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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 120kw模塊式風(fēng)冷冷水機(jī)組設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
學(xué) 號
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時(shí)間
120kw模塊式風(fēng)冷冷水機(jī)組
120kw模塊式風(fēng)冷冷水機(jī)組設(shè)計(jì)
摘 要
風(fēng)冷模塊式冷水機(jī)組以空氣源作為冷源，不受水源限制，省去了水冷機(jī)制所需要的冷卻塔和冷卻系統(tǒng)，特別適用于缺水地區(qū)。機(jī)組安裝方便，無水冷系統(tǒng)，可置于屋頂，省去了中央空調(diào)常用的冷源所需的機(jī)房。本次設(shè)計(jì)首先從系統(tǒng)思想出發(fā)，通過對風(fēng)冷冷水機(jī)組的的結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行研究分析，為風(fēng)冷冷水機(jī)組的研究提供方法論的指導(dǎo)。該機(jī)組主要有壓縮機(jī)，冷凝器，蒸發(fā)器，膨脹設(shè)備和一些其他的輔助設(shè)備，配套組裝在一起而成的一個(gè)整體，模塊化設(shè)計(jì)可以使機(jī)組滿足不同制冷量得需求。通過對制冷方案的研究和對壓縮制冷的介紹，主要包括對制冷循環(huán)的四大部件和主要輔助設(shè)備的介紹，選擇計(jì)算出適合本次設(shè)計(jì)的設(shè)備。根據(jù)已知設(shè)計(jì)條件，通過熱力循環(huán)計(jì)算，換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)出合適的換熱器。最后對一些主要輔助設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算并選擇出經(jīng)濟(jì)合適安全可靠的輔助設(shè)備。
關(guān)鍵詞 制冷機(jī)組；換熱器；制冷劑；壓縮機(jī)
120kw modular air-cooled chiller
ABSTRACT
Air-cooled modular chiller air source as a cold source, without water restrictions, eliminating the need for water cooling mechanism cooling tower and cooling systems, especially suitable for dry areas.Unit easy to install, no cooling system, can be placed in the roof, eliminating the common room central air conditioning cold source required.The design of the first departure from systems thinking, in terms of air-cooled chiller by the structure of research and analysis, to provide guidance for research methodology air-cooled chiller.the?main?equipment?include?compressor,?condenser,?evaporator,?expansion?device?and?some?other?auxiliary?equipment.By?the?research?of?the?refrigeration?scheme?and?introduction?of?compression?refrigeration,mainly?includes?the?four?parts?of?refrigeration?cycle?and?the?main?auxiliary?equipment,so?it?calculate?and?choose?the?suitable?equipment?for?the?design.According?to?the?given?design?conditions,through?the?calculation?of?the?thermodynamic?cycle,the?design?calculation?of?heat?exchanger.Finally?it?select?the?economic?and?secure?auxiliary?equipment?by?the?design?and?culculation?of?some?main?auxiliary?equipment.
KEY WORDS chiller ；heat exchanger；refrigerant；compressor
II
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
前 言 1
1.方案論證 1
1.1 流程選擇 1
1.2 冷凝器介紹與類型選擇 2
1.2.1水冷冷凝器 2
1.2.2 空氣冷卻式冷凝器 4
1.3 蒸發(fā)器的選擇 5
1.3.1 冷卻液體載冷劑蒸發(fā)器 5
1.4 制冷劑 8
1.4.1 制冷劑的選擇原則 8
1.4.2 制冷劑介紹與選擇 9
1.5 節(jié)流裝置的選擇 11
1.5.1 手動(dòng)膨脹閥 11
1.5.2 熱力膨脹閥 12
1.5.3 熱電膨脹閥 12
1.5.4 毛細(xì)管 13
1.6 壓縮機(jī)的選擇 13
1.6.1 壓縮機(jī)的分類 13
1.6.2 活塞式、螺桿式和渦旋式制冷壓縮機(jī)的特點(diǎn) 14
2 制冷量計(jì)算 16
3 制冷循環(huán)熱計(jì)算 17
4 冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算 18
4.1 確定溫度參數(shù) 18
4.2 翅片管簇結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇及計(jì)算 18
4.3 傳熱計(jì)算 20
4.4 風(fēng)機(jī)的選擇計(jì)算 23
5. 蒸發(fā)器設(shè)計(jì)計(jì)算 24
5.1 蒸發(fā)器的分類 25
5.2 初步選定蒸發(fā)器 27
5.3 選用載冷劑 27
5.4殼管式蒸發(fā)器的設(shè)計(jì) 28
5.4.1 初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28
5.4.2 管內(nèi)R134a的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算 29
5.4.3 水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算 30
5.4.4 傳熱系數(shù)的計(jì)算 32
5.4.5 管內(nèi)流動(dòng)阻力和平均傳熱溫差的計(jì)算 32
5.4.6 面積熱流量及傳熱面積的計(jì)算 33
5.4.7 冷水側(cè)流動(dòng)阻力的計(jì)算 33
6. 壓縮機(jī)的選型與校核 34
6.1 壓縮機(jī)的分類與初選 34
6.2 壓縮機(jī)的選型計(jì)算 35
6.2.1 理論排氣量的計(jì)算 35
6.2.2 軸功率的計(jì)算 37
6.3 壓縮機(jī)選型 37
6.4 壓縮機(jī)的校核 38
6.4.1 壓縮機(jī)名義工況下的熱力計(jì)算 38
6.4.2 壓縮機(jī)的校核計(jì)算 39
