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本科畢業(yè)設計（論文）
題 目 300KW螺桿型水冷
冷水機組設計
學生姓名
專業(yè)班級
學 號
院 （系）
指導教師(職稱)
完成時間
300KW螺桿式水冷冷水機組設計
摘 要
螺桿式水冷冷水機組因其關鍵部件螺桿式壓縮機而命名，螺桿式水冷冷水機組是目前應用最為廣泛的制冷機組之一。本文設計的是制冷量為300KW的水冷機組。其中制冷劑為R22，系統(tǒng)制冷量為300KW，冷凝溫度40℃，蒸發(fā)溫度2℃，過冷度3℃，過熱度9℃，冷卻水進水溫度30℃，出口溫度35℃，冷凍水進水溫度12℃，出水溫度7℃。
本設計主要部件選用的是漢鐘半封閉螺桿雙壓縮機、臥式殼管式冷凝器（外形尺寸為2780mm×600mm×708mm，傳熱面積為57.546m2）、干式蒸發(fā)器（外形尺寸為2800mm×600mm×592mm，傳熱面積為17.64m2）和熱力膨脹閥。除此以外，本文還完成了壓縮機的選型、熱力計算、以及輔助設備的選型問題。
關鍵詞 冷水機組/殼管式冷凝器/干式蒸發(fā)器/設計計算
I
A Design of Screw Water Chiller with Capacity of 600 kW
ABSTRACT
Evaporative condenser chillers is named as its key part evaporative condensers. It is one of the widely used chillers now. In the dissertation, the refrigerant is R22, and refrigeration capacity is 300KW.Condensing temperature is 40℃. The inlet and outlet temperature of cooled water are 30℃ and 35℃, respectively. The subcooling temperature is 3℃. The superheating temperature is 9℃. And the evaporation temperature is 2℃.The inlet and the outlet temperature of chilled water is 12℃ and 7℃, respectively.
The HANBELL semi-hermetic single-screw compressor, horizontal tube and shell condenser with the shape dimension of 2780mm×600mm×708mm and the heat transfer area of 57.546 , dry-type evaporator with the shape dimension of 2800mm×600mm×592mm and the heat transfer area of 17.64and the thermal expansion valve are chosen as main components of the design. Besides, the choice of compressor, heat analysis, the choice of the selection of the role auxiliary equipments are also completed.
KEY WORDS water chiller, shell and tube condenser, dry evaporator condenser, design calculation.
II
300KW螺桿型水冷冷水機組
目 錄
中文摘要 I
英文摘要 II
1 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況 1
1.3 存在的問題及發(fā)展前景 3
2 設計說明 5
2.1 設計的要求與數(shù)據(jù) 5
2.2 本設計的研究內(nèi)容 6
2.3 設計參數(shù)的確定 6
2.3.1 設計原始參數(shù) 6
2.3.2 已知設備 6
2.3.3 蒸發(fā)溫度，冷凝溫度的確定 7
3 制冷劑的選擇 7
3.1 螺桿式制冷機組常用的制冷劑 7
3.2 制冷劑熱力學性質(zhì)的要求 10
3.3 制冷劑物理化學性質(zhì)的要求 11
4 熱力計算 11
5 壓縮機的分類與選擇 14
5.1 壓縮機的分類 14
5.2 壓縮機的計算與選擇 16
6 殼管式冷凝器的設計計算 17
6.1 傳熱管的選擇及計算 17
6.2 結構設計計算 24
6.2.1 管板 24
6.2.2 分程隔板 25
6.2.3 拉桿與定距管 26
7 干式蒸發(fā)器的設計及計算 30
7.1 蒸發(fā)器的概述 30
7.2 設計及計算 31
8 附件設備的選型 36
8.1 節(jié)流閥的分類和選型 36
8.1.1 節(jié)流閥的分類 36
8.1.2 熱力膨脹閥的選擇 37
8.2 油分離器的選型 38
8.3 干燥過濾器的選型 39
8.4 氣液分離器的選型 40
8.5 視液鏡的選型 40
9 制冷劑充注量的計算 41
9.1 制冷劑充注量的組成 41
9.1.1 冷凝器充液量的計算 42
9.1.2 蒸發(fā)器充液量的計算 42
9.1.3 液管充液量的計算 43
9.1.4 吸氣管充液量的計算 43
9.1.5 排氣管充液量的計算 43
結 論 45
致 謝 46
參考文獻 47
1 緒論
1.1 引言
