1、本科毕业设计（论文）2000kW水冷型冷水机组的设计 学 院 材能与能源学院 专 业 热能与动力工程 （制冷空调方向） 年级班别 2011 年 6 月 32000kW水冷型冷水机组设计 材料与能源学院设计总说明冷水机组是把整个制冷系统中的压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀等设备，以及电气控制设备组装在一起，为空调系统提供冷冻水的设备。冷水机组一般使用在空调机组和工业冷却。在空调系统，冷冻水通常是分配给换热器或空气处理机组终端设备；在工业应用，冷冻水分配到其它液体的冷却泵或实验室设备。它既能为宾馆、医院、药厂、影剧院、体育馆、娱乐中心、商业大厦、工矿企业等场所的中央空调系统提供冷水，也可为纺织、化工
2、、食品、电子、科研等部门提供工艺冷冻水。本设计主要是2000kW水冷型冷水机组的设计，设计首先介绍了水冷型冷水机组的概念、分类、主要型式、冷量范围和应用场合等等。接着由规定的制冷量，确定所要设计的机组型式为螺杆式水冷型冷水机组。然后查阅国标中关于水冷型冷水机组的设计工况，根据国标中规定的冷却水进出口温度，制冷量等条件再确定所确定的机组设计蒸发器为满液式蒸发器，冷凝器为卧式管壳式冷凝器。设计步骤按照相关换热器设计手册和国标的一些规定。由设计好的换热器来选择比泽尔CSH系列压缩机及其配件。接着设计机组主要管路及系统，最后设计机组的自动控制系统，主要包括压缩机自动控制和机组运行参数自动控制。最后再绘
3、制设计的蒸发器、冷凝器和相关零件的图纸。关键词：冷水机组，螺杆压缩机，水冷，R22 Design General InformationChillers are refrigeration systems which include compressor, condenser, evaporator, throttle and other equipments, providing chilled water for air conditioning systems. Usually chillers are used in air conditioning units and industr
4、ial cooling. In the air conditioning systems, chilled water heat exchanger is usually assigned to the terminal equipments or air handling terminal units; in industrial applications, chilled water is distributed to other liquid cooling pumps or laboratory equipments. It could not only provide cold wa
5、ter for the hotels, hospitals, pharmaceutical companies, commercial buildings, mining enterprises and other places of central air conditioning systems, but also provides process frozen water for the sections of textile, chemical, food, electronics, and scientific research. This design is mainly abou
6、t 2000kW water-cooled chiller. The design first introduces the water-cooled chillers concept, classification, major types, scope and applications of cold etc. Then according to the stipulations of import and export cooling water temperature, cooling capacity and other conditions in the Chinese stand
7、ard the design determines the evaporator unit shall be flooded evaporator and the condenser shall be a horizontal tube shell condenser. The design procedures are based on the stipulations in relevant heat exchanger design manuals and Chinese standard. The design selects a Bitzer CSH series compresso
8、rs and accessories which are in accordance with the designed heat exchanger. Then design the main pipeline and system of the unit and the units automatic control system which mainly includes automatic control and compressor control unit operating parameters. Finally, I draw the designs of evaporator
9、, condenser and related parts.Key words: Chillers, Screw Compressor，Water-cooled，R22 目 录1 绪论11.1 制冷技术介绍11.2 蒸气压缩式制冷机组的分类和比较11.3 设计机组的选型与介绍11.3.1 设计机组选型11.3.2 螺杆式制冷机组介绍21.3.3 螺杆式制冷机组的优点21.3.4 螺杆式水冷冷水机组设计工况21.3.5 蒸发器的型式21.3.6 冷凝器的型式32 蒸发器的设计42.1 设计参数的确定42.2 热力计算42.2.1 制冷剂的流量42.2.2 冷水的流量52.3 传热计算52.3.1
10、 估算传热面积和选管52.3.2 污垢热阻的确定52.3.3 管内换热系数的计算62.3.4 管外换热系数的计算62.3.5 传热系数k的计算62.3.6 校核传热面积72.4 流动阻力的计算82.5 结构计算82.5.1 换热管布置设计82.5.2 壳体设计计算92.5.3 校验换热管与管板结构的合理性92.5.4 管板尺寸设计92.5.5 封盖尺寸设计102.5.6 分程隔板尺寸设计102.5.7 支座尺寸设计112.6 零部件结构尺寸设计112.6.1 支撑板112.6.2 垫片的选取112.6.3 螺栓122.6.4 连接管143 冷凝器的设计153.1 设计参数的确定153.2 热力
11、计算153.2.1 制冷剂的流量153.2.2 冷媒水的流量163.3 传热计算163.3.1 估算传热面积和选管163.3.2 确定每流程管数Z，有效单管长l及流程数N163.3.3 污垢热阻的确定173.3.4 管内换热系数的计算173.3.5 管外换热系数的计算173.3.6 传热系数k的计算183.3.7 校核传热面积193.4 流动阻力的计算193.5 结构计算193.5.1 换热管布置设计193.5.2 壳体设计计算203.5.3 校验换热管与管板结构的合理性203.5.4 管板尺寸设计203.5.5 封盖尺寸设计203.5.6 分程隔板尺寸设计203.5.7 支座尺寸设计203.
