华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）
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1 绪论
1.1 课题意义及实际需求
中央空调系统的运行节能是大型公共建筑以及住宅整体空调节能优化的关键所在。其能耗主要取决于系统类型设计、运行控制和部件构成。而冷水机组所包含的冷凝器、蒸发器、还有压缩机是中央空调系统的主机部分，也是最重要的部分，集成了中央空调最核心的技术[1]。
同时，中央空调的水系统的耗能可以占到总能耗的60~70%，因此对冷水机组的设计和优化是很有必要的。
冷水机组的主要构成元件如下：螺杆式压缩机、热力膨胀阀、壳管式蒸发器、壳管式冷凝器、节流阀、电控装置。在各种需要制冷的工业以及建筑场所中都有着广泛应用。
冷水机组的工作流程如下：在夏季制冷时，机组制冷的主要进程是制冷剂汽化吸热，伴随能量传递的同时，冷凝水、冷冻水还有制冷剂有各自的循环并且相互关联，这个过程中压缩机压缩制冷剂蒸气，冷凝器中冷却水吸收制冷剂的热量，蒸发器中工质汽化制冷，之后经压缩会形成高温高压的制冷剂蒸汽在冷凝器内向冷却水（通常为水或者氯化钠溶液）放热冷凝成高压液体，这些液体将分为两部分：一部分进入中间冷却器的盘管中降低温度，直至成为过冷液体，这一部分经节流阀降压后被输送到蒸发器蒸发制冷。另一部分经节流机构降压进入中间冷却器并蒸发，蒸发所吸收的热量来自低压级压缩机输送到中间冷却器的过热制冷剂蒸汽以及为盘管内的制冷剂提供一定的冷量。这个过程所产生的制冷剂饱和蒸汽将被高压级压缩机吸收[2]。
在冷水机组的运行中，主要关注三方面的水循环：冷却水的循环、冷冻水的循环与制冷剂的循环。这三者的关系是：制冷剂并不直接与环境空间传热，而是通过自身的物相变化在蒸发器内使冷冻水的温度降低，而冷冻水将通过密闭管道流到各个需要冷量的房间内通过风机盘管或空气调节器进行热交换，当冷冻水的温度回升后又被输送到蒸发器进行降温并开始下一轮的循环。蒸发后又经过压缩后的制冷剂高温高压液体将在冷凝器里与冷却水进行换热，被加热的冷却水将被冷却泵压送到冷却塔或者外围盘管与周围环境换热(即空冷或者风冷的方式），降低温度后将又被送回主机（冷凝器）[3]。
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总体而言，中央空调冷水机组耗功在于压缩机以及各类泵做功所需的电能，这用于维持循环中水系统与风系统的往复变化，比如制冷剂的物相变化，冷却水的温度稳定等。这使得连续制冷成为可能[4]。
图1-1 中央空调循环流程图
1.2 中央空调主要元件概述
由于制冷量所给值较大，本设计的适用对象为较大型的商用建筑。在此基础上结合行业实际情况可对关键部件进行初步选型[5]。
压缩机的选取：优先选用螺杆式压缩机，该型压缩机的优势：可靠性高，螺杆式压缩机的零部件较少，且没有易损元件，因此它的运行寿命长，运转稳定；维护维修方便；平衡性强，非常适合于用作移动式压缩机，因为其运行流畅、重量轻、占地面积小的特点；性能优越，由于螺杆式压缩机具有强制输气特点，即便经过多级压缩机也可以很好地适应这个过程，容积流量不太受到排气压力的影响，在很大范围内都可以保持较高的运转效率；在压缩机结构不变的条件下，即可适用于多种工质，无论是无油式、有油式、还是注液式螺杆压缩机都有以上特点；多相工质混输，转子齿面留有一定的间隙，故而能耐流体冲击，动力平衡性佳；同时也可输送湿蒸汽等。基于上述优良特性，压缩机应选用螺杆压缩机[6]。
散热方式：选用水冷散热。优势：性能稳定、使用寿命长、噪声较小、操作简单；配合液晶显示人机界面，操作和观察简单清晰；同时，水冷式比风冷式冷水机组能效比要高。
蒸发器：选用干式蒸发器。在干式蒸发器中，液态制冷剂在管内由于与管外
