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120KW模塊式水冷冷水機(jī)組
本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
題 目 120KW模塊式水冷冷水機(jī)組
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
學(xué) 號
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時間
1
120KW模塊式水冷冷水機(jī)組
摘 要
模塊式水冷冷水機(jī)組主要主要目的在于制冷，本文設(shè)計的是120KW模塊式水冷冷水機(jī)組，在文中分別介紹了制冷劑的類型，最終確定了使用R134a作為本次設(shè)計的制冷劑。介紹了壓縮機(jī)的選型及校核計算，殼管式冷凝器與殼管式蒸發(fā)器的選擇以及設(shè)計計算。對節(jié)流機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡單的選型介紹以及校核，在文中也對貯液器、視液鏡、過濾干燥器、電磁閥等輔助設(shè)備進(jìn)行選擇。
本文設(shè)計的機(jī)組基本工況為冷卻水進(jìn)水溫度為，冷卻水出水溫度為，冷媒水進(jìn)水溫度為12，出水溫度為。根據(jù)所選擇的殼管式蒸發(fā)器與殼管式冷凝器的溫度變化的范圍，確定了本次設(shè)計的蒸發(fā)溫度為，冷凝溫度為41，進(jìn)行熱力了計算，最終進(jìn)行蒸發(fā)器與冷凝器的設(shè)計計算。
關(guān)鍵詞 冷水機(jī)組/壓縮機(jī)/殼管式冷凝器/臥式蒸發(fā)器
II
120KW MOAUDLAR WATER-COOLED
CHILLER
ABSTRACT
The main water-cooled modular chiller main purpose is cooling, this article is designed to 120KW modular water-cooled chillers, were introduced in the text type of refrigerant, and ultimately determine the use of R134a as refrigerant in this design. Describes the selection and design calculations Selection checking calculations, shell and tube condenser and compressor and shell and tube evaporator for. Throttle bodies for simple selection of presentations and checking, also in the text of the reservoir, sight glass, filter drier, solenoid valves and other auxiliary equipment selection.
This design of the unit is the basic condition of cooling water inlet temperature is 30 ℃, the cooling water temperature is 35 ℃, coolant water inlet temperature is 12 ℃, the water temperature is 7 ℃. According to the selected range of shell and tube shell and tube evaporator and condenser temperature changes, determine the evaporation temperature of this design is 4 ℃, condensing temperature is 41 ℃, conducted thermodynamic calculation, eventual evaporator and condensing the design calculations.
Keywords Chiller,Compressor,Shell and tube condenser,Horizontal evaporator
IV
IV
目 錄
摘要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1冷水機(jī)組 1
1.2 冷水機(jī)組研究的意義 1
1.3 節(jié)能和環(huán)保政策對市場的影響 1
1.4 存在問題及發(fā)展前景 2
1.4.1 水冷式集中空調(diào)系統(tǒng)存在的不足和解決措施 3
1.5 模塊式冷水機(jī)組 4
1.5.1 初期模塊式冷水機(jī)組 4
1.5.2 模塊化技術(shù)的特點 5
1.5.3 中國早期模塊式冷水機(jī)組的研究 6
1.5.4 磁懸浮模塊化冷水機(jī)組 7
2 方案選擇與論證 8
2.1 制冷劑 8
2.1.1 制冷劑的分類 9
2.1.2 制冷劑的選擇原則 9
2.1.3 制冷劑的確定 10
2.2? 壓縮機(jī) 10
2.2.1 壓縮機(jī)的分類 11
2.2.2 壓縮機(jī)的比較 12
2.3 冷凝器 13
2.3.1 冷凝器的分類 13
2.4 蒸發(fā)器 16
2.4.1 蒸發(fā)器分類及選擇 16
3 冷凝器的設(shè)計計算 17
3.1 設(shè)計工況的循環(huán)熱力計算 17
3.2 冷凝器設(shè)計計算 19
3.2.1 冷凝器的傳熱管參數(shù)的計算 19
3.2.2 冷凝器熱負(fù)荷及冷卻水流量計算 20
3.2.3 冷凝器結(jié)構(gòu)的初步規(guī)劃 20
3.2.4 管內(nèi)水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 21
3.2.5 計算管外制冷劑蒸汽冷凝便面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 22
3.2.6 計算傳熱系數(shù)和面積熱流量 22
3.2.7 計算所需的傳熱面積 24
3.2.8 計算冷卻水側(cè)流動阻力 24
3.2.9冷卻水側(cè)阻力 24
3.3 臥式殼管式冷凝器的零部件設(shè)計 24
3.3.1 傳熱管及傳熱管與管板的固定方式 24
3.3.2殼體與管板及其聯(lián)接方式 25
3.3.3 其余部件選擇 27
4 干式殼管式蒸發(fā)器的設(shè)計計算 31
4.1傳熱管的選擇 31
4.2 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 33
4.3 水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算 35
4.4 傳熱系數(shù)的計算 36
4.5 計算管內(nèi)流動阻力和平均傳熱溫差 36
4.6 面積熱流量及傳熱面積的計算 37
4.7 冷水側(cè)流動阻力的計算 38
4.8 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 39
4.8.1 筒體的設(shè)計計算 39
4.8.2 管板 39
4.8.3 蒸發(fā)器進(jìn)出水連接管管徑計算 40
4.8.4 蒸發(fā)器出氣管得管徑計算 40
4.8.5蒸發(fā)器的進(jìn)液管的管徑計算 40
4.8.6 其余部件選擇 40
5 壓縮機(jī)的選擇計算 43
5.1 渦旋式壓縮機(jī)的發(fā)展 43
5.2 渦旋式壓縮機(jī)概述 44
5.3 渦旋式壓縮機(jī)的特點 44
5.4 壓縮機(jī)的選型計算 45
5.4.1 設(shè)計工況下的計算 45
5.4.2 壓縮機(jī)校核 46
6 冷卻塔的選擇 47
6.1 冷卻塔的結(jié)構(gòu) 48
6.2冷凝熱負(fù)荷的確定 48
6.3 所需冷卻水循環(huán)量和相關(guān)參數(shù) 48
6.4 冷卻塔的選擇及校正 49
6.4.1冷卻塔的處理水量 49
6.4.2 冷卻水的冷卻度 49
6.4.3 冷卻塔的出水溫度與空氣濕球溫度的溫差 49
7 節(jié)流裝置和輔助設(shè)備選型 49
7.1 節(jié)流裝置的簡介 50
7.2 熱力膨脹閥的工作原理 50
7.3 熱力膨脹閥的選型 51
7.3.1 熱力膨脹閥的選擇計算 51
7.3.2 熱力膨脹閥的校正 52
7.4 貯液器的選擇 53
7.5 手動截止閥的選擇 54
7.6 過濾干燥器的選擇 55
7.7 電磁閥的選擇 55
7.8 視液鏡的選擇 56
7.9 水泵的選擇 57
7.9.1 冷卻水循環(huán)水泵的選擇 57
7.9.2 載冷劑循環(huán)水泵的選擇 57
7.10 油分離器的選擇 59
7.11 壓力繼電器的選擇 59
7.12 壓差繼電器的選擇 60
7.13 壓縮機(jī)避震管的選擇 61
7.14 流量繼電器的選擇 61
7.15 氣液分離器的選擇 61
結(jié)束語 63
致 謝 65
參考文獻(xiàn) 67
1
1 緒論
冷水機(jī)組是將壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流機(jī)構(gòu)、控制器件、儀器儀表組裝在一個整體的鋼架上，外部只需接上冷水管、冷卻水管路系統(tǒng)和電源即可使用。冷水機(jī)組一般使用在空調(diào)機(jī)組和工業(yè)冷卻中，在空調(diào)系統(tǒng)中將冷凍水分配給各末端設(shè)備換熱器以冷卻或加熱在其各自的空間以給人創(chuàng)造一個冬夏舒適的工作、生活環(huán)境，然后冷凍水重新回集到蒸發(fā)器冷卻；在工業(yè)生產(chǎn)中，冷水機(jī)組廣泛運(yùn)用于食品、制藥、醫(yī)療、玻璃、塑膠、焊接、電鍍等各個領(lǐng)域。?
