1、课程设计（作业）指导书本课程设计（作业）指导书是根据任务 书的要求，提出设计（作业）进行程序、完 成设计任务的方法和设计达到的深度，提出 设计计算中应考虑的原则，指出设计规范规 定的内容及其意义。,一、 冷冻站设计的原始资料原始资料是设计工作的重要依据之一。设计时如果原始资料不全或有错误，那就会引起设计方案上的变化，甚至造成经济上的重大损失和浪费。因此，在进行冷冻站设计之前，应进行一系列的调查研究，收集有关原始资料。,（一） 冷负荷资料冷负荷资料是制冷设计中的一项重要资料。冷负荷资料的来源随制冷工艺的不同而异。例如，空气调节工程所用的冷冻站，其冷负荷由空调计算提供；而冷藏库则应根据冷藏物的种类
2、、贮藏时间的长短、冷藏量的大小确定库温、库容、围护结构的隔热措施等，然后再根据其库温、库容、围护结构的隔热措施及运行管理情况等资料计算出冷藏库的冷负荷。 此外，对于空气调节工程所用的冷冻站，还应了解用户要求的供冷方式。,（二） 水质资料水质资料系指确定使用的冷却水水源的水质资料，其主要指标包括水的浑浊度、水中含铁量、水的碳酸盐硬度和PH值。此外，还应了解水源、水温及供水情况等。 （三） 地质资料地质资料系指工厂地区岩石性质或土壤等级、土壤盐碱度、土壤耐压能力、地下水位、地震烈度等。通常这部分资料由土建专业提供。,（四） 设备资料 指各种制冷设备的主要性能、技术规格、技术参数、设备外形图、安装图
3、及出厂价格等。（五） 气象资料气象资料系指冷冻站所在地区的最高和最低温度、采暖计算温度、大气相对湿度、土壤冷结深度、全年主导风向及当地大气压力等。（六） 主要材料资料主要材料资料系指当地的土建材料、保温材料和有关管材的技术性能、规格、价格等。,（七） 工厂发展规划资料在一般的工程建设中，常有工厂近期和远期的发展规划。在设计冷冻站时，应当了解工厂近期和远期的发展规划，以便在设计中考虑冷冻站的扩建，在选择和布置制冷设备时，也应考虑冷冻站今后的发展情况。在冷冻站的改建和扩建设计时，还应有原有设备、管道和土建等现状资料。,二、 制冷压缩机型号与台数的选择 （一） 确定冷冻站的冷负荷冷冻站的冷负荷是制冷
4、设备选择的依据。是以生产工艺所提供的设计任务书为依据的，并需按照冷冻站的服务对象和制冷系统的状况计算出其最大冷负荷。由于制冷系统的具体情况不同及建厂地区的差异，需按设备和管道布置情况等因素计算出冷损失。一般情况下，也可进行概略计算，即冷冻站的设计冷负荷可按总制冷量的大小并考虑负荷的附加系数求出，即：,对于间接式制冷系统，A0.10.15，对于氟利昂直接蒸发式制冷系统，A0.050.1；一般说来，当制冷系统较小或者较分散时，A值可取得大一些；当制冷系统较大或者集中时，A值可取得小一些。在冷藏库设计计算中，A=0.07。,(二)制冷装置型式的选择常用的制冷机型式有活塞式制冷机、螺杆式 制冷机、离心
5、式制冷机、蒸汽喷射式制冷机和溴 化锂吸收式制冷机等多种。对于一般小型冷藏库 的设计多采用活塞式制冷压缩机和螺杆式制冷压 缩机，而用于空调冷源的中、小型冷冻站的设计 中较多的采用活塞式制冷压缩机。目前国内生产的活塞式制冷机，按其使用的 制冷剂可分成氨制冷机和氟利昂制冷机两种。,氨制冷装置在我国应用十分广泛。根据需要 可以组成单级、双级的氨制冷循环系统。由于其设 备订货易于解决，制冷剂价格低廉，且国内有比较 成熟的运行管理经验，所以一般制冷机中经常被采 用。但是，由于氨作为制冷剂毒性大，有强烈的刺 激性气味，不易为管理人员所接受；而且对厂房建 筑要求高，遇明火时会产生爆炸等危险，故选用氨 制冷装置
