单元16　空调冷冻站设计

null 单元16　空调冷冻站 单元16　空调冷冻站设计www.techbook.com.cn　目　录　目　录16.1 空调冷冻站的设计步骤16.1 空调冷冻站的设计步骤　　原始资料是设计的重要依据。原始资料的正确性与完整性，将直接影响设计的正确性及合理性，比如设备的选型、订货、运输、安装、运行与管理。因此，在空调冷冻站设计前，必须完整、准确地收集和掌握所需的各种资料 1. 冷负荷资料 　　冷负荷资料是进行设计工作的一项重要资料。其中应包括生产工艺和空气调节冷负荷两种，其参数应分别给出。主要参数应包括供冷介质种类及供冷参数，最大及平均小时用冷量，冷负荷曲线等。其来源有两种：一种是由制冷设计人员提供；另一种是由其他专业设计人员提供。16.1 空调冷冻站的设计步骤16.1 空调冷冻站的设计步骤2. 工程概况 　　在空调冷冻站设计之前，应了解供冷建筑物的使用功能，是否为改扩建工程，是否已预留站房位置，以及水文、工程地质及地震资料等。 3. 发展规划资料 　　在某些工程建设中，特别是对于工厂或分期建设的工程中，应考虑其近期和远期发展规划资料，并根据发展规划资料，预留由于冷负荷增加所需的扩建位置，考虑空调冷冻站的扩建问题。16.1 空调冷冻站的设计步骤16.1 空调冷冻站的设计步骤4. 水质资料 　　水质资料是指使用水源的水质资料，其中应包括水源种类、供水压力及温度，水的酸碱度（pH值）、硬度以及Fe、Mn含量等水质分析资料。 5. 气象资料 　　气象资料指建设地区大气的各种参数，应包括最高和最低温度、采暖计算温度、大气相对湿度、最大土壤冻结深度、全年主导风向及当地大气压力等。16.1 空调冷冻站的设计步骤16.1 空调冷冻站的设计步骤6. 电源、热源及油、气源资料 　　应了解建设地区电源、电价、增容等问题；供热的可能性及供热介质种类及参数；油、气源供应的可能性及参数。 7. 设备资料 　　拟选用机组或压缩机的特性、技术规格、技术参数、安装图参数，制冷辅助设备（如水泵、冷却塔、水处理设备等）及主要材料（如绝热材料、管材等）的安装图、技术性能指标、出厂价格及运输方式。　　16.1 空调冷冻站的设计步骤16.1 空调冷冻站的设计步骤8. 相关专业的资料 　　在设计时需要各有关专业共同协作，并提供设计中必需的条件、图纸和档案资料。对于改扩建的空调冷冻站，除需了解上述资料之外，还必须了解原有制冷设备的数量、使用年限、产品名称、制造商、产品结构特点、产品技术性能、运行情况、曾发生的事故及处理情况，原有厂房改建或变动情况，厂区有关地带的综合管线变更情况、厂区道路变更情况，空调冷冻站原有的设计图纸档案和有关专业的设计图纸档案，以及目前还存在的问题等。16.1 空调冷冻站的设计步骤16.1 空调冷冻站的设计步骤　　空调冷冻站的位置，应该由工艺设计人员按照有关、规范、负荷情况及用户的要求等因素综合确定。 　　（1）空调冷冻站的位置，应尽可能靠近冷负荷的中心位置，这样便于管路布置及减少冷量损失，使室内外管网布置更加合理、经济，便于日常管理。 　　（2）氟利昂压缩式制冷机组及溴化锂吸收式机组可设置在建筑物内，也可以根据具体情况布置于地下室内及楼层上。16.1 空调冷冻站的设计步骤16.1 空调冷冻站的设计步骤　　（3）空调冷冻站应尽量靠近电源、压缩空气站等，以便节省占地面积及初投资，并利于运行、管理和维护。16.1 空调冷冻站的设计步骤16.1 空调冷冻站的设计步骤　　空调冷冻站的设计容量，要根据生产工艺和生活所需要的冷负荷及服务对象对冷量要求的特性计算出最大冷负荷和平均小时冷负荷，然后再综合确定。设计容量是制冷机组选型、确定台数的重要依据。　　16.1 空调冷冻站的设计步骤16.1 空调冷冻站的设计步骤　　制冷机房的布置是指空调冷冻站站房内制冷设备及制冷辅助设备的布置。　　16.1 空调冷冻站的设计步骤16.1 空调冷冻站的设计步骤　　空调冷冻站的设计并不是由制冷工程设计人员独立完成的，还要在建筑、结构、采暖通风、电气、给排水等专业共同配合下，才能完成工程设计任务。　　16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置　　（1）确定制冷系统的制冷量。制冷系统的制冷量包括用户需要的制冷量以及制冷系统和供冷系统的冷损失。供冷损失可按冷量损耗系数计算确定，对于直接制冷系统，附加系数为1.05～1.07；对于间接制冷系统，附加系数为1.07～1.15。16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置　　（2）制冷机组类型的选择。制冷机组类型的选择是指制冷系统的形式及制冷剂的确定。