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换热会完全转变为气体，同时冷冻水在蒸发器的传热管外的管程流动。液态制冷剂进入蒸发器的量由热力膨胀阀或者电子膨胀阀控制。优势如下：管内制冷剂的流动阻力较小；冷媒和冷冻油的充注量小，且考虑到所选用的制冷剂为高性能低环保的HCFCs类物质。从价格、稳定性和节能方面考虑，干式蒸发器较为适合本设计。
图1-2 工艺设计简图
1、螺杆式压缩机；2、冷凝器（标注进出口方向）；3、干式蒸发器（标注进出口方向）；
4、过滤器；5、节流阀；6、视液镜；7、热力膨胀阀
1.3 国内外研究进展
人类控制周围环境的能力与生俱来，温度是其中至为关键的一环。最早的制冷方法主要是利用自然界已经存在的冷源物质：冰、深井水等。
冷水机组是将具有较低温度的被冷却介质（冷冻水）的热量传递给环境介质以获得所需冷量的机器。冷量在数值上与从较低温度物体上转移的热量。在冷水机组内参与热力循环的工质即制冷剂。制冷剂（如R22）的温度变化域通常在120K以上。该温度以下属于深低温范围，不属于通用制冷范畴。冷水机组广泛应用于日常生活和工业生产中。
1834年，J．Perkins 成功制造以人力转动为能量源、以乙醚为工质的可以连续运转的制冷机。这是冷水机组的开始。1844年，以空气为工质的冷水机组诞生，应用于医院制冰与冷却空气。1872年，第一台氨压缩机诞生，氨蒸汽压缩式制冷
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机也同步制成，这是现代压缩式冷水机组的开端。19世纪五十年代，以硫酸与水为工质的吸收式制冷机也被研制成功。1910年出现喷射式制冷机。1930年出现氟利昂制冷剂，这一发现大大促进了压缩式制冷机的发展。1945年，溴化银吸收式冷水机组也进入市场，到这一阶段，制冷机与冷水机组的行业进展基本成型。
近年来，我国冷水机组制造技术有了显著提升，但是主要核心部件(压缩机等)还是以采购居多，这既增加了生产成本也使我国生产最前沿产品的难度大增。目前冷水机组的发展趋势是效能增大、体积减小。结合各国的实际情况，制冷设备的优先发展类型也有着一定的区别，我国的制冷业主要瓶颈在于以下方面：
（1） 引进的先进技术不能及时消化，上世纪八十年代，我国就开始有计划地引进国外技术，也建立了合资企业。但是发展不如人意，作为基础行业，制冷业目前还远远不能满足其他行业的发展需求。一些尖端技术也不能开发。
（2） 整体素质有待提升。我国制冷行业高级技工人才缺乏的现状并未改善，这在一定程度上也阻碍了我国制冷行业的发展。
（3） 市场空间有限，提到压缩机，首先想到的就是美国的品牌，因为产品质量过硬，在市场已深深扎根。于是就有了这样一种错误观念:只要采用了国外压缩机的制冷设备，产品质量就有保障。这种情况下对于国产品牌的市场推广将更为不易。
在制冷剂的环保方面，含氟制冷剂在发现其对臭氧层具有关键影响后备受冷遇，2002年欧洲联盟已经发布法令全面禁止使用含氟制冷剂，但是值得注意的是，现在我国定义的环保冷媒也是含氟的，化学组成的不同决定氟会不会成为可破坏臭氧层的状态。CFC（氯氟烃类）即受管控。HCFC(氰氟氯烃)臭氧层破坏系数较小可作为过渡，而HFC(氢氟烃类)的臭氧层破坏系数为零，故被认为是环保冷媒。日本、美国也在有序开展控制工作。我国是现在含氟制冷剂最大的生产国和使用国，我国的空调产业发达也是有原因的，其产量约为65%，使用量已经达到40%，和我国煤炭资源的使用一样，高居全球榜首。
在联合国环境规划署的敦促下，《蒙特利尔议定书》在1987年正式施行。后来陆续出台了伦敦修正案、哥本哈根修正案等，促进环保制度落地。基本思路是控制制冷剂的生产使用，发展方向是环保节能。借由制冷剂推动空调行业的发展。
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