1.1 冷水機(jī)組
冷水機(jī)組的作用是提供不同溫度的環(huán)境，有多種多樣的分類方式。按照壓縮機(jī)形式分類可以分為活塞式、螺桿式、離心式壓縮機(jī)；按冷凝器冷卻方式可以分為水冷式和風(fēng)冷式冷水機(jī)組；按能量利用形式可以分為單冷型、熱泵型、熱回收型、冰蓄冷雙功能型冷水機(jī)組；按密封方式分為半封閉式、全封閉式或者全開等多種形式的冷水機(jī)組。
1.2 冷水機(jī)組研究的意義
制冷行業(yè)中的制冷機(jī)除去最開始的那二十多年的市場暴利，現(xiàn)在基本上已經(jīng)進(jìn)入到了一個價格透明、市場飽和的階段。各種制冷機(jī)的市場利潤都已經(jīng)與八十年代不可同日而語。但在這樣的市場競爭中，工業(yè)冷水機(jī)組還保持著相當(dāng)快的上升勢頭。相比與其它制冷機(jī)，工業(yè)冷水機(jī)組的應(yīng)用范圍廣泛。除了制冷行業(yè)外，工業(yè)冷水機(jī)組還被大量的應(yīng)用于暖通空調(diào)、電鍍、冶金冶煉、電子、制塑、化工等其它行業(yè)。由于其跨行業(yè)使用，所以工業(yè)冷水機(jī)組具有較大發(fā)展空間。
1.3 節(jié)能和環(huán)保政策對市場的影響
節(jié)能、環(huán)保和室內(nèi)空氣品質(zhì) (IAQ)是冷水機(jī)組市場的三個重要主題。在許多國家里，電和燃?xì)庀牡难杆僭黾?，促使各生產(chǎn)廠開發(fā)節(jié)能產(chǎn)品。歐盟 (EU)已推出Roils(The Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment)，歐洲市場正漸漸轉(zhuǎn)到使用R410A，由于 Roils的進(jìn)入，必然會引起冷水機(jī)組價格上漲。 日本和韓國推出了能源多樣化政策，推動燃?xì)庵评?，因此，吸收式制冷得到很好的擴(kuò)展。日本廠商開始研發(fā)大冷量的 DC變頻Ⅵ系統(tǒng)，中國一些城市也頒布相關(guān)法規(guī)鼓勵使用吸收式系統(tǒng)。 在美國高性能綠色建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)中，能量和環(huán)境設(shè)計 (LEED)綠色建筑等級系統(tǒng)是指導(dǎo)基準(zhǔn)。近年來，R134a在美國的使用有所增加，R123市場份額將減小，因為蒙特利爾提案的淘汰日期將臨近。 中國政府也重視環(huán)境保護(hù)，對實現(xiàn) 2008年“綠色奧運(yùn)”已采取了許多措施。熱泵系統(tǒng)提供了有效降低溫室氣體排放的術(shù)，許多公司開發(fā)熱泵冷水機(jī)組，降低能量消耗這也有助于環(huán)保。
1.4 存在問題及發(fā)展前景
隨著經(jīng)濟(jì)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(yán)重。我國是世界上人口最多的國家, 為了使我國的經(jīng)濟(jì)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(hù)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(yīng), 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(jī)在制冷效果和能耗上, 比起風(fēng)冷式制冷機(jī)具有絕對的優(yōu)勢, 這已是不爭的事實。但是水冷式空調(diào)器還沒有進(jìn)人家庭, 原因是普通家庭所需冷量都較小，單個房間風(fēng)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(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(fēng)機(jī)還產(chǎn)生噪音。因此, 靠風(fēng)冷式空調(diào)來組建家庭制冷系統(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, 沒能再利用, 白白地被浪費(fèi)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(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, 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問題。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)水垢后的清理問題。對于這些問題，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)。同時水冷式空調(diào)冷凝器不需對外散熱，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)器長久使用后，冷凝器外壁上會結(jié)上一層水垢，從而會影響交換效果，必須拆卸 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，然后重新安裝調(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。
1.4.1 水冷式集中空調(diào)系統(tǒng)存在的不足和解決措施
1.4.1.1 運(yùn)行費(fèi)用高而且存在收費(fèi)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(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)行時間長, 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, 這種計費(fèi)方法沒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。如果公平計費(fèi), 須安裝計量裝置。如果定流量系統(tǒng)還應(yīng)該分時計費(fèi), 因為定流量系統(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棟住宅,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。如果這個住宅使用家用空調(diào)器, 每年的花費(fèi)不超過500元。
1.4.1.2 初期投資大
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)施的采購和施工費(fèi)用較高, 平攤到用戶身上, 使得購買住宅的費(fèi)用增加, 這也是水冷式集中空調(diào)難以走人家庭的一個重要因素。
1.4.1.3 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, 需要專門的技術(shù)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(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, 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(jī)已經(jīng)成熟。盡管家用水冷式空調(diào)目前還沒有進(jìn)人家庭, 隨著消費(fèi)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。
1.5 模塊式冷水機(jī)組
常規(guī)的制冷劑的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可靠性很低，并且運(yùn)輸與裝卸都十分困難，麻煩，耗資較大，因為系統(tǒng)是一個整體，如果其中的某個部件發(fā)生故障，就會是使用效率降低，甚至是整個系統(tǒng)失去作用。澳大利亞的工程師Mr.?RON CONRY利用模塊化的設(shè)計方法，在1986年開發(fā)研制出了一種新型的冷水機(jī)組，這就是模塊式冷水機(jī)組。
1.5.1 初期模塊式冷水機(jī)組
在模塊式水冷機(jī)組發(fā)明的初期，主要用到的設(shè)備是壓縮機(jī)、熱交換器和水過濾器。
1.5.1.1 壓縮機(jī)
初期模塊式冷水機(jī)組使用的壓縮機(jī)有渦旋壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)，其中渦旋壓縮機(jī)為全封閉壓縮機(jī)。全封閉渦旋式制冷壓縮機(jī)馬達(dá)密封與機(jī)體內(nèi)部，吸入的冷媒均勻的流過馬達(dá)，對馬達(dá)進(jìn)行充分的冷卻，確保馬達(dá)在最佳的環(huán)境和溫度下工作。渦旋式壓縮機(jī)內(nèi)的動渦旋盤與靜渦旋盤做圓周嚙合運(yùn)動，純旋轉(zhuǎn)運(yùn)動使壓縮機(jī)的工作平穩(wěn)、安靜。渦旋式壓縮機(jī)通過集合結(jié)構(gòu)控制壓縮機(jī)的吸氣和排氣過程，沒有吸氣閥片和排氣閥片，避免了閥片的損失，因此比傳統(tǒng)的活塞式壓縮機(jī)具有更高的工作效率。螺桿式壓縮機(jī)使用的是40000小時長壽命的高強(qiáng)度軸承，通過電腦控制的壓縮機(jī)均衡運(yùn)行，機(jī)組使用壽命期內(nèi)完全不需要更換軸承。并且與壓縮機(jī)一體的高效油分離器，將98%以上的潤滑油從排除的冷媒中分離出來，避免過多的潤滑油進(jìn)入系統(tǒng)，保持壓縮機(jī)的潤滑和機(jī)組的效率。?
