中央空调冷水机组的设计

本科生毕业设计[论文]

中央空调冷水机组的设计

院 系 热能与动力工程 专业班级 1203班 姓 名 罗商力 学 号 U201211404 指导教师 张师帅

2016年 5月26日

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摘 要

在建筑耗能方面，中央空调的能耗水平可以占到总能耗的百分之四十甚至百分之六十。这是非常诱人的节能空间，因此提升中央空调系统的运行参数以及优化中央空调的结构性能是必不可少的关键举措。

本次设计的设计目标是：设计制冷量为1134.4kw的冷水机组。本文的思路是，首先详细介绍冷水机组的历史演变和关键部件的结构原理，总结发展历程。然后根据所给的数据条件进行热力计算。得出冷凝器、螺杆式压缩器与蒸发器三大核心部件的负荷或者功率。同时根据负荷进一步计算蒸发器与冷凝器的结构参数，比如传热面积等。借此来对三大部件选型。接下来对阀、节流装置与各类辅助器械选型。对机组做一个总体控制系统设计，主要包括流量控制、温度控制、防结冻控制、制冷量控制、以及总体控制。最后，对冷水机组的调试与维护做一些总结和梳理。

关键词：冷水机组；中央空调；冷凝器；螺杆式压缩机

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Abstract

In terms of building energy consumption, central air-conditioning energy

consumption level can be accounted for forty percent or sixty percent of the total energy consumption. It is very tempting saving space, central air conditioning system to enhance the operating parameters to optimize the structure and performance of the central air conditioning is essential for key initiatives.

The design goal is to design: the design cooling capacity of the chiller 1134.4kw. Thinking of this paper is, first described in detail the structure of the historical evolution of principles and key components of the chiller, summarizes the development process. Then thermodynamic calculation based on the data given conditions. Come condenser, screw compressor and the evaporator of the three core components of the load or power. While further calculated structural parameters of the evaporator and condenser under load, such as heat transfer area and the like. To take on the three member selection. Next to the valve, the throttling device and various auxiliary equipment selection. On the unit to make an overall control system design, including flow control, temperature control, anti-freezing control, cooling capacity control, and overall control. Finally, commissioning and maintenance of chillers to make some conclusions and comb.

Key Words：central air conditioning; screw compressors; chiller; condenser

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目 录

摘要 ............................................................................................................................................ Ⅰ Abstract ..................................................................................................................................... Ⅱ 1 绪论 ....................................................................................................................................... 1 1.1 课题意义及实际需求 ...................................................................................................... 1 1.2 中央空调主要元件概述 .................................................................................................. 2 1.3 国内外研究进展 ........................................................................................................... 3 1.4 本课题的研究方法及内容 ............................................................................................. 5 2 冷水机组的热力计算 .......................................................................................................... 6 2.1 冷水机组的循环与计算 ............................................................................................. 6 2.2 冷凝器的计算与设计 ................................................................................................. 8 2.3 蒸发器的计算与设计 ............................................................................................... 14 2.4 压缩机的选型 ........................................................................................................... 18 3 冷水机组其它部分的设计选型 ........................................................................................ 21 3.1 连接管路 ................................................................................................................... 21 3.2 节流阀 ....................................................................................................................... 23 3.3 膨胀阀 ....................................................................................................................... 25 4 中央空调系统总体控制与运行 ........................................................................................ 28 4.1 流量控制 ................................................................................................................... 28 4.2 温度控制 ................................................................................................................... 28 4.3 防结冻控制 ............................................................................................................... 29 4.4 制冷量控制 ............................................................................................................... 29 5 冷水机组运行的节能方案与故障诊断 ............................................................................ 32 5.1 节能方案 ....................................................................................................................... 32 5.2 故障分析 ....................................................................................................................... 33 总结与展望 ................................................................................................................................ 37 致谢 ............................................................................................................................................ 38 参考文献 .................................................................................................................................... 39

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1 绪论

1.1 课题意义及实际需求

中央空调系统的运行节能是大型公共建筑以及住宅整体空调节能优化的关键所在。其能耗主要取决于系统类型设计、运行控制和部件构成。而冷水机组所包含的冷凝器、蒸发器、还有压缩机是中央空调系统的主机部分，也是最重要的部分，集成了中央空调最核心的技术[1]。

