制冷原理与装置课程设计（样本）

设计计算说明书

一、设计任务

武汉市某大型制药集团，一、二合成原料车间，全天候运行，分别需要－10℃的冷量1200KW，试设计冷冻站满足供冷。

二、设计依据

GB 50072—2001，GB 50274—98。

三、设计内容

3.1制冷剂的确定

对于本大中型制冷系统通常用氨与R12，R22主要替代物作制冷剂。 下表是氨与R12，R22主要替代物的评价比较。

表3-1 NH3、R12、R22性能比较

项目 毒性 可燃性 泄露易发现 每1KW制冷量投资 每1KW制冷量运转费用 服务费用 价格 GWP R717 很差 中 优 中 优 良 优 优 R290 良 良 差 中 良 中 中 良 R134a 良 优 差 差 良 中 差 差 R407c 良 良 差 良 良 中 很差 很差 氨是一种广泛使用的中温制冷剂，它的主要优点：

1. 标准蒸发温度低（-33.4℃），在冷凝器和蒸发器中的压力适中；

2. 单位容积制冷量大。导热系数大，蒸发潜热大（-15℃时的蒸发潜热是R-12的8.112

1

倍，R-22的6.104倍），可实现冷凝器等设备的小型化，节省材料；

3. 节流损失小，易溶与水，形成氨水溶液，在普通低温下，不会有水析出而造成冰堵； 4. 氨有特殊气味，一旦泄露很容易被发现；

5. 对环境无害，不会破坏臭氧层（ODP=0），不会造成温室效应（GWP=0）； 6. 价格便宜，易获得。

但是，氨在矿物油中的溶解度很小，因此氨制冷剂管道及换热器的传热面上会积有油膜，影响传热效果。氨液的密度比矿物油小，在贮液筒和蒸发器中，油会沉积在下部，需要定期排放。氨的绝热指数较高，因此在高压部分的安全性要求很高。氨对钢铁不起腐蚀作用，但当含有水分时将要腐蚀锌，铜，青铜及其他铜合金。只有磷青铜不被腐蚀，因此在氨制冷机中不用铜和铜合金（磷青铜除外）材料，只有那些连杆衬套，密封环等零件才允许使用高锡磷青铜。

虽然在650℃下氨燃烧，但如果没有外部提供大量热量的情况下，氨很难燃烧或爆炸，如在日本的历次地震中制冷装置虽遭到破坏，但没有发生火灾或爆炸。所以不少专家认为以往对氨的危险性估计过高。

世界环保组织认为，目前用来替代冰箱及小型冷藏库制冷剂CFCs和HCFCs的物质绝大部分是人工合成制冷剂，虽然它们的ODP=0，但GWP不能完全使人满意。随着时间的推移，这些物质也会遇到和CFCs，HCFCs同样的问题。因此环保组织希望使用自然界中存在的物质作CFCs和HCFCs的替代物一步到位，而不是新的人工合成物质。氨便是环保组织推荐用作制冷剂替代的主要物质之一。氨做制冷剂的历史已很长了，它具有很好的热物性，是一种成熟的制冷剂，所剩下的只是要解决它的使用安全性的问题。

综上所述：本系统中采用氨作为制冷剂。

3.2载冷剂的确定

常用的载冷剂有水，盐水和有机化合物及其水溶液三类。由于本系统的蒸发温度为

-25℃，而水不能用于低于0℃以下的系统。在有机化合物及盐水溶液这类载冷剂中以乙二醇

水溶液和氯化钠、氯化钙水溶液最常用。对于盐水、乙二醇水溶液和氯化钙水溶液，盐水和氯化钙水溶液价格低廉，便于获得，较盐水，氯化钙水溶液的腐蚀性小得多，乙二醇水溶液虽无腐蚀性，但较盐水和氯化钙水溶液其价格昂贵很多。综合考虑，本系统最适合选氯化钙水溶液为载冷剂。

2

3.3供液方式的确定

本系统采用氨泵供液方式，主要是基于以下几方面因素：

1. 蒸发器的热交换效率提高，由于流量数倍与蒸发量，流速较高，使制冷剂蒸汽和雾状液滴在管道中心流动，而把液体压向管道壁面贴附管壁流动，形成“雾状流”，提高了蒸发器内表面润湿面积。由于液体的冲刷，减轻了润滑油对管壁的污染程度，使蒸发器换热面积比较充分的发挥利用，相应的提高了蒸发器的换热量。其制冷效率比直接膨胀供液提高25%—30%。

