制冷设计计算书完全免费.doc

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目录

一、确定制冷系统总制冷量 -2-

二、确定制冷剂种类和系统形式 -2-

三、确定制冷系统设计工况 -5-

四、制冷压缩机和电动机的选型 -8-

六、冷凝器选型 -8-

七、辅助设备选型 -10-

八、确定系统调节控制方案 -12-

九、参考文献 -12-

制冷课程设计计算书

一、确定制冷系统总制冷量

①总制冷量用公式Φ0=AQ0max来确定，式中A=1.05～1.15（对于直接供冷系统热损失小取1.05，对于间接供冷系统热损失大取1.15）。

②该校空调实验室改建，原有冷源已不能满足要求，拟定重建一单元制冷系统，供给空调实验台合格的冷冻水（喷雾室和水冷式空气冷却器），故为间接供冷系统,所以A取1.15。

空调冷负荷Q0=53．5KW。

最低负荷Qmin=37KW。

③Q0max=53.5KW。

Φ0=AQ0max=1.15×53.5=61.525KW。

二、确定制冷剂种类和系统形式

（一）制冷剂的选择

1.氟利昂

（1）氟利昂排气温度比较低（与氨相比），所以氟利昂制冷剂中的油经油分离器分离后可直接返回曲轴箱。

（2）氟利昂制冷剂与水几乎不相容，所以在蒸发温度不低于0℃时，如制冷装置中存在水分，就会在节流阀处形成冰塞，堵塞节流阀，使制冷无法进行，所以在制冷装置中必须设干燥器。

（3）氟利昂液体与润滑油能很好的互相溶解，氟利昂蒸汽与润滑油不能互相溶解，所以，在蒸发器中，随制冷剂的蒸发，润滑油便被分离出来，留在蒸发器中形成油膜热阻，影响传热，同时压缩机也会缺油，在设计时要考虑压缩机回油。

（4）如系统中完全不含水分，氟利昂对金属无腐蚀性，如有水分（即使很少）氟利昂对金属腐蚀性会增加，尤其对铅、镁、铜等，会产生“镀铜“现象。

由于卤化物暴露在热的铜表面，则产生很亮的绿色，故可用卤素喷灯检漏。

（5）氟利昂与油共存状态下对填料有影响。

（6）氟利昂无燃烧爆炸性。

（7）只要不处于缺氧状态氟利昂对人体几乎无影响。

（8）氟利昂本身无色无味、无毒、不燃、与空气混合遇火也不爆炸，因此适用于公共建筑或实验室。

（9）氟利昂的放热系数低，价格较高，极易渗透又不容易被发现，而且氟利昂的吸水性较差。

（10）氟利昂制冷剂有氟利昂22、氟利昂134a、氟利昂12、氟利昂123等多种。

2.氨

（1）排气温度高，不适用于高压力比，不适于吸气过热度过大的制冷系统。

（2）氨液和氨气的比重都较小，氨液的比重小于润滑油，因此在设备底部应设放油阀。

（3）氨的传热性能比氟利昂好。

（4）氨易溶于水，所以即使制冷系统含有少量水也分不会影响制冷循环。

（5）氨和润滑油互不溶解。

（6）氨会腐蚀铜及其合金及Zn等材料，所以氨系统无铜及其合金及Zn等材料的管道阀件。

（7）氨具有燃烧爆炸性。

（8）氨对人体健康影响比较大，检修抢修时要带防毒面具。

（9）泄漏时容易发现，同时氨的价格便宜。

鉴于氟利昂和氨的优缺点并且由于实验室人员密集、仪器精贵，故选氟利昂R134a

（二）系统形式

1.制冷剂系统

（1）压缩机

本设计采用活塞式制冷压缩机，它的构造虽然比较复杂，但是可以概括为机体、活塞及曲轴连杆机构、气缸套及进排气阀组、卸载装置、以及润滑系统。

本设计中制冷系统采用蒸汽回热循环，压缩机吸入的为过热蒸汽，为干压缩过程，这样既能使膨胀阀前液态制冷剂有较大的再冷度，同时又能保证压缩机吸入具有一定过热度的蒸汽，这样就增加了单位质量制冷剂的制冷能力。