同时，中央空调的水系统的耗能可以占到总能耗的60~70%，因此对冷水机组的设计和优化是很有必要的。

冷水机组的主要构成元件如下：螺杆式压缩机、热力膨胀阀、壳管式蒸发器、壳管式冷凝器、节流阀、电控装置。在各种需要制冷的工业以及建筑场所中都有着广泛应用。

冷水机组的工作流程如下：在夏季制冷时，机组制冷的主要进程是制冷剂汽化吸热，伴随能量传递的同时，冷凝水、冷冻水还有制冷剂有各自的循环并且相互关联，这个过程中压缩机压缩制冷剂蒸气，冷凝器中冷却水吸收制冷剂的热量，蒸发器中工质汽化制冷，之后经压缩会形成高温高压的制冷剂蒸汽在冷凝器内向冷却水（通常为水或者氯化钠溶液）放热冷凝成高压液体，这些液体将分为两部分：一部分进入中间冷却器的盘管中降低温度，直至成为过冷液体，这一部分经节流阀降压后被输送到蒸发器蒸发制冷。另一部分经节流机构降压进入中间冷却器并蒸发，蒸发所吸收的热量来自低压级压缩机输送到中间冷却器的过热制冷剂蒸汽以及为盘管内的制冷剂提供一定的冷量。这个过程所产生的制冷剂饱和蒸汽将被高压级压缩机吸收[2]。

在冷水机组的运行中，主要关注三方面的水循环：冷却水的循环、冷冻水的循环与制冷剂的循环。这三者的关系是：制冷剂并不直接与环境空间传热，而是通过自身的物相变化在蒸发器内使冷冻水的温度降低，而冷冻水将通过密闭管道流到各个需要冷量的房间内通过风机盘管或空气调节器进行热交换，当冷冻水的温度回升后又被输送到蒸发器进行降温并开始下一轮的循环。蒸发后又经过压缩后的制冷剂高温高压液体将在冷凝器里与冷却水进行换热，被加热的冷却水将被冷却泵压送到冷却塔或者外围盘管与周围环境换热(即空冷或者风冷的方式），降低温度后将又被送回主机（冷凝器）[3]。

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总体而言，中央空调冷水机组耗功在于压缩机以及各类泵做功所需的电能，这用于维持循环中水系统与风系统的往复变化，比如制冷剂的物相变化，冷却水的温度稳定等。这使得连续制冷成为可能[4]。

图1-1 中央空调循环流程图

1.2 中央空调主要元件概述

由于制冷量所给值较大，本设计的适用对象为较大型的商用建筑。在此基础上结合行业实际情况可对关键部件进行初步选型[5]。

压缩机的选取：优先选用螺杆式压缩机，该型压缩机的优势：可靠性高，螺杆式压缩机的零部件较少，且没有易损元件，因此它的运行寿命长，运转稳定；维护维修方便；平衡性强，非常适合于用作移动式压缩机，因为其运行流畅、重量轻、占地面积小的特点；性能优越，由于螺杆式压缩机具有强制输气特点，即便经过多级压缩机也可以很好地适应这个过程，容积流量不太受到排气压力的影响，在很大范围内都可以保持较高的运转效率；在压缩机结构不变的条件下，即可适用于多种工质，无论是无油式、有油式、还是注液式螺杆压缩机都有以上特点；多相工质混输，转子齿面留有一定的间隙，故而能耐流体冲击，动力平衡性佳；同时也可输送湿蒸汽等。基于上述优良特性，压缩机应选用螺杆压缩机[6]。

散热方式：选用水冷散热。优势：性能稳定、使用寿命长、噪声较小、操作简单；配合液晶显示人机界面，操作和观察简单清晰；同时，水冷式比风冷式冷水机组能效比要高。

蒸发器：选用干式蒸发器。在干式蒸发器中，液态制冷剂在管内由于与管外

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换热会完全转变为气体，同时冷冻水在蒸发器的传热管外的管程流动。液态制冷剂进入蒸发器的量由热力膨胀阀或者电子膨胀阀控制。优势如下：管内制冷剂的流动阻力较小；冷媒和冷冻油的充注量小，且考虑到所选用的制冷剂为高性能低环保的HCFCs类物质。从价格、稳定性和节能方面考虑，干式蒸发器较为适合本设计。