7 節(jié)流裝置介紹與類型選擇 41
7.1 熱力膨脹閥的選型 42
7.1.1 熱力膨脹閥名義工況下的熱力學(xué)計(jì)算 43
7.2 熱力膨脹閥的使用 45
8. 輔助設(shè)備的選擇 45
8.1 油分離器 45
8.2 干燥過濾器選型 47
8.3 氣液分離器 48
8.4 視液鏡 49
8.5 電磁閥 50
8.6 截止閥 52
8.7 水泵 53
9 自動(dòng)控制系統(tǒng) 54
9.1 蒸發(fā)器的自動(dòng)控制 54
9.2 冷凝器的自動(dòng)控制 55
9.3制冷裝置的自動(dòng)控制 55
9.3.1 排氣與吸氣壓力自動(dòng)保護(hù) 55
9.3.2 斷水自動(dòng)保護(hù) 56
結(jié) 論 57
致 謝 58
參考文獻(xiàn) 59
120kw模塊式風(fēng)冷冷水機(jī)組
前 言
隨著社會的不斷發(fā)展，我國經(jīng)濟(jì)將繼續(xù)保持平穩(wěn)較快的增長態(tài)勢，然而能源的相對短缺已越來越成為制約我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展的瓶頸，這一矛盾在今后相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)將長期存在，并且有愈加明顯的趨勢，同時(shí)，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展也是以犧牲環(huán)境為代價(jià)的，如今人們賴以生存的環(huán)境已不堪重負(fù)。為此，國家確立了“節(jié)約與開發(fā)并重，節(jié)約優(yōu)先”的能源方針，并提出“科學(xué)發(fā)展觀”，“構(gòu)建社會主義和諧社會”的全新發(fā)展理念。
在生活水平不斷提高和生產(chǎn)條件日益改善的今天，人們對生產(chǎn)生活環(huán)境也提出了更加嚴(yán)格的要求，為了滿足工作的需要以及生活的享受，近年來，冷水機(jī)組發(fā)展迅速，產(chǎn)品越來越多，型號越來越復(fù)雜，能效比越來越高，機(jī)組的技術(shù)含量也不斷提高[2]。但伴隨的卻是巨大的能源消耗。因此，節(jié)能降耗理應(yīng)成為全社會共同的責(zé)任，更是擺在每一家空調(diào)制造企業(yè)面前重大的課題。
1.方案論證
1.1 流程選擇
從熱力學(xué)角度考慮，盡管各種制冷裝置存在這樣或那樣的不同，但它們的基本原理是一樣的，即利用某種物質(zhì)狀態(tài)變化，從較低的熱源吸取一定的熱量，通過一個(gè)消耗功的補(bǔ)償過程，向較高溫度的熱源放出熱量。為了實(shí)現(xiàn)上述能量轉(zhuǎn)換，首先并須有使制冷機(jī)能達(dá)到比低溫?zé)嵩锤蜏囟鹊倪^程，并連續(xù)不斷的從被冷卻物體吸收熱量。實(shí)現(xiàn)這一過程制冷的主要方式主要有壓縮式制冷，熱電制冷及吸收式制冷。
壓縮式制冷系統(tǒng)中制冷劑在蒸發(fā)器中吸收外界的熱量，蒸發(fā)成氣體后進(jìn)入壓縮機(jī)。氣體被壓縮機(jī)壓縮，溫度升高。從壓縮機(jī)排除的氣體進(jìn)入冷凝器，被冷卻介質(zhì)冷卻，成為液體。離開冷凝器的制冷劑液體流經(jīng)節(jié)流元件時(shí)，降低壓力和溫度，成為由氣體和液體組成的兩相混合物，再進(jìn)入蒸發(fā)器，吸收蒸發(fā)器周圍物體的熱量，使他的溫度降低；熱電制冷是利用了電子能量與熱量之間的相互轉(zhuǎn)換，電子流經(jīng)兩種不同材料構(gòu)成的結(jié)點(diǎn)時(shí)，因這兩種材料中電子有不同能級，使電子的能量發(fā)生了變化。能量增加時(shí)從外界吸熱，能量減少時(shí)向外界放熱；擴(kuò)散-吸收式制冷利用液體蒸發(fā)連續(xù)不斷地制冷時(shí)，需不斷輸出制冷劑氣化時(shí)產(chǎn)生的蒸汽。壓縮式制冷機(jī)用壓縮機(jī)吸取此蒸汽，吸收式制冷機(jī)用吸收劑吸收制冷劑的蒸汽。通過比較，本次設(shè)計(jì)適合選用單級壓縮式蒸汽制冷循環(huán)。
1.2 冷凝器介紹與類型選擇
冷凝器是制冷裝置的主要熱交換設(shè)備之一。它的主要任務(wù)是通過環(huán)境介質(zhì)（水或者空氣）將壓縮機(jī)排出的高壓過熱制冷劑蒸汽冷卻、冷凝成飽和液體，甚至是過冷液體。在大型制冷機(jī)中，有的設(shè)置專用過冷器與冷凝器配合使用，使制冷劑液體過冷，以增大制冷劑的制冷量，提高其經(jīng)濟(jì)性。冷凝器是制冷裝置向制冷系統(tǒng)外放出熱量的換熱設(shè)備。從制冷壓縮機(jī)出來的高壓過熱蒸汽進(jìn)入冷凝器后，將熱量傳給周圍空氣或?qū)崃總鹘o水，再由水傳給周圍空氣中去。制冷劑在冷凝器中放出熱量的同時(shí)自身因受冷卻凝結(jié)為液體，在冷凝器中放出的熱量包括兩部分:一是在蒸發(fā)器中吸收的被冷卻物體的熱量；二是制冷劑在制冷壓縮機(jī)中被壓縮時(shí)，由壓縮機(jī)消耗的機(jī)械功等轉(zhuǎn)化為熱量。制冷劑過熱蒸汽在冷凝器中首先被冷凝為飽和蒸汽，然后被冷凝為飽和液體，再后制冷劑若繼續(xù)冷卻則被冷卻成過冷液體。冷凝器按冷卻介質(zhì)和冷卻方式可分為水冷式冷凝器，空冷式冷凝器和蒸發(fā)式冷凝器。
1.2.1水冷冷凝器
這種形式的冷凝器是用水作為冷卻介質(zhì)帶走制冷劑冷凝時(shí)放出的熱量。冷卻水可以一次性使用，也可以循環(huán)使用。用循環(huán)水時(shí)，必須配有冷卻塔或冷水池，保證水不斷得到冷卻。水冷冷凝器是利用水來吸收制冷劑放出的熱量。其特點(diǎn)是傳熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，多應(yīng)用于大中型制冷裝置。水冷冷凝器主要有殼管式、套管式、板式、螺旋板式等。
1.2.1.1 殼管式冷凝器
殼管式又可以分為立式殼管式和臥式殼管式兩種。
立式殼管式冷凝器 立式殼管式冷凝器它的殼體兩端無端蓋，制冷劑過熱蒸汽由豎直殼體的上部進(jìn)入殼內(nèi)，在豎直管簇外冷凝成液體，然后從殼體下部引出。課題的上端口設(shè)有配水槽，管簇的每一根管口裝有一個(gè)分配器，冷卻水通過該分配器上的斜分水槽進(jìn)入管內(nèi)，并沿內(nèi)表面形成液膜向下流動(dòng)，以提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，節(jié)約冷卻水循環(huán)量。冷卻水由下端流出并集中到水池內(nèi)，再用泵送到冷卻塔降溫后，可循環(huán)使用。
從傳熱理論分析，立管的傳熱性能較水平管差的多。其原因在于立式管上冷凝液的液膜的流動(dòng)路線較短，而且管內(nèi)的水較難保證完全為膜層流動(dòng)，因此在傳熱系數(shù)方面，立式冷凝器低于臥式冷凝器。優(yōu)點(diǎn)：可以露天安裝，節(jié)省機(jī)房面積，也可以，安裝在冷卻塔下面，以簡化冷卻水系統(tǒng)，換熱管是直管，清洗水垢比較方便，可以 在運(yùn)行中清洗，對水質(zhì)要求不高。缺點(diǎn):冷卻用水量大，單位面積冷卻水量為1-1.7/（㎡·h），設(shè)備體積大，金屬消耗量大，搬運(yùn)安裝不方便，制冷劑泄漏不易被發(fā)現(xiàn)。
臥式殼管式冷凝器 臥式殼管冷凝器在管板外側(cè)設(shè)有左右端蓋，端蓋的內(nèi)側(cè)具有滿足水流成需要的隔腔，保證冷水在在管程中往返流動(dòng)，使冷卻水從一側(cè)端的端蓋的下部進(jìn)入冷凝器，經(jīng)過若干個(gè)流程后由同側(cè)端蓋的上部流出。臥式殼管式冷凝器最為廣泛的應(yīng)用在大、中、小型氨和氟利昂制冷裝置。臥式殼管式冷凝器主要由鋼板卷制的筒體、換熱管、兩個(gè)焊接在一起的在筒體兩端用于固定換熱管的管板以及兩個(gè)端蓋組成，換熱管的兩端采用漲接或焊接固定在管板的管孔內(nèi)，冷卻水從一個(gè)端頭向另一個(gè)端頭流一次稱為一個(gè)流程，通常冷凝器的流程數(shù)為雙數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，換熱管內(nèi)的水流速較高，所以傳熱系數(shù)大；冷卻水的溫升較大，所以冷卻水的消耗量較小。缺點(diǎn)：冷卻水的阻力較大；清洗污垢不方便，設(shè)備要停止工作才能進(jìn)行清理；冷卻水水質(zhì)要求較高。
