1、 郑州轻工业学院 本科毕业设计（论文） 题 目 8KW 工业用低温液体冷却器 学生姓名 专业班级 热能 学 号 院 （系） 机电工程学院 指导教师 (职称 ) 完成时间 8KW 工业用低温液体冷却器 目 录 摘 要 . I ABSTRACT .II 1. 绪论 . 1 1.1 低温液体冷却器介绍 . 1 1.2 功能与总体结构 . 2 1.3 设计要求 . 2 1.4 制冷系统的选择 . 3 2. 制冷剂的选择及热力性质计算 . 3 2.1 制冷剂的分类 . 3 2.1.1 制冷剂的选择原则 . 5 2.1.2 制冷剂的确定 . 6 2.2 初步确定制冷工况 . 7 3 设计计算 . 8 3.
2、1 制冷剂热力学性能计算 . 8 3.2 冷凝器设计计算 .10 3.2.1 冷凝器概述 .10 3.2.2 冷凝器的比较 .10 3.2.3 确定温度参数 .12 3.2.4 冷凝器的设计计算 .12 3.3 风机的选型计算 .16 4. 压缩机的选型与校核 .17 8KW 工业用低温液体冷却器 4.1 压缩机的比较 .18 4.1.1 滚动转子式压缩机 .18 4.1.3 往复式活塞式压缩机 .19 4.1.4 离心式压缩机 .20 4.1.5 螺杆式压缩机 .21 4.2 压缩机的选型计算 .21 4.2.1 理论排气量的计算 .21 4.2.2 压缩机的校核 .23 5 蒸发器的设计计
3、算 .26 5.1 蒸发器概述 .26 5.2 蒸发器的比较 .26 5.2.1 干式氟利昂蒸发器 .26 5.2.2 满液式蒸发器 .26 5.2.3 循环式蒸发器 .27 5.3 选用载冷剂 .27 5.4 制冷剂侧传热系数的计算 .28 6 节流机构 .31 6.1 节流机构概述 .31 6.2 节流机构的分类 .32 6.2.1 手动节流阀 ： .32 6.2.2 浮球节流阀 .33 6.2.3 热力膨胀阀 .33 8KW 工业用低温液体冷却器 6.2.4 毛细管 .35 6.2.5 电子膨胀阀 .36 6.3 热力膨胀阀的校核 .37 7 其他辅助设备的计算与选型 .40 7.1 干
4、燥过滤器计算与选型 .40 7.2 视液镜 .42 7.3 电磁阀 .42 7.4 压力控制器选取 .43 7.5 水泵 .43 7.6 储液器的选型 .45 7.7 膨胀水箱的选型 .46 8. 隔热结构的设计 .47 结束语 .49 致 谢 .50 参考文献 .51 8KW 工业用低温液体冷却器 I 8KW工业用 低温 液体 冷却 器 摘 要 低温 液体 冷却 器 又称低温箱 ， 它有一个小型化的独立的制冷系统和载冷剂循环系统两部分组成。其中制冷系统采用蒸汽压缩式制冷 ， 制冷剂发生气液相变吸收载冷剂氯化钙 (CaCl2)水溶液所放出的热量。载冷剂由于被冷却使其温度降低来对一些实验用品进行
5、保温和降温。根据设计的不同 ， 温度能达到不同的要求。 本设计主要关注的是制冷剂的选择和制冷系统中各部件的设计及选取。由于现如今“温室效应”和臭氧层破坏等环境问题的日益严重 ， 采用环保型制冷剂已是迫在眉睫 。 本文中 简要介绍了各种制冷剂 的状况 ， 以及 选取 R404A作为制冷剂 的 缘由 。 主要介绍了 制冷器件的 设计 ， 以及 全封闭活塞式压缩机的选型与校核 ， 风冷冷凝器的设计 ，风机的选型与校核 ， 套管式蒸发器的设计 ， 以及其他辅助设备 例如 :干燥过滤器 ，视液镜，热力膨胀阀，电磁阀，水泵 ,等 的选取 。 关键词 ： 低温 液体 冷却 器 ； 制冷 ； 蒸发器 ； 冷凝
6、器 8KW 工业用低温液体冷却器 II 8KW industrial cryogenic liquid coolers ABSTRACT Low-temperature cooling liquid circulating pump is similar to a low-temperature box. It contains two parts that are a smaller, independent refrigeration system and a cooling agent circulatory system. Among this device, refrigeratio
