低温冷库制冷循环设计

1课程设计课程名称制冷与低温课程设计题目名称冷库CO2/NH3复叠制冷系统设计学生学院能源与动力工程学院专业班级能动B11组员朱家伟李科白清川指导教师晏刚2014年9月2日设计总说明本课程设计是设计一个10^3m3低温冷冻库制冷循环系统,要求选用CO2/NH3复叠制冷循环系统。整个设计过程主要包括系统制冷量计算、系统高低温级循环理论设计、复叠制冷系统设备的计算和选配，同时结合整体设备运行原理，对该CO2/NH3复叠制冷循环系统进行校正。本次设计先从冷库制冷量计算着手，先根据CO2的制冷范围，初设循环的温度范围，计算出中间温度；再由各级冷凝蒸发温度结合循环p-h图确定系统设备的工况，最后根据工况和要求选取最佳的制冷设备。经过设计计算，可以根据两级压缩机的排气量选取合适的压缩机，根据换热器负荷，利用专业换热器软件计算换热器的技术参数，在选取合适的换热器。通过本次的设计，得到了一个较合理的可适用于低温冷冻库的CO2/NH3复叠系统成套设备。关键词：低温冷库CO2/NH3复叠螺杆压缩机蒸发冷凝器课程设计目录一、CO2/HN3复叠制冷系统制冷量计算.........................21.110^3M³冷库耗冷量的计算.........................................21.2冷库机组计算..................................................3二、CO2/NH3复叠制冷系统理论循环计算......................42.1C02／NH3复叠制冷系统的特点...................................42.2CO2/NH3复叠制冷系统的组成....................................52.3复叠系统温度的确定............................................62.4低温级（CO2）设计参数.........................................62.5高温级（NH3）设计参数.........................................62.6低温级（CO2）循环理论计算.....................................62.7高温级（NH3）循环理论计算.....................................8三、CO2/NH3复叠制冷系统设备的选择..........................93.1压缩机的选择..................................................93.2换热器的计算和选择...........................................103.3油冷却器的选择...............................................103.4电子膨胀阀的选择.............................................113.5CO2安全阀的设计.............................................123.6润滑油的选择.................................................133.7密封材料.....................................................14四、主要参考文献.................................................16五、心得体会.....................................................172一、co2/hn3复叠制冷系统制冷量计算1.110^3m³冷库耗冷量的计算Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q71、传导热量Q1:Q1=K×F×（T0–T1）=84kw式中：K——库体材料传热系数W/°C.m2。对于保温材料为150mm厚聚苯乙烯的高冷藏库间隔墙，K=0.40W/°C.m2。F=6x10^2(m2)——冷库外表面积；T0–T1=15-（-20）=35（°C）——环境温度与库温的温差2、换气负荷Q2Q2=V×n×∆h×1/24×1/36=42kw式中：V=10^3(m3)——库容量∆h=290-255=35(KJ/m3)——环境与库内空气的焓差(查空气焓值表可得t=15°C时，h=290KJ/m3；当t=20°C时，h=255KJ/m3.n=2——24h换气次数，可取2-3次3、冷藏物负荷Q3Q3=[G（i1--i2）+g（t1--t2）c]/24×1/3600式中：G——进货量2x10^4Kg/天i1、i2——食品加工或贮存前后的含热量KJ/Kgg——包装材料重量Kgt1--t2——入出库包装材料温度°Cc——包装材料的比热容KJ/（Kg.°C）1#中温冷藏库按日进货20吨计算；2#中温冷藏库按日进货10吨计算；4#、5#高温冷藏库按日进货30吨计算，6#高温冷藏库按日进货15吨4、食品呼吸热Q4（忽略不计）冷藏库贮存物为蔬菜、水果时要考虑其呼吸热。5、库内人员发热量Q5Q5=q×Hm×N×1/24=0.175kw3式中q——库内人员发热量350W/人Hm——24内操作时间可按3小时/天计算N——操作人数10^3m3可按4人计算6、照明负荷Q6Q6=Φd×Ad式中：Φd——每平方米地板照明热流量,对于冷库取2.3W/㎡Ad——冷库地面面积7、机械发热量Q7Q7=ξ×W×H×1/24=式中ξ——热转化系数，电动机在冷库内时取1.0W——电机功率（W）H——使用时间（h）1.2冷库机组计算根据温度及货物的不同耗冷量也不同，压缩机输出的制冷量应大于货物的耗冷量。