《空气调节用制冷技术》课程设计说明书.doc

前 言课程设计是专业课程实践教学的重要环节。课程设计是专业课程实践教学的重要环节。随生产生活水平的日益提高，建立稳定舒适的气候环境显得日益必要，降温除湿的空气调节方案中采取冷冻喷淋是切实可行的，在天然水源水温尚不能足量保质地满足使用要求条件下，通过人工制冷方案获取低温冷冻水是目前广为选用的空调冷却用水方案。开设本课程设计可使学生在遵循有关设计规范规定，广为利用天然资源基础上，参考有关设计资料，掌握并提高对空调用制冷机房的设计定案、计算、绘图等方面的能力，以为着手进行实际施工图设计奠定可靠基础。设计制冷系统，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，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能力能相互匹配，以充分发挥每个设备的工作能力。但是，一个制冷机组成或制冷系统，在实际运行过程中，当外在参数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，也是设计者必须考虑的问题。关键字：制冷压缩机、冷凝器、蒸发器，节流机构、设计目 录一、 基本资料- 3 -二、制冷压缩机型号与数量的选择- 4 -1、确定机房的总制冷量- 5 -2、确定制冷剂种类和系统形式- 5 -3、确定制冷系统设计工况- 5 -4、制冷系统理论循环lgp-h图- 7 -5、制冷系统热力计算- 7 -6、选择制冷压缩机和电动机- 9 -三、冷凝器的选择及冷却水系统计算- 14 -1、冷凝器的选择原则- 14 -2、确定冷凝器的换热面积- 14 -3、选择产品型号- 15 -4、冷凝器校核- 16 -5、冷却水计算- 16 -6、动力设施- 17 -四、蒸发器的选择及冷冻水系统计算- 19 -1、确定蒸发器的型式- 19 -2、蒸发器传热面积计算- 19 -3、冷冻水系统- 20 -五、其他辅助设备的选择- 22 -1、油分离器选择计算- 22 -2、高压贮液器选择计算- 22 -3、气液分离器选择计算- 23 -4、空气分离器选择- 24 -5、集油器选择- 25 -六、机房布置- 26 -1、 制冷机房的设计原则- 26 -2、制冷设备的布置原则- 27 -3、制冷剂管路的布置原则- 27 -参考文献- 29 -一、 基本资料1.原始资料：桂林市某空调用制冷机房设计。空调系统冷负荷为1.2MW，采用间接供冷方式；冷冻水供水温度为7，回水温度为12。采用独立空调制冷机房，制冷机房与其他场地的最小距离为150米；可根据制冷系统的布置需要，确定制冷机房的建筑结构（包括建筑朝向、面积大小、房间高度、门窗等），制冷机房设于地上一层。2.水质资料：桂林主要河流水环境质量状况良好，属于一类水质的占85%，绝大部分水库水质良好，维持在地面水环境质量标准类类之间，基本满足各项用水要求。3.气象资料：夏季空调干球温度33.9，湿球温度28.0二、制冷压缩机型号与数量的选择冷源设备的选择计算主要是根据工艺的要求和系统的总制冷量确定，是在制冷量的基础上进行的。冷源设备选择的恰当与否，将会影响到整个制冷源装置的运行特性。1、确定机房的总制冷量制冷系统的总制冷量，应该包括用户实际所需要的制冷量，以及制冷系统本身和供冷系统冷损失，应考虑备有15%20%的富裕量，可按下式计算： Q0=(1+A)Q=(1+0.15)×1200= 1380KW式中 Q0制冷系统的总制冷量（KW），Q用户实际所需要的制冷量（KW），A富裕量，本设计取15%一般对于间接供冷系统，当空调制冷量小于174KW时，A=0.150.20；当空调制冷量为1741744KW时，A=0.100.15；当空调制冷量大于1744KW时，A=0.050.07；对于直接供冷系统，A=0.050.07。