6 13 冷凝器的类型 12 7 蒸发器的选择计 算 12 7 1 蒸发器的预 选 12 7 2 蒸发温度与传热温差的确 定 12 7 3 换热面积的计 算 12 7 4 蒸发器风量的确 定 12 7 5 风机的选 择 12 8 冷却水系统的选 择 13 8 1 冷却 塔 13 8 2 水泵的选 型 13 8 2 1 水泵扬 程 13 8 2 2 阻力计 算 13 9 冷冻水系统的选 择 14 10 管径的计算 14 11 其它辅助膨胀阀的选择计算 15 11 1 膨胀阀的选择 15 11 2 贮液器的选择计算 15 11 3 油氨分离器的选择计算 15 11 4 气液分离器的选择计算 15 11 5 集油器的选择计算 16 11 6 不凝性气体分离器的选择计算 16 12 制冷机组与管道的保温 16 13 设备清单及附图 16 14 参考文献 17 0 0 设计任务 设计一南京地区用制冷系统 采用空冷式直接制冷 制冷量定为 100K 制 冷剂为氨 冷却水进出口温度为 27 30 1 前 言 近 50 年来 随着现代科学技术的飞速发展 制冷技术以日新月异的速度发 生变化 并且 正在现代国民经济 人民生活 国防科研 文化艺术等领域中 发挥着日益重要的作用 我国是最早利用天然冷源的国家之一 随着社会进步 制冷技术已经广泛应用到各个行业 制冷技术的作用更是不可替代的 因此设计制冷系统已成为重要的环节 制冷系统的设计 无论是厂家装配 成的整体机组 还是现场组装的系统 主要是选择制冷压缩机 冷凝器 蒸发 器 节流机构以及风机 电动机和自动控制设备等 其步骤是根据给定的冷冻 水温度 或被冷却的空气温度 流量和所采用的冷却水 或冷却用空气 入口温 度 流量 确定该制冷系统的设计工况 即选定蒸发温度和冷凝温度等系统的内 在参数设计值 然后 按照设计工况选择该制冷系统的各个组成设备 使之在 运行过程各个设备的相互匹配 以充分发挥每个设备的工作能力 但是 一个制冷机组或制冷系统 在实际运行过程中 当外在参数 既冷凝 器和蒸发器所通过的水流量或空气流量 以及水或空气的入口温度等 在一定范 围内改变时 该机组成系统的性能如何变化 选定的各个组成设备是否匹配恰 当 都是在设计中要考虑的问题 此外 设计完成 制冷作业安全技术 正确 操作制冷设备 是我们在具体操作时的必然选择 1 2 课程设计题目及数据 课程设计题目 南京市某空调制冷机房 制冷系统采用空冷式直接制冷 空调制冷量定为 100KW 数据 制冷剂为 氨 R717 冷却水进出口温度为 27 30 南京市空调设计干球温度为 35 2 湿球温度为 28 设计内容 设计一南京地区用制冷系统 采用空冷式直接制冷 制冷量定为 100K 制 冷剂为氨 冷却水进出口温度为 27 30 3 制冷机组的类型及条件 3 1 初参数 1 制冷系统主要提供空调用冷冻水 供水与回水温度为 7 12 空调 制冷量定为 100KW 2 制冷剂为 氨 R717 3 冷却水进出口温度为 27 30 4 南京市空调设计干球温度为 35 2 湿球温度为 28 3 2 确定制冷剂种类和系统形式 根据设计的数据及要求 本制冷系统为 100KW 的氨制冷系统 因为制冷总负荷为 100KW 所以可选双螺杆制冷压缩机来满足制冷量要求 3 3 确定制冷系统设计工况 3 3 1 冷凝温度 的确定 从 制冷工程设计手册 中查到南京地区夏季室外平均每年不保证 50h 的 湿球温度 Ct 28s 对于使用冷却水塔的循环水系统 冷却水进水温度按下式计算 3 1 ss 1 式中 冷却水进冷凝器温度 2 当地夏季室外平均每年不保证 50h 的湿球温度 安全值 对于机械通风冷却塔 2 4 则代入数据有冷却水进水温度 