冷水机组课程设计最终版
Harbin Institute of Technology
课程设计说明书（论文）
课程名称：制冷空调设备与设计
设计题目：55KW冷水机设计
院系：能源科学与工程学院
班级：1102104
设计者：
学号：
指导教师：
设计时间：2014年12月22日
哈尔滨工业大学
哈尔滨工业大学课程设计任务书
*注：此任务书由课程设计指导教师填写
目录
第1章系统热力计算 (1)
1.1给定条件 (1)
1.2 热力计算所对应的压焓图以及参数列表 (1)
1.3 热力计算过程 (1)
第2章压缩机选型 (3)
2.1 压缩机概述 (3)
第3章蒸发器的设计与计算 (3)
3.1 蒸发器概述 (3)
3.2 设计方案确定 (3)
3.3 设计条件确定 (3)
3.4 制冷剂与载冷剂流量计算 (3)
3.5 结构初步规划 (4)
3.6 计算管外水的表面传热系数 (4)
3.7 计算管内沸腾表面换热系数 (5)
3.8 计算阻力及传热 (6)
3.9 传热系数与热流密度 (6)
3.10 计算传热面积 (7)
第4章冷凝器的设计与计算 (8)
4.1 有关温度参数及冷凝热负荷确定 (8)
4.2 翅片管簇结构参数选择及计算 (8)
4.3 进行传热计算 (9)
4.4 风机的选择计算 (11)
参考文献…………………………………………………………………………… .11
第1章系统热力计算
对冷水机组进行热力计算的目的是为了进一步确定设计冷凝器,蒸发器以及压缩机选型所需要的技术参数。
1.1给定条件
已知技术参数和设计要求：
1、冷负荷：55kw，
2、制冷剂：R22，
3、风冷冷凝器：进风干球温度：≥35℃,出风干球温度：≤43℃
4、冷凝温度：50℃
5、出水温度5℃,进水10℃，
6、环境温度35℃。
另外,经过查阅《冷水机组标准与工程规范》，确定了其他几个重要的参数，蒸发器传热温差一般为2-3℃，本设计取3℃，液体过热度为5℃，液体过冷度为5℃。
1.2 热力计算所对应的压焓图以及参数列表
系统工作所对应的压焓图如下：
图1-1 系统压焓图
查R22热力性质表[1]，得各状态点的参数如下表：
点号P（MPa）t(℃) h(kJ/kg) V(m3/kg)
0 0.54 2 405
1 0.54 7 410 0.048
2 1.9 70.9 450
3 1.9 45 260
4 0.54 2 260
1.3热力计算过程
1) 压力比：
0k
p p =
∏=1.9 3.520.54
=……………………………………（1-1） 2) 单位质量制冷量：
014q h h 410260150kJ/kg
=-=-=…………………………（1-2）
3) 单位容积制冷量：
0v 1q 150q 3125kJ/kg v 0.048=
==………………………………（1-3）
4) 理论比功：
021w h h 45041040kJ /kg
=-=-=……………………… （1-4）
5) 制冷系数：
00q 150 3.75w 40COP =
==……………………………………（1-5）
6) 冷凝器单位热负荷：
k 23q h h 450260190kJ/kg
=-=-=………………………… （1-6）
7) 所需工质流量：
0m 0Q 55q 0.37kg /s q 150=
==…………………………………（1-7）
8) 冷凝器单位热负荷：
k 23q h h 450260190kJ/kg
=-=-=……………………… （1-8）
9) 所需工质流量：
0m 0Q 55
q 0.37kg /s q 150=
==……………………………（1-9）
10) 实际输气量：
s 3v m 1q q v 0.370.0480.01776m /s
=?=?=……………（1-10）
11) 压缩机消耗的理论功率：
0m 0p q w 0.374014.8kW
=?=?=……………………（1-11）
12) 冷凝器热负荷：
k m k Q q q 0.3719070.3kW
=?=?=……………………（1-12）
第2章 压缩机选型
2.1压缩机概述
压缩机为制冷系统中的核心设备，只有通过它将电能转换为机械功，把低温低压气态制冷剂压缩为高温高压气体，才能保证制冷的循环进行。根据蒸气压缩的原理，压缩机可分为容积型和速度型两种基本类型。目前主要使用的是容积型压缩机。容积式压缩机靠改变工作腔的容积，将周期性吸入的定量气体压缩。主要分为两类：活塞式和回转式。
综合比较各厂家产品，本设计选择的是涡旋式压缩机。根据循环参数，实际输气量为0.01776 m 3/s=63.9 m 3/h;选择美国谷轮公司生产的ZR310KC-TWD-522型号压缩机，压缩机额定功率为18.39kw ，排气量71.43 m 3/h 。