为保证候冷负荷在最不利情况下得到充分补充，这里选取最大值15%。2、确定制冷剂种类和系统形式考虑到对卫生及安全的要求较高，本设计制冷剂选用R717，冷凝器宜采用水冷立为卧壳管式冷凝器。载冷剂、冷却剂选用水，蒸发器宜采用满液卧式壳管式蒸发器。3、确定制冷系统设计工况确定制冷系统的设计工况主要指确定蒸发温度、冷凝温度、压缩机吸气温度t1和过冷温度等工作参数。有关主要工作参数的确定参考制冷工程设计手册进行计算。确定冷凝温度时，冷凝器冷却水进、出水温度应根据冷却水的使用情况来确定。、冷凝温度（tk）的确定从制冷工程设计手册中查到桂林地区夏季室外平均每年不保证50h的湿球温度（）ts=27.0 ，本制冷系统采用直流式冷却水系统，冷却水进水温度按下式计算：ts1=ts=27.0 冷却水出冷凝器的温度ts2，与冷却水进冷凝器的温度及冷凝器的形式有关。选用卧式壳管式冷凝器，其冷却水进出口温差为47。考虑最不利情况，其进、出口水温差取5，则：ts2= ts1+5.0=27.0+5.0=32.0系统以水为冷却介质，冷凝温度tk比冷却水进口温度ts1高约714，比出口温度ts2高约24，综合考虑，取冷凝温度tk =35。、 蒸发温度（t0）的确定蒸发温度是制冷剂液体在蒸发器中汽化时的温度。蒸发温度的高低取决于被冷却物体的温度，另外蒸发温度还与蒸发器的型式有关。选用满液卧式蒸发器，蒸发温度 t0比冷冻水出口温度低23，取t0=4.5。、 过冷温度（tg）的确定是否采用过冷应进行全面的经济技术分析。节流前液体的过冷可在系统中设置再冷却器，或当系统中使用卧式壳管式冷凝器时，增大冷凝器的传热面积5%-10%来实现，一般会提高制冷循环的经济性，但会增加设备的投资，所以要考虑具体条件，合理选择过冷度。一般情况下，过冷温度比冷凝温度低35，这里取过冷度为5。、 压缩机吸气口温度（t1）的确定压缩机的吸气温度一般与制冷剂种类、吸气管的长短和保温情况有关。以氨为制冷剂的制冷系统一般希望有一定的吸气过热度，一则可以提高循环的经济性，同时避免液击事故的发生，保证系统正常运行。氨过热度为815，这里取12。故：t1=t0+12=16.54、制冷系统理论循环lgp-h图lgp (MPa)3/ 3 35 2 4/ 4 5 1 1/ h4/ h4 h1 h1/ h2 h(kJ/kg)根据绘制的p-h图查表求得各状态参数：蒸发压力p0=0.5747MPa，冷凝压力pk=1.3548MPa ； 比容：v1=0.04098 m3/kg ，V1/=0.04365 m3/kg ，v2=0.02022 m3/kg ；焓值：h1=406.98kJ/kg ，h1/=415.81kJ/kg ，h2=438.62kJ/kg ，h3=h4= 243.10 kJ/kg，h3/=h4/=236.78kJ/kg。5、制冷系统热力计算单位质量制冷量（q0）的计算 q0=h1h4/= 406.98236.78=170.20 kJ/kg单位容积制冷量（qv）的计算qv=3899.20 kJ/m3 制冷剂质量流量（MR）的计算 MR =8.11 kg/s制冷剂的体积流量（VR）的计算VR = =0.354 m3/s 压缩机所需的理论功率（）的计算Pth= MR(h2h1/)=8.11×(438.62415.81)=184.99kw制冷系数（0）的计算0=7.46单位冷凝负荷（qk）的计算qk=h2h3/=438.62-236.78=201.84 kJ/kg冷凝器热负荷（Qk）的计算Qk=MRqk=8.11×201.84=1636.92 kw逆卡诺循环制冷系数的计算c/=9.10热力完善度（）的计算=0.826、选择制冷压缩机和电动机压缩机的选择计算，主要是根据制冷系统的总制冷量及系统的设计工况，确定压缩机种类、型号和台数，最后要校核压缩机所配置电机的功率。