1.5.1.2 熱交換器
熱交換器使用的是板式熱交換器，盤管式熱交換器。板式換熱器對于水冷型的冷凝器和蒸發(fā)器為高效、緊湊、耐腐蝕的MTB釬焊板式熱交換器。其板片由不銹鋼制成，在真空爐內(nèi)焊接而成，?板式換熱器的制造過程絕對滿足制冷系統(tǒng)對潔凈、干燥和無泄漏的要求。由人字形板片以各種相反的方向疊加組合而成的辦式熱交換器，其內(nèi)部通道使水流形成旺盛的紊流狀態(tài)，不僅提高了換熱效率，而且延緩了污垢的形成，從而保持傳熱效率。盤管式熱交換器對于風(fēng)冷型機(jī)組，空氣-冷媒熱交換器為翅片套管式熱交換器，鋁箔制成的翅片，經(jīng)過機(jī)械漲管，緊緊地貼合在銅管的表面，擴(kuò)大了空氣側(cè)傳熱面積。翅片表面形狀經(jīng)過三維強(qiáng)化，提高了氣流的擾動度，增強(qiáng)了空氣的換熱系數(shù)。翅片表面的親水膜不僅保護(hù)了翅片，而且強(qiáng)烈的親水性使機(jī)組熱泵運(yùn)行時，減小凝結(jié)水的傾角，加速凝結(jié)水的排泄，延緩水橋的形成，減小空氣流動阻力。
1.5.1.3 內(nèi)部水過濾器
在每個模塊單元內(nèi)部，無論是冷凍水或是冷卻水的進(jìn)水管上，都安裝了MULTISTACK專利的可拆式內(nèi)置不銹鋼過濾器，可以避免外部的固體顆粒性雜質(zhì)隨水循環(huán)被帶入熱交換器，造成堵塞，保證機(jī)組安全可靠地運(yùn)行。
1.5.2 模塊化技術(shù)的特點
模塊化解決了部分負(fù)荷下效率降低的難題，模塊化冷水機(jī)組根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)節(jié)投入相應(yīng)水量的運(yùn)行的模塊單元，每個運(yùn)行中的模塊單元都以峰值效率運(yùn)行。不僅輕松解決了在部分符合運(yùn)行時制冷效率降低的問題，而且還大大提高了運(yùn)行的效率。使每個模塊化冷水機(jī)組都能高效運(yùn)行。
模塊化賦予了每個模塊單元無可比擬的獨立性，模塊化冷水機(jī)組中的每個模塊單元都是獨立完整的制冷系統(tǒng)。在電腦控制器的控制下，有序運(yùn)行，當(dāng)其中的一個或幾個模塊單元發(fā)生故障時，不會影響其他模塊單元的運(yùn)行。這樣也方便、簡化了維修。
模塊化冷水機(jī)組中的標(biāo)準(zhǔn)模塊單元在現(xiàn)場完成組合，整個運(yùn)輸及搬運(yùn)過程不需要大型的起重機(jī)器和專門的樓內(nèi)通道，簡化了在設(shè)計時要專門留下通道，運(yùn)輸后又要填埋的不便，可以輕松運(yùn)送。
模塊化冷水機(jī)組不僅有以上的優(yōu)點，它還能應(yīng)用于出水溫度四攝氏度至二十?dāng)z氏度或以上的低溫制冷，也適用于冰蓄冷的制冰運(yùn)行，或者工業(yè)生產(chǎn)的工藝過程控制。當(dāng)模塊式冷水機(jī)組用在低溫制冷時，根據(jù)使用溫度的不同，應(yīng)當(dāng)使用乙二醇或者其他凝固點較低的溶液作為載冷劑，但不能夠使用鹽水等對銅或不銹鋼有腐蝕性的溶液，以避免損壞板式熱交換器。
在模塊化技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合變水量控制技術(shù)Multistack公司發(fā)明了變水量型的模塊化冷水機(jī)組專利產(chǎn)品，其工作原理是在每個模塊單元內(nèi)安裝了冷水和冷卻水流量控制閥，這個控制閥和模塊單元的壓縮機(jī)同步工作，當(dāng)模塊單元壓縮機(jī)投入運(yùn)行時，模塊單元上的流量控制閥同步開啟，繁殖，壓縮機(jī)關(guān)閉時，流量控制閥同步關(guān)閉。因此，使冷水機(jī)組的工作流量和壓縮機(jī)的制冷輸出同步調(diào)節(jié)，在低負(fù)荷運(yùn)行時，不僅能夠節(jié)省冷水機(jī)組的運(yùn)行耗電，還能夠大幅度節(jié)省水泵的運(yùn)行耗電。更為重要的是傳統(tǒng)的變流量應(yīng)用必須采用二次泵系統(tǒng)，即冷水機(jī)組側(cè)的一次泵是定流量的，負(fù)荷側(cè)的二次泵才是變流量的。二次泵系統(tǒng)由于冷水機(jī)組側(cè)定流量運(yùn)行，因此，不是一個純粹的變水量系統(tǒng)，不能完全起到節(jié)省水泵電力的目的。而變水量型模塊化冷水機(jī)組由于機(jī)組本身可以適應(yīng)變水量運(yùn)行，因此，通過一次泵就可以實現(xiàn)全系統(tǒng)的變水量工作，不僅使系統(tǒng)變得簡單，而且能夠最大幅度地節(jié)省水泵的耗電量。整個運(yùn)輸及搬運(yùn)過程不需要大型的起重機(jī)器和專門的樓內(nèi)通道，簡化了在設(shè)計時要專門留下通道，運(yùn)輸后又要填埋的不便，可以輕松運(yùn)送。
1.5.3 中國早期模塊式冷水機(jī)組的研究?
