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制冷机设计说明书

第一章绪论

1.1溴化锂吸收式制冷机的发展

吸收式制冷机的工作原理早在19世纪20年代就已被英国科学家法拉第提出来了，1850年世界上出现了第一台以氨水为工质的吸收式制冷机到1945年美国凯利亚公司又制成了第一台以溴化锂水深液为工质的吸收式制冷机。

近一个半世纪以来。

人们还不地研究选用于吸收工制冷机的其它工质时，但直到现在，真正实用的仍只限于以氨水和以溴化锂水深液为工质的两种。

前者适用于制取0℃左右直至－60℃的低温后者则适于制取7℃以上的冷媒水供空调或工艺过程冷却之用，两者的工作原理相同。

与压缩式制机相比它们有着许多优点，尤其是溴化锂吸收式制冷机在空调领域内，性能系数较以氨水为工质的机高，设备也较紧凑，所以近30年来得到了飞速的发展。

中国溴化锂吸收式制冷机的发展，始于60年代中期，其发展大致可分为起步阶段、初步发展阶段和全面发展阶段。

一、起步阶段

1965年当时的第一机械工业部根据国家需要下达了溴冷机的研制任务。

随即由原一机部通用机械研究所（现国家机械局合肥通用机械研究所）、原六机部上海704研究所（现中船总上海704研究所）及原上海合众冷气机厂（即后来的上海第一冷冻机厂，现上海一冷开利空调设备有限公司）联合组成溴冷机研制小组，完成了蒸汽单效型样机的试制，上海复旦大学承担了溴化锂水溶液的热物性分析研究工作，同时又进行了不同浓度的溴化锂溶液对多种金属的腐蚀试验，并绘制了溴化锂溶液的热物性图表。

二、初步发展阶段

“文革”动乱结束后，上海第一冷冻机厂生产了以铜管为换热管的蒸汽单效溴冷机，并先后完善了系列产品（30万千卡/时～200万千卡/时）的设计与生产。

80年代初期，上海704研究所和合肥通用机械研究所共同开发设计，由开封通用机械厂制造了我国第一台蒸汽双效溴冷机，其机组热效率可达1.1以上。

　　由于我国电力供应紧张，致使需用大面积空调的企业和单位，不得不转向使用以热能为动力的溴冷机。

80年代中期又有些企业如现在的江苏双良集团、浙江联丰集团等企业相继投入了溴冷机的生产，80年代末期已有近十家企业生产溴冷机组。

这一时期的溴冷机产品，以蒸汽双效型为主，辅以蒸汽单效型和热水型。

但由于技术投入不够，无法进行新产品开发，一直沿用初期研制的技术。

表现在体积大、重量重、耗材多、溶液充灌量大控制水平低，基本上没有出厂的性能试验台，出厂质量难以保证。

三、全面发展阶段

90年代溴冷机行业进入了全面发展时期，其生产企业不断增加，产品产量及产值迅速提高，技术水平也取得了长足进步。

生产企业多时曾一度达六七十家，还有十余家中外合资或外资独资企业。

目前，溴冷机行业主要生产蒸汽型和直燃型两大类产品，其各自年产量前者略大于后者或者说两者基本相当。

这一时期我国溴冷机技术取得了长足进步，向体积小、重量轻、外形美观大方、做工精细方面进了一大步。

九十年代初期，江苏双良集团首先试制了两泵双效机组，并将双效溴冷机系列全部改为两泵制；1992年长沙远大和江苏双良先后生产了燃油直燃型溴化锂吸收式冷温水机组，发展成系列产品，逐步投入了市场；1997年上海申马集团推出了双效型单泵机组；浙江联丰集团又将试制的三效型机组展现在人们面前；上海塔库玛和大连三洋制冷于97年先后试制成功了小型模块化溴冷机组；其后大连三洋制冷又开发了冷却塔→泵→溴冷机组一体化机组等等。