、 压缩机类型的选择参考相关设计规范：制冷量大于1758kw时宜选用离心式；制冷量在10541758kw时宜选用螺杆式或离心式；制冷量在7001054kw时宜选用螺杆式；制冷量在116700kw时宜选用螺杆式或往复式；制冷量小于116kw时宜选用活塞式或涡旋式。考虑到压缩机的运行管理方便，尤其是起动和维修间的影响关系，压缩机选择的数量应是同型号且数量不少于两台，但不设备用机器。综合考虑经济制冷要求、选用的制冷工质运行管理及对制冷量调节等方面的因素，本制冷系统选用活塞式制冷压缩机。 、 压缩机级数的选择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。一般若以氟利昂为制冷剂，当Pk/P010时，应采用单级制冷压缩机；否则应采用两级压缩机。对于本设计制冷系统中，Pk/P0=2.3610，因此，本设计制冷系统采用单级压缩。 、压缩机台数和型号的选择选择压缩时，台数不宜过多，全年连续使用的除外，一般不考虑备用。对于大中型制冷系统，压缩机台数不应少于两台，而且宜选用相同系列的制冷压缩机，这样不仅便于调节制冷量外，而且压缩机的备用零件可以通用，也便于维护管理。压缩机台数应根据总制冷量来确定：m=式中：m压缩机台数（台）；Qog每台压缩机设计工况下的制冷量（kw）。、 压缩机的选择计算压缩机的容积效率： =式中：Po 压缩机的吸气压力，MPa ；Pk 压缩机的排气压力，MPa ； n 制冷剂的压缩指数，制冷剂为R717时，n = 1.28，制冷机为R12时，n = 1.13，制冷剂为R22时，n 为 1.18。系统所需理论输气量计算：Vh=根据制冷所需理论输气量，初步选定枣庄市冰霸公司170系列压缩机，型号为8AS17，其主要技术参数如下表：制冷剂理论排气量m3/h空调工况制冷量(30/-15)kw空调工况电机功率kw电机转速r/min电源V能量调节范围进气管直径mm出气管直径mm进出水管直径mm冷却水量m3/h气缸直径r/min主轴转速mmR7171116512250750380 01/4DN150DN125DN253500170720 由其技术参数表可知该型号压缩机的排气量为1116m3/h ，1116×2 m3/h1610.76 m3/h ，故确定压缩机的台数为两台。在确定压缩机型号的情况下，校核压缩机在设计工况下的制冷量，若压缩机在设计工况下的制冷量不满足要求，则重新选定压缩机的型号，再进行校核，直到选定的压缩机的制冷量满足设计要求后，再进行压缩机轴功率、压缩机配用电机功率的计算。 压缩机在设计工况下的实际排气量： m3/h =0.2452 m3/s压缩机在设计工况下的制冷量：=956.08 kw 则两台压缩机的制冷量Q0=2×Q0g=1912.16kw1380 kw，可以满足要求压缩机设计工况下的理论功率： kw式中：压缩机内单位质量制冷剂所消耗的理论功，kJ/kg压缩机设计工况下的指示功率：当压缩比为Pk/P0=2.36，查压缩式制冷压缩机指示功率关系图可知=0.80。则： Pi=160.1625 kw压缩机设计工况下的轴功率：Pe=177.96 kw式中：蒸汽式制冷压缩机的机械效率，通常在0.750.9之间。这里取 =0.9。压缩机设计工况下的配用电动机功率： kw式中： 传动效率，直联时， = 1.0，皮带传动时， = 0.970.99。本设计系统采用直联。8AS17压缩机标准工况下配用电动机功率250kw。250 kw186.858kw符合要求。 三、冷凝器的选择及冷却水系统计算1、冷凝器的选择原则 冷凝器的选择取决于当地的水温、水质、水源、气候条件，以及压缩机房布置要求等因素。一般在冷却水水质较好、水温较低、水量比较充足的地方，宜采用卧式冷凝器。桂林地区满足上述条件,所以选用卧式壳管式冷凝器。