6、时，在设计中必须充分地考虑采用适宜的 安全技术措施。由于它具有上述一些缺点，所以在 制冷工程中正逐渐地减少其使用范围，而且有可能 为新型的制冷装置所代替。,由于氟利昂具有优良的热力性质和物理、化学性质，故它在制冷工程中也得到了极为广泛的应用。近些年来，在我国发展很快，目前普遍做成各种机组，如冷水机组等，由于结构紧凑，使用方便，尤其受到工程技术人员的欢迎。氟利昂制冷装置可根据需要组成单级、双级的制冷循环系统，它具有比氨制冷装置更为广泛的应用范围，除了氨制冷装置能完成的任务它均能完成之外，它还能在制冷工程上实现其更多的作用。,氟利昂无毒、无爆炸危险。因此对安装制冷装置的机房以及布置均无特殊要求，可
7、以把制冷装置与空调装置放在同一机房内。由于它所使用的制冷剂氟利昂价格要比氨高得多，且设备价格又高，故初投资较大，这是选择制冷装置不可忽视的方面。CFCs这类物质对大气臭氧层有极强的破坏作用，故而在使用上受到了限制，按照我国已签署的蒙特利尔议定书的规定，我国必须在2010年以前逐步停止生产和消费CFCs,这样，一些常用的氟利昂制冷剂如：R11、R12、R500、R502等的使用就受到了限制。对于R22，虽然对大气臭氧层的破坏较小，但也只能作为CFCs的暂时替代物，这些都是选择制冷装置时需要考虑的问题。,选择制冷装置时，上述情况可供参考，至于具体工程中应当选用那一种制冷装置更为合适应该根据具体情况
8、，进行经济、技术分析对比而后决定。按照采暖通风与空气调节设计规范要求：1.民用建筑应采用氟利昂压缩式或溴化锂吸收式制冷。2.生产厂房及辅助建筑物，宜采用氟利昂或氨压缩式制冷，亦可采用溴化锂吸收式制冷或蒸汽喷射式制冷。,（三） 制冷工况的确定制冷装置的制冷量和耗功率，同它所处的工 作工况有很大关系，且工况的确定直接影响着制冷 装置的初投资和运行费用，故确定它的工作工况时 ，要在满足使用条件的前提下，使初投资和运行费 都在比较合理的范围内。工况包括蒸发温度、冷凝 温度、压缩机吸汽温度和再冷温度（如果有再冷的 话）。,1. 蒸发温度蒸发温度的高低与所采用的载冷剂种类及蒸发器的型式有关。 （1） 对于
9、卧式壳管式蒸发器，蒸发温度宜比冷冻水出口温度低24，但不应低于2。 （注：冷冻水出口温度不应低于5） （2） 对于直立管式和螺旋管式蒸发器，蒸发温度宜比冷冻水出口干球温度低46。 （3） 氟利昂直接蒸发空气冷却器的蒸发温度，应比空气的出口干球温度至少低3.5；满负荷时，蒸发温度不宜低于0；低负荷时，应防止其表面结冰。（4） 冷藏库用的冷却排管，蒸发温度一般比库温低510，库温越低，差值越小。,2. 冷凝温度冷凝温度值与冷却介质的性质及冷凝器的型式有关。 （1） 采用水冷式冷凝器时，冷凝温度可用下式计算：当制冷剂为R12时，则：式中 ts1冷却水进冷凝器的温度，；ts2冷却水出冷凝器的温度，。,
10、冷凝器冷却水进出水温度通常可按下面的方法确定：直流式冷却水系统进水温度按水源温度确定。对于使用冷却塔的循环水系统，冷却水进水温度可按下式计算：式中 ts当地夏季室外平均每年不保证50小 时的湿球温度，ts 安全值。对自然通风冷却塔或冷却 水喷水池，； 对机械通风冷却塔， 。,冷凝器冷却水出水温度与冷却水进水温度及其进出水温差有关，但一般不超过35。水冷式冷凝器进、出水温差宜按下列数值选用： 立式壳管式冷凝器 24 卧式壳管式、套管式和组合式冷凝器 48 淋激式冷凝器 23当冷却水进口温度较高时，冷却水温差应取较小值；当冷却水进口温度较低时，则冷却水温差应取较大值。,（2）对于风冷式冷凝器，其冷
11、凝温度应比夏季空气调节室外计算干球温度高15；且空气的进出口温差不应大于8。（3）对于蒸发式冷凝器，其冷凝温度应比夏季空气调节室外计算湿球温度高815。,3. 压缩机的吸汽温度压缩机的吸汽温度一般与压缩机吸汽管的长和保温情况有关，通常以氨为制冷剂时，吸汽温与蒸发温度的差值不大于58，以氟利昂12为制冷剂，采用回热循环时，吸汽温度可取+15。 4. 再冷温度tr.c如果系统中设置再冷器时，其再冷温度取决于该再冷器中的温差，一般取再冷度tr.c=35；如系统中使用卧式壳管式或套管式冷凝器时，也可用增大冷凝器换热面积510的方法进行再冷，但是无论用哪一种方法进行再冷，其再冷温度均须高于冷却水出水温度
