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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 300KW螺桿型水冷
冷水機(jī)組設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
專(zhuān)業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱(chēng))
完成時(shí)間
300KW螺桿式水冷冷水機(jī)組設(shè)計(jì)
摘 要
螺桿式水冷冷水機(jī)組因其關(guān)鍵部件螺桿式壓縮機(jī)而命名，螺桿式水冷冷水機(jī)組是目前應(yīng)用最為廣泛的制冷機(jī)組之一。本文設(shè)計(jì)的是制冷量為300KW的水冷機(jī)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(guò)冷度3℃，過(guò)熱度9℃，冷卻水進(jìn)水溫度30℃，出口溫度35℃，冷凍水進(jìn)水溫度12℃，出水溫度7℃。
本設(shè)計(jì)主要部件選用的是漢鐘半封閉螺桿雙壓縮機(jī)、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(jī)的選型、熱力計(jì)算、以及輔助設(shè)備的選型問(wèn)題。
關(guān)鍵詞 冷水機(jī)組/殼管式冷凝器/干式蒸發(fā)器/設(shè)計(jì)計(jì)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(jī)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(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1
1.3 存在的問(wèn)題及發(fā)展前景 3
2 設(shè)計(jì)說(shuō)明 5
2.1 設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù) 5
2.2 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容 6
2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 6
2.3.1 設(shè)計(jì)原始參數(shù) 6
2.3.2 已知設(shè)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(jī)組常用的制冷劑 7
3.2 制冷劑熱力學(xué)性質(zhì)的要求 10
3.3 制冷劑物理化學(xué)性質(zhì)的要求 11
4 熱力計(jì)算 11
5 壓縮機(jī)的分類(lèi)與選擇 14
5.1 壓縮機(jī)的分類(lèi) 14
5.2 壓縮機(jī)的計(jì)算與選擇 16
6 殼管式冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
6.1 傳熱管的選擇及計(jì)算 17
6.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)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(shè)計(jì)及計(jì)算 30
7.1 蒸發(fā)器的概述 30
7.2 設(shè)計(jì)及計(jì)算 31
8 附件設(shè)備的選型 36
8.1 節(jié)流閥的分類(lèi)和選型 36
8.1.1 節(jié)流閥的分類(lèi) 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(guò)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(jì)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(jì)算 42
9.1.2 蒸發(fā)器充液量的計(jì)算 42
9.1.3 液管充液量的計(jì)算 43
9.1.4 吸氣管充液量的計(jì)算 43
9.1.5 排氣管充液量的計(jì)算 43
結(jié) 論 45
致 謝 46
參考文獻(xiàn) 47
1 緒論
1.1 引言
隨著改革開(kāi)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(lái)越多的水冷冷水機(jī)組被廣泛應(yīng)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(jí)住宅、游樂(lè)場(chǎng)等場(chǎng)所的降溫除濕空調(diào)技術(shù)要求；以及在工業(yè)領(lǐng)域中為工藝流程和設(shè)備冷卻提供低溫循環(huán)水等。其中螺桿式冷水機(jī)組以其對(duì)變工況運(yùn)行有較好的適應(yīng)性，對(duì)氣體帶液運(yùn)行部敏感，轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕，動(dòng)力平衡型好，零部件少，尤其易損件少，運(yùn)行壽命長(zhǎng)，可靠性高，排氣溫度低，容積效率高，操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，在中等冷量范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[1]。螺桿式冷水機(jī)組以其特有的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于商業(yè)和工業(yè)中央空調(diào)系統(tǒng)中，十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)不斷從歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)、消化、吸收冷水機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝，使螺桿式冷水機(jī)組水平得到顯著提高。
1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
