冷水机组设计实例

冷水机组设计储云霄热能070221设计任务：中央空调用制冷量为50kW的水冷螺杆式冷水机组，制冷剂R410a⑴工况确定根据表4-7和表4-11等确定：冷媒水进口温度112st℃，出口温度27st℃，蒸发温度02t℃；冷却水进口温度132wt℃，出口温度237wt℃，冷凝温度40kt℃；吸气温度7℃(采用热力膨胀阀时，蒸发器出口气体过热度3~5℃)，过冷度5℃（单级压缩系统中，节流前液体的过冷是在冷凝器中实现的，一般取过冷度为5℃）。⑵热力计算制冷循环热力状态参数见表1，热力性能指标计算见表2。表1制冷循环的lgp-h图及热力状态参数状态点符号单位参数值0t0℃2p0210kPa8.5h0kJ/kg421.791t1℃7v13/mkg0.03178h1kJ/kg427.132st2s℃61.6h2skJ/kg456.62t2℃66.4p2210kPa24.19h2kJ/kg462.74t4℃35h4kJ/kg257.11表2热力性能指标计算项目计算公式单位计算值备注单位质量制冷量015qhhkJ/kg170.02单位体积制冷量01vqqv3kJm5350单位指示功21iwhhkJ/kg35.57lgp52s2v43012hO制冷循环的lgp-h图单位冷凝热24kqhhkJ/kg205.6制冷剂质量流量00mqQqKg/s0.29压缩机理论排气量1hmqqv3ms0.0123取0.75制冷系数0iiqw4.78卡诺循环制冷系数00()ckTTT7.25热力完善度ic0.66压缩机输入电功率mimmotqwPkW13.33取0.90m0.86mot冷凝器负荷kmkQqqkW59.6能效比0EERQP3.75⑶压缩机选择在实际工况所需冷负荷已知的情况下，螺杆压缩机理论输气量为244pVmh。据此选择开利涡普单螺杆压缩机，型号×××，该压缩机理论排气量为2pVmh。此压缩机在实际工况下的制冷剂流量为：mqkgs，实际工况下的制冷量为×××kW.。相对误差为：×××。因此，此压缩机选择满足要求。⑷蒸发器的设计计算①蒸发器机构的初步规划本系统采用干式管壳蒸发器，结构初步规划如图1所示。传热管选取ɸ12×1mm铜管，管束按正三角形排列，管距取16mm，壳体内径308idmm，流程数N=4，总管数Z=116，则每一流程平均管数Zm=29，管长L=1960mm，折流板数Nb=19,折流板间距S1=130mm,S2=85mm,管板厚32Bmm，折流板厚5bmm，折流板上缺口高H1=64mm，折流板下缺口高H2=59mm，上缺口内含管数116bn，下缺口内含管数214bn，壳体直径附近含管数38bn。蒸发器外侧总面积:210(2)3.14160.012429(1.9620.032)8.29mBAdNZLm有效传热面积:210(2)3.14160.012429(1.9620.032190.005)7.88cmBbbAdNZLNm②计算管外水的换热系数用下标f表示管外冷水的参数，首先计算平均水流速度u1。折流板平均间距S为：12321820.13180.0850.199181bSSSmN横向流通面积：3230()[(0.308190.012)0.199]15.910cibASdndm横向流速为：330,,12502.410/()10004.187(127)vffpfssQqmsctt3,32.4100.151/15.910vfccqumsA折流板上下缺口面积为;222111010.00954bbibAKDndm222222010.00844bbibAKDndm其中，Kb为折流板缺口面积系数，按表2选取。表2折流板缺口面积折合系数KbH/Di0.150.200.250.300.350.400.45Kb0.07390.1120.1540.1980.2450.2930.343L冷水入口冷水出口S2×18S1S2H1H2D图1蒸发器初步规划图上下缺口面积平均值：2121()0.0092bbbAAAm纵向流速为：,0.00240.27/0.009vfbbqumsA横向截面上流速uc与折流板缺口处的纵向流速ub的几何平均值u1为：10.2/bcuuums冷冻水平均温度：12()/29.5fssttt℃查表得，该温度下水的物性参数：Pr9.693f；0.5729/()fWmK；621.3310/fms；4192/()pcJkgK，在定性温度下雷诺数为：0Re1815.6fffdu，则管外冷媒水侧表面传热系数为：0.60.330.60.33200.57290.22RePr0.221815.69.6932005.7/()0.012ffffWmKd③计算管内沸腾表面传热系数用下标w表示管内制冷剂系数。假设按内侧传热表面Ai计算的热流密度q4000W/m²(该假设将在后面检验)，则管内沸腾传热系数：0.60.20.257.8imwiqvad其中，a是与制冷剂性质及蒸发温度有关的系数，见表3。表3系数a值t0/℃210aR22R142R410a-301.641.001.32-102.021.261.64+102.541.552.05查得，a=0.0189因为,22220.29127/()3.14160.0129444mrimmiimqqvkgmsddZ则：0.60.20.20.60.60.20.212757.857.80.01897.2340.01imwiqvaqqdw由q确定。