制冷课程设计参考讲解
目录
1 设计资料 (1)
2 设计说明 (1)
2.1确定制冷剂种类和系统形式..................................... ？
2.2制冷系统的设计工况确定....................................... ？
2.3制冷系统热力计算............................................. ？
2.4卧室壳管式蒸发器设计......................................... ？
2.5冷凝器计算................................................... ？
3 设计过程......................................................... ？
3.1确定制冷剂种类和系统形式..................................... ？
3.2制冷系统的设计工况确定....................................... ？
3.3制冷系统热力计算............................................. ？
3.4卧室壳管式蒸发器设计......................................... ？
3.5冷凝器计算................................................... ？结束语.............................................................. ？参考文献............................................................ ？
1 设计资料
冷冻水工艺需冷量Q 0‘
=（150+50×22）=1250KW;载冷剂工质为冷媒水；冷冻水采用封闭系统；其供水温度t 1=5℃，回水温度t 2=10℃。冷凝器采用水冷却式，冷却水进水温度t 1w =32℃。
2 设计说明
2.1确定制冷剂种类和系统形式
制冷剂为氨；采用单级蒸汽压缩式制冷；供冷方式为直接供冷；冷凝器的冷却方式水冷却。
2.2 制冷系统的设计工况确定
确定蒸发温度t 0、冷凝温度t k 、过冷温度t rc 、吸气温度t x ，绘制制冷LgP-h 图并查出个点参数。
2.3 制冷系统热力计算
2.3.1 各个参数计算
计算制冷过程的单位质量制冷量、单位容积制冷量、制冷剂质量流量、制冷剂体积流量、冷凝器的热负荷、压缩机的理论功率和理论制冷系数。
2.3.2 选配制冷压缩机
由冷量换算公式计算制冷量，选择制冷压缩机并确定制冷压缩机配用的电动机功率。
2.3.3 计算节流阀公称直径[1]
v l P A C G ?=ρ01.16 (2-1)
60634.002005.0v C l +=ρ (2-2)
式中
G ——质量流量（kg/h ）； A ——通道截面积（cm 2
）；
ρl ——截流阀前液体的密度（kg/m 3
）； △Pv ——截流阀前后的压力差（Pa ）； Co ——流量系数；
υ6——节流阀出口状态下汽液混合物的比容（m 3/kg ）。
2.4 卧室壳管式蒸发器设计
2.4.1 计算冷冻水侧放热系数[2]
33
.06.033
.06.0)(22.022.0r
w
w
r
e w
n p v
ud d p R d λλ
α?
=?
= (2-3)
式中： λ——水的导热系数[W/(m ·k)]； d w ——传热管外径（m ）； u ——冷却水流速（m/s ）； v ——水的动力粘滞系数（m 2
/s ）；
Pr ——普朗特常数。
2.4.2 计算制冷剂侧的放热系数
25.02
3
25
.0)(
53.0)
(53
.0υβλ
λαr
w r r w
w
u
w p td g p G d d N ?===
(2-4)
式中： g ——重力加速度（m/s 2
）； λ——氨的导热系数[W/(m ·k)]； β——体积膨胀系数； d w ——传热管外径（m ）； v ——氨的动力粘滞系数（m 2
/s ）；
Pr ——普朗特常数；
△t ——壁面与蒸发温度的差值（℃）；
2.4.3 计算传热系数：
K=1)1(
-++∑n
w ατ
λδα (2-5) 式中
αw 、αn ———分别是管外和管内的放热系数（W/m 2
k ）；
∑λδ
——管壁及管壁附着物热阻，氨侧污垢热阻为4.3×10-4（m 2·K/W ）,水侧污垢热阻为1.23
×10-4（m 2·K/W ）；
τ——肋片系数，可取管外径与管内径之比（即n w d d /）。
2.4.4 计算蒸发器的传热面积：
A=
t
K Q ?0
(2-6)
式中： Q 0——蒸发器的热负荷( KW)；
K ——蒸发器的传热系数 [kW/(m 2
·K)]； Δt ——制冷剂与载冷剂的对数平均温差(℃)。
其中传热温差:在蒸发器中制冷剂和载冷剂之间的温差按对数平均温差计算:
20121ln
t t t t t t t ---=
?