資料顯示，在空調(diào)領(lǐng)域，螺桿式冷水機(jī)組在中央空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)中所占的份額逐年上升，而活塞式、溴化鋰式等空調(diào)主機(jī)所占份額則逐年下降。一方面，螺桿式冷水機(jī)組牢固地占據(jù)著中小型中央空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)的主導(dǎo)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(jī)的份額。空調(diào)用螺桿式壓縮機(jī)的市場(chǎng)潛力巨大，是單臺(tái)制冷量100—3000KW空調(diào)系統(tǒng)中的最佳機(jī)型[2]。
螺桿式冷水機(jī)組的冷凍出水溫度范圍為3℃~20℃，可廣泛應(yīng)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(guò)程需使用冷凍水的領(lǐng)域，或大型商場(chǎng)，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(lǐng)域。
近年來(lái)，日本和中國(guó)的離心式冷水機(jī)組市場(chǎng)長(zhǎng)很快，中國(guó)已成為重要制造基地。離心式冷水機(jī)組需要有復(fù)雜的潤(rùn)滑油系統(tǒng)，然而，制冷劑含油會(huì)降低傳熱性能。有兩種方法解決無(wú)油的離心式冷機(jī)組：一種是開(kāi)發(fā)磁懸浮軸承系統(tǒng)，另一種是用體制冷劑代替油去潤(rùn)滑和冷卻軸承。
熱泵和冰蓄冷離心式系統(tǒng)已開(kāi)發(fā)出來(lái)，擴(kuò)大離心式冷水機(jī)組的應(yīng)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(lái) ，江森控制器公司開(kāi)發(fā)了建筑能源管理系統(tǒng) (BEMS)，成功地推出了 Metasys建筑自動(dòng)化系統(tǒng)，能有效強(qiáng)化產(chǎn)品的節(jié)能性能。
近年中國(guó)冷水機(jī)組市場(chǎng)的發(fā)展具有下列特點(diǎn)：
（1）制冷劑的置換
根據(jù)蒙特利爾議定書(shū)關(guān)于淘汰CFC制冷劑的倫敦補(bǔ)充修正案的實(shí)施, 中國(guó)政府也將批準(zhǔn)在哥本哈根和北京修正案中所規(guī)定的時(shí)間表以逐漸淘汰HCFC制冷劑。在2002年9月, 中國(guó)政府官方宣布批準(zhǔn)了京都議定書(shū)并實(shí)行溫室氣體的控制。在市場(chǎng)上已經(jīng)可以獲得大量的HFC-134a冷水機(jī)組, 并還出現(xiàn)了一些HFC-407C和氨冷水機(jī)組的新產(chǎn)品。此外, 為了減少溫室氣體的間接散發(fā), 中國(guó)政府正積極地制訂冷水機(jī)組和空調(diào)器的相關(guān)能效標(biāo)準(zhǔn)以相對(duì)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(tái)室內(nèi)機(jī)組可變制冷劑流量系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)和有風(fēng)管的空調(diào)器外, 家用風(fēng)冷式冷水機(jī)組、熱泵以及燃?xì)庑臀帐嚼渌畽C(jī)組也飛速發(fā)展并具有穩(wěn)定的質(zhì)量, 它們?cè)诟呒?jí)住宅的應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)大。
（3）冰蓄冷技術(shù)
由于夏季用電的急劇增加和在每一城市中先后實(shí)行了頂峰的低谷負(fù)荷的電價(jià)和峰值與低谷之間電價(jià)差別增大等原因, 這為冰蓄冷技術(shù)提供了良好的市場(chǎng)環(huán)境, 在2002年完成了總數(shù)為52個(gè)冰蓄冷項(xiàng)目。中國(guó)國(guó)家制冷設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)已經(jīng)制訂了“ 蓄熱空調(diào)系統(tǒng)的試驗(yàn)和評(píng)定方法” 以促進(jìn)和規(guī)定冰蓄冰技術(shù)的發(fā)展。
(4) 地下水源熱泵機(jī)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(yīng), 在近年這種型式的機(jī)組有了快速發(fā)展, 到2000年底美國(guó)就有超過(guò)40萬(wàn)臺(tái)地下水源熱泵在家庭、學(xué)校和商業(yè)建筑中使用。對(duì)于這種型式機(jī)組的發(fā)展應(yīng)給予謹(jǐn)慎的考慮。
1.3 存在的問(wèn)題及發(fā)展前景
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 人類(lèi)對(duì)能源的需求越來(lái)越大, 對(duì)環(huán)境的破壞也越來(lái)越嚴(yán)重。我國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家, 為了使我國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)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(shí)注意環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源。近年來(lái)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(gè)建筑能耗中所占比例越來(lái)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(shí), 人們對(duì)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(guó)住宅建筑的發(fā)展相適應(yīng), 我們必須發(fā)展適合于我國(guó)國(guó)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(jī)在制冷效果和能耗上, 比起風(fēng)冷式制冷機(jī)具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì), 這已是不爭(zhēng)的事實(shí)[3]。但是水冷式空調(diào)器還沒(méi)有進(jìn)人家庭, 原因是普通家庭所需冷量都較小，單個(gè)房間風(fēng)冷式空調(diào)器就能勝任, 省去了水管安裝及對(duì)水流的控制設(shè)備。但隨著居民住房條件的不斷改善, 小康住宅的出現(xiàn), 風(fēng)冷式空調(diào)器難以再勝任, 它主要有以下不足：