7、n system makes use of vapor compression refrigeration, the system makes the refrigerant change from gas to liquid ,and the refrigerant absorbs energy that are released by the containing cooling agent (CaCl2). So the containing cooling agents temperature was cooled by the refrigeration. Now we can ma
8、ke use of the lower temperature to cool some experiments or suffer the cooling energy from losing. According to the design of different requirements we can achieve different temperature. The design of the main concern is the choice of refrigerant and cooling system design and selection of the compon
9、ents. Because nowadays increasingly serious “greenhouse effect“ and the destruction of the ozone layer and other environmental issues, the use of environmentally friendly refrigerants is imminent. This paper briefly describes the various conditions of the refrigerant, and to select a reason for the
10、refrigerant R404A. Introduces the cooling device design, and fully enclosed piston compressor selection and verification, air-cooled condenser design, selection check, casing design with evaporator fan, and other auxiliary equipment such as: dry filter, sight glass, thermal expansion valve, solenoid
11、 valves, pumps, and other selections. KEY WORDS Cryogenic cooling； Refrigeration technology； Evaporator； Condenser 8KW 工业用低温液体冷却器 1 1. 绪论 1.1 低温液体冷却器介绍 随着改革开放 30,年的深入进行 ,我国的制冷技术也有了突飞猛进的快速发展。在高新技术飞速发展的二十一世纪 ， 低温与超低温的实验和冷藏对许多行业和部门已成为必不可少的手段。例如 :在生物制药厂、医院、高等院校及科研院所的实验室中进行低温生物、生化实验研究或产品小试 、 血浆、脏器和生物制品的保