九○以来原机械部制冷设备标委会修订了蒸汽型溴冷机标准，制定了直燃型溴冷机行业标准，近年来又制定了溴冷机安全要求等标准。

对我国溴冷机产品发展和质量提高均起到了一定的推动作用。

四、机组控制技术的发展

八十年代溴冷机组的控制系统是由传统的继电器电路组成的，故障率较高，可靠性较差。

九十年代初期，江苏双良集团与合肥通用机械研究所合作研制开发了微电子溴冷机控制系统，92年又应用PLC实现了溴冷机组的全自动控制，PLC是专门为在工业环境下运用的通用电子控制系统。

将PLC外设（如数字显示仪及各类显示器）进行优化组合亦将大大提高机组的友好界面。

PLC控制系统较强的控制功能，可将多台机组的工作信息通过BAS总线送入集中控制室进行监视和处理。

更高级的PLC控制系统还可将一些重要信息通过调制解调器和电信网络发往各地。

96年一些厂家开始使用了计算机控制系统，操作人员只需按适当的键，显示屏上即可显示菜单，提示操作人员进行操作、维护、保养、参数设定及故障诊断等。

计算机控制系统更适用于具有多台机组的制冷站实现集中控制及通过电信网络进行远距离监控。

我国铜资源比较缺乏，联合研制小组于1966年设计了我国第一台全钢结构的100万千卡/时（1150kw）的蒸汽单效溴冷机组；1967年由上海合众冷气机厂试制成功并通过了技术鉴定。

1.2溴化锂吸收式制冷机的主要优点

1、节能－可以利有低位热能。

约800C以上的热源就可利用，因而可以利用工业余热或汽轮机的抽汽压蒸汽，也即可实现热电冷联合生产，获得很高的当量热力系数，使能源得到充分合理利用，为国家节约大量能源。

2、节电――以一台制冷量为1150KW（100万CAL／H）的制冷机为例，离心压缩式制冷机在蒸发温度为8℃及冷凝温度为40℃的情况下，须用300KW的电动机来驱动，而同容量的溴化锂吸收式制冷机用于拖动屏蔽泵的功率仅需3KW左右。

即使将因多耗冷却水所需的电计算进去也将较压缩式节电90％以上，所以如果大力发展，就可减轻电网的负荷。

3、无公害――大功率离心式压缩机所采的制冷剂大多为R11，对臭氧层的破坏严重,已被列为最短时期内要被替代的工质，而溴化而锂吸收式制冷机的制冷剂为水，所以有利于环境保护。

4、运行平稳可靠、操作简单、便于调整――吸收式制冷机可以在各种负荷条件下运转，当冷负荷在20％－100％的范围内变动时，设备的性能指标都能保持平稳，变化不大，即操作弹性大，可以实现无级调节。

长期在低负荷下运转也不会象离心式压缩机那样发生喘振。

5、占地省，可以露天安装――设备紧凑，点地少，除操作室外都可露天安装，从而节省了厂房投资。

6、易于维修――除2－3台输送溶液的‘屏蔽泵以外，没有其它运行部件，易损件少，所以维修简易，维修费用低。

7、噪声小――由于运动部件少，系统内也没有高速气流，所以运行时振动和噪音都较小，有益于操作人员的身心健康的环境保护。

8、单台机组的制冷量大――国外目前单台溴化锂吸收式制冷机的制冷量可达5800KW（500万KCAL／H）国内已知最大机组为5200KW（450万KCAL／H）这是压缩式制所不及的。

单台机组的制冷量大，就可降低单位制冷量的投资费用。

例如目前国内3500KW（300万KCAL/H（机组的售价仅为1150KW（100万CAL／H）机组的2．1倍，而前者的制冷量则为后者的3倍。

此外，大型机组也便于发展集中供冷。

第二章冷却水并联单筒型蒸汽单效溴化锂吸收式制冷机热力计算

2.1单效溴化锂吸收式制冷机制冷原理

溶液的蒸气压力是对平衡状态而言的。

如果蒸气压力为0.85kPa的溴化锂溶液与具有1kPa压力（7℃）的水蒸气接触，蒸气和液体不处于平衡状态，此时溶液具有吸收水蒸气的能力，直到水蒸气的压力降低到稍高于0.85kPa（例如：