一是風(fēng)冷式空調(diào)器制冷能力不強(qiáng), 冷凝器體積大,多廳室制冷需安裝多個(gè)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(fēng)冷式空調(diào)器制冷速度慢, 耗電多, 噪音大。因?yàn)榭諝獾臒崛萘亢苄? 換熱系數(shù)只有水的八分之一,并且空氣快速流動(dòng), 熱交換也不夠充分, 冷凝風(fēng)機(jī)還產(chǎn)生噪音。因此, 靠風(fēng)冷式空調(diào)來(lái)組建家庭制冷系統(tǒng)是不太理想的。
三是風(fēng)冷式空調(diào)器冷凝器散發(fā)的熱量, 沒(méi)能再利用, 白白地被浪費(fèi)掉, 吹出的熱氣, 還影響周?chē)h(huán)境；另一方面, 家庭用熱水時(shí)（如洗澡, 洗衣服）又需用能源來(lái)燒, 既費(fèi)事又耗能。
這些不足, 風(fēng)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(qiáng), 降溫速度快, 用電省, 噪音低,體積小等優(yōu)點(diǎn), 順應(yīng)當(dāng)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(gè)問(wèn)題。一是需增設(shè)水管，且不能有礙廳室美觀；二是要有水流量自動(dòng)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)；三是冷凝器外壁結(jié)水垢后的清理問(wèn)題。對(duì)于這些問(wèn)題，設(shè)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(wèn)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(bǔ)。同時(shí)水冷式空調(diào)冷凝器不需對(duì)外散熱，可將室外機(jī)（壓縮機(jī)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(jìn)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(zhǎng)久使用后，冷凝器外壁上會(huì)結(jié)上一層水垢，從而會(huì)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(jī)組上的電源線和控制線后，按步驟拆卸室外機(jī)組和連接銅管。
(2) 重新安裝調(diào)試 確定室內(nèi)外機(jī)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(jī)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(yùn)行費(fèi)用高而且存在收費(fèi)問(wèn)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(méi)人, 不開(kāi)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(kāi)機(jī)運(yùn)行, 這樣造成空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組的部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng), 系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)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(jì)費(fèi)很多是將系統(tǒng)的總運(yùn)行費(fèi)平攤到用戶身上, 這種計(jì)費(fèi)方法沒(méi)有考慮用戶在使用空調(diào)上的差異, 使得在負(fù)擔(dān)空調(diào)系統(tǒng)的費(fèi)用上很不公平。如果公平計(jì)費(fèi), 須安裝計(jì)量裝置。如果定流量系統(tǒng)還應(yīng)該分時(shí)計(jì)費(fèi), 因?yàn)槎髁肯到y(tǒng)在低負(fù)荷階段效率低、能耗高, 冷凍機(jī)在低負(fù)荷階段也是效率低, 因此低負(fù)荷階段的用戶應(yīng)交較高費(fèi)用才公平。這樣就造成系統(tǒng)投資的進(jìn)一步加大。調(diào)查結(jié)果顯示山東某地的一住宅,集中空調(diào)收費(fèi)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(fèi)1200元用于房間制冷。如果這個(gè)住宅使用家用空調(diào)器, 每年的花費(fèi)不超過(guò)500元。
2)初投資大
水冷式集中空調(diào)系統(tǒng)要求集中機(jī)房、設(shè)備和管道, 而這些設(shè)備和配套設(shè)施的采購(gòu)和施工費(fèi)用較高, 平攤到用戶身上, 使得購(gòu)買(mǎi)住宅的費(fèi)用增加, 這也是水冷式集中空調(diào)難以走人家庭的一個(gè)重要因素。
3)維護(hù)費(fèi)用較高
由于水冷式集中空調(diào)系統(tǒng)規(guī)模龐大, 設(shè)備復(fù)雜, 因此日常維護(hù)十分重要, 需要專(zhuān)門(mén)的技術(shù)人員來(lái)管理空調(diào)系統(tǒng), 系統(tǒng)使用一段時(shí)間還需要更換某些設(shè)備, 這些都使得水冷式集中空調(diào)系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用較高。