图1-2 工艺设计简图

1、螺杆式压缩机；2、冷凝器（标注进出口方向）；3、干式蒸发器（标注进出口方向）；

4、过滤器；5、节流阀；6、视液镜；7、热力膨胀阀

1.3 国内外研究进展

人类控制周围环境的能力与生俱来，温度是其中至为关键的一环。最早的制冷方法主要是利用自然界已经存在的冷源物质：冰、深井水等。

冷水机组是将具有较低温度的被冷却介质（冷冻水）的热量传递给环境介质以获得所需冷量的机器。冷量在数值上与从较低温度物体上转移的热量。在冷水机组内参与热力循环的工质即制冷剂。制冷剂（如R22）的温度变化域通常在120K以上。该温度以下属于深低温范围，不属于通用制冷范畴。冷水机组广泛应用于日常生活和工业生产中。

1834年，J．Perkins 成功制造以人力转动为能量源、以乙醚为工质的可以连续运转的制冷机。这是冷水机组的开始。1844年，以空气为工质的冷水机组诞生，应用于医院制冰与冷却空气。1872年，第一台氨压缩机诞生，氨蒸汽压缩式制冷

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机也同步制成，这是现代压缩式冷水机组的开端。19世纪五十年代，以硫酸与水为工质的吸收式制冷机也被研制成功。1910年出现喷射式制冷机。1930年出现氟利昂制冷剂，这一发现大大促进了压缩式制冷机的发展。1945年，溴化银吸收式冷水机组也进入市场，到这一阶段，制冷机与冷水机组的行业进展基本成型。

近年来，我国冷水机组制造技术有了显著提升，但是主要核心部件(压缩机等)还是以采购居多，这既增加了生产成本也使我国生产最前沿产品的难度大增。目前冷水机组的发展趋势是效能增大、体积减小。结合各国的实际情况，制冷设备的优先发展类型也有着一定的区别，我国的制冷业主要瓶颈在于以下方面：

（1） 引进的先进技术不能及时消化，上世纪八十年代，我国就开始有计划地引进国外技术，也建立了合资企业。但是发展不如人意，作为基础行业，制冷业目前还远远不能满足其他行业的发展需求。一些尖端技术也不能开发。

（2） 整体素质有待提升。我国制冷行业高级技工人才缺乏的现状并未改善，这在一定程度上也阻碍了我国制冷行业的发展。

（3） 市场空间有限，提到压缩机，首先想到的就是美国的品牌，因为产品质量过硬，在市场已深深扎根。于是就有了这样一种错误观念:只要采用了国外压缩机的制冷设备，产品质量就有保障。这种情况下对于国产品牌的市场推广将更为不易。

在制冷剂的环保方面，含氟制冷剂在发现其对臭氧层具有关键影响后备受冷遇，2002年欧洲联盟已经发布法令全面禁止使用含氟制冷剂，但是值得注意的是，现在我国定义的环保冷媒也是含氟的，化学组成的不同决定氟会不会成为可破坏臭氧层的状态。CFC（氯氟烃类）即受管控。HCFC(氰氟氯烃)臭氧层破坏系数较小可作为过渡，而HFC(氢氟烃类)的臭氧层破坏系数为零，故被认为是环保冷媒。日本、美国也在有序开展控制工作。我国是现在含氟制冷剂最大的生产国和使用国，我国的空调产业发达也是有原因的，其产量约为65%，使用量已经达到40%，和我国煤炭资源的使用一样，高居全球榜首。

在联合国环境规划署的敦促下，《蒙特利尔议定书》在1987年正式施行。后来陆续出台了伦敦修正案、哥本哈根修正案等，促进环保制度落地。基本思路是控制制冷剂的生产使用，发展方向是环保节能。借由制冷剂推动空调行业的发

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展。

根据中国建筑业协会的研究报告，我国建筑能耗已经占到全国商品能源消费总量的比例为11.7%，60－70%为空调能耗，而这之中相当部分消耗在夏季制冷上，北方地区有暖气供应。而经济发达国家，空调能耗往往可以占全年总能耗量的20－30%。随着我国经济发展，人们的消费需求逐渐提高，空调已经作为基本元件被接受。因此，在家用空调以及中央空调高增长的促进下，冷水机组的性能发展是符合市场态势的。

