制冷课程设计某公共建筑空调用冷源工程设计.docx
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制冷课程设计某公共建筑空调用冷源工程设计
设计任务
一、设计题目
扬州市某公共建筑空调用冷源工程设计
二、设计目的
本课程设计是《制冷技术》课程的重要教学环节之一,通过这一环节达到了解常规空调用冷源设计的内容、程序和基本原则,学习设计计算的基本步骤和方法,巩固《制冷技术》课程的理论知识,熟悉相关的规范,培养独立工作能力和解决实际工程问题的能力。
三、设计内容和要求
整个设计要求完成扬州市某公共建筑空调用冷冻站的全部设计,内容包括:
制冷设备选型、容量大小、水力计算、水泵选择、保温材料及厚度的确定等,做到经济合理,满足冷量的要求;应将设计成果整理成设计计算说明书,其中包括:
原始资料、设计方案、计算公式、数据来源、设备类型、主要设备材料表;设计成果还应能用工程图纸表达出来,要求绘出该冷冻站的平面布置图、有关的剖面图及系统原理图。
四、设计原始资料
1.某公共建筑需要的冷量:
已知该冷冻站为某公共建筑(办公楼、旅馆等)提供空调用冷源,该建筑物所需要的夏季空调总冷负荷(包括新风和室内冷负荷),按所服务的(同时使用的)各空气调节区(或房间)逐时冷负荷的综合最大值(即该建筑各空气调节区或各空调房间的冷负荷逐时进行叠加,以某时刻出现的最大值即为逐时冷负荷的综合最大值)为:
1200KW(分水器—末端装置—集水器之间压差为16.5mH20)。
设空调风系统可以用最大送风温差送风,即可以直接用露点温度送风。
2.设计参数:
末端空气处理设备要求空调设计工况下冷冻水供水温度为7℃,回水温度为12℃。
3.末端水路分区:
该公共建筑空调末端水系统(即分水器—末端装置—集水器)共分为三路,分别供标准层风机盘管、标准层新风机组和公共部分的柜式空气处理机组,各末端水路的冷量分配比例大约为:
45%(盘管):
25%(新风):
30%(公共)。
4.夏季室外气象参数见《室外气象参数》资料集:
夏季空调室外计算干球温度:
32.8℃,夏季空调室外计算湿球温度28.5℃,累年最热月月平均室外空气温度:
27.9℃,最热月月平均室外空气计算相对湿度:
85%,夏季室外平均风速:
3.0(m/s);
五、设计任务
完成扬州市某公共建筑空调用冷源工程设计,具体包括:
(1)冷冻站冷负荷总容量大小的确定;
(2)制冷、供冷方案、制冷机排热方案的设计;
(3)制冷机类型的选择及型号、台数的确定;
(4)冷却水系统的设计及计算;
(5)冷冻水系统的设计及计算;
(6)膨胀水箱、分、集水器及保持水质的水处理设备等辅助设备的选择和确定;
(7)制冷设备和管道的保温设计计算。
1、系统冷负荷的确定
空调冷源设备需要提供的的总供冷量(即制冷系统负荷)应以夏季同时使用的各空气调节区(或房间)空调冷负荷(包括新风和室内冷负荷)的累计值为基础,由任务书可知,该公用建筑逐时冷负荷累加值最大值为1200KW,加上其它热量形成的冷负荷,这里主要是:
(1)通风机机械能转变为热量、风管温升、漏风等引起的附加冷负荷,风系统的冷量附加—以附加系数K1表示,一般取:
K1=5%-10%;
(2)水泵机械能转变为热量、冷冻水管温升等引起的附加冷负荷(即:
间接制冷系统的冷损失),简言之:
水系统的冷量附加,以附加系数K2表示,一般取:
K2=7%-15%;
(3)冷热抵消引起的附加冷负荷:
因为采用露点送风,K3=0。
所以,系统总制冷量为:
Q总=(1+K1)×(1+K2)×(1+K3)×Qc=1.1×1.1×1×1200=1452KW。
2、方案的确定
2.1制冷方案的确定
根据文献[参考文献5P141]空调系统的冷源应首先采用天然冷源。
当无条件采用天然冷源时,可采用人工冷源。
当采用人工冷源时,制冷方式的选择应根据建筑物的性质、制冷容量、供水温度、电源、热源和水源等情况,通过技术经济比较确定。
民用建筑应采用电动压缩式和溴化锂吸收式制冷机组。
因此,本工程拟采用电动压缩式或溴化锂吸收式制冷机组作为本工程的制冷设备。
2.2供冷方案的确定
冷冻水环路:
在制冷机房,经制冷设备产生的7℃冷冻水通过冷冻水供水管到达分水器,通过分水器分成三路:
分别送往公用建筑的标准层风机盘管、标准层新风机组和公用部分的柜式空气处理机组,经过公用建筑的空调末端装置对空气进行冷却去湿处理后,冷冻水升温为12℃的回水,回到集水器,经集水器后通过空调循环水泵(即:
冷冻水泵)升压经回水管返回冷水机组,通过制冷机中的蒸发器与制冷剂换热实现降温过程,产生7℃冷冻水再送出,如此周而复始地循环。
2.3排热方案的确定
按冷凝器的排热方式分,制冷机的排热可分为:
水冷式、空气冷却式、蒸发式和淋激式等。
据参考文献[5P156]水源充足的地区应采用水冷冷凝器,由冷却塔循环供水;当干球温度较低,缺乏水源的地区,或不便采用水冷却的中小型制冷系统,可采用风冷式冷凝器;当湿球温度较低、水源不足的地区,或采用水源热泵系统时,可采用蒸发式冷凝器。
考虑到本冷源设备需要提供的的总制冷量容量比较大,且处于长江流域,水源相对充足,用水冷式冷凝器来排热方案比较合适。
冷却水环路:
从制冷机冷凝器出来的的冷却水经冷却水供水管到达冷却塔,经冷却塔与空气进行热质交换,冷却降温后通过冷却塔回水管经冷却水泵升压返回到冷水机组的冷凝器,在冷凝器中,冷却高压高温制冷剂,冷却水带走制冷剂的排热而升温后再送出如此循环往复。
考虑到系统的稳定安全高效地运行,系统中配备定压、补水,电子水处理等附属设备。
3、制冷设备的选择
3.1制冷机类型的选择
根据HVAC设计指南,一般选冷水机组作为空调用冷源。
冷水机组的选择,一般依各种型式冷水机组所用制冷剂的种类、性能系数、适用的冷量范围、自动控制程度及对冷却水源的水质、水量等方面进行综合比较确定。
据参考文献[5]制冷机的选择应根据制冷工质的种类、装机容量、运行工况、节能效果、环保安全以及分红变化和运转调节要求等因素确定。
即制冷机所用制冷剂应符合环保要求:
ODP均和GWP要小;其性能系数COP要高,运行时的调节性能要好等等。
各种制冷机COP值及最佳冷量见表1:
表1各种制冷剂冷量范围及等效等级表
类型
额定制冷量(CC)
(KW)
能效等级(COP,W/W)
1
2
3
4
5
风冷式或蒸发冷却式
CC≤50
3.20
3.00
2.80
2.60
2.40
50<CC
3.40
3.20
3.00
2.80
2.60
水冷式
CC≤528
5.00
4.70
4.40
4.10
2.80
528<CC≤1163
5.50
5.10
4.70
4.30
4.00
1163<CC
6.10
5.60
5.10
4.60
4.20
注:
节能型机组要达到表中能效等级2级,其他机组最低要达到表中的5级,该强制标准已经于2005年3月1日实施。
结论:
由于电制冷机的COP明显高于溴化锂吸收式制冷,本工程采用电制冷冷水机组作为空调用冷源制冷设备。
3.2制冷机型号、容量、台数的确定
据参考文献[5]一般空调用制冷机不考虑备用,台数不宜过多,一般2-4台为宜,并应于供冷负荷变化情况及运行调节要求相适应。
多机头机组可以选用单台机组。
考虑到本工程实际,宜选用电制冷2台冷水机组,以便于适应供冷负荷变化情况及运行调节要求。
小容量的系统对应选活塞或螺杆机;大容量的对应选螺杆或离心机。
本工程选用两台机组,每台机组冷负荷大约为
726KW,所以选用螺杆机。
比较几家螺杆机之后,决定选用开利螺杆机,其优点有:
运行费用低,安装费用省,维修费用少,控制系统优,产品质量好。
因为其采用开利高效传热管,提高了换热性能,满负荷运行时,性能系数达到5.7-5.9W/W,节能效果显著。
选择的两台机组型号为23XL220,每台机组性能参数如表2:
表2开利螺杆机性能参数表
型号
制冷量
KW
压缩机型式
蒸发器
进水温度
℃
出水温度
℃
流量m3/h
流程数
进口口径
mm
压头损失
kPa
23XL220
754
半封闭螺杆机
12
7
132
3
150
52
冷凝器
电机
进水温度
℃
出水温度
℃
流量m3/h
流程数
进口口径
mm
压头损失
kPa
电源
V-Ph-Hz
额定工况电流
A
额定工况功率
KW
30
35
155
3
150
46
380-3-50
222
133
电机
重量
外形尺寸
堵转电流(Y/Δ)
A
冷却方式
R22充入量
Kg
R22充入量
Kg
润滑油充入量
L
机组吊装重量