(2-7)
式中： t 1——载冷剂进蒸发器的温度(℃)；
t 2——载冷剂出蒸发器的温度(℃)； t 0——蒸发温度(℃)。
2.4.5计算载冷剂循环量：
3600)
(1000210
?-=
t t c Q M p (2-8)
式中： c p ——载冷剂的比热容[kJ/(kg ·k)]；
t 1 、t 2——载冷剂进出蒸发器的温度 (℃)。
2.5 冷凝器计算
2.5.1 冷凝器热负荷计算
Q k =M R q k =M R （h 3-h 5） (2-9)
式中： M R ——制冷剂质量流量（kg/s ）；
q k ——冷凝器单位质量冷负荷（kJ/m ）。
2.5.2 估算冷凝器传热面积与水量
t
K Q A k
?=
(2-10) 式中： Q k ——冷凝器的热负荷( KW)；
K ——冷凝器的传热系数，取K=700kW/(m 2
·K)； Δt ——传热平均温差(℃)。
传热温差：
2
w k 1w k
1w 2w t t t t ln t t t ---=
?
(2-11)
式中： t w1——冷却水进口温度(℃)；
t w2——冷却水出口温度(℃)； t k ——冷凝温度(℃)。
冷却水循环量：
)
(21k
t t c Q M p -=
（2-12) 式中： c p ——冷却水的比热容[kJ/(kg ·k)]； t 1 、t 2——冷却水进出进出口温度 (℃)。
2.5.4 水侧放热系数计算
2.08
.0n n d w B =α2 （2-13)
w t B 26.236.1395+= （2-14)
2
2
1w w w t t t +=
（2-15)
式中
t w1——冷却水进水温度（℃）； t w2——冷却水出水温度（℃）； B ——系数；
w ——载冷剂流速，取1.5m/s ；
d n ——管道内直径（m ）。
2.5.5 制冷剂侧放热系数计算
25.025.0)(725.0---=wo k n w t t Bd α （2-16)
4
3
2μγλρg B = （2-17) )()(0w wo n n wo k w t t d t t d -=-παπα （2-18)
式中 γ——冷凝潜热，由冷凝温度而定（kJ/kg ）；
ρ——密度（kg/m 3
）；
g ——重力加速度，g=9.8m/s 2
； λ——导热系数W/(m ·k)； μ——动力粘滞系数（pa ·s ）； B ——系数；
d n ——管道内直径（m ）；
t wo ——壁温（℃）。
2.5.6 传热系数计算与实际所需冷凝面积
K=1
21)]1(1
[
-++
+n
n w w
R d d R αα （2-19) 式中
αw ，αn ——分别为制冷剂的凝结放热系数和水侧的放热系数（W/m 2
·k ）； R1，R2——分别为油膜热阻和水垢热阻（m 2·K/W ）； d w ，d n ——分别为传热管的外径和内径（m ）。
3 设计过程
3.1 确定制冷剂种类和系统形式
制冷剂为氨；采用单级蒸汽压缩式制冷；供冷方式为直接供冷；冷凝器的冷却方式水冷却。其循环原理图见图1。
图1 制冷系统循环原理图
3.2 制冷系统的设计工况确定
(1)蒸发温度t 0比冷冻水供水温度低4--6℃，即: t 0=5－5＝0℃
(2)冷凝温度t k 比冷却水进出口平均温度高5--7℃，取立式壳管式冷凝器冷却水进出口温差为3℃，则
t k 4062
36
32=++=
℃ (3)过冷温度t rc 比冷凝温度低3--5℃，取过冷度为5℃，则
t rc =40-5=35℃
(4)吸气温度t x 比蒸发温度高5 ℃，即
t x =0+5=5℃
(5)制冷系统采用间接式，取附加系数为10%，制冷系统的制冷量为
Q0= Q 0‘
×1.1=1250×1.11=1375 KW
图2 制冷循环LgP-h 图
3.3 制冷系统热力计算
3.3.1 各个参数计算
(1）单位质量制冷量：q o =h 1-h 4=1790-660=1130 kJ/kg
(2）单位容积制冷量：qv=
364531
.0113021==v q kJ/m 3 (3）制冷剂质量流量： M R =
1.131
.0125010==v Q kg/s (4）制冷剂体积流量：V R = M R v 2=1.1×0.31=0.344 m 3
/s