0.87kPa）为止。

图2.1吸收制冷的原理

0.87kPa和0.85kPa之间的压差用于克服连接管道中的流动阻力以及由于过程偏离平衡状态而产生的压差，如图2.1所示。

水在5℃下蒸发时，就可能从较高温度的被冷却介质中吸收气化潜热，使被冷却介质冷却。

为了使水在低压下不断气化，并使所产生的蒸气不断地被吸收，从而保证吸收过程的不断进行，供吸收用的溶液的浓度必须大于吸收终了的溶液的浓度。

为此，除了必须不断地供给蒸发器纯水外，还必须不断地供给新的浓溶液，如图1所示。

显然，这样做是不经济的。

图2.2单效溴化锂吸收式制冷机系统

图2.3双筒溴化锂吸收式制冷机的系统

1-冷凝器；2-发生器；3-蒸发器；4-吸收器；5-热交换器；6-U型管；7-防晶管；8-抽气装置；9-蒸发器泵；10-吸收器泵；11-发生器泵；12-三通阀

实际上采用对稀溶液加热的方法，使之沸腾，从而获得蒸馏水供不断蒸发使用，如图2.2所示。

系统由发生器、冷凝器、蒸发器、节流阀、泵和溶液热交换器等组成。

稀溶液在加热以前用泵将压力升高，使沸腾所产生的蒸气能够在常温下冷凝。

例如，冷却水温度为35℃时，考虑到热交换器中所允许的传热温差，冷凝有可能在40℃左右发生，因此发生器内的压力必须是7.37kPa或更高一些（考虑到管道阻力等因素）。

发生器和冷凝器（高压侧）与蒸发器和吸收器（低压侧）之间的压差通过安装在相应管道上的膨胀阀或其它节流机构来保持。

在溴化锂吸收式制冷机中，这一压差相当小，一般只有6.5~8kPa，因而采用U型管、节流短管或节流小孔即可。

离开发生器的浓溶液的温度较高，而离开吸收器的稀溶液的温度却相当低。

浓溶液在未被冷却到与吸收器压力相对应的温度前不可能吸收水蒸气，而稀溶液又必须加热到和发生器压力相对应的饱和温度才开始沸腾，因此通过一台溶液热交换器，使浓溶液和稀溶液在各自进入吸收器和发生器之前彼此进行热量交换，使稀溶液温度升高，浓溶液温度下降。

由于水蒸气的比容非常大，为避免流动时产生过大的压降，需要很粗的管道，为避免这一点，往往将冷凝器和发生器做在一个容器内，将吸收器和蒸发器做在另一个容器内，如图2.3所示。