Kg
长度
mm
宽度
mm
高度
mm
428/1340
直接喷制冷剂冷却
340
340
16
5087
2910
1500
2120
名牌冷却水进、出水温度为30-35℃,而本设计的室外气象参数的湿球温度均在28.5℃左右,则经冷却塔冷却进冷凝器的进水温度在32℃左右,冷却塔不能提供30℃的冷却水,所以要进行修正,冷凝温度每提高1℃,制冷量减少1.3%,根据所给资料,冷却水进水温度为32℃,出水温度为37℃时,机组制冷量为754KW,功率为140KW,冷水流量为129m3/h,冷却水流量为154m3/h,两台机组制冷量为1508KW,满足要求。
4、冷却塔的选择
4.1确定冷却水供应系统的型式
冷却水供应系统分为自然通风和机械通风两种,但自然通风冷却塔因占地面积大,体积大,且冷却效率低,在制冷系统中已不采用,冷源常常采用机械通风循环冷却水系统。
4.2确定冷却塔的型式、容量、台数
根据本工程情况,参考常用冷却塔的几种类型,进行技术经济比较,决定选用逆流式冷却塔,其换热效率高,而国家有资源短缺,逆流式可达到节省水资源的效果,考虑到本工程实际情况,为降低成本,决定采用低噪声型的冷却塔。
冷却塔容量大小应按冷效和冷幅来选定,台数宜按制冷机台数一对一匹配设计,不考虑备用,所以选用2台逆流式冷却塔。
由已选择的每台冷水机组的冷凝器的水流量为154m3/h,查相关资料,确定冷却塔型号为BCNPDG-180(Ⅱ),每台冷却塔相关参数见表3。
表3冷却塔参数表
型号
冷却水量
m3/h
风机
电动机功率
KW
进水塔水压
kPa
重量
Kg
噪声
dB(A)
风量
万m3/h
直径
mm
制品重量
运转重量
Dm
16m
BCNPDG-180(Ⅱ)
180
11
2400
5.5
37
1999
3953
63
55.5
型号
外形尺寸
管径(公称直径)
H
D
h1
h2
h3
h4
Dg1
Dg2
Dg3
Dg4
Dg5
BCNPDG-180Ⅱ)
4300
3750
205
50
580
610
150
175
25
50
50
基础尺寸
φ1
Φ2
a
b
c
L1
L2
3962
1500
250
500
10
480
450
注:
Dg1为进水管公称直径,Dg2为出水管公称直径,Dg3为自动补水管公称直径,Dg4为溢流管公称直径,Dg5为排污管公称直径。
5、冷冻水、冷却水系统设计计算及水泵的选择
5.1确定冷冻水、冷却水系统的流量、布置管路
单台冷水机组蒸发器的水流量为129m3/h=35.8L/s,冷冻水系统总的水流量为35.8L/s×2=71.67L/s;单台冷水机组冷凝器的水流154m3/h=42.78L/s。
所以冷却水系统总的水流量为42.78L/s×2=85.56L/s。
至于冷冻水系统和冷却水系统的管路布置见说明书后附图------冷冻站及冷却塔平面布置图和剖面图。
5.2确定冷冻水、冷却水系统各管段的管径并进行阻力计算
由5.1已经得出冷冻水系统和冷却水系统总管和支管的流量,且确定所用的管材为钢管。
根据资料,查钢水管摩擦阻力计算表,并将比摩阻控制在100~300pa之间,可以得出总管和各支管的管径和流速,再根据所画的管路布置图,确定出各管段的管长,根据公式:
△Py=
v2=R·L,从而可以计算出两个水系统的沿程阻力。
在查相关资料和手册,确定出各个阀件的局部阻力系数,且由上面的计算已知各管段的水流速,根据公式:
△Pj=
,计算出局部阻力。
最后,根据公式△P=ΣPy+ΣPj计算出管道总的压力损失,各管段标注如下图。
图5.1冷冻水冷却水水力计算草图
表4冷冻水管水力计算表
冷冻水管水力计算
管段
流量(L/S)
管径(mm)
管长(m)
水流速v(m/s)
比摩阻R(Pa/m)
沿程阻力Py(Pa)
ζ
局部阻力Pj(Pa)
总阻力Py+Pj(Pa)
1
71.67
200
2.244
1.44
146.35
527.34
4
4147.2
4674.54
2
35.8
150
9.458
1.01
119.03
3026.56
10
5100.5
8127.06
3
71.67
200
1.61
1.44
146.35
378.35
3.5
3628.8
4007.15
4
35.8
150
7.428