1.2.1.2 套管式冷凝器
套管式冷凝器是由兩種或兩種以上的不同直徑的管子套在一起組成的，并彎制成螺旋管或蛇型管的一種水冷式冷凝器。目前，套管式主要用于小型的氟利昂系統(tǒng)中。制冷蒸汽從套管式冷凝器的上端進(jìn)入，在內(nèi)管的外表面冷凝成液體，液體在外管的底部沿管子的徑向向下流動(dòng)，從下端進(jìn)入儲液器。冷凝器的冷卻水從套管換熱器的下端進(jìn)入依次向上流動(dòng)，與制冷劑的流動(dòng)方向相反，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)比較理想的逆流換熱。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，制造簡單，傳熱特性好。缺點(diǎn)：冷卻水和制冷劑兩側(cè)的阻力較大；單位體積換熱面積小，僅為20㎡/。金屬消耗較大；水垢清洗不方便，對水質(zhì)要求比較高。
1.2.1.3 螺旋板式冷凝器
螺桿式換熱器是一種效率較高的換熱器。流道始于螺旋板式換熱器的中心，而終于螺旋板式換熱器的外緣，螺旋板的上下兩端用封條旱死。冷卻水從螺旋板式換熱器的外緣端進(jìn)入[7]，從中央的上部流出。制冷劑蒸汽從螺旋板式冷凝器的中央隔板的另一側(cè)上部進(jìn)入，制冷劑的冷凝液集于底部流出。優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，傳熱系數(shù)高，在工作條件相同的情況下，螺旋板式冷凝器的傳熱系數(shù)可管殼式冷凝器提高50%左右。缺點(diǎn)：承受壓力有限，制造較復(fù)雜，冷卻水的阻力較大而且內(nèi)部不易清洗，對冷卻水的水質(zhì)要求較高。
1.2.1.4 板式冷凝器
板式冷凝器的傳熱元件是沖壓成型的薄金屬板片，板片上沖有波紋以強(qiáng)化傳熱，很多換熱薄片疊放在一起旱死，換熱板與換熱板之間的周邊放入一定形狀的密封圈，使換熱板之間保持一定距離，構(gòu)成制冷劑和冷卻水的流道。流體[8]在換熱板之間的流程可以按具體情況進(jìn)行并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)，在制冷裝置中多用并聯(lián)形式。板式冷凝器的傳熱系數(shù)為2000-3000W/(㎡·℃)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、耗材少等優(yōu)點(diǎn)。但是承受壓力受一定的限制，冷卻水的阻力較大，清洗不方便，對冷卻水水質(zhì)要求較高。
1.2.2 空氣冷卻式冷凝器
這種冷凝器以空氣為冷卻介質(zhì)，制冷劑在管內(nèi)冷凝，空氣在管外流動(dòng)，吸收管內(nèi)制冷劑蒸汽放出的熱量。由于空氣的傳熱系數(shù)較小，管外常常要設(shè)置肋片，以強(qiáng)化管外換熱。空氣冷卻式冷凝器又稱為風(fēng)冷冷凝器，制冷劑蒸汽冷卻和冷凝所放出的熱量是由空氣來冷卻的。冷卻方式又分為自然對流空氣冷卻式冷凝器和強(qiáng)迫對流空氣冷卻式冷凝器。空氣冷卻式冷凝器的換熱管一般按蛇形管排列，制冷劑蒸汽在換熱管內(nèi)冷凝，空氣在管外流過。
自然對流空氣冷卻式冷凝器是依靠空氣在冷凝器被加熱后自動(dòng)上升的過程將冷凝器釋放的熱量帶走，不需要風(fēng)機(jī)，節(jié)省了風(fēng)機(jī)耗電，減少了風(fēng)機(jī)噪聲，但傳熱系數(shù)也比較低。目前應(yīng)用非常普遍的是絲管式結(jié)構(gòu)的空氣自由運(yùn)動(dòng)式冷凝器。
強(qiáng)迫對流空氣冷凝器它由一組或幾組帶有肋片的蛇形管組成。制冷劑蒸汽從上部集管進(jìn)入蛇形管，其管外肋片用以強(qiáng)化空氣側(cè)換熱，補(bǔ)償空氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)過低的缺陷。強(qiáng)迫對流空氣冷卻式冷凝器一般用直徑為10mm~16mm的銅管彎制成蛇形盤管，蛇形盤管錯(cuò)排。由于這種冷凝器的冷卻介質(zhì)是空氣，所以換熱管外的換熱系數(shù)很小一般為35-81 W/(㎡·℃)，而換熱管內(nèi)制冷劑冷凝時(shí)的換熱系數(shù)為1163-2326 W/(㎡·℃)，為了強(qiáng)化管外換熱，在換熱管外套有翅片，翅片是用0.2-0.6mm的銅片或鋁片制成，翅片間距為1.8-4mm。強(qiáng)迫對流冷凝器迎風(fēng)面風(fēng)速為2-3m/s時(shí)，按全部表面積計(jì)算的傳熱系數(shù)為23-50 W/(㎡·℃)。冷凝溫度和空氣進(jìn)出冷凝器的溫差，對冷凝器的性能具有不可小覷的影響。一般冷凝溫度越高，傳熱溫差越大，傳熱面積將隨傳熱溫差增大而減小。由此會引起壓縮機(jī)功耗增大，排氣溫度上升。在結(jié)構(gòu)方面，沿空氣流動(dòng)方向的管排數(shù)越多，則后面排管的傳熱量越小，使換熱面積得不到充分的利用。為提高換熱面積的利用率，管排數(shù)取2~6排為好。空氣冷卻式冷凝器不需要冷卻水，特別適用于缺水或供水困難地區(qū)。
經(jīng)比較本次設(shè)計(jì)應(yīng)選用翅片管式冷凝器。
1.3 蒸發(fā)器的選擇
蒸發(fā)器按其冷卻的介質(zhì)不同分為冷卻液體載冷劑的蒸發(fā)器和冷卻空氣的蒸發(fā)器。根據(jù)工業(yè)方式的不同，有滿液式、干式、循環(huán)式和噴淋式。蒸發(fā)器是制冷裝置產(chǎn)生和輸出冷量的重要部件，位于制冷系統(tǒng)節(jié)流閥和壓縮機(jī)的吸氣管之間。制冷劑液體在蒸發(fā)器的換熱管內(nèi)流動(dòng)，并在低溫下變?yōu)檎羝?，制冷劑在蒸發(fā)的過程中吸收被冷卻物體或介質(zhì)的熱量。
1.3.1 冷卻液體載冷劑蒸發(fā)器
冷卻液體載冷劑蒸發(fā)器主要有管殼式蒸發(fā)器，直立管式蒸發(fā)器，螺旋管式蒸發(fā)器和蛇形管式蒸發(fā)器。
1.3.1.1 滿液式蒸發(fā)器
滿液式蒸發(fā)器按其結(jié)構(gòu)分為殼管式、直管式、螺旋管式等幾種結(jié)構(gòu)形式、他們的共同點(diǎn)是在蒸發(fā)器內(nèi)充滿了液態(tài)的制冷劑，運(yùn)行中吸熱蒸發(fā)產(chǎn)生的制冷劑蒸汽不斷地從液體中分離出來。由于制冷劑與傳熱面充分接觸，具有較大的傳熱系數(shù)。但不足之處是制冷劑充注量大，液柱靜壓會給蒸發(fā)溫度島城不良影響。
（1） 臥式管殼式蒸發(fā)器
管殼式滿夜蒸發(fā)器一般是臥式結(jié)構(gòu)。制冷劑液體在蒸發(fā)器換熱管外蒸發(fā)，載冷劑在換熱管內(nèi)流動(dòng)。其外殼是用鋼板做成的筒體，兩端有管板，并脹接或焊接許多換熱管管束，換熱管通常用無縫鋼管或銅管，兩端的端蓋具有分水隔板。載冷劑在換熱管和端蓋中要往返多次，其流程一般為4-8次進(jìn)出口設(shè)置在同一個(gè)端蓋上，并從端蓋的下方進(jìn)入，從端蓋的上方流出，流速為1-2.5m/s。在運(yùn)行時(shí)制冷劑在換熱管外流動(dòng)，載冷劑的液面應(yīng)穩(wěn)定在殼體直徑的70%-80%，液面上只露出1-3排換熱管，是制冷劑過熱。臥式管殼式蒸發(fā)器采用氨制冷時(shí)，一般選用直徑25或32mm的無縫鋼管。換熱器的平均傳熱溫差為4-8℃，傳熱系數(shù)為582-756 W/(㎡·℃)，一般來說蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)比冷凝器的要小。