也可以将这四个主要设备置于一个壳体内，高压侧和低压侧之间用隔板隔开，如图2.4所示。

图2.4单筒溴化锂吸收式制冷机的系统

1－冷凝器；2－发生器；3－蒸发器；4－吸收器；

5－热交换器；6、7、8－泵；9－U型管

综上所述，溴化锂吸收式制冷机的工作过程可分为两个部分：

（1）发生器中产生的冷剂蒸气在冷凝器中冷凝成冷剂水，经U形管进入蒸发器，在低压下蒸发，产生制冷效应。

这些过程与蒸气压缩式制冷循环在冷凝器、节流阀和蒸发器中所产生的过程完全相同；

（2）发生器中流出的浓溶液降压后进入吸收器，吸收由蒸发器产生的冷剂蒸气，形成稀溶液，用泵将稀溶液输送至发生器，重新加热，形成浓溶液。

这些过程的作用相当于蒸气压缩式制冷循环中压缩机所起的作用。

2.2溴化锂吸收式制冷机的热力计算

2.2.1已知参数

制冷量Q0=600KW=515880kcal/hΔξφπ

蒸发器入水口冷媒水温度tc1=12℃

蒸发器出水口冷媒水温度tc2=7℃

冷却水温度tw=32℃

加热蒸汽压力ph=0.1MPa（表压）

加热蒸汽温度th=119.62℃

2.2.2选取参数

吸收器出口冷却水温度tw1=tw+Δtw1=38℃取Δtw1=6℃

冷凝器出口冷却水温度tw2=tw+Δtw2=38℃取Δtw2=6℃

冷凝器冷凝温度tk=tw2+Δtk=38+5=43℃

冷凝器压力pk=64.8mmHg由tk查饱和水蒸气表

蒸发器蒸发温度t0=tc2-Δt0=5℃取Δt0=2℃

蒸发器蒸发压力p0=6.54mmHg，由t0查饱和水蒸气表

蒸发器吸收压力pa=p0-Δp0=6.54-0.54=6mmHg取Δp0=0.54mmHg

发生器压力pr=pk=71.9mmHg

吸收器出口稀溶液温度t2=tw1+Δt2=38+4=42℃

吸收器出口稀溶液浓度ξa=59.5%由f（pa，t2）查溴化锂溶液h-ζ图确定

发生器出口浓溶液浓度ξr=ξa+Δξ=59.5+4.5=64%由f（pr，ξr）查溴化锂溶液h-ζ查得th=109℃

发生器出口浓溶液温度t4=th-Δt2=109-14=95℃

热交换器出口浓溶液温度t8=t2+Δt8=42+15=57℃

2.2.3各状态点参数

蒸发器中冷剂水焓i1=105.03kcal/kg，由t0查饱和水蒸气表

蒸发器中冷剂蒸气焓i1b=699.5kcal/kg，由t0查饱和水蒸气表

吸收器中稀溶液焓i2=66.8kcal/kg，由f（pa，ζ）查溴化锂溶液h-ζ图确定

冷凝器中冷剂水焓i3=145kcal/kg，由tk查饱和水蒸气表

冷凝器进口冷剂蒸气焓i3b=738kcal/kg，由f（pk，ζ）查溴化锂溶液h-ζ图确定

发生器压力pr=pk=64.8mmHg

发生器出口浓溶液焓i4=92kcal/kg

发生器中稀溶液开始沸腾温度t5=89℃

发生器中稀溶液开始沸腾焓i5=88kcal/kg

系统溶液循环倍率a=ξr（ξr-ξa）=64/（64-59.5）=14.2

热交换器出口稀溶液焓i7=i2+（（a-1）/a×（i4-i8）=66.8+（14.2-1）

/14.2×（92-74.5）=83kcal/kg

吸收器喷淋溶液循环倍率取fa=17.2

查相液等压线，得t7=82℃

热交换器出口浓溶液焓i8=74.5kcal/kg

吸收器喷淋溶液焓i9=（fa×i2+（a-1）×i8）/（fa+a-1）=（17.2×66.5

+（14.2-1）×74.5）/（17.2+14.2-1）=705kcal/kg

吸收器喷淋溶液浓度ξ9=（fa×ξa+（a-1）×ξr）/（fa+a-1）=17.2×59.5

+（14.2-1）×640/（17.2+14.2-1）=61.5%

吸收器喷淋溶液温度t9=48.5℃，由f（ξ9，i9）查溴化锂溶液h-ζ图确定

2.2.4各换热设备的单位热负荷

1）、发生器的单位热负荷

qg=i31b+（a-1）×4-a×i7=738+（14.2-1）×93.4-14.2×83=757.9kcal/kg

2）、冷凝器的单位热负荷

qk=i13b-i3=738-145=595kcal/kg

3）、吸收器的单位热负荷

q0=i13b-i3=699.5-142.97=556.5kcal/kg

4）、吸收器的单位热负荷

qa=（a-1）i8+i1b-a×i2=（14.2-1）×74.5+699.5-14.2×66.8=734.4kcal/kg

5）、热交换器的单位热负荷

qt=a（i7-i2）=14.2（83-66.8）=230

6）、系统冷剂水循环量