2、确定冷凝器的换热面积冷凝器热负荷计算： kw式中： 冷凝器热负荷系数，它与蒸发温度、冷凝温度、气缸冷却方式以及制冷剂种类有关，其值随蒸发温度的降低和冷凝温度的升高而增加。这里取=1.16冷凝器传热温差的计算： 式中：冷却水出冷凝器的温度，； 冷却水进冷凝器的温度，； 冷凝温度，。冷凝器传热面积的计算： m2式中：K 冷凝器的传热系数，/（·k），由于采用氨卧式壳管式冷凝器，其传热系数10001500W/（·K），在这里K取1000 W/（·K）。由于前面已经确定需要两台压缩机，故初步选定两台冷凝器，其实际所需理论面积为：A/K/2=320.96÷2=160.48 m23、选择产品型号计算出所需冷凝器的理论传热面积后，考虑到冷凝器使用一段时间后，由于污垢的影响传热系数会降低，因此在选择冷凝器型号前，应将上面计算值放大5%10%。此外系统中不设再冷却器，选用卧式壳管式冷凝器时，应将传热面积再放大15%20%，以保证液态制冷剂有35的过冷度。综合各方面考虑，因污垢影响需放大百分比取10%，不设再冷却器放大百分比取10%。则冷凝器的实际传热面积：AK=AK/×(1+0.10)×（1+0.10）=160.48×1.10×1.10=194.18 m2由此可选择冷凝器型号为：武汉新世纪制冷公司的DWN200B冷凝器；具体参数见下表：型号冷凝面积容器类别筒体直径外型尺寸安装尺寸质量m2EMDN(mm)(L)(H)(B)B1B2B3bxlkgDWN200B202.82二650593612407755904302020253750主要尺寸L1L2L3L4H1H2974674417216395332004、冷凝器校核冷却水量w确定：W=0.0782 m3/s式中： 冷却剂的定压比热，水为4.186 KJ/Kg.；水的密度，为1000kg/m3。5、冷却水计算、 冷凝器需要的冷却水量: W=0.0782 m3/s=281.52 m3/h、 压缩机需要的冷却水量： W=0.86Pe/t=0.86×177.96×0.15÷5=4.59 m3/h式中：Pe压缩机轴功率；冷却水带走热量占全部压缩机耗功量的百分比，取=0.130.18；t冷却剂出口温差，取5。 所以需要的总冷却水量为：281.52+4.59=286.11m3/h6、动力设施、 冷却塔的选择：冷却塔的选择主要由所需要的冷却水的水量和室外的温度决定的。冷却水流量V=286.11×(1+0.1)=314.721 m3/h ，式子中已加了附加系数0.1，桂林的室外湿球温度为27.0，所以选用衡水市枣强玻璃钢集团的圆形逆流式玻璃钢冷却塔，型号为DBNL3-80。具体参数见下表：T=27 冷却水量(m3/h)主要尺寸(mm)风量(m3/h)风机直径(mm)电机功率(kw)t=5t=8总高度最大直径92703344262943400160011、 冷却水泵的选择： 同样根据冷却水的流量确定水泵的型号 V=314.721×(1+0.1)=346.193 m3/h水泵的选择可根据所需的流量和扬程，确定水泵的型号及数量。水泵的扬程由输水高度和管道的总压力损失确定，制冷系统的供水系统常用离心水泵。由于水泵的损失较大所以其流量应还要大一点，同时考虑运行故障等问题的出现，每类水泵必须多选一台作为备用。本设计选择两台上海虹兴泵业制造有限公司的ISWD型管道离心泵，其性能参数如下表：型号流量Q(m3/h)扬程(m)效率(%)转速(r/min)电机功率(kw)允许汽蚀余量(m)ISWD200-315(I)A44024781450454.0四、蒸发器的选择及冷冻水系统计算1、确定蒸发器的型式蒸发器形式的选择，应根据制冷剂和载冷剂的种类，以及空调系统处理室的结构形式而确定。若空气处理室使用水冷式表面冷却器，以R717为制冷剂时，宜采用卧式壳管式蒸发器。所以，本设计制冷系统中采用满液式卧式壳管式蒸发器。