（2）立式蒸發(fā)器
立式蒸發(fā)器可由平行直管或螺旋管組成。它們平均沉浸在液體載冷劑中工作，由于攪拌器的作用，液體載冷劑在容器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，以增強(qiáng)傳熱效果。制冷劑液體在管內(nèi)蒸發(fā)吸熱，使管外載冷劑降溫。
直管式蒸發(fā)器制造過程中，直管與上下集管連接的焊接工作量大，為此其泄露的機(jī)會也增多。為了降低成本，制造廠商將直管改為螺旋管，使同樣的傳熱面積的蒸發(fā)器焊接量大為減少，而且其傳熱系數(shù)還有所提高。直管式和螺旋管式蒸發(fā)器的特點(diǎn)是在蒸發(fā)溫度降低時(shí)也不會發(fā)生傳熱管凍裂。由于蒸發(fā)管數(shù)多，載冷劑系統(tǒng)一般為開式循環(huán)系統(tǒng)。從傳熱性能和經(jīng)濟(jì)性分析，螺旋管式優(yōu)于直管式蒸發(fā)器。
1.3.1.2 干式蒸發(fā)器
干式蒸發(fā)器是一種制冷劑液體在傳熱管內(nèi)能夠完全氣化的蒸發(fā)器。其傳熱管外側(cè)的被冷卻的介質(zhì)式載冷劑（水）或空氣，制冷劑則在管內(nèi)吸熱蒸發(fā)，其填充量約為傳熱管內(nèi)容積的20%~30%。增加制冷劑的質(zhì)量流量，可增加制冷劑液體在管內(nèi)的濕潤面積。同時(shí)，其進(jìn)出口出的壓差隨流動(dòng)阻力增大而增大，以至使制冷系數(shù)降低。干式蒸發(fā)器按其被冷卻介質(zhì)的不同分為冷卻液體介質(zhì)型和冷卻空氣型兩類。
（1） 冷卻液體介質(zhì)的干式蒸發(fā)器
直管式殼管式干式蒸發(fā)器它采用光管或內(nèi)肋管作為傳熱管。由于載冷劑測表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較高，所以管外不設(shè)肋片。內(nèi)肋管的采用其目的是為了提高管內(nèi)載冷劑的表面?zhèn)鳠釋W(xué)系數(shù)。節(jié)流后的制冷劑液體從一側(cè)端蓋的下部進(jìn)入，經(jīng)幾個(gè)流程后，變成蒸汽從同側(cè)的端蓋的上部管流出。整個(gè)蒸發(fā)過程中制冷劑蒸汽逐漸增多，形成各流程管數(shù)不等，以滿足蒸汽逐漸增大的需要。
U形管殼管式干式蒸發(fā)器，U形管作為傳熱管，一個(gè)管口為進(jìn)液端，另一個(gè)為出氣端，由此構(gòu)成了制冷劑為二流程的殼管結(jié)構(gòu)。它只需要一個(gè)將制冷劑進(jìn)出口分隔開的端蓋，這有利于消除材料因溫度變化而引起的內(nèi)應(yīng)力，延長其使用壽命，而且傳熱效果較好，但不宜使用內(nèi)肋管。
干式殼管蒸發(fā)器的特點(diǎn)：能保證進(jìn)入制冷劑系統(tǒng)的潤滑油順利返回壓縮機(jī)；所需要的制冷劑充注量較?。挥糜诶鋮s水時(shí)，即使蒸發(fā)溫度達(dá)到0度，也不會發(fā)生凍結(jié)事故；可采用熱力膨脹閥供液，這比滿液式蒸發(fā)器的浮球閥供液更可靠。
（2）冷卻空氣的干式蒸發(fā)器
這類蒸發(fā)器按空氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分有冷卻自由運(yùn)動(dòng)的空氣的蒸發(fā)器和冷卻強(qiáng)制對流空氣的蒸發(fā)器兩種形式。
冷卻自由運(yùn)動(dòng)的空氣冷卻器，由于被冷卻的空氣呈自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其傳熱系數(shù)較低，所以這種蒸發(fā)器被制成蛇形管形管管組，通常稱為冷卻排管。一般用于冷藏庫和低溫試驗(yàn)裝置中。在食品冷藏裝置中使用該設(shè)備，將有利于降低食品消耗，提高冷藏食品的品質(zhì)。
冷卻排管結(jié)構(gòu)簡單，但形式多樣。按排管在冷庫中的安裝位置可分為墻排管、頂排管和管架式排管。一般排管靠墻壁安裝，頂排管安裝在庫房天花板下方，管架式安裝在庫房內(nèi)可作為存放被冷凍食品的擱架。
冷卻強(qiáng)制流動(dòng)空氣的蒸發(fā)器。由于光管式空氣冷卻器傳熱系數(shù)很低為加強(qiáng)空氣側(cè)的換熱，往往需要在管外設(shè)置肋片以提高傳熱系數(shù)值。但是在一般情況下，設(shè)置肋管后因片距較小會引起較大的流動(dòng)阻力，必須采用措施強(qiáng)制空氣以一定的流速通過肋片管簇，以便獲得較好的換熱效果。
1.3.1.3 沉浸式蒸發(fā)器
沉浸式蒸發(fā)器又有直立管式，螺旋管式和蛇管式。
(1)直立管式 這種蒸發(fā)器通常只用在氨制冷裝置中，其換熱管是一排一排直立管排組成，材料是無縫鋼管，熱管管排裝在一個(gè)鐵箱子里，箱內(nèi)充滿載冷劑，制冷劑在換熱管內(nèi)吸收熱量后蒸發(fā)，向上走被壓縮機(jī)吸收。水箱中的載冷劑在攪拌器的作用下在箱內(nèi)流動(dòng)，流速一般為0.5-0.7m/s，傳熱系數(shù)一般在520-580W/(㎡·℃)。優(yōu)點(diǎn)是傳熱性能好，由于大所以凍結(jié)的危險(xiǎn)小。缺點(diǎn)是體積龐大，金屬消耗大，由于載冷劑直接暴露于空氣中，所以對金屬的腐蝕性大[14]。
(2)螺旋管式蒸發(fā)器 這種蒸發(fā)器的換熱管采用單頭螺旋盤管或雙頭螺旋盤管代替直立管管束，高度比直立管管束腰小一些，同時(shí)將臥室攪拌器改為立式攪拌器，在相同的傳熱面積下，它比直立管式蒸發(fā)器的體積小25%-40%。
(3)蛇管式蒸發(fā)器
蛇管式蒸發(fā)器主要用于小型氟利昂制冷裝置中，其熱管有一組或幾組彎成的蛇形盤管組成，蒸發(fā)器沉浸在載冷劑中，氟利昂液體從蛇形管的上部進(jìn)入換熱管，經(jīng)蒸發(fā)后變?yōu)檎羝缓髲膿Q熱管的下部導(dǎo)出。載冷劑在攪拌器的作用下在水箱中流動(dòng)。由于載冷劑的流速比較小及蛇形管下部的傳熱面積沒有充分的利用[15]，所以蛇形管蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)比較小。
1.3.1.4 板式蒸發(fā)器
板式蒸發(fā)器是近幾年開始應(yīng)用在制冷裝置中的，其換熱板是焊死不可拆的。板式蒸發(fā)器的換熱板與換熱板之間的周邊放入一定形狀的密封圈，使換熱板之間保持一定距離，構(gòu)成制冷劑與載冷劑的流道。但是，它的制冷劑的進(jìn)出口和板式冷凝器不同。具有傳熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。但是承受壓力受一定限制，載冷劑流動(dòng)阻力較大，清洗不方便。
1.3.1.5 循環(huán)式蒸發(fā)器
這種蒸發(fā)器中，制冷劑在其管內(nèi)反復(fù)循環(huán)吸熱直至完全氣化，故稱作循環(huán)式蒸發(fā)器。循環(huán)式蒸發(fā)器多應(yīng)用于大型的液泵供液冷庫系統(tǒng)或低溫環(huán)境試驗(yàn)裝置。循環(huán)式蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)在于蒸發(fā)器管道內(nèi)比表面能始終完全濕潤，便面?zhèn)鳠嵯禂?shù)很高。但體積較大，制冷劑充注量較多。
經(jīng)比較，本次設(shè)計(jì)適合選用臥式殼管干式蒸發(fā)器。
1.4 制冷劑
1.4.1 制冷劑的選擇原則
1）、熱力性質(zhì)方面
(1)在工作溫度范圍內(nèi)有合適的壓力和壓力比，即蒸發(fā)壓力不要過低，避免制冷系統(tǒng)的抵壓部分出現(xiàn)負(fù)壓，是外界空氣滲入系統(tǒng)引起不良后果。冷凝壓力不要過高，以免設(shè)備過分笨重。冷凝壓力和蒸發(fā)壓力之比不宜過大，以免壓縮終了的溫度過高或是壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)過低，同時(shí)壓力比過大將造成級數(shù)增加。
