合肥工业大学本科毕业设计
2 制冷系统设计
2.1 方案确定
根据论文设计要求，本次设计采用双冷源冷水机组设计[9]，其原理图见图2-1
2-1 复合型机房空调模块方案图
1-节流结构 2-制冷单元冷凝器 3-制冷单元压缩机 4-壳管式换热器 5-旁通电磁阀 6-室外冷凝器 7-室内末端装置 8-液泵
原理：根据选用的双冷源冷水机组设计要求，此设计夏季采用制冷压缩循环，室内高温回水与制冷剂在壳管式换热器里面进行热交换，被冷却的低温冷水继续进入室内，在室内末端装置处与室内高温空气进行换热，将热量带出室内，这样就可以实现室内温度保证在一定的范围内。高温高压的制冷剂通过铜管到达室外，经过室外风冷冷凝器，与室外实现热交换，变成低温高压的制冷剂，在通过节流阀的作用，变成低温低压的液体，这样实现了机械制冷循环。冬季时，当室外温度较低时，此时，可以关闭机械制冷系统，室内高温回水直接通过三通阀，到达室外冷凝器，直接与室外冷风进行换热，然后冷却的高温回水又进入房间，实现无压缩机制冷，此制冷方式为自然冷却。 该冷水机组的特点：
（1）采用自然冷源，当室外温度一定低的时候，可以关机机械制冷循环，实现无压缩式制冷，此方案可以实现更多的节能，重要的是可以延长压缩机的寿命。 （2）采用此方案，可以使系统工作在三个工作区，当室外温度较高时，采用
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24匹风冷/蒸气压缩双冷源冷水机组设计 机械制冷循环，当室外温度处于一定范围时，可以开启自然冷却系统循环，室内高温回水可以先通过室外翅片式冷凝器进行风冷，带走一部分热量，接下来水在与制冷剂进行换热，这样可以实现一定量的节能。当室外温度足够低时，可以完全关闭机械制冷系统，直接用室外冷风进行冷却，可以实现无压缩制冷。
2.2 本设计的题目与数据
2.2.1设计题目：60kw风冷/蒸发压缩式双冷源冷水机组设计
2.2.2设计工况：制冷量为60kw，运行环境（-10~50?c），并参考相关标准 2.2.3研究内容：本次课题研究主要是研究风冷/蒸气压缩双冷源冷水机组的基本工作流程设计，论证关键部件、制冷剂（R410a）的选择方案，并分析系统的先进性。设计内容包括：热力计算、压缩机选择、换热器设计，附件选择，系统集成。
2.3 相关参数设定
2.3.1制冷单元性能工况
按GB17758-2001里面的规定，制冷单元性能工况见表2-1[6]所示
表2-1制冷单元性能工况
工况条件 使用工况 室内侧空气状态（?c） 干球 33.0 室外侧空气状态（?c） 干球 35 湿球 19.5 湿球 24 2.3.2蒸发温度和冷凝温度确定 （1）蒸发温度t0确定:
冷冻水进口温度ts1= 17?c，出口温度ts2?12?c，则根据公式可确定蒸发温度t0为：t0?ts1?ts217?12-?m??6.5?8?c； 22 其中?m为蒸发器中平均传热温差，对于氟利昂等制冷剂蒸发器取6-8?C，为了使机房运行时空调机组不产生冷凝水，提高机房空调的安全性，则本次设计空调的冷水供回水温度由7?c/12?c提升到12?c/18?c[13]。冷水温度的提升，可以使冷水机组的COP值可以更高，则系统节能效应更好； （2）冷凝温度tk确定： tk?t1??t?35?15?50?c；
其中t1是进口空气干球温度（?c），按照当地夏季室外通风干球温度计算，
?t为冷凝温度与进口温（干球）之差，取?t?10?15?c，本次设计取15?c；
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（3）吸气温度t确定：
采用热力膨胀阀时，对于机房空调系统而言，蒸发器出口的气体过热度为
3?5?c，过冷（5?c）在单级压缩系统中，节流前的液体的过冷是在冷凝器实现的，在一般情况下取过冷度为5?c。 设计计算的计算工况如下：
环境参数：室内侧干、湿球温度为33?c，室外侧干、湿球温度为35?c,24?c； 19.5?c，循环参数：蒸发温度t0=8?c，冷凝温度tk?50?c，吸气温度t1?20?c，过冷温度
t4?49?c。
2.4 制冷剂的选择
制冷剂选择对于制冷系统效率，以及对环境的健康程度有很大的影响。近年来伴随着全球臭氧层破坏的加剧，以及人们对环保意识的在意，全球学者对寻找和使用CFCS和HCFCS类物质替代物的呼声越来越高。CFCS是消耗臭氧层的化学物质中最重要的一种物质，目前国际社会对其的使用和生产进行了严格限制。
