唐威力300KW地源热泵机组设计任务书

vii地源热泵系统在中国的发展前景摘要：发展应用地源热泵系统是我国建筑行业的发展趋势，因为它可以实现节能减排的时代要求。当前，我国建筑物消耗的能量占总能耗的比重愈来愈大，节能减排已经的刻不容缓的任务了。在我国较经济发展水平比较高的城市，制冷、供暖和供热所需要的能量现在已经占到建筑物总消耗的45-55%。尤其是北方冬天供热所用的燃气锅炉的大量使用，使生态环境受到了很大的破坏。所以，节能减排和可持续发展已经成为了中国经济发展的一个重大任务。中国的气候条件是多数地方冬天冷夏天热，也就是说冬季需要进行供暖，夏季需要空调供冷。现在的生活水平越来越高，生活质量的要求也高了，所以夏热冬冷的地方需要供暖和空调制冷，可见空调产品的市场潜力非常大，因此地源热泵系统的发展潜力也不可限量。

综上所述，可知地源热泵系统用有节能、环保、市场开阔等多方面的优点，能够克服中国传统的供暖方式中所存在的问题，符合中国实行可持续发展战略和节能减排的政策，因此，地源热泵系统在中国的将来必将有广阔的市场前景。目前，在我国地源热泵系统的发展已经有了一个良好的势头，尽管还存在这样或那样的问题，总的发展趋势是不可阻挡的。关键词：地源热泵，夏热冬冷，空调，节能减排，建筑

