冷库课程设计-小型氨系统制冷工艺设计
小型氨系统制冷
工艺设计
（第四组）
院 系：能源与环境学院 班 级：热能092 学生姓名：
指导教师：孙昆峰
2013年1月
小型氨系统制冷工艺设计
一个单层500t 生产性冷藏库，采用砖墙、钢筋混凝土梁、柱和板建成。隔热层外墙和阁楼采用聚氨酯现场发泡，冻结间内墙贴软木，地坪采用炉渣并装设水泥通风管。整个制冷系统设计计算如下：
1. 设计条件
1. 气象和水文资料
2. 制冷系统
采用氨直接蒸发制冷系统。冷藏间温度为-18℃，冻结间温度为-23℃。 3. 冷藏库的平面布置
冷藏库的平面布置如下图所示。
2. 设计计算
整个制冷系统的设计计算是在冷库的平面立面和具体的建筑结构和围护结构确定之后进行的。首先计算冷库的耗冷量，然后计算制冷机器和设计。计算出程序如下：
1. 冷库维护结构的传热系数计算
主要计算外墙、内墙、阁楼层和地坪的传热系数，计算公式如下： 热阻的计算公式为：
R i =δi λi , R s =a
传热系数的计算公式为
K =
1
αs
+
12++⋅⋅⋅+λ1λ2αw
对于墙面的对流换热系数α，外墙表面α取；内墙表面α取；冻结间的内墙表面取。各冷库维护结构及其传热系数的计算见表1-1。
3. 冷库耗冷量的计算
（1）冷库围护结构传热引起耗冷量 按计算围护结构传热面积原则计算各库房围护结构的传热面积，然后计算耗冷量。
1）冷库围护结构的传热面积。 冷库围护结构的传热面积计算见表1-2.
表1-1 冷库围护结构及其传热系数的计算
表1-2 冷库维护结构的传热面积表
2） 冷库围护结构的耗冷量计算下表1-3.
表1-3
的计算表
2︒
注：公式Q =KA α-(T w -T n )中，K 为传热系数⎡W /m ∙C ⎤，A 为传热面积m 2，α为温差修正系
⎣
(
)⎦
()
︒︒
数，T w 为室外温度C ，T n 为室内温度C 。
()()
（2）食品冷加工的耗冷量
冻结间进行食品冷加工的耗冷量按第三章的计算公式计算。由于冷藏间属于生产性冷库，进入冷藏间贮存时的耗冷量，要按每昼夜冻结能力比例摊入于各冷藏间内。该库有三间冻结间，每间冻结能力为6.5t/日，共19.5 t/日。三间冷藏间按比例摊分，每间进货量为6.5 t/日。假设冻结的食品为猪肉。
（1）冻结间：
食品在冻结前后的焓值查附表可得h 1=330kj kg ；h 2=12. 2kj kg ，n=1，T =20h。
Q
21
=
G (1-2)
nT
=
6500*(330-12. 2)
=28. 69kw
1*20*3600
（
2）冻结物冷藏间：
G =19500kg/日, 食品前后的焓值查附表3得：h 1=12. 2kj kg ；h 2=4. 6kj kg ，T=24h。
Q
21
=
G (1-2)
nT
=
19500*(12. 2-4. 6)
=1. 72kw
1*24*3600
（3）通风换气的耗冷量 这个冷库没有需要换气的库房，因而没有通风换气的耗冷量。所以Q 3=0。
（4）经营操作耗冷量 计算公式为
Q 5=Q 5a +Q 5b +Q 5c =q d F
V n (h w -h n ) mr n 3
+n r q r
2424
每平方米地板面由于冻结间不计经营操作耗冷量则只考虑冻结物冷藏间经营操作耗冷量。积照明热量2. 30w /m 2
1）库房照明耗冷量
2) 开门耗冷量：
Q 5b =
v n （h w -h n ）Mr n
24⨯3600
V—冷间内净容积（m 3）；