但蒸汽回热循环的理论制冷系数是否提高与制冷剂的热物理性质有关，一般对于节流损失大的制冷剂如氟利昂R12，R134a等是有利的而对于制冷剂氨则不利。

本设计采用制冷剂为R134a因此采用蒸汽回热循环对提高制冷系数有利。

（2）冷凝器

冷凝器的作用是将制冷压缩机排出的高温高压气态制冷剂予以冷却、使之液化，以便制冷剂在系统中循环使用。

本系统采用水冷式冷凝器，冷却水是实验室水源为本校自来水网供给的16℃深井水由机械通风冷却塔冷却后循环使用。

常用水冷式冷凝器有壳管冷凝器、套管冷凝器和焊接板式冷凝器。

壳管冷凝器分卧式和立式两种，冷却水均在管内流动，制冷剂在关外流动。

卧式壳管冷凝器的优点是传热系数高，冷却水用量少，操作管理方便，但是，对冷却水的水质要求高。

目前大、中型氟利昂和氨制冷装置普遍采用这种冷凝器。

对于立式壳管冷凝器来说，由于气态制冷剂从中部进入，其方向垂直于管束，能很好的冲刷钢管外表面，使之不至于形成较厚的液膜，故传热系数较高。

（3）节流阀

节流阀是组成制冷系统的重要部件，被称为制冷系统四大部件之一，其作用为：

一方面对高压液态制冷剂进行节流降压，保证冷凝器与蒸发器之间的压力差，以使蒸发器中的液态制冷剂在要求的低压下蒸发吸热，从而达到制冷降温的目的；同时使冷凝器中的气态制冷剂，在给定的高压下放热冷凝。

另一方面调节供入蒸发器的制冷剂的流量，以适应蒸发器热负荷变化，从而就避免因部分制冷剂在蒸发器中未及汽化，而进入制冷压缩机，引起湿压缩甚至冲缸事故；或因供液不足，致使蒸发器的传热面积未充分发挥作用，引起制冷压缩机吸气压力降低，制冷能力下降。