隨著改革開放的逐步深入，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)日益飛速發(fā)展以及人民群眾生活水平的不斷提高，越來越多的水冷冷水機組被廣泛應用于工業(yè)與民用空調(diào)建筑空調(diào)工程，如賓館、飯店、商店、餐館、高級住宅、游樂場等場所的降溫除濕空調(diào)技術要求；以及在工業(yè)領域中為工藝流程和設備冷卻提供低溫循環(huán)水等。其中螺桿式冷水機組以其對變工況運行有較好的適應性，對氣體帶液運行部敏感，轉速高、體積小、重量輕，動力平衡型好，零部件少，尤其易損件少，運行壽命長，可靠性高，排氣溫度低，容積效率高，操作簡便，易于實現(xiàn)自動化等特點，在中等冷量范圍內(nèi)得到廣泛應用[1]。螺桿式冷水機組以其特有的優(yōu)勢廣泛應用于商業(yè)和工業(yè)中央空調(diào)系統(tǒng)中，十幾年來，國內(nèi)企業(yè)不斷從歐美等發(fā)達國家引進、消化、吸收冷水機組設計技術和制造工藝，使螺桿式冷水機組水平得到顯著提高。
1.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況
資料顯示，在空調(diào)領域，螺桿式冷水機組在中央空調(diào)系統(tǒng)主機中所占的份額逐年上升，而活塞式、溴化鋰式等空調(diào)主機所占份額則逐年下降。一方面，螺桿式冷水機組牢固地占據(jù)著中小型中央空調(diào)系統(tǒng)主機的主導地位，另一方面。它逐步蠶食著大型中央空調(diào)系統(tǒng)中離心式壓縮機的份額?？照{(diào)用螺桿式壓縮機的市場潛力巨大，是單臺制冷量100—3000KW空調(diào)系統(tǒng)中的最佳機型[2]。
螺桿式冷水機組的冷凍出水溫度范圍為3℃~20℃，可廣泛應用于塑膠，電鍍，電子，化工，制藥，印刷，食品加工等各種工業(yè)冷凍過程需使用冷凍水的領域，或大型商場，酒店，工廠，醫(yī)院等各種中央空調(diào)工程中需使用冷凍水集中供冷的領域。
近年來，日本和中國的離心式冷水機組市場長很快，中國已成為重要制造基地。離心式冷水機組需要有復雜的潤滑油系統(tǒng)，然而，制冷劑含油會降低傳熱性能。有兩種方法解決無油的離心式冷機組：一種是開發(fā)磁懸浮軸承系統(tǒng)，另一種是用體制冷劑代替油去潤滑和冷卻軸承。
熱泵和冰蓄冷離心式系統(tǒng)已開發(fā)出來，擴大離心式冷水機組的應用范圍。三菱重工 已推R410A的離心式熱泵系統(tǒng)，并推出了50冷噸的微型透平系列。
近年來 ，江森控制器公司開發(fā)了建筑能源管理系統(tǒng) (BEMS)，成功地推出了 Metasys建筑自動化系統(tǒng)，能有效強化產(chǎn)品的節(jié)能性能。
近年中國冷水機組市場的發(fā)展具有下列特點：
（1）制冷劑的置換
根據(jù)蒙特利爾議定書關于淘汰CFC制冷劑的倫敦補充修正案的實施, 中國政府也將批準在哥本哈根和北京修正案中所規(guī)定的時間表以逐漸淘汰HCFC制冷劑。在2002年9月, 中國政府官方宣布批準了京都議定書并實行溫室氣體的控制。在市場上已經(jīng)可以獲得大量的HFC-134a冷水機組, 并還出現(xiàn)了一些HFC-407C和氨冷水機組的新產(chǎn)品。此外, 為了減少溫室氣體的間接散發(fā), 中國政府正積極地制訂冷水機組和空調(diào)器的相關能效標準以相對地減少電力和燃料的消耗并減少CO2的排放。
（2）家用中央空調(diào)系統(tǒng)的快速發(fā)展
除了具有多臺室內(nèi)機組可變制冷劑流量系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)和有風管的空調(diào)器外, 家用風冷式冷水機組、熱泵以及燃氣型吸收式冷水機組也飛速發(fā)展并具有穩(wěn)定的質(zhì)量, 它們在高級住宅的應用將進一步擴大。
（3）冰蓄冷技術
由于夏季用電的急劇增加和在每一城市中先后實行了頂峰的低谷負荷的電價和峰值與低谷之間電價差別增大等原因, 這為冰蓄冷技術提供了良好的市場環(huán)境, 在2002年完成了總數(shù)為52個冰蓄冷項目。中國國家制冷設備標準化技術委員會已經(jīng)制訂了“ 蓄熱空調(diào)系統(tǒng)的試驗和評定方法” 以促進和規(guī)定冰蓄冰技術的發(fā)展。
(4) 地下水源熱泵機組
用地下水源在夏季作為冷卻水而在冬季作為熱源水可以獲得節(jié)能效應, 在近年這種型式的機組有了快速發(fā)展, 到2000年底美國就有超過40萬臺地下水源熱泵在家庭、學校和商業(yè)建筑中使用。對于這種型式機組的發(fā)展應給予謹慎的考慮。
1.3 存在的問題及發(fā)展前景
隨著經(jīng)濟的發(fā)展, 人類對能源的需求越來越大, 對環(huán)境的破壞也越來越嚴重。我國是世界上人口最多的國家, 為了使我國的經(jīng)濟實現(xiàn)持續(xù)、健康地發(fā)展, 必須采取“ 可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略” , 切實注意環(huán)境保護和節(jié)約能源。近年來人們的居住條件有了很大的改善, 家用空調(diào)的使用日益普及, 水冷式集中空調(diào)系統(tǒng)也已出現(xiàn)在住宅建筑中。由于空調(diào)能耗在整個建筑能耗中所占比例越來越大, 因此盡可能降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗已成為空調(diào)發(fā)展的重要內(nèi)容。同時, 人們對生活環(huán)境, 包括室內(nèi)和室外環(huán)境, 提出了更高的要求, 因此環(huán)保型空調(diào)的發(fā)展是空調(diào)發(fā)展的重要方向。為了與我國住宅建筑的發(fā)展相適應, 我們必須發(fā)展適合于我國國情的具有良好環(huán)保和節(jié)能特性的空調(diào)系統(tǒng)。