D=Q0/q0=515880/556.5=927kg/h

2.2.5热平衡

加入系统的热量qg+q0=757.9+554.5=1312.4

带出系统的热量qk+qa=593+734.4=1327.4kcal/kg

（1327.4-1312.4）/1327.4=0.010<1%符合要求

2.2.6热力系数

ζ=q0/qg=556.5/757.9=0.73

2.2.7各热设备的热负荷

1）、发生器的热负荷

Qg=D×qg=927×757.9=704847kcal/kg

2）、冷凝器的热负荷

Qk=D×qk=927×593=549711kcal/kg

3）、吸收器的热负荷

Qa=D×qa=927×734.4=6080788.8kcal/kg

4）、蒸发器的热负荷

Q0=D×q0=927×556.5=515875.5kcal/kg

5）、热交换器热负荷

Qt=D×qt=927×230=213210kcal/kg

2.2.8各工作介质的流量

1）、加热蒸汽流量

加热蒸汽的汽化潜热rh=526.1

Gh=1.05×704847/526.1=1406.74kg/h

2）、冷媒水流量

V0=Q0/1000×（tc1-tc2）=515880/（100×（12-7））=103m3/h

3）、冷却水流量

吸收器冷却水流量

Vma=Qa/（1000（tw1-tw））=680788.8/（1000×6）=113.46m3/h

冷凝器冷却水流量

Vmk=Qk/（1000（tw2-tw））=549711/（100×6）=91.6m3/h

4）、稀溶液循环量

稀溶液比重rg=1700kg/m3查溴化锂溶液密度图

Vg=a×D/rg=14.2×927/1700=7.74m3/h

5）、吸收器喷淋溶液流量

喷淋溶液的比重r9=1728kg/m3

Vg=（fa+a-1）×D/r9=（17.2+14.2-1）×927/1728=16.3m3/h

6）、蒸发器冷剂水喷淋量

蒸发器喷淋冷剂水循环倍率取f0=10

V0=f0×d/1000=10×927/1000=9.27m3/h

2.3溴化锂吸收式制冷机的传热面积计算

2.3.1各换热设备的传热系数K值的的选取

发生器Kg=930kcal/m2.h.℃,冷凝器Kk=1700kcal/m2.h.℃

蒸发器K0=1530kcal/m2.h.℃,吸收器Ka=800kcal/m2.h.℃

热交换器Kt=300kcal/m2.h.℃

2.3.2各热交换器设备的传热面积

1）、发生器

Fg=Qg/（Kg（th-t5）-0.65（t4-t5）=704847/（930（119.62-89）-0.65（101-89））

=33.18m2

2）、冷凝器

Fk=Qk/（Kk（（tk-tw）-0.65（tw2-tw）））=549711/（1700×（45-32）-0.65（38-32））

=37.47m2

3）、蒸发器

F0=Q0/（K0（（tc1-t0）-0.65（tc1-tc2）））=515880/（1530（（12-5）-0.65（12-7）））

=71m2

4）、吸收器

Fa=Qa/（Ka（（t9-tw）-0.50（tw1-tw）-0.65（t9-t2）））=680788.8/（800（（48.5-32）

-0.5（38-32）-0.65（48.5-42））=91.75m2

5）、热交换器

Ft=Qt/（Kt（（t4-t2）-0.35（t7-t2）-0.65（t4-t8）））=213210/（300（（101-42）

-0.35（82-42）-0.65（101-57））=43.3m2

第三章冷却水并联单筒型蒸汽单效溴化锂吸收式制冷机结构设计

3.1溴化锂吸收式制冷机的结构计算

3.1.1各换热设备的传热管根数

在本例中各换热设备均采用φ16×1的紫铜管，管长设为L=4m，有效长度L0=3940mm

每米传热管的外表面积为f0=πd0=0.016π=0.0502m2/m

每根传热管的有效传热面积fn=f0×L0=0.0502×3.94=0.197788m2/根

发生器ng=fg/fn=33.18/0.197788=168根

冷凝器nk=Fk/fn=37.47/0.197788=190根

蒸发器n0=F0/fn=71/0.197788=359根

吸收器na=Fa/fn=97.75/0.197788=464根

热交换器nt=Ft/fn=43.3/0.197788=219根

3.1.2各换热设备管程数

每根管子的截面积s=πd2/4=3.14×0.0162/4=0.0002m2