12、6 零部件结构尺寸设计203.6.1 支撑板203.6.2 垫片的选取203.6.3 螺栓213.6.4 连接管204 压缩机及辅助设备的选型224.1 压缩机及其附件的选型224.1.1 压缩机初步选型224.2 油分离器选型234.3 节流装置选型234.4 干燥过滤器选型244.5 气液分离器选型244.6 温控阀选型255 机组的管路及系统设计255.1 制冷管道设计255.1.1 制冷压缩机吸气管道设计255.1.2 制冷压缩机排气管道设计265.1.3 冷凝器至蒸发器之间的管道设计265.2 系统设计275.2.1 引射泵回油系统275.2.2 系统配置275.3 制冷管道及测量仪
13、表的安装295.3.1 常用的管材、管件和阀门295.3.2 测量仪表的安装295.4 制冷机组及管道的防腐与绝热295.4.1 制冷机组及管道的防护与涂漆295.4.2 制冷机组及管道的绝热材料与绝热结构296 自控系统设计296.1 自动控制方案296.1.1 自动控制概述296.1.2 机组运行参数控制方案306.1.3 水泵自动控制方案306.2 压缩机的自动控制306.2.1 压缩机控制方案306.2.2 起动型式306.2.3 能量调节316.2.4 自动保护326.3 机组运行参数的自动控制346.3.1 蒸发器供液量的自动控制346.3.2 蒸发压力和冷凝压力的自动控制346.
14、3.3 制冷剂温度的自动控制35结论36参考文献37致谢381 绪论1.1 制冷技术介绍制冷技术是国民经济各部门广泛应用的一门科学技术，目前主要应用于空气调节、工业生产、食品冷冻冷藏、医疗卫生及日常生活各个方面。制冷技术是从19世纪中叶开始发展起来的，到现在大约有100多年历史。在发展过程中发明过各种不同的制冷方法，其中包括机械驱动和热驱动相变制冷循环（蒸气压缩式、吸收式、吸附式和喷射式），无相变的热驱动制冷循环，以及斯特林循环、热电制冷、磁制冷等。然而当前制冷空调工程中用得最广泛的是以下2种制冷循环。1）蒸气压缩式制冷循环。利用工质相变产生的潜热，通过压缩、冷凝、节流、蒸发4个过程的封闭循环
15、实现制冷，是现在应用最广泛的一种制冷循环。2）吸收式制冷循环。由吸收剂和工质组成溶液，利用热能驱动，通过发生、冷凝、蒸发、吸收4个过程的封闭循环。冷水机组是把整个制冷系统中的压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀等设备，以及电气控制设备组装在一起，为空调系统提供冷冻水的设备。1.2 蒸气压缩式制冷机组的分类和比较蒸气压缩制冷技术以其适应温度范围宽广、清洁无污染、安装操作简便、效率高等优点，在制冷空调工业领域中占主导地位。根据蒸气压缩式制冷原理设计制造成的一种成套设备，称为蒸气压缩式制冷机组。在蒸气压缩式制冷机组中，采用各种类型的制冷压缩机，它是制冷机组的关键核心部件，对系统的运行性能、噪声振动和使用寿
16、命有着决定性的作用。制冷机组的分类，实质也是由所配用的压缩机的型式来决定的。根据蒸气压缩的原理，压缩机可以分为容积型和速度型二大类。容积型压缩机通过减少压缩空间容积，提高蒸气压力来完成压缩功能。螺杆压缩机属于容积型的一种。速度型压缩机是由旋转部件连续将角动量转给蒸气，再将该动量转为压力能。离心压缩机是速度型中最多且最典型的一种压缩机。1.3 设计机组的选型与介绍1.3.1 设计机组选型由于本设计为2000kW水冷冷水机组，初选螺杆式压缩机。1.3.2 螺杆式制冷机组介绍空调用螺杆式制冷机组主要有冷水机组和热泵机组。按制冷压缩机型式可分为：开启式、半封闭式、全封闭式；按制冷压缩机类型分类可分为单