常用的节流机构有手动膨胀阀、浮球是膨胀阀、热力膨胀阀、电子膨胀阀和毛细管等。

本设计中采用热力膨胀阀，它是通过蒸发器出口气态制冷剂的过热度控制膨胀阀的开度的。

（4）蒸发器

蒸发器的作用是通过制冷剂压缩（沸腾），吸收载冷剂的热量，从而达到制冷目的。

根据供液方式不同可分为以下四种：

满液式蒸发器、非满液式蒸发器、循环式蒸发器、淋激式蒸发器。

本设计采用满液式蒸发器液态制冷剂经膨胀阀进入蒸发器管内，随着在管内流动，不断吸收管外载冷剂的热量，逐渐汽化，故蒸发器内处于汽液共存状态。

卧式壳管蒸发器结构紧凑，传热性能好，制造工艺简单；为了强化氟利昂侧的沸腾换热，用于氟利昂的卧式壳管式蒸发器则采用低肋铜管。

（5）油分离器

由于在压缩过程，制冷剂处于高温高压的过热状态，此时气体运动的速度快，温度高。

于是，积聚于汽缸壁的部分润滑油将呈小油滴或油蒸汽状态。

当它随制冷剂一起进入冷凝器或蒸发器内就会在管壁上凝结一层油膜，影响冷凝及蒸发器的换热效果，故在压缩机出口设油分离器。

（6）干燥器

在膨胀阀吸入口前设干燥器防止氟利昂制冷系统中的水分在节流空口处发生“冰堵”现象，影响制冷系统循环。

（7）过滤器

分别安装在节流阀处干燥器前和压缩机吸入口前防止杂质堵塞节流装置和保护压缩机汽缸的精度。

（8）热交换器

利用热交换器能使膨胀阀前液态制冷剂有较大的再冷度减少节流损失，同时又能保证压缩机吸入具有较大的再冷度。

（9）储液器

本系统储液器安装在冷凝器下边为高压储液器，在系统中起稳定制冷剂流量，并可用来储存液态制冷剂。

2.冷冻水系统

本制冷系统主要为供给实验室教学和科研用冷冻水，故为开式冷冻水系统,设有冷冻水箱和回水箱，系统水容量大，运行稳定，控制方便，开式冷冻水系统如下图。

3.冷却水系统

冷却水系统形式常有直流式冷却水系统、混合式冷却水系统、循环式冷却水系统。

本系统采用循环式冷却水系统，可以将来自冷凝器的冷却回水先通入蒸发式冷却装置，使之冷却降温，然后再用水泵送回冷凝器循环使用，这样只需少量补水即可。

冷却塔顶部装有通风机，为机械通风冷却循环系统。

使室外空气以一定流速自下通过填充层，以加强冷却效果，机械通风冷却循环系统如下图。

4.润滑油系统

在压缩机出口设有油分离器，防止润滑油随液态氟利昂一起进入冷凝器和蒸发器在管壁凝结一层油膜，影响传热效果。

为了使润滑油和可能冷凝下来的液态制冷剂不至流回压缩机，排气管应有不小于0.01的坡度，坡向油分离器和冷凝器。

对于氟利昂制冷系统，考虑润滑油应能从蒸发器不断流回压缩机，氟利昂制冷压缩机的吸气管应有不小于0.01的坡度，坡向压缩机。

同时应选择合适的管径，防止造成回油不良问题。

三、确定制冷系统设计工况

（一）蒸发温度t0

由《空气调节用制冷技术》（第三版）P103中“一般用于冷却水或盐水的蒸发器，被冷却液体（t1-t2）可取5—8℃蒸发温度t0比被冷却液体的出口温度t2低2～3℃，就是说，平均传热温差Δtm约为5～7℃，蒸发器的热流密度约2000～3000W/m2。

原始资料给出空调设计工况冷冻水温度t=5℃,故蒸发温度t0取2℃，由R134a饱和液体与饱和气体物性表查得对应的蒸发绝对压力P0=0.3167MPa

（二）冷凝温度tk

由《空气调节用制冷技术》（第三版）P91中“一般，对于水冷式冷凝器，冷凝温度与冷却水进口温度差取7～14℃，冷却水进、出口温差取4～10℃”和P141冷却水进口水温比当地的湿球温度高4～6℃”，由制冷课程设计任务指导书可知当地的湿球温度为26.5℃，因此冷却水进口水温为t1=31.5℃，出口水温取t2=36.5℃确定出冷凝温度tk为40℃。

由R134a饱和液体与饱和气体物性表查得对应的冷凝绝对压力PK=1.025MPa。

（三）过热度Δtsh的确定

工作过热度即热力膨胀阀的过热度一般为Δtsh’=3～5℃。

回热器的过热度为Δtsh”=9～13℃，所以压缩机吸入口总的过热度Δtsh=12～18℃。

取Δtsh’=t1’-t1”=4℃，故t1’=6℃。

取Δtsh”=9℃，故t1”=15℃，取总过热度Δtsh=15℃。

t1=t0+Δtsh=2+15=17℃

Δtsh”=t1-t1’=17-6=11℃=t3-t3’又t3=40℃则t3’=29℃

画出系统的压焓图如下图：

制冷循环过程简介

1”～1’～1为吸气的过热过程：

其中1'～1”为热力膨胀阀的过热过程，1’～1为回热器的过热过程；1＇点表示出蒸发器出口时的饱和状态；1’点为进入回热器的过热蒸汽状态；１点为压缩机进口处的过热蒸气状态。

1’～2为表示制冷剂在压缩机中的等熵压缩过程；2点为排除过热蒸汽状态。

2～2’～3’～3为制冷剂在冷凝器中的冷却、冷凝和过冷过程：

其中2～2’过程中制冷剂温度降低；2’～3’过程中制冷剂等温放热，在冷却过程中制冷剂的压力保持不变且等于冷凝温度下的饱和蒸发压力；3’～3过程表示制冷剂在过冷器中的过冷过程；３点为毛细管节流前液体的状态。

3～4表示节流过程制冷剂在节流过程中的压力和温度都降低，但焓值保持不变，且进入两相区；4点为蒸发器入口制冷剂的状态。

4～1’表示制冷剂在蒸发器中的蒸发过程。

各状态点由《空气调节用制冷技术》（第三版）附图3-制冷剂压焓图查得记入下表：

状态点 温度

℃ 绝对压力

MPa 比焓

KJ/Kg 比熵

KJ/（Kg?

