“制冷及低温原理”典型习题 （1）“制冷与低温原理”综合练习题 题目： 应用替代工质的蒸汽压缩式制冷循环的性能计算及冷凝器设计初步已知条件：1.应用场合：小型冷库2.库 温：-18； t 0 53.冷却水温：32； t k 84.液体过冷度： t g 55.蒸汽过热度（无效）： t r 5 6.压缩机输气系数： 7.制冷量： 8.原有工质：R12报告内容： 1.前言2.替代工质确定3.热力计算4.冷凝器主要结构参数选择5.传热计算6.专题讨论7.结束语8.参考文献（2）学生的综合练习题作业报告实例 应用替代工质的蒸汽压缩式制冷循环的性能计算及冷凝器设计初步 已知条件： 1.应用场合：小型冷库2.库 温：-18； t 0 53.冷却水温：32； t k 84.液体过冷度： t g 55.蒸汽过热度（无效）： t r 5 6.压缩机输气系数： 7.制冷量： 8.原有工质：R12摘要：通过一个小型冷库实例，介绍了替代工质的蒸汽压缩式制冷循环的性能计算方法及冷凝器初步设计步骤。关键词：替代工质，蒸汽压缩式制冷循环，性能计算，冷凝器，初步设计1 前言 图 1 热力循环压焓图由于 R12 对臭氧层有强烈的破坏作用，并引起温室效应，故禁用 R12。同时需要寻找合适的替代物。R12 的比较成熟的替代物是 R22，但R22 对臭氧层仍有一定破坏作用，所以亦在受禁之列，只是禁用的时间相对晚一些。目前认为，R12 的比较好的替代物是 R407C。本文对原工质 R12，替代工质 R22、R407C 的蒸汽压缩式制冷循环的性能分别进行了计算，并对其冷凝器进行了初步设计。2 性能计算 2.1 根据已知条件，确定各个参数点查 R12 的热力性质图，得各点的参数如表 1 所示 ：表 1 点号 t() p(kPa) h(kJ/kg) V(m3/kg) 1 -23 134.17 341.328 0.12725 1 -18 134.17 344.0 0.120 2 47 960.65 374.0 3 35 960.65 236.0 查 R22 的热力性质图，得各点的参数如表 2 所示： 表 2 点号 t() p(MPa) h(kJ/kg) V(m3/kg) 1 -23 0.218 396.2 0.103819 1 -18 0.218 402.0 0.120 2 79 1.50 452.0 3 35 1.50 234.5 查 R407C 的热力性质图，得各点的参数如表 3 所示： 表 3 点号 t() p(kPa) h(kJ/kg) V(m3/kg) 1 -23 134.17 341.328 0.12725 1 -18 134.17 344.0 0.120 2 47 960.65 374.0 3 35 960.65 236.0 2.2 制冷机性能计算： 1) 压力比 k=pk/po 2) 单位质量制冷量(kJ/kg)qo=h1 h4= h1 h33） 单位体积制冷量(kJ/m 3)qv=qo/ 4） 理论比功(kJ/kg)w0=h2 5）指示比功(kJ/kg)wi=w0/ i6） 制冷系数 o=qo/wo i= qo/wi7） 制冷机的工质质量流量(kg/s)qm=Qo/q8） 实际输气量 = qm 9） 理论输气量 10） 压缩机消耗的理论功率和指示功率( kW)， 11） 冷凝器负荷( kW)编写程序，求出分别采用 R12、R22、R407C 制冷剂的性能参数见表 4： 表 4 性能参数 R12 R22 R407C 压力比 7.16 6.88 6.37 单位质量制冷量/ kJ/kg 105.328 161.710 144.490 单位容积制冷量/ kJ/m 3 877.733 1347.5 996.500 理论比功/ kJ/kg 30.000 50.000 56.000 指示比功/ kJ/kg 37.5 62.5 70.000 理论制冷系数 3.51 3.23 2.58 实际制冷系数 2.81 2.59 2.06 制冷机的工质流量/ kg/s 0.0902 0.0588 0.0657 实际输气量/m 3/s 0.0108 0.0071 0.0095 理论输气量/ m 3/s 0.0135 0.0088 0.0119 压缩机消耗的理论功率/kW 2.17 2.94 3.68 压缩机消耗的指示功率/kW 3.38 3.67 4.00 冷凝器热负荷/kW 13.123 13.513 14.399 3 冷凝器的结构参数选择 1) 冷凝器的结构形式 选择卧式壳管式冷凝器 2) 冷却水进口温度 和冷却水温升 