(2)通常希望單位質(zhì)量制冷量和單位容積制冷量比較大。因?yàn)閷τ谥评淞恳欢ǖ难b置，單位制冷量大可以減少制冷劑的循環(huán)量。單位容積制冷量大可減少壓縮機(jī)的輸氣量，故可縮小壓縮機(jī)的尺寸，這對大型制冷裝置是有意義的。
(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，以免潤滑條件惡化或制冷劑自身在高溫下分解。
2)、環(huán)境友好
對大氣環(huán)境無破壞作用，無溫室效應(yīng)。
3)、傳輸性質(zhì)方面
(1)黏度、密度盡量小，這樣可以減少制冷劑在系統(tǒng)中的流動(dòng)阻力。
(2)導(dǎo)熱率大，可以提高熱交換設(shè)備的傳熱系數(shù)，減少傳熱面積，是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。
4)、物理化學(xué)方面
(1)無毒、不易燃燒，不爆炸，使用安全。
(2)化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，制冷劑在循環(huán)中不變質(zhì)，不與潤滑油反應(yīng)，不腐蝕制冷機(jī)構(gòu)件。在壓縮高溫下不分解。
5)、來源充足、制造工藝簡單、價(jià)格便宜
來源充足、制造工藝簡單、價(jià)格便宜是其能夠商業(yè)化的首要條件。
1.4.2 制冷劑介紹與選擇
目前使用的制冷劑已多達(dá)近百種，并正在不斷發(fā)展增多。其中被廣泛采用的只有以下幾種：
1)R717（氨，NH3）氨是目前使用最為廣泛的一種中壓中溫制冷劑。氨具有較好的熱力學(xué)性質(zhì)和熱物理性質(zhì)，在常溫和普通低溫范圍內(nèi)壓力比較適中。單位容積制冷量大，粘性小，流動(dòng)阻力小，傳熱性能好。氨的凝固溫度為-77.7℃，標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)溫度為－33.3℃，在常溫下冷凝壓力一般為1.1～1.3MPa。氨有很好的吸水性，即使在低溫下水也不會從氨液中析出而凍結(jié)，故系統(tǒng)內(nèi)不會發(fā)生“冰塞”現(xiàn)象氨能以任意比與水互溶，組成氨水溶液，在低溫時(shí)水也不會從溶液中析出而凍結(jié)成冰。所以氨系統(tǒng)中不用設(shè)置干燥過濾器。但氨系統(tǒng)中有水時(shí)，會加劇對金屬的腐蝕，同時(shí)使制冷量減少。氨作為制冷劑的優(yōu)點(diǎn)是：易于獲得、價(jià)格低廉、壓力適中、單位制冷量大、放熱系數(shù)高、幾乎不溶解于油、流動(dòng)阻力小，泄漏時(shí)易發(fā)現(xiàn)。其缺點(diǎn)是：有刺激性臭味、有毒、可以燃燒和爆炸，對銅及銅合金有腐蝕作用。
2)R134a（四氟乙烷）是目前廣泛使用的R12的替代制冷劑，被廣泛應(yīng)用的中溫制冷劑，沸點(diǎn)-26.26度，凝固點(diǎn)為-96.6度，應(yīng)用于中等蒸發(fā)溫度和地蒸發(fā)溫度的制冷系統(tǒng)中。它的許多特性與R12很接近。其臭氧破壞指數(shù)（ODP）值為0，溫室效應(yīng)指數(shù)（GWP）值為0.24～0.29。其制冷循環(huán)特性與R12接近，但不如R12。R134a相對分子量大，流動(dòng)阻力損失比R12d大，傳熱性比R12好。R410a在溫度打到370度以上時(shí)，與明火接觸會分解出氟化氫等有毒氣體。R134a與R12在溶油種類和溶油行為上有很大差異。R134a的分子極性大，在非極性油中的溶解度極小，在為R134a專門開發(fā)的諸多合成油中，主要是聚烯醇類油PAGs、酯基油和氨基油。機(jī)器中的運(yùn)動(dòng)件供油不足時(shí)，會加速磨損，為此，在合成油中需要添加添加劑以提高潤滑性。R134a對鋼鐵銅鋁等金屬均未發(fā)現(xiàn)有相互反應(yīng)現(xiàn)象，僅對鋅有輕微作用。和塑料相比，合成橡膠受R134a的影響略大，特別是氟橡膠。因?yàn)镽134a分子中不含Cl，不能用傳統(tǒng)電子撿漏儀器撿漏，應(yīng)用專門的撿漏儀器撿漏。
3)R12（二氟二氯甲烷，CF2Cl2）為烷烴的鹵代物，學(xué)名二氟二氯甲烷[19]。它是我國中小型制冷裝置中使用較為廣泛的中壓中溫制冷劑。R12的標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)溫度為－29.8℃，冷凝壓力一般為0.78～0.98MPa，凝固溫度為-155℃，單位容積標(biāo)準(zhǔn)制冷量約為288kcal/m3。R12是一種無色、透明、沒有氣味，幾乎無毒性、不燃燒、不爆炸，很安全的制冷劑。只有在空氣中容積濃度超過80％時(shí)才會使人窒息。但與明火接觸或溫度達(dá)400℃以上時(shí)，則分解出對人體有害的氣體。
4)R22也是較常用的中文制冷劑，在相同的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下，R12比R134a的壓力要高65%左右。它在常溫下的冷凝壓力和單位容積制冷量與氨差不多，比R134a要打，壓縮終溫介于氨和R134a之間，能治去的最低蒸發(fā)溫度約為-80度。R22無色，無味，不燃燒，不爆炸，毒性小，但仍然是安全的制冷劑，安全分類AI。它的傳熱性能與流動(dòng)性能較好；它屬于不溶于水的物質(zhì)，制冷系統(tǒng)水的含量限制在0.001%以內(nèi)。同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)干燥器。R22的許多性質(zhì)與R12相似，但化學(xué)穩(wěn)定性不如R12，毒性也比R12稍強(qiáng)。但是，R22的單位容積制冷量卻比R12大的多，接近于氨。R22對金屬基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)作用，其泄露特性與R134a相似。當(dāng)要求－40～－70℃的低溫時(shí)，利用R22比R12適宜，故目前R22被廣泛應(yīng)用于－40～－60℃的雙級壓縮或空調(diào)制冷系統(tǒng)中。
5）R404A是一種不含氯的非共沸混合制冷劑，常溫常壓下為無色氣體，貯存在鋼瓶內(nèi)是被壓縮的液化氣體。其ODP為0，因此R404A是不破壞大氣臭氧層的環(huán)保制冷劑[20]。主要用途：R404A主要用于替代R22和R502，具有清潔、低毒、不燃、制冷效果好等特點(diǎn)，大量用于中低溫冷凍系統(tǒng)。 它是一種混合制冷劑，它是由R32（二氟甲烷）和R125（五氟乙烷）組成的混合物，其優(yōu)點(diǎn)在于可以根據(jù)具體的使用要求，對各種性質(zhì)，如易燃性、容量、排氣溫度和效能加以考慮，量身合成一種制冷劑。R410A外觀無色，不渾濁，易揮發(fā)，沸點(diǎn)-51.6℃，凝固點(diǎn)-155℃；其主要特點(diǎn)有：不破壞臭氧層。其分子式中不含氯元素，故其臭氧層破壞潛能值（ODP）為0。全球變暖系數(shù)值（GWP）小于0.2；毒性極低。容許濃度和R22同樣，都是1000ppm；不可燃。空氣中的可燃極性為0；化學(xué)和熱穩(wěn)定性高；水分溶解性與R22幾乎相同；是混合制冷劑，由兩種制冷劑組成；不與礦物油或烷基苯油相溶。（與POE[酯潤滑油]、PVE[醚潤滑油]相溶）；
本次設(shè)計(jì)選取R134a作制冷劑。
1.5 節(jié)流裝置的選擇