12、23。对于立式壳管式冷凝器，均不考虑再冷。以上工况确定以后，就可在lgPh图上确定整个制冷的理论循环；并进行循环的理论计算。,（四） 制冷压缩机的型号及台数的确定选择制冷压缩机时，台数不宜过多（否则将使制冷机房建筑费用增加，初投资增大，维护管理工作量大等），一般不考虑备用（但如工艺有特殊要求必须连续运行的制冷系统，可设置备用的制冷机），并应与空气调节负荷变化情况及运行调节要求相适应。对于制冷量为5801750KW（50104150104Kcal/h） 的制冷机房，当选用活塞式或螺杆式制冷机时不宜少于两台，且为同一系列产品，这样，压缩机的备件可以通用，也便于维护管理。,在制冷压缩机选型时，可先确
13、定制冷压缩机的台数，再计算出每台制冷压缩机所应负担的冷量。然后可根据生产厂家提供的制冷压缩机性能曲线，查取看那一种型号的制冷压缩机在设计工况下能满足冷量要求，即可选用这种型号的制冷压缩机；同时，也可利用性能曲线求出在设计工况下制冷压缩机的轴功率。（如性能曲线不全，则对于同一系列的制冷压缩机，当缸数不同时，制冷量和轴功率可根据缸数成正比例进行折算。也有的生产厂家利用表格列出各种型号的制冷压缩机在不同工况下的制冷量和耗功率，此时用法相同。）,如若制冷压缩机性能曲线不全或没有，亦可按冷量换算公式进行计算。这时，首先将每台制冷压缩机在设计工况下的制冷量，换算或在标准工况下的制冷量。换算公式如下：或 ：
14、式中 分别为标准工况下的冷负荷、容积效率和单位容积制冷量；分别为设计工况下的冷负荷、容积效率和单位容积制冷量； Ki制冷压缩机在标准工况和实际工况下的制冷量换算系数。,压缩机的指示效率,不同工况下的v和Kt可根据有关图表查取 其中v亦可利用经验公式进行计算 而qv则可根据理论计算求得。,最后，根据每台制冷压缩机在标准工况下的制冷量，查取看哪一种型号的制冷压缩机能够满足冷量要求。在压缩机型号确定以后，还需计算压缩机的轴功率和配用电机功率。,三、 冷凝器和蒸发器的选择 （一） 冷凝器的选择 冷凝器型式的选择应根据制冷剂和冷却介质（水或空气）的种类及冷却介质的品质优劣而定。 （1） 在冷却水质较差、
15、水温较高和水量充足的地区，宜采用立式壳管式冷凝器（仅用于氨系统）； （2） 在冷却水质较好、水温较低的地区，宜采用卧式壳管式和组合式冷凝器； （3） 在水质较差和夏季室外空气湿球温度较低的地区，可采用淋激式冷凝器； （4） 在缺少水源和夏季室外空气湿球温度较低的地区，宜采用蒸发式冷凝器；（5）在缺水或无法供水的场合，可采用空冷式冷凝器。,此外，由于冷却水系统现多采用循环水，故在选择冷凝器型式时，不一定按上述（1）（4）条执行，而更多的考虑其它一些因素，如：机房占地面积、初投资、运行费、管理、维修等。冷凝器台数的确定，可参考压缩机的台数以及系统的型式、冷负荷变化情况及运行调节要求而定。冷凝器型号
16、的确定，是由冷凝面积查得的。但要求出冷凝面积，首先须确定热负荷、传热温差及传热系数或热流密度。,1.冷凝负荷的确定式中：Qk-冷凝器热负荷；Q0-制冷机冷负荷；Pi-压缩机指示功率。 2.传热温差,式中：t1、t2-冷却剂进、出口温度；tk-冷凝温度。需要注意的是，t2的确定会涉及到经济问题，这是由于冷却剂的流量为：因此，必须从运行费和设备投资两方面综合考虑，根据当地的条件(如设备供应情况、设备价格、冷却水来源和水、电价格等)以及全年运行时间来选择冷凝器的类型并合理地确定冷凝温度和冷却剂的出口温度。,3.传热系数对于光管冷凝器，若传热面积以管外表面积为基准，则：若传热面积以内表面积为基准，则：