(5）冷凝器的热负荷：Q k =M R (h 2-h 3)=1.11×(1980-660)=1465 kJ/kg (6）压缩机的理论功率：P th =M R (h 2-h 1)=1.11×(1980-1790)=211 Kw (7）理论制冷系数：75.48
.23711300===
th P Q ε 3.3.2 选配制冷压缩机
1）计算压缩机制冷量
查得冰山牌6A W-17型制冷压缩机的标准制冷量Q 02=384 kW [5]
，在t 0=0℃，t k =40℃时，从换算系数表查得冷量换算系数k i =1.84，该台制冷机换算后的制冷量为:
Q 0b2=k i Q 02=1.84×384=707kW
确定选用冰山牌6W-17型制冷压缩机各2台，其制冷量为:
Q 0=Q 0b1×2=707×2=1414kW ＞1250kW ，满足要求。
2）确定制冷压缩机配用的电动机功率
（1）理论功率Pth ：
Pth=M R2w th =9.118)1790-1980(1130
707
=?=
kW （2）指示功率Pi ：
6.34294
.05549.10==P P k ,查《制冷技术》取得ηi=0.75 Pi=
53.15875
.09
.118==
i
th
P η kW （3）轴功率Pe ： 从《制冷技术》取ηm=0.85，则
Pe=
5.18685
.053
.158==
m
i
P η kW 查有关资料得6W-17型制冷压缩机配用的电动机功率为200W ，故满足要求。
3.3.3 计算节流阀公称直径
G=2V C p CoA
?*ρ
式中A 通道截面积 ρc 截流阀前液体的密度 ⊿pv 截流阀前后的压力差 Co 流量系数 取0.35；⊿Pv=15.3-3.0=12.3bar=12.3×105
Pa ；ρc=579.47kg/m 3
Gmax=v c n
o P D C ??
ρπ
2
4
2=
4
103.1247.57914.335.025
2
n
????D =10373.4D n
2
又因为 Gmax ?q 0≥Q o 所以 10373.4D n 2
?1125≥1250
D n ≥10.3 mm A=
222
3.833.104
14
.34
mm D n =?=
?π
选择Dn 时，一般考虑使Gmax 在1.5—2.0Qo 之间 所以取Dn 为14mm 所以G=10373.4? D n
2
=10373.4?（14?310-）2=2.03kg/s=19.16m 3
/s
由下表可确定浮球式膨胀阀的公称直径为32mm
表1 浮球式膨胀阀规格
公称直径Dg （㎜） 10 15 20 25 32 流量（L/min ）
0～3
3.78
7.56
11.3～15
18.9～28.4
3.4 卧室壳管式蒸发器设计
采用满液式卧式壳管蒸发器，传热管采用Φ32?3.0mm 的无缝钢管，排列采用正三角形错排，冷冻水流速为1.5m/s [6]
。
3.4.1 计算冷冻水侧放热系数
根据冷冻水平均温度5.72
10
5221=+=+=
t t t ℃查水的物性参数为： ρ=999.8 kg/m 3
，ν=1.427×10-6m 2
/s ，λ=0.568 W/(m ·k)，Pr=10.56，c p =4.196kJ/（kg ·k ），
100003363710
427.1032
.05.16>=??==
-v wd R w e ，属于紊流。 则水侧放热系数为：
442156.1033637032
.0568
.022.022.033.06
.033
.06.0=???
=?
=r
e w
n p R d λ
α)/(2k m W ?
3.4.2 计算制冷剂侧的放热系数
根据t 0=0℃查物性表得：
β=
301066.30
27311-?=+=T ，λ=0.551 W/(m 2k)，v=1.789×10-6m 2/s ，Pr=13.67 862
6-332
3
101039.5)10(1.78967.13032.021066.381.9
-υβr
w r r p td g p G
则制冷剂侧放热系数为：
1.49)67.131039.5(53.0)(53.025.0625.0=???==r r u p G N
849032
.01
.495533.0=?=
=
w
u
w d N λα)/(2k m W ?