2. 低压循环桶到压缩机的回气管距离很短，蒸汽的压力损失小，压缩机吸气口的蒸汽过热度亦小，因此提高了压缩机的制冷效率。

3. 操作简便，供液量受库房热负荷变化的影响比较小，因而不必经常调整节流阀。氨泵设置的位置只要满足氨泵吸入的净正吸入压力的要求就可以了，不需要另建楼阁。由于所有制冷设备都集中在一起，操作控制都较方便。

4. 融霜操作时间短，低压循环桶可兼作排液桶使用，融霜时可将蒸发器内的液体直接排入循环桶。融霜完毕，启动氨泵就可以回复供液，能使库温很快降下来。

3.4主要工作参数的确定

3.4.1冷凝温度

立式、卧式、淋浇式冷凝器的冷却介质主要是冷却水，常以下式确定冷凝温度

tk?t1?t22??t

式中 tk——冷凝温度，单位℃；

t1——冷凝器进水温度，单位℃；

t2——冷凝器出口温度，单位℃。立式冷凝器的t2?t1?(1.5~3)℃，卧式冷凝

器的t2?t1?(4~6)℃，淋浇式冷凝器的t2?t1?(2~3)℃。一般情况下，

t1?30℃取较小值，t1?20℃取较大值；

?t——温差，单位℃。水冷式氨制冷系统中，?t一般取5~7℃；氟系统中，?t

3

取7~8℃。t1高时取小值，t1大时取大值。

3.4.2冷凝器进出口水温的确定

从《制冷工程设计手册》中查到武汉地区夏季室外平均每年不保证50h的湿球温度

ts?28.2℃

对于自然通风冷却塔，有：

t2?ts??t

''式中 t2'——出冷却塔水的温度，单位℃；

?t——冷却幅高，单位℃。目前使用的冷却塔其冷却幅高?t?3~5℃。

''3.4.3蒸发温度的确定

合成原料车间要求恒温－10℃。系统取CaCl2水溶液，其传热温差为4~6℃。 采用卧式满液式蒸发器，有：

tz2=t-(4~6)℃ tz1=tz2-(5~7)℃ t0=tz1?tz22??t

式中 tz2——载冷剂出蒸发器温度，单位℃；

t——合成原料间要求的温度，单位℃。t??10℃； tz1——载冷剂进蒸发器温度，单位℃； ?t——温差，单位℃。?t一般取5~7℃。

3.4.4中间最佳温度的确定

在温度范围为?40~?40℃以内的氨制冷系统中，可用拉塞经验公式来确定最佳中间温度。

tm?0.4tk?0.6t0?3℃

4

式中 tm——最佳中间温度，单位℃；

tk——冷凝温度，单位℃； t0——蒸发温度，单位℃。

3.4.5过冷温度的确定

对于双级压缩系统，过冷度比中间温度高3~5℃，即

tg?tm?(3~5)℃

式中 tg——过冷温度，单位℃；

tm——最佳中间温度，单位℃。

3.4.6吸气温度的确定

吸气温度可由氨用压缩机所允许的吸气温度表确定，氨用压缩机所允许的吸气温度表见表3-2。

表3-2 氨用压缩机所允许吸气温度

蒸发温度t0（℃） 吸气温度tx（℃） 5 10 10 1 -5 -4 -10 -7 -15 -10 -20 -16 -25 -16 -28 -18 -30 -19 -33 -21 -40 -25 3.4.7主要工作参数的数值计算

表3-3 主要工作参数的计算

序号 1 项目 武汉地区夏季室外平均每年比保计算公式 —— 结果 28.2 备注 查《制冷工程设计手册》可得 证50h的湿球温度（℃） 2 3 冷凝器进水温度（℃） 冷凝器出水温度（℃） t1?t2?ts??t ''31.2 32.7 36.95?t'?3℃ t2?t1?(1.5~3)℃ t1?t22t1?30℃取1.5℃ 4 冷凝温度（℃） tk???t ≈37 t1高时取小值5 5

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