1、合肥工业大学本科毕业设计 毕业设计 院系名称 机械与汽车工程学院 2015 年 06 月 12 日 设计题目 双冷源冷水机组设计 学生姓名 李杰 学 号 20111368 专业班级 热 能与动力 11-4 班 指导教师 王铁军 24 匹风冷 /蒸气压缩双冷源冷水机组设计 目 录 摘要 :. 1 ABSTRACT: . 2 1 绪 论 . 3 1.1 引言 . 3 1.2 发展状况及前景 . 3 2 制冷系统设计 . 5 2.1 方案确定 . 5 2.2 本设计的题目与数据 . 6 2.2.1 设计题目 . 6 2.2.2 设计工况 . 6 2.2.3 研究内容 . 6 2.3 相关参数设定 .
2、 6 2.3.1 制冷单元性能工况 . 6 2.3.2 蒸发温度和冷凝温度确定 . 6 2.4 制冷剂的选择 . 7 2.5 制冷循环热力计算 . 8 2.6 压缩机的选型 . 10 3 制冷单元换热器设计计算 . 12 3.1 空气进出口冷凝器的温差及风量 . 12 3.1.1 冷凝器的对数平均温差 . 12 3.1.2 冷凝器风量风机计算 . 12 3.2 冷凝器结构的设计 . 12 3.2.1 初步设计 . 12 3.2.2 空气侧传热系数计算 . 13 3.2.3 管内 R410A 冷凝时表面传热系数 . 15 3.2.4 计算所需传热面积 . 15 3.2.5 风侧阻力计算 . 17
3、 4 制冷单元蒸发器设计计算 . 18 4.1 冷冻水流量计算 . 18 4.2 冷量负荷及介质流量 . 18 4.3 设计对数传热温差初步计算 . 19 4.4 结构初步设计 . 19 4.5 干式蒸发器结构设计 . 20 合肥工业大学本科毕业设计 4.5.1 初步结构设计 . 20 4.5.2 壳程换热系数计算 . 21 4.5.3 管内外 R410A 的传热系数 . 23 4.5.4 管外传热系数 . 25 4.5.5 计算管内流动阻力和平均传热温差 . 25 4.5.6 计算面积热流量及传热面积 . 25 4.5.7 水侧流动阻力计算 . 26 5 自然冷却时的换热器设计计算 . 28
4、 5.1 冷凝器设计参数 . 28 5.2 空气进出口冷凝器的温差及风量 . 28 5.3 冷凝器结构设计 . 28 5.3.1 冷凝器有关参数设计 . 28 5.3.2 肋片管各部分传热面积的计算 . 29 5.3.3 计算空气侧的传热系数 . 29 5.3.4 计算冷水在管内的传热系数 . 31 5.3.5 计算所需传热面积 . 32 5.3.6 风侧的阻力计算 . 33 5.4 流程布置对 R410A 冷凝器性能的影响 . 33 6 表面式换热器设计 . 36 6.1 换热器结构初步设计 . 36 6.2 肋片管各部分传热面积的计算 . 36 6.3 确定空气流通换热器时的状态过程 .
5、37 6.4 计算空气侧的传热系数 . 37 6.5 计算冷水在管内的传热系数 . 39 6.6 计算所 需传热面积 . 39 6.7 风侧阻力计算 . 41 7 辅助元件选型及计算 . 42 7.1 风机选择 . 42 7.1.1 轴流风机选择 . 42 7.1.2 采用自然冷却时室外风机选择 . 43 7.2 制冷单元膨胀阀选择 . 43 7.2.1 确定膨胀阀两端的压力差 P . 43 7.3 壳体结构设计 . 44 7.3.1 连接管的确定 . 44 合肥工业大学本科毕业设计 7.3.2 管板设计 . 45 7.3.3 法兰设计 . 45 7.3.4 支座的选择 . 45 结论 . 4
6、7 致谢 . 48 参考文献 . 49 附 录 1 干式蒸发器主视图 . 50 附 录 2 干式蒸发器左视图 . 51 附 录 3 风冷冷凝器零件图 . 52 附 录 4 自然冷却时风冷冷凝器零件图 . 53 附 录 5 室内换热器零件图 . 54 合肥工业大学本科毕业设计 第 1 页 共 60 页 摘要 : 本课题是 关于对 24 匹（ 60KW ）风冷 /蒸发压缩式双冷源冷水机组机房空调 的 循环 流程 的设计 ， 其中设计的主要流程包括关键部件的 论证、 压缩机选型、换热器计算、 制冷剂 选择以及制热量的 选择方案 。 随着信息时代的发展，整个社会信息化程度的不断提高，对于数据中心机房空
7、调的需求也越来越大，在有限的空间内 IT 设备的密度和业务都不断增大，随之而来的是用电负荷的逐渐加大，热流密度的不断提高，这就要求我们不断探索新的空调解决方案。作为数据中心空调的集中冷源，冷冻水系统与各自独立的直接膨胀式空调系统相比，制冷效率更高，设备更集 中，运行更稳定，故障率和维护成本更低，国外众多大型数据中心普遍使用冷冻水空调系统。本设计采用双冷源冷水机组在于充分利用室外冷空气对高温回水进行直接冷却，减少压缩机的启动时间，从而达到节约资源。其中它与普通冷水机组最大的区别在于它在冷凝盘管之前安装了自然冷却热交换盘管，优先利用环境冷空气冷却盘管内的回水。通过冷冻水循环管路的精心设计以及控制逻
8、辑的优化，实现与机房内部空调气流组织的完美匹配，并且可以根据室内热负荷以及室外环境的变化，对冷冻水流量进行灵活的调节，将自然冷却的效益发挥到最大，始终使机组保持高效运行 14 。 关键字：双冷源冷水机组； 机房空调； 自然冷源； 风冷 24 匹风冷 /蒸气压缩双冷源冷水机组设计 第 2 页 共 60 页 Abstract: The main topic is about the circulation flow 24 (60kw) air / vapor compression chillers double cold source of design, process design, inc