3.4.3 计算传热系数
k W/m 512)4421
026.0032.0000123.000043.08491(
)1
(211
=?+++=++=--∑
n
w
K ατλδα
3.4.4 计算蒸发器的传热面积
传热温差
21.7050
10ln 5
10ln
20121=---=---=
?t t t t t t t ℃
传热面积
23
5.36521
.74.474101250m t K Q A m o =??=?=
3.4.5 计算载冷剂循环量
h m t t c Q M p /2153600)
510(186.410001250
3600)(10003210=?-??=?-=
3.4.6 蒸发管计算
冷冻水流速对氨蒸发器一般取1.0到1.5m/s,所以取管内水流速V=1.5m/s ，则每一流程的管子根数n 为：
6.743600
5.102
6.04
215
4
2
2
=???=
=
π
ω
π
n
d M
n ，取n=75
蒸发管总长度
m L 5.3637032
.05
.365d A w =?==
ππ 总根数 6.5595.65.3637.L ===
l N ，取560=N 流程数
5.775
560N ===n Z ，取流程数8=Z
实配蒸发面积 25.3555605.6032.014.3m lN d A w =???==π
选用DWZ-360型卧式蒸发器，传热面积为360m 2
。水泵选用200QJ 潜水泵，流量为200m 3/h 。
3.5 冷凝器计算
选用立式壳管式冷凝器，冷却水进水温度为32℃，出水温度为36℃，冷却水流速为1.5m/s 。传热管采用Φ32?3.0mm 的无缝钢管，排列采用正三角形错排。
3.5.1 冷凝器热负荷计算
Q k =M R (h 2-h 3)=1.11×(1980-660)=1465KW
3.5.2 估算冷凝器传热面积与水量
传热温差
364032
40ln 4ln
2
11
2--=---=?t t t t t t t k k m =5.78℃
查表取K=800W/（m 2
·K ），则
23
k m 8.31678
.5800101465t K Q A =??=?=
管子根数
7.60818.5032.08
.316=??==
π
πH d A n w
h /m 0.31536003236186.410001465
3600t t C 1000Q M 31
w 2w p k =?-??=?-=）（）（水流量 3.5.3
水侧放热系数计算
2.08
.0n
n d w B =α ； t B 26.236.1395+=； 22
1w w t t t +=
式中
t w1——冷却水进水温度（℃）； t w2——冷却水出水温度（℃）； B ——系数；
w ——载冷剂流速，取1.5m/s ；
d n ——管道内直径（m ）； 则
4.21862
36
3226.236.139526.236.1395=+?+=+=t B 1.6275026
.05.14.21862
.08.0=?=n αW/m 2
k 3.5.4 制冷剂侧放热系数计算
根据t k =40℃查物性表得：
γ=1098.71 kJ/kg ，λ=0.4371 W/(m 2
k)，ρ=579.5 kg/m 3
，μ=1.152×10-4 pa ·s
25
.025.025.025.025.0)140.12903)40(026.06.7146725.0)(725.0------=-??=-=wo wo wo k n w t t t t Bd α
根据热平衡原理得：
)()(0w wo n n wo k w t t d t t d -=-παπα
)5.33(026.01.6275)40(032.0)40(1.1290325.0-?=-?--wo wo wo t t t
解得壁温为：t wo =38.2℃ 则制冷剂侧放热系数为：
)/(7.11139)2.3840(1.12903)40(1.12903225.025.0k m W t wo w ?=-=-=--α
3.5.5 传热系数计算
K=)/(6.706)]1
.62751
00043.0(026.0032.00006.07.111391[
21K m W ?=+++-
3.5.6 计算传热面积
所需面积： 23
7.35878
.56.706101465m t K Q A K =??=?=
管子根数： 69014
.318.5032.07
.3580=??==
H d A n π
校核单位面积热负荷：22.40847
.3581465
m W A Q q K f ===
选用冰山牌LNA-370型立式冷凝器1台，每台冷凝器传热面积为370m 2。
参考图纸：
冷冻机房布置图
结束语
参考文献
[1]《空气调节用制冷技术》彦启森主编.中国建筑工业出版,1999.8
[2]《制冷工程设计手册》中国建筑工业出版，1978
[3]《制冷技术》贺俊杰主编. 机械工业出版社,2007.8
[4]《空调与制冷技术手册》陈沛霖主编.同济大学出版社,1922.3
[5] 大连冷冻机厂、上海冷冻机厂产品样本
[6]《制冷原理与设备》张祉佑主编.机械工业出版社,1987