冷热源课程设计.doc

《冷热源工程》
课程设计计算书

题 目：
姓　　名：　　　 　
学 院：
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班　　级：　　　 　　　
学 号：
指导教师：　　　　 　　

2013年7月14日

目录
1．设计原始资料 ………………………………………………...............2
2．冷源方案确定 ……………………………………………………….3
2.1 方案一 …………………………………………………………….....3
2.2 方案二 …………………………………………………………….....6
2.3 方案三 …………………………………………………………….....7
2.4 方案四 ………………………………………………………….......8
2.5 技术性分析 …………………………………………………… .......10
2.6 经济性分析 ……………………………………………………….....12
3. 分水器和集水器的选择 ………………………………………..12
3.1 分水器和集水器的用途与构造 . ……………………………….......12
3.2 分水器和集水器的尺寸 ……………………………………...........14
3.2.1 分水器的选型计算 ……………………………………………....14
3.2.2 集水器的选型计算 ……………………………………………....15
4. 膨胀水箱配置与计算 ……………………………………….......15
4.1 膨胀水箱的作用于构造 …………………………………………….....15
4.2 膨胀水箱的容积计算 …………………………………………….....16
4.3 膨胀水箱的选型 ………………………………………………….....17
5. 冷冻水系统的设备选型和计算 ……………………………………....18
5.1 冷冻水泵的选型和计算 ……………………………………………..18
5.1.1 水泵流量和扬程的确定 …………………………………….........18
5.1.1 水泵型号的确定 ...........................................................................20
6. 冷却水系统的设备选型和计算 ……………………………………....21
6.1 冷却塔的选型计算 ………………………………………...21
6.2 冷却水泵的选型计算 ……………………………………………...21
7.参考资料……………………………………………………………..25
8.个人小结…………………………………………………………......26
1、原始资料
1、空调冷负荷：
2.8 MW（空调总面积20000m2）
2、当地可用的能源情况：
电：价格： 1.7元/度
天然气：价格：2.5元/m3；热值：33.45MJ/m3；
蒸汽：价格：180元/吨；蒸汽压力为：0.8MPa
燃油：价格： 2.76元/升；低位发热量均为：42840kJ/kg
3、冷冻机房外冷冻水管网总阻力
0.40MPa
4、土建资料
制冷机房建筑平面图（见附图），其中水冷式冷水机组冷却塔高度为：25m

2、冷源方案的确定
应符合《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736—2012）中对冷源的一般规定。
2.1 方案一：冷源：电能 → 电动压缩式冷水机组
电动压缩式冷水机组的类型：涡旋式
螺杆式
离心式
下表是以上几种电动压缩式冷水机组的比较：

综上所述，离心式机组更优。
根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736—2012）：
8.2.2 电动压缩式冷水机组的总装机容量，应根据计算的空调系统冷负荷值直接选定，不另作附加；在设计条件下，当机组的规格不能符合计算冷负荷的要求时，所选择机组的总装机容量与计算冷负荷的比值不得超过1.1。
结论：采用开利的型号为19RX3132347CNS的离心式冷水机组

表1 开利19RX3132347CNS离心式冷水机组性能参数
型号
19RX3132347CNS
制冷量(KW)
1406
台数
2
单价(万元）
61
电机功率（KW)
268
冷冻水
水量(M3/h)
242
压降(Kpa)
104.3
冷却水
水量(M3/h)
290
压降(Kpa)
85.8

1）固定费用
设备初投资：261=122（万元）
安装费用：25%122=30.5 (万元)
系统总投资费用L=122+30.5=152.5 (万元)
银行年利率=5.41%
使用年限n=20年
=12.66万元
式中： —每年系统折旧费用
—系统总投资费用，包括设备初投资和安装费用
—银行年利率
2）年度使用费用
设备额定供冷功率为268KW，台数2台，电费1.7元/度，供冷月为6-9月份，按照每天24小时供冷计算
年度运行费用=单台供冷功率台数时间电费=2682122241.7=266.80万元
3)设备年度费用
设备年度费用=固定费用+年度使用费用=12.66+266.80=279.46万元