ThedevelopmentprospectofthegroundsourceheatpumpsysteminChinaAbstract:thedevelopmentofapplicationofgroundsourceheatpumpsystemisthedevelopmenttrendofconstructionindustryinourcountry,becauseitcanrealizetheeraofenergyconservationandemissionsreductionrequirements.Atpresent,ourcountrybuildingenergyconsumptionaccountsfortheproportionoftotalenergyconsumptionisbecomingmoreandmorebig,hasbeentheurgenttaskofenergysavingandemissionreduction.Inourcountry,thecitieswithhigheconomicdevelopmentleveliscooling,heatingandheatsupplytheenergyneededtopowerhasnowbeen45-55%oftotalconsumptionofthebuilding.Especiallyinthenorthwinterheatinggasboilerusedintheextensiveuse,alotofdamagetotheecologicalenvironment.So,energyconservationandemissionsreductionandsustainabledevelopmenthasbecomeamajortaskofChina'seconomicdevelopment.China'sclimateiscoldinwinterhotinsummer,inmostpartsofthatisneedforheatinginwinter,summerneedairconditioningcooling.Nowishigherandhigherlivingstandards,thequalityofliferequirementishighalso,sothehotsummerandcoldwinterplaceneedheatingandairconditioningrefrigeration,airconditioningproductsmarketpotentialisverylarge,sothedevelopmentpotentialofgroundsourceheatpumpsystemisnotlimited.Aboveall,cleargroundsourceheatpumpsystemwiththeadvantagesofenergy-saving,environmentalprotection,themarketisopen,canovercometheproblemsinthetraditionalChinesewayofheating,itisinChinapursuesapolicyofsustainabledevelopmentstrategy,energyconservationandemissionreduction,therefore,groundsourceheatpumpsysteminChinawillhaveabroadmarketprospectinthefuture.Atpresent,thedevelopmentofgroundsourceheatpumpsysteminourcountryhasagoodmomentum,althoughitisstillaproblemofonekindoranother,thegeneraldevelopmenttrendisunstoppable.Keywords:groundsourceheatpump,coldwinterhotsummer,airconditioning,energyconservationandemissionsreduction,andbuilding目录前言 v1、地源热泵简介 11.1地源热泵的发展历史 11.2地源热泵工作原理 22、任务参数及系统方案设计与选择 52.1任务参数 52.2热泵冷凝和蒸发温度 52.2.1基本参数的确定 52.2.2R22压焓图： 62.2.3机组原始参数 72.2.4压缩机的参数计算 72.2.5蒸发器的负荷 72.2.6蒸发器的参数计算 72.2.7冷凝器参数计算 82.2.8本设计制热系数COPS的计算 82.3方案工作原理图 93冷凝器的设计计算 103.1计算机组冷凝器的各种参数 103.1.1热负荷 103.1.2平均温度差计算 103.1.3估算传热面积 113.1.4冷却水流量的计算 113.1.5校核 123.1.5.1管程对流传热系数计算 123.1.5.2壳程对流传热系数计算 123.1.5.3总传热系数 133.1.5.4传热面积的校核 133.2冷凝器结构设计 143.2.1冷凝器管程 143.2.2冷凝器管板的结构形式的确定 143.2.3冷凝器壳体的设计 163.2.4冷凝器封头的设计 163.2.5设计折流板 173.2.6设计拉杆 183.2.7设计进出口管道 183.2.7.1进出口管道的设计 183.2.7.2设计壳程的进出口管 193.2.8设计进出管的法兰 203.2.9确定壳程进出口接管的位置 213.3冷凝器应力校核 213.3.1强度校核 213.3.1.1筒体上的应力计算 233.3.1.2管子上力的计算 243.4水压试验校核 254气液分离器的设计 265蒸发器的设计 295.1计算蒸发器的各种参数 295.1.1蒸发器热负荷 295.1.2平均温差 295.1.4估算传热面积 305.2校核 315.2.1总传热系数 315.2.2校核传热面积 325.3蒸发器的结构设计 335.3.1管程 335.3.2蒸发器筒体 335.3.3管板的计算 355.3.4封头的设计 375.3.5其他附件 385.3.6进出口管设计 415.4实验校核 445.4.1水压试验 445.4.2气密性实验 456压缩机与阀的选型 476.1压缩机选型 476.1.1确定总排气量 476.1.2确定排气压力 486.2阀的选型 517地源热泵系统在应用中须解决的问题 528结束语 53参考文献 54谢辞 55前言地源热泵这个名词最先由1912年瑞士科学家佐伊利{H.Zoelly}的一份专利报告中出现。从那以后的很长一段里，人们一直对地源热泵系统作研究，不过基本上都处于试验观察状态。