模塊化冷水機(jī)組在發(fā)明初期，就在中國有了很好的發(fā)展，但由于資金等方面原因，一直沒有很廣泛的應(yīng)用，MULTISTACK公司一直努力的開拓中國市場。在現(xiàn)在，在中國已經(jīng)應(yīng)用在了許多的工程中，雖然在初投資上會比傳統(tǒng)的冷水機(jī)組高，但是在之后的運(yùn)行中，每年的運(yùn)行費(fèi)用的要低很多。在北京某醫(yī)院的設(shè)計中，對于傳統(tǒng)冷水機(jī)組和模塊化冷水機(jī)組的投資做了比較，雖然模塊化冷水機(jī)組的初投資比傳統(tǒng)的多了30萬元（需要模塊化冷水機(jī)組3臺），但是每年的運(yùn)行費(fèi)用（如電費(fèi)、管理費(fèi)、維修費(fèi)、設(shè)備零部件更換費(fèi)用等等）少了10萬元，這樣三年后的投資就相同了，在之后的幾十年使用中可以將少上百萬元的運(yùn)行費(fèi)用。模塊化冷水機(jī)組不僅能峰值運(yùn)行，節(jié)省了電量，起到了節(jié)能的目的，而且還節(jié)省了大量的資金。
1.5.4 磁懸浮模塊化冷水機(jī)組
1985年，MULTISTACK在澳大利亞墨爾本首創(chuàng)了模塊化冷水機(jī)組，這一與20世紀(jì)工業(yè)設(shè)計潮流相一致的重要發(fā)明，以其所標(biāo)識的節(jié)能性、可靠性和靈活性，將制冷空調(diào)技術(shù)的發(fā)展帶入了一個新的方向。今天，世界許多國家和地區(qū)的用戶，都能夠正視感受到模塊化空調(diào)技術(shù)所帶來的好處，并且在中國，使用模塊化冷水機(jī)組的建筑越來越多。在2004年MULTISTACK發(fā)明了磁懸浮模塊化冷水機(jī)組，使制冷空調(diào)技術(shù)的發(fā)展又進(jìn)入了一個新的時代。
磁懸浮模塊化冷水機(jī)組是超高效率型的機(jī)組。它使用的是磁懸浮無油離心式壓縮機(jī)，是一個兩級壓縮機(jī)械循環(huán)的壓縮機(jī)，在第一級壓縮機(jī)腔和第二級壓縮機(jī)內(nèi)腔之間，具有一個中間吸氣接口，它可以吸入一股中間壓力的制冷劑，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)器循環(huán)。它以此為基礎(chǔ)，采用了經(jīng)濟(jì)器制冷循環(huán)，在蒸發(fā)器和冷凝器之間安裝了一個經(jīng)濟(jì)器，從冷凝器冷凝出來的液體冷媒分成兩個回路，一個回路的冷媒通過一個膨脹閥膨脹節(jié)流后，在經(jīng)濟(jì)器中對另外一個回路的液體冷媒進(jìn)行再冷卻，提高將要進(jìn)入蒸發(fā)器的這部分冷媒的過冷度，而膨脹節(jié)流的冷媒在經(jīng)濟(jì)器內(nèi)完全蒸發(fā)后，由壓縮機(jī)中間吸氣口回到壓縮機(jī)。經(jīng)濟(jì)器循環(huán)可以在幾乎不增加壓縮機(jī)功率的情況下，提高機(jī)組的制冷量，是機(jī)組達(dá)到更高的效率。?
磁懸浮冷水機(jī)組的COP能達(dá)到7.18，而傳統(tǒng)的COP只能達(dá)到5~6。在最新的改造中，磁懸浮冷水機(jī)組的COP值已經(jīng)達(dá)到8，這與逆卡諾循環(huán)的極限值又接近了很多，在以后的改進(jìn)過程中也會有更好的發(fā)展。?
但是這一技術(shù)在中國發(fā)展還不是很好，由于初期投資的提高，很多公司不愿意使用模塊化的冷水機(jī)組。在很長一段時間中，模塊化機(jī)組的效率沒有了很大的提高，這也是模塊化冷水機(jī)組在中國至今沒有很好的發(fā)展的一個重要原因。MULTISTACK公司在2004年發(fā)明磁懸浮壓縮機(jī)并將其應(yīng)用到模塊化冷水機(jī)組中形成磁懸浮模塊化冷水機(jī)組后，中國對于模塊化冷水機(jī)組的應(yīng)用還是停滯不前的，其中一個很大的原因，就是很多冷水機(jī)組的生產(chǎn)廠家(如：海爾)，只引進(jìn)磁懸浮壓縮機(jī)，而不是將模塊化磁懸浮冷水機(jī)組一起使用，這樣將磁懸浮壓縮機(jī)與自己生產(chǎn)的冷水機(jī)組合并使用，不僅使冷水機(jī)組的體積并沒有減小，而且根本不能很大程度的提高COP。MULTISTACK公司北京辦事處的工程師說，他們現(xiàn)在的目標(biāo)就是盡可能的做更多的項目，用實際又省錢又節(jié)能的實例來推動磁懸浮模塊化冷水機(jī)組在中國的應(yīng)用
2 方案選擇與論證
2.1 制冷劑
制冷劑又稱制冷工質(zhì)，是制冷循環(huán)中的工作介質(zhì)，制冷劑在制冷機(jī)中循環(huán)流動，通過自身熱力狀態(tài)的變化與外界發(fā)生能量交換，從而實現(xiàn)制冷的目的。簡而言之，制冷劑就是制冷系統(tǒng)中傳遞能量、實現(xiàn)循環(huán)的工作介質(zhì)。習(xí)慣上又稱制冷劑為制冷工作介質(zhì)或簡稱工質(zhì)。乙醚是最早使用的制冷劑，當(dāng)前，能用作制冷劑的物質(zhì)有80多種，最常用的是氨、氟里昂類、水和少數(shù)碳?xì)浠衔锏取１臼兰o(jì)30年代氟里昂制冷劑的出現(xiàn)，對制冷技術(shù)產(chǎn)生了推動作用。由于其無毒、無味、不燃和無爆炸等優(yōu)點，且腐蝕性小，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好，逐步成為一種較理想的制冷劑，得到了廣泛的應(yīng)用。
早期使用的制冷劑有乙醚、二氧化硫、氯化鉀、二氧化碳等。由于其本身的缺點,現(xiàn)除二氧化碳還用于生產(chǎn)干冰等制冷系統(tǒng)外,其余均被淘汰?，F(xiàn)被采用的制冷劑約有二三十種,主要有氨、氟利昂、水等。
從19世紀(jì)30年代,Perkins發(fā)明了蒸汽壓縮式制冷循環(huán)后,人類迎來了制冷技術(shù)的發(fā)展期,而制冷劑的發(fā)明、更新和替換始終貫穿整個過程。目前根據(jù)新時期的發(fā)展要求,制冷劑又將面臨新的挑戰(zhàn)。
2.1.1 制冷劑的分類
