棉纺厂空调用制冷系统及机房设计.docx
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棉纺厂空调用制冷系统及机房设计
课程设计说明书
题目上海高洋棉纺厂空调用
制冷系统及机房设计
1绪论…………………………………………………………1
2课程设计内容和计算选型…………………………………1
2.1原始材料……………………………………………………1
2.1.1设计任务及条件……………………………………………1
2.1.2地理位置……………………………………………………1
2.1.3室外空调设计参数…………………………………………1
2.1.4室内气象参数………………………………………………2
2.2工况确定……………………………………………………2
2.2.1确定总制冷量………………………………………………2
2.2.2制冷剂的选择………………………………………………2
2.2.3蒸发温度冷凝温度及过冷度过热度的确定……………………3
2.3状态点的确定和相关热力计算…………………………………5
2.3.1绘制压焓图…………………………………………………5
2.3.2进行热力计算………………………………………………6
2.4压缩机的选择…………………………………………………7
2.4.1压缩机形式的选择……………………………………………7
2.4.2压缩机级数…………………………………………………8
2.4.3压缩机的容积功率……………………………………………8
2.4.4计算系统的理论输气量与型号选定……………………………8
2.4.5压缩机功率计算………………………………………………9
2.4.6确定压缩机的台数……………………………………………10
2.4.7压缩机的校核………………………………………………11
2.5冷凝器的设计计算………………………………………………11
2.5.1冷凝器的选择……………………………………………………11
2.5.2确定冷凝器的换热面积…………………………………………11
2.5.3冷凝器的设备选择………………………………………………12
2.5.4冷凝器校核………………………………………………………12
2.5.5冷却水计算………………………………………………………12
2.5.6动力设施…………………………………………………………13
2.6蒸发器的选择计算…………………………………………………16
2.6.1确定蒸发器的型式………………………………………………16
2.6.2蒸发器传热面积计算……………………………………………16
2.6.3冷冻水系统………………………………………………………16
2.7膨胀阀的选择与计算………………………………………………17
2.7.1流量系数…………………………………………………………17
2.7.2进入膨胀阀的质量流量……………………………………………17
2.7.3阀孔面积…………………………………………………………17
2.8其他辅助设备的选择…………………………………………………18
2.8.1油分离器选择计算…………………………………………………18
2.8.2高压贮液器选择计算………………………………………………18
2.8.3气液分离器选择计算………………………………………………19
2.8.4不凝性气体分离器选择………………………………………………19
2.8.5过滤器和干燥器选择………………………………………………20
2.9设备清单……………………………………………………………20
3机房布置……………………………………………………………21
3.1制冷机房的设计原则…………………………………………………21
3.2制冷设备的布置原则…………………………………………………21
3.3制冷剂管路的布置原则………………………………………………21
3.4冷冻水管的保温……………………………………………………22
4制图…………………………………………………………………22
5结论总结……………………………………………………………22
参考文献…………………………………………………………………24
1、绪论
本次设计的是上海高洋棉纺厂空调用制冷系统及机房设计。