9、luding the main argument of critical components, compressor selection, calculation of the heat exchanger, refrigerant selection and heating capacity options. With the development of the information age, the whole society to continuously improve the level of information, data center demand for room a
10、ir-conditioning is also growing, in a limited space density IT equipment and services are increasing, and the attendant electricity load is gradually increased, and continuously improve heat flux, which requires us to constantly explore new air conditioning solutions.As a centralized data center air
11、 conditioning cooling source, chilled water systems, compared with independent direct expansion air conditioning systems, higher cooling efficiency, the device is more concentrated, more stable, lower failure rate and maintenance costs, many large data centers abroad widespread use of chilled water
12、air conditioning system. Double cold source chillers that take full advantage of this design uses high-temperature outdoor cold backwater direct cooling, reducing start-up time of the compressor, so as to achieve the conservation of resources.Where it is with ordinary chiller biggest difference is t
13、hat it is installed before the condensing coil natural cooling heat exchanger coil, designed to preferentially use backwater environment inside the cold air cooling coil. By careful design of frozen water circulation piping and control logic optimized to achieve a perfect match with the room air dis
14、tribution inside and can change according to the indoor and outdoor environment, the heat load on the chilled water flow for flexible adjustment, natural cooling to maximize efficiency, and always keep the unit running efficiently. Keyword: Double cold source chiller; CRAC; Natural cooling source Ai
15、r-cooled 合肥工业大学本科毕业设计 第 3 页 共 60 页 1 绪 论 1.1 引言 制冷技术在国民经济中应用极为广泛，几乎没有一个部门不应用这一技术。在食品工业方面，制冷技术应用最早。目前，在商业流通中冷库设施、冷藏船、冷藏列车、冷藏汽车以及冷藏柜台、冰箱等装置的使用逐渐普及，而冷藏库的服务范围， 随着社会经济、科学技术的发展以及人民生活水平的提高，空调技术越来越广泛应用于日常生活及各种社会场所。 尤其是 随着信息时代的快速发展，催生了更多的数据机房的建设，与此同时，机房产生的大量的热量急需排出室内，以保证机房的机器能够安全的运行，为了让机房的机器能保证在一定的 温度范围内运行，需