制冷劑的分類方法有很多種，常用的方法有以下幾種：按組成區(qū)分，有單一制冷劑和混合型制冷劑。單一制冷劑是指用作制冷劑的物質(zhì)在化學(xué)上是單一的、純凈的物質(zhì)，不包括溶液或其他混合物。包括無機(jī)化合物、鹵代烴、碳?xì)浠衔锖鸵颐鸭捌浞锏?。而混合型制冷劑又可分為共沸混合制冷劑和非共沸混合制冷劑兩類。按化學(xué)成分，主要有三類，無機(jī)物、氟利昂和碳?xì)浠衔铩Ｆ渲斜臼兰o(jì)30年代氟里昂制冷劑的出現(xiàn)，對制冷技術(shù)產(chǎn)生了推動作用。由于其無毒、無味、不燃和無爆炸等優(yōu)點，且腐蝕性小，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好，逐步成為一種較理想的制冷劑，得到了廣泛的應(yīng)用。但是氟里昂有其缺點，它是一種"溫室效應(yīng)氣體"，而且它會一定程度的破壞大氣層中的臭氧（氟氯碳化合物擴(kuò)散至同溫層時<大氣層由對流層、平流層（同溫層）與電離層構(gòu)成>），被太陽的紫外線照射而分解，放出氯原子，與同溫層中臭氧進(jìn)行連鎖反應(yīng)，使臭氧層遭到破壞，危及人類健康及生態(tài)平衡。按標(biāo)準(zhǔn)沸點分，可分為高溫制冷劑，中溫制冷劑和低溫制冷劑三類。標(biāo)準(zhǔn)沸點在以上的稱為高溫制冷劑，冷凝壓力Pk≤2～3Kg/cm2（絕對），T0 >0℃
如Ｒ11（CFCl3），其T0＝23.7℃，適用于空調(diào)系統(tǒng)的離心式制冷壓縮機(jī)中，通常30℃時，Pk≤3.06Kg/cm2 。；標(biāo)準(zhǔn)沸點在-46℃以上的稱為中溫制冷劑，冷凝壓力為Pk< 20Kg/cm2（絕對），-60℃< T0< 0℃。如Ｒ717、Ｒ12、Ｒ22等， 一般用于普通單級壓縮和雙級壓縮的活塞式制冷壓縮機(jī)中；而標(biāo)準(zhǔn)沸點在-46℃以下的稱為低溫制冷劑，冷凝壓力Pk≥20Kg/cm2（絕對），T0≤－70℃，如Ｒ13（CF3Cl）、Ｒ14（CF4）、二氧化碳、乙烷、乙烯等，這類制冷劑適用于復(fù)迭式制冷裝置的低溫部分或－70℃以下的低溫裝置中。
2.1.2 制冷劑的選擇原則
選擇制冷劑時主要應(yīng)考慮以下幾個方面
2.1.2.1 熱力學(xué)性質(zhì)方面
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)或加劇對設(shè)備材料的腐蝕或引起其它一些不良后果（如燃燒、爆炸等）；冷凝壓力不要過高，以免設(shè)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(fù)式壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)過低。單位制冷量q0和單位容積制冷量qv比較大。比功和單位容積壓縮功小，循環(huán)效率高。等熵壓縮的終了溫度t2不太高，以免潤滑條件惡化（潤滑油粘性下降、結(jié)焦）或制冷劑在高溫下分解
2.1.2.2 遷移性質(zhì)方面
粘度、密度盡量小，這樣可以減少制冷劑在系統(tǒng)中的流動阻力以及制冷劑的充注量。熱導(dǎo)率大，這樣可以提高熱交換設(shè)備的傳熱系數(shù)，減少傳熱面積，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊
2.1.2.3 物理化學(xué)性質(zhì)方面
在物理性質(zhì)方面的性能有無毒、不燃燒、不爆炸、使用安全?；瘜W(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，使用中不會變質(zhì)，不與潤滑油反應(yīng)，不腐蝕制冷機(jī)構(gòu)件，在壓縮終了的高溫下不分解。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(yīng)。
2.1.3 制冷劑的確定
R134a制冷劑是一種新型無公害制冷劑，屬于氫氟化碳化合物。它具有與R12相似的熱物理性質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)沸點為-26.1℃。但臭氧消耗潛能為零，溫室效應(yīng)潛能在0.24~0.29之間。常溫常壓下R134a無色，有輕微醚類氣體味，不容易燃，沒有可測量的閃點，對皮膚眼睛無刺激，不會引起皮膚過敏，但暴露是會產(chǎn)生輕微毒氣，工作場所應(yīng)通風(fēng)良好，R134a是不溶于礦物油的制冷劑，他采用脂類油、合成油或烷基苯油來滿足壓縮機(jī)的潤滑要求。相對于R12制冷劑，R134a制冷劑無毒、不可燃，R134a制冷劑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱力性非常接近R12，但材料兼容性差，與礦物油不相容、易吸水。因此本次設(shè)計選擇R134a作為本次設(shè)計的制冷劑。
2.2? 壓縮機(jī)
2.2.1 壓縮機(jī)的分類
容積型壓縮機(jī) 在容積型壓縮機(jī)中，一定容積的氣體先被吸入到氣缸里，繼而在氣缸中其容積被強(qiáng)制縮小，壓力升高，當(dāng)達(dá)到一定壓力時氣體被強(qiáng)制地從氣缸排出?？梢姡莘e型壓縮機(jī)的吸排氣過程是間歇進(jìn)行，其流動并非連續(xù)穩(wěn)定的。容積型壓縮機(jī)按其壓縮部件的運(yùn)動特點可分為兩種形式：往復(fù)活塞式（簡稱往復(fù)式）和回轉(zhuǎn)式。而后者又可根據(jù)其壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點分為滾動轉(zhuǎn)子式（簡稱轉(zhuǎn)子式）、滑片式、螺桿式（又稱雙螺桿式）、單螺桿式、渦旋式等。
速度型壓縮機(jī) 在速度型壓縮機(jī)中，氣體壓力的增長是由氣體的速度轉(zhuǎn)化而來的，即先使吸入的氣流獲得一定的高度，然后再使之緩慢下來，讓其動量轉(zhuǎn)化為氣體的壓力升高，而后排出?？梢姡俣刃蛪嚎s機(jī)中的壓縮流程可以連續(xù)地進(jìn)行，其流動是穩(wěn)定的。在制冷和熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用的速度型壓縮機(jī)幾乎都是離心式壓縮機(jī)。
開啟式壓縮機(jī) 壓縮機(jī)的曲軸的功率輸入端伸出壓縮機(jī)機(jī)體之外，再通過傳動裝置與原動機(jī)相連接。在伸出部分要用軸封裝置防止軸段和機(jī)體間的泄露。利用這種軸封裝置的隔離作用使原動機(jī)獨立于制冷劑系統(tǒng)之外的壓縮機(jī)形式稱為開啟式壓縮機(jī)（通常，這種壓縮機(jī)的制冷量較大）。若原動機(jī)是電動機(jī)，因它與制冷劑和潤滑油不接觸而無需具備耐制冷劑和耐油的要求。因此，開啟式壓縮機(jī)可用于以氨為工質(zhì)的制冷系統(tǒng)中。