總之, 家用水冷式空調(diào)器具有的明顯優(yōu)勢(shì), 是發(fā)展環(huán)保型家庭制冷中心的首選方案, 發(fā)展的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。盡管家用水冷式空調(diào)目前還沒(méi)有進(jìn)人家庭, 隨著消費(fèi)市場(chǎng)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(shè)計(jì)說(shuō)明
2.1 設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù)
設(shè)計(jì)目標(biāo)：300KW螺桿式水冷機(jī)組
計(jì)算工況：選用半封閉螺桿式壓縮機(jī)1臺(tái)，制冷劑R22，制冷量300KW，冷卻水的進(jìn)水溫度30℃，冷卻水出水溫度35℃，冷水進(jìn)水溫度12℃，冷水出水溫度7℃。
2.2 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容
1、熟悉冷水機(jī)組的工作原理。
2、根據(jù)冷水機(jī)組的要求，選擇合適的壓縮機(jī)型式。
3、選用適合的蒸發(fā)器、冷凝器型式，進(jìn)行冷凝器和蒸發(fā)器的熱力計(jì)算以及管道阻力計(jì)算。
4、選用合適的輔助設(shè)備。
2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定
2.3.1 設(shè)計(jì)原始參數(shù)
制冷量300kW，冷水進(jìn)水溫度12℃，冷水出水溫度7℃；冷卻水進(jìn)水溫度30℃，冷卻水出水溫度35℃；過(guò)冷度3℃，過(guò)熱度9℃；冷水側(cè)污垢系數(shù)0.0176m2.℃/ kW，冷卻水側(cè)污垢系數(shù)0.044 m2.℃/ kW。
2.3.2 已知設(shè)備
（1）螺桿式壓縮機(jī)1臺(tái)
螺桿式壓縮機(jī)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(yīng)用，本文設(shè)計(jì)的水冷機(jī)組的制冷量為300KW，屬于中等制冷量范圍，所以螺桿式壓縮機(jī)不失為較好的選擇，本設(shè)計(jì)選用1臺(tái)。
（2）干式蒸發(fā)器
系統(tǒng)制冷量為300KW，制冷量相對(duì)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(duì)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(duì)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(shè)計(jì)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(jī)組常用的制冷劑
螺桿式制冷壓縮機(jī)是容積式壓縮機(jī)，又是回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)。在高溫、中溫領(lǐng)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(diǎn)-33.4℃，凝固點(diǎn)-77.7℃。
氨是應(yīng)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(dòng)阻力小、傳熱性能好。
氨的吸水性強(qiáng)，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(huì)從溶液中析出而凍結(jié)成冰，所以氨系統(tǒng)中不必設(shè)立干燥器。但水的存在會(huì)導(dǎo)致制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度的提高、制冷能力的下降和對(duì)金屬材料的腐蝕。因此氨制冷劑的汗水質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求不超過(guò)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(huì)積油膜影響傳熱。氨液的密度比油小，在儲(chǔ)液器和蒸發(fā)器的下部會(huì)沉積油，應(yīng)定期放油。
氨的缺點(diǎn)是毒性很大，對(duì)人的器官有強(qiáng)烈的刺激作用。當(dāng)氨蒸氣在空氣中體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5~0.6%時(shí)，人在其中停留約半小時(shí)就會(huì)中毒；當(dāng)氨蒸汽在空氣中的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到11~14%時(shí)即可點(diǎn)燃（黃色火焰），若達(dá)到16~15%時(shí)引起爆炸。氨蒸氣對(duì)食品有污染作用。因此，氨機(jī)房應(yīng)保持通風(fēng)，使氨的含量不超過(guò)0.02mg/L。
近年來(lái)，擴(kuò)大氨制冷機(jī)的使用范圍的呼聲很高。為了在冷凍和空調(diào)領(lǐng)域使用氨制冷劑，開(kāi)發(fā)了改性合成多元烷基醇類(lèi)潤(rùn)滑油。它與氨互溶，改善了傳熱性能，簡(jiǎn)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(chǎng)。
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(lái)判斷泄漏；另一種是用試紙，若有泄漏，會(huì)使酚酞試紙變成玫瑰紅色，或使石蕊試紙變成藍(lán)色。
2.R22
R22是一種中溫制冷劑，它的沸點(diǎn)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(dāng)R22中溶解有水時(shí)，會(huì)引起冰堵現(xiàn)象和對(duì)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(rùn)滑油的種類(lèi)和溫度有關(guān)。在較高溫度時(shí)，潤(rùn)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(shí)溶解度不斷減??；當(dāng)溫度降低至某一臨界溫度以下時(shí)，便開(kāi)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(qiáng)，并且泄漏難以發(fā)現(xiàn)。R22的檢漏方法常用鹵素噴燈，當(dāng)噴燈的火焰呈藍(lán)綠色時(shí)，則表明有泄漏。當(dāng)要求較高時(shí)，可用電子檢漏儀。