水冷式制冷機在制冷效果和能耗上, 比起風冷式制冷機具有絕對的優(yōu)勢, 這已是不爭的事實[3]。但是水冷式空調(diào)器還沒有進人家庭, 原因是普通家庭所需冷量都較小，單個房間風冷式空調(diào)器就能勝任, 省去了水管安裝及對水流的控制設備。但隨著居民住房條件的不斷改善, 小康住宅的出現(xiàn), 風冷式空調(diào)器難以再勝任, 它主要有以下不足：
一是風冷式空調(diào)器制冷能力不強, 冷凝器體積大,多廳室制冷需安裝多個空調(diào), 不但增加了支出, 并且安裝麻煩, 還影響建筑物的美觀。
二是風冷式空調(diào)器制冷速度慢, 耗電多, 噪音大。因為空氣的熱容量很小, 換熱系數(shù)只有水的八分之一,并且空氣快速流動, 熱交換也不夠充分, 冷凝風機還產(chǎn)生噪音。因此, 靠風冷式空調(diào)來組建家庭制冷系統(tǒng)是不太理想的。
三是風冷式空調(diào)器冷凝器散發(fā)的熱量, 沒能再利用, 白白地被浪費掉, 吹出的熱氣, 還影響周圍環(huán)境；另一方面, 家庭用熱水時（如洗澡, 洗衣服）又需用能源來燒, 既費事又耗能。
這些不足, 風冷式空調(diào)器自身不能克服, 而水冷式空調(diào)器以其制冷能力強, 降溫速度快, 用電省, 噪音低,體積小等優(yōu)點, 順應當今世界環(huán)保與節(jié)能的綠色新家電潮流, 有著誘人的發(fā)展前景。
然而任何事物都有其兩面性, 要發(fā)展家用水冷式空調(diào)器必須考慮以下幾個問題。一是需增設水管，且不能有礙廳室美觀；二是要有水流量自動控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)；三是冷凝器外壁結水垢后的清理問題。對于這些問題，設想中的解決方法是：
隨著安裝、裝修業(yè)的迅速發(fā)展，水管安裝已不成什么問題，軟硬管都可以使用，即使有礙美觀的地方靠裝修也能彌補。同時水冷式空調(diào)冷凝器不需對外散熱，可將室外機（壓縮機和冷凝器）改善在洗手間，這樣空調(diào)器產(chǎn)生的熱水方便地流入熱水器的蓄水箱，蓄水箱滿了之后，多余的水又可接入馬水桶，或進入下水道，充分利用了水資源。
由于水中帶有各種雜質(zhì)，空調(diào)器長久使用后，冷凝器外壁上會結上一層水垢，從而會影響交換效果，必須：
(1) 拆卸 先回收制冷劑，后切斷電源，卸下室外機組上的電源線和控制線后，按步驟拆卸室外機組和連接銅管。
(2) 重新安裝調(diào)試 確定室內(nèi)外機組的安裝位置，配備與空調(diào)器電源相符的電表、插座和閘刀，機組的安裝固定。
水冷式集中空調(diào)系統(tǒng)存在的不足和解決措施：
1)運行費用高而且存在收費問題
住宅小區(qū)中, 各住戶居民的生活和工作規(guī)律不盡相同, 有的家庭白天沒人, 不開空調(diào)，有的家庭有老人、孩子, 白天仍要使用空調(diào), 為了滿足他們的需求, 必須全天開機運行, 這樣造成空調(diào)系統(tǒng)冷水機組的部分負荷運行時間長, 系統(tǒng)的運行費用較高?，F(xiàn)在有不少的水冷式集中空調(diào)系統(tǒng), 用戶的計費很多是將系統(tǒng)的總運行費平攤到用戶身上, 這種計費方法沒有考慮用戶在使用空調(diào)上的差異, 使得在負擔空調(diào)系統(tǒng)的費用上很不公平。如果公平計費, 須安裝計量裝置。如果定流量系統(tǒng)還應該分時計費, 因為定流量系統(tǒng)在低負荷階段效率低、能耗高, 冷凍機在低負荷階段也是效率低, 因此低負荷階段的用戶應交較高費用才公平。這樣就造成系統(tǒng)投資的進一步加大。調(diào)查結果顯示山東某地的一住宅,集中空調(diào)收費最低按20元／m2收取, 這樣60 m2空調(diào)面積的住宅每年要花費1200元用于房間制冷。如果這個住宅使用家用空調(diào)器, 每年的花費不超過500元。
2)初投資大
水冷式集中空調(diào)系統(tǒng)要求集中機房、設備和管道, 而這些設備和配套設施的采購和施工費用較高, 平攤到用戶身上, 使得購買住宅的費用增加, 這也是水冷式集中空調(diào)難以走人家庭的一個重要因素。
3)維護費用較高
由于水冷式集中空調(diào)系統(tǒng)規(guī)模龐大, 設備復雜, 因此日常維護十分重要, 需要專門的技術人員來管理空調(diào)系統(tǒng), 系統(tǒng)使用一段時間還需要更換某些設備, 這些都使得水冷式集中空調(diào)系統(tǒng)的維護費用較高。
總之, 家用水冷式空調(diào)器具有的明顯優(yōu)勢, 是發(fā)展環(huán)保型家庭制冷中心的首選方案, 發(fā)展的時機已經(jīng)成熟。盡管家用水冷式空調(diào)目前還沒有進人家庭, 隨著消費市場的多樣化, 環(huán)保節(jié)能型水冷式空調(diào)器必將得到迅速發(fā)展。
2 設計說明
2.1 設計的要求與數(shù)據(jù)
設計目標：300KW螺桿式水冷機組
計算工況：選用半封閉螺桿式壓縮機1臺，制冷劑R22，制冷量300KW，冷卻水的進水溫度30℃，冷卻水出水溫度35℃，冷水進水溫度12℃，冷水出水溫度7℃。
2.2 本設計的研究內(nèi)容
1、熟悉冷水機組的工作原理。
2、根據(jù)冷水機組的要求，選擇合適的壓縮機型式。
3、選用適合的蒸發(fā)器、冷凝器型式，進行冷凝器和蒸發(fā)器的熱力計算以及管道阻力計算。
4、選用合適的輔助設備。
2.3 設計參數(shù)的確定
2.3.1 設計原始參數(shù)