2.2 方案二：冷热源：蒸汽 → 蒸汽型溴化锂吸收式机组
溴化锂吸收式制冷机组形式：单效机组XZ
双效机组SXZ
热水机组RXZ
下表是以上三种形式的比较：

根据当地能源的供给情况：蒸汽压力：0.8Mpa，应选用双效机组。
结论：采用远大BS125的蒸汽机
表2 远大BS125蒸汽机的性能参数
型号
BS125
制冷量(KW)
1454
台数
2
单价(万元）
75
蒸汽耗量（Kg/h)
1553

冷冻水
水量(M3/h)
179
压降(Kpa)
30
接管直径（DN)
200

冷却水
水量(M3/h)
305
压降(Kpa)
50
接管直径（DN)
250

1）固定费用
设备初投资：275=150（万元）
安装费用：25%150=37.5(万元)
系统总投资费用L=150+37.5=187.5(万元)
银行年利率=5.41%
使用年限n=20年
=15.56万元
2）年度使用费用
单台设备蒸汽耗量为1553kg/h，台数2台，蒸汽价格为180元/吨，供冷月为6-9月份，按照每天24小时供冷计算
年度运行费用=蒸汽耗量台数时间单价=1.553218012224=164万元
3）设备年度费用
设备年度费用=固定费用+年度使用费用=15.56+164=179.56万元

2.3 方案三：冷热源：燃油 → 燃油型溴化锂吸收式机组
采用开利的16DN040直燃型吸收式冷温水水机组
表3 开利16DN040直燃型吸收式冷温水水机组性能参数
型号
16DN040
制冷量(KW)
1407
台数
2
单价(万元）
73
轻油耗量（Kg/h)
104
低位热值（KJ/Kg)
43472
冷冻水
水量(M3/h)
242
压降(Kpa)
51
接管直径（DN)
150
冷却水
水量(M3/h)
366
压降(Kpa)
78
接管直径（DN)
200

1）固定费用
设备初投资：273=146（万元）
安装费用：25%146=36.5(万元)
系统总投资费用L=146+36.5=182.5 (万元)
银行年利率=5.41%
使用年限n=20年
=15.15万元
2）年度使用费用
单台设备轻油耗量为101kg/h，台数2台，轻油密度为0.84公斤/升，低位发热量为42840KJ/Kg,轻油价格为2.76元/升，供冷月为6-9月份，按照每天24小时供冷。
计算年度运行费用=轻油耗量台数时间单价=2122242.76=203万元
3）设备年度费用
设备年度费用=固定费用+年度使用费用=15.15+203=218.15万元

2.4 方案四：冷热源：天然气 → 燃气型溴化锂吸收式机组
采用开利的16DN040直燃型吸收式冷温水水机组

表4 开利16DN040直燃型吸收式冷温水水机组性能参数
型号
16DN040
制冷量(KW)
1407
台数
2
单价(万元）
73
天然气耗量（Nm3/h)
98
低位热值（KJ/Nm3))
45980
冷冻水
水量(M3/h)
242
压降(Kpa)
51
接管直径（DN)
150
冷却水
水量(M3/h)
366
压降(Kpa)
78
接管直径（DN)
200

1）固定费用
设备初投资：273=146（万元）
安装费用：25%146=36.5(万元)
系统总投资费用L=146+36.5=182.5 (万元)
银行年利率=5.41%
使用年限n=20年
=15.15万元
2）年度使用费用
单台设备天然气耗量为98Nm3/h，台数2台，天然气价格为2.5元/m3，热值为33.45MJ/m3,供冷月为6-9月份，按照每天24小时供冷计算
年度运行费用=轻油耗量台数时间单价=2122242.5=197万元
3）设备年度费用
设备年度费用=固定费用+年度使用费用=15.15+197=212.15万元