半封閉式壓縮機(jī) 采用封閉式的結(jié)構(gòu)，把電動機(jī)和壓縮機(jī)連成一整體，裝在同一機(jī)體內(nèi)共用一根主軸，因而可以取消開啟式壓縮機(jī)中的軸封裝置，避免了由此產(chǎn)生或多或少泄露的可能性。從中可見，電動機(jī)室內(nèi)充有制冷劑和潤滑油，這種與制冷劑和潤滑油相接觸的電動機(jī)被稱為內(nèi)置電動機(jī)。其端蓋都是用墊片和螺栓擰牢壓緊來防止泄露，因而壓縮機(jī)內(nèi)零部件易于拆卸修理更換。半封閉式壓縮機(jī)的制冷量一般居于中等水平。
全封閉式壓縮機(jī) 全封閉式壓縮機(jī)也像半封閉式一樣，把電動機(jī)和壓縮機(jī)連成一整體，共用一根主軸，它與半封閉式的差異在于，連接在一起的壓縮機(jī)和電動機(jī)組安裝在一個密閉的薄壁機(jī)殼中，機(jī)殼由兩部分焊接而成，這樣既取消了軸封裝置，又大大減輕和縮小了整個壓縮機(jī)的尺寸和重量，露在機(jī)殼外表的只焊有一些吸排氣管、工藝管以及其它（如噴液管）必要的管道、輸入電源接線柱和壓縮機(jī)支架等。由于整個壓縮機(jī)電動機(jī)組是裝在一個不能拆開的密封機(jī)殼中，不易打開進(jìn)行內(nèi)部修理，因而要求這類壓縮機(jī)的使用可靠性高，壽命長，對整個制冷系統(tǒng)的安裝要求也高。
2.2.2 壓縮機(jī)的比較
2.2.2.1 離心式壓縮機(jī)
離心式制冷機(jī)工作原理是靠電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時帶動類似離心水泵的葉輪高速旋轉(zhuǎn)，使低壓氣態(tài)制冷劑從側(cè)面吸入口吸人，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用其獲得較大的動能和壓能，并將吸人的低壓氣體靠壓能作用成為高壓氣體，因壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速很高，使得排氣量增大。適用于大型的制冷裝置。
離心式壓縮機(jī)在大冷量范圍內(nèi)（大于1500kw）仍保持優(yōu)勢，這主要是受益于在這個冷量范圍內(nèi)，它具有無可比擬的系統(tǒng)總效率。離心式壓縮機(jī)的運(yùn)動零件少而簡單，且其制造精度要比螺桿式壓縮機(jī)低的多，這些都帶來制造費(fèi)用相對低且可靠的特點。此外，大型離心式壓縮機(jī) 如應(yīng)用在工作壓力變化范圍狹小的場合中，可以避開由喘振所帶來的問題，在不久的將來，總體和部分負(fù)荷將愈來愈被重視，從而要求離心式壓縮機(jī)要在較寬廣的應(yīng)用工況中工作效率高。但是，相對來講，離心式壓縮機(jī)的發(fā)展近來有所緩慢，因為受到螺桿式壓縮機(jī)和吸收式制冷機(jī)的挑戰(zhàn)，離心式壓縮機(jī)自1993年就開始根據(jù)CFCS替代的需要進(jìn)行著重新的設(shè)計，以使其熱力和氣動力性能得到更好的改善。因而已有很多離心式壓縮機(jī)的工質(zhì)替代轉(zhuǎn)向從HCFC—22置換為HFC—134方面，其制冷量范圍為90至1250kw。
2.2.2.2 螺桿式壓縮機(jī)
螺桿式壓縮機(jī)制冷量一般在100～1200KW，可用于大中型空調(diào)﹑制冷設(shè)備中。為半封閉式，結(jié)構(gòu)緊湊，工作性能高，制冷能力大并可進(jìn)行無級調(diào)節(jié)，但?潤滑油?系統(tǒng)較復(fù)雜，噪聲較高。分為單，雙螺桿型。隨著近年來螺桿式壓縮機(jī)工作可靠性的不斷改進(jìn)，使之在中等制冷量范圍內(nèi)的制冷空調(diào)應(yīng)用中，盡管其價格偏高，還是得到較普遍的應(yīng)用。并可望取得更廣泛的推廣，它已經(jīng)開始取代一些較大的往復(fù)式壓縮機(jī)（小至50kw，甚至更?。?，同時也取代了一些中等冷量的離心式壓縮機(jī)(大至1500kw)它之所以能擠入原來一直由離心式壓縮機(jī)主宰的領(lǐng)域（350至1500kw）是由于其部分負(fù)荷的良好性能， 其效率一般可高出8%至10%，并且沒有離心式壓縮機(jī)所特有的“喘振”問題，跟往復(fù)式相比，其裝配零件少，還有尺寸小，重量輕和易于維修保養(yǎng)等優(yōu)點。
2.2.2.3 渦旋式壓縮機(jī)
渦旋式制冷壓縮機(jī)是20世紀(jì)80年代才發(fā)展起來的一種新型容積式壓縮機(jī)，它以其效率高、體積小、質(zhì)量輕、噪音低、結(jié)構(gòu)簡單且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等特點，被廣泛應(yīng)用于空調(diào)和制冷機(jī)組中，渦旋式制冷壓縮機(jī)的制冷量一般在8～150KW，可用于各種空調(diào)﹑制冷設(shè)備中。
2.2.2.4 滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)
這類壓縮機(jī)如今廣泛應(yīng)用于家用電冰箱和空調(diào)器中，它從結(jié)構(gòu)上看主要是不需要用吸氣閥而顯得可靠性更高。同樣的原因亦使它用于變速運(yùn)行，在家用空調(diào)中其變速比可達(dá)10/1（從10至15HZ到100至150JZ），機(jī)器的零部件少，尺寸緊湊、重量輕也是它的明顯優(yōu)點單缸的轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)在很低的轉(zhuǎn)速不均勻的度會增大，因而開發(fā)了雙缸機(jī)來克服這個缺點。轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的研究集中在降低能耗，采用替代工質(zhì)（如HFC—134a）采用新的潤滑油，電動機(jī)變速控制和降低噪音等方面，其性能系數(shù)可達(dá)2.9w/w（制冷）和3.4w/w（制熱）。
本次設(shè)計的制冷機(jī)組的制冷量為120KW，分為兩個模塊，制冷量相對來說不大。從上面的分析中可以知道，渦旋壓縮機(jī)的性能最好，其次是滾動轉(zhuǎn)子式，再次是往復(fù)式，雖然渦旋壓縮機(jī)的成本價格相比另外幾個相對較高，但是隨著壓縮機(jī)技術(shù)的發(fā)展，渦旋式壓縮機(jī)有成為首選的趨勢。本次設(shè)計選擇渦旋式壓縮機(jī)作為本次設(shè)計的壓縮機(jī)。
2.3 冷凝器
2.3.1 冷凝器的分類
2.3.1.1 水冷式冷凝器