制冷量300kW，冷水進水溫度12℃，冷水出水溫度7℃；冷卻水進水溫度30℃，冷卻水出水溫度35℃；過冷度3℃，過熱度9℃；冷水側污垢系數(shù)0.0176m2.℃/ kW，冷卻水側污垢系數(shù)0.044 m2.℃/ kW。
2.3.2 已知設備
（1）螺桿式壓縮機1臺
螺桿式壓縮機因其較高的可靠性和效率使之在中等制冷量范圍內(nèi)的制冷空調(diào)中得到普遍應用，本文設計的水冷機組的制冷量為300KW，屬于中等制冷量范圍，所以螺桿式壓縮機不失為較好的選擇，本設計選用1臺。
（2）干式蒸發(fā)器
系統(tǒng)制冷量為300KW，制冷量相對較大，選用干式蒸發(fā)器較為合適。
（3）殼管式冷凝器
系統(tǒng)制冷量為300KW，制冷量相對較大，選用管殼式冷凝器較為合適。
2.3.3 蒸發(fā)溫度，冷凝溫度的確定
對于干式蒸發(fā)器，冷水出口溫度與蒸發(fā)溫度之差，一般取2～5℃，現(xiàn)取5℃，則：蒸發(fā)溫度： =7-5=2℃
在臥式殼管式冷凝器中，冷卻水出水溫度與冷凝溫度之差，一般取3～5℃，本設計取5℃，則：冷凝溫度：
=35+5=40℃
3 制冷劑的選擇
3.1 螺桿式制冷機組常用的制冷劑
螺桿式制冷壓縮機是容積式壓縮機，又是回轉式壓縮機。在高溫、中溫領域都常用，可采用的制冷劑也有多種，如R12、R22、R134a、R404A、R407、R717等[4]。
1.氨（R717）
氨是一種ODP和GWP均為0的天然制冷劑，沸點-33.4℃，凝固點-77.7℃。
氨是應用較廣泛的中溫制冷劑，有較好的熱力性質(zhì)和熱物理性質(zhì)。在常溫和普通低溫的范圍內(nèi)壓力適中，單位容積制冷量大、粘度小、流動阻力小、傳熱性能好。
氨的吸水性強，能以任意比例與水溶解，形成弱堿性的氨水溶液，水一般不會從溶液中析出而凍結成冰，所以氨系統(tǒng)中不必設立干燥器。但水的存在會導致制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度的提高、制冷能力的下降和對金屬材料的腐蝕。因此氨制冷劑的汗水質(zhì)量分數(shù)要求不超過0.12%。
氨幾乎不溶于礦物油。因此，氨制冷系統(tǒng)的管道和換熱器的傳熱面上會積油膜影響傳熱。氨液的密度比油小，在儲液器和蒸發(fā)器的下部會沉積油，應定期放油。
氨的缺點是毒性很大，對人的器官有強烈的刺激作用。當氨蒸氣在空氣中體積分數(shù)達到0.5~0.6%時，人在其中停留約半小時就會中毒；當氨蒸汽在空氣中的體積分數(shù)達到11~14%時即可點燃（黃色火焰），若達到16~15%時引起爆炸。氨蒸氣對食品有污染作用。因此，氨機房應保持通風，使氨的含量不超過0.02mg/L。
近年來，擴大氨制冷機的使用范圍的呼聲很高。為了在冷凍和空調(diào)領域使用氨制冷劑，開發(fā)了改性合成多元烷基醇類潤滑油。它與氨互溶，改善了傳熱性能，簡化了系統(tǒng)的油分離器和集油器，可采用干式蒸發(fā)器，以減少充灌量。在歐洲，氨已經(jīng)用在某些空調(diào)系統(tǒng)中，也有氨制冷劑用在商品陳列柜的制冷系統(tǒng)中。另外，氨制冷劑還可使用于直接蒸發(fā)的室內(nèi)滑冰場。
檢查氨泄漏的方法有兩種：一種是根據(jù)氨的刺激性臭味來判斷泄漏；另一種是用試紙，若有泄漏，會使酚酞試紙變成玫瑰紅色，或使石蕊試紙變成藍色。
2.R22
R22是一種中溫制冷劑，它的沸點是-40.8℃，常溫下冷凝能力和氨相近，單位容積制冷量也差不多，在中溫和低溫飽和壓力較高，因此在較低溫度下R22比氨好。
水在R22中溶解度很小，而且隨著溫度的降低，水的溶解度越小。當R22中溶解有水時，會引起冰堵現(xiàn)象和對金屬的腐蝕作用。
R22能部分地與礦物油互相溶解，其溶解度與潤滑油的種類和溫度有關。在較高溫度時，潤滑油在R22液體中的溶解度很大，形成均勻的溶液；溫度逐漸降低時溶解度不斷減??；當溫度降低至某一臨界溫度以下時，便開始分層，含量各不相同，上層主要是油，下層主要是R22。
R22不燃燒、不爆炸、毒性很小。R22滲透能力很強，并且泄漏難以發(fā)現(xiàn)。R22的檢漏方法常用鹵素噴燈，當噴燈的火焰呈藍綠色時，則表明有泄漏。當要求較高時，可用電子檢漏儀。
R22的ODP和GWP比R12小的多，屬于HCFC類物質(zhì)，對臭氧仍有破壞作用。R22正作為某些CFC制冷劑的過渡替代物在使用。
3.R134a
R134a是一種新型制冷劑，其標準蒸發(fā)溫度為-26.5℃。它的只要熱力性質(zhì)與R12相似。其毒性類似R12，對臭氧層沒有破壞作用，溫室效應比R22小，是R12的十分之一。R134a對金屬的腐蝕作用比較小、穩(wěn)定性好、也不溶于水。R12為制冷劑的制冷機改用R134a后，其制冷量和能效比不會降低，但系統(tǒng)須用適合R134a的潤滑油、干燥過濾器等。國際上對R134a進行研究，認為R134a是比較理想的一種R12替代制冷劑。已經(jīng)在汽車空調(diào)、電冰箱、冷水機組以及商業(yè)制冷中得到應用。R134a屬于HFC類制冷劑，按當前的國際協(xié)議可長期使用。值得指出的是：R134a的GWP是1600，仍比較大，制冷界也有人認為R134a不是最適宜的制冷劑，最好使用天然制冷劑。
4.混合制冷劑
常用的混合制冷劑有R404A、R407C、R410A、R507等。它們均不可燃，屬于HFC類制冷劑，壓縮機須充注聚酯類潤滑油。
R404A是有R125、R134a和R143a三種工質(zhì)按44%、52%、和4%的質(zhì)量分數(shù)混合而成的近共沸制冷劑，可作為R502的替代工質(zhì)。R404A在標準壓力下泡點溫度為-46.6℃，相變溫度滑移較小，約為0.8℃，氣化潛熱為143.48kJ/(kg·K)，氣體的比熱容為1.03kJ/(kg·K)。該制冷劑的ODP為0，GWP為4540.
