（1）“制冷与低温原理”综合练习题
题目：
应用替代工质的蒸汽压缩式制冷循环的性能计算及冷凝器设计初步 已知条件：
1.应用场合：小型冷库 2.库 温：-18℃；△t0＝5℃ 3.冷却水温：32℃；△tk＝8℃ 4.液体过冷度：△tg＝5℃
5.蒸汽过热度（无效）：△tr＝5℃ 6.压缩机输气系数： 7.制冷量： 8.原有工质：R12 报告内容： 1.前言
2.替代工质确定 3.热力计算
4.冷凝器主要结构参数选择 5.传热计算 6.专题讨论 7.结束语 8.参考文献
（2）学生的综合练习题作业报告实例
应用替代工质的蒸汽压缩式制冷循环的性能计算及冷凝器设计初步
已知条件：
1.应用场合：小型冷库 2.库 温：-18℃；△t0＝5℃ 3.冷却水温：32℃；△tk＝8℃ 4.液体过冷度：△tg＝5℃
5.蒸汽过热度（无效）：△tr＝5℃ 6.压缩机输气系数： 7.制冷量： 8.原有工质：R12
摘要：通过一个小型冷库实例，介绍了替代工质的蒸汽压缩式制冷循环的性能计算方法及冷凝器初步设计步骤。
关键词：替代工质，蒸汽压缩式制冷循环，性能计算，冷凝器，初步设计 1 前言
图1 热力循环压焓图
由于R12对臭氧层有强烈的破坏作用，并引起温室效应，
故禁用R12。同时需要寻找合适的替代物。R12的比较成熟的替代物是R22，但R22对臭氧层仍有一定破坏作用，所以亦在受禁之列，只是禁用的时间相对晚一些。目前认为，R12的比较好的替代物是R407C。本文对原工质R12，替代工质
R22、R407C的蒸汽压缩式制冷循环的性能分别进行了计算，并对其冷凝器进行了初步设计。 2 性能计算
2.1根据已知条件，确定各个参数点
查R12的热力性质图，得各点的参数如表1所示 ：
表1
点号 1 1’ 2 3 t(℃) -23 -18 47 35 p(kPa) 134.17 134.17 960.65 960.65 h(kJ/kg) 341.328 344.0 374.0 236.0 V(m3/kg) 0.12725 0.120 查R22的热力性质图，得各点的参数如表2所示：
表2
点号 1 1’ 2 3 t(℃) -23 -18 79 35 p(MPa) 0.218 0.218 1.50 1.50 h(kJ/kg) 396.2 402.0 452.0 234.5 V(m3/kg) 0.103819 0.120 查R407C的热力性质图，得各点的参数如表3所示：
表3
点号 t(℃) p(kPa) h(kJ/kg) V(m3/kg) 1 1’ 2 3 -23 -18 47 35 134.17 134.17 960.65 960.65 341.328 344.0 374.0 236.0 0.12725 0.120 2.2制冷机性能计算： 1) 压力比
k=pk/po
2) 单位质量制冷量(kJ/kg)
qo=h1－h4= h1－h3 3） 单位体积制冷量(kJ/m3)
qv=qo/ 4） 理论比功(kJ/kg)
w0=h2－ 5）指示比功(kJ/kg)
wi=w0/ηi 6） 制冷系数
εo=qo/wo ε’i= qo/wi
7） 制冷机的工质质量流量(kg/s) qm=Qo/q 8） 实际输气量
= qm ·
9） 理论输气量
10） 压缩机消耗的理论功率和指示功率(kW)
，
11） 冷凝器负荷(kW)
·
编写程序，求出分别采用R12、R22、R407C制冷剂的性能参数见表4：
表4
性能参数 R12 压力比 7.16 单位质量制冷量/ kJ/kg 105.328 单位容积制冷量/ kJ/m3 877.733 理论比功/ kJ/kg 30.000 指示比功/ kJ/kg 37.5 理论制冷系数 3.51 实际制冷系数 2.81 制冷机的工质流量/ kg/s 0.0902 实际输气量/m3/s 0.0108 理论输气量/ m3/s 0.0135 压缩机消耗的理论功率2.17 /kW 压缩机消耗的指示功率3.38 /kW 冷凝器热负荷/kW 13.123 3 冷凝器的结构参数选择 1) 冷凝器的结构形式
R22 6.88 161.710 1347.5 50.000 62.5 3.23 2.59 0.0588 0.0071 0.0088 2.94 3.67 13.513 R407C 6.37 144.490 996.500 56.000 70.000 2.58 2.06 0.0657 0.0095 0.0119 3.68 4.00 14.399 选择卧式壳管式冷凝器
2) 冷却水进口温度 和冷却水温升 3) 冷凝器中的污垢热阻 管外热阻： 管内热阻： 4 冷凝器的传热计算 1) 冷却水流量
，和平均传热温差
的选择
2) 初步规划的结构尺寸
选用的铜管，取水流速度为u＝1.5m/s，则每流程的管子数Z为:
实际水流速度
子的布置示意图
图2管
管程和有效管长：
假定热流密度q＝5100W/m2，则所需的传热面积Fo为：
管程和有效管长的乘积
有关上述参数的结果见表5：
表5
计算参数 R12 R22
R407C 冷却水流量0.0008 0.0008 0.0009
每流程的管子数（根） 4 4 4
实际水流速度u（m/s） 1.3 1.3 1.4
传热面积Fo（m2） 2.537 2.650 2.823
管程和有效管长的乘积Nlc 12.80 13.18 14.04
采用管子成正三角形排列的方案，管距s＝20mm，对不同流程数N，有不同管长lc见表6，从表可以看出，三种使用不同制冷工质的制冷机，8流程是可取的。
（m3/s）
参考文献[2], 取管距
表6 R12 R22 R407C N lc N lc N lc 2 6.40 2 6.59 2 7.02 4 3.20 4 3.29 4
。
3.51 6 2.13 6 2.20 6 2.34 8 1.60 8 1.65 8 1.76
采用多管程结构，取管板利用率径为
，
圆整后可取3）传热系数
①管内冷却水与内壁的换热系数
：
。
，则壳体内
计算时取冷却水的平均温度ts为定性温度。
查物性表中的数据，得
，求
得的
见表7。
②水平管的平均管排数
因流程数N＝8，总的管子数NZ＝32根，将这些管子布置在12纵列内，每列管子数分别为1、2、3、4、4、4、4、4、3、2、1，见图2，按公式（9——38）
根，
③管外换热系数
的计算
按公式（9——34）和（9——37）
计算时取c＝0.725，通过计算确定，按公式（9——34）的说明，
④传热系数Ko，传热过程分为两部分：第一
部分是热量经过制冷剂的传热过程，其传热温差为
；
第二部分是热量经过管外污垢层，管壁，管内污垢层以及冷却水的传热过程。 第一部分的热流密度
第二部分的热流密度
其中dm为管子的平均直径，将有关数据代入后，
用迭代法求出，外污垢层表面的温度two及冷凝器的热流密度q，见表8。
q与前面的假定q＝5100W/m2相差不超过5％，表明以前的假定是可取的。 传热系数Ko为
⑤传热面积和管长的确定 根据q求传热面积Fo
管子的有效管厂l为，
⑥水的流动阻力及水泵所需要功率
冷却水流动时的阻力系数按公式（9——71）计算。其中沿程阻力系数
为
冷却水的流动阻力
考虑到外部管路损失，冷却水泵的总压头约为
取离心水泵的效率，则水泵所需功率Pe为
传热计算的有关参数见表8。
表8 计算参数 R12 R22 R407C
管内传热系数
(W/(m2•℃))
6323.1 6323.1 6709.3
水平管的平均管排数
3.13 3.13 3.13
管外传热系数
(W/(m2•℃))
（根）
1805.8 1805.8
1805.8
第一部分热流密度
1805.8 1805.8
（W/m2）
1805.8
第二部分热流密度（W/m2）
2627.3
2627.3
2627.3
外污垢温度
36.11 36.10 36.07
(℃)
冷凝器热流密度（W/m）
5018.1 4991.8 36.07
传热系数
(W/(m2•℃))
2
865.2 860.7 871.2 传热面积
(m2)
2.165 2.707 2.849 有效管长(m)
1.626 1.683 1.772
冷却水的流动阻力
0.0316 0.0324 0.0383
冷却水泵总压头
0.1316 0.1324 0.1385
(MPa)
(MPa)
水泵功率（W）
175.5 176.5 207.5
5专题讨论
与R12相比，使用替代制冷剂R22，除了很少的改动，如置换制冷剂干燥过滤器等这外，工质可直接替代进入原有的系统而无需其他改动。
与R22相比，使用R407C的主要技术问题为[3]： （1） 专用压缩机；（2）非共沸混合物，其成分会发生
变化；（3）工作压力比R22高10%，并且部件、管路需耐压校核；（4）为提高效率，需要改进换热器和机组设计，如增大换热器传热面积，增加有效管长等；（5）用脂类油； 6结束语
需要对应用替代工质的蒸气压缩式制冷机的性能参数进行了重新计算，对制冷机的压缩机、冷凝器、蒸发器等各部件进行设计，选型，以使替换后的制冷工质能够较好的与各部件相匹配。
参考文献
[1]吴业正等.制冷原理及设备[M].西安：西安交通大学出版社[M].1997
[2]曹德胜，史琳.制冷剂使用手册[M].北京：冶金工业出版社.2003
[3]鲁岩.实用C语言及其程序设计[M].大连：大连理工大学出版社.1993
[4]费宗连.C语言实用教程[M].北京：电子工业出版社.1992
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