R22的ODP和GWP比R12小的多，屬于HCFC類(lèi)物質(zhì)，對(duì)臭氧仍有破壞作用。R22正作為某些CFC制冷劑的過(guò)渡替代物在使用。
3.R134a
R134a是一種新型制冷劑，其標(biāo)準(zhǔn)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(lèi)似R12，對(duì)臭氧層沒(méi)有破壞作用，溫室效應(yīng)比R22小，是R12的十分之一。R134a對(duì)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(jī)改用R134a后，其制冷量和能效比不會(huì)降低，但系統(tǒng)須用適合R134a的潤(rùn)滑油、干燥過(guò)濾器等。國(guó)際上對(duì)R134a進(jìn)行研究，認(rèn)為R134a是比較理想的一種R12替代制冷劑。已經(jīng)在汽車(chē)空調(diào)、電冰箱、冷水機(jī)組以及商業(yè)制冷中得到應(yīng)用。R134a屬于HFC類(lèi)制冷劑，按當(dāng)前的國(guó)際協(xié)議可長(zhǎng)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(rèn)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(lèi)制冷劑，壓縮機(jī)須充注聚酯類(lèi)潤(rùn)滑油。
R404A是有R125、R134a和R143a三種工質(zhì)按44%、52%、和4%的質(zhì)量分?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)壓力下泡點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)壓力下泡點(diǎn)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(guó)杜邦公司和英國(guó)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(jī)器設(shè)備改用R407C后，需要更換潤(rùn)滑油、調(diào)整制冷劑的沖灌量以及節(jié)流元件。R407C機(jī)器的制冷量和能效比比R22機(jī)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(jī)不工作的多聯(lián)系統(tǒng)，以及使用滿液式蒸發(fā)器的場(chǎng)合時(shí)，混合物的配比就可能發(fā)生變化而達(dá)不到預(yù)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(huì)造成蒸發(fā)、冷凝過(guò)程的熱交換效率降低，這在殼管式換熱器中，制冷劑在殼側(cè)尤為明顯。R407C的溫度滑移能否對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)好處，關(guān)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?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)壓力下，泡點(diǎn)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(xué)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(qiáng)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(jī)的排量也可大大降低；同時(shí)R410A液相的熱導(dǎo)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(xué)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(fù)壓，使外界空氣滲入系統(tǒng)，影響制冷劑的性質(zhì)或加劇對(duì)設(shè)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(guò)高，以免設(shè)備過(guò)分笨重；冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比也不宜過(guò)大，以免壓縮終了的溫度過(guò)高或使往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)過(guò)低。
（2）通常希望單位制冷量和單位容積制冷量比較大。因?yàn)閷?duì)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(jī)的輸氣量，故可縮小壓縮機(jī)的尺寸。這對(duì)大型制冷裝置是有意義的。但對(duì)于離心式壓縮機(jī)，尺寸過(guò)小會(huì)帶來(lái)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(rùn)滑條件惡化（潤(rùn)滑油粘性下降、結(jié)焦）或制冷劑自身在高溫下分解[5]。
3.3 制冷劑物理化學(xué)性質(zhì)的要求
（1）無(wú)毒、不燃燒、不爆炸、使用安全。
（2）化學(xué)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(rùn)滑油反應(yīng)，不腐蝕制冷機(jī)構(gòu)件，在壓縮終了的高溫下不分解。
（3）對(duì)大氣環(huán)境無(wú)破壞作用，即不破壞大氣臭氧層，沒(méi)有溫室效應(yīng)。 綜上所訴，本設(shè)計(jì)選用R22制冷劑進(jìn)行熱力計(jì)算。
4 熱力計(jì)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(guò)熱度9℃，冷凝器過(guò)熱度3℃。