R407C是由R32、R125和R134a三種工質(zhì)按23%、25%、和52%的質(zhì)量成分混合而成的。標準壓力下泡點溫度為-43.8℃，相變溫度滑移為7.1℃。該制冷劑的ODP為0，GWP為1980。美國杜邦公司和英國ICI公司該產(chǎn)品的商品名分別為SUVA AC9000和KLEA66。R407C的熱力性質(zhì)與R22最為相似。它們的工作壓力范圍、制冷量都十分相似。原有R22機器設備改用R407C后，需要更換潤滑油、調(diào)整制冷劑的沖灌量以及節(jié)流元件。R407C機器的制冷量和能效比比R22機器稍有下降。R407C的缺陷可能是溫度滑移較大，在發(fā)生泄漏、部分室內(nèi)機不工作的多聯(lián)系統(tǒng)，以及使用滿液式蒸發(fā)器的場合時，混合物的配比就可能發(fā)生變化而達不到預期效果。另外，非共沸混合物在傳熱表面的傳質(zhì)阻力增加可能會造成蒸發(fā)、冷凝過程的熱交換效率降低，這在殼管式換熱器中，制冷劑在殼側尤為明顯。R407C的溫度滑移能否對系統(tǒng)帶來好處，關鍵在于能否使傳熱媒介與其溫度滑移相匹配。
R410A是由R32和R125兩種工質(zhì)按50%和50%的質(zhì)量分數(shù)混合而成，屬于HFCs制冷劑。聯(lián)合信后公司的商品名為AZ20。R410A在標準壓力下，泡點溫度為-51.6℃，相變溫度滑移小于0.2℃，屬于共沸混合物，熱力學性能十分接近單工質(zhì)。同R22相比，R410A的冷凝壓力增大近50%，是一種高壓制冷劑，需要提高系統(tǒng)耐壓強度。由于R410A的高壓、高密度，使得允許制冷劑管徑減小許多，壓縮機的排量也可大大降低；同時R410A液相的熱導率高、粘度低，使其具有明顯高于R22的傳輸特性。該制冷劑的ODP為0，GWP為2340。
3.2 制冷劑熱力學性質(zhì)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和單位容積制冷量比較大。因為對于總制冷量一定的裝置，大，可減少制冷劑的循環(huán)量；大，可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，因此必須采用和稍小的制冷劑。
（3）比功和單位容積壓縮功小，循環(huán)效率高。
（4）等熵壓縮的終了溫度不太高，以避免潤滑條件惡化（潤滑油粘性下降、結焦）或制冷劑自身在高溫下分解[5]。
3.3 制冷劑物理化學性質(zhì)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。 綜上所訴，本設計選用R22制冷劑進行熱力計算。
4 熱力計算
基本參數(shù)：
制冷劑：R22，制冷量Q0=300kW；
蒸發(fā)溫度=40℃，蒸發(fā)溫度t0=2℃；
蒸發(fā)器過熱度9℃，冷凝器過熱度3℃。
熱力計算如下[6]：
1) 循環(huán)為實際循環(huán)，應用簡化的實際循環(huán)進行分析；
2) 作出循環(huán)在lgP-h圖上的表示；
圖4.1制冷循環(huán)壓焓圖
3) 查 R22的飽和液體與飽和蒸氣表、過熱蒸氣表，找出各點的參數(shù)，如表4-1所示：
狀態(tài)點
溫度
焓值
比體積
t(℃)
h(kJ/kg)
×
2
405.64
44.19
1
11
412.34
46.34
2
73.71
446.86
18.55
3
40
416.26
15.11
4
37
245.72
0.89
5
2
245.72
10.04
2s
65.76
439.95
17.81
表4-1 各狀態(tài)點參數(shù)表
4) 特性參數(shù)：
單位制冷量
=405.64-245.72=159.92 (kJ/kg) (4-1)
單位容積制冷量
=3618.92 (kJ/m3) (4-2)
單位理論功
=439.95-412.34=27.61 (kJ/kg) (4-3)
單位指示功
=446.86-412.34=34.52 (kJ/kg) (4-4)
單位冷凝負荷
=446.86-245.72=201.14 (kJ/kg) (4-5)
制冷劑循環(huán)流量
=1.876 ( kg /s) (4-6)
冷凝器熱負荷
=1.876×201.14=377.34 (kW) (4-7)
壓縮機理論功率
=1.876×27.61=51.80 （kW） (4-8)
壓縮機指示功率
==69.06 （kW） (4-9)
壓縮機軸功率
=56.3 （kW） (4-10)
壓縮機輸入電功率
=62.56 （kW） (4-11)
理論制冷系數(shù)
=5.792 （kW） (4-12)
卡諾循環(huán)制冷系數(shù)
7.241 (4-13)
實際制冷系數(shù)
=4.34 (4-14)
熱力完善度
=0.599 (4-15)
能效比
=4.80 (4-16)
5 壓縮機的分類與選擇
5.1 壓縮機的分類
壓縮機可以分為兩大類：速度型和容積型。速度型的又包括往復式和回轉式，其中回轉式的有滾動轉子式制冷壓縮機、渦旋式制冷壓縮機、螺桿式制冷壓縮機和滑片式制冷壓縮機，而速度型的只有離心式制冷壓縮機。對于螺桿式壓縮機又有以下分類:
螺桿壓縮機在制冷系統(tǒng)中起著將蒸發(fā)器出來的低溫低壓的制冷劑氣體，變成高溫高壓氣體的作用，是制冷系統(tǒng)的心臟部件。和活塞壓縮機一樣，螺桿壓縮機屬于容積式壓縮機，主要由機殼、螺桿轉子、軸承能、量調(diào)節(jié)裝置等組成。螺桿壓縮機具有結構簡單、工作可靠、效率高和調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點，70年代以來，在制冷空調(diào)領域取得越來越廣泛的運用。按照螺桿轉子數(shù)量的不同，螺桿壓縮機有雙螺桿與單螺桿兩種。
（1）開啟式螺桿式壓縮機
開啟式螺桿式壓縮機的優(yōu)點[7]：
1. 螺桿轉子壓縮氣體的運動為旋轉運動，轉子轉速可以得到提高，因此當輸氣量相同時，螺桿式壓縮機與往復式相比，體積顯得小，重量輕，占地面積小，運動中無往復慣性力，對地面基礎要求不高。
2. 機器結構簡單，其零件數(shù)僅為往復式壓縮機十分之一，而且易損件少，尤其是它無吸排氣閥，無膨脹過程，單級壓力比大，對液擊不明感。
3. 能適應廣闊的工況運轉范圍，尤其是用于熱泵機組上，其容積效率并不像往復式壓縮機那樣有明顯的下降。
4. 輸氣量能無級調(diào)節(jié)，并且在82%以上的容量范圍內(nèi)，功率與輸氣量成正比下降。開啟式螺桿式壓縮機的缺點：噪聲大、制冷劑較易泄露、油路系統(tǒng)復雜等缺點。
（2）半封閉式螺桿式壓縮機
由于螺桿式壓縮機在小容量機型中也能獲得高的熱力性能，并且又能適應苛刻的工況變化，在冷凝壓力和排氣溫度很高的工況下也能可靠的運行，因此，很快向往復式所占據(jù)的半封閉式領域發(fā)展。半封閉式螺桿式壓縮機的額定功率一般在10-100kW之間。同全封閉式一樣陽轉子與電動機共用一根軸，可保持陰陽轉子軸心穩(wěn)定，從而能減少轉子嚙合間隙，減少泄露，同時使用潤滑油量也減少，對于易溶解于油的氟利昂機器能提高容積效率。
（3）全封閉式螺桿式壓縮機
全封閉式陽轉子與電動機共用一根軸，它的噪聲低、震動小、電動機效率高、壽命長等優(yōu)點。潤滑系統(tǒng)改用排氣壓差供油，省去了液壓泵。壓縮機內(nèi)置電動機由排氣冷卻，不設置專門的油分離器。
（4）單螺桿式制冷壓縮機組
單螺桿式制冷壓縮機又稱蝸桿式壓縮機，由于結構簡單、零部件減少、重量輕、效率高、振動小和噪聲低等優(yōu)點，開始用于空壓機。目前單螺桿式制冷壓縮機有開啟式和半封閉式兩種，電動機匹配功率為20-1000kW.
單螺桿式制冷壓縮機及機組的特點:
1. 螺桿轉子齒數(shù)與相匹配的星輪齒片數(shù)之比一般為6:11，這樣減少了排氣脈動，從而使排氣平穩(wěn)，加上左右兩個星輪，造成交替嚙合，有效的排除了正弦波，與雙螺桿式制冷壓縮機相比，降低了噪聲和氣體通過管道系統(tǒng)傳遞的振動。
2. 單螺桿式制冷壓縮機具有一個轉子和左右對稱布置的兩個星輪，這樣幾乎消除了軸承的磨損[8]。
3. 星輪齒片與轉子齒槽相互嚙合，不受壓力引起的傳遞動力作用，因此齒片可用密封性和潤滑性好的樹脂材料。
4. 螺桿轉子旋轉一周可完成兩次壓縮過程，壓縮速度快，泄漏時間短，有利于提高容積效率。
5. 機組結構簡單，省去了油分離器、液壓泵和油冷卻器，裝置結構緊湊簡單。
6. 經(jīng)濟器系統(tǒng)，單螺桿式制冷壓縮機具有雙螺桿式制冷壓縮機結構特點，在壓縮過程中能進行中間補氣，所以也能設置經(jīng)濟器系統(tǒng)，增大制冷量，提高性能系數(shù)。
5.2 壓縮機的計算與選擇
壓縮比
=2.89 (5-1)
壓縮機實際輸氣量
=1.876×0.04634=0.087 （m3/s） (5-2)
即 313.2 (m3/h) (5-3)
壓縮機理論輸氣量
=0.102 （m3/s） (5-4) 即 368.46 (m3/h) (5-5)
針對本設計課題，準備采用漢鐘半封閉式螺桿型壓縮機機，具體參數(shù)如下：
壓縮機的選擇： 半封閉式螺桿壓縮機
壓縮機的型號： R370W-CR
數(shù)量： 1臺
理論排氣量： 403/hr
輸入功率： 85kW
額定電流： 145A
制冷量： 363KW
壓縮機外形圖如圖6-1所示：
圖6-1 壓縮機的外形尺寸
6 殼管式冷凝器的設計計算
選擇臥式殼管式冷凝器，其殼內(nèi)管外為制冷劑，管內(nèi)為冷卻水。殼體一般用鋼板卷制焊接（或直接采用無縫鋼管）而成。臥式殼管式冷凝器,采用銅管和銅質(zhì)肋片管，采用梯形肋片，可以強化冷凝傳熱過程，提高冷凝換熱能力和裝置的性能[9]。
6.1 傳熱管的選擇及計算
（1）管型選擇
表6-1 幾種低翅片管的結構參數(shù)
序號
直徑×壁厚/mm×mm
sf/
mm
δt/
mm
h/mm
di/
mm
db/
mm
dt/
mm
aof/
m2m-1
1
Ф16×1.5
1.25
0.223
1.5
11
12.86
15.86
-
0.15
1.35
2
Ф16×1.5
1.5
0.35
1.5
11
13
16
-
0.134
1.347
3
Ф16×1.5
1.2
0.4
1.35
10.4
12.4
15.1
-