n—每日开门换气次数冻结物冷藏间1、3按2.2次计算；冻结物冷藏间2按2.3次算 h w 、h n —冷间外内空气的比焓（kj /kg ）；室外空气的比焓，按温度35℃相对湿度80﹪
下的比焓109.3kj/kg；室内空气的比焓，-18℃冷藏库相对湿度为95﹪的比焓为15.975kj/kg；
M—有空气幕的修正系数，取0.5；
r n —冷间空气的密度；-18℃冷藏库空气密度为1.4m 3/kg 冻结物冷藏间1、2、3的开门耗冷量为
3) 操作工人耗冷量：
Q 5c =
其中：n ——操作间的人数，按4人计算；
ntq r
24
T—操作人员的工作时间，按每日3小时计算； q r —每个操作人员产生的耗冷量，取419w ；
ntq r 4*3*419
=w =209. 5w
2424
Q 5c =
4号、5号、6号冻结间电动机的运行耗冷量相同：冷风机使用的电动机有4台，每台功率为2.2kW ，，电动机运转耗冷量为6.6kw ，冻结物冷藏间没有风机，此项耗冷量Q 4=0
（6）总耗冷量
1）库房冷却设备的总负荷：按公式计算于表1-4。
Q q =Q 1+qQ 2+Q 3+Q 4+Q 5
其中，冻结物冷藏间p=1；冻结间p=1.3
表1-4 库房冷却设备的总负荷
2）制冷机器的总负荷
Q j =(n 1∑Q 1+n 2∑Q 2+n 3∑Q 3+n 4∑Q 4+n 5∑Q 5）R
冷库的生产旺季不在夏季，Q 1的修正系数取1；冷藏间面积≥100㎡时，修正系数取0.5；冻结间取1
；R =1.07带入计算后见表1-5
表1-5 机器负荷表
4. 制冷压缩机机及配用设备的选择计算
冷库的耗冷量计算以后，便可按机器总负荷选择制冷压缩机及所配用的设备。按这个冷库的设计条件，确定冷凝温度、氨液冷凝后的再冷温度以及制冷压缩机循环的级数，然后进行计算。
冷凝温度：可以采用循环水，考虑循环水进入冷凝器的温度为+30℃，出水温度为32℃，所以冷凝温度为
t k =[(30+32) /2+7]℃=38℃
氨液的再冷温度：氨液自冷凝器流入高压贮液器，在供至膨胀阀之前可以经行再冷却，一是冷凝器在室外，高压贮液器在室内，氨流进高压贮液器和供至膨胀阀的过程中，受环境的温度影响会自然降温，冷凝温度降低3-5℃。氨液通过中间冷却器的蛇形盘管进行冷却，氨液再冷温度较中间温度高3-5℃。
制冷循环的压缩级数:这个冷库要求冷藏间的温度为-18℃，冻结间温度为-23℃，如果蒸发温度与库房温度的温差为10℃，则蒸发温度为-28℃和-33℃。
制冷系统采用双级压缩循环，
流向冷却设备的氨液经由中间冷却器的蛇形盘管经行冷却，冷却后的过冷温度比中间温度高5℃。然后通过膨胀阀节流降低到蒸发压力。
在制冷压缩机的实际运转过程中，所吸入的气体是过热气体而不是饱和蒸汽，在计算制冷压缩机的制冷量时，可以根据吸入气体的比体积来计算，即允许制冷剂有一定的过热。
按照允许吸气温度来计算制冷压缩的制冷量，制冷压缩机循环图如下图所示。
其具体参数如下表：
按压力和温度条件，查的图中各相应状态点的焓值见表1-6：
表1-6个状态点的焓值
（1）制冷压缩机的选用计算 双级压缩机的制冷量以低压级压缩制冷含量为计算依据，选用计算的目的主要是求出需用的压缩机排气量和需用的电动机功率，先计算低压级然后计算高压级。选用压缩机时一般不适宜少于两台，要考虑维修时不停产；配备多台压缩机时，要注意型号以及零件的互换性，并按制冷压缩机产品目录样本选用。
另外，也可以考虑单级制冷压缩机，配组为双级制冷压缩，压缩机的高压级和低压级的容量比可以变化。
