完整版制冷原理与设备课程设计任务书.docx

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完整版制冷原理与设备课程设计任务书

环境与市政工程学院

热能与动力工程专业

课程设计任务书与指导书

（制冷原理与设备）

热能与动力工程专业教研室

史自强

2011年6月

制冷原理与设备》课程设计任务书

、目的

本课程设计是《制冷原理与设备》课程的主要教学环节之一，通过这一环节来达到了解冷藏库或冷冻站设计的内容、程序和基本原则的目的，学习设计计算的步骤和方法，巩固所学的理论知识和实际知识，以培养学生运用所学知识解决工程的能力。

、设计任务

空调用冷冻站的设计

1.已知某厂空调楼所需总耗冷量为960kw，以风机盘管为末端装置，要求冷冻水温为

7C,空调回水温度为12C,制冷系统以氨为制冷剂。

（一班单号）

2.已知某厂空调系统所需总耗冷量为1250kw，以喷淋室为末端装置，要求冷冻水温

为6C,空调回水温度为11C，制冷系统以氨为制冷剂。

（一班双号）

3.已知某厂空调楼所需总耗冷量为1047kw（900,000kcal/h）,以风机盘管为末端装置,

要求冷冻水温为8C,空调回水温度为13C，制冷系统以氨为制冷剂。

（二班单号）

4.已知某厂空调楼所需总耗冷量为1350kw，以风机盘管为末端装置，要求冷冻水温

为6C,空调回水温度为13C，制冷系统以氨为制冷剂。

（二班双号）

三、其它原始资料

1.设计地点：

（1）北京，

（2）天津，（3）石家庄，（4）太原，（5）呼和浩特，（6）沈阳，（7）长春，（8）哈尔滨，（9）上海，（10）南京，（11）合肥，（12）杭州，（13）福州，（14）南昌，（15）青岛，（16）济南，（17）郑州，（18）武汉，（19）长沙，（20）广州，（21）南宁，（22）重庆，（23）成都，（24）贵阳，（25）昆明，（26）拉萨，（27）西安，（28）兰州，（29）西宁，（30）银川，（31）乌鲁木齐，（32）淄博，（33）厦门，（34）大连，（35）张家口。

2.水源：

由于各地区水源紧张，冷却水系统必须选用冷却塔使用循环水。

3.室外气象资料：

夏季空调干球温度为C,湿球温度为C。

4.土建资料：

制冷机房面积、高度、尺寸等由学生设计决定，并提资料给土建专业进行设计。

四、设计内容及要求

（1）制冷压缩机的型号与台数的选择

1、确定制冷系统的总制冷量。

2、确定制冷剂种类和系统型式。

3、确定制冷系统的设计工况。

根据空调对冷媒（冷冻水或空气）温度的要求（如为冷

藏库设计则应根据冷藏工艺对库温的要求）和当地冷却水源、水质、水温及气象条件，确定蒸发温度to、冷凝温度tk，并根据选用的制冷剂，确定吸汽温度t1、再冷温度tr.c和制冷循

环。

把以上的制冷机运行工况（即设计工况）画在压——焓图上。

4、选择制冷压缩机的型号和台数，并较核压缩机配套的电动机的功率。

（二）冷凝器和蒸发器的选择

1、冷凝器的选择

计算出冷凝器的热负荷，根据所选用的制冷剂种类和压缩机运行工况、冷却介质的种类、负荷变化情况等确定冷凝器的型式，然后进行冷凝器的选择计算，确定其传热面积，从而选定冷凝器的型号及台数。