2.5 技术性分析
方案一：
离心式冷水机组的特点如下：
a．优点：①叶轮转速高，输气量大，单机容量大；
②易损件少，工作可靠，结构紧凑，运转平稳，振动小，噪声低；③单位制冷量重量指标小；
④制冷剂中不混有润滑油，蒸发器和冷凝器的传热性能好；
⑤EER值高，理论值可达6.99；
⑥调节方便，在10%-100%内可无级调节。
b．缺点：①单级压缩机在低负荷时会出现“喘振”现象，在满负荷运转平稳；②对材料强度，加工精度和制造质量要求严格；
③当运行工况偏离设计工况时效率下降较快，制冷量随蒸发温度降低而减少幅度比活塞式快；
④离心负压系统，外气易侵入，有产生化学变化腐蚀管路的危险

方案二：
双效溴化锂吸收式机组：
其与单效溴化锂吸收式机组的不同之处是装有高压和低压两个发生器，高温与低温两个溶液交换器和凝水换热器。高压发生器用0.25-0.8Mpa（表）饱和蒸汽、150-200摄氏度高温热水加热，称为蒸汽双效、热水双效。由于热源温度高，可在高压发生器中产生压力较高的冷剂蒸汽，再用作低压发生器的热源，有双重节省能源的效果。根据计算和实测表明，双效机组的加热量约为单效机组的1/2-2/3,冷凝器的热负荷约为1/2，热力系数可以提高到1-1.2（单效机组约0.7左右）。
双效机组中重要的是维持高压发生器中的压力在大气压下运转，以确保机组的安全。因此，所需的冷却水量较单效机组大。此外双效机组造价高，溴化锂溶液冲注量大，初始投资增加。但由于热效率高，运转费用低，近年来在国内外均发展较快。

方案三和方案四：直燃型溴化锂吸收式机组。
下表为直燃型与蒸汽型溴化锂吸收式机组热力特性的对比：

在使用直燃型机组是应注意其燃料的选用：对于燃油，轻柴油应符合GB252标准的规定，重油应符合GB445或SH0356标准的规定；对于燃气，人工煤气应符合GB13612标准规定，天然气应符合SY7514标准规定。
直燃型溴化锂吸收式机组是在蒸汽溴化锂吸收式冷水机组上发展起来的，以燃油或燃气为能源取代燃煤，以火管锅炉（自带）取代蒸汽锅炉，以直燃方式取代间接供热方式等“三个取代”，完成了溴化锂吸收式冷水机组一次质的飞跃。直燃型机组以水-溴化锂为工质对，实现了吸收式制冷循环和采暖循环的交替，达到了一机两用的目的。发展直燃型机组，有利于多种能源的使用和补充，有利于缓解部分地区电力的暂时紧张状态，有利于减少供热的中间环节，提高机组效率（热力系数），有利于节省单独的锅炉房设置，给中央空调的设备选型提供了新的选择对象。
其特点如下：
a．优点：① 耗电非常小，其耗电设备仅有几台小型泵和直燃机的燃烧器，耗电量一般为蒸汽压缩式制冷机的3%～4%，对解除电力紧张有好处；但要消耗大量的燃油或燃气；
② 不应用氟利昂类制冷剂，制冷剂采用水，溶液无毒，对臭氧层无破坏作用，对环境无影响，有利于环境保护；
③ 加工简单、操作方便，制冷量调节范围大，可无级调节，运行平稳，无噪声，无振动；
④ 夏季制冷，冬季可以制热，也可以同时供冷和供热，除了满足空调冷、热源的要求外，还可以提供其它生活方面的供热，一机多用，节省了占地面积和投资；
⑤ 一般都采用油或气体燃料，费用取决于燃料的市场价格，运行成本高。与蒸汽压缩式制冷机组比较，一般体积较大，冷却水系统设备费和水泵电费比较高；
b．缺点：① 存在安全隐患；
② 运行维护费用高；
③ 使用寿命短；
④ 易受政策和国际环境的影响；