制冷系统形式是根据所服务的对象用途、总制冷量和当地的环境条件等多种因素综合考虑确定的。对于大型的空调系统，制冷系统多采用单级蒸气压缩式冷水机组；对于有余热、废热可利用的单位，制冷系统可采用吸收式冷水机组。对于直接供冷或卫生要求较高的用户，可选用氟利昂作制冷剂；对于冷库、人工冰场或间接制冷系统，可选氨作制冷剂。确定制冷系统和制冷剂，应综合考虑节能、环保、安全、经济性好、维修周期长、自动化程度高等因素。　　16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置　　（3）制冷系统制冷工况的确定。应当确定的参数有：蒸发温度、冷凝温度等。 　　（4）冷水机组选择。 　　（5）选择其他辅助设备（各种泵类、阀类、冷却塔、水处理设备及其他设备）。16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置【例16.1】空调用户要求供给7℃的冷冻水，回水平均温度为11℃，需要的总冷量为780 kW。可利用河水作冷却水源，水温最高为32℃。试选择有关制冷设备。 【解】采用氨作为制冷剂，利用河水作为冷却水源，选用立式壳管冷凝器，冷却水采用直流式供水系统。 （1）确定制冷量 　　采用间接制冷系统，取附加系数为10％，则制冷系统的制冷量为： 　　Φ0=1.1×Φ0=1.1×780=858 kW （2）确定制冷工况 　　蒸发温度t0：比要求供给的冷冻水温度t2低5℃ 　　t0=t2-5=7-5=2℃16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置　　冷凝温度tk：比冷却水进出口平均温度高6℃，取立式壳管式冷凝器冷却水进出口温差为4℃，则 　　tk=32+362+6=40℃ （3）选择制冷压缩机 　　选择制冷压缩机或冷水机组的方法有下列三种： 　　①根据制冷压缩机的理论输气量选择 　　根据t0=2℃，tk=40℃，从氨的lgp-h图上查得有关数据，如图16.1所示。 　　从有关样本查得： 6W-12.5型制冷压缩机的理论输气量Vh1= 0.118m3/s≈425m3/h；8S-12.5型制冷压缩机的理论输气量Vh2=0.157m3/s≈566m3/h。选择6W-12.5型和8S-12.5型制冷压缩机各一台，理论输气量Vh=Vh1+ Vh2=0.118 +0.157=0.275m3/s=990m3/h。 　　qV=(h1-h4)/v1=(1763-687)/0.27=3985kJ/m3 　　ηV=0.94-0.085[(pk/p0)1/1.28-1]= 0.8116.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置　　Vh=Φ0/ηVqV=858/(0.81×3985)=0.266 m3/s=956 m3/h 　　各台制冷压缩机的制冷量为： 　　Φ01=ηV Vh1qV=0.81×0.118×3985=380.9 kW 　　Φ02=ηV Vh2qV=0.81×0.157×3985=506.8 kW ②根据冷量换算公式选择 　　根据t0=2℃，tk=40℃，从换算系数表16.1中查得冷量换算系数ki=2.04，则标准制冷量为： 　　Φ0A=Φ0B/ki=858/2.04=421 kW 　　从有关样本查得：6W-12.5型制冷压缩机的标准制冷量Φ0A1=183.7 kW；8S-12.5型制冷压缩机的标准制冷量Φ0A2=244.2 kW。选择6W-12.5型和8S-12.5型制冷压缩机各一台，标准制冷量Φ0A=Φ0A1+Φ0A2=183.7+244.2=427.9 kW，可以满足要求。 ③根据制冷压缩机特性曲线选择16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置图16.1 氨的lgp-h图16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置　　制冷机房设计时应参照设计规范及实际情况进行设备布置。 　　（1）大中型制冷机房内的主机间应尽量与辅助设备间、水泵间分间设置，制冷机房宜与空调机房分开设置。 　　（2）大中型制冷机房内应设置值班室、控制室、维修间和卫生间等生活设施。有条件时应设置通信设备。 　　（3）在建筑设计中，应根据需要预留设备的维修或清洗空间，并应配备必要的起吊设施。16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置16.2 制冷设备的选择和制冷机房的布置　　（4）氨制冷机房应设置两个互相尽量远离的对外出口，其中至少有一个出口直接对外，大门应设计成由室内开向室外。