12、存 ， 远洋制品、电子元件、化工材料、建筑材料等特殊材料的超低温实验及储存等 1。 在 生物制药的研究和开发部门，医院的生理或病理实验室，细菌和病菌的 标本以及 高等院校 、 科研院所的生物 、生化 、 生物制药实验室 ，为进行低温生物 ， 生化试验等 ，需要进行低温试验，低温生物实验的样本大多是生命体，对温度非常敏感，当温度发生变化时，有可能会使生命体死亡，如在进行生物制品生产时，温度如果过高，一方面效率会很低，另一方面，质量会很差 2。 这类情况所需的 制冷量一般都很小 。 低温箱是用于低温冷藏的主要设备 ， 我国对于低温实验的设备需求量很大 ， 但是使用的低温箱 大 多从国外进口 ， 主
13、要原因是他们的产品性能稳定、可靠性高、体积小并且能达到很低的温度还容易操作。反观我国生产的同类产品体积不仅庞大并且可靠性也不高 ，制冷温度和精度也都达不到 求。目前 国内进行低温实验一般采用消耗制冷剂法 ， 如进行 -60 -80实验时大多 以丙酮为冷媒 ， 在其中加入干冰来制冷降温。消耗制冷剂法常用的制冷剂还有 液氮、液氦、液氢等 。 采用这种方法制冷剂的消耗量比较大 ， 而且温度不容易保证 3。低温 液体冷却器 是近几年问世的一种低温实验设备 ， 能够连续的、低成本的获得所需的低温。这类产品大多数采用风冷式全封闭压缩机组制冷及微机智能控制系统 ,提供低温循环冷却水 (液 )流或低温恒温水
14、(液 )流 ,以满足用冷却水及低温液体去降温或恒温仪器 4,如 旋转蒸发器、发酵罐、电子显微镜、低温化学反应釜、电子能谱仪、质 仪、 密度仪、冷冻干燥仪、真空镀膜仪、反应 等。也可把多种容积直接在槽内低温恒温实验。它的特点主要有以下几个 。 1)采用了全封闭压缩机组制冷 ， 可以有效的防止制冷剂的泄露。微机智能控 制制冷系统自动开启 、 制冷系统具有延时、过热、过电流等多重保护装置。 2)循环泵可将槽内冷却液输出冷却产品或在恒温机外实验容器中建立第二 恒温场。 3)所有操作均可在微机智能控制仪上按动触摸软键完成 ， 操作简单 方便 8KW 工业用低温液体冷却器 2 随着我国教育、科研、医疗和制
15、药事业的不断发展 ， 对低温实验设备的需求量也不断增加。本文针对 -10温区的需求 ， 对低温 液体冷却器 进行设计。着重关注的是对制冷各器件的设计及选取。 1.2 功能与总体结构 低温液体冷却器 的功能： 1)将载冷剂冷却到所需温度 ,2)对外输出载冷剂并进行低温冷却循环 ,3)直接冷却 烧瓶，试管，此时可对瓶内液体进行均匀搅拌，按功能所需，可分为 制冷系统 ，载冷系统 ， 电气控制系统等组成 。 低温液体冷却器 是利用制冷系统将载冷剂冷却，再用载冷剂去冷却 被冷却物品 ，以满足 所需要求 。 冷媒可以在 容器内部进行循环 ，也可以向外输出冷却低 温恒温冷却，即进行外循环。冷媒可以用 数字
16、式温度控制系统进行控制，实现连续可调。 装置可为移动整体式 结构 ，载冷剂容积，低温用载冷剂泵以及电控系统，这些位于上部，制冷系统位于下部。 制冷系统 采用单级制冷系统，包括制冷压缩 机 、冷凝器 、 轴流风机、干燥过滤器、电磁阀 、热力膨胀阀、蒸发器等部件。 1.3 设计要求 1)制冷温度 : -10 2)制冷量 :8 kW 3)控温精度 : 1 4)使用环境温度 : 0-35 5)使用环境相对湿度 : 85 6)电源 ： 3 380V 50Hz 7)名义工况 : 室外空气干球温度 32 ,出水温度 -10、回水温度 -5。 8)冷却方式 ： 强制对流风冷 9)制冷剂 ： HCFC 类或 H
17、FC 类 10)安全保护 ： 高压、低压、断水、冻结 8KW 工业用低温液体冷却器 3 1.4 制冷系统的选择 制冷系统的重要性对于产品不言而喻。选择一个合适的制冷系统不仅能使产品更容易的达到制冷要求 ,而且还能有效地降低成本和消耗 ，有利于节能 排。因此 ,我们要针对产品的要求 ， 选择合适的制冷系统。从课题的设计要求并综合了各方面因素来看 ，现我拟采用最简单的制冷循环系统 ， 即单级压缩制冷循环。原因主要有以下几个 1)根据经验可知 ,单级压缩制冷所能达到的温度大约为 0 40。 2)设计要求的制冷温度为 -10 ， 此温度并不算高 ， 用普通的中温制冷剂即可达到要求。 3)在单级压缩制冷