的选择 3) 冷凝器中的污垢热阻 管外热阻： 管内热阻： 4 冷凝器的传热计算 1) 冷却水流量 ，和平均传热温差 2) 初步规划的结构尺寸 选用的铜管，取水流速度为 u1.5m/s，则每流程的管子数 Z 为: 实际水流速度 子的布置示意图 图 2 管管程和有效管长：假定热流密度 q5100W/m 2，则所需的传热面积 Fo为：管程和有效管长的乘积有关上述参数的结果见表 5：表 5计算参数R12R22R407C冷却水流量 （m 3/s）0.00080.00080.0009每流程的管子数（根）444实际水流速度 u（m/s）1.31.31.4传热面积 Fo（m 2）2.5372.6502.823管程和有效管长的乘积 Nlc12.8013.1814.04采用管子成正三角形排列的方案，管距 s20mm，对不同流程数 N，有不同管长 lc 见表 6，从表可以看出，三种使用不同制冷工质的制冷机，8 流程是可取的。参考文献 2,取管距 。表 6R12R22R407CNlcNlcNlc26.4026.5927.0243.2043.2943.5162.1362.2062.3481.6081.6581.76采用多管程结构，取管板利用率 ，则壳体内径为，圆整后可取 。3）传热系数管内冷却水与内壁的换热系数 ：计算时取冷却水的平均温度 ts为定性温度。 查物性表中的数据，得，求得的 见表 7。水平管的平均管排数因流程数 N8，总的管子数 NZ32 根，将这些管子布置在 12 纵列内，每列管子数分别为1、2、3、4、4、4、4、4、3、2、1，见图 2，按公式（938）根，管外换热系数 的计算按公式（934）和（937）计算时取 c0.725，通过计算确定，按公式（934）的说明，传热系数 Ko，传热过程分为两部分：第一部分是热量经过制冷剂的传热过程，其传热温差为 ；第二部分是热量经过管外污垢层，管壁，管内污垢层以及冷却水的传热过程。第一部分的热流密度第二部分的热流密度其中 dm 为管子的平均直径，将有关数据代入后，用迭代法求出，外污垢层表面的温度 two及冷凝器的热流密度 q，见表 8。q 与前面的假定 q5100W/m 2相差不超过 5，表明以前的假定是可取的。传热系数 Ko为传热面积和管长的确定根据 q 求传热面积 Fo管子的有效管厂 l 为，水的流动阻力及水泵所需要功率冷却水流动时的阻力系数按公式（971）计算。其中沿程阻力系数 为冷却水的流动阻力考虑到外部管路损失，冷却水泵的总压头约为取离心水泵的效率 ，则水泵所需功率 Pe为传热计算的有关参数见表 8。表 8计算参数R12R22R407C管内传热系数 (W/(m2)6323.16323.16709.3水平管的平均管排数 （根）3.133.133.13管外传热系数 (W/(m2)1805.81805.81805.8第一部分热流密度 （W/m 2）1805.81805.81805.8第二部分热流密度 （W/m 2）2627.32627.32627.3外污垢温度 ()36.1136.1036.07冷凝器热流密度 （W/m 2）5018.14991.836.07传热系数 (W/(m2)865.2860.7871.2传热面积 (m2)2.1652.7072.849有效管长 (m)1.6261.6831.772冷却水的流动阻力 (MPa)0.03160.03240.0383冷却水泵总压头 (MPa)0.13160.13240.1385水泵功率（W）175.5176.5207.55 专题讨论与 R12 相比，使用替代制冷剂 R22，除了很少的改动，如置换制冷剂干燥过滤器等这外，工质可直接替代进入原有的系统而无需其他改动。与 R22 相比，使用 R407C 的主要技术问题为 3：（1） 专用压缩机；（2）非共沸混合物，其成分会发生变化；（3）工作压力比 R22 高 10%，并且部件、管路需耐压校核；（4）为提高效率，需要改进换热器和机组设计，如增大换热器传热面积，增加有效管长等；（5）用脂类油；6 结束语 需要对应用替代工质的蒸气压缩式制冷机的性能参数进行了重新计算，对制冷机的压缩机、冷凝器、蒸发器等各部件进行设计，选型，以使替换后的制冷工质能够较好的与各部件相匹配。参考文献1吴业正等.制冷原理及设备M.西安：西安交通大学出版社M.19972曹德胜，史琳.制冷剂使用手册M.北京：冶金工业出版社.20033鲁岩.实用 C 语言及其程序设计M.大连：大连理工大学出版社.19934费宗连.C 语言实用教程M.北京：电子工业出版社.1992