针对该棉纺厂的功能要求和特点，以及该地区气象条件和空调要求，参考有关文献资料对该厂的制冷系统进行系统规划、设计计算和设备选型。
对其进行了冷、热、湿负荷的计算，还对各室的所需的新风量进行了计算。
根据计算结果，对性能和经济进行比较和分析，对设备的选择、材料的选用，确保了设备在容量、减震、消声等方面满足人们的要求,并使系统达到了经济、节能的目的，按照国家相关政策做到了环境保护。
建筑是人们生活与工作的场所。
现代人类大约有五分之四的时间在建筑中度过。
人们已逐渐认识到，建筑环境对人类的寿命、工作效率、产品质量起着极为重要的作用。
伴随着社会生产力的发展，在生产过程所要求的空气状态及人类自身工作和居住所要求的空气状态不断提高的条件下产生了空调，并得到了很大的发展。
因此随着人民生活的提高，空调的普及率也就日益增高。
所以对于大型公共、民用建筑及一些特殊场所来说，空调是不可缺少的。
但值得注意的是空调在使用过程中耗能量较大，同时，除了空调所具有对生产和人民生活的正面作用外，根据目前的研究表明，它还存在一定的负面作用，例如“病态建筑综合症”等。
因此在考虑室内气流组织及冷热源、水泵的合理选用就显得格外重要。
2、课程设计内容和计算选型
2.1、原始材料
2.1.1设计任务及条件：
上海高洋棉纺厂
该厂空调系统冷负荷为1110Kw，采用间接供冷方式；冷冻水的供水温度为7℃，回水温度为12℃；夏季采用两班工作，工作时间为7:
00-23:
00，白天空调冷负荷与夜间冷负荷的相差不大；采用独立空调制冷机房,制冷机房与车间及其他办公场地的最小距离为500米；可根据制冷系统的布置需要，确定制冷制房的建筑结构（包括建筑朝向、面积大小、房间高度、门窗等），制冷机房设于地上一层。
冷冻水供回水温度：
供水温度7℃.回水温度12℃
冷却水：
自来水最高温度28℃
（上海市地下水资源约22.7亿立方米，潜水补给水量75%，深层承压水可开采量占25%--出自上海市地方志办公室）
2.1.2、地理位置：
上海，北纬31°10′，东经121°26′，海拔4.5m
2.1.3、室外空调设计参数：
夏季计算干球温度：
34℃
夏季计算湿球温度：
28.2℃
冬季计算干球温度：
﹣4℃
冬季计算相对湿度：
75％
夏季平均风速：
3.2m/s
冬季平均风速：
3.1m/s
夏季大气压力：
1005.3hPa
冬季大气压力：
1025.1hPa
注释：
以上参数出自《暖通空调新技术设计实例图集》（中国建筑工业出版社）
2.1.4、室内气象参数：
夏季:
室内温度（℃）：
22~28；相对湿度（%）：
55~80；空气流速（m/s）：
0.3；
冬季：
室内温度（℃）：
16~24；相对湿度（%）：
50~78；空气流速（m/s）：
0.2；
注释：
以上参数出自《建筑环境学》纺织厂的相对湿度控制范围表。
2.2工况确定：
2.2.1、确定总制冷量：
制冷系统的总制冷量，应该包括用户实际所需要的制冷量，以及制冷系统本身和供冷系统冷损失，可按下式计算：
Q＝（1+A）×Q0＝（1+12%）×1110Kw＝1243.2Kw
式中Q0——制冷系统的总制冷量（Kw），
Q——用户实际所需要的制冷量（Kw），
A——冷损失附加系数
一般对于间接供冷系统，
当空调制冷量小于174Kw时，A=0.15~0.20；
当空调制冷量为174~1744Kw时，A=0.10~0.15；
当空调制冷量大于1744Kw时，A=0.05~0.07；
对于直接供冷系统，A=0.05~0.07。
于本制冷系统采用间接制冷，制冷量为1110Kw，所以A取0.12，取太大会浪费能源，取太小又可能导致供冷量不足。
2.2.2、制冷剂的选择：
常用的制冷剂种类：
NH3、R11、R123、R12、R134a、R22、R502今对其进行制冷能力的比较如表一
其中R11，R12已经被禁用。
表一：
常用制冷剂
制冷剂
NH3
R123
R134a
R22
大气压力下的沸点（℃）
-33.3
27.87
-26.16
-40.8
单位容积制冷能力（KJ/Kg）
2158.7
160.7
1231.3
2099
比率（以氨为1）
1
0.074
0.57
0.97
临界点温度℃
270.05
362.63
213.91
205.59
临界点压力MPa
1643.7
531.1
588.25
723.74
导热系数（液体）
0.3155
0.0476