在1930年左右，全世界最早的地源热泵系统开始进行运作。地表水源热泵系统真正意义上的市场化应用却是在1980年左右2，进入20世纪以来，地表水源热泵技术顺应时代发展的要求得到了迅速的发展。在中国，地源热泵系统的应用前景也越来越明朗。地源热泵系统作为一种新技术它可达到节能环保和可持续发展的目的。它能将地表土壤等地表低温蓄热体中的自然能量转换到建筑物里进行热交换，借此利用自然能源来达到节能减排和经济实用的目的。要为地源热泵系统一般情况下不会污染地下水源，也不会引起地面坍塌，所以它不会对周围的生态环境造成坏的影响。有效并且可持续地利用自然资源，减少常规不可再生能源的消耗是一种发展趋势，所以地源热泵系统愈来愈具有独特的发展优势，并成为一种高效节能环保、无污染的可持续发展的能源系统。地源热泵系统可作为空调系统的冷热源使用运行。研究和发展地源热泵技术即可节能环保，而且也对我国可持续发展有很大的促进作用。地源热泵系统主要由四部分组成，它们是地表面浅层地热能源采集系统，水源热泵机组，室内供暖和空调系统，控制系统。地表水源热泵系统是属于人造冷热源工程,所以它可以替代燃气锅炉或着市区供暖管网等系统运行。其工作原理是：冬天时从地表表层、浅层地下水中取热,进而向室内供暖；夏天时它将建筑物空调体系散发的余热转向地表表层、地表水散放，借此来使建筑物制冷；并且它还可以提供生活用水，可以说是一举多得，是一种非常有效的利用自然能源的方式。这次设计的任务主要是研究地源热泵技术的应用与自来水的加热。主要包括系统总体方案的设计和机组的结构设计。主要设计部件有：冷凝器、蒸发器、压缩机、等。整个设计基本上是按照我国国家标准和相关行业标准来进行的。此次进行地源热泵机组的设计对我来说受益匪浅，它是对我大学学到的知识的一次全方位运用，能够让我们学着怎么样运用专业知识去分析和解决工作中的实际问题及培养正确的设计思想。通过查阅和检索有关方面的技术资料，进行缜密的设计.培养了我自主思考自己动手的综合能力，形成了一定的机械设计思路和培养了作为机械设计者的基本能力，为将来我们能够进行机械设计打下了一定的基础。百密一疏，由于我的水平不是很高，也没有多少实际操作经验，并且时间上也不可能做过多深入的研究，所以设计中不可避免的有一些错误和不妥之处，希望各位老师多多指导多多包涵，在此深表感谢。南华大学机械工程学院毕业设计第20页共55页1、地源热泵简介1.1地源热泵的发展历史地源热泵系统的概念形成于1930年左右，是由奥格勒斯贝和凯姆勒两个研究员在他们合作所写的《热泵应用》中所提出的，到1940年的时候美国已经安装了十几台大型商业应用热泵，其中大部分以水作为热源。1950年左右欧洲的一些国家和美国发起了研究地源热泵（GSHP）的第一次革命。在二十世纪70年代，世界范围内的石油危机使人们开始关注节能和可持续发展，地源热泵的研究又进入了又一次技术革命，这时瑞典的科学家革命性地第一次将一种塑料管成功地应用在了闭式管路地源热泵工程上，从而使它得到了迅速发展。由于其节能性和与环境的友好性而得到世界上很多国家的重视，呈现出了良好的发展趋势。从此以后，愈来愈多的国家开始发展应用这种新型系统。通过几十年的发展，地表水源热泵技术在发达国家已经能够比较高效率地使用，其主要应用是在空调系统中。根据美国的地源热泵协会的统计，在美国大概有六百多所学校成功使用GSHP系统，而且运行效率非常高。由于经济适用而且节能环保，现今在美国，地源热泵系统的安装数量以每年百分之二十几的速度增加，在21世纪初地源热泵在美国的销售数量更是达到了四十多万台实际的市场化应用中，由于在北美不同的气候条件下，北美更多地在一年四季进行冷热联供，安装闭式水环热泵；欧洲的发达国家普遍采用冬季供暖的方式，夏天则安装使用热泵站集中供热制冷。而中国的气候条件与北美大同小异，因此北美的热泵应用方式对我国更具借鉴意义中国的地源热泵系统研究 起始于1950年左右，南京一所大学的热能研究所开始了对地源热泵系统的第一次研究。直到80年代才得到了具体深入的发展。最近，地源热泵技术在节能、空调制冷和建筑等行业成为了热点研究对象，并开始在工程现场进行实践，热泵产品也与之相关地产生，研究“地热空调”成为了一种发展趋势。在研究领域，国内许多高校已经先后确立了很多研究地源热泵系统的项目，开始地下垂直式换热器与地源热泵设备共同运行的实验研究。研究主要集中在以下几个方面：（1）地下埋管换热器的传热效能研究；（2）夏天瞬态工况下的数值模拟研究；（3）热泵部件与装配的假设模型的理论和实际研究；（4）能够替代制冷剂的其他工质的研究；（5）其他自然能源如光能、自然风能等与地表低温热源共同运行的研究；（6）地源热泵系统设计和现场施工的研究；（7）装备在商业化下的经济效能和效能参数的研究；（8）垂直埋管换热器与地源热泵的性能匹配研究；（9）地表泥土的导热效率以及热物性的研究等等。1.2地源热泵工作原理地源热泵系统的换热器一般埋于地表面下，在高强度塑料管（PE管）组成的封闭环路中通过水的往复循环流动换热，可以达到通过热交换器与地表土壤进行冷热交换的目的。夏天由机组将建筑物内的多余热量转换到地表下，从而使房间进行降温，并且能够储存热量，以备冬用。冬天通过热泵将地表土壤中的热量转换到室内，进而对建筑物进行供暖，而且储备冷能量，留在夏天时使用。因为地表面的土层本身就是一个能量聚集地，所以通过地源热泵系统能够进行能量的冷热交换，达到供暖制冷的效果，工作原理如图1.1所示。图1.1地源热泵系统工作原理图系统换热器埋管形式的选择：换热器埋在地表下基本上只有两种形式，包括水平式埋管和垂直式埋管。施工场地地面面积、土壤类型和岩土以及钻孔施工费用等决定了实际情况下该选用哪种形式。虽然水平式埋管通常是进行浅层埋管，可人工开挖，施工费用也比垂直式埋管要少一些，可是在换热性能方面它比垂直式差很多，而且易受到施工场地的大小的限制，所以在通常情况下的工程施工中，基本进行垂直式埋管。图1.2埋管方式冬天地源热泵中的R22制冷剂开始正向流动，系统中的压缩机压缩出高温高压的制冷剂气体流入冷凝器并向集聚的水中释放热量，然后态相变化成为高温高压的液体，经过膨胀阀的节流作用，降低压力变为低温低压的液体流入蒸发器，从地表下的液体中吸取低温热能，态相变化为低温低压的饱和蒸汽的形式，而后流进压缩机的吸气端，压缩机进行压缩后排放出高温高压的气体，就这样往复循环下去。通过系统循环往复的运行将地表下土壤的低温热能交换到集水器，这样就可以持续地向用户提供舒适的热水。图1.3地源热泵技术示意图夏天的时候，系统中的制冷剂开始逆向流动，所以此时冷凝器与蒸发器的作用完全反了。冷凝器改变为向集水的容器中的低温水交换热能，蒸发器改变为向在地表下循环的液体中释放热量，而循环液中的热量转向地表土壤的低温区散热，这样经过制冷剂的逆向流动，就可以持续循环地向室内提供所需要的冷量了，这就是地源热泵制冷供热的大概原理。