本例中制冷压缩机的选用计算见表1-7：
表1-7 压缩机的选型计算表
(2)制冷压缩机配用设备的计算
1）冷凝器 冷凝热负荷Q L 的计算公式为
Q k =G g
h 4-h 5(1860. 1-598. 41)
=543. 63*=190. 53kw 36003600
采用立式冷凝器，考虑单位热负荷q F =3. 5m 2时，冷凝面积为：
F =Q k q F =190. 53/3. 5=54. 44m 2
应选用F =75m 2的立式冷凝器LN75-00-00一台。 2）中间冷却器的选用 桶径的计算公式为
d =
4λg q v 3600πω
=
4*0. 82*141
=0. 286m
3600*π*0. 5
式中d-中间冷却器的内径（m ）；
λg -氨压缩机高压级输气系数；
q v -氨压缩机高压级理论输气量141m /h；
3
ω-中间冷却器内流体的流速选为0.5 m/s。
蛇形盘管传热面积面积（㎡）：
A p =
Q zj k ∆t zj
=
G d (h 5-h 7) 412. 73*(598. 41-432. 13)
==1. 847m 2
k ∆t zj 580*17. 796
取中间器的K 值为580W/ ㎡·K ， 其对数平均值温差的计算公式为：
t L -t g 38-4. 5
∆t zj ===17. 796
t l -t zj 38+1. 5
2. 3*lg 2. 31lg
4. 5+1. 5t g -t zj
式中：t l —冷凝温度
t zj —中间冷却温度
t g —中间冷却器蛇形盘管出液温度，应比中间冷却温度高3-5度。在此取3度。 应选用型号为ZL2.0-00-00外径φ500mm 、蛇形盘管冷却面积为2㎡的中间冷却器一台。
3）油分离器的选用。
其计算公式： d y =式中：
1. 按选用的四台双级压缩机的高压级活塞理论输气量q V =141m 3， 2. 高压级压缩机输气系数λg =0. 82； 3. ω油分离器的流速为0.5m/s 则应选用YF-65T φ325mm 油分离器一个。 4）放空气器。选用KFA-32型放空气器一台。
5）集油器。按规则，制冷量在200kw 以下时选用JY-150集油器一台。
6）高压贮液器。氨液的总循环量G=543.63kg/h，冷凝温度下的氨液比体积v=0.001716,容量系数φ取为1.2，充满度β取为0.7，则按式计算得
V =
Gv φ
=
543. 63*0. 001716*1. 2
=1. 599m 3
0. 7
4q v 4*0. 82*141
==0. 286m
3600ωπ3600*π*0. 5
β
应选用ZA-1.5B 型容积为1.69m 3的贮液桶一只 综上所述压缩机及其辅助设备如下表
5. 供液方式的选择
该冷库有-18℃的冷藏间和-23℃的冻结间各三间，为了简化系统，采用一个-33℃的蒸发温度，并采用氨泵循环供液方式。冷却设备的进液采用上进下出的方式。当制冷压缩机停止运行时，部分氨液存在冷却设备内。冷却间和冻结间分别设置液体分调节站与操作台，在操作台上调节各库的供液量。
6. 冷藏间冷却设备的设计
该冷库为生产性冷库，储存冻肉的时间较短，考虑采用光滑管制的双层顶排管，有利于保持库内较高的相对湿度，管径采用φ38mm ，管距为150mm ，在库内集中布置。平时用人工扫霜，清库时采用人工扫霜和热氨冲霜相结合的除霜方法。
这种形式的顶排管的传热系数一般8.12~11.6W m 2⋅k 。 （1）需用冷却面积