℃） 比容

m3/kg

1" 2 0.3167 399.5 1.73 0.0655

1 17 0.3167 415 1.77 0.0709

1' 6 0.3167 404 1.74 0.0673

2 68.89 1.025 440.5 1.77 0.0225

2' 40 1.025 419.5 1.72 0.020

3 40 1.025 256 1.19 ——

3' 29 1.025 240.5 1.14 ——

4 2 0.3167 240.5 1.147 0.0135

基本热力计算

（1）蒸发器中单位质量制冷剂的制冷能力

q0=h1’-h4=404-240.5=163.5kJ/kg

单位容积制冷能力

qv=q0/v1’=163.5/0.0673=2429.42kJ/m3

（2）单位制冷剂质量流量

Mr=Φ0/q0=61.525/163.5=0.3763kJ/s

单位制冷剂体积流量

Vr=Mrv1’=0.3763×0.0673=0.0253m3/s

（3）冷凝器的热负荷

ΦK=Mrqk=Mr（h2-h3）=0.3763×（440.5-256）=69.43kW

（4）单位质量制冷剂在压缩机中被压缩时，压缩机的耗功量为

wc=h1-h1’=415-404=11kJ/kg

（5）压缩机理论耗功量

Pth=Mrωc=Mr（h2-h3）=0.3763×（440.5-404）=13.73kW

（6）理论制冷系数

εth=Φ0/Pth=61.525/13.73=4.48

（7）制冷效率

ηR=εth/εc’=6.66×（tk-t0）/（t0+273.15）=0.920

四、制冷压缩机和电动机的选型

（1）压缩机的活塞排量Vh

ηv=0.94-0.085[（P2/P1）1/m-1]=0.7824

式中：

P2/P1=1.025/0.3167=3.2365,m=1.12

由总制冷量Φ0=ηvVhqv得压缩机活塞排量

Vh=Φ0/ηvqv=61.525/（0.7824×242.42）=0.0324m3/s=116.526m3/h

根据《实用制冷工程设计手册》，当580kW＞Φ0＞58kW时应选用中型制冷压缩机；Φ0＜58kW时应选用小型制冷压缩机。

Vh=116.526m3/h。

查取中小型制冷压缩机各系列的制要技术规格表，系列号100，汽缸数目为4，活塞行程70mm,汽缸直径100mm,额定转数960转/分，理论输气量Vh=126.9m3/h，型号为4F10的压缩机，根据Vh=πD2Lnz/240计算得此时Vh=π×0.12×0.07×960×4/240=0.0352m3/s=126.669m3/h,即用原有压缩机即可。

（2）电动机的选型

制冷压缩机配用电动机功率P

P=（1.1～1.15）Pe/ηd=（1.1～1.15）（ηvVh/v1）（h2-h1’）/（ηiηm）

式中ηd为传动效率，直连为1，三角皮带连接为0.90～0.95，本设计中取直连ηd=1。

（1.1～1.15）为余量附加系数，本设计中取余量附加系数为1.15。

查《空气调节用制冷技术》（第三版）P57ηi=0.84；η吗=0.955，因此计算电动机的功率为：

P=19.709kW。

又原有配用电机型号JO2-72-6，功率22KW，电压380V，转数970转/分；能够满足本设计要求，可以选用。

五、蒸发选型。

冷冻水进口温度t1=11，冷冻水出口温度t2=5℃，平均传热温差Δtm=（t2-t1）/㏑[（t0-t1）/（t0-t2）]=（11-5）/㏑[（2-11）/（2-5）]=5.461℃.传热系数k查《空气调节用制冷技术》（第三版）中表4-11蒸发器传热系数的概略值，对于卧式壳管氟利昂-水的传热系数为500～600W/（m2?

k）,热流密度为2000～3200.因Δtm=5.461℃在相关条件Δtm=4～6℃之间，故可取k=550W/（m2?