18、系统中 ， 制冷器件数量少 ， 易设计及选取 ， 更有利于节约 成本。 4)系统组成简单 、 布置结构紧凑 、 体积更小。综合以上因素考虑 ， 选定本设计产品采用单级压缩制冷系统。 2. 制冷剂的选择及热力性质计算 如果说制冷系统是一个产品的灵魂 ， 那么制冷剂就是它流动的血液。毋庸置疑 ，选择一种合适的制冷剂对产品的性能影响重大。制冷剂在整个制冷系统中起着纽带作用 ， 地位是不可替代的 ， 制冷系统通过制冷剂状态的变化与外界发生热交换 ， 进行热量传递 ,从而达到制冷的目的。 2.1 制冷剂的分类 制冷剂又称制冷工质，是制冷循环中的工作介质，制冷剂在制冷机中循环流动，通过自身热力状态的变化与
19、外界发生能量交换，从而实现制冷的目的。 简而言之，制冷剂就是制冷系统中传递能量、实现循环的工作介质 5。习惯上又称制冷剂为制冷工作介质或简称工质。 乙醚是最早使用的制冷剂，当前，能用作制冷剂的物质有 80多种，最常用的是氨、氟里昂类、水和少数碳氢化合物等。本世纪 30年代氟里昂制冷剂的出现，对制冷技术产生了推动作用。由于其无毒、无味、不燃和无爆炸等优点，且腐蚀性小，热稳定性和化学稳定性好，逐步成为一种较理想的制冷剂，得到 了广泛的应用。现被采用的制冷剂约有二三十种 ,主要有氨、氟利昂、水等。 目前 ， 制冷剂大概有以下几种类型 ： 无机物氨制冷剂、氟利昂制冷剂 ， 如 R11、 R22、 R2
20、3 等 ， 共沸制冷剂 ，8KW 工业用低温液体冷却器 4 如 ： R507、 R502， 和非共沸制冷剂 ， 如 ： R407C、 R410A等。 氨作为一种无机物制冷剂 ， 历史上曾被广泛使用 ， 但是由于氨泄漏所引起的危害 ，一度被禁止使用。直到最近 ， 由于环保型制冷剂的发展 ， 才又一次开始使用。氨制冷剂多用于大型冷库系统中。氟利昂是迄今为止应用最为广泛的制冷剂 。 虽然它有着优越的热力学性能 ， 但是 ， 随着环境问题的恶化 ， 它有被逐渐代替的趋势。共沸 制冷剂和非共沸制冷剂是近年兴起的环保型制冷剂。不同于单一的制冷剂 ， 它是有几种不同的制冷剂按照不同的配比所混合而得 的。由于
21、混合型制冷剂有着和单一制冷剂迥然不同的热力学性能 ， 它已经开始作为一种环保节能的制冷剂进入人们的视野。 特别是非共沸制冷剂 ， 它是有几种不同沸点的制冷剂混合而成。由于高 、 低沸点的不同 、 非共沸制冷剂存在有“温度滑移”的现象。这样当使用冷却水冷却时 ， 更容易实现“洛伦兹循环” ， 从而有利于提高制冷系数和节能性能。 从 19世纪 30年代 ,Perkins发明了 蒸汽 压缩式制冷循环后 ,人类迎来了制冷技术的发展期 ,而制冷剂的发明、更新和替换始终贯穿整个过程。目前根据新时期的发展要求 ,制冷剂又将面临新的挑战。 表 2-1所表示的是 J . M. Calm所描述的制冷剂的发展的 4
22、个阶段 : 表 2-1 制冷剂发展历程 第 1代 第 2代 第 3代 第 4代 年代 1830-1930 1931-1990 1991-2010 2010- 原则 能用即可 安全与耐久性 臭氧层保护 防止全球变暖，低 ODP，低 GWP，高效 制冷剂 醚类， CO2，空气，甲酸甲酯 CFCs, HCFCs NH3 ,H2O ( HCFCs ) , HFCs , NH3 , H2O ,HCs , CO2 ( HCFCs ) , NH3 , H2O , HCs , CO2 , 空气 （ 1）按组成区分，有单一制冷剂和混合型制冷剂。单一制冷剂是指用作制冷剂的物质在化学上是单一的、纯净的物质，不包括溶液或其他混合物。包括无机化合物、卤代烃、碳氢化合物和乙醚及其氟代物等。而混合型制冷剂又可分为共沸混合制冷剂和非共沸混合制冷剂两类。 （ 2）按化学成分，主要有三类：无机物、氟利昂和碳氢化合物。其中本世纪 30年代氟里昂制冷剂的出现，对制冷技术产生了推动作用。由于其无毒、无味、不燃和无爆炸等优点，且腐蚀性小，热稳定性和化学稳定性好，逐步成为一种较理想的制冷剂，得到了广泛的应用。但是氟里昂有其缺点，它是一种 “温室效应气体 “，而且它会一定