0.0521
0.0537
粘度（液体）
0.392
1.292
0.620
0.503
破坏臭氧层潜能值（ODP）
0
0.02
0
0.055
温室效应潜能值（GWP）
0
90
1300
1500
注释：
以上资料来自于《制冷剂应用手册》（美佳空调公司）
本系统用于纺织厂，人物活动频繁，对卫生及人身财产安全要求较高，而氨制冷易燃易爆，不符合要求，故本系统不采用。
R22是较为常用的中温制冷剂之一,其沸点为-40.8℃，凝固点为16℃。
常温下的冷凝压力和单位容积制冷量与氨接近，比R12要大，压缩终温接近于氨和R12之间，能制取的蒸发温度达80℃。
R22不燃烧,不爆炸，也是一种较为安全的制冷剂。
R22的流动性比R12要好，传热性能与R12接近，溶水性比R12略大。
但是，R22对大气臭氧层稍有破坏作用，R22化学性质稳定、无毒、无腐蚀、无刺激性，并且不可燃，广泛用于空调用制冷装置，目前对它的实用技术比较成熟，而且比较廉价，虽然对大气的臭氧层有一定的破坏，但还是被广泛使用。
综上分析，本制冷装置使用R22。
2.2.3、蒸发温度冷凝温度及过冷度过热度的确定：
（1）蒸发温度t0的确定：
直接蒸发式空气冷却器：
t0＝t出2－（6～8℃）
用于冷却水或盐水的蒸发器：
t0＝t出2－（2～3℃）
此系统采用间接供冷方式，以水为载冷剂，冷冻水供水温度t出2=7℃，为获取较好的制冷系统的运行经济性以及增大传热温差，减少蒸发器的初投资，取t出2－t0＝3℃，所以t0=7-3=4℃
其传热温差：
△t0m=（t进2－t出2）/㏑[（t进2－t0）/（t出－t02）]
=（12－7）/㏑[（12－4）/（7－4）
=5℃
（2）冷凝温度tk的确定：
不同冷凝器冷凝温度的确定方式：
风冷式冷凝器：
tk＝t进1＋（10～16℃）
水冷式冷凝器：
tk＝t进1＋（7～14℃）
蒸发式冷凝器:
tk＝夏季室外计算湿球温度＋（8～15℃）
且对于使用冷却水塔的循环水系统，冷却水进水温度按下式计算：
t进1=ts+△ts=28.2+2.0=30.2℃
式中：
ts—夏季空气调节室外计算湿球温度28.2℃
△ts—安全值，对于机械通风冷却塔，△ts=2～4℃。
冷却水出冷凝器的温度t出1，与冷却水进冷凝器的温度及冷凝器的形式有关。
选用卧式壳管式冷凝器。
按下式确定：
t出1=t进1+（3～5）=30.2+5.0=35.2℃
本系统采用水冷式卧式壳管冷凝器，冷凝温度与冷却水进口温度差取7℃
则冷凝温度为：
tk=t进1+（7～14）=30.2+7=37.2℃
其传热温差:
△tkm=（t出1－t进1）/㏑[（tk－t进1）/（tk－t出1）]
=（35.2-30.2）/㏑[（37.2-30.2）/（37.2-35.2）]
=4℃
则冷凝器内制冷剂的温度tk′=tk+△tm=41.2℃
（3）过冷度的确定；
是否采用过冷应进行全面的经济技术分析。
节流前液体的过冷可在系统中设置再冷却器，或当系统中使用卧式壳管式冷凝器时，增大冷凝器的传热面积5%-10%来实现，一般会提高制冷循环的经济性，但会增加设备的投资，所以要考虑具体条件，合理选择过冷度。
一般情况下，过冷温度比冷凝温度低3~5℃，即
过冷度温tgl：
tgl＝tk－（3～5℃）
液体过冷可以减少节流损失，有助于提高单位制冷量和制冷系数，但是过冷温度过低对设备的要求提高，不利于经济效益的提高。
这里取过冷度为4℃。
过冷温度为
tgl＝tk－（3～5℃）
=tk-4=37.2-4=33.2℃
（4）过热度的确定
过热温度一般与制冷剂种类、吸气管的长短和保温情况有关。
以氟利昂为制冷剂的制冷系统一般希望有一定的吸气过热度，一则可以提高循环的经济性，同时避免液击事故的发生，保证系统正常运行。
氟利昂过热温度为tgr≤t+15℃。
这里取过热度为t=10℃。
综上，汇总如下表表二：
蒸发温度（℃）
过热度（℃）
冷凝温度（℃）
过冷度（℃）
4
10
37.2
4
2.3、状态点的确定和相关热力计算：
2.3.1、绘制压焓图：
lg-p（MPa）3′338.2℃22′
4′44℃11′
h4/h4h1h1/h2′h（kJ/kg）
表三：
根据绘制的p-h图查表求得各状态参数
状态点
温度（℃）
绝对压力（kPa）
比焓（kJ/㎏）
比容（m³/㎏）
1
4.50
343.7
410.77
0.05892
1′
9.50