熱力計(jì)算如下[6]：
1) 循環(huán)為實(shí)際循環(huán)，應(yīng)用簡(jiǎn)化的實(shí)際循環(huán)進(jìn)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(guò)熱蒸氣表，找出各點(diǎn)的參數(shù)，如表4-1所示：
狀態(tài)點(diǎn)
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(diǎn)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(fù)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(fù)荷
=1.876×201.14=377.34 (kW) (4-7)
壓縮機(jī)理論功率
=1.876×27.61=51.80 （kW） (4-8)
壓縮機(jī)指示功率
==69.06 （kW） (4-9)
壓縮機(jī)軸功率
=56.3 （kW） (4-10)
壓縮機(jī)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(shí)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(jī)的分類(lèi)與選擇
5.1 壓縮機(jī)的分類(lèi)
壓縮機(jī)可以分為兩大類(lèi)：速度型和容積型。速度型的又包括往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式，其中回轉(zhuǎn)式的有滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機(jī)、渦旋式制冷壓縮機(jī)、螺桿式制冷壓縮機(jī)和滑片式制冷壓縮機(jī)，而速度型的只有離心式制冷壓縮機(jī)。對(duì)于螺桿式壓縮機(jī)又有以下分類(lèi):
螺桿壓縮機(jī)在制冷系統(tǒng)中起著將蒸發(fā)器出來(lái)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(jī)一樣，螺桿壓縮機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)，主要由機(jī)殼、螺桿轉(zhuǎn)子、軸承能、量調(diào)節(jié)裝置等組成。螺桿壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、效率高和調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，70年代以來(lái)，在制冷空調(diào)領(lǐng)域取得越來(lái)越廣泛的運(yùn)用。按照螺桿轉(zhuǎn)子數(shù)量的不同，螺桿壓縮機(jī)有雙螺桿與單螺桿兩種。
（1）開(kāi)啟式螺桿式壓縮機(jī)
開(kāi)啟式螺桿式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)[7]：
1. 螺桿轉(zhuǎn)子壓縮氣體的運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以得到提高，因此當(dāng)輸氣量相同時(shí)，螺桿式壓縮機(jī)與往復(fù)式相比，體積顯得小，重量輕，占地面積小，運(yùn)動(dòng)中無(wú)往復(fù)慣性力，對(duì)地面基礎(chǔ)要求不高。
2. 機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其零件數(shù)僅為往復(fù)式壓縮機(jī)十分之一，而且易損件少，尤其是它無(wú)吸排氣閥，無(wú)膨脹過(guò)程，單級(jí)壓力比大，對(duì)液擊不明感。
3. 能適應(yīng)廣闊的工況運(yùn)轉(zhuǎn)范圍，尤其是用于熱泵機(jī)組上，其容積效率并不像往復(fù)式壓縮機(jī)那樣有明顯的下降。
4. 輸氣量能無(wú)級(jí)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(kāi)啟式螺桿式壓縮機(jī)的缺點(diǎn)：噪聲大、制冷劑較易泄露、油路系統(tǒng)復(fù)雜等缺點(diǎn)。
（2）半封閉式螺桿式壓縮機(jī)
由于螺桿式壓縮機(jī)在小容量機(jī)型中也能獲得高的熱力性能，并且又能適應(yīng)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(yùn)行，因此，很快向往復(fù)式所占據(jù)的半封閉式領(lǐng)域發(fā)展。半封閉式螺桿式壓縮機(jī)的額定功率一般在10-100kW之間。同全封閉式一樣陽(yáng)轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)共用一根軸，可保持陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子軸心穩(wěn)定，從而能減少轉(zhuǎn)子嚙合間隙，減少泄露，同時(shí)使用潤(rùn)滑油量也減少，對(duì)于易溶解于油的氟利昂機(jī)器能提高容積效率。
（3）全封閉式螺桿式壓縮機(jī)
全封閉式陽(yáng)轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)共用一根軸，它的噪聲低、震動(dòng)小、電動(dòng)機(jī)效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。潤(rùn)滑系統(tǒng)改用排氣壓差供油，省去了液壓泵。壓縮機(jī)內(nèi)置電動(dòng)機(jī)由排氣冷卻，不設(shè)置專(zhuān)門(mén)的油分離器。
（4）單螺桿式制冷壓縮機(jī)組
單螺桿式制冷壓縮機(jī)又稱(chēng)蝸桿式壓縮機(jī)，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件減少、重量輕、效率高、振動(dòng)小和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)始用于空壓機(jī)。目前單螺桿式制冷壓縮機(jī)有開(kāi)啟式和半封閉式兩種，電動(dòng)機(jī)匹配功率為20-1000kW.