0.139
1.384
4
Ф19×1.5
1.1
0.25
1.5
14
15.9
18.9
20
0.179
1.48
5
Ф19×1.5
1.34
0.25
1.45
14
15.85
18.75
30
0.152
1.457
注：表中為每米管長管外總面積，為增強系數(shù)。
本次設計選取表6-1所列3號滾軋低翅片管為傳熱管，有關結構參數(shù)如下：
管內(nèi)徑=10.4mm ，翅頂直徑=15.1mm ，翅厚=0.4mm ，翅根管面外徑=12.4mm ，翅節(jié)距=1.2mm，翅高h＝1.35mm。
單位管長的各換熱面積計算如下：
每米管長翅頂面積
=0.0158 (m2/m) (6-1)
每米管長翅側面積
=0.0972 (m2/m) (6-2)
每米管長翅間面積
=0.026 (m2/m) (6-3)
每米管長內(nèi)表面積
=0.0327 (m2/m) (6-4)
每米管長平均面積
=0.0358 (m2/m) (6-5)
每米管長管外總面積
=0.139 (m2/m) (6-6)
（2）估算傳熱管總長
假定按管外面積計算的熱流密度=7000 W/m2，則應布置傳熱面積：
=53.91 （m2） (6-7)
應布置的有效總管長
=387.84 （m） (6-8)
（3）確定每流程管數(shù)Z、有效單管長l、及流程數(shù)N
冷卻水進口溫度tw1=30℃，出口溫度tw2=35℃，由水物性表[10]知，在平均溫度32.5 ℃時水的密度ρ=994.93 kg/m3，比定壓熱容Cp=4179 J/(kg·k)，
則所需水量
=0.01815 （m3/s） (6-9)
取冷卻水流速ω=2.5 m/s，則每流程管數(shù)
=85.5 根 (6-10)
取整數(shù)Z=86根。
對流程數(shù)N、總根數(shù)NZ、有效單管長l、殼體內(nèi)徑Di及長徑比l/Di進行組合計算，組合計算結果如表6-2所示。
注：Di=（1.15~1.25）s
式中 s—相鄰管中心間距，s=（1.25～1.30）do，單位m；
do—管外徑，單位m。
系數(shù)1.15~1.25的取法：當殼體內(nèi)管子基本布滿不留空間時取下限，當殼體內(nèi)留有一定空間時取上限。（本設計取下限計算）
表6-2 組合計算結果
流程數(shù)N
總根數(shù)NZ
有效單管長
殼內(nèi)徑/m
長徑比
2
172
2.25
0.361
6.23
4
344
1.127
0.510
2.21
6
516
0.75
0.625
1.2
查看文獻表，由=16mm查得：換熱管中心距s = 22 mm ，分程隔板槽兩側相鄰管中心距 = 35mm ，由此估算得。
參看文獻，長徑比一般在6～8范圍內(nèi)較為適宜，長徑比大則流程數(shù)少，便于端蓋的加工制造。當冷凝器與半封閉式活塞式制冷壓縮機組成機組時應適當考慮壓縮機的尺寸而選取更為合適的冷凝器的長徑比。據(jù)此，本設計選取2流程方案作為結構設計依據(jù)。
（4）傳熱管的布置排列及主體結構
通過AutoCAD布管排列，如圖6-1，通過比較，2管程中管板的分置以正三角形排管為佳，其結構比平行布置更為緊湊，從而節(jié)省材料。另外，冷凍水進出口水溫相差才5℃，則相鄰的管程間平均壁溫之差遠小于28℃，故正三角形排管適宜。
圖6-1 管排圖形
為使傳熱管排列有序及左右對稱，共布置NZ=184根管，則每流程平均管數(shù)Z=92根，管內(nèi)平均水速：
= 2.498 (6-11)
取傳熱管有效單管長=2.25m，則實際布置管外冷凝傳熱面積：
2.2×184×0.139=57.546 （m2） (6-12)
傳熱管按正三角形排列，管板上相鄰管孔中心距為21.5mm，管數(shù)最多的一排管不在殼體中心線上。考慮最靠近殼體的傳熱管與殼體的距離不小于5mm，則所需最小殼體內(nèi)徑為371mm，根據(jù)無縫鋼管規(guī)格，選用的無縫鋼管作為殼體材料。
冷凝器采用管板外徑與殼體外徑相同的主體結構型式，管排布置及管板尺寸能夠保證在管板周邊上均勻布置6個螺釘孔（M10）以裝配端蓋，且能避免端蓋內(nèi)側裝配孔周邊的密封面不至掩蓋管孔，同時，殼體內(nèi)部留有一定空間起貯液作用。從整體看，冷凝器的整體結構尺寸能夠滿足壓縮冷凝機組的裝配要求和限制。
（5）傳熱計算及所需傳熱面積確定
水側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算：從水物性表及表3-12知，水在平均溫度tm=32.5℃時，運動粘度ν=0.7685×10-6 m2/s，物性集合系數(shù)B=2147
因為雷諾數(shù)Re= = =31450 ﹥104 ，亦即水在管中的流動狀態(tài)為湍流，則水側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
10505.44 W/(m2.K) (6-13)
R22側冷凝器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算：
根據(jù)管排布置，管排修正系數(shù)
=0.7267 (6-14)