343.7
404.42
0.05057
2
45.323
949.7
426.02
0.02249
2′
37.50
949.7
417.08
0.02133
3
37.50
949.7
252.45
—
3′
32.50
949.7
245.07
—
4
4.50
343.7
252.45
0.0236
4′
4.50
343.7
245.07
0.0125
2.3.2、进行热力计算：
（1）、单位质量制冷量（q0）的计算：
q0=h1—h4/=410.77–245.07=165.7kJ/kg
（2）、单位容积制冷量（qv）的计算：
Qv=
2875.24kJ/m3
（3）、制冷剂质量流量（Mr）的计算
Mr=
=
=7.502kg/s
（4）、制冷剂的体积流量（Vr）的计算：
Vr=
=7.502×0.05057=0.38m3/s
（5）、压缩机所需的理论功率Pth的计算：
Pth=Mr（h2—h1/）=7.502×（426.02-404.42）=162.0432Kw
（6）、制冷系数（ε0）的计算：
ε0=
=
=
=7.44
（7）、单位冷凝负荷（qk）的计算：
qk=h2—h3/=426.02–245.07=180.95KJ/kg
（8）、冷凝器热负荷（Qk）的计算：
Qk=Mr×qk=7.502×180.95=1357.4869Kw
（9）、逆卡诺循环制冷系数的计算
ε/c=
=
=8.35
（10）、热力完善度（η）的计算
η=
=
=0.89
2.4、压缩机的选择：
2.4.1、压缩机形式的选择：
已知：
压缩比：
pk/po=949.7/343.7=2.76
压缩机理论功率：
Pth=173.5776kw
总制冷量：
Q0=1243.2kw
单位容积制冷量：
qv=2875.24kJ/m3
常用的制冷压缩机有活塞式制冷压缩机﹑螺杆式制冷压缩机﹑离心式制冷压缩机。
一般用作空调冷源大﹑中刑冷冻站设计选用离心式或螺杆式。
对本设计系统，综合考虑经济﹑选用的制冷工质﹑运行管理及对制冷量调节等方面的因素，选用螺杆式制冷压缩机。
制冷压缩机与活塞式制冷压缩机、离心式制冷压缩机相比是较晚的一种机型。
螺杆式制冷压缩机的结构特点，决定了它的许多优点，如：
（1）零件数仅为活塞式的1/10，压缩机平衡性好，振动小，转速高；
（2）结构紧凑、能适用于大压缩比的工况；
（3）排气温度低；
（4）结构紧凑，无吸排气阀，易损部件少；
（5）容积效率高；
（6）对湿压缩不敏感；
（7）可实现无级能量调节,（滑阀15%-100%）；
（8）维护方便，常用于大中型制冷系统。
其缺点是：
（1）油系统复杂，低压缩比下能耗较大；
（2）制冷剂气体周期性地高速通过吸、排气孔口，通过缝隙的泄漏等原因，使压缩机有很大噪声，需要采取消音减噪措施；
（3）螺旋形转子的空间曲面的加工精度要求高，需用专用设备和刀具来加工；
（4）由于间隙密封和转子刚度等的限制，目前螺杆式压缩机还不能像往复式压缩机那样达到较高的终了压力。
表四：
三种常用的制冷压缩机的比较
压缩机种类
活塞式
螺杆式
离心式
单级最大压缩比
10
20
4.5
单机制冷量（kw）
30~580
60~2730
703~4222
最大排气压力（bar）
15.5
18.5
10.0
最高排气温度（℃）
120~150
90~105
75
单级最大进、出口压差（bar）
14
18
12.6
2.4.2、压缩机级数：
压缩机的级数应根据设计工况的冷凝压力与蒸发压力之比来确定。
若以氟利昂为制冷剂时，当PK/P0=949.7/343.7=2.76≤10时，应采用单级制冷压缩机。
2.4.3、压缩机的容积功率：
式
中：
P1—压缩机的吸气压力，MPa；
P2—压缩机的排气压力，MPa；
n—制冷剂的压缩指数，
制冷剂为R717时，n=1.28，
制冷机为R12时，n=1.13，
制冷剂为R22时，n=1.18。
此处取Vn=1.18。
2.4.4、计算系统的理论输气量与型号选定：
=0.46m3/s,根据排气量
制冷剂
理论排量（m3/h）
标准工况制冷量（30℃/-15℃）kw
空调工况电机功率kw
转速r/min
电源
能量调节范围
噪音dB（A）
进气管直径mm
出气管直径mm
进出水管直径mm
冷却水量m3/h
长mm
宽mm
高mm
R22
1020
557
350
2960
380V50Hz