2、任务参数及系统方案设计与选择2.1任务参数据设计任务书可知，原始数据如下：机组制热功率：300KW冷源温度：进口温度℃出口温度10℃冷凝器的进出口水温：进口40℃出口45℃制冷剂：R22应用环境：衡阳市室外2.2热泵冷凝和蒸发温度2.2.1基本参数的确定根据已知数据初步设定制冷剂冷凝器的冷凝温度为：=45℃+3℃=48℃蒸发器的蒸发温度为：=10℃-3℃=7℃因此查《制冷与低温原理》附录B-1知：48℃时饱和蒸汽压1848.8kpa260.497kJ/kg7℃时饱和蒸汽压kJ/kg查R22压焓图知：438kJ/kg419kJ/kgh5＝h4＝260.497kJ/kg2.2.2R22压焓图压焓图如图2.1所示：lgp43251图2.1R22压焓图h图中1→2是等熵压缩过程，2→3→4可近似看作一个等压冷凝过程，4→5是等熵膨胀，5→1等压蒸发。2.2.3机组原始参数根据原始数据知制热量为＝300KW,因此R22实际放热量Q=×(为传热系数=1.05-1.15)按经验设定传热系数为=1.05所以R22实际放热量为：300×1.05＝315KW。因此知R22的质量流量为：Q＝qm（h2－h4）qm＝Q/（h2－h4）＝315/（438－260.497）＝1.21kg/s2.2.4压缩机的参数计算压缩机的指示功为：Wi＝qm（h2－h1）＝1.21×（438－260.497）＝214.76kW压缩机的压缩比为：=2.96查资料取压缩功与电机功率之间的总效率设定为：η＝0.65。设计所需的电机的功率为：P＝Wi/η=214.76/0.65=330.40KW2.2.5蒸发器的负荷W＝qm（h1－h5）＝1.21×（407.831－260.497）＝299.23KW2.2.6蒸发器的参数计算机组冷源进口温度为：℃。出口温度为：℃。因此特性温度为：=（）=12.5℃。查资料得特性温度下的=4.189KJ/(Kg.k)：=W/[]==14.29kg/sR22的蒸发温度为：T=7℃。蒸发器的平均温度差为：=5.091℃。2.2.7冷凝器参数计算对于被加热水：进出口温度分别为：，因此特性温度为：ts＝==42.5C查资料得此温度：CP＝4.174kJ/(kg·K)被加热水的流量为：＝/[Cp（t2－t1）]＝300/[4.174×（45－40）]＝14.38kg/sR22的冷凝温度为：T=48℃平均温度差：△tm＝[（T2－t1）－（T1－t2）]/㏑[（T2－t1）/（T1－t2）]=[(48-40)-(48-45)]/[㏑(48-40)/(48-45)]＝5.091℃2.2.8本设计制热系数COPS的计算被加热的自来水吸收的热量为：Q＝×CP×（T2－T1）＝14.38×4.174×（48-40）＝480.177kw所以得：2.3方案工作原理图冷凝器蒸发器压缩机气液冷凝器蒸发器压缩机气液分离器40℃热水15℃地热水10℃地热水节流阀R2245℃热水工作原理如图2.2所示：图2.2系统循环