單螺桿式制冷壓縮機(jī)及機(jī)組的特點(diǎn):
1. 螺桿轉(zhuǎn)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(dòng)，從而使排氣平穩(wěn)，加上左右兩個(gè)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(jī)相比，降低了噪聲和氣體通過(guò)管道系統(tǒng)傳遞的振動(dòng)。
2. 單螺桿式制冷壓縮機(jī)具有一個(gè)轉(zhuǎn)子和左右對(duì)稱(chēng)布置的兩個(gè)星輪，這樣幾乎消除了軸承的磨損[8]。
3. 星輪齒片與轉(zhuǎn)子齒槽相互嚙合，不受壓力引起的傳遞動(dòng)力作用，因此齒片可用密封性和潤(rùn)滑性好的樹(shù)脂材料。
4. 螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周可完成兩次壓縮過(guò)程，壓縮速度快，泄漏時(shí)間短，有利于提高容積效率。
5. 機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去了油分離器、液壓泵和油冷卻器，裝置結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單。
6. 經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)，單螺桿式制冷壓縮機(jī)具有雙螺桿式制冷壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在壓縮過(guò)程中能進(jìn)行中間補(bǔ)氣，所以也能設(shè)置經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)，增大制冷量，提高性能系數(shù)。
5.2 壓縮機(jī)的計(jì)算與選擇
壓縮比
=2.89 (5-1)
壓縮機(jī)實(shí)際輸氣量
=1.876×0.04634=0.087 （m3/s） (5-2)
即 313.2 (m3/h) (5-3)
壓縮機(jī)理論輸氣量
=0.102 （m3/s） (5-4) 即 368.46 (m3/h) (5-5)
針對(duì)本設(shè)計(jì)課題，準(zhǔn)備采用漢鐘半封閉式螺桿型壓縮機(jī)機(jī)，具體參數(shù)如下：
壓縮機(jī)的選擇： 半封閉式螺桿壓縮機(jī)
壓縮機(jī)的型號(hào)： R370W-CR
數(shù)量： 1臺(tái)
理論排氣量： 403/hr
輸入功率： 85kW
額定電流： 145A
制冷量： 363KW
壓縮機(jī)外形圖如圖6-1所示：
圖6-1 壓縮機(jī)的外形尺寸
6 殼管式冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)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(wú)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(qiáng)化冷凝傳熱過(guò)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(jì)算
（1）管型選擇
表6-1 幾種低翅片管的結(jié)構(gòu)參數(shù)
序號(hào)
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(zhǎng)管外總面積，為增強(qiáng)系數(shù)。
本次設(shè)計(jì)選取表6-1所列3號(hào)滾軋低翅片管為傳熱管，有關(guān)結(jié)構(gòu)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(yuǎn)＝1.35mm。
單位管長(zhǎng)的各換熱面積計(jì)算如下：
每米管長(zhǎng)翅頂面積
=0.0158 (m2/m) (6-1)
每米管長(zhǎng)翅側(cè)面積
=0.0972 (m2/m) (6-2)
每米管長(zhǎng)翅間面積
=0.026 (m2/m) (6-3)
每米管長(zhǎng)內(nèi)表面積
=0.0327 (m2/m) (6-4)
每米管長(zhǎng)平均面積
=0.0358 (m2/m) (6-5)
每米管長(zhǎng)管外總面積
=0.139 (m2/m) (6-6)
（2）估算傳熱管總長(zhǎng)
假定按管外面積計(jì)算的熱流密度=7000 W/m2，則應(yīng)布置傳熱面積：
=53.91 （m2） (6-7)
應(yīng)布置的有效總管長(zhǎng)
=387.84 （m） (6-8)
（3）確定每流程管數(shù)Z、有效單管長(zhǎng)l、及流程數(shù)N
冷卻水進(jìn)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(shí)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(duì)流程數(shù)N、總根數(shù)NZ、有效單管長(zhǎng)l、殼體內(nèi)徑Di及長(zhǎng)徑比l/Di進(jìn)行組合計(jì)算，組合計(jì)算結(jié)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(dāng)殼體內(nèi)管子基本布滿不留空間時(shí)取下限，當(dāng)殼體內(nèi)留有一定空間時(shí)取上限。（本設(shè)計(jì)取下限計(jì)算）
表6-2 組合計(jì)算結(jié)果
流程數(shù)N
總根數(shù)NZ
有效單管長(zhǎng)
殼內(nèi)徑/m
長(zhǎng)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(xiàn)表，由=16mm查得：換熱管中心距s = 22 mm ，分程隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距 = 35mm ，由此估算得。
參看文獻(xiàn)，長(zhǎng)徑比一般在6～8范圍內(nèi)較為適宜，長(zhǎng)徑比大則流程數(shù)少，便于端蓋的加工制造。當(dāng)冷凝器與半封閉式活塞式制冷壓縮機(jī)組成機(jī)組時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮壓縮機(jī)的尺寸而選取更為合適的冷凝器的長(zhǎng)徑比。據(jù)此，本設(shè)計(jì)選取2流程方案作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。
（4）傳熱管的布置排列及主體結(jié)構(gòu)
通過(guò)AutoCAD布管排列，如圖6-1，通過(guò)比較，2管程中管板的分置以正三角形排管為佳，其結(jié)構(gòu)比平行布置更為緊湊，從而節(jié)省材料。另外，冷凍水進(jìn)出口水溫相差才5℃，則相鄰的管程間平均壁溫之差遠(yuǎn)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(duì)稱(chēng)，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(zhǎng)=2.25m，則實(shí)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?？紤]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(wú)縫鋼管規(guī)格，選用的無(wú)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(jié)構(gòu)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(gè)螺釘孔（M10）以裝配端蓋，且能避免端蓋內(nèi)側(cè)裝配孔周邊的密封面不至掩蓋管孔，同時(shí)，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(jié)構(gòu)尺寸能夠滿足壓縮冷凝機(jī)組的裝配要求和限制。