（2）钢管长度 按计算得出顶排管管数见表1—8
顶排管材料见表1—9。
注：甲为no.1和no.3库用，乙为no.2库用
顶排管制作图如下图所示。
7. 冻结间冷却设备的设计
按要求食品的冻结时间为20h ，冻结间的冷却设备应采用强制通风的干式冷风机或强力吹风式搁架冻结排管。从冻结间的平面布置形式来看，吹风方式适合采用纵向吹风。如考虑冻结分割肉或副产品等，也可在一间冻结间设置强力吹风搁架排管。本例采用强制通风的干式冷风机。
纵向吹风冻结间：
(1)
需用冷风机的冷却面积及风机选型
8．低压循环桶设计
本设计采用立式低压循环桶，进液方式为下进上出，其需用容积计算如下：
1. 计算冷却设备的容积V 1。按制冷设备容积的40％、回气管容积的60％和液管容积的总和除以70％计算 冷却设备的容积V 1：
2. 回气管的容积V 2
3. 计算液管容积V 3。 4. 需用低压循环贮液桶容积V 为
V
0. 4V 1+0. 6V 2+V 3
=2. 388m 3
0. 7
应选用DXZ1-2.5A 外径φ=1000mm 低压储贮液桶一台，容积2.5 m3。
此外，低压循环贮液桶的直径是按气体流速为0.5s 考虑决定的。所选的φ=1000mm 桶径可用作如下复核：
氨气的循环量V=404.94*1.1058=447.7827 m3 氨气的流动速度为0.5s ，D =
4*447. 7827
=0. 563m
3. 14*0. 5*3600
所选一只桶径为φ=1000mm 的贮液桶足够。
每个低压循环桶前配一个手动节流阀，并按低压循环贮液桶上管接口的规格选用。
9．排液桶的选用计算
排液桶用于冷库制冷系统中暂时存放蒸发器冲霜排出的液体制冷剂和其他设备的排液。根据排液桶的作用，以体积选型使其容纳各冷间中排液量最多的一间蒸发器的排液量其体积计算公式如下：
V =
V zl θzl
=0. 689m 3
β
式中：V —排液桶的体积
θzl —各冷间中冷我、却设备注氨量最大的一间蒸发器的注氨量体积的百分比 Vzl—各冷间中冷却设备注氨量最大的一间蒸发器的总体积 Β—排液桶液体充满度，一般取0.7 则排液桶选型号ZA-1.0B 容积为0.99。
10．氨泵的选用计算
冷藏间的冷却设备为顶排管，它是靠空气自然对流进行热交换的，氨泵的流量以氨的循环量的四倍计算。
冻结间的冷却设备为冷风机，它是以强制通风对流进行热交换的，氨泵的流量以氨的循环量的五倍计算。
氨泵的扬程如下
a. 本设计中，氨泵至蒸发器之间供液管的阻力损失∆p 1则供液管长度及阻力件的当量长度如下
由于φ50mm 所对应的当量长度最多则氨液的密度取650kg/m3, 流速为0.5m/s，摩擦阻力系数λ=0.035，则供液管的阻力损失∆p 1为
L ρω2
∆p 1=λ⋅=2589.23Pa
d 2
b. 本设计中，氨泵中心至蒸发器的液注高H=3.5m，则氨泵中心至蒸发器进液口的液注相应的压力∆p 2为
∆p 2=ρgH =650*9. 8*3. 5=22295Pa
c. 蒸发器关闭应保持98000Pa 的剩余压力，以调节各蒸发器的流量。 在选择泵前应考虑安全余量取1.1，故氨泵的扬程相对应的压力为 P p =1.1*(22295+2589.23+98000)=0.135MPa
则泵应选40P-40N 两台，每台流量2.8 m 3/h，扬程32米
11．系统管道的管径的确定
12．制冷设备和管道的隔热层厚度
查书中相应的图表，得出各隔热层的厚度如下：
13. 材料明细表
整个系统的主要材料明细表见下表。