3冷凝器的设计计算根据条件选定机组冷凝器为列管式换热器，设计任务书中已经给出了冷凝器的进出口水温度，进口温度为：＝40℃；出口温度为：＝45℃．设定R22制冷剂的冷凝温度为48℃，该温度下的饱和蒸气压为1.8488Mpa.依据流体流经管程的规律知到需要采用被加热水走管程、R22制冷剂在管外进行冷凝的方法．3.1计算机组冷凝器的各种参数3.1.1热负荷根据设计要求可知需要负荷为Q=300KW，设定R22能够传热给水的传热系数为=1.05，可得：＝300×1.05＝315KW3.1.2平均温度差计算50℃50℃45℃40℃图3.1逆流温差图用逆流方法计算△tm得：t1＝T1－t2＝48－45＝3℃，△t2＝T2－t1＝48－40＝8℃所以：℃3.1.3估算传热面积依据经验值先设定管壳式换热器的总传热系数为1250W/m2·K可得：由计算可知需要导热性能较好的导热材料因此，初步选定管子为紫铜管．管子规格为19mm×1mm可知其内径为d=16mm初步选定换热管管长为L=4m，所以单管的传热面积为：Ａ＝Ｌd=0.019×4×3.14=0.2386总管数为：n＝＝＝207.5取208根管子考虑到雷诺数的因素，初步设换热器为4管程，并设4跟拉杆，则单管程管束为：n＝208/4＝52根，布孔212个,208为换热管管孔。3.1.4冷却水流量的计算查阅《化工原理》知：特性温度t=(40＋45)/2=42.5℃下的参数为：ρ=990.0kg/m3CP＝4.174×103J/k·Kλ＝0.641W/m·Kμ=6.0135×10-4Pa·S为了阻止管内的气体和液体两种相流互相干扰，需要使蒸气进行管子外冷凝，也就是采取被加热水走管内，蒸气走壳程的措施。管内水的流速为：3.1.5校核3.1.5.1管程对流传热系数计算u1＝1.42m/s>10(湍流)普特兰常数为：P===3.916由于加热管内的流体,依据《化工原理》第三版王志魁编(4-20)公式可得：{取=1.05}=0.023(4.710)3.9160.331.05=9797.9W/.K3.1.5.2壳程对流传热系数计算因为有相变的对流传热发生在壳程中，所以查阅《空调工程中的制冷技术》知：tc为冷凝温度tc=48℃tw为壁温粗略估算tw＝[tc＋（t1＋t2）/2]/2=46.25℃。rs为汽化潜热，J/kg，根据tc查表确定。Bm为组合物性参数。查知rs=19.811，Bm=6684选管为紫铜管，根据条件取：管子增强系数＝1.6，=1则可得：3.1.5.3总传热系数选污垢热阻系数为Rd2＝1.76mK/w铜的导热系数为λ＝365W/(m2·K)根据{《化工原理》}知其中：Rd为管内流体水的热阻,选为：1.72310(m.k)/wRd1为R22蒸气热阻系数（通常可以忽略不计）α1为管程对流传热系数，α为壳程对流传热系数dm为管子中径：dm=16mmd1为管子内径：15mmd2为管子外径：19mmb为管璧厚：1mm因此知：=0.0006948所以得：K=1493.3W/(.K)3.1.5.4传热面积的校核由计算可有足够的传热面裕量，所以所选定的管子规格、材料、管程数都是可用的。3.2冷凝器结构设计3.2.1冷凝器管程由上文的计算，冷凝器应该设计为四管程，管程结构顺序如下图所示：流动顺序图、管箱隔板图、介质返回侧隔板图分别如图3.2所示:图3.2管程结构顺序图3.2.2冷凝器管板的结构形式的确定依据四管程的排列方式知，管板上有212个孔，208个换热管孔，其中4个孔用于作拉杆孔,根据条件横过管束中心线的管数为:n=1.19=1.19=17.2取18根查阅GB151-1999得:换热管外径d为：19mm换热管中心距t为：22mm分程隔板槽两侧相邻管中心距s为：35mm隔板槽宽为：12mm根据经验槽深一般不少于：4mm筒体内径为:D=1.05t=1.0522=402.04mm取450mm查阅《标准零部件》得管板兼法兰结构如图3.3所示:图3.3冷凝器管板兼法兰结构图螺栓为:M16数量为:16个管子与管板的连接方式采用机械滚胀法.管板与壳体的连接如图3.4所示:图3.4冷凝器管板与壳体的连接图3.2.3冷凝器壳体的设计由于冷凝器的最大的压力为：P＝1.8488Mpa，所以选16MnR作为所用材料，布管时可知所设计的壳体内径为：Ds＝450mm查资料可知：16MnR的温差应力为：焊缝使用局部无损探伤探查，所以可知:钢板的负偏差C1和腐蚀裕度C2组成了厚度附加裕量，选取：C＝C1+C2=2mm。壳体厚度因为不能低于6mm，所以选取名义厚度为：，壳体长度选取为：L=4m3.2.4冷凝器封头的设计根据条件，本设计的封头采用标准椭圆形封头，材料与筒体相同，使用16MnR，由以上设计可知：壳体的名义厚度取为6mm，考虑焊接因素后，选取封头名义厚度为：。查阅《常用压力容器手册》知封头结构如图3.5所示:图3.5冷凝器封头结构示意图3.2.5设计折流板因为换热器选用弓形折流板，所以冷凝器也采用弓形折流板。设定：a＝90mm°，高度为14～20mm的缺口，供停车排液时使用。材料选择Q235－B，壳程走的是气体，所以折流板的缺口采用左右开。由于切去圆缺的高度为：0.25×420=105mm所以取：h=105mm。选取折流板的间距为：B=（0.2--1）D则可选取B=300所以可算出折流板数为：块所以可在冷凝器内部安装12块折流板，底部可开缺口，以供制冷剂回流和停车排液之用,并且其面积要接近接管面积的两倍。图3.6冷凝器折流板示意图3.2.6设计拉杆由上文计算可知拉杆设计为4根,查阅《化工设备设计全书》知:拉杆的直径为：12㎜拉杆的连接尺寸如下：拉杆直径为：d=12mm;螺纹公称直径为：d=12mm;l=15mm;L=50mm;B=2.0mm由系统工作的需要，应该吧定距管与拉杆进行固定，拉杆的一投用螺纹固定在管板上，用定距管固定两块折流板，每一根拉杆最后一块折流板用螺纹螺母与拉杆固定，如下图：图3.7拉杆与定距管结构图3.2.7设计进出口管道3.2.7.1进出口管道的设计由上文计算知流体质量流量为：=14.37kg/s流体密度为：ρ=990.0设定进口管管内流速为：进口管流通面积为：A==综合材料、规格、价格等因素选取进口管管子规格为出口管的规格与进口管一样。3.2.7.2设计壳程的进出口管进口：已知R22的质量流量为：=1.21kg/s因为R22在进口管中为气体，所以在48时流体密度为：ρ=66.1假设进口管里R22流速为：进口管流通面积为：A==所以管子的规格可选取为：。出口：R22的质量流量为：=1.21kg/s又R22在进口管中为气体，48时管内流体密度为：ρ=1103定进口管内R22的流速为：3m/s可算进口管的流通面积为：A==故：因此选定规格为：3.2.8设计进出管的法兰查法兰标准，见下表表3.1为冷凝器进出管的法兰规格管子外径A公称直径Dg法兰密封面法兰厚度c法兰内径B法兰外径D螺栓孔中心圆直径k螺栓孔径L螺栓df数量n螺纹规格108100220180188M161564.5221105750165125184M169942059383211585144M127641839其示意图如图3.8所示：图3.8进出管的法兰结构图3.2.9确定壳程进出口接管的位置查资料知：㎜其中C≥4（为壳体的厚度，且C≥30mm），因为壳体厚度为：6mm所以选取：C=30mm。因此接管位置为：=102取124mm。接管位置定为：在R22进口处：=74.5㎜取120㎜在R22出口处：=63㎜取120㎜3.3冷凝器应力校核3.3.1强度校核表4.2冷凝器校核所需数据 管子壳体材质铜16MnR16.9×10－68.31×10－6E/MPa1.1×1052.04×105尺寸mm19×1×4000420×4000管子数2081管间距22mm根据条件知管子的进口温度为：T1＝40，出口温度为：T2＝45℃。∴设定在衡阳户外装配时的环境温度为25℃，则可得：壳体的伸长量为：管子的伸长量为：筒体与管子的伸缩量之差为：壳体的截面积为：管子的截面积为：3.3.1.1筒体上的应力计算因为：其中为筒体和管子的温差所产生的应力为壳程和管程的压力而Q为壳程与管程压差所产生的力查资料知：其中：Ps=1.8488MPa