31281 ts 冷却水出冷凝器的温度 按下式确定 选用卧式壳管式冷凝器 2 4 3 2 代入上面算出的数据有 31 3 34 注意 通常不超过 35 系统以水为冷却介质 其传热温差取 4 6 则冷凝温度为 若系统以水为载冷剂 其 传热温差为 3 3 42 tsc 式中 冷凝温度 代入数据有冷凝温度 34 4 38 3 3 2 蒸发温度 的确定 则蒸发温度为 3 4 te 对于本设计系统 2 因此不采用液体过冷 即 0 式中 载冷 剂的温度 一般对于冷却淡水和盐水的蒸发器 其传热温差取 5 本制冷机房用空冷式蒸发器 则制冷剂的蒸发温度 25 7 te 3 3 3 过冷温度 的确定 对于一般的空气调节用制冷装置 不采用液体过冷 对于大型的蒸发温度 较低 5 的制冷装置 在条件许可时使用液体过冷 也就是不考虑过冷温度 3 3 4 过热温度 tr的确定 压缩机吸气口温度 的确定 3 通常 3 5 式中对于一般氨压缩机 代入数据有过热温度 3 3 5 制冷系统理论循环 p h 图 根据题意绘制的 p h 图 并查表求得各状态参数 图 3 1 查有关资料 确定压力 Pe 436 34 kPa Pc 1472 4 kPa 比容 10 27 kgm 3 20 087 kg 3 焓值 h 1459KJ h 1660KJ h34380 kgKJ 4 4 制冷系统热力计算 1 单位质量制冷量 的计算 4 1 410hq 代入数据有 1459 380 kgKJ 1079 kgJ 2 单位冷凝负荷 k的计算 4 2 hq32 代入数据有 kgKJ180 6k 3 单位理论压缩功 c的计算 4 3 hw12c 代入数据有 kgKJ20459 6 4 单位容积制冷量 的计算 4 4 vq10 代入数据有 399627 9m3kJ 5 制冷剂质量流量 Mr的计算 4 5 qQ0 代入数据有 923 17rskg 6 压缩机吸入制冷剂蒸汽的体积流量 Vr的计算 4 6 vqQr0V 5 代入数据有 025 3961V rs3m 7 冷凝器热负荷 的计算 k 4 7 qr M 代入数据有 kw1 82093 k 8 压缩机所需的理论耗功率 pth的计算 4 8 crp th 代入数据有 kw52 180923 th 9 制冷系数 t的计算 4 9 thtp0 代入数据有 39 52 18 t 10 逆卡诺循环制冷系数 c的计算 4 10 kcT 代入数据有 64 725 31 11 制冷系数 R的计算 4 11 cth 代入数据有 71 064 395R 5 制冷压缩机型号及台数的确定 5 1 压缩机形式的选择 根据已知参数 预选螺杆式压缩机 6 5 2 压缩机台数的选择 查 实用制冷工程设计手册 根据制冷机组冷负荷 100KW 选择压缩机 选 用 KA12 5 12 型压缩机 其标准工况下的制冷量为 137KW 大于 100KW 符合要 求 压缩机台数 应根据总制冷量来确定 5 1 gQ0m 式中 压缩机台数 台 每台压缩机设计工况下的制冷量 代入数据有 台 73 01 因此 选择 1 台 KA12 5 12 型压缩机 5 3 压缩机级数的选择 选择依据 压缩机级数应根据设计工况的冷凝压力与蒸发压力之比来确定 一般若以氨为制冷剂 当 时 应采用单级压缩机 当 时 则应采用两级压缩机 所以 对于本设计制冷系统中 8 因此 本设计制冷37 4 612ecp 系统采用单级压缩 5 4 电机的选择 由于使用 KA12 5 12 双螺杆压缩机 其配用电机型号为 YW200L 2 标准工 况功率 55KW 电压 380V 6 冷凝器的选择计算 6 1 冷凝器的选择 在本系统中选用氨立式壳管冷凝器 6 2 冷凝器热负荷计算 