1.4 本课题内容及研究步骤

设计适用于大型商场或者办公场所的制冷量为1134.4kw的冷水机组，主要流程如下：

1） 2） 3） 4） 5） 6） 7）

查阅国内、外有关冷水机组的相关文献，给出技术借鉴。 得出冷水机组的工况条件。 热力计算。

对冷凝器与蒸发器进行计算，得出其传热面积。 对压缩机及辅助零件选型计算。 阐述机组控制系统。 总结与行业展望

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2 冷水机组的热力计算

2.1 冷水机组的循环与计算

冷水机组的设计重心在于夏季供冷，冬季供热需求一般使用热水机组(热泵)。根据设计要求，列下冷水机组的设计基本参数，然后具体设计和选型其它各设备如压缩机、冷凝器、蒸发器。

在制冷剂的选择上，有两种制冷剂各有所长。R134a是公认的环保制冷剂，而R22的制冷性能更胜一筹。下面对它们的综合性质进行比对:

R134a的GWP(全球变暖潜能值)为0.25，R22的GWP为0.36，同属于温室气体；

R134a的ODP（消耗臭氧潜能值）为0，R22为0.06，这也是R134a成为环保制冷剂的原因；

R134a的比容是R22的1.47倍，蒸发潜热小，R134a的冷冻性能仅为R22的60%。按单位制冷量议价，R22的价格约为R134a的0.6。

R134a的热传导率低于R22，约为它的0.9。R134a机组需要更大面积的换热器。

R134a的吸水性强，20倍于R22，对机组干燥器的性能要求更高，以免发生冰堵[7]。

综合以上因素考虑，结合现行的环保政策，在没有更好的制冷剂应用前，使用R22是可行的。本次设计选用R22

表2-1 冷水机组基本参数

冷水机组类型

制冷剂种类

参数

制冷量：Q=1134.4kw

冷却水进出水温度：30℃；35℃ 冷冻水进出水温度：12℃；7℃

水/水冷水机组 R22

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图2-1 压缩过程p-h图

热力计算： 分析R22压焓图：

图2-2 R22的压焓图

采用卧式壳管式蒸发器，蒸发温度按对数平均温差求解：

?tm?（t1?t2）/{?n[(t2-t0)/(t1-t0）]}?5℃ (2-1)

求解得到蒸发温度：T0=4℃ 结合压焓图，取蒸发温度处：p0=545kpa, h0=408kj/kg

冷凝器采用水冷， Tk=(ts1+ts2)/2+6

Ts1=30℃ ，tS2=35℃

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求解得，tk=38℃ 结合压焓图， P3=1426kpa，h3=247kj/kg

取过热度T=13℃，故 吸气温度 t1=19.05℃ 结合压焓图，p1=558kpa，h1=415kj/kg 排气温度 t2s=73℃ 结合压焓图 P2=1428kpa，h2=447kj/kg

由回热器的热平衡，h3-h4=h0-h1 h4=238kj/kg, 查压焓图，p4=1423kpa，t4=28℃

设定压缩机机械效率为0.92，指示效率为0.75。

单位制冷量：q0=h1-h3=425-247=168kj/kg (2-2) 单位容积制冷量： qv=q0/v1=168/0.043=3906kj/m3

(2-3)

单位理论功：w0=h2s-h1=445-415=30kj/kg (2-4) 单位冷凝热：qk=h2-h4=217.6kj/kg (2-5) 制冷剂的循环流量：qm=Q0/q0=1134.4/168=6.77kg/s (2-6) 压缩机的理论功率：P0=qmw0=6.77*30=200.1kw (2-7) 指示功率：P1=P0/i=230.4kw (2-8) 实际制冷系数：?0?q0/w?168/30?5.6 (2-9） ?s?Q0/PI?1134.4/230.4?4.92 (2-10) 制冷器的热负荷：Qk=qm(h2-h3)=1365kw (2-11) 回热器的热负荷：QR=qm（h1-h0）=72.86kw (2-12)

2.2 冷凝器的计算与设计

制冷剂与冷却水的热交换发生在冷凝器，制冷剂经过压缩机处理得到高温高压

蒸汽，借由冷凝器中的冷却水间接像环境放出热量。通过冷凝器可以得到过冷液体，这也是冷水机组的核心部件之一[8]。

主流冷凝方式主要有空冷和水冷两种。本次设计采用的是水冷式，同时采用壳管式冷凝