節(jié)流裝置是制冷系統(tǒng)中的膨脹機(jī)構(gòu)，又稱為膨脹閥，位于冷凝器之后。制冷裝置的節(jié)流結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)制冷劑液體膨脹過程的同時(shí)，還具有一下兩方面的作用：一是將制冷機(jī)得高壓部分和低壓部分分隔開，防止高壓氣體串流到蒸發(fā)器中；二是對蒸發(fā)器的供液量進(jìn)行控制，使其中保持適量的液體，使蒸發(fā)器換熱面積全面發(fā)揮作用。因其節(jié)流結(jié)構(gòu)無外功輸出，即無效率的概念可言。從冷凝器出來的高壓液體制冷劑經(jīng)膨脹機(jī)構(gòu)后，壓力降低，同時(shí)小部分液體閃發(fā)為蒸汽，成為低溫低壓制冷劑液體，經(jīng)氣液分離器后，進(jìn)入蒸發(fā)器制取冷量。節(jié)流閥除起降壓的作用外，還能調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑的流量。通過這樣的調(diào)節(jié)作用，使制冷劑離開蒸發(fā)器時(shí)有一定的過熱度，保證制冷劑液體不會進(jìn)入壓縮機(jī)，避免“液擊”事故。節(jié)流閥是制冷系統(tǒng)的四個(gè)主要組成部分之一，它和壓縮機(jī)共同維持系統(tǒng)內(nèi)的高低壓側(cè)的壓力差，達(dá)到制冷目的。節(jié)流閥的種類有很多，根據(jù)制冷劑不同，可以分為氨用節(jié)流閥和氟利昂節(jié)流閥；根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，可以分為手動(dòng)膨脹閥、熱力膨脹閥、電子膨脹閥、毛細(xì)管和浮球調(diào)節(jié)閥五種。
1.5.1 手動(dòng)膨脹閥
以手動(dòng)的方式調(diào)整閥孔的流通面積來改變蒸發(fā)器的供液量，其結(jié)構(gòu)與一般的手動(dòng)閥門相似，多用于氨制冷裝置。手動(dòng)膨脹閥采用針狀閥芯，強(qiáng)迫制冷劑在瞬間通過窄小的通道，因此局部阻力大，能量消耗大，壓力下降，緊接著通道面積突然擴(kuò)大，使制冷劑膨脹，有少量液體汽化，吸收本身的汽化潛熱，溫度下降，所以節(jié)流后成為低壓低溫的汽液混合流體。
1.5.2 熱力膨脹閥
熱力膨脹閥屬于一種自動(dòng)膨脹閥，又稱熱力調(diào)節(jié)閥或感溫調(diào)節(jié)閥，熱力膨脹閥是目前制冷系統(tǒng)中向蒸發(fā)器自動(dòng)供液應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，特別使用于氟利昂系統(tǒng)，它是根據(jù)蒸發(fā)器的熱負(fù)荷大小向蒸發(fā)器增減供液量，使蒸發(fā)器出口保持一定的蒸汽過熱度。它是利用蒸發(fā)器出口制冷劑蒸汽的過熱度調(diào)節(jié)閥口開度以調(diào)節(jié)供液量的，故使用于沒有自由液面的蒸發(fā)器，如干式蒸發(fā)器、蛇形管蒸發(fā)器和蛇管式中間冷卻器等。在制冷系統(tǒng)中，熱力膨脹閥可以在相當(dāng)大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)制冷劑的流量，所以他能保證蒸發(fā)器的內(nèi)表面積有絕大部分得到有效利用。熱力膨脹閥對蒸發(fā)器出口處的溫度控制，有內(nèi)平衡式和外平衡式兩種類型。外平衡式膨脹閥結(jié)構(gòu)比內(nèi)平衡式復(fù)雜，安裝也比較麻煩。當(dāng)制冷劑在蒸發(fā)器中壓力降很小時(shí)，對過熱度控制不大，采用內(nèi)平衡式就可以實(shí)現(xiàn)滿意的調(diào)節(jié)。但當(dāng)制冷劑在蒸發(fā)器中壓力降較大時(shí)，就必須采用外平衡式。當(dāng)制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度低時(shí)，很小的壓力變化就會引起飽和溫度的明顯變化，因此，低溫裝置也應(yīng)采用外平衡式。此外，在使用分液器對并聯(lián)多路的蒸發(fā)器供液時(shí)，由于分液器上壓力降較大，也應(yīng)使用外平衡式熱力膨脹閥。
1.5.3 熱電膨脹閥
熱電膨脹閥為制冷系統(tǒng)的智能化提供了條件。它利用被調(diào)參數(shù)產(chǎn)生的電信號，控制施加于膨脹閥上的電壓或電流，進(jìn)而控制閥針的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。按熱電膨脹閥的執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)方式，目前應(yīng)用的熱電膨脹閥有熱動(dòng)式、電磁式和電動(dòng)式三類。與熱力膨脹閥相比，電子膨脹閥有許多優(yōu)點(diǎn)：1）流量調(diào)節(jié)不受冷凝壓力變化的影響；2）對膨脹閥前制冷劑液體過冷度的變化具有補(bǔ)償作用；3）電信號比熱信號傳遞快，使執(zhí)行元件動(dòng)作迅速準(zhǔn)確；4）能夠?qū)⒄舭l(fā)器出口過熱度控制到最小，最大限度的提高蒸發(fā)器傳熱面積的利用率；5)在制冷裝置整個(gè)運(yùn)行溫度范圍，可以有相同的過熱度設(shè)定值；6）可以根據(jù)制冷裝置實(shí)際運(yùn)行特性決定調(diào)節(jié)器算法，便于通過控制器編輯，引入先進(jìn)的控制方法。
1.5.4 毛細(xì)管
毛細(xì)管又叫節(jié)流管，其內(nèi)徑通常為0.5~5mm,長度不等，材料為銅或不銹鋼。毛細(xì)節(jié)流管式根據(jù)流體在一定的幾何尺寸的管道內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生摩阻壓降改變其流量的原理，當(dāng)管徑一定時(shí)，流體通過的管道短，則壓降小，流量大；反之，壓降大且流量小。毛細(xì)管在制冷系統(tǒng)中取代膨脹閥作為節(jié)流結(jié)構(gòu)。毛細(xì)管節(jié)流閥通常用于工況穩(wěn)定，能量小的制冷裝置，如冰箱、空調(diào)器和小型制冷機(jī)組。它是一種便宜、有效、沒有可動(dòng)部件因而沒有磨損的節(jié)流機(jī)構(gòu)。由于直徑小，其管道容易被阻塞，為此通常在毛細(xì)管的前面按住安裝良好的過濾器。當(dāng)蒸發(fā)溫度低于零度時(shí)，需將干燥劑填入過冷器，組成干燥過濾器，防止毛細(xì)管內(nèi)發(fā)生臟堵和冰堵現(xiàn)象。進(jìn)入毛細(xì)管的制冷劑流量應(yīng)適當(dāng)，流量太小，不能保持進(jìn)口處的液封；流量太大，則流動(dòng)阻力增加，導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣壓力過高，系統(tǒng)效率下降。毛細(xì)管的功能取決于五個(gè)因素：管長、管內(nèi)徑、熱交換作用、毛細(xì)管的等圓程度及毛細(xì)管的安裝位置。
本次設(shè)計(jì)采用熱力膨脹閥。
1.6 壓縮機(jī)的選擇
1.6.1 壓縮機(jī)的分類
1） 、按使用工質(zhì)分類 按制冷劑種類的不同，制冷壓縮機(jī)可分為有機(jī)制冷劑壓縮機(jī)和無機(jī)制冷劑壓縮機(jī)兩大類。前者包括的制冷劑有氟利昂制冷劑和碳?xì)浠衔?，后者包含的制冷劑有R717 、R744等。不同制冷劑對壓縮機(jī)的材料和結(jié)構(gòu)的要求不同。氨對銅有腐蝕性，按壓縮機(jī)中不允許使用銅制零件；氟利昂制冷劑滲透力強(qiáng)，對有機(jī)物有溶脹作用；二氧化碳壓縮機(jī)用于跨臨界的制冷循環(huán)，因此排氣壓力高達(dá)11MPa,是傳統(tǒng)的制冷壓縮機(jī)的5~10倍，故對壓縮機(jī)的可靠性和密封性等提出了高要求，由于碳?xì)浠衔镆兹?、易爆，因此對談碳?xì)浠衔镏评鋲嚎s機(jī)的安全性提出了嚴(yán)格的要求。