2.6 经济性分析
通过比较各个方案的设备年度费用，可以发现方案二的设备年度费用最低，所以设计采用两台远大BS125的蒸汽机。

3、分水器和集水器的选择
3.1 分水器和集水器的用途和构造
1. 分、集水器的定义：
是水系统中，用于连接各路加热管供、回水的配、集水装置。按进回水分为分水器，集水器。
2. 分、集水器的用途：
① 地板采暖系统中的，分集水器管理若干的支路管道，并在其上面安装有排气阀，自动恒温阀等，一般为铜质较多。口径小，多位DN25-DN40之间。进口产品较多。
② 空调水系统，或其它的工业水系统中的，同样管理若干的支路管道，分别包括回水支路和供水支路，但其较大多位DN350-DN1500不等，用钢板制作，属于压力容器类专业制造公司，其需要安装压力表温度计，自动排气阀，安全阀，放空阀等，2个容器之间需要安装压力调节阀，且需要有自动旁通管路辅助。
③ 自来水供水系统，分水器的使用有效的避免了自来水管理方面的漏洞，集中安装、管理水表，并且配合单管多路使用降低了管材采购成本，而且极大的降低了施工时间，提高了效率。自来水分水器通过异径直接连接于铝塑主管道，在水表池（水表房）中集中安装水表，做到一户一表，户外安装、户外查看。当前全国各地户表改造正在大范围进行中。
3. 分、集水器的构造：

图3 分水器和集水器构造图

3.2 分水器和集水器的选型
分水器和集水器的选型，即确定分水器和集水器的管径。其原则是使水量通过集管时的流速大致控制在0.5 - 0.8m/s的范围内。分水器和集水器一般选用标准的无缝钢管（DN200 - DN500）。
分水器和集水器的几何尺寸如下表：

3.2.1 分水器的选型计算
根据,已知制冷,水的比热C=4.2KJ/Kg, 温差=5
则：=138.5kg/s
将其换算成体积流量：=0.138m/s，水的密度=1000 m/Kg。
假定流速v为0.8m/s,
则D==0.468 m,取公称直径为DN500.
将分水器分3路供水，分管流速取0.7m/s,则3个供水管的尺寸计算如下：
=0.289 m,取公称直径为DN300.

3.2.2 集水器的选型计算
集水器的直径、长度、和管间距与分水器的相同，只是接管顺序相反。

4、膨胀水箱配置与计算
4.1 膨胀水箱的作用和构造
1. 膨胀水箱的作用：
① 膨胀，使系统中的淡水受热后有膨胀的余地。
② 补水，补充系统中因蒸发和泄漏而损失的水量并保证淡水泵有足够的吸入压头。
③ 排气，排放系统中的空气。
④ 定压，
⑤ 投药，投化学药剂以便对冷却水进行化学处理。
⑥ 加热，如果在其中设置了加热装置，可对冷却水进行加热以便暖缸。
一般设在系统的最高点处，通常接在循环水泵的吸水口附近的回水干管上。
2. 膨胀水箱的构造：
膨胀水箱是一个钢板焊制的容器，有各种大小不同的规格。膨胀水箱上通常接有以下管道：
① 膨胀管 它将系统中水因加热膨胀所增加的体积转入膨胀水箱（和回水干道相连接）。
② 溢流管用于排出水箱内超过规定水位的多余的水。
③ 液位管 用于监督水箱内的水位。
④ 循环管 在水箱和膨胀管可能发生冻结时，用来使水循环（在水箱的底部中央位置，和回水干道相连接）。
⑤ 排污管 用于排污。
⑥ 补水阀 与箱体内的浮球相连，水位低于设定值则通阀门补充水。
为安全起见，膨胀管、循环管、溢流管上不允许装任何阀门。

图4 膨胀水箱的构造图

4.2 膨胀水箱容积的确定
膨胀水箱的容积系统中水容量和最大水温变化幅度决定的，可以用下式正确计算确定：

式中 —— 膨胀水箱的有效容积（有信号管到溢流管之间的高度差内的体积），
—— 水的体积膨胀系数，
—— 最大的水温变化值， =30
——系统内的水容量，，即水系统中管道和设备内存水量的总和。
系统内的水容量（）可以在设计完成后，从各管路和设备逐个计算求得，也可参考下表中提供的数据来确定：=0.9*20000/1000=18()