自制冷剂问世以来，被广泛运用于各个行业中，特别是运用于压缩机制冷循环，近百年的发展，制冷剂已经从单一的制冷剂发展到许多类型的制冷剂。 无机物自然工质氨、氮气、二氧化碳等，作为一种无毒、不燃、安全的自然制冷剂，被广泛用于汽车空调、食品冷冻冷藏系统中，同样的近来年被广泛用于超级计算机的冷却，具有较为广阔的前景，但是由于存在一些压力的原因，还有很多问题有待解决。
其次是氟利昂制冷剂，如：R22（二氯二氟甲烷）、R12（二氯一氟甲烷）、R134a（四氟乙烯），其中 R22制冷剂属于HCFC类制冷剂，对环境有破坏作用，目前已经进入限制和禁止使用的进程中。R134a（四氟乙烯）是目前广泛使用，代替R12和R22的制冷剂。
R-134a（四氟乙烷）是一种不含氯原子的制冷剂，它对臭氧层不起破坏作用，其具有良好的安全性能（不易燃、不爆炸、无毒、无刺激性、无腐蚀性）的制冷剂，它的制冷量与效率与R-12（二氯二氟甲烷）非常接近，所以被视为优秀的长期替代制冷剂。如今R-134a是目前国际公认的R-12最佳的环保替代品之一[6]。
除了氟利昂之外，还有碳氢化合物组成的制冷剂，如R600a、R290、R50等制冷剂，它们都是一些都碳氢组成的制冷剂，有很多优点。通过碳氢元素组成的混合制冷剂，如共沸混合制冷剂和非共沸制冷剂，其共沸制冷剂相对于单一的组
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24匹风冷/蒸气压缩双冷源冷水机组设计 分而言，具有很多优点，其中包括蒸发温度、化学稳定性、单位容积制冷量等等。非共沸制冷剂包括R401A、R402A、R410等等，其中R410A是一种新型环保制冷剂，它的工作压力为普通制冷剂R22空调的1.6倍左右。
目前R410A新冷媒由两种准共沸的混合物包括R32和R125各50%组成的，主要有氢，氟和碳元素组成,其具有稳定，无毒，性能优越等特点。由于不含氯元素，故不会与臭氧发生反应，即不会破坏臭氧层（ODP=0）。另外，采用R410A的新冷媒的空调在性能方面也会有一定的提高。
R410A是目前国际公认的用来替代R22最合适的的冷媒之一，它并在欧美，日本等国家得到普及，近来年在我国制冷行业也得到广泛的运用，如R410A被广泛的运用在谷轮压缩机之上。
本次设计选用配有R410A制冷剂的谷轮涡旋式压缩机，主要是考虑到R410A的一些优点出发，比如在相同的制冷量情况下，相同的冷凝温度条件下，采用R410A系统能效比可以比R22高出6%左右，由于压缩机在压缩过程中的损耗更少，蒸发器和冷凝器具有更强的热传递性，整个系统内的压降更小。对于R410A的低压损失特性而言，小型商用空调系统中的大型压缩机会比小型家用系列的空调压缩机收益会更多。
以下通过对比R134a、R410A的一些重要性质见表2-5 [10]
表2-5 制冷剂具体参数对比
重要性质 运行压力 温度偏移 蒸发器热传递 冷凝器热传递 压力降低量 管径 制冷剂充注量 系统性能系数 系统成本 R410A R134a 159% 0.2?C 68% 0.0?C 90% 95% 135% 105% 72% 较小 128% 较大 70% 100% 98?105% 较低 96?100% 稍高 对比各制冷剂的优缺点方面考虑出发，本设计选择R410A作为本次设计使用的制冷剂。
2.5制冷循环热力计算
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制冷循环压焓图如图2-2所示，本次设计选用的制冷工质为R410A,根据查R410A制冷工质的压焓图可知，得到各点状态点的具体参数见表2-2，热力计算具体参数见表2-3所示
图2-2 制冷循环的lgp-h图 表2-2 制冷循环各状态点参数
状态点 0 符号 单位 ?C 参数值 8 10.17 427.96 20 0.028 438.55 81.30 470.668 88.24 0.0104 478.70 44.83 30.33 参考来源 根据确定蒸发压力，作等压线交饱和气体线0点 t0 p0 h0 t1 10kpa kJ/kg ?C 2 1 ?1 h1 m/kg kJ/kg ?C 3p0的等压线交t1，查Lgp-h图 过点作等熵线，与p2 p2=pk 等压线交点2s，t2s 2s h2s t2 kJ/kg ?C 取?i?0.85，求得h2 2 ?2 h2 m3/kg kJ/kg ?C 4 t4 p4 pk等压线与t4过冷液102kpa 体等温线的交点4，
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