其中環(huán)翅當量高度
=3.86 (mm) (6-15)
增強系數(shù)
=1.384
(6-16)
查表得，R22在冷凝溫度tk=40℃時，B=1447.1， R22側冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為
=3162θo -0.25 W/(m2·K) (6-17)
設
對數(shù)平均溫差計算
=7.21 （℃） (6-18)
取冷卻水側污垢系數(shù)=0.044 m2.℃/ kW=0.000044 m2.℃/ W，將有關各值代入計算熱流密度 (單位為W/m2)
(6-19)
=1652.65×（7.21-θo）
(6-20)
選取不同的（單位為℃）進行試湊計算，計算結果列于表6-3中。
表6-3 試湊計算結果
/℃
第一式 （）
第二式 （）
2.9
7027
7165
2.93
7081
7115
2.94
7099
7098
當=2.94℃時，兩式誤差已很小，取=7098 W·m2
計算實際所需傳熱面積
=53.16 （m2 ） (6-21)
初步結構設計中實際布置冷凝傳熱面積為57.546m2，較傳熱計算所需傳熱面積大8.27% ，可作為冷凝傳熱面積的富裕量，初步結構設計所布置的冷凝傳熱面積能滿足負荷傳熱要求。
（6）冷卻水側阻力計算[11]
計算冷卻水側阻力，其中，阻力系數(shù)
=0.0238 (6-22)
冷卻水側阻力
=Pa
=40497.25Pa (6-23)
式中 ——左右兩管板外側端面間的距離，取每塊管板厚度為35mm，
則=（2.25+0.07）m=2.32m。
（7）連接管管徑計算
冷卻水進出口連接管
取冷卻水在進出水接管中的流速ω=2.8m/s，則進出水接管管內(nèi)徑
=0.09087（m） (6-24)
根據(jù)無縫鋼管規(guī)格，選取100mm×6mm無縫鋼管為進出水接管。
制冷劑連接管
由原始數(shù)據(jù)查R22的圖得，冷凝器進口處，冷凝器出口，制冷劑的質(zhì)量流量已求。液體的體積流量：
= (6-25)
蒸氣的體積流量：
(6-26)
出液接管的內(nèi)徑（選液體流速為）
(6-27)
圓整后，取無縫鋼管。
進氣接管內(nèi)徑（選蒸氣流速為）
(6-28)
圓整后，取無縫鋼管。
6.2 結構設計計算
6.2.1 管板
管板是管殼式換熱器的一個重要元件，它除了與管子和殼體等連接外，還是換熱器中的一個主要受壓元件。對于管板的設計，除滿足強度要求外，同時應合理考慮其結構設計[12]。
（1）管板結構
下圖為固定式管板式換熱器兼作法蘭的管板，管板與法蘭連接的密封面為凸面，分程隔板槽拐角處，倒角10×45°。
圖6-2 整體管板結構 圖6-3 堆焊管板結構
圖6-2為碳鋼、低合金鋼和不銹鋼制整體管板，碳鋼、低合金鋼管板的隔板槽寬度為12mm，不銹鋼管板為11mm，槽深一般不小于4mm。
圖6-3為堆焊不銹鋼管板，堆焊管板應先堆焊，然后鉆管孔。堆焊不銹鋼，推薦采用帶級堆焊。
（2）管板最小厚度
管板選用直接焊于外殼上并延伸到殼體周圍之外兼作法蘭，管板與傳熱管的連接方式采用脹接法。
根據(jù)文獻[1]表3-8，換熱管外徑為16mm時，管板最小厚度不小于13mm，根據(jù)文獻[5]表6-6，查得與管子連接方式有關的系數(shù)=1.15,與管板兼做法蘭有關的系數(shù)=1.30，計算得管板厚度：
=1.15×1.30×(17+0.0083×402) =30.4mm (6-29)
實際可取t=35mm.
管孔直徑dp，根據(jù)文獻[1]表3-5得：
換熱管外徑d0：16mm 允許偏差
管板管孔徑dp：16.2mm 允許偏差
6.2.2 分程隔板
分程隔板的最小厚度應不小于表6-4的規(guī)定。
表6-4 分程隔板最小厚度
公稱直徑DN
隔板最小厚度
碳素鋼及低合金鋼
高合金鋼
8
6
10
8
14
10
14
10
本設計取分程隔板厚度10mm。
圖6-4 分程隔板示意圖
圖6-5 隔板與管板之間的密封 圖6-6 雙層隔板與管板的密封
6.2.3 拉桿與定距管
（1）拉桿孔
拉桿與管板焊接連接的拉桿孔結構見圖6-7（a），拉桿孔深度等于拉桿孔直徑。拉桿孔直徑：
(6-30)
式中 ——拉桿直徑，mm；
——拉桿孔直徑，mm。
拉桿與管板螺紋連接的拉桿螺紋結構見圖6-7(b)，螺紋深度：
(6-31)
式中：
——螺孔深度，mm；
——拉桿螺孔公稱直徑，mm。
( a )焊接連接的拉桿孔 ( b )螺紋連接的拉桿孔
圖6-7
（2）欄桿的結構型式
拉桿常用的結構型式有兩種：見圖6-8。
a) 拉桿定距管結構，適用于換熱管外徑大于或等于19mm的管束，且；
b) 拉桿與折流板點焊結構，適用于換熱管外徑小于或等于14mm的管束，且；
c) 當管板比較薄時，也可采用其他的連接結構。
（a）拉桿定距管結構 （b）點焊結構
圖6-8 拉桿結構型式
（3）拉桿的直徑和數(shù)量
拉桿的直徑和數(shù)量按表6-5和表6-6選用。
表6-5 拉桿直徑選用表
換熱管外徑d
10≤d≤14
14
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