1.01
119.03
2376.96
3.5
1785.175
4162.135
5
35.8
150
7.354
1.01
119.03
2353.28
8.0
4080.4
6433.68
6
71.67
200
4.85
1.44
146.35
1139.75
9.5
9849.6
10989.35
管道总阻力损失:
ΣPy+ΣPj=38393.915Pa
冷却水管水力计算表
管段
流量(L/S)
管径(mm)
管长(m)
水流速v(m/s)
比摩阻R(Pa/m)
沿程阻力Py(Pa)
ζ
局部阻力Pj(Pa)
总阻力Py+Pj(Pa)
7
42.78
200
7.063
0.68
206.27
727.489
5.0
1156
1883.489
8
85.56
250
5.18
0.873
99.67
683.76
2
762.129
1445.889
9
42.78
200
4.53
0.68
206.27
466.59
4.5
1040.4
1506.99
10
42.78
200
4.53
0.68
206.27
466.59
3.5
809.2
1275.79
11
85.56
250
8
0.873
99.67
1056
4
1524.258
2580.258
12
42.78
200
10.25
0.68
206.27
1055.75
11.5
2658.8
3714.55
13
85.56
250
1.1
0.873
99.67
145.2
10
3810.645
3955.845
14
42.78
200
6.758
0.68
206.27
696.074
8
1849.6
2545.674
管道总阻力损失:
ΣPy+ΣPj=18908.485Pa
表5局部阻力系数表
局部阻力系数表
管段
类型
阻力系数ζ
个数
∑ζ
管段
类型
阻力系数ζ
个数
∑ζ
1
蝶阀
0.5
1
0.5
7
合流三通
1.5
1
1.5
分流三通
1.5
1
1.5
90°弯头
1
2
2
90°弯头
1
2
2
蝶阀
0.5
1
0.5
4
电磁阀
0.5
1
0.5
2
蝶阀
0.5
2
1
软接
0.5
1
0.5
止回阀
0.5
1
0.5
5
y型过滤器
3
1
3
8
90°弯头
1
2
2
软接
0.5
2
1
2
90°弯头
3
1
3
9
分流三通
1.5
1
1.5
合流三通
1.5
1
1.5
90°弯头
1
2
2
10
蝶阀
0.5
1
0.5
续表5
管段
类型
阻力系数ζ
个数
∑ζ
管段
类型
阻力系数ζ
个数
∑ζ
3
90°弯头
1
2
2
9
电磁阀
0.5
1
0.5
分流三通
1.5
1
1.5
4.5
3.5
10
合流三通
1.5
1
1.5
4
90°弯头
1
2
2
90°弯头
1
2
2
蝶阀
0.5
1
0.5
3.5
电磁阀
0.5
1
0.5
11
90°弯头
1
4
4
软接
0.5
1
0.5
4
3.5
12
蝶阀
0.5
2
1
5
合流三通
1.5
1
1.5
止回阀
0.5
1
0.5
90°弯头
1
2
2
y型过滤器
3
1
3
蝶阀
0.5
1
0.5
软接
0.5
2
1
y型过滤器
3
1
3
分流三通
1.5
1
1.5
电磁阀
0.5
1
0.5
90°弯头
1
3
3
软接
0.5
1
0.5
合流三通
1.5
1
1.5
8
11.5
蝶阀
0.5
1
0.5
分流三通
1.5
1
1.5
6
13
电子除垢仪
7
1
7
电子除垢仪
7
1
7
90°弯头
1
2
2
合流三通
1.5
1
1.5
9.5
10
14
90°弯头
1
2
2
蝶阀
0.5
1
0.5
y型过滤器
3
1
3
电磁阀
0.5
1
0.5
软接
0.5
1
0.5
8
5.3冷冻水、冷却水系统循环水泵的选择
(1)冷冻泵台数宜按冷水机组的台数一对一匹配设计,不考虑备用,本工程选用2台冷冻泵。
而冷冻泵的选型是根据流量和扬程选定。
冷冻泵的流量按冷水机组蒸发器的额定流量定,并附加10%的余量,扬程为冷冻水循环管路、管件、冷水机组蒸发器阻力和末端设备表冷器的阻力之和。