水冷式冷凝器是靠水的溫升帶走冷凝熱量。冷卻水一般循環(huán)使用，但系統(tǒng)中需設(shè)有冷卻塔或涼水池。水冷卻式冷凝器按其不同的結(jié)構(gòu)型式又可分為立式殼管式、臥式殼管式和套管式等多種。冷卻水可用天然水、自來水或者用經(jīng)冷卻水塔冷卻后的循環(huán)水。使用天然水冷卻水時容易使冷凝器結(jié)垢，影響傳熱效果，因此必須經(jīng)常清洗。耗水量不大的小型裝置可以用自來水冷卻。大、中型水冷式冷凝器循環(huán)水冷卻，以減少水耗。在現(xiàn)代城市中，由于生產(chǎn)發(fā)展、人口集中，水的消耗量很大，節(jié)約用水的問題應(yīng)特別重視。
（1）殼管式冷凝器
殼管式冷凝器分為立式和臥式兩大類。臥式殼管式冷凝器的基本結(jié)構(gòu)形式與殼管式蒸發(fā)器十分相似，也是由筒形外殼、管板、管束和端蓋組成。制冷劑蒸汽在管外凝結(jié)，凝液從筒底流出，冷卻水在管內(nèi)多次往返流動。在正常情況下，筒下部只有少量液體，但也有一些小型冷凝器的筒體下部不裝管束，筒底部用以儲存凝結(jié)的液體，使設(shè)備簡化。有時筒下部設(shè)有集液包，制冷劑液體由此排出，并用以集存潤滑油及機(jī)械雜質(zhì)。立式殼管式冷凝器用于大、中型氨制冷裝置，筒體直立地安裝在儲水池上。冷卻水從頂部的分水箱進(jìn)入管道后，沿壁面呈膜狀向下流動，流下的水集中下面的水池中。制冷劑蒸汽從筒體上部進(jìn)入，放出熱量后在管外凝結(jié)成液體，由底部排出。立式殼管式冷凝器可以露天安裝，節(jié)省機(jī)房面積；也可以裝在冷卻塔下面，簡化冷卻水系統(tǒng)。與臥式殼管式冷凝器相比，立式殼管式冷凝器可以使用水質(zhì)較差的水，因為它可以在運(yùn)轉(zhuǎn)時進(jìn)行清洗。但由于冷卻水不能始終沿管壁流動，且上部管壁的凝結(jié)液覆蓋下部管壁，因此傳熱系數(shù)低于臥式殼管式。
（2）套管式冷凝器
套管式冷凝器由兩根或幾根大小不同的管子組成。大管子內(nèi)套小管子，小管子可以是一根，也可以有數(shù)根，套管可以繞成螺旋型或彎成蛇管型，制冷劑蒸汽從上部進(jìn)入，凝結(jié)液從下部流出。冷卻水從下部進(jìn)入內(nèi)管，吸熱后從上部流出，制冷劑與冷卻水之間為逆流換熱。在套管式冷凝器中，制冷劑同時受到冷水及管外空氣的冷卻，因而它的傳熱效果好，但金屬的消耗較大。套管式冷凝器用于氟利昂機(jī)組時，內(nèi)管常用滾壓肋片管，這種結(jié)構(gòu)常在水冷卻式空調(diào)柜中應(yīng)用。氨制冷機(jī)中套管式熱交換器主要用作過冷器。
（3）殼-盤管式冷凝器
它由一根或幾根盤管裝在一個殼體內(nèi)構(gòu)成。冷凝器管內(nèi)通水，管外是制冷劑。制冷劑蒸汽從頂部進(jìn)入殼體后在管外冷卻并冷凝，冷凝液匯集在殼體底部后引出。用殼-盤管式冷凝器時，不可以在系統(tǒng)中充灌過多的制冷劑，否則太多的制冷劑會減少有效傳熱面積。殼盤管式冷凝器結(jié)構(gòu)簡單，適用于小型制冷裝置，主要用在氟里昂制冷系統(tǒng)中，因為氟里昂系統(tǒng)中盤管的材料為銅，容易加工。但殼-盤管式冷凝器無法機(jī)械清洗，應(yīng)當(dāng)使用符合水質(zhì)要求的水，并定期進(jìn)行化學(xué)清洗。
（4）螺旋板式冷凝器
螺旋板式冷凝器由兩個螺旋體加上頂蓋和接管構(gòu)成。兩個螺旋體形成螺旋形通道。兩種介質(zhì)在螺旋形通道內(nèi)逆向流動，一種介質(zhì)由螺旋中心流入，從周邊流出；另一種介質(zhì)由周邊流入，從中心流出。螺旋板式冷凝器周邊處的管接頭應(yīng)切向連接。為了增強(qiáng)螺旋板的剛度，在通道內(nèi)每隔一定的距離便設(shè)有支撐。當(dāng)冷凝器承受的壓力較高時，應(yīng)在其外圍焊加強(qiáng)筋。與殼管式冷凝器比較，螺旋板式冷凝器不但體積小、重量輕，而且傳熱系數(shù)也高。根據(jù)試驗，當(dāng)工作條件及介質(zhì)流速相同時，新的氨螺旋板式冷凝器的傳熱系數(shù)比殼管式冷凝器高50%左右。使用幾年后還可穩(wěn)定在。這種冷凝器的主要缺點是不適用于高壓。此外，它的內(nèi)部不易清洗和檢修，只能用軟水或低硬度的水。
2.3.1.2 蒸發(fā)式冷凝器
蒸發(fā)式以水和空氣作為冷卻介質(zhì)，利用水蒸發(fā)時吸收熱量使管內(nèi)制冷劑蒸汽凝結(jié)。蒸發(fā)式冷凝器的換熱主要是靠冷卻水在空氣中蒸發(fā)吸收氣化潛熱而進(jìn)行的。按空氣流動方式可分為吸入式和壓送式。蒸發(fā)式冷凝器由冷卻管組、給水設(shè)備、通風(fēng)機(jī)、擋水板和箱體等部分組成。冷卻管組為無縫鋼管彎制成的蛇形盤管組，裝在薄鋼板制成的長方形箱體內(nèi)。箱體的兩側(cè)或頂部設(shè)有通風(fēng)機(jī)，箱體底部兼作冷卻水循環(huán)水池。本次設(shè)計的熱泵空調(diào)器的冷凝器應(yīng)選用空氣強(qiáng)制流動的空冷冷凝器。
2.3.1.3 空氣冷卻式冷凝器
空冷式用空氣作為介質(zhì)吸收制冷劑蒸汽放出的熱量，分為空氣自由流動和空氣強(qiáng)制流動兩種，而空氣強(qiáng)制流動適用于小、中型氟利昂制冷裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效果好、制造簡單等優(yōu)點。在國外，由于城市缺水，空氣冷卻式冷凝器也有用于制冷量達(dá)360KW的固定式制冷機(jī)的。迄今空氣冷卻式冷凝器僅用于氟里昂制冷機(jī)?？諝饫鋮s式冷凝器多為蛇管式結(jié)構(gòu)。制冷劑在管內(nèi)冷凝，空氣在管外流動。制冷劑放出的熱量被空氣帶走。根據(jù)空氣的流動情況還可分為自然對流冷卻和強(qiáng)制對流冷卻兩種。
本次設(shè)計的是水冷冷水機(jī)組，比較幾種水冷式冷凝器，臥式殼管式冷凝器對水質(zhì)要求不高，設(shè)備簡化，因此選用臥式殼管式冷凝器。
2.4 蒸發(fā)器
2.4.1 蒸發(fā)器分類及選擇
根據(jù)被冷卻介質(zhì)的種類不同，蒸發(fā)器可分為冷卻液體載冷劑的蒸發(fā)器與冷卻空氣的蒸發(fā)器兩大類。第一種用于冷卻液體載冷劑——水、鹽水或乙二醇水溶液等。這類蒸發(fā)器常用的有臥式蒸發(fā)器、立管式蒸發(fā)器和螺旋管式蒸發(fā)器等。第二種蒸發(fā)器有冷卻排管和冷風(fēng)機(jī)。?
本次設(shè)計水冷冷水機(jī)組，重點介紹冷卻液體載冷劑的蒸發(fā)器，臥式蒸發(fā)器又稱為臥式殼管式蒸發(fā)器。其與臥式殼管式冷凝器的結(jié)構(gòu)基本相似。按供液方式可分為殼管式蒸發(fā)器和干式蒸發(fā)器兩種。??