经计算得：
=0.00063018=0.324m

4.3 膨胀水箱的规格型号和配管尺寸
由上得出膨胀水箱的有效容积，即可以从采暖通风标准图集T905（一）、（二）进行配管管径选择，从而决定膨胀水箱的规格型号。
表12 膨胀水箱性能参数
水箱形式
圆形
型号
2
公称容积
0.3 m
有效容积
0.33m
外形尺寸(mm)
内径（d ）
800
高 H
800

水箱配管的公称直径DN
溢流管
40
排水管
32
膨胀管
25
信号管
20
循环管
20

5、冷冻水系统的设备选型和计算
5.1 冷冻水水泵选型和计算
5.1.1 水泵流量和扬程的确定
选择水泵所依据的流量Q和压头（扬程）H按如下确定：
Q=β1Qmax （m³/s）
式中 Qmax —— 按管网额定负荷的最大流量，Qmax=358m³/h；
β1 —— 流量储备系数，对单台水泵工作时，β1=1.1；两台水泵并联工作时，β1=1.2。
H=β2Hmax (kPa)
式中 Hmax —— 管网最大计算总阻力，kPa；
β2 —— 扬程（压头）储备系数，β2=1.1-1.2。
制冷机房的冷冻水管路平面简图如下：

图1 冷冻水系统最不利环路图
从机房平面图上可以看出，冷冻水供回水管路都由两段不同管径的管路组成。
LDg1=4200mm,LDg2=3125mm；
LDh2=2700mm,LDh1=5142mm.
LDg1管段直径=200mm, 管段流量V=179 m³/h, =1.6m/s.
取LDg2管段流速=1.4m/s,管段流量V=358 m³/h,则=0.30m,取公称直径为DN300.
LDh1管段直径=200mm, 管段流量V=179 m³/h, =1.58m/s.
取LDh2管段流速=1.4m/s, 管段流量V=358 m³/h,则D4==0.30m,取公称直径为DN300.
各管段的沿程阻力和总阻力计算如下：
表6 冷冻水管段阻力汇总表
管段

管长（mm）
直径(mm)
流速(m/s)
比摩阻 (Pa/m)
沿程阻力（KPa)
局部阻力(KPa)
总阻力（Kpa）

LDg1
4200
200
1.60
86.17
0.36
0.07
0.43
LDg2
3125
300
1.40
54.19
0.17
0.03
0.20
LDh1
2700
200
1.60
85.09
0.23
0.05
0.28
LDh2
5142
300
1.40
53.31
0.27
0.05
0.32
注：局部阻力取沿程阻力的20%。
冷冻水压降为60 KPa，冷冻机房外冷冻水管网总阻力为0.45MPa，则
最不利环路的总阻力△P=0.43+0.20+0.28+0.32+60+450=511.23 KPa
根据H=β2Hmax，取β2 =1.1，则H=562.35KPa，即扬程H=56m.
根据Q=β1Qmax ，Qmax =358 m³/h，两台水泵并联工作时，β1=1.2，
则Q=429.6 m³/h.
5.1.2 水泵型号的确定
根据流量和扬程查暖通空调常用数据手册，查得水泵型号如下：（P646）
表7 冷冻水泵性能参数
型号
IS 125-100-250A

流量Q
m³/h
216
L/s
60
总扬程H（m）
58.3
转速n（r/min）
2900

功率N(kW)
轴功率
41.28
电动机功率
55
泵效率η（%）
77
允许吸上真空高度HN
4.2
泵重量W（kg）
115

6、冷却水系统的设备选型和计算
6.1 冷却塔的选型
根据所选制冷机组的性能参数选择冷却塔，进出口温度为37℃→30℃，拟选用2台冷却塔，则单台冷却塔流量为152.5m³/h。通过查找中央空调设备选型手册，选择LBCM-LN-3低温差标准型逆流式冷却塔。
其规格如下表：
表8 冷却塔性能参数
机型
LBCM-LN-300