Pt=0.5MPa所以可得：而：所以：3.3.1.2管子上力的计算因：F为压力作用于管子上的力而：因此：3.3.1.2拉脱力的计算已知：Mpa<[q]=2MPaa=其中a为单根换热管的横截面积；L-（3~5）mm=44mm=0.044m所以冷凝器所产生的应力和拉脱力都没有超过许用应力,因此该冷凝器不必使用膨胀节。3.4水压试验校核水压试验是用来进行检验在超过工作压力下材料的强度。要让氯离子不腐蚀材料，应该将水压试验用水中的氯离子含量控制在24mg/L以内,而且在进行实验后应该马上将污物清洗干净。为了防止低温脆性作用破坏材料，对于使用16MnR的钢制压力容器，液体温度不能低于5℃。因为壳体材料为16MnR，查资料得：在常温下试验压力PT规定为：或取大值为：PT＝1.8965MPa筒体壁内应力为：;其中：=0.85D为筒体内径：mmte为筒体璧厚:mmPT为试验压力P为设计内压：MPa而：=47.251MPa=0.90.85345=263.94MPa因此：=47.251MPa<=263.94MPa所以经过计算其合格封头壁内应力为:=55.17MPa所以经过计算验证封头的设计符合专业标准。4气液分离器的设计气液分离器是装在蒸发器和压缩机之间的一种分离气液的设备，它最重要作用是将循环回来的气体中夹带的液滴分离出来，使制冷剂以气体的状态进入压缩机，这样就不会产生湿冲程或者液击了。R22如果在冷却排管内蒸发，就会形成大量的泡沫，又R22蒸气在排管内的运动速度比较大大。所以有些未蒸发的R22液的颗粒会随着气体流动而带出，较轻的气体会经出气管而被压缩机吸走。底部的液体会经过出液管流向分调节器。通常情况下，冷却排管和气液分离器连接处的管内气体流速大概为8～12m/s，但是在气液分离器中，气体的运动速度大概为0.5～1m/s。进液管设在分离器的中部，利用手动膨胀阀或者浮子调节阀进行供液。为了便于进行操作应该设有压力表和液面指示器。而在桶底设有沉积的润滑油。气液分离器安装的部位应该比冷间最高层冷却排管高出0.5～2.0m（最好在1～2m）。因为这样才能使它产生的液压克服管路的各种局部阻力，流畅地从分调节站流进冷却排管。安装过低，压力就不能充分克服各种局部阻力，从而影响它的供应量，而过高会使冷却排管内的静压力过大，导致蒸发温度升高，冷却温度将达不到所要求的低温。所以在气液分离器里的气体速度必须控制在1m/s左右。已知R22在整个系统的循环速度为：1.398kg/s,，因此由，图4.1气液分离器示意图由计算知气液分离器的外径为：，壁厚为：，高度为：H=3d，因为考虑到是在用R134a进行的高压循环，气体流动速度比较大，并且高度太高也不方便安装整个机组，所以选择1100mm的筒体就完全可以满足机组的设计要求。