2、蒸发器传热面积计算蒸发器传热温差：传热面积：Ac/=545.45 m2传热系数K:查空气调节用制冷技术P113 表4-11知： K为 550650 这里取K=550。 考虑到 10%15% 的富裕量 Ac= 545.45×(1+ 0.12) = 610.90 ，选用两台烟台冰轮公司生产的卧式蒸发器，型号为WZ420，其传热面积为 420×2 610.90 ，满足要求。其参数如下表：型号换热面积(m2)外型尺寸mm壳体尺寸mm接管通径mm重量KgLD1HL1Ddd1d2d3WZ-420420725217603528591016285020025300159203、冷冻水系统循环水量W/：W/ =0.66m3/s =237.6 总需冷冻水量为：W = W/ + W/×2% =242.352 ；其中2%为系统补水量。冷冻水管径的确定：d=239.05 mm式中：载冷剂的流速，参照空气调节用制冷技术P113 表4-11，得水速v=12 m/s，这里取1.5 m/s。查水管路比摩阻图可得冷冻水管的阻力为：87Pa/m。冷冻水管选用ABS塑钢管。故选用273x6管径冷冻水泵的选择：同样根据冷冻水的流量确定水泵的型号 W=242.352，考虑流量的附加率为20%，所以V=W×(1+20%)=290.8 。考虑前面已采用两台蒸发器和运行故障等问题的出现，冷冻水泵又必须多选一台作为备用。所以选择三台上海虹兴泵业制造有限公司的ISWD型管道离心泵，其性能参数如下表：型号流量Q(m3/h)扬程(m)效率(%)转速(r/min)电机功率(kw)允许汽蚀余量(m)ISWD150-315(I)B1732475145018.53.0备注：膨胀阀由蒸发器自带，=150 mm 五、其他辅助设备的选择1、油分离器选择计算油分离器筒体直径：D式中: 压缩机的理论排气量，一台为1116，两台为2232； 压缩机的容积效率，为0.791；w0 油分离器内蒸汽的流速，为0.81.0m/s，这里取1.0m/s。则选择一台型号为HQ-100的油分离器，其筒体直径为900mm，其规格参数如下表：型号处理气量m3/min成品气含油量mg/m3除水效率%简体尺寸DN进出口管径DN重量kgHQ-1001001999001256002、高压贮液器选择计算贮液器的容积按制冷剂循环量进行计算，其贮存量可容纳系统最大的小时制冷量对应循环工质的1/31/2。同时，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，其贮液量一般不超过整个容积的70%80%。贮液器的容积按下列公式计算：V=()=10.34m3式中：M系统制冷剂小时循环量kg/h ；温度下的液态工质比容，查表得知=0. m3/kg。所以选用两台ZA8型高压贮液器，其规格为8m3,两台16m310.34m3，满足要求。参数见下表：内径筒体长度容量设计温度设计压力最高工作压力安全阀开启压力1200mm7283mm8m³552.0MPa1.65MPa1.8MPa3、气液分离器选择计算气液分离器是用来分离蒸发器出口的低压蒸气中的液滴，防止制冷压缩机发生湿压缩甚至液击现象。气液分离器的筒体直径按下列公式计算：D0.787m=787mm 而选择气液分离器时，应保证筒体横截面积的气流速度不超过0.5m/s，故由V 推出 D0.790m=790mm综合以上，选择两台南通艾尔气体设备有限公司生产的气液分离器，型号为QHF-100。型号处理气量m3/min除水效率%压力降MPa简体尺寸DN进出口管径DN重量kgQHF-100100990.029001255004、空气分离器选择一般的，一个系统只选配一台空气分离器，当制冷系统在标准工况下的制冷量小于1160kw时，宜采用一台小号（桶体直径为108mm）空气分离器。