17、螺杆式、双螺杆式；按热源侧热交换方式可分为水冷式、风冷式；也按可以按制冷剂种类进行分类。1.3.3 螺杆式制冷机组的优点螺杆式制冷机组和活塞式制冷机组相比，其优点如下：1）结构简单、零件少、可靠性高。2）没有进排气阀组，压缩效率高。3）相同制冷量情况下，体积小、重量轻。4）机器力矩变化小、振动小，运转平稳。5）能承受一定的液击。6）可实现中间补气的经济器循环，进一步提高压缩机的效率7）能量可以无级调节。8）转子喷油后排气温度低，气密性好，单机可在较大压缩比下运行。1.3.4 螺杆式水冷冷水机组设计工况根据资料【1】关于冷水机组名义工况的规定，本次的设计工况如表1.1所示：表1.1 水冷机组名义
18、工况 项目冷水侧水冷式进口水温出口水温进口水温出口水温制冷名义工况12732371.3.5 蒸发器的型式在螺杆式冷水机组中，蒸发器的型式主要是满液式蒸发器和干式蒸发器两种。满液式蒸发器中，液体制冷剂经过节流装置进入蒸发器，蒸发器内的液位保持一定。蒸发器内的传热管浸没在制冷剂液体中。吸热蒸发后的气液混合物中仍含有大量液体，故从蒸发器内逸出的湿蒸气经气液分离器后再回入压缩机。干式蒸发器则由热力膨胀阀或电子膨胀阀直接控制液体制冷剂进入蒸发器的管程，制冷剂液体在管内完全转变为气体，被冷却的介质则在传热管外的壳程流动。表1.3 满液式蒸发器与干式蒸发器的比较蒸发器种类满液式蒸发器干式蒸发器换热性蒸发器表
19、面为液体润湿，故表面传热系数高，K值大蒸发管部分表面与制冷剂气体接触，故表面传热系数较低，K值较小制冷剂阻力制冷剂阻力小制冷剂阻力大回油性对于润滑油与制冷剂互溶的情况下，较难回油对于润滑油与制冷剂互溶的情况下，回油方便充液量由于壳体内充满制冷剂，古制冷剂充液量大制冷剂的充液量很少，只有满液式蒸发器的1/21/3根据大中型螺杆式水冷冷水机组都采用满液式蒸发器这一特点，本设计蒸发器型式选用满液式蒸发器。1.3.6 冷凝器的型式在螺杆式制冷机组中所使用的水冷冷式冷凝器，主要是卧式壳管式冷凝器。它是由筒体、管板、冷凝管和两侧端盖组成。制冷剂蒸气由筒体上部进入筒内，并在冷凝管的外表面上冷凝。冷凝后的液体
20、制冷剂从筒体下部流出。冷却水经一侧端盖进入冷凝管内，在另一侧端盖换向，再度流入冷凝器冷凝器的水流程一般做成偶数，这样冷却水的进出管可设在同一端盖。冷却水由下部进入，上部流出。这种冷凝器的主要优点是结构紧凑、传热系数高、冷却水耗量少、操作管理方便，所以在螺杆式制冷机组中几乎都采用这种型式的冷凝器。因此本设计采用卧式壳管式冷凝器。2 蒸发器的设计2.1 设计参数的确定本设计设计工况按表1.2国标关于水冷冷水机组的设计工况来确定设计参数，具体参数如下：蒸发器的换热量 ；给定制冷剂：R22；蒸发温度：，；;冷水的进出口温度为： 进口，出口。2.2 热力计算2.2.1 制冷剂的流量 根据参考资料【2】附
21、图5和附表13可以得到以下数据：，。 图2.1 R22的lgP-h图制冷剂流量 （2.1）式中：Qo为蒸发器制冷量，kW h1 制冷剂饱和蒸汽焓值，kJ/kg h4 制冷剂进入蒸发器前饱和液体焓值，kJ/kg2.2.2 冷水的流量水的定性温度：, 根据资料【3】附录9， （2.2）式中：Qo为蒸发器制冷量 ，kW 制冷剂饱和蒸汽焓值，kg/m3 Cp 制冷剂进入蒸发器前饱和液体焓值，kJ/kg t1 进口冷水温度， t2 出口冷水温度，2.3 传热计算2.3.1 选管为提高冷媒侧的对流换热系数，采用外螺纹管，根据资料【4】表3-4选择序号为5，规格为的低翅片管，如图所示：，每米管长管外表换热面
22、积：，螺纹管增强系数：，铜管导热系数：2.3.2 污垢热阻的确定 冷媒水平均温度,制冷剂,根据资料【2】P198表9-1中规定， 管内污垢系数 管外污垢系数2.3.3 管内换热系数的计算冷媒水的定性温度,查物性表得：， ，,，暂取水的流速，管程设计为2程，每流程管子数，当Z=237时，冷媒水的实际流速：，雷诺数： （2.4）式中：u水的流速，m/s水的粘度 di传热管的内径,m104根据资料【3】6-15，2.3.4管外换热系数的计算 平均传热对数温差： 管外换热系数,其中 2.3.5传热系数计算 传热过程分成两部分：第一部分是热量经过制冷剂的传热过程，其传热温差为；第二部分是热量经过管外污垢