根据冷凝器的结构型式计算冷却水的消耗量（或空气的流量）。

2、蒸发器的选择根据制冷量、制冷剂种类及载冷剂的种类、冷冻系统的型式等，确定蒸发器的型式，计算出蒸发器的传热系数、换热面积以及蒸发器的台数。

如载冷剂为冷冻水或盐水，则应计算所需的冷冻水量或盐水量。

本设计不包括冷冻水泵型号、台数、空调供水、空调回水管路的布置。

（三）其它辅助设备的选择

根据制冷剂及制冷工艺的不同，尚需选择下列设备中的一种或数种。

1、油分离器；

2、高压贮液器；

3、集油器；

4、氨液分离器；

5、紧急泄氨器；

6、空气分离器；

7、干燥器和过滤器；

8、汽液热交换器等。

（四）冷冻站布置

冷冻站布置包括如下内容：

1、制冷设备布置；

2、制冷工艺管路布置；

3、管路上各种阀件及自控部件的布置；

4、绘出平面布置及必要的系统原理、剖面简图。

五）制冷工艺管路及阀件选择

根据平面布置及制冷系统图估算各段工艺管路的总长度（包括直线长度和当量长度）以

及不同的制冷剂、不同工艺管路的允许流速或允许压力降、蒸发温度、冷凝温度、再冷温度、

制冷剂流量等确定工艺管路管经。

根据制冷量、制冷剂流量、流速或管径等选择截止阀手动膨胀阀、浮球阀、热力膨胀阀及电磁阀等。

（六）编写设计说明书

说明书应按设计程序编写，它应包括设计任务、原始资料、工况确定、负荷计算、设备选择、冷冻站布置方案的确定及说明、管路计算和有关设计草图等内容。

（七）制图

课程设计画图2〜3张。

它包括：

1、制冷工艺热力系统图1张（1号图纸）。

如条件允许，最好画轴测透视图。

图中设备应编号。

管件和各种阀件应注明通径；并应附有图例和设备明细表。

2、布置图1〜2张（1号或2号图纸）。

布置图应包括冷冻站平面布置图和主要的

剖面图。

在平面图中用画出设备底座和基础的外形及主要管路的布置，标明各设备的大小尺寸、相互间的位置尺寸、距墙尺寸等。

冷冻机房的建筑图绘制时可以简化，但应说明建筑外形和主要结构形式，此外还应标明柱距、跨度、分隔间等的主要尺寸和屋架下弦标高、门窗位置、门的开向等。

五、设计参考资料

1、中国有色工程设计研究总院.采暖通风与空气调节设计规范（GB50019-2003）.北京：

中国计划出版社，2004。

2、《制冷工程设计手册》编写组.制冷工程设计手册.北京：

中国建筑工业出版社，1978年。

3、李明忠.中小型冷库技术.上海：

上海交通大学出版社，1995年。

4、电子工业部第十设计研究院.空气调节设计手册.北京：

中国建筑工业出版社，1983年。

5、制冷与空调设备手册，国防工业出版社，1987年。

6、郭庆堂.实用制冷工程设计手册.北京：

中国建筑工业出版社，1994年。

制冷原理与设备》课程设计指导书

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、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）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。

（五）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、安装图及出厂价格等。

（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设备选择的依据。

它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：

QT（1A）Qy

式中QT——冷冻站的设计负荷；

Qy-——空调冷负荷（或用户冷负荷）；

A——附加系数（包括制冷设备、制冷剂管道和载冷剂管道等的冷损失）。

对于间接式制冷系统，A=0.1〜0.15，对于氟利昂直接蒸发式制冷系统，A=0.05〜0.1;

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。

氟利昂制冷装置会根据需要组成单级、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，特别是对于冷量不大或者比较分散的空调制冷装置，应优先考虑选择氟利昂制冷装置。

因为氟利昂活塞式制冷装置一般都不大，可选用直接蒸发式空气冷却器，减少冷量损失。

而且氟利昂无毒、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，可以把制冷装置与空调装置放在同一机房内。

但是，由于它所使用的制冷剂氟利昂价格要比氨高十倍，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。

另外，由于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：

R—11、R—

12、R500、R－502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，进行经济、技术分析对比而后决定。

空调用蒸汽压缩式制冷系统对卫生和安全没有特殊要求时，当空调系统采用间接式的

冷冻水系统，其集中冷冻站最大空调制冷量在350KW（30x104Kcal/h）以上时，多采用氨制冷

装置。

当空调冷量小于350KW（30x104Kcal/h），而且安全和卫生条件有一定要求时，设置的集中冷冻站一般应采用氟利昂制冷装置。

如果空调系统采用直接蒸发式空气冷却器，则无论制冷量大小，均须采用氟利昂制冷装置。

（2）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to

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）对于卧式壳管式蒸发器，蒸发温度宜比冷冻水出口温度低2〜4C,但不应低