标准水量（m3/h）
WB28℃
300
WB27℃
345

外形尺寸(mm)
高度H
5310
外径D
5580

送风装置
电机KW
11.2
风叶直径D
3380

配管尺寸（DN）
温水入管
200
冷水出管
200
排水管
50
溢水管
100
补给水管
自动
50
手动
50

6.2 冷却水泵的选型计算
取最不利环路如下所示，由L1、L2、L3、L4组成。

图2 冷却水系统最不利环路图
从机房平面图上可以看出，冷却水供回水管路都由两段不同管径的管路组成。
LQg1=4200mm,LQg2=24058mm,LQg3=4308mm；
LQh1=3700mm,LQh2=20562mm,LQh3=4308mm；
LQg1管段直径D1=250mm,管段流量V=305m³/h ，=1.7m/s.
取LQg2管段流速=1.4m/s, 管段流量V=610 m³/h ，则=0.39m,
取D2公称直径为DN400。
取LQg3管段管径与LQg1管段相同，。
LQh1管段直径=250mm, 管段流量V=305m³/h ，=1.7m/s.
取LQh2管段流速=1.4m/s, 管段流量V=610m³/h ，则=0.39m,
取D4公称直径为DN400。
取LQh3管段管径与LDh1管段相同，。
各管段的沿程阻力和总阻力计算如下：
表10 冷却水管段阻力汇总表
管段
管长（mm）
直径(mm)
流速(m/s)
比摩阻 (Pa/m)
沿程阻力（KPa)
局部阻力(KPa)
总阻力（Kpa）
LQg1
4200
250
1.7
98.97
0.42
0.08
0.50
LQg2
24058
400
1.4
31.82
0.75
0.15
0.90
LQg3
4308
250
1.7
98.97
0.43
0.09
0.52
LQh1
3700
250
1.7
98.31
0.36
0.07
0.43
LQh2
20562
400
1.4
31.58
0.65
0.13
0.78
LQh3
4308
250
1.7
98.31
0.42
0.08
0.50
注：注：局部阻力取沿程阻力的20%。
冷却水压降为100KPa，冷却塔高度为25m，则最不利环路的总阻力
△P=0.50+0.90+0.52+0.43+0.78+0.50+100+250=353.63KPa
根据H=β2Hmax ，取β2 =1.1，则H=388.75KPa，即扬程H=39 m.
根据Q=β1Qmax ，Qmax =610m³/h，两台水泵并联工作时，β1=1.2，
则Q=732 m³/h.
根据流量和扬程查暖通空调常用数据手册，得水泵型号如下：
表11 冷却水泵性能参数
型号
IS 200-150-400A
流量Q
m³/h
380
L/s
105.6
总扬程H（m）
45.1
转速n（r/min）
1450
功率N(kW)
轴功率
58.43
电动机功率
75
泵效率η（%）
80
允许吸上真空高度HN
3.8
泵重量W（kg）
186

7、参考资料
1、采暖通风与空气调节设计规范GB50019－2003
2、实用供暖空调手册·陆耀庆编·中国建筑工业出版社
3、【中央空调设备选型手册】（周邦宁）·中国建筑工业出版社
4、暖通空调常用数据手册·中国建筑工业出版社（02年第二版）
5、空调冷热源·机械工业出版社
6、暖通空调制图标准GB/T50114-2001

8、个人小结
在这次课程设计之前，我对制冷系统的流程只停留在初步阶段，能够了解冷冻水系统和冷却水系统的流程，但对于管路的连接及机房的具体布置还比较生疏。在设计过程中，我从理解这次设计的目的和任务到确定设计方案，以及机房的设备布置，从迷茫到清晰，从翻阅各种规范和图集到计算分析，从同学之间互相讨论到一次一次地更改，期间真的很累，这让我深刻体会到原来做设计这么不容易。这无疑是一次重要实践训练，通过这一实践性教学环节，我掌握了《冷热源工程》课程的基本理论和基本设计程序和步骤，加深了对制冷系统的理解，同时也学会了查阅和使用设计资料的方法，培养和提高了运用所学课程知识分析并解决工程问题的能力。不仅如此，也培养了团队之间的合作精神。

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