23、层、关闭、管内污垢层以及冷媒水的传热过程。 第一部分热流密度 第二部分热流密度 用试算法估算 的值，确定热流密度 表2-14.14.24.34.44.5q46465056548259236381q67236592646063296197由此取,，2.3.6传热面积和管长确定传热面积管子有效长度，取管长4.5m2.4 流动阻力的计算根据参考资料【2】，对于水沿程阻力系数，冷媒水的总流动阻力： （2.7）式中：u管内水的流速，m/s水的密度，kg/m3 l单根传热管长度，m di换热管的内径，m N流程数 沿程阻力系数 符合资料【5】p69表2.10允许压降，设计合理。2.5 结构计算2.5.1
24、换热管布置设计 选用1-2型结构，Z=237，采用等边三角形与正方形的组合排列方式，查资料【5】p46表2.3，换热管中心距s=25mm，分程隔板槽两侧相邻管中心距，换热管在管板上的分布如图图2.2 管板布管图 由图2.2可知，最外层换热管中心所在圆直径2.5.2 壳体设计计算由做出的布管图可得布管限定园直径 ： ；壳体内径 : 根据资料【6】，固定管板式壳体直径在700-1000mm时，壁厚不小于壳体外径 : 根据资料【7】壳体选常用规格为的无缝钢管。2.5.3 校验换热管与管板结构的合理性 交换器管束外缘直径受壳体内径的限制，在设计时要将管束外缘置于布管限定圆内，对于满液式蒸发器，根据资料
25、【2】p205“最外部孔的边缘与外壳内表面的距离不小于5mm”，布管限定圆直径对于上述换热管布置设计由几何关系得出管束外缘直径，符合要求。 换热管长度与壳体直径之比，参看小型制冷装置P76，长径比一般在68范围内较为适宜，据此，选用两个流程是合理的。2.5.4 管板尺寸设计 管板选用直接焊于外壳上并延伸到壳体周围之外兼作法兰，管板与传热管的连接方式采用胀接法。根据换热器设计手册【8】，此类管板设计尺寸与相应法兰标准不符时，以法兰标准为准。 根据资料【4】表3-8管板最小厚度不小于20mm，根据资料【7】表（6-6），查得与管子连接方式有关的系数=1.15,与管板兼做法兰有关的系数=1.00，由
26、经验公式（6-4）得管板厚度： （2.8）式中：、管子连接方式系数，管板兼做法兰系数。 Di壳体内径，mm实际可取. 法兰最小外径：根据国标HG2059220635-2009 钢管制法兰、垫片、紧固件【9】中的法兰标准,选取,法兰厚度：螺栓所在圆的直径：周长：2.5.5 封盖尺寸设计根据资料【10】选封盖厚度20mm，选用椭圆型封盖,其尺寸计算如下：图2.3椭圆封头示意图，,椭圆长轴：短轴：2.5.6 分程隔板尺寸设计按资料【11】，分程隔板厚度选，分程隔板槽深4mm图2.4 分程隔板示意图2.5.7 支座尺寸设计图2.5 支座示意图根据资料【12】表6，可以确定支座尺寸:l1=640mm,l
27、2=460mm,l3=350mm, , h=200.2.6 零部件结构尺寸设计2.6.1 支撑板由于换热管外径14d25。由前面选管长，最大无支撑跨距为1500mm，可取支撑板厚度为10mm,，支撑板数量为2。由于换热管外径为，根据资料【5】表2.5可以知道，最大无支撑跨距为1500mm，所以可取支撑板厚度为12mm,，支撑板数量为2。由于壳体外径为，根据资料【5】表2.7可以选取，拉杆直径为，拉杆数量为8根。2.6.2 垫片的选取根据资料【10】表9-2，垫片的材料可以选取具有适当加固物的石棉（石棉橡胶板）;厚度为，垫片系数，比压力.取垫片宽度N=16mm,根据资料【10】表9-2可以知道：垫片基本密封宽度为，垫片的有效密封宽度为，所以垫片压紧力作用中心圆直径即为垫片接触面的平均直径，即=762+12+82-7.162=765.68mm.预紧状态所需的最小压紧力： （2.9）式中：DG接触面平均直径，mm b垫片宽度，mm y比压力，Mpa操作状态下所需的最小压紧力： （2.10）式中：DG接触面平均直径，mm b垫片宽度，mm m垫片系数 p比压力，Mpa垫片在预紧状态下受到最