第3章 蒸发器的设计与计算
3.1 蒸发器概述
对于制冷系统，蒸发器是一种吸热设备。蒸发器的作用是利用液态制冷剂在低压下蒸发（沸腾），转变为蒸气并吸收被冷却介质的热量，达到制冷目的。因此蒸发器是制冷系统中制取冷量的输出冷量的设备。
3.2 设计方案确定
采用壳管式干式蒸发器，顺流换热，制冷剂在管侧蒸发，载冷剂在壳侧被冷却，为提高载冷剂的流速以强化传热，壳侧一般装有折流板。
3.3 设计条件确定
制冷剂： R22 载冷剂： 水
换热量： 055φ=kW
制冷剂：蒸发温度： 0t 2=℃ 0p 0.54=Mpa 0h 405=KJ/kg 进口： 4t 2=℃ 4p 0.54=Mpa 4h 260=KJ/kg 出口： 1t 7=℃ 1p 0.54=Mpa 1h 410=KJ/kg 载冷剂：进口温度： 1t 10=水℃
出口温度： 2t 5=水℃
3.4 制冷剂与载冷剂流量计算
制冷剂：单位质量制冷量：h =V
14h h -=410-260=150 KJ/kg 质量流量：m q = 0h φV =
55
150
=0.37 kg/s 载冷剂：比热容c 4.187=/kg kJ ?（℃) 密度=1000ρkg/3
m
体积流量：30
v 1255
q 7.16510c t -t 1000 4.187(10-5φρ-=
==???水水（）)
3m /s
3.5 结构初步规划[2]
传热管选取φ12?1mm 的铜管，管束按正三角形排列，管距取16mm ，隔板槽两侧相邻管中心距30n S mm =，壳体内径377i D mm =，壳体壁厚8mm δ=，流程数N=4，总管数Z=276，每流程平均管数m Z =69，管长L=1960mm ，折流板数b N =19，折流板间距1s =130mm ，2s =85mm ，管板厚度B 32δ=mm ，折流板厚度b 5δ=mm ，上缺口高1H 64=mm ，下缺口高2H 59=mm ，上缺口管数b1n 37=根，下缺口管数b2n 33=根，壳体直径附近的管数n 19c =根。
蒸发器外侧总面积：
2
10B d NZ (L-2)=3.140.012469(1.9620.032)=19.72m m A πδ=????-?
实际有效传热面积：
2
10B d NZ (L-2-N )=3.140.012469(1.9620.032190.005)=18.74m m b b A πδδ=????-?-?
3. 6 计算管外水的表面传热系数
折流板平均间距：
12
2180.08951b s s s m
N +=
=+
横向流通面积：32
0(D n d )s 13.3410c i c A m -=-=?
横向流速：0.54/v
c c
q u m s A =
= 折流板上缺口：
22
2232b111010.090.377370.250.0128.6104
b i b A K D n d m ππ-=-?=?-???=?
折流板下缺口：
22
2232b222010.0820.377330.250.0127.9104
b i b A K D n d m ππ-=-?=?-???=?
32b 121
(A A )8.25102
b b A m -=
+=? 纵向流速：b 0.87/v
b
q u m s A =
= 几何平均值：10.69/b c u u u m s == 冷水平均温度：1121(t +t )7.52
t ==水水℃
对应的运动粘度：62
1 1.42710/v m s -=?
在定性温度1t 下的雷诺数：1016
1u 0.690.012
Re =
58021.42710d v -?==? 所以管外水的表面传热系数：
0.60.330.60.33211100.568
0.22
Re Pr 0.22580210.564107/(m K)0.012
W d λα==???=g 3.7 计算管内沸腾表面换热系数
假定按内表面计算的热流密度4000i q ≥2W m /（此假定将在后面检验）
则管内换热系数：0.60.2
20.2=57.8i m
i
q g a d α
式中 i d ——换热管内径；
a ——系数，查表4-2-1可得； m g ——制冷剂质量流速。 每根管中R22的质量流量：,0.37=
0.00536/69
i
m m r m q q kg s Z == 每根管中R22的质量流速：,2,2
=
68.25/(m )4
i
i
m r m r i q g kg s d π
=?
本设计中制冷剂为R22，蒸发温度为2C ?，故a 取值0.02332。
则管内换热系数：0.60.2
20.2
=57.8i m
i q g a d α
0.60.2
0.2
68.25=57.80.023320.01i q ???
0.6=7.878q i 2W /m ?（℃)
3.8 计算阻力及传热
制冷剂饱和蒸气流速：22
440.37
==2.75124.814690.01
m m i q u Z d ρππ?''=
''???2/m s 蒸发器的蒸发温度：0t 2=℃，据此从查表得R22的74.8810υ-''=?2/m s 则制冷剂蒸气的雷诺数：5i 7
2.7510.01Re ==0.564104.8810
u d υ-''?''=?''
? 沿程阻力系数：0.250.25
0.31640.3164
f=
==0.0205(Re )(56400)''
饱和蒸气的沿程阻力：21
2
r i l P fN
u d ρ''''''?= 219601
=0.0205422.59 2.751102
??
??? =1373a P
两相流动时制冷剂的沿程阻力1=R r P P ε''??，式中R ε从表4-3-1中取0.592。
故两相流动时制冷剂的沿程阻力：1==0.5921373=813R r P P ε''???a P 总阻力：1=4=4813=3.25P P ???a kP
在0t 2=℃附近，压力每变化100kPa,饱和温度约变化5.6℃，因此蒸发器进口处制冷剂的温度为：'''00 3.255.6=2+5.6=2.2100
100
P t t ?=+?℃
实际对数平均温差：''''''
1010''
1
0''''
10()()(10 2.2)(52)==5.0(10 2.2)()ln ln (52)()
m t t t t t t t t t ------?=----℃ 3.9 传热系数与热流密度
换热器总的传热系数
1212
1
1
=
1
1
(
)
()()o o d d i m K d d d d δγγαλα++++
式中： δ——铜管的壁厚，m ，取值0.001；
m d ——铜管的均直径，m ，取值0.011；
λ——铜管的导热系数，W /m ?（℃)，取值380；
1d γ——管内侧污垢系数，2m W ?（℃）/，取值54.510-?； 2d γ——管外侧污垢系数，2m W ?（℃）/，取值5910-?。
1550.6
24
0.6
1
=
1120.001121
(910)()( 4.510)
7.878q 10380114107
1
W /m 0.152 3.9910q i i K ---+?+++?=
?+?（℃)
按内侧表面计算的热流密度
i 4
0.6
121
(K )50.15210 3.9910o i m i i d q t d q -=
?=?+?2W m / 计算得=4259i q 2W m /4000≥2W m /，故假定值合理。 按外表面计算得热流密度
10
4259354912i o i o d q q d =
=?=2W m / 1K 40.6
1
=
0.152
3.99104259
-+?=709.82
W /m
?（℃)
3.10 计算传热面积
根据o q 得所需面积的计算值
3
1551015.4973549
cal
o A q φ?===2m 在上述计算中没有考虑蒸发器出口处R22蒸气的过热度对传热系数的影
响。根据试验，当过热度提高到5℃时，传热系数下降30%，所以实际需要的传热面积
11130%20.146req cal A A =?=2m
与初步规划中所定的有效传热面积18.742m 相比，只差7.5%,故初步规划是合理的。
第4章 冷凝器的设计及计算
4.1 有关温度参数及冷凝热负荷确定[3]
有关温度的数值取：
冷凝温度k t =50℃，进口空气干球温度1t α=35℃，出口空气干球温度2t α=43℃，进出口空气温差1t α-2t α=8℃
对数平均温差：
2112
ln a a m k a k a t t t t t t θ-=--=10.5℃
查的R22在k t =50℃，0t =2℃是的冷凝负荷系数o C =1.27
4.2 翅片管簇结构参数选择及计算
选择φ10mm ×0.5mm 的紫铜管为传热管,选用的翅片厚度f δ=0.15mm 的波纹形整张铝制套片。取翅片节距f s =2mm ，迎风面上管中心距1s =25mm ，管簇排列采用正三角形叉排。
每米管长各有关的传热面积分别为
122(s s d )/s 4
f b f a π
=-
=0.4579㎡/m
(s )/s b b f f f a d πδ=-=0.0299㎡/m
of f b a a a =+ =0.4878㎡/m
i i a d π= =0.0283㎡/m
取当地大气压B p =98.07KPa ，查空气热物理性质表[4]，在空气平均温度下
m t =39℃条件下，1013pa C =/（kg ·K ），a v =17.5×610-㎡/s ，空气密度取 1.1095a ρ=
kg/m 3
冷凝器所需的空气体积流量
()
21pa 7.7686a a k
v t t a Q q C ρ-=
= m 3/s
选取迎面风速y W =2.5m/s,则迎风面积
3.11v y
y q A w =
=m 2
取冷凝器迎风面宽度即有效单管长l =2.5m ，则冷凝器的迎风面高度
1
1.244y A H s =
=m
迎风面上管排数
11
502
H N s =
-=排 4.3进行传热计算
确定所需的传热面积of A ，翅片管总长L 及空气流通方向上的管排数n 采用整张波纹翅片及密翅距的叉排管蔟的空气侧传热系数由参考文献[1]式（3-10)乘以1.1再乘以1.2计算。
预计冷凝器在空气流通方向上的管排数n=4，则翅片宽度：
14cos30b s =?b=0.0866m
微元最窄界面的当量直径：
1f 12()(δ)
()(δ)
b f b f s d s b s d s --=
-+-=0.0033m
最窄截面风速
1max 1()(δ)f
b f f s s w s d s =
--=4.6m/s
因为
e b
d =26.24
max Re e
f a w d v =
=867.4
查参考文献[1]表3-18和3-19，求得Ψ=0.15，n=0.623，c=1.152，m=-0.211， 则空气侧表面系数
λ=c Ψ
Re () 1.1 1.262.06n m a of f e e
b
d d α??=W/（㎡·K ） 查参考文献[1]表3-11，R22在k t =50℃的物性集合系数B=1325.4，氟利昂在管内凝结的表面传热系数由参考文献[1]式（3-17）计算
0.250.2510.555()ki i k w Bd t t α--=-
翅片相当高度由参考文献[1]式3-15计算
01
10'(1)10.35ln c 0.012n d s s h d d ????=
-+=?? ????
?m 取铝片热导率λ=203W/(m ·K) 由参考文献[1]式3-14计算翅片参数m 即：
63.85m =
=m -1
由参考文献[1]式3-13计算翅片效率
(')
0.88'
f th mh n mh =
= 表面效率由参考文献[1]式3-12计算
00.887f f b f b
a a a a ηη+=
=+
忽略个有关污垢热阻及接触热阻的影响，则wi wo w t t t ==,将计算所得的有关各值代入参考文献[1]3-20即
()()0ki i k w of of w m t t a t t αααη-=-
经整理得
()
()0.75
490.37239w w t t -=-
解上式得tw=46.05℃，则R22在管内的凝结表面传热系数
()
()
0.75
0.25
0.250.5552388501694ki i k w wi Bd t t t α--=-=?-=W/（m 2
·K ）
取管壁与翅片见接触热阻b r =0.004m2·K/W 、空气侧尘埃垢层热阻
0r =0.0001m 2
。紫铜管热导率λ=393W/（m ·K ），由参考文献[1]式3-21计算冷凝器的总传热系数
1
30.81
1
o of of o b ki
i
m
of
o
k a a r r a
a
δλ
η
αα=
=+
+++
W/(㎡·K)
冷凝器的所需传热面积
0215.9k
of
m
q Q
A
θ=
=m
2
所需有效翅片管总长
442.67of
of
L A a
=
=m
2
空气流通方向的管排数
3.54L n lN
==排
取整数n=4排，与计算空气侧表面传热系数是预计的空气流通方向上的管排数相符。
这样，冷凝器的实际有效总管长500m ，实际传热面积为243.9m2，较传热计算传热面积大13％能满足冷负荷的传热要求。此外，冷凝器的实际迎风风速与所取迎风风速一致。
4.4风机的选择计算
由于冷凝器的迎风面宽度l=2.5m 、高度H=1.244m
动压 2'
2
y
a
P ρω?=
=3.5Pa
静压 ()1.7
''max 0.108
45.3a e
b P d ρω?==Pa 风机采用电动机直接传动，则传动效率1m η=；取风机全压效率0.6fan η=，则电动机输入功率：
q ('")
631.9v fan m
p p P ηη?+?=
=W
采用两台风机平行安装，每台风机风量为13983 m 3/h 、输入功率为316W 、风压为48.8Pa 。现选用T35-11轴流风机中的YF100L-6，其相关参数如下：全压：18132m3/h,172Pa ，功率1.5kw ，直径1000mm ，厚度630mm 。
系统实际性能系数：
0055
2.57W 18.39 1.52
Q COP ===+?
参考文献
[1] 吴业正，韩宝琦等.制冷原理及设备.西安：西安交通大学出版社，2010.12 [2] 余建祖.换热器原理与设计. 北京：北京航天航空大学出版社，2006.1 [3] 吴业正.小型制冷装置设计指导. 北京：机械工业出版社，1998.8 [4] 杨玉顺，张昊春.工程热力学. 北京：机械工业出版社，2009.4