冷凝器热负荷在前面热力计算中已求出 7 KW 1 8k 式中 冷凝器的热负荷 KW 6 3 冷凝器的已知参数 氨制冷系统传热管采用无缝钢管 58 2w m k 肋管外径f 15 43mm 内径 13 15mm 肋片外径 17 8mm 肋片厚度 0 232mm 0didfdt 0 354 mm 平均肋厚 0 3mm 肋片的节距 e 1 029mm f 6 4 计算肋管特性参数 以 1 米长肋管计算 肋管水平部分的面积 6 1 edetf10A0p 依次代入数据有 44 3 肋管垂直部分面积 6 2 edf12 0f 依次代入数据有 119 fA3 肋管总外表面积 6 3 pf 依次代入数据有 A 163 3 10 肋化系数 15 3 肋片的当量高度 6 4 fd 4H 20e 依次代入数据有 3 5 me3 1 基管平均表面积 6 5 A 20i 依次代入数据有 44 9 3 10 所以 A 0 73 A 0 27 A 3 6f pA 8 6 5 计算平均传热温差 6 6 ttscs21mln 代入数据有 5 36 m 3481ln 6 6 冷却水流量 查水在 5 36 的物性参数 4 2pC kgJ 6 7 wM10pk tcm 代入数据有 5 25 1036 5248w skg 6 7 概算所需传热面积 假设热流密度 5500w 则 mk 2c 1508 A 6 8 初步规划冷凝器结构 取管内的流速 v 2 7m s 则每流程管数 m 为 6 8 vdMiw 24m 代入数据有 m 14 4 取 m 15 这样管束总长等于 6 9 Amnlc 代入数据有 8 6 l 如流程数 n 2 则冷凝器传热管有效长度为 4 3m 传热总根数 N 40 根 6 9 计算水侧的换热系数 6 10 2 0 8s12 08 t43 iiw dvdv 9 代入数据有 1 129 w k w 410 6 10 计算制冷剂测得冷凝换热系数 6 10 1 求水平光管管外冷凝换热系数 由于 38 查物性表可得 ctC 导热系数 0 44w m k 密度 582 7kg 3m 定压比热容 4 89kj kg k p 粘度 1 282 N s 4 10 密度 1094 8kj kg 所以 6 11 3 1231g 6 12 310c65 d 代入数据有 1 34 3 1 4 代入数据有 1980w kc 6 10 2 计算水平肋管外的冷凝换热系数 6 12 21m fc 6 13 00lg85 2ddl ff 代入数据有 474 1 代入数据有 0 00124ml 代入数据有肋片效率 0 8981 0 59 计算出 0 5298 lmth f lm lm th 肋片的修正系数 6 14 f AHdef p25 075 0f31 10 代入数据有 1 5f 所以 6 15 cffc 代入数据有 1 5 1980 2970w k fc 6 10 3 计算水平肋管束外冷凝换热系数 6 16 fczfc 代入数据有 2406 6w k fcfN167 05 6 11 实际的热流密度 取污垢热阻 k w 按公式 8 0Rfou4 1 6 17 1K iwfoupoilzfcc ARA 其中 油膜热阻 取 0 4 k woil 3 10 管壁热阻 2 86 k wp5 代入数据有 689 9w k cK 所以 实际热流密度 3698 w 587 410 计算传热面积有效 6 12 计算实际传热面积 布置管束 Ac 6 18 mctK k 代入数据有 Ac 31 9 保持上面确定的 m 15 n 2 冷凝器的有效管长为 mnAlc 解得有效管长 6 52ml 11 6 13 冷凝器的选型 由冷凝器的计算知 估计选 