16、要利用制冷技术来解决当前问题，通过机房空调的建设，可以实现数据机房的温度、湿度以及洁净度保持在一定的范围内，这样可以实现恒温恒湿环境，使得机房的机器能够正常的运行。 1.2 发展状况及前景 信息产业和数字化时代的快速发展，推动了数据机房的建设和数量，随着机房空调的建设，机房空调在机房的能耗的比例越来越高，由于机房的机器需要全年运行在一定温度范围内才能保证其安全性，这使得机房空调需要一年四季连续运行，尤其是在室内设定温度低于室外侧温度的季节，特别是在寒冷的北方，常规的空调系统仍需要继 续运行压缩式制冷系统，传统的压缩式制冷系统工作效率不是很高，而且在工作容易出现故障，所以，新的制冷系统应运而生
17、15 。 目前较为常见的机房空调使用的制冷装置系统采用风冷冷水机组、水冷冷水机组，若能利用室内外的温差来提供室内的冷量，这将大大减少空调系统的能耗和运行成本 ,即为机房空调提供集中冷源的冷水机组需要常年运行即便在室外温度很低的条件下也需要空调继续运行，当室外温度较低的条件下，我们可以利用室外的冷空气来冷却高温回水，这样我们就 可以实现在不适用压缩机的情况下，实现制冷效果，这种方法我们称之为自然冷却，不需要开启压缩机制冷系统，即压缩机处于关闭状态，其中此冷水机组与常规的冷水机组的最大区别在于它在冷凝盘管之前安装了自然冷却盘管内的回水。从而实现了根据室外温度的不同切换制冷系统的运行方式。 在自然冷
18、却冷水机组的基础上，相继提出了全新的数据中心的机房空调解决24 匹风冷 /蒸气压缩双冷源冷水机组设计 第 4 页 共 60 页 方案，如阿尔西提出的数据中心自然冷却冷冻水系统，它通过冷冻水循环管路的精心设计以及控制逻辑的优化，实现与机房内部空调气流组织的完美匹配，并且可以根据室内热负荷以及室外环境的变化，对冷 冻水流量进行灵活的调节，将自然冷却的效益发挥到最大，始终使机组保持高效运行。又如目前较为先进的处理方案就是基于热管技术的机房空调解决方案，主要是利用了热管实现了相变制冷，其制冷效果比常规的制冷效果高出很多 14 。 相信在不远的未来，机房空调的解决方案能够得到进一步提升，这样就能节约更多
19、的资源。 合肥工业大学本科毕业设计 第 5 页 共 60 页 2 制冷系统设计 2.1 方案确定 根据论文设计要求，本次设计采用双冷源冷水机组设计 9 ，其原理图见图2-1 2-1 复合型机房空调模块方案图 1-节流结构 2-制冷单元冷凝器 3-制冷单元压缩机 4-壳管式换热器 5-旁通电磁阀 6-室外冷凝器 7-室内末端装置 8-液泵 原理：根据选用的双冷源冷水机组设计要求，此设计夏季采用制冷压缩循环，室内高温回水与制冷剂在壳管式换热器里面进行热交换，被冷却的低温冷水继续进入室内，在室内末端装置处与室内高温空气进行换热，将热量带出室内，这样就可以实现室内温度保证在一定的范围内。高温高压的制冷
20、剂通过铜管到达室外，经过室外风冷冷凝器，与室外实现热交换，变成低温高压的制冷剂，在通过节流阀的作用，变成低温低压的液体，这样实现了机械制冷循环。冬季 时，当室外温度较低时，此时，可以关闭机械制冷系统，室内高温回水直接通过三通阀，到达室外冷凝器，直接与室外冷风进行换热，然后冷却的高温回水又进入房间，实现无压缩机制冷，此制冷方式为自然冷却。 该冷水机组的特点： （ 1）采用自然冷源，当室外温度一定低的时候，可以关机机械制冷循环，实现无压缩式制冷，此方案可以实现更多的节能，重要的是可以延长压缩机的寿命。 （ 2）采用此方案，可以使系统工作在三个工作区，当室外温度较高时，采用24 匹风冷 /蒸气压缩双
21、冷源冷水机组设计 第 6 页 共 60 页 机械制冷循环，当室外温度处于一定范围时，可以开启自然冷却系统循环，室内高温回水可以先 通过室外翅片式冷凝器进行风冷，带走一部分热量，接下来水在与制冷剂进行换热，这样可以实现一定量的节能。当室外温度足够低时，可以完全关闭机械制冷系统，直接用室外冷风进行冷却，可以实现无压缩制冷。 2.2 本设计的题目与数据 2.2.1 设计题目 ： 60kw 风冷 /蒸发压缩式双冷源冷水机组设计 2.2.2 设计工况 ：制冷量为 60kw，运行环境（ -1050 c ），并参考相关标准 2.2.3 研究内容： 本次课题研究主要是研究风冷 /蒸气压缩双冷源冷 水机组的基本
22、工作流程设计，论证关键部件、制冷剂（ R410a）的选择方案，并分析系统的先进性。设计内容包括：热力计算、压缩机选择、换热器设计，附件选择，系统集成。 2.3 相关参数设定 2.3.1 制冷单元性能工况 按 GB17758-2001 里面的规定，制冷单元性能工况见表 2-16 所示 表 2-1 制冷单元性能工况 工况条件 室内侧空气状态（ c ） 室外侧空气状态（ c ） 干球 湿球 干球 湿球 使用工况 0.33 5.19 35 24 2.3.2 蒸发温度 和冷凝温度确定 （ 1）蒸发温度 0t 确定 : 冷冻水进口温度 1st = c17 ，出口温度 cts 122 ，则根据公式可确定蒸发温度 0t 为： ctttmss 85.62 1217-2 210 ； 其中 m 为蒸发器中平均传热温差，对于氟利昂等制冷剂蒸发器取 6-8C ，为了使机房运行时空调机组不产生冷凝水，提高机房空调的安全性，则本次设计空调的冷水供回水温度由 cc 12/7 提升到 cc 18/12 13 。冷水温度的提升，可以使冷水机组的 COP 值可以更高，则系统节能效应更好； （ 2）冷凝温度 kt 确定： cttt k 5015351 ； 其中 1t 是进口空气干球温度（ c ），按照当地夏季室外通风干球温度计算，t 为冷凝温度与进口温（干球）之差，取 ct 1510 ，本次设计取 c15 ；