制冷量在1160kw以上时选用大号不凝性气体分离器一台。该系统的制冷量大于1160kw，所以选择烟台冰冻设备总厂生产的KFA-50,其=50x3 mm。5、集油器选择查资料可知，当制冷量为1380kw时，可选用JY300型，容积：70升。六、机房布置1、 制冷机房的设计原则 1.制冷机房应位于冷负荷的中心，靠近冷却水水源和电源，同时应避免日晒。机房的设计应符合采暖通风与空气调节设计规范、建筑设计防火规范等的有关规定。 2.机房严禁设在人员密集的场所和重要部门的上面、下面及主要通道的两旁。 3.制冷机房应以非易燃材料建筑，就地取材，符合国家的有关规定。 4.制冷机房的屋架下弦标高取3.64.8m.。 5.机房必须有良好的天然采光，其窗孔投光面积和机房地面的比例不应小于1：6。 6.冬季设备停止运行时，机房内值班室的温度不宜低于5，采暖地区冬季工作的机房，其采暖温度不宜低于16。 7.制冷机房内的机器间和设备间应保持良好的自然通风状况。 8制冷机房的机器间和设备间内，应设有冲洗地面的给水排水设施。 9.各用水设备停止运行后，必须将水排干净，以防止腐蚀或冻裂。2、制冷设备的布置原则 1.符合制冷工艺流程，流向通畅、连接管路要短、便于设备的安装、操作管理，且应留有适当的空间，以便设备部件拆卸检修。 2.尽可能的使设备安装紧凑，并充分利用机房空间，以节约建筑面积，降低投资。 3制冷压缩机一般布置在室内，并有减振基础；冷凝器、油分离器、集油器布置在室外；蒸发器、贮液器等布置在室内。 4.制冷压缩机的主轴拔出端、壳管式换热器的轴向一侧应留有足够的拔出检修空间。所有低温设备在布置时均应注意避免“冷桥”的产生。3、制冷剂管路的布置原则 1.符合工艺流程，力求简单，缩短管线，减少部件，以达到减少阻力、泄漏以及降低材料消耗的目的。还应注意切换的灵活性，运行的可靠性和切断检修的可能性。 2.管路的布置应便于装设支架，一般管路尽可能沿墙、柱、梁布置，而且应考虑便于维修，不影响室内采光、通风以及门窗的开闭。 3.制冷压缩机的吸气管和排气管设置在同一支架或者吊架上时，应将吸气管放在排气管的下面，数根平行管道之间应留有一定的间距，以便管道的安装和检修。一般下管道间的净间距不小于200mm。 4.除特殊要求外，一般液体管路上不应有局部向上凸起的管段，气体管路上不应有局部向下凹陷的管段，以避免产生“气囊”和“液囊”，影响管内流体的流动。 5.从液体主管上接出支管时，一般从主管的底部接出；从气体主管上接出支管时，一般从主管的顶部接出。 6.管道布置在地沟内时，沟底应有不小于0.01的排水坡度，并应在沟底的最低出设置地漏或者其它排水装置。 7.管道穿越墙壁和顶棚时，应敷设套管，以便管道因温度变化而伸缩；低温管道还要考虑留有足够间隙以便安装保温层；压缩机排气管穿越易燃墙壁和楼板时，应采用不燃材料进行隔离。8.对于氟里昂制冷系统，小尺寸管道（直径在20mm以下）一采用紫铜管，对于较大直径的管道，一般采用无缝钢管。参考文献1. 郭庆堂主编，实用制冷工程技术手册，北京：中国建筑工业出版社，19942. 中国计划出版社主编，采暖通风与空气调节设计规范(国标GBJ50019-2003)，北京：中国计划出版社，20033. 中国计划出版社主编，暖同空调制图标准(国标GB/T 50114-2001)，北京：中国计划出版社，20014. 李树林主编，建筑环境与设备工程专业用制冷技术，北京： 机械工业出版社，20005. 冯玉琪主编，新型空调制冷设备及配件选用手册，北京：人民邮电出版社，19996. 何耀东主编，暖通空调制图与设计施工规范应用手册，北京:中国建筑工业出版社,19997. 彦启森、石文星、田长青编著，空气调节用制冷技术（第三版），北京：中国建筑工业出版社，20048 电子工业部第十设计研究院，空气调节设计手册，北京：中国建筑工业出版社，2001