k）。

则冷却面积为：

A=Φ0/kΔtm=（61.525×1000）/（5.461×550）=20.484m2

六、冷凝器选型

（1）冷却水进口温度twi=31.5℃，冷却水出口温度tw2=36.5℃,平均传热温Δtm=（t2-t1）/㏑[（tk-t1）/（tk-t2）]=5/㏑[（40-31.5）/（40-36.5）]=5.635℃。

传热系数kc查《空气调节用制冷技术》（第三版）P91中各种冷凝器的热力性能表，卧式壳管冷凝器，氟利昂（低肋管）kc=700～900W/m2K,热流密度3500～5000W/m2；氟利昂（高效管）kc=1000～1500W/m2K，热流密度5000～7000W/m2;二者平均传热温差均为5～7K。

当为氟利昂（低肋管）时

Amax=Φk/kminΔtm=（69.43×1000）/（5.635×700）=17.60m2

Amin=Φk/kmaxΔtm=（69.43×1000）/（5.635×900）=13.69m2

当为氟利昂（高效管）时

Amax=Φk/kminΔtm=（69.43×1000）/（5.635×1000）=12.32m2

Amin=Φk/kmaxΔtm=（69.43×1000）/（5.635×1500=8.21m2

根据给定参数

（光管）无缝钢管冷却面积

（m2） 筒体直径

（mm） 冷却管

（mm） 管数

N 水通程

n 并列管数

z

14.4

18

22

35 450

470

490

616

ф25×2.5 22

127

127

223

16

16

12 5-6

8

8

18-19

（低肋管冷凝器）

冷却面积筒体直径冷却管管数水通程并列管数

14．5ф280×6ф16×1．5　　78419-20

28ф360×6ф18×1．5　　113256-57

38ф360×6ф18×1．5　　113256-57

可知氟利昻卧式壳管式冷凝器（光管）无缝钢管不符合要求。

因此选用低肋管冷凝器，所以

A=Φk/kΔtm=（69.43×1000）/（5.635×900）=13.690m2（取kc900W/m2K）

因此选取低肋冷凝器：

冷却面积14.5m2筒体直径Φ280×6冷却管Φ16×1.5管数78水通程4并列管束19-20.

（2）冷凝器中冷却水带走的热量Φk=冷凝器的热负荷，冷却水进口温度twi=31.5℃，冷却水出口温度tw2=36.5℃,

平均传热温差

Δtm=（t2-t1）/㏑[（tk-t1）/（tk-t2）]=5/㏑[（40-31.5）/（40-36.5）]=5.635℃。

得

Mw=Φk/（cpΔtm×1000）=69.43×1000/（4.1868×5.635×1000）kg/s=2.943kg/s=10.5948m3/h.

原有玻璃钢逆流式冷却塔一台，型号BNL-20型，冷却水量MW在水温降Δt=5℃时为19．3m3/h,MW在水温降Δt=6℃时为15．9m3/h，本设计中温降为5℃，Mw=10.5948m3/h符合要求，故选用原玻璃钢逆流式冷却塔。

七、辅助设备选型

（1）回热器

回热器内的热负荷φ=kAΔt=Mr（h1-h1’）

回热器内的平均传热温差Δtm=Δtmax/㏑（Δtmax/Δtmin’）]=（38-12）/㏑（38/12）=22.556℃

由空气调节用制冷技术第三版中在设计时，制冷剂液体在管内流速可取0.8～1.0m/s。

回热器的传热系数约为240～300w/（m2?

k），本设计中取K=260W/（℃?