LN 25 型立式冷凝器即可符合要求 7 蒸发器的选择计算 7 1 蒸发器的预选 由于此制冷系统用于小型冷库 用强制对流式冷却空气干式蒸发器 7 2 蒸发温度与传热温差的确定 对于直接蒸发式空气冷却器 由于空气侧换热系数低 为了不是结构尺寸 偏大 所以取较大的传热温差 通常蒸发温度 比冷却空气的出口温度低te 6 8 就是说 平均传热温差 约为 11 13 取 12 以外肋表面为基准 tm 的热流密度约 450 550 蒸发温度已知为 2 有 5 过热度 热流密度wte K 取 35 W 2 7 3 换热面积的计算 传热面积 7 1 0tQAmCK 代入数据有 23815 由换热面积查手册选一台 DL 250 直接蒸发式空气冷却器 其传热面积 F 250 2m 7 4 蒸发器风量的确定 7 2 mPctV0 代入数据有 sc 21 05 7 5 风机的选择 选用与蒸发器配套的送风机 估计可选用 QF36 380 型 其送风量为 36000 12 h3m 8 冷却水系统的选择 8 1 冷却塔 冷却塔冷却水量在冷凝器计算中已知 根据型号估计选用sg25 KMw HL6 30 型 8 2 水泵的选型 水流量为 h82 1sg25 3mKGw 即 泵的流量为 18 82m3 h 8 2 1 水泵扬程 冷却水泵所需扬程 Hp hf hd hm hs ho 8 1 式中 hf hd 冷却水管路系统总的沿程阻力和局部阻力 mH2O hm 冷凝器阻力 mH2O hs 冷却塔中水的提升高度 从冷却盛水池到喷嘴的高差 mH2O ho 冷却塔喷嘴喷雾压力 mH2O 约等于 5 mH2O 8 2 2 阻力计算 管径长约 300 比摩阻选 200Pa m 则 hf 300 200Pa 6mH 2O 局部阻力取 0 5 则 hd 0 5 6 3mH 2O 冷凝器阻力约为 hm 4mH2O 冷却塔在机房房顶 房顶距地面 3m 则 hs 3mH 2O 冷却塔喷嘴喷雾压力 约等于 5 mH2O ho 5mH2O 安全系数 取 1 20 总扬程 8 2 plH0 代入数据有 OmHl 2 53462 1 根据流量和扬程 选用立式管道离心泵 80 250B 型水泵 额定流量 13 20m3 h 额定扬程 30 mH2O 额定功率为 15kw 转速 2900r min 泵进 出口公称直径 DN80 9 冷冻水系统的选择 因为本制冷系统选用直接蒸发式冷风机作蒸发器 所以不需冷却水系统 10 管径的计算 由上面计算得 制冷剂在总管内流量 0 27 kg s0923 r M1vkgm 3 0 087 排气管内制冷剂流速 吸气管内流速2vkgm 3 p 冷凝器内水流速 流量为 蒸发器风s1x sl m3 1 skw 5 速 风量为 z 8 0kgc0 由公式 计算各个管径如下 10 1 4nMvd 吸气水平管 10 2 xrnxv 1 代入数据有 选用mdnx 05 34 27 09 50DN 吸气立管 查 R717 上升吸气立管最小负荷图得 选用 138nxld1 排气管 10 3 prnpvMd 2 代入数据有 选用mnp 03 14 387 09 50DN 在分管中的流量 skgr 62 21 排气分管 10 4 prnpvMd 代入数据有 选用mnp 0216 14 387 062 50DN 吸气分管 10 5 xrnxvd 14 代入数据有 选用mdnx 035 14 327 06 50DN 由于采用直接空冷式蒸发器 所以不用计算管径 肋片间距由蒸发器型 号决定 11 其它辅助设备的选择计算 11 1 膨胀阀的选择 由于该制冷系统属于小型氨制冷系统 毛细管做节流阀 根据经验选毛细管选用 1 2mm 内径 长为 0 