本设计已经知道分水器—末端装置—集水器之间的压差,只要计算出冷冻站内冷冻水循环最不利环路的阻力,再加上蒸发器的阻力和末端告知的阻力,即为选冷冻泵扬程的依据,当然也要附加10%的余量。
所以,流量为L1=129×(1+10%)=141.9m3/h,扬程为H1=(3.9+16.5+5.3)×1.1=28.27mH2o。
根据额定流量和最不利环路的总阻力损失可以查水泵设备选型表,得出冷冻泵选用SB-X100-80-160K。
(2)冷却泵的台数宜按冷水机组的台数一对一匹配设计,不考虑备用。
本工程选用2台冷却泵。
而冷却泵的选型是同样根据流量和扬程选定。
冷却泵的流量按冷水机组冷凝器的额定流量定,并附加10%的余量,扬程由冷却水系统阻力(管道、管件、冷凝器阻力之和),冷却塔积水盘水位至冷却塔布水器的高差,冷却塔布水器所需阻力组成,并附加10%的余量。
所以,流量为L2=154×(1+10%)=169.4m3/h,扬程为H2=(1.93+4.6+3.7+2.78)×1.1=13.98mH2o。
根据额定流量和最不利环路的总阻力损失可以查水泵设备选型表,得出冷冻泵选用SB-X125-100-155/125K。
5.4冷却水系统补水量的计算
在开式机械通风冷却水循环系统中,各种水量损失的总和即是系统必需的补水量。
(1)蒸发损失:
冷却水的蒸发损失与冷却水的温降有关,一般当温降为5℃时,蒸发损失为循环水量的0.93%;当温降为8℃时,则为循环水量的1.48%。
(2)飘逸损失:
由于机械通风的冷却塔出口风速较大,会带走部分水量,国外有关设备其飘逸损失为循环水量的0.15%-0.3%;国产质量较好的冷却塔的飘逸损失约为循环水量的0.3%-0.35%。
(3)排污损失:
由于循环水中矿物成分、杂质等浓度不断增加,为此需要对冷却水进行排污,通常排污损失量为循环水量的0.2%-1%。
(4)其他损失:
包括在正常情况下循环泵的轴封漏水,以及个别阀门、设备密封不严引起漏液,设备停止运转时,冷却水外溢损失等。
综上,一般采用低噪声的逆流式冷却塔,使用在离心式冷水机组的补水率约为2.28%,对溴化锂吸收式制冷机的补水率约为22.83%。
如果概略估算,制冷系统的补水率为2%-3%。
本工程的补水率按2%计算,所以单台冷却塔补水量为:
154×2%=3.08m3/h。
补水位置:
本工程没有设集水箱,所以在冷却塔底盘处补水。
6、其他设备的选择
主要考虑保持水质的水处理设备、冷水机组及水泵的减振设备、系统定压设备、各种阀件等。
保持水质的水处理的方法一般有降阻垢、缓解垢处理等,一般常用电子除垢仪来保持水质,以及在设备进口设有y型过滤器,使水质净化,保证设备运行的安全。
为了防止冷水机组和水泵在运行时产生的震动影响基础和管道的稳定,一般采取减震措施,在冷水机组与地面、水泵与地面之间应增加隔震装置或距地面底部设置隔震层,冷水机组与水管、水泵与水管之间应增设软接以减少震动和保护管道。
系统定压设备一般采用膨胀水箱,起容积一般采用下列公式计算:
Vex=α△tVsym3
式中Vex—膨胀水箱有效容积(即由信号管到溢流管之间高度对应的水箱容积),m3;
α—水的体积膨胀系数,α=0.0006/℃;
△t—最大的水温变化值,℃;
Vsy—系统内的水容积,m3。
对于一般民用建筑,若以系统的设计冷负荷Qc为基础,系统的单位水容量大约为2~3L/KW进行简化计算,即Vex=αVsy△t=0.0006×(2~3)Qc×△t=(0.07~0.1)Qc(L),所以水箱容积约为Vex=0.085×1452=123.42L
分集水器直径应按总流量通过时的断面流速为0.5-1m/s初选,并应大于最大接管开口直径的2倍;长度的确定应保证各接管之间间距为120mm,两头接管至管头间距为100mm。
该公用建筑空调末端水系统共分为三路,分别供标准层风机盘管、标准层新风机组和公用部分的柜式空气处理机组,各路的冷量分配比例大约为:
40%(盘管);25%(新风);35%(公用)。
所以盘管、新风和公用的流量分别为71.6×40%=28.64L/s;71.6×25%=17.9L/s;71.6×35%=25.35L/s。
根据流量确定管径分别为DN200,DN200,DN200
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