氨制冷机房的电源开关应布置在外门附近，发生事故时，应能立即切断电源，但事故电源不能切断。氨制冷机房应设置每小时不少于3次换气次数的机械通风系统和每小时不少于12次换气次数的事故排风系统，配用的电动机必须采用防爆型，并应设置必要的消防和安全器材。 　　（5）制冷机房设备布置的间距见表16.2(同见P243)。16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统　　制冷量向用户输送有两种方式，即直接供冷和间接供冷。 　　直接供冷是把制冷系统的蒸发器直接布置在被冷却场所，对被冷却介质直接进行冷却，使低温低压液态制冷剂直接蒸发吸收被冷却介质的热量，如窗式空调器直接冷却送入空调房间的空气。采用这种供冷方式的优点是可以减少一些中间设备，投资少，机房占地面积少，且制冷系数较高；缺点是蓄冷性能较差，制冷剂渗漏可能性增大，所以适用于中小型系统或低温系统。　　16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统　　间接供冷是首先利用蒸发器冷却载冷剂，再由载冷剂冷却需要冷却的介质。在大型的中央空调系统中，多采用间接供冷方式，并且大多以水作为载冷剂，称为空调冷冻水。用水作为载冷剂的间接供冷系统称冷冻水系统。冷冻水系统是中央空调系统的重要组成部分。16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统　　根据用户需要情况不同，冷冻水系统可分为开式冷冻水系统和闭式冷冻水系统。 1. 开式冷冻水系统 　　在开式冷冻水系统中，一般采用重力式回水。当空调机房及空调系统末端等用冷设备与空调冷冻站有一定高差且距离较近时，回水可借助重力作用流回冷冻站。图16.2和图16.3分别给出了使用不同蒸发器的重力式回水系统。这两个系统的优点是：有较大的水容量，因此温度比较稳定，蓄冷能力大，不易冻结；结构简单，不设回水泵，调节方便。缺点是：水泵的扬程要克服空调冷冻站与用冷设备的高差，耗电量大，水与空气直接接触，所以系统易受腐蚀。16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统2. 闭式冷冻水系统 　　图16.4是闭式冷冻水系统。此种系统采用压力式回水，系统中所用的蒸发器只能是壳式蒸发器。当空调冷冻站的地形受限制或系统较大，不宜或不能采用重力式回水，只能采用闭式压力回水。这种系统回水泵需克服设备及管路的阻力将水送回至冷冻站。这种系统的优点是载冷剂基本不与空气接触，对管路、设备的腐蚀较小，系统中水泵只需克服系统的设备和管路阻力，因此节约电力。其缺点是：水容量小，负荷变化时供冷不稳定，蓄冷能力差。因此，闭式系统的特点与开式系统的特点相反。系统中设有膨胀水箱，其作用是在水温升高时容纳水膨胀增加的体积和水温降低时补充水16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统体积缩小的水量。设置要求及计算方法同热水供暖系统中的膨胀水箱（参见《供热工程》）。 　　膨胀水箱的有效容积应大于系统中载冷剂的膨胀量。16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统图16.2　开式冷冻水系统图16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统图16.3　直立管式蒸发器的重力式回水系统16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统图16.4　闭式冷冻水系统16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统　　空调冷冻水系统按系统中水的流量是否变化，可分为定水量系统和变水量系统。定水量系统是通过调节冷冻水的水温来适应空调负荷的变化，而水量不变。变水量系统是供水温度不变，通过调节冷冻水水量来适应负荷变化。由于空调负荷需要的冷冻水量经常性地小于设计流量，所以变水量系统具有节能潜力。 　　变水量系统有一级泵系统和二级泵系统两种常用的冷冻水系统。16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统1. 一级泵系统 　　图16.5为一级泵系统（又称一次环路水系统）示意图。这是一种最简单的系统，常用的一级泵系统是在供回集管之间安装一根连通管，并安有压差控制的稳压阀（双通道电动阀门）。