17、,式中：c制冷剂的凝结放热系数，w/m2.k；w冷却剂的对流放热系数, w/m2.k；p 金属管壁的厚度，mm；p 金属管壁的导热系数，w/m2.k；A0 、Ai、A 分别为金属管的外、内和平 均表面积，m2;Roil油膜的热阻，0.00035 0.0006m2.k/w;Rf 水垢的热阻，详见下表。,当制冷剂在管外凝结时，其换热系数可按下式计算：,在水平管束上的冷凝对于蒸汽在水平光管管束外表面上的凝结放热，由于下落的冷凝液可使下部管束外侧的液膜增厚，其放热系数有所降低。因此沿水平管束外表面的平均放热系数应乘以小于1的管束修正系数z，即；z= z c= c Z-0.167 式中，Z为水平管束上下
18、重叠的平均排数。管子顺排时等于垂直方向的平均列数，正三角形错排时可近似为：Z=0.6N0.5,冷却水在管内(或流道内)的强制对流换热在制冷技术范围内，水在管内流动， 一般多呈旺盛湍流(Re104)，管内强制对流的换热系数可按下式计算：W/m2.k式中，v是水的流速(m/s),di是管子内径（m），是物性系数，对于050的水，可用下式计算：143022tp tp表示水的平均温度.,当冷却剂流体在重力的作用下形成膜层向下流动时（如立式冷凝器和淋激式冷凝器），其换热系数可按麦克亚当斯的试验公式求得：w = 513 1/3 喷林密度，Kg/m.h;Gw冷却水量，Kg/h; dn管子内径，m; N管子根
19、数。,传热系数或热流密度（单位热负荷）的求法较多，这里仅介绍试凑法。方法如下： 假定 ，则 用F1选择冷凝器型号（此时换热器面积为F），若FF1，则； 由冷凝器的结构参数计算水侧放热系数w； 计算冷凝器制冷剂侧放热系数c； 计算冷凝器传热系数Kc，此时热流密度 （t为冷凝器对数传热平均温差） 比较相对误差， 是否小于5，若小于5，说明假定正确，即所选择的冷凝器型号合理。否则重复上述步骤。,冷凝器的传热系数或热流密度的初选值可由表1查得。除试凑法之外，还原图解法、标准图法等，此处不再介绍，同学们如有兴趣，可参考有关资料进行。此外，如果要求液体制冷剂在冷凝器内有一定的再冷却度，选择卧式壳管式冷凝器
20、时，应比计算出的传热面积增加510。,（二）蒸发器的选择蒸发器型式的选择应根据载冷剂（冷媒）和制冷剂的种类以及空气处理的型式选择而定。如空气处理使用水冷式表面冷却器，以氨为载冷剂时，可采用卧式壳管式蒸发器，但冷冻水在蒸发器换热管内的流速不得小于12m/s；如仍然使用水冷式表面冷却器处理空气，以氟利昂为制冷剂时，宜采用干式壳管式蒸发器。当采用喷淋室处理空气，即冷冻水喷淋室使用时，宜采用水箱式蒸发器（包括直立管式蒸发器和螺旋管式蒸发器）。在冷库中则采用各种冷却排管或冷风机。蒸发器台数的确定，可根据蒸发器换热面积的大小、压缩机台数、系统型式、冷负荷变化情况及运行调节要求而定。,对于冷却液体的蒸发器的
21、选择计算，方法与冷凝器的选择计算相似，这里不再重复；对于冷却空气的蒸发器，可参考有关资料进行计算。在近似的估算中，也可由蒸发器的制冷量、对数传热平均温差及由蒸发器的结构型式在表2近似查出的传热系数，粗略的求出蒸发器的传热面积。此外，在冷凝器和蒸发器的计算中，还应包括冷却水和冷冻水流量及阻力的计算，以便为设计冷却水和冷冻水系统提供依据。,四、其它辅助设备的选择（一） 油分离器的选择计算通常制冷压缩机组配套时生产厂都已提供油分离器，如125系列、100系列等，每台压缩机 都配有油分离器，因而不必另行选配。如果不是配套设备，则需另行选择油分离器。在本设计中，无论压缩机是否有油分离器，都必须自己配置油