5蒸发器的设计设计蒸发器为列管式换热器，蒸发器氟利昂蒸发温度为7℃，饱和蒸气压为0.62122Mpa。根据流体经管程原则：①不清洁或易结污垢的流体走管程；②增大对流传热系数，需要提高流速的流体走管程；③为避免气液两相流，蒸气宜在管外蒸发。所以采用低温热源（即废热水）走管程，氟利昂在管外蒸发的换热方法。进出口温度简图蒸发器7℃7℃蒸发器10℃5.1计算蒸发器的各种参数5.1.1蒸发器热负荷由设计任务书可知。5.1.2平均温差水的特性温度为：t=12.5℃由《化工原理》附表3查得以下参数：采用逆流有更高的传热效率，由设计任务书可知流体的温度变化如5.1图所示：图5.1蒸发器流体温度变化因为，所以。5.1.3废热水在蒸发器中的流量5.1.4估算传热面积根据经验值，一般管壳式蒸发器的传热系数K＝1300W/(m2·K)，则可估算传热面积为了达到较好的传热效果，所以选择多孔无缝钢管，管子规格为，内径。取管子长 L=4.5m。∴单管子的传热面积：因此初步选定总管数：根。取194根根据流速的需要，选择蒸发器为4管程，因此根据具体的排管需要，在管板上布194个孔，其中4个孔为拉杆所用，所以单管程管数：198/4=50根。上述设计废热水走管程，所以水在管内的流速为：5.2校核5.2.1总传热系数⒈管程对流传热系数普兰特常数：流体是被冷却n=0.3，所以查资料⒀有公式：2.壳程对流传热系数氟利昂R22是在水平管束外蒸发，查资料《》P113（4－37）有公式：S——管间距：22mm；d——管子外径：16mmPe——蒸发时工作压力，5.48×105Pa；——热流密度，热负荷G＝300000W，传热面积A＝43.42m∴⒊总传热系数取污垢热阻Rd2＝0.000086，铜的导热系数λ＝381W/(m2·K)，查资料《过程设备设计》式(6-2)得公式Rd2——管子内流体(即水)的热阻，Rd1——氟利昂蒸气热阻（忽略不计），——管程对流传热系数，——壳程对流传热系数，——管子壁厚1mm，5.2.2校核传热面积则大约有2％的传热面裕量，而且在设计的时候已经余出0.05的传热系数裕量，所以上述计算表明所选管子规格、材料、管程数均是可用的。5.3蒸发器的结构设计5.3.1管程根据《化工设备设计》图2-27。取管子的排列方式为图序d，即流动顺序管箱隔板介质返回侧隔板图5.2管子排列方式5.3.2蒸发器筒体⒈筒体内径的确定：因为正三角形排列时，管子间距都相等，可在同一管板面积上排列最多的管数，而且便于管板的划线与钻孔，所以换热管采用正三角形排列方式制冷剂R22在卧式壳管式蒸发管束（低肋管管束）上的沸腾换热是典型的制冷剂在大空间内的沸腾换热过程。由于换热管排列和管数的因素，再加上蒸发器是管外蒸发，需要一定的沸腾空间，即用来气液分离之用，最上一排管子中心到最下一排管子中心距离根据经验约取为筒体内径的60%~70%，所以选择筒体的内径为450mm，初步选择材料为Q235-A，查表可知：=113Mpa，因考虑到夏天的室外温度会影响蒸发器内部温度，所以取设计压力为42℃。根据《根据换热器手册》表1-6-16得：管子间距根据GB151-2011取隔板中心到管子中心的间距：已知有四个管程，管板上有197个孔，193个换热管孔，规格为，管间距 s=22mm，4个为拉杆螺栓孔M12mm。管板上管孔排列方式如下图：图5.3管版图⒉材料选用：由第一章计算已知冷凝器中最大的压力P＝1.8488Mpa，根据GB150-2011筒体材料选用Q-235-B。管板选材：10号钢⒊设计壁厚已知材料选用Q-235-B所以=取名义厚度P——为48℃下保护蒸气压，即1.8488Mpa；C——钢板负偏差＋腐蚀裕量＝2.8mm；根据规定壳体的最小壁厚不得低于6mm，所以取名义厚度6mm5.3.3管板的计算⒈管板厚度根据GB151-1999《管壳式换热器》（5.6.2管板最小厚度）可知应用于一般场合的换热器，其管板厚度已知换热管的外径为19mm，所以管板厚度取38mm⒉管板与管子的连接管子与管板的连接处通常是换热器容易渗漏的地方，若连接质量不好，将直接影响工艺操作的正常进行，所以本设计管板与换热管采用胀接连接。换热管与管板的连接根据《化工容器及设备简明设计手册》具体结构形式如下：图5.4管板与换热管连接⒊管板的结构查资料《换热器设计手册》可设计出管板兼法兰结构，如下图：图5.5管板HG20593-97,20个螺栓孔直径为18mm，螺纹ThM16。⒋管板与壳体的连接如图：图5.6管板与筒体连接⒌换热管与管板拉脱应力的计算根据《化工设备设计》式（2-17）根据GB151-1999式（33）——壳程设计压力，MPa；——管程设计压力，MPa；a——一根换热管管壁金属的横截面积，；——换热管外径，mm。由于设计压力是取的公称压力，所以=2.0MPa=0.6MPa根据GB151-2011（5.8.2.3）取l=27mm；∴根据《化工设备设计》表2-27：[q]=4MPa∴q=0.17MPa<[q]=4MPa∴换热管与管板的连接是安全的。5.3.4封头的设计⒈材料选用本设计采用标准椭圆形封头，材料选择与筒体相同，采用Q-235。⒉壁厚设计由上面已知：。取钢板厚度负偏差腐蚀裕量∴因为壳体名义厚度取8mm，考虑焊接因素，所以取封头名义厚度。⒊封头的选用由《化工容器及设备简明设计手册》[椭圆形封头标准（JB/T4737-95）]查得：内表面积容积5.3.5其他附件⒈折流板设计折流板的结构设计，主要根据工艺过程及要求来确定，设置折流板的主要目的是为了增加壳程流体的流速，提高壳程的传热膜系数，从而达到提高总传热系数的目的；同时，设置折流板对于卧式换热器的换热管具有一定的支撑作用；而且，设置折流板也有利于换热管的安装。本设计采用最常用的弓形折流板，材料选择Q235－B，厚度取5mm。取折流板的名义直径：D＝Ds－4.5＝500－4.5＝445.5mm，圆整后取446.因折流板的最小间距应不少于1/5筒体内径，故取折流板间距B＝0.3m所以nB=L/B－1＝4.5/0.3－1＝15－1＝14块。因为气体走壳程，故折流板的缺口取上面开，缺口高度h＝0.2×Ds＝0.2×0.4＝0.1m，并且在底部开缺口，高度取18mm结构如下图所示：图5.8折流板⒉拉杆设计本换热器取拉杆数为4根，拉管直径为，拉杆在管板的位置见前面的管板图中管孔的排列方式。拉杆与定距管固定，拉管的一端用螺纹拧入管板，每两块折流板之间用定距管固定，每一块拉杆与最后一块折流板用螺纹螺母与拉杆固定，如下图。图5.9定距管拉杆的具体结构及尺寸如下图：图5.10拉杆根据《化工设备设计简明手册》拉杆孔采用螺纹连接，其具体结构形式如下图：图5.11拉杆螺纹孔式中——螺孔深度：（=18mm）——拉杆螺孔的公称直径（=12mm）。⒊冷凝器支撑板根据《》的要求，由于存在折流板，不需要设置支撑板。⒋容器法兰垫片由于本设备不属于高压容器，采用非金属软垫片。根据JB/T4704-2000选取非金属软垫片。由GB/T3985-2009，其具体尺寸及结构如下：图5.12垫圈d=510mmD=554mm5.3.6进出口管设计⒈管程进出口管设计：进出口管管内流体质量流量G=7.15kg/s，流体密度ρ=999.8，进口管管内流速，则考虑到市场材料的供应、规格、价格等因素，蒸发器的管程进口管最好与换热器管程出口管相同，所以查《化工管路手册》选取管子规格为。⒉壳程进出管设计：⑴壳程进口管壳程进口流速为1.62则壳程进口管：m选管子规格：。⑵壳程出口管已知R22质量流量G=0.9569kg/s，48时饱和氟利昂流体密度ρ=103.6，设进口管管内R22流速：出口管流通面积A==在设计蒸发器的时候，为了有利蒸气的及时排出，所以在筒体上需要装几个出口接管，然后再一起接入气液分离器接管中。因此设计三个接管，其规格为，原则为三个管子总面积不得小于压缩机接管的面积。⒊介质返回箱泄放液体管尺寸介质返回箱的泄放液体管主要是用来放出残留在介质返回箱中的液体，所以不需要很的口径，取其规格为。⒋箱体以及壳体进出口法兰选择根据GB/T9112～9124-2000《钢制管法兰》选用突面板赦平焊钢制管法兰（GB/T9119-2000），如图所示：图5.13接管法兰表5.1单位：mm公称通径Dn钢管外径A法兰外径D螺栓孔中心直径K螺栓孔径L螺纹孔数量n螺纹规格df法兰厚度C法兰内径B202510575144M1256216264045150110184M1684218465057165125184M169622084125133240200188M16158218160⒌进出口接管位置的确定根据《换热器设计手册》式（1-6-2）具体示意图如下：图5.14接管位置其中C≥4S（S为壳体厚度，mm）且≥30mm，由于壳体厚度为8mm，所以取C=34mm。所以管箱接管位置为：取L1=156mm壳体接管位置为：取L1=90mm介质返回箱接管位置为：取100mm。⒍管箱以及介质返回箱隔板的选择隔板必须要腐蚀性好的材料，根据GB151-2011（《管壳式换热器》）表6隔板厚度取8mm，材料选用0Cr18Ni9。⒎支座的选择支座材料选用Q235-B，根据《标准零部件》，本设计需要的是鞍式支座，按照JB/T4712-92，公称压力为2.0MPa，筒体直径为450mm，所以支座具体结构及尺寸如下：图5.15支座5.4实验校核5.4.1水压试验压力及应力校核由《过程设备设计》可知：为使液压试验时容器材料处于弹性状态，在压力试验前必须按式（4-88）校核试验时圆筒的薄膜应力由于蒸发器为内压容器∴试验压力按式（4-87）确定考虑到蒸发器的工作环境，由于蒸发器的蒸发温度低于平时工作环境温度，在设计时取可能达到的最高环境温度，取温度为42。所以，取公称压力p=2.0MPa由结果可知：∴水压试验安全。5.4.2气密性实验气密性试验是指在等于或低于设计压力下进行的气压试验。在压力容器中，当介质在设计上不允许有微量泄漏时，必须进行气密性试验。气密性试验的压力大小视容器上是否配置安全泄放装置而定。在冷凝器壳程内的工质氟利昂不允许发生泄漏，为了保证冷凝器能安全可靠的运行，故冷凝器壳程要进行气密性试验。由于冷凝器上设有安全阀，其气密性试验压力值应低于安全阀的开启压力，由资料⑷可知，其气密性试验压力值一般取设计压力的1.0倍，则气压试验的压力为Pt=1.0P=1.0×2.0=2.0MPa。P——设计内压2.0MPa。因气密性试验的危险性大，故在进行气密性试验前，应将容器上的安全附件装配齐全。