2） 、按密封方式分類 按密封方式的不同，制冷壓縮機(jī)可分為開啟式、半封閉式和全封閉式三類。開啟式制冷壓縮機(jī)是一種靠原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)其伸出殼外的軸或其他運(yùn)轉(zhuǎn)零件的壓縮機(jī)。它的特點(diǎn)是容易拆卸、維修。由于原動(dòng)機(jī)與制冷劑和潤滑油不完全接觸，原動(dòng)機(jī)不必具備耐制冷劑和耐油的要求，因而可用于氨制冷系統(tǒng)。開啟式制冷壓縮機(jī)密封性較差，制冷劑易通過支承曲軸的軸端向外泄流，因此必須有軸封裝置。半封閉壓縮機(jī)是一種殼外可在現(xiàn)場拆卸修理內(nèi)部機(jī)件的無軸封的制冷壓縮機(jī)。全封閉式制冷壓縮機(jī)是一種壓縮機(jī)和電動(dòng)機(jī)裝在一個(gè)熔焊或釬焊焊死的外殼內(nèi)的制冷壓縮機(jī)。焊接的外殼保證制冷劑不會外泄，但也因此使機(jī)殼不易打開、修理。
3） 、按提高氣體壓力的原理分類 制冷壓縮機(jī)分為容積型壓縮機(jī)和速度型壓縮機(jī)。在容積可變的封閉容積中直接壓縮制冷劑蒸汽，使氣體體積縮小，從而達(dá)到提高壓力的目的。屬于容積型的制冷壓縮機(jī)主要有往復(fù)式、螺桿式、渦旋式和滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式等形式。速度型制冷壓縮機(jī)提高制冷劑蒸發(fā)壓力的途徑是先提高氣體動(dòng)能，再將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為位能，提高壓力。
圖1-1 壓縮機(jī)分類
1.6.2 活塞式、螺桿式和渦旋式制冷壓縮機(jī)的特點(diǎn)
（1） 、活塞式制冷壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：1）高速，多缸，逆流式，體積小、重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，質(zhì)量好，使用方便。2）具有系列化，互換性強(qiáng)，通用性強(qiáng)，維修方便。3）運(yùn)轉(zhuǎn)平衡性好，震動(dòng)小。4）機(jī)器裝有加油，放油用三通閥，可以再正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加油。5)機(jī)器裝有能量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使制冷壓縮機(jī)可以實(shí)現(xiàn)空載啟動(dòng)?？梢哉{(diào)節(jié)投入運(yùn)轉(zhuǎn)工作的氣缸數(shù)，以適應(yīng)不同的制冷量需要，具有正常運(yùn)轉(zhuǎn)性和使用經(jīng)濟(jì)性。6)曲軸箱內(nèi)設(shè)有冷卻水管，可以降低油溫。缺點(diǎn)：1）壓縮機(jī)吸氣呈逆流式，排氣溫度較高。2）壓縮機(jī)摩擦部件多，轉(zhuǎn)速高，雖然設(shè)有冷卻水管，但油溫仍然較高。3）運(yùn)行中出現(xiàn)濕行程時(shí)易引起冷卻器的水管凍裂。4）壓縮機(jī)不能反向工作。如果要去反向工作時(shí)，需要在管路系統(tǒng)中另設(shè)置通道和閥門。5）壓縮機(jī)的耗油量相對較大，制冷系統(tǒng)需要經(jīng)常放油。
（2）、螺桿式制冷壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：1）管理方便 沒有活塞式壓縮機(jī)所具有的吸、排氣閥，活塞，活塞環(huán)，缸套等易損零件，維護(hù)檢修方便。運(yùn)行平穩(wěn)可靠，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作與自動(dòng)化。2）轉(zhuǎn)速高，經(jīng)濟(jì)性能好 螺桿式壓縮機(jī)是回轉(zhuǎn)機(jī)械，由于沒有吸排氣，因而轉(zhuǎn)速可以提高，通常轉(zhuǎn)速在1500-3000 r/min范圍內(nèi)，一般都比活塞式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速高，因而提高了經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。3）體積小，質(zhì)量輕 由于轉(zhuǎn)速高，當(dāng)排氣量相同時(shí)，機(jī)器的體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，消耗金屬量少，占地面積小。4）基礎(chǔ)小 由于螺桿式壓縮機(jī)沒有活塞式制冷壓縮機(jī)的質(zhì)量慣性力，動(dòng)力平衡性能好，故基礎(chǔ)可以做的很小。5）單機(jī)制冷容量大 目前，國產(chǎn)螺桿式制冷壓縮機(jī)系列的制冷量自9-2300KW/h不等，能適應(yīng)生產(chǎn)上的不同需要。6）運(yùn)轉(zhuǎn)適應(yīng)性強(qiáng) 可以適用于多種制冷劑，容積效率高。即在地蒸發(fā)溫度和高壓縮比時(shí)仍有良好的性能。由于沒有余隙容積，因此容積效率較活塞式高的多。7）排氣溫度低 采用噴油冷卻，排氣溫度比往復(fù)式低，因而在較高壓縮比時(shí)仍可采用單機(jī)壓縮。當(dāng)蒸發(fā)溫度為-40℃時(shí)，排出溫度小于或等于90℃，這對機(jī)件運(yùn)行有利。8）結(jié)構(gòu)簡單 結(jié)構(gòu)較為簡單，零件數(shù)量少，運(yùn)行周期長，維修次數(shù)少，節(jié)省了加工時(shí)間。9）連續(xù)無極調(diào)節(jié) 由于目前應(yīng)用最廣泛的是利用滑閥進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，所以制冷量可以在10﹪-100﹪能量范圍內(nèi)無極調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)無極調(diào)節(jié)。10）運(yùn)行壽命長 由于機(jī)器易損件少，使用性可靠，所以運(yùn)行周期長。一般機(jī)器運(yùn)行30000-50000h才檢修一次。11）無液擊危險(xiǎn) 由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，螺桿式壓縮機(jī)對濕行程不敏感，它可以容許濕蒸汽或少量液態(tài)制冷劑進(jìn)入機(jī)體，無液擊危險(xiǎn)。缺點(diǎn)：1）轉(zhuǎn)子加工困難 轉(zhuǎn)子的加工精度要求高，加工比較困難，需要專用設(shè)備。2）輔助設(shè)備龐大 對于噴油的螺桿式壓縮機(jī)[23]，為了分離排氣中的潤滑油，需要有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率高的油分離器和回油器。3）噪聲大由于轉(zhuǎn)子齒槽周期性的高速通過吸排氣孔口，以及通過縫隙的泄漏等原因，噪聲較大。