（5）傳熱計(jì)算及所需傳熱面積確定
水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算：從水物性表及表3-12知，水在平均溫度tm=32.5℃時(shí)，運(yùn)動(dòng)粘度ν=0.7685×10-6 m2/s，物性集合系數(shù)B=2147
因?yàn)槔字Z數(shù)Re= = =31450 ﹥104 ，亦即水在管中的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，則水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
10505.44 W/(m2.K) (6-13)
R22側(cè)冷凝器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)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(dāng)量高度
=3.86 (mm) (6-15)
增強(qiáng)系數(shù)
=1.384
(6-16)
查表得，R22在冷凝溫度tk=40℃時(shí)，B=1447.1， R22側(cè)冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為
=3162θo -0.25 W/(m2·K) (6-17)
設(shè)
對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算
=7.21 （℃） (6-18)
取冷卻水側(cè)污垢系數(shù)=0.044 m2.℃/ kW=0.000044 m2.℃/ W，將有關(guān)各值代入計(jì)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(jìn)行試湊計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列于表6-3中。
表6-3 試湊計(jì)算結(jié)果
/℃
第一式 （）
第二式 （）
2.9
7027
7165
2.93
7081
7115
2.94
7099
7098
當(dāng)=2.94℃時(shí)，兩式誤差已很小，取=7098 W·m2
計(jì)算實(shí)際所需傳熱面積
=53.16 （m2 ） (6-21)
初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)際布置冷凝傳熱面積為57.546m2，較傳熱計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所布置的冷凝傳熱面積能滿足負(fù)荷傳熱要求。
（6）冷卻水側(cè)阻力計(jì)算[11]
計(jì)算冷卻水側(cè)阻力，其中，阻力系數(shù)
=0.0238 (6-22)
冷卻水側(cè)阻力
=Pa
=40497.25Pa (6-23)
式中 ——左右兩管板外側(cè)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(jì)算
冷卻水進(jìn)出口連接管
取冷卻水在進(jìn)出水接管中的流速ω=2.8m/s，則進(jìn)出水接管管內(nèi)徑
=0.09087（m） (6-24)
根據(jù)無(wú)縫鋼管規(guī)格，選取100mm×6mm無(wú)縫鋼管為進(jìn)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(jìn)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(wú)縫鋼管。
進(jìn)氣接管內(nèi)徑（選蒸氣流速為）
(6-28)
圓整后，取無(wú)縫鋼管。
6.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
6.2.1 管板
管板是管殼式換熱器的一個(gè)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(gè)主要受壓元件。對(duì)于管板的設(shè)計(jì)，除滿足強(qiáng)度要求外，同時(shí)應(yīng)合理考慮其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[12]。
（1）管板結(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu) 圖6-3 堆焊管板結(jié)構(gòu)
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(yīng)先堆焊，然后鉆管孔。堆焊不銹鋼，推薦采用帶級(jí)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?chē)饧孀鞣ㄌm，管板與傳熱管的連接方式采用脹接法。
根據(jù)文獻(xiàn)[1]表3-8，換熱管外徑為16mm時(shí)，管板最小厚度不小于13mm，根據(jù)文獻(xiàn)[5]表6-6，查得與管子連接方式有關(guān)的系數(shù)=1.15,與管板兼做法蘭有關(guān)的系數(shù)=1.30，計(jì)算得管板厚度：
=1.15×1.30×(17+0.0083×402) =30.4mm (6-29)
實(shí)際可取t=35mm.
管孔直徑dp，根據(jù)文獻(xiàn)[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(yīng)不小于表6-4的規(guī)定。
表6-4 分程隔板最小厚度
公稱(chēng)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)見(jiàn)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(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6-7(b)，螺紋深度：
(6-31)
式中：
——螺孔深度，mm；
——拉桿螺孔公稱(chēng)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(jié)構(gòu)型式
拉桿常用的結(jié)構(gòu)型式有兩種：見(jiàn)圖6-8。
a) 拉桿定距管結(jié)構(gòu)，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(diǎn)焊結(jié)構(gòu)，適用于換熱管外徑小于或等于14mm的管束，且；
c) 當(dāng)管板比較薄時(shí)，也可采用其他的連接結(jié)構(gòu)。
（a）拉桿定距管結(jié)構(gòu) （b）點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)
圖6-8 拉桿結(jié)構(gòu)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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