K）

260×A×22.556=（415-404）×0.3763

得出A=0.7058m2

取面积0.75m2,外径×长度：

φ219×1060（mm），接管尺寸：

回汽Dg80，液管Dg32。

（2）高压储液器

已知充灌量0.2m3，高压储液器的容量一般应能容纳系统中的全部充液量，为了防止温度变化时因热膨胀造成危险，储液器的储存量不应超过本身容积的80%

则V=V’/0.8=0.2/0.8=0.25m3

容积

（m3） 外径×长度

（mm） 接管通径

进液 出液 平衡管 安全伐

0.05

0.075

0.1 φ325×600

φ325×1100

φ325×1400 Dg19

Dg32

Dg32 Dg19

Dg32

Dg32 Dg8

Dg8

Dg8 3/8

Dg20

Dg20

根据已知参数没有符合要求的储液器，因此选择2台容积为1.0m3和一台容积为0.05的储液器三者并联使用。

（3）油分离器

油分离器筒径D=0.019√Mrv2/ω

（mm），其中ω=0.8m/s,

则D==0.019√0.3763×3600×0.0225/0.8=117.278mm

选取油分离器型号YF159，外径×高度=φ159×660mm，通径Dg32mm，配管尺寸为φ38mm.

（4）过滤干燥器

干燥过滤器应装在氟利昂制冷系统节流机构前的液管上，氟利昂通过干燥层流速应小于0.03m/s，选择型号为：

外径×长度=￠133×330mm;配管Dg=40。

（5）电磁阀

电磁阀是一种依靠电磁力自动启闭的截止阀，它串联在节流装置前的液体管道上，并与压缩机同接一个启动开关，即当压缩机启动时电磁阀打开，接通系统管路，使制冷剂正常运行，当压缩机停机时制冷剂液体继续流向蒸发器，以防止压缩机再次启动时造成液击现象。

电磁阀自动切断液体管，阻止因为选取的干燥过滤器的配管Dg40，DF型电磁阀与干燥过滤器安装在一起，故它的管径应相同，所以选取型号DF-40的电磁阀。

（6）热力膨胀阀

根据孔径来选配热力膨胀阀，通过膨胀阀的制冷剂流量可按照下式计算：

Mr=kg/s

则膨胀阀的通道面积：

Av=㎡

Pvi——膨胀阀进口压力,Pa

Pvo——膨胀阀出口压力,Pa

Vvi——膨胀阀进口制冷剂比容,m3/kg

Av——膨胀阀的通道面积，㎡

CD——流量系数

流量系数：

CD=+6.34

ρvi——膨胀阀进口制冷剂密度，kg/m3

vvo——膨胀阀出口制冷剂比容，m3/kg

Av=（π/4）D2

CD=+6.34*0.0135=0.7776

Av==0.000011779㎡

D==3.8728mm

故膨胀阀的型号可选RF5,它的孔径为5mm，即可满足设计要求。

八、确定系统调节控制方案

制冷装置的自动保护

制冷装置的事故可能有；液击，排气压力过高，润滑油供应不足，蒸发器内载冷剂冻结，制冷压缩机配用电动机过载等，为此，制冷装置均应针对具体情况设置一定的保护装置，本设计采用氟利昂制冷系统，该自动保护包括：

（1）高、低压继电器。

接于制冷压缩机排气管和吸气管，防止压缩机排压力度过高或者吸气压力过低。

（2）油压差继电器。

与制冷剂压缩机及油泵出油管相接，防止油压过低，压缩机润滑不良。

（3）温度继电器。

安装在壳管式蒸发器的冷冻水管路上，防止冷冻水冻结。

（4）水流量继电器。

扥别安装在蒸发器和冷凝器的进，出水管上，当冷冻水量或冷却水量过低时可自动停机，以防止蒸发器冻结或冷凝压力过高。

（5）吸气压力调节阀。

为避免压缩机在高吸气压力下运行，在压缩机吸气管上装有吸气压力调节阀。

因为制冷装置在正常低温条件下工作时，压缩机功率较小，但在启动降温初期或蒸发器除霜结束重新返回制冷运行时，压缩机吸气压力较高，引起压缩机耗功率显著超高，长期运行将导致电机烧毁，因此，在压缩机吸气管上设置吸气压力调节阀，通过吸气节流，增大吸气比容，减小制冷剂循环量。

当吸气压力低于设定值时，阀体开启；当吸气管奥莱利高于设定值时，阀体开度减小。

开度大小和吸气压力与设定值的偏差有关，吸气压力越高，开度越小。

此种保护装置一般用于低温制冷系统，有直动式，倒阀与主阀组合式。

此外，膨胀阀前的给液管上装有电磁阀，它的电路与制冷压缩机的电路联动。

制