22、分离器（对其它辅助设备也同样要自己选配），以了解和熟悉油分离器（及其它辅助设备）的设计和选配过程。,选择油分离器可根据进排汽管径进行，一般要求管内汽体流速为1025m/s。或者也可根据油分离器的筒体直径来选择，筒内汽流速度一般要求为0.81.0m/s。两种情况均可按下述公式进行计算： 式中 D油分离器汽管或筒体直径，米；Vh压缩机理论输汽量，米3/小时；a压缩机输汽系数；v1压缩机吸入汽体的比容，米3/公斤；v2压缩机排出汽体的比容，米3/公斤；w汽管内或筒体内汽体流速，米/秒 。,应该注意的是，为了保证制冷装置运行时的安全、可靠和切换灵活，一台压缩机要有一台油分离器，不应两台压缩机合用一台油
23、分离器。（二） 贮液器的选择计算贮液器的容积是按制冷剂循环量进行计算的。它应满足下述要求：（1）贮液器贮存制冷剂的最大量按每小时制冷剂总循环量1/21/3的计算；（2）考虑到制冷剂受热膨胀可能带来的危险，贮液器贮存制冷剂的最大量不超过本身容积的80。贮液器的容积可按下式计算：,式中 MR液体制冷剂循环量，Kg/h；v液体制冷剂比容，m3/Kg；液体充满度，一般可取0.8。根据计算值的大小，可选用单台或多台并联使用的贮液器。多台并联时应选用相同型号的产品。对于小型制冷系统，由于系统内制冷剂量较少，而又选用了卧式壳管式冷凝器，此时在冷凝器下部空间可考虑贮存一部分制冷剂，一般系统可不再单独设置贮液器
24、。,（三） 集油器的选择在氨制冷系统中需要装置集油器，以收集和放出从冷凝器、贮液器、蒸发器等设备底部积存的润滑油。通常几套压缩机可共用一个集油器。氟利昂制冷系统由于油溶解于氟利昂中，没有润滑油管道系统，所以不需要集油器。较大的氟利昂制冷系统只在压缩机排汽管上装油分离器，分离下来的油靠手动阀或浮球阀排回压缩机曲轴箱。集油器一般不进行计算，而是根据经验来选用。目前国内生产三种规格的集油器，当冷冻站标准工况下的制冷量小于250350KW(2030104kcal/h)时，采用直径为150mm的集油器一台；当标准工况下的制冷量为350600KW(3050104kcal/h)时，采用直径为200mm的集油
25、器一台；当标准工况下的制冷量大于600KW(50104kcal/h)时，采用直径为300mm的集油器一台。,(四)空气分离器的选择制冷系统由于抽真空不彻底、充灌制冷剂、补充润滑油等会有空气残留或混入，运行、维修时也可能会有空气渗入或产生其它不凝性气体，由于它们的存在，即使数量很少，也会给制冷系统带来很不利的影响。对于氨活塞式制冷系统，为减少排出空气时氨的消耗量，一般均设置空气分离器（不凝性气体分离器）。对于氟利昂活塞式制冷系统，由于空气中氟利昂蒸汽的饱和含量较高，很难将空气分离出来，所有很少单独设置空气分离器，空气排放是用冷凝器上的放空阀。空气分离器的选择一般不进行计算，而是根据经验选用。当总
26、制冷量在100104kcal/h(1163KW)以上时，采用Dg50（筒体直径219mm）的空气分离器；当总制冷量在100410kcal/h(1163KW)以下时，采用Dg32（筒体直径108mm）的空气分离器。,（五） 急泄氨器的选择在大、中型制冷系统中，系统中的充氨量是较多的。当发生严重事故时，必须将系统中的氨迅速放掉，以保护设备和人身安全，故系统应设置紧急泄氨阀。目前国内生产的紧急泄氨阀为SA25型，各系统均可选用。 （六） 过滤器和干燥器的选择过滤器用来清除制冷剂中的机械杂质；干燥器只用于氟利昂制冷系统中，用吸附干燥的方法清除氟利昂中的水份。过滤器、干燥器结构都比较简单，一般制造厂都成套配给，设计中也可按管径的大小来选用。,（七） 汽液热交换器的选择在氟利昂制冷系统中，为了提高制冷系统运行的经济性能，改善运行条件，多采用回热循环。为此，系统中须设置汽液热交换器，它由液体制冷剂和汽体制冷剂之间的热负荷所需的传热面积来确定其大小。选型氟利昂制冷装置不设汽液热交换器，把供液管与吸汽管并在一起保温即可。,