（3）、渦旋式壓縮機(jī)概述：1）渦旋式壓縮機(jī)是由一個(gè)固定的漸開線渦旋盤和一個(gè)呈偏心回旋平動(dòng)的漸開線運(yùn)動(dòng)渦旋盤組成可壓縮容積的壓縮機(jī)。2）渦旋壓縮機(jī)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使其成為當(dāng)今世界節(jié)能壓縮機(jī)。渦旋壓縮機(jī)主要運(yùn)行件渦盤只有齪合沒有磨損，因而壽命更長，被譽(yù)為免維修壓縮機(jī)。3）渦旋壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小、工作環(huán)境寧靜，又被譽(yù)為‘超靜壓縮機(jī)’。4）渦旋式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)新穎、精密，具有體積小、噪音低、重量輕、振動(dòng)小、能耗小、壽命長、輸氣連續(xù)平穩(wěn)、運(yùn)行可靠、氣源清潔等優(yōu)點(diǎn)。渦旋式壓縮機(jī)的特點(diǎn)：1）相鄰兩室的壓差小，氣體的泄漏量少。2）由吸氣、壓縮、排氣過程是連續(xù)地進(jìn)行，壓力上升速度慢，因此轉(zhuǎn)矩變化幅度小，振動(dòng)小。3）沒有余隙容積，故不存在引起輸氣系數(shù)下降的膨脹過程。4）無吸、排氣閥，效率高，可靠性高，噪聲低。5）由于采用氣體支撐機(jī)構(gòu)，故允許帶液壓縮，一旦壓縮腔內(nèi)壓力過高，可使動(dòng)盤和靜盤端面脫離，壓力立即得到釋放。6）機(jī)殼內(nèi)腔為排氣室，減少了吸氣預(yù)熱，提高了壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)。7）渦線體型線加工精度非常高，必須采用專用的精密加工設(shè)備。 8.密封要求高，密封機(jī)構(gòu)復(fù)雜。渦旋壓縮機(jī)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使其成為當(dāng)今世界節(jié)能壓縮機(jī)。渦旋壓縮機(jī)主要運(yùn)行件渦盤只有齪合沒有磨損，因而壽命更長，被譽(yù)為免維修壓縮機(jī)。渦旋壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小、工作環(huán)境寧靜，又被譽(yù)為‘超靜壓縮機(jī)’。 渦旋式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)新穎、精密，具有體積小、噪音低、重量輕、振動(dòng)小、能耗小、壽命長、輸氣連續(xù)平穩(wěn)、運(yùn)行可靠、氣源清潔等優(yōu)點(diǎn)。被譽(yù)為‘新革命壓縮機(jī)’和‘無需維修壓縮機(jī)’是風(fēng)動(dòng)機(jī)械理想動(dòng)力源，廣泛運(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療器械、食品裝潢和紡織等行業(yè)和其它需要壓縮空氣的場合。
根據(jù)前文的介紹，通過對幾種常見的壓縮機(jī)類型的比較，考慮到本次設(shè)計(jì)的制冷量相對來說，再綜合考慮設(shè)計(jì)要求和掌握的資料，本次設(shè)計(jì)采用活塞式制冷壓縮機(jī)。
2 制冷量計(jì)算
根據(jù)已知條件，本次設(shè)計(jì)的制冷量是已知的，為=120KW
3 制冷循環(huán)熱計(jì)算
制冷循環(huán)的熱力計(jì)算是根據(jù)所確定的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、液體制冷劑的過冷度和蒸汽制冷劑的過熱度等已知條件，求出各狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。
圖3-1 制冷循環(huán)的lg p-h圖
狀態(tài)點(diǎn)
t / ℃
P / kPa
h / kJ/kg
v/ L/kg
0
2
100
399.65
64.64
1
7
2.01
404.10
66.30
2
61.66
20.33
440.18
19.40
2s
54.27
20.33
431.99
18.53
4
40
11.60
256.43
0.87
表3-1
單位質(zhì)量制冷量 （3-1）
單位容積制冷量 （3-2）
單位絕熱功 （3-3）
制冷系數(shù) （3-4）
制冷劑質(zhì)量流量 （3-5）
理論輸氣量 （3-6）
單位冷凝熱 （3-7）
可得冷凝器熱負(fù)荷為 (3-8)
4 冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算
冷凝器是制冷系統(tǒng)中主要的熱交換設(shè)備之一。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，該冷凝器的冷卻方式采用強(qiáng)制對流風(fēng)冷，它的主要 優(yōu)點(diǎn)是不需要冷卻水，安裝和使用都很方便。風(fēng)冷冷凝器的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)制冷系統(tǒng)的額定工況確定冷凝器的結(jié)構(gòu)和換熱面積，并選擇合適的風(fēng)機(jī)類型[24]。
4.1 確定溫度參數(shù)
冷凝熱負(fù)荷Qk=74.6576kw。冷凝器設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)溫度參數(shù)如下：
冷凝溫度tk=45℃ 進(jìn)口空氣干球溫度ta1=32℃
為保證進(jìn)出口風(fēng)溫差在8～10℃左右，這里取出口風(fēng)溫度為ta2=40℃
進(jìn)出口空氣溫差ta2—ta1=8℃
則對數(shù)平均溫差：
=8.73 ℃ （4-1）
4.2 翅片管簇結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇及計(jì)算
空冷式冷凝器的翅片管一般有紫銅管套鋁片構(gòu)成。由于空氣側(cè)的對流傳熱系數(shù)較小，需要對其強(qiáng)化，故需在管外加肋片?，F(xiàn)采用的紫銅管作為傳熱管，選用翅片厚度的波紋型整張鋁制套片。取翅片節(jié)距，迎風(fēng)面上管中心距，管簇排列采用正三角形叉排，具體布置方式如下圖所示：
圖4-2 傳熱管布置示意圖
其中：該冷凝器采用正三角形叉排，，
因?yàn)槌崞话阌幸淮畏?，且利用翻邊保證均勻的翅片節(jié)距，則翅片根部外沿直徑，又因?yàn)椴y片側(cè)面積與平片側(cè)面積誤差很小，所以在此，按平片計(jì)算，即有：
= (4-2)
則每米管長翅片側(cè)面面積af為：
=m2/m (4-3)
每米管長翅片間管面面積ab為：
m2/m (4-4)
每米管長翅片側(cè)總面積aof為：
m2/m (4-5)
每米管長管內(nèi)面積ai為
m2/m (4-6)
取當(dāng)?shù)卮髿鈮簽橐粋€(gè)大氣壓，則Pa。由空氣的熱物理性質(zhì)表可查知，在空氣平均溫度tm=36℃條件下，，導(dǎo)熱系數(shù)，，在進(jìn)風(fēng)溫度ta1=32℃的條件下，。
則冷凝器所需空氣體積流量：
(4-7)
選取迎面風(fēng)速m/s,則迎風(fēng)面積：
(4-8)
取冷凝器迎風(fēng)面寬度即有效單管長=1.5m，則冷凝器迎風(fēng)面的高度 m (4-9)
則迎風(fēng)面上的管排數(shù)為：
排 (4-10)
取76排。
4.3 傳熱計(jì)算
確定所需傳熱面積，翅片管總長L及空氣流通方向上的管排數(shù)，采用整張波紋翅片及密翅距的叉排管簇的空氣傳熱系數(shù)。由式乘1.1再乘1.2?，F(xiàn)假定冷凝器在空氣流通方向上的管排數(shù)，則翅片寬度： m (4-11)
微元最窄截面當(dāng)量直徑：
(4-12)
最窄截面風(fēng)速：
(4-13)
又因?yàn)?
(4-14)
查閱參考文獻(xiàn)知，用插值法求得：
則空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：
（4-15)
在此物性集合系數(shù)可按R134a查得： ℃時(shí)，=1298，R134a在管內(nèi)凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：
=2339 (4-16)
翅片相當(dāng)高度由下式計(jì)算：
=
=0.01m (4-17)
取鋁片熱導(dǎo)率=203W/(m.k),計(jì)算翅片參數(shù)即：
m-1 (4-18)
由此計(jì)算翅片效率為：
(4-19)
表面翅片效率為：
(4-20)
取管長：m,則
空氣流通方向高
迎風(fēng)面上的管排數(shù) 取N=76
空氣流通方向上的管排數(shù)
取n=5
忽略各有關(guān)污垢熱阻及接觸熱阻的影響，則