④计算阻力及传热温差制冷剂饱和蒸汽流速为：22440.290.031784.05/293.14160.01mmiqumsZd饱和蒸汽雷诺数为：4Re7.710iud摩擦阻力系数为：0.250.3164Re0.0190f制冷剂饱和蒸汽沿程阻力为：2211960110.019044.0514637.920.0120.03178rilpfNuPad两相流动制冷剂沿程阻力：lRrpp式中，R为两相流动时的阻力换算系数，与制冷剂种类和质量流速有关，对R410a可按表4查取。表4两相流动R410aR值21/()ukgms406080100150200300400R0.530.5870.6320.670.750.820.981.2已知02t℃时，332.58/kgm，查表R=0.721则：10555.7lRrpp实验表明，沿程阻力为总阻力的20%~50%，总阻力可写为：ip=（2~5）lp，本设计中，总阻力331.67ilppkPa对数平均温差：1210207.21lnssmssttttttt℃⑤计算热流密度及传热系数10021111()()ddwimfKddRRdd=330.611120.0011210.09100.045107.23410380112005.7q=0.610.16590.00065445q按内侧表面计算的热流密度与按外侧表面计算的热流密度关系为：200010.61217.21/0.1659100.00065445imiiAdqqKtWmAdq用试凑法解方程得iq53582/Wm4000，假定成立。则有：20004465/iiiiAdqqqWmAd2100211619.3/()11()()ddwimfKWmKddRRdd⑥计算传热面积根据q0得所需传热面积2006.3lcalQFmq考虑到蒸发器出口处制冷剂过热度的影响，所需传热面积为21.27.6lreqlcalFFm与初步规划所定的有效传热面积相比，误差只有3.5%，故初步规划是合理的。⑸冷凝器的设计计算①管型选择选用ɸ16×1.5mm的紫铜管轧制的低翅片管为内管，如图2所示。其管型参数：翅节距Sf=1.25mm，翅厚t=0.223mm，翅高h=1.5mm，管内径di=11mm，翅根管面外径db=12.86mm，翅顶直径dt=15.86mm。每米管长各有关换热面积分别为：每米管长翅顶面积：2/0.0089/dttfadSmm每米管长翅侧面积：222()0.1083/2tbffddammS每米管长翅间管面面积：2()0.0332/bftbfdSammS每米管长管外总面积：20.1504/ofdfbaaaamm②估算传热管总长假定按管外面积计算的热流密度为205050/Wm,则应布置传热面积为：2011.8kofQAm应布置的有效总管长为：78.4ofofALma③确定每流程管数Z，有效单管长L及流程数N定性温度34.5℃时，水的密度3994.20/kgm，比定压热容4179/()pcJkgK，则所需水量为：321596000.00287/()994.241793732kvpwwQqmsctt取冷却水流速u=2m/s，则每流程管数为htfSdidbdt图2低翅片管的结构参数220.0028710.93.14160.013244viqZdu取整数11，并考虑到此冷凝器配用于螺杆压缩机组，选取2流程方案作为冷凝器结构设计依据。④传热管布置排列及主体结构为使传热管排列有序及左右对称，共布置22根管，则每流程平均管数Z=11根，管内平均流速u=1.97m/s.取传热管有效单管长L=4m,则实际布置外冷凝器传热面积213.2ofAm。传热管按正三角形排列，管板上相邻管孔中心距为2.5mm，管数最多的一排管不在管体中心线上。考虑最靠近壳体的传热管与壳体的距离不小于5mm，则所需最小壳体内径为78mm，根据无缝钢管规格，选用ɸ89×5mm的无缝钢管作为壳体材料。冷凝器采用管板外径与壳体外径相同的主体结构形式，管排布置及管板尺寸能够保证在管板周边上不均匀布置6个端盖螺钉孔以装配端盖，且能避免端盖内侧装配孔周边的密封面不致遮盖管孔，同时壳体内部留有一定空间起贮液作用。⑤传热计算及所需传热面积确定a.水侧表面传热系数定性温度34.5mt℃，水的热物性参数：620.75710/ms；Pr4.92f；0.6257/()WmK因为61.960.011Re28480100.75710idu，水在管内为湍流，水侧表面传热系数：0.80.42,0.023RePr9059.8/()wiffihWmKdb.氟利昂侧冷凝表面传热系数根据管排布置，管排修正系数计算：0.788n。根据所选管型，可查得增强系数φ=1.384。在冷凝温度Tk=40℃时，B=1446.1。计算氟利昂侧冷凝表面传热系数：0.250.25,,0.725()kobnkwohBdTt0.250.250.25000.7251446.10.012861.3840.7883850对数平均温差：12215.1lnwwmkwkwttttttt℃取水侧污垢系数Ri=0.000086(m²·K)/W,计算热流密度0q:0.750,003850koqh001172(5.1)q经试算得，当0=1.23℃时，两式0q误差已经很小，0q=4497W/m²，计算实际所需换热面积：205960013.24497kofQAmq初步结构设计中实际布置冷凝器传热面积为13.2m²，与计算面积相当，实际应适当增大以作为富裕量，初步结构设计所布置的冷凝传热面积能满足负荷传热要求。⑥连接管管