当用户负荷下降，供回水管水压差超过设定值时，便自动启动稳压阀，使一部分水量不流向用户而旁通回到冷水机组 ，从而保证冷水机组的水流量不减少，以保持冷水机组侧流量不变，而用户侧处于变流量运行。目前，由于冷水机组可在减少一定水量情况下正常运行，所以，供回水集管之间可设置连通管，而整个系统在16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统一定负荷范围内采用变流量（根据冷冻水的供水温度来控制冷水机组的运行台数）运行，这样可使水泵能耗大为降低。一级泵系统组成简单，控制容易，运行管理方便，一般多采用此种系统。 16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统2. 二级泵系统 　　图16.6为二级泵系统（又称一、二次环路水系统）示意图，它由两个环路组成：由一次泵、冷水机组和旁通管组成的环路称为一次环路，由二次泵、空调机组、空调末端设备和旁通管组成的环路称为二次环路。一次环路制备冷冻水，二次环路输配冷冻水。这种系统的特点是采用两组泵来保持冷水机组一次环路的定流量运行，而用户侧二次环路为变流量运行，从而解决空调机组、空调末端设备要求变流量与冷水机组蒸发器要求定流量的矛盾。该系统完全可以根据空调负荷需要，通过改变二次水泵的台数16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统或者水泵的转速调节二次环路的循环水量，以降低冷冻水的输送能耗。可以看出，二级泵系统的最大优点是能够分区分路供应用户侧所需的冷冻水，因此适用于大型系统。 16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统图16.5　一级泵系统示意图16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统图16.6　二级泵系统示意图 16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统1. 一级泵的选择 　　（1）水泵流量的确定。水泵流量应等于冷水机组蒸发器的额定流量并附加10%。 　　（2）水泵扬程的确定。水泵扬程应为一次环路阻力并附加10%，其中包括管路、设备及各种附件的阻力。 　　（3）一次泵台数应与冷水机组台数相同，即水泵与冷水机组一一对应。16.3 冷冻水系统16.3 冷冻水系统2. 二次泵的选择 　　二次泵流量的确定按所在分区夏季最大冷负荷计算确定。 　　G1=1.1×Q0/CΔt×3600 （16.1） 16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统　　在制冷系统中，冷却水主要用于水冷式冷凝器、过冷器（又称再冷却器）、压缩机的冷却水套等。常用的冷却水水源有江水、河水、海水、深井水、自来水等。冷凝器冷却水系统，根据建厂地区的水源条件不同，可分为直流式冷却水系统、混合式冷却水系统、循环式冷却水系统。16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统　　直流式冷却水系统属于一次用水系统，是最简单的冷却水系统，冷却水经设备使用后直接排掉，不再重复使用。由于冷却水使用后的温升不大，一般在3～8℃，因此这种系统的耗水量很大，适宜用在有充足水源的地方，如江河附近、湖畔、水库旁。直流式冷却水系统一般不宜采用自来水作水源。16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统　　混合式冷却水系统如图16.7所示。经冷凝器使用后的冷却水部分排掉，部分与供水混合后循环使用。这种系统用于冷却水温度较低的场合，如使用井水。采用这种系统后，可提高冷凝器的出水温度，增大冷却水的温升，从而减少冷却水的耗量，井水是宝贵的水资源，大量的汲取使用，会使地面下沉，因此，即使这种系统可减少冷却水的耗量，也不宜在大型系统中采用。16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统图16.7　混合式冷却水系统16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统　　在水源不足的地区采用循环用水系统，只需少量的补给水。当采用淋激式冷凝器、蒸发式冷凝器循环用水时，无须另设冷却构筑物。当采用壳管式冷凝器时，则需设冷却水塔、水池，有时候还要增加二级循环泵站。　　 　　循环式冷却水系统的特点是冷却水循环使用。冷却水经冷凝器等设备吸热升温后，再利用水蒸发吸热的原理对它进行冷却。蒸发冷却的装置有两类——喷水池和冷却塔（凉水塔）。　　