15~100%无级调节
≤90
DN150
DN100
DN70
≥20
3450
1346
2000
初步选定冰轮公司QC系列压缩机，型号为QKF20M，其主要技术参数如下表五：
由其技术参数表可知该型号压缩机的排气量为1020m3/h，1020×2m3/h＞1661.729m3/h，故确定压缩机的台数为两台。
在确定压缩机型号的情况下，校核压缩机在设计工况下的制冷量，若压缩机在设计工况下的制冷量不满足要求，则重新选定压缩机的型号，再进行校核，直到选定的压缩机的制冷量满足设计要求后，再进行压缩机轴功率、压缩机配用电机功率的计算。
压缩机在设计工况下的实际排气量：
m3/h
压缩机在设计工况下的制冷量：
=1092.59kw
制冷机及电机工作参数的计算中，应考虑到管道系统及设备的冷损失，故对制冷机的冷凝能力应考虑备有15%~20%的富裕量，则设计工况制冷量：
=1242.2×1.2=1491.84kw
则两台压缩机的制冷量Q0=2×Q0g=2483.86kw＞1491.84kw，可以满足要求
2.4.5、压缩机功率计算:
（1）压缩机的理论功率：
式中：
—压缩机内单位质量制冷剂所消耗的理论功，
（2）压缩机设计工况下的指示功率：
当压缩比为Pk/P0=949.7/343.7=2.76，查询螺杆式制冷压缩机指示功率关系图可知
=0.80。
则：
Pi=
=
（3）压缩机设计工况下的轴功率：
Pe=
=
式中：
——螺杆制冷压缩机的机械效率，通常在0.95~0.98之间。
这里取
=0.95。
（4）压缩机的摩擦功率
式中
——摩擦力换成的压力值
立式氨压缩机约为0.6
立式氟利昂压缩机约为0.3~0.5
（5）有效功率：
式中
——压缩机机械效率，一般为0.8~0.9
（6）压缩机设计工况下的配用电动机功率：
式中：
—传动效率，直联时，
=1.0，皮带传动时，
=0.97～0.99。
本设计系统采用直联。
压缩机空调工况下配用电动机功率350kw,350kw＞296.55kw符合要求。
2.4.6、确定压缩机的台数：
压缩机台数：
个
式中N——压缩机台数（个）
Q——单台压缩机在设计制冷工况下的制冷量（kw/h）
所以该制冷系统选择两台单机螺杆式压缩机，型号为QKF20M。
2.4.7、压缩机的校核：
在确定压缩机型号的情况下，校核压缩机在设计工况下的制冷量，若压缩机在设计工况下的制冷量不满足要求，则重新选定压缩机的型号，再进行校核，直到选定的压缩机的制冷量满足设计要求后，再进行压缩机轴功率、压缩机配用电机功率的计算。
压缩机在设计工况下的实际排气量：
m3/h=0.1285m3/s
压缩机在设计工况下的制冷量：
=1092.59kw
则两台压缩机的制冷量：
，可以满足要求。
2.5、冷凝器的设计计算：
2.5.1、冷凝器的选择：
冷凝器的选择原则：
冷凝器的选择取决于当地的水温、水质、水源、气候条件，以及压缩机房布置要求等因素。
一般在冷却水水质较好、水温较低、水量比较充足的地方，宜采用卧式冷凝器。
上海地区满足上述条件,所以选用卧式壳管式冷凝器。
特点如下：
（1）结构紧凑，体积比立式小；
（2）传热系数比立式高；
（3）冷却水进出口温差大，耗水量小；
（4）室内布置，操作较为方便。
但是它对水质的要求高，清洗时必须停机，且制冷剂泄漏不易被发现
2.5.2、确定冷凝器的换热面积：
冷凝器热负荷计算：
式中：
—冷凝器热负荷系数，它与蒸发温度、冷凝温度、气缸冷却方式以及制冷剂种类有关，其值随蒸发温度的降低和冷凝温度的升高而增加。
这里取
=1.13。
冷凝器传热面积的计算：
m2
式中：
K—冷凝器的传热系数，W/（
·k），由于采用氟利昂作为制冷剂的卧式壳管式冷凝器，其传热系数700~1500W/（
·k），在这里K取1100W/（
·k）。
由于前面已经确定需要两台压缩机，故初步选定两台冷凝器。
实际所需理论面积为：
2.5.3、冷凝器的设备选择：
计算出所需冷凝器的理论传热面积后，考虑到冷凝器使用一段时间后，由于污垢的影响传热系数会降低，因此在选择冷凝器型号前，应将上面计算值放大5%～10%。
此外若系统中不设再冷却器，选用卧式壳管式冷凝器时，应将传热面积再放大5%～10%，以保证液态制冷剂有3～5℃的过冷度。
则冷凝
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