1）、发生器

发生器分为2管程，冷却水管数约为发生器总管数的1/10为168×1/10=16.8

取16根，则蒸汽管数为168-16=152根

2）、蒸发器

取管内水的流速为2m/s

则每管程管子数为n=V0/（s×v0）=103/（0.0002×2×3600）=71.5

管程数359/71.5=5.02因设计结构需要取管程数为6

每管程为60根共360根

3）、吸收器

取管内水流速为2m/s

则每管程管子数为n=V0/（s×v0）=113.46/（0.0002×2×3600）=78.8

管程数464/78.8=5.89则取管程数为6

每管程为78根共468根

4）冷凝器

取管内水流速为2m/s

则每管程管子数为n=V0/（s×v0）=91.6/（0.0002×2×3600）=63.6

管程数190/63.6=2.98则取管程数为3

每管程63根共189根

3.1.3各换热设备配管的管径以及法兰选取

连接管道中的流速wp=4V/（3600πdp2）

则管径dp=√（4V/（3600πwp））

1）、发生器

蒸汽连接管

管内蒸汽流量wp选取30m/s

已知管内压力为2.0kgf/cm2查饱和水蒸气表得蒸汽比体积为0.9018m3/kg

V=Gh×0.9018

蒸汽连接管管径dp=√（4×1406.74×0.9018/（3600×3.14×30））=122.3mm

选取φ133×5的钢管，公称通径为125

选取法兰外径250，厚度22，参考图3.1

冷凝水连接管

管内水流量wp取0.5m/s，V’=V/ρ1.407m3/h

冷凝水连接管管径dp=√（4×1.407/（3600×3.14×0.5））=31.5mm

选取φ38×3.5的钢管，公称通径为32

选取法兰外径140，厚度18，参考图3.1

2）、冷凝器

冷却水连接管

管内水流量wp选取2m/s

冷媒水连接管管径dp=√（4×91.6/（3600×3.14×2））=127

选取φ140×5的钢管，公称通径为125

选取法兰外径250，厚度22，参考图3.1

3）吸收器

冷却水连接管

管内水流量wp选取2m/s

冷媒水连接管管径dp=√（4×113.46/（3600×3.14×2））=141

选取φ159×5的钢管，公称通径为150

选取法兰外径285，厚度24，参考图3.1

稀溶液连接管

管内稀溶液流量wp选取1m/s

连接管管径dp=√（4×7.74/（3600×3.14×1））=52

选取φ57×3.5的钢管

4）蒸发器

冷媒水连接管

管内水流量wp选取2m/s

冷媒水连接管管径dp=√（4×103/（3600×3.14×2））=134.9

选取φ159×5的钢管，公称通径为150

选取法兰外径285，厚度24，参考图3.1

5）喷淋器

蒸发器喷淋器

管内水流量wp选取1m/s

连接管管径dp=√（4×9.27/（3600×3.14×1））=52

选取φ57×3.5的钢管

吸收器喷淋器

选取φ57×3.5的钢管，公称通径为50

选取法兰外径165，厚度20，参考图3.1

图3.1法兰连接尺寸标准

3.2溴化锂吸收式制冷机的结构设计

3.2.1计算筒体直径

根据筒内结构得出筒体内径为φ1510mm

3.2.2筒体厚度

筒体名义厚度：

δn=12mm

壁厚附加量C=2mm

筒体的有效厚度δe=10mm

3.2.3水压试验

（1）试验压力：

1.25P=1.25*0.1=0.125Mpa

1.15P=1.15*0.1=0.115Mpa

PT取其中较大值，即PT=0.125Mpa

筒体的应力校验

（2）筒体的有效厚度δe=10mm

ΣT=PT*（Di+δe）/2δe=0.125*（1510+10）/20=9.5MPa

查表的:

σs=235MPa

σT<0.8φσs=0.8*0.85*235=159.8MPa

式中φ为双面对接焊作局部无损检测时的焊缝系数，取φ=0.85，所以水压试验压力校核符合要求。

3.2.4筒体的应力校核

取内压设计压力为：

P=0.3MPa

根据GB150-1998查得[δ]=113MPa

已知D=1510mm，厚度t=12mm

轴向应力σφ=

环向应力σθ=

[δ]>σθ

符合应力要求

3.2.5筒体的稳定性分析

临界长度

L

短圆筒最小临界压力计算式：

临界应力的经验公式：

工程上

材料Q235弹性模量E取210GPa

则

σcr>σθ

所以符合稳定性要求