16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统1. 采用喷水池的循环冷却水系统 　　图16.8所示是利用喷水池的冷却系统。在水池上部将水喷入空中，增大水与空气的接触面积，使少量的水蒸发把自身冷却下来。喷水池的结构简单，可以与美化环境的喷泉结合起来，但冷却效果差，占地面积大，一般1m2水池面积可冷却的水量为0.3～1.2m3／h。这种系统现在已经很少见到，只有在气候比较干燥地区的小型制冷系统中可能用到。16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统2. 采用冷却塔的循环冷却水系统 （1）冷却塔 　　冷却塔有自然通风式和机械通风式两类,后者是空调、冷藏制冷系统中常用的设备。目前国内工厂生产的定型机械通风式冷却塔产品大多用玻璃钢做外壳，故又称玻璃钢冷却塔。按冷却的温差，玻璃钢冷却塔可分为低温差（5℃左右）和中温差（10℃左右）两种，蒸气压缩式制冷系统中用低温差冷却塔已足够了。按水和空气的流动方式，玻璃钢冷却塔又可分为逆流式、横流式、横逆流式、喷射式四种。图16.9是逆流式冷却塔的结构示意图。为增大水与空气的接触面积，在冷却塔内装满淋水填料层。填料一般是压成一定形状的塑料薄板。水通过布水器淋在填料层16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统上，空气由下部进入冷却塔，在填料层中与水逆向流动。这种冷却塔结构紧凑，冷却效率高，从理论上讲，冷却塔可以把水冷却到空气的湿球温度。实际上，冷却塔的极限出水温度比空气的湿球温度高3.5～5℃。由于水有比较大的汽化潜热，如把水冷却5℃，蒸发的水量不到被冷却水量的1％，但是，由于空气夹带水滴和滴漏损失，冷却塔的补充水量为冷却水量的2%～3％。 16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统（2）卧式壳管式冷凝器循环冷却水系统 　　图16.10为卧式冷凝器循环冷却水系统。采用此时，须注意冷却水在冷凝器中的温升应与冷却塔的降温能力相适应。一般情况下冷却塔的降温能力为2～3℃，因此决定冷却水在冷凝器内的温升时，只能采用与之相适应的温度。　　 　　系统中水泵的扬程应为冷却塔喷嘴与水池水位的高差、管路系统阻力、冷凝器阻力和冷却塔进水口预留水头（可从设备样本上查得，一般为3～6mH2O）之和。16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统（3）立式壳管式冷凝器循环冷却水系统 　　图16.11为立式冷凝器循环冷却水系统。冷却水靠自流进入立式冷凝器。冷却塔布置在高于立式冷凝器的地方，只需一个水池，一级循环泵，即可实现循环用水，冷却塔可以架设在机房屋顶上。水泵的扬程应为冷却塔与水池水位高差、管路阻力和冷却塔进水口预留压力之和。 　　图16.12的循环冷却水方案需要两个水池，或者将一座较大的水池分隔为两个，需要二级循环水泵，比前者复杂得多。而且设在低处的冷却塔其效果不如设在屋顶上好，两级水泵的流量也难以平衡，补给水消耗量较大。16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统　　（4）冷凝器冷却水、压缩机气缸套冷却水、冲霜用水综合循环冷却水系统。 　　此系统如图16.13所示。这个方案节约水量。16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统图16.8　利用喷水池的冷却水系统16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统图16.9　逆流式玻璃钢冷却塔16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统图16.10　卧式冷凝器循环冷却水系统 16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统图16.11　立式冷凝器循环冷却水系统16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统图16.12　立式冷凝器循环冷却水系统16.4 冷却水系统16.4 冷却水系统图16.13　综合循环用水示意图16.5 冷冻站施工图16.5 冷冻站施工图　　冷冻站的施工图一般不单独设计，而包含在通风空调设计中。为了施工方便，应由设计说明、设备平面图、管路平面图、水系统原理图、剖面图、系统图等组成。null