臥式殼管式蒸發(fā)器載冷劑以1～2m/s的速度在管內(nèi)流動，管外的管束間大部分充滿制冷劑體，二者通過管壁進(jìn)行充分的熱交換。吸熱蒸發(fā)的制冷劑蒸汽，經(jīng)蒸發(fā)器上部的液體分離器，進(jìn)入壓縮機(jī)。為了保證制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行，這種蒸發(fā)器中制冷劑的充滿高度應(yīng)適中。液面過高可能使回氣中夾帶液體而造成壓縮機(jī)發(fā)生液擊；反之，液面過低會使得部分蒸發(fā)管露出液面而不起換熱作用，從而降低蒸發(fā)器的傳熱能力。因此，對于氨蒸發(fā)器其充滿高度一般為筒體直徑的70～80％，對于氟利昂蒸發(fā)器充滿高度一般為筒體直徑的55～65％。臥式殼管式蒸發(fā)器廣泛使用于閉式鹽水循環(huán)系統(tǒng)。其主要特點是：結(jié)構(gòu)緊湊，液體與傳熱表面接觸好，傳熱系數(shù)高。但是它需要充入大量制冷劑，液柱對蒸發(fā)溫度將會有一定的影響。且當(dāng)鹽水濃度降低或鹽水泵因故停機(jī)時，鹽水在管內(nèi)有被凍結(jié)的可能。若制冷劑為氟利昂，則氟利昂內(nèi)溶解的潤滑油很難返回壓縮機(jī)。此外清洗時需停止工作。?
干式殼管式蒸發(fā)器干式管殼式蒸發(fā)器屬于冷卻液體載冷劑大類的蒸發(fā)器，主要用于氟利昂制冷系統(tǒng)中。這種蒸發(fā)器的制冷劑液體走管程，因而制冷劑的充注量較少。其結(jié)構(gòu)與滿液式蒸發(fā)器相似，不同的是換熱管為外徑12～16mm的紫銅管，管內(nèi)有縱向翅片，以增加管內(nèi)制冷劑的流速，制冷劑液體經(jīng)節(jié)流后從蒸發(fā)器一端端蓋的下方進(jìn)口進(jìn)入管程內(nèi)，經(jīng)2～4個流程吸熱后由同側(cè)端蓋上方出口引出。在干式殼管式蒸發(fā)器內(nèi)，隨著液態(tài)制冷劑在管內(nèi)流動，沿程吸收管外載冷劑的熱量逐漸汽化，制冷劑處于液汽共存的狀態(tài)，蒸發(fā)器部分傳熱面與氣態(tài)制冷劑接觸，導(dǎo)致總傳熱系數(shù)較滿液式低，但其制冷劑充注量少，回油方便，適用于氟利昂作制冷劑。在在制冷量為120KW的機(jī)組設(shè)計中，選擇干式殼管式蒸發(fā)器。
3 冷凝器的設(shè)計計算
3.1 設(shè)計工況的循環(huán)熱力計算
制冷量為60KW的渦旋式制冷機(jī)，冷卻水進(jìn)口溫度30，出口溫度為35，冷媒水的進(jìn)口溫度為12，出口溫度為7。由方案設(shè)計中確定蒸發(fā)器為殼管式蒸發(fā)器和殼管式冷凝器，蒸發(fā)溫度比冷媒水的出口溫度低2～3，可以算出蒸發(fā)溫度為4，冷凝溫度比冷卻水進(jìn)口溫度高7～14，由此得出冷凝溫度為41，進(jìn)行熱力計算。
圖3-1 熱力循環(huán)壓焓圖
表1 各狀態(tài)點參數(shù)
狀態(tài)點
1’
1
2
3
4
4
9
55.25
41
36
400.8
405.29
435.43
257.91
250.54
60.36
61.93
21.3
0.88
0.86
單位制冷量為:
(3-1)
單位容量制冷量為:
(3-2)
單位絕熱功：
（3-3）
制冷系數(shù)：
（3-4）
制冷劑循環(huán)：
Kg/s （3-5）
實際的輸氣量：
（3-6）
壓縮機(jī)理論功率：
KW (3-7)
單位冷凝熱：
（3-8）
冷凝熱負(fù)荷：
（3-9）
能效比：
（3-10）
3.2 冷凝器設(shè)計計算
冷凝器是制冷裝置的主要熱交換設(shè)備之一。它的任務(wù)是通過環(huán)境介質(zhì)（水或空氣）將壓縮機(jī)排出的高壓過熱制冷劑蒸汽冷卻、冷凝成為飽和液體，甚至過冷液體。根據(jù)任務(wù)書的要求，本次設(shè)計制冷劑蒸汽的冷卻方式為水冷，故選用臥式殼管式冷凝器。本次設(shè)計冷凝器采傳熱管的基本參數(shù)為：
3.2.1 冷凝器的傳熱管參數(shù)的計算
1m肋管長的肋片數(shù)：
（3-11）
1m管長的頂面積：
（3-12）
1m管長的肋片面積：
（3-13）
1m管長肋間基管面積：
（3-14）
1m肋片管外表面積：
（3-15）
1m管長內(nèi)表面及：
（3-16）
肋片當(dāng)量高度：
（3-17）
3.2.2 冷凝器熱負(fù)荷及冷卻水流量計算
冷卻水定性溫度：
（3-18）
查水的物性比定壓熱容，密度，運(yùn)動粘度，所以，冷卻水流量為：
（3-19）
3.2.3 冷凝器結(jié)構(gòu)的初步規(guī)劃
低肋螺紋管的傳熱系數(shù)較高，按管外面積計算得的熱流密度可能會很高，在設(shè)計條件下 ，在范圍內(nèi)取值，此處取，則初步規(guī)劃所需冷凝器外表面積為：
（3-20）
所需上述規(guī)格的管長為：
（3-21）
管式冷凝器中，考慮到運(yùn)行年限，不同的年限有不同的水速，水速也與水在水管內(nèi)的流動狀態(tài)、管徑及水溫有關(guān)，即雷諾系數(shù)：，即。所以水速，按年運(yùn)行4000個小時計算，w取2.4m/s。
則每流程管數(shù)為：
（取9根） （3-22）
設(shè)流程數(shù)為，冷凝管有效長度為：
（3-23）
則有 （3-24）
表2 冷凝器內(nèi)傳熱管基本參數(shù)
流程數(shù)
總根數(shù)
有效管長
殼體內(nèi)徑
長徑比
2
4
6
8
18
36
54
72
3.83
1.91
1.27
0.96
0.1107
0.166
0.203
0.234
32.735
11.506
6.256
4.103
3.2.4 管內(nèi)水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
實際每流程管數(shù)=9，則管內(nèi)冷卻水平均流速：
（3-25）
所以：
（3-26）
即水在管內(nèi)作湍流運(yùn)動。
流體在管內(nèi)湍流區(qū)換熱計算式為：
（3-27）
（3-28）
所以： （3-29）
3.2.5 計算管外制冷劑蒸汽冷凝便面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
傳熱管排列方式按六個流程以正三角形的方式排列，則平均管排數(shù)：
（3-30）
所以修正系數(shù)：
（3-31）
低肋螺紋管的增強(qiáng)系數(shù)：
（3-32）
查表得，R134a在冷凝溫度為時，，所以在氟利昂側(cè)冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：