6m 无缝钢管 电磁阀选用 DC8 0 型 11 2 贮液器的选择计算 贮液器的容积按制冷剂循环量进行计算 但最大贮存量应不超过每小时制 冷剂总循环量的 1 3 1 2 同时 应考虑当环境温度变化时 贮液器内的液体 制冷剂因受热膨胀造成的危险 鼓其贮存量一般不超过整个容积的 70 80 贮液器的容积按下列公式代入数值计算 11 1 m 3 03675 01923 4 V 选用配套的 ZA 0 5B 可知其容积为 0 5 0 3 满足要求 11 3 油氨分离器的选择计算 油分离器筒体直径 11 2 124qvD 代入数值计算有 m37067 08 39 选用压缩机配套的 YF 40 油分离器 直径为 400mm 370mm 满足要求 11 4 气液分离器的选择计算 气液分离器的桶体直径按下列公式计算 15 11 3 qvD4 代入数据计算有 m65130 9 选用配套的 AF 65 桶体的气液分离器 11 5 集油器的选择计算 集油器的选择是根据经验 当冷冻站的制冷量为 100 300 KW 时 选 用 120mm 的集 油器一台 因此 选用型号为 JY 100 集油器 11 6 不凝性气体分离器的选择计算 当冷冻站标准工况下的制冷量小于 1163KW 时 宜采用一台小号 桶体直径 为 108mm 空气分离器 因此 根据以上条件可知 KF 32B 即可满足要求 12 制冷机组与管道的保温 由于这里是氨制冷系统 氨易燃易爆 这里用自熄型聚苯乙烯泡沫塑料 由于管径最大为 150mm 最小为 50mm 按经验选 20mm 厚的自熄型聚苯乙烯泡沫 塑料 包裹在 DN50 裸露管外 50mm 厚的包裹在 DN150 管外 13 设备清单及附图 表 13 1 名称 单位 型号 规格 数量 双螺杆式制冷压缩 机 台 KA12 5 12 Q 137KW 1 配套电动机 台 YW200L 2 P 55KW 1 立式冷凝器 台 LN 25 F 25 1 直接蒸发式空气冷却 器 台 DWZ 250 F 250 1 配套风机 台 QF36 380 Q 36000 h3m 1 冷却塔 台 HL6 30 sg6KMw 1 16 立式管道离心泵型水 泵 台 80 250B Q 20m3 h 1 电磁阀 台 DC80 1 节流阀 台 毛细管 D 1 2mm L 0 6m 1 贮液器 台 ZA 0 5B V 0 5 1 集油器 台 JY 100 D 200mm 1 油氨分离器 台 YF 40 D 400mm 1 空气分离器 台 KF 32B D 108mm 1 气液分离器 台 AF 65 D 650mm 1 不凝气体分离器 台 KF 32B 1 紧急泄氨器 台 KFA 系列 1 安全阀 台 HPb59 1 H62 1 干燥过滤器 台 QLJ1600 Z 1 图 13 1 基本机构示意图 14 参考文献 17 1 严启森 石文星 田长青 空气调节用制冷技术 第四版 北京 中国建筑工业出 版社 2010 7 2 郭庆堂 编著 实用制冷工程设计手册 北京 中国建筑工业出版社 1994 4 3 章熙民 任泽霈 梅飞鸣 编著 传热学 第五版 北京 中国建筑工业出版社 2007 7 4 王增长 编著 建筑给水排水工程 第六版 北京 中国建筑工业出版社 2010 8 5 陈沛霖 岳孝方 编著 实用空调制冷设备手册 上海 同济大学出版社 1990 6 陆耀庆 编著 实用供热空调设计手册 北京 中国建筑工业出版社 1996 5 7 陆耀庆 编著 实用供热空调设计手册 北京 中国建筑工业出版社 2006 4 18- 配套讲稿:
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