于2C。

（注：

冷冻水出口温度不应低于5C）

（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4〜

6C。

（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

35C;满负荷时，蒸发温度不宜低于0C；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5〜10C,库温越低，差值越小。

2、冷凝温度tK

冷凝温度值与冷却介质的性质及冷凝器的型式有关。

tK乞塑（5~7）C

2

当制冷剂为R—12时，则：

tK如《（7~9）C

2

式中tsi――冷却水进冷凝器的温度，c；

ts2――冷却水出冷凝器的温度，C。

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：

tsitsts

ts5~7C；

式中ts――当地夏季室外平均每年不保证50小时的湿球温度，C

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，ts3~4C。

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35C。

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2〜4C

卧式壳管式、套管式和组合式冷凝器4〜8C

淋激式冷凝器2〜3C

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，其冷凝温度应比夏季空气调节室外计算干球温度高15C;

（3）

且空气的进出口温差不应大于8C。

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

15C。

3、压缩机的吸汽温度ti

压缩机的吸汽温度一般与压缩机吸汽管的长短和保温情况有关，通常以氨为制冷剂时，

吸汽温度ti与蒸发温度t。

的差值不大于5〜8C,以氟利昂12为制冷剂，采用回热循环时，吸汽温度可取+15C。

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=3〜5C；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5〜

10%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tr.c均须高于冷却水

出水温度2〜3C。

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IgP――h图上确定整个制冷的理论循环；并进行循环的理

论计算。

（三）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580〜1750KW（50X104〜150X104Kcal/h）的制冷机房，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：

Qt标=Qt设

v标・qv标

v设・qv设

或:

式中Qt标、v标、qv标——分别为标准工况下的冷负荷、容积效率和单位容积制冷量;

Qt设、v设、qv设分别为设计工况下的冷负荷、容积效率和单位容积制冷量;

Kt――制冷压缩机在标准工况和实际工况下的制冷量换算系数。

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+（+申q_++*丰+_p斗

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。

PePPm

PMrWi

aVhh2hi

Vii

氨开启式压缩机中的ni可用下列经验公式计算:

ni=T』To+bto

Ym:

平均摩擦力，对氨压缩机取50-70（kpa）

Vh：

压缩机理论输气量

压缩机配用电机功率：

P1.10〜1.15Pe

双级制冷压缩机及其电动机的选择计算

1.根据设计工况的蒸发温度和冷凝温度，计算最佳中间温度tmopt。

2.求出此时双级压缩制冷机的Vhd、Vhg及E1=Vhd/Vhg。

3•选择高压级压缩机和低压级压缩机。

4.如1,则需求出在此E下的实际中间温度。

5.校核双级制冷压缩机的实际制冷量。

配用电动机时，应按高、低压压缩机分别考虑。

1.高压压缩机应按最大功率配电动机。

2.低压压缩机应按低压压缩机的启动工况配电动机。

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、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。

1.冷凝负荷的确定

QkQoP

式中：

Qk----冷凝器热负荷；

Qo----制冷机冷负荷；

Pi----压缩机指示功率。

2.传热温差

t2I

式中：

tpt2----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:

Qk

Mk

Cpt2t1

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。

1

3•传热系数K

R

对于光管冷凝器，若传热面积以管外表面积为基准，则：

1

ac

Roil

3pA入pA

若传热面积以内表面积为基准，则:

式中：

ac—制冷剂的凝结放热系数，w/m2.k;

aw—冷却剂的对流放热系数,w/m2.k

Sp—金属管壁的厚度，mm

2

入p—金属管壁的导热系数，w/m.k;

a°、a、a—分别为金属管的外、内和平均表面积，m；

Roil—油膜的热阻，0.00035—0.0006m2.k/w;

Rf—水垢的热阻。

当制冷剂在管外凝结时，其换热系数可按下式计算:

0.25

C3acC

Atl

在水平管束上的冷凝

1

3，-3

C'Wl

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；

式中，v是水的流速（m/s）,di是管子内径（m是物性系数，对于0—50C的水，可用下

式计算：

G