6压缩机与阀的选型6.1压缩机选型6.1.1确定总排气量

排气量是压缩机的最主要的参数之一，它的压缩排气量一定要和工作所需要的排气量相互匹配，如果所需要的排气量大而实际上的压缩机的排气量小，风动工具一旦启动，就会造成空气压缩机的排气压力大大降低，从而使风动工具停机。但是一味地追求大排气量也是不妥当的，因为排气量越大，压缩机所匹配的电机功率也越大，这样不但耗费大量资金，同时也会耗费额外的电力资源。

并且，高峰用量和通常用量及低谷用量的选择也要进行考虑。通常条件下低谷用量会有点大，而通常使用量和高峰使用量都不是很大，最常用的办法就是用排气量比较小的空气压缩机相互并联，这样就能得到较大的排气量，并且开机要随着用气量的变化而变化，这样安装使用既能够节省日益紧张的能源，而且也对家庭的电路网有好处。

通常情况下，工厂使用平均消耗量的和计算Q2

Q2=ΣQ0k(1+Φ1+Φ2+Φ3)m3/h

Q2为设计容量m3/h

ΣQ0为用气设施和车间平均消耗量的总和m3/h

K为消耗量不平等(最大)系数；在1.2～1.4之间

Φ1为管道漏损系数.当Φ全长小于1km时取0.1；Φ小于1.5km时，取0.15；Φ大于2km时取0.2

Φ2为用气设备的磨损增耗量系数；大概在0.15～0.2之间

Φ3为不可知的消耗量系数等于0.1

机械设计工厂经常使用该方法来确定压缩空气站的设计容量。不过它只是我的设计所使用的参考计算方法，各不同的行业应该视本行业的自身特点、传统习惯和经验进行计算（最好有备机）。如果方案的净化系统中使用有热或者无热的再生吸附干燥器时，空气站的设计容量应该增加8%～10%或15%～20%的再生自耗气量。活塞式压缩机是产生最早的一种机型，到现在已经发展到非常完美的，并且它的压力适应范围很广，能够适应较宽的能量使用范围，而且有高速，多缸能量方式可调，热效率比较高，适合使用多种制冷制等优点。我国已经对活塞式压缩机机的加工制造有数十年的经验，加工制造较容易，造价也比较低，在国内的应用也很普遍，有成熟的管理经验和维护经验。总结两点如下：

1、通常情况下，机械设计工厂都用平均消耗量的和计算Q2

2、根据机器铭牌或电机的功率就可以选择活塞式压缩机，而且需留有14％的余量。

6.1.2确定排气压力

风动工具如果压力余量过小的话，输送气体的距离稍稍远一点就不能正常工作了，因此得保证使用的最高压力，而且要全方位考虑到气体在管子内部流动时，在直线管段会产生摩擦阻力；一段管路长度内的压力降可从相关资料中查得，通过计算可知根据经验值系统总的压力损失比在100米的管路内不允许超过0.4kg/cm2，一旦高于标准状况下的数据，就必须增加设计压力。

6.1.3确定冷却方式

为了确定冷却方式，先应该考虑所用气场的条件。如果气场场地狭小(船用、车用)，应当用立式冷却；如果所用气场场合有很长距离的变化(超过800米)，就应当使用移动式冷却；如果所用场合不能够供电，那就需选择柴油机进行驱动或者野外作业；如果所用场合使用自来水不方便，那就必须选择风冷式冷却。

广大用户在使用风冷和水冷两种冷却方式上，经常有些错误的认识，觉得水冷比较好，其实不是这样的。国内国外所有小型压缩机中风冷式压缩机大概占到90％，因为设计风冷式压缩机比较简便，并且投入资金较少，使用时也无需水源。但是也有一些缺点，大功率的机组一般都设有进出热风通道，因此冷却的效果受到环境的影响较大，且维修周期比较短，很容易受到环境的影响。

但是使用水冷式压缩机的主要缺点有四：1：一定要有完整的上下水系统，因此投资大；2：冷却器的寿命比较短；3：气缸在北方的冬季容易被冻坏；4：在水冷式压缩机运行中会浪费非常多的水资源，因此受水的限制很大。（不同的季节对风冷影响大）。由以上设计可知该设计方案的各种参数如下：制冷剂为R22，R22的实际放热量为：300×1.05＝315KW。，它的蒸发温度为：7℃，冷凝温度为：48℃，由已经数据查资料知冷凝器的饱和蒸气压为：1.8488MPa，蒸发器的饱和压力为：0.62122MPa。一般情况下的螺杆压缩机指的是双螺杆压缩机，由阳螺杆和阴螺杆组成，它是回转式压缩机中使用范围最广的一种，在化工、制冷及空气动力工程中，它应用的频率愈来愈高，占的比例愈来愈重。因为螺杆式热泵机组的COP值、维修费用、振动频率、噪音等性能都比活塞式热泵机组优。所以螺杆式压缩机也适用在热泵机组中。通过查阅图书资料和上网查的信息，初步选定复盛SRE系列螺杆式冷媒压缩机。这款压缩机具有以下一系列特点：1.高效运行,无噪音,操作比较简单,使用周期寿命长；2.使用世界名牌制冷部件,机组可长期稳定地运行；

3.使用创新型的螺纹式换热铜管,管内管外的换热效率非常高,机组拥有良好的制冷性能；

4.制冷系统是独立的回路,即使进行检查可不影响机组的正常运行；

5.机组可依据负荷的要求,进行智能化程序控制从而节省能耗；

6.安全程序可靠,能确保机器长期稳定运行；

7.机组振动非常少,地基不需要采用隔振措施,安装简单方便；

SRF－120H，它的冷冻能力参数为：299900kcal/hr,转换为：Q1＝348720.9W，基准为：R－12，50Hz，冷凝温度为48℃，蒸发温度为7℃，过冷度为5℃，过热度为5℃。又本设计的蒸发温度为5℃，因此再次校核该压缩机，它的性能曲线图如下图所示，该性能曲线图是上海冷机所生产的压缩机性能曲线（R－22），用该曲线满足本设计的要求。图6.1压缩机SRF－120H能曲线图由上图可类似算出，又在通常情况下，压缩机的输出功率为：Q＝W/3，所以得：W＝348720/3=116KW。,本设计方案的工况为300KW，通过进行压缩机性能自动调整系数比较，该压缩机能够满足设计要求。下面是SRF－120H的基本系数：表6.1SRF－120H的基本系数容调控制范围100%/75%/50%25%无段式容量调节频率50Hz冷媒R－22/R－134a/R407C电压380～415V润滑方式压差给油绝缘等级ClassF型式3相，2极，感应马达保护装置马达线圈温度保护器启动方式Y－△启动液压试验42kg/cm2G（高压侧）转速2950rpm机油加热器150W外形尺寸ABCDEFGHIJK744310230602652160574730255626283双螺杆式空气压缩机功率范围80kw--90kw/10HP--125HP排气量为：1.10m/min--15.8m/min压力范围为：0.8Mpa--2.0Mpa它具有效率高，节能环保，使用时间长等很多优点。外形图如下所示：图6.2压缩机SRF－120H外形图6.2阀的选型阀的结构在整个制冷系统中有着非常重要的作用，最主要是能够调整循环工质状态从而保证整个系统的正常运行。它的作用具体如下：1、可以让高压情况下的制冷剂节流和降压,使冷凝器与蒸发器之间的压力差稳定。2、可以控制进入蒸