资料显示：高温库：每立方大概70~90W；保鲜库：每立方大概90~120W；速冻库：每立方大概200~300W；冷库容积越大所需单位制冷量越小，因为货物的呼吸热被吸收了。高温冷库制冷量计算公式为：冷库容积×90×1.16+正偏差，正偏差量根据冷冻或冷藏物品的冷凝温度、入库量、货物进出库频率确定，范围在100-400W之间；中温冷库制冷量计算公式为：冷库容积×95×1.16+正偏差，正偏差量范围在200-600W之间；低温冷库压缩机组制冷量计算公式为：冷库容积×110×1.2+正偏差，正偏差量范围在300-800W可知：复叠压缩机组制冷量应不低于10^3x110x1.2+800=132kw取系统理论制冷量Q=140kw4二CO2/NH3复叠制冷系统理论循环计算2.1C02／NH3复叠制冷系统的特点aCO2/NH3复叠制冷系统一般应用范围为-35～-55℃，由于C02三相点(-56．6℃)高，所以蒸发温度最低能到-55℃。b与传统的NH3两级制冷相比，由于C02的容积制冷量要比NH3的大，所以同等冷量的系统减少了系统氨的充灌量，降低了NH3泄漏的危险程度。C02的蒸发潜热较大，单位容积制冷量相当高，0℃时，单位容积制冷量是NH3的1．58倍，是R22的5．12倍，是R12的8．25倍。同时，作为高温段的NH3系统可以布置在单独的机房，这样提高了整套系统的安全性。（由下循环p-h图可以看出）图2-1CO2/NH3复叠循环p-h图c与其它低温制冷剂相比，C02在-40C下，液体粘度是5℃水的粘度的l／8，即便在相对较低的流速下也可以产生湍流流动，流动和传热性能提高，减少了管道和热交换器的尺寸，从而使系统非常紧凑。dNH3和C02均为自然工质，不存在制冷工质替代的问题。尤其作为低温段5的C02，因为在平板速冻机或冷风机等末端换热器中不使用NH3，所以即使泄漏，C02直接与储藏物接触也不会对其有不利的影响。e由于C02无味，且密度比空气大，如果空气中C02浓度超过2％，可引起呼吸器官的损伤，甚至窒息死亡。所以在C02的工作区需要安装C02探测仪和报警装置。2.2CO2/NH3复叠制冷系统的组成复叠式制冷循环由两个单级循环叠加而成。高温系统用NH3作制冷剂，由高温压缩机、冷凝器、节流装置和冷凝蒸发器组成：低温级系统以C02为制冷剂，由低温压缩机、冷凝蒸发器、节流阀、蒸发器和膨胀容器组成。高温级NH3的蒸发和低温级C02的冷凝同在一个“冷凝蒸发器中完成，高低温级分别采用模块化设计。系统主要由高、低温两部分制冷循环组成。每一级均为一个完整的蒸气压缩式制冷循环，此次两级分别采用各自的电子膨胀阀直接供液。高温级采用1N-H3(R717)为制冷剂，低温级采用C02(R744)为制冷剂。拟采用板式换热器，但由于成本太高，而采用管壳式换热器，但这样一来换热器体积就比较大。复叠制冷系统的流程图，如图2-2所示：图2-2CO2/NH3复叠制冷系统原理图62.3复叠系统温度的确定由上述可初设低温级蒸发温度为-45℃，高温级冷凝温度为30℃，冷凝蒸发器传热温差△T=5℃，则：根据迈勒普拉萨特公式知，低温复叠机组的中间温度(低温段冷凝温度)为：=-15.3℃2.4低温级（CO2）设计参数冷凝温度．-10℃，蒸发温度-45℃，压缩机、压力容器设计压力3．0MPa，安全阀开启压力2．86MPa，最高工作压力2．6MPa，膨胀罐进气压力(膨胀罐进口压力平衡阀设定压力)2．6MPa。系统采用(电子)膨胀阀直接供液。系统组成：二氧化碳螺杆压缩机组，管壳式冷凝器(复叠换热器)，电子膨胀阀，膨胀罐，管壳式蒸发器，管壳式回热器。2.5高温级（NH3）设计参数高温级(NH3)：．-15℃／30℃，设计压力2．0MPa。系统采用电子膨胀阀直接供液。系统组成：氨螺杆压缩机组，管壳式冷凝器，电子膨胀阀，管壳式蒸发器(复叠换热器)。2.6低温级（CO2）循环理论计算2.61循环图及各状态参数根据《制冷与低温原理》附表13，采用中值法可得：低温级（CO2）压缩机吸气压力，当蒸发温度Te=228.15K时，对应CO2饱和压力Pe=0.82945MPa，比焓he=低温级（CO2）压缩机进气压力，当冷凝温度Tm=263.15K时，对应CO2饱和压力Pm=2.64025MPa，比焓hm=。冷凝器出口过冷度△t1=5℃制冷循环在蒸发器出口设置回热器，取过热度△t2=20℃。压缩比ε=3.18，计算过程中容积效率ηv=0.85,绝热效率ηad=0.74，电机效率ηd=O.9在计算过程中，认为循环过程中产生的不可逆损失均由制冷剂吸收，忽略蒸发器、冷凝器以及管道中的产生阻力损失。有上述信息可作CO2理论循环图如图2-3：循环为1-2-3-3’--4-5-6-17图2-3低温级（CO2）理论循环p-h图由图可求得各状态点参数如下表状态点温度/℃压力/MPa比焓/（kJ/kg）比容/（m3/kg）1-450.82945736.060.04622-250.82945752.860.0530345.62.64025777.340.02193’-102.64025738.010.01414-152.64025478.325-22.72.64025461.526-450.82945461.522.62回热器热力平衡计算根据热力平衡关系：h2-h1=h4-h5可得：h5=461.52kJ/kg；根据压力和比焓可在图中查得：t5=-22.7℃2.63低温级热力过程计算单位质量制冷量qe=h1-h6=274.54kJ/kg单位质量指示功wt=h3-h2=24.48kJ/kg单位质量冷凝热qc=h3-h4=299.02kJ/kg单位质量回热量qch=h2-h1=16.8kJ/kg制冷剂的质量流量m=Qt/qe=140kwX3600s/274.54kJ/kg=1835.80kg/h压缩机理论排气量V=m*v2/ηv=114.5m3/h压缩机消耗功率Ns=wt*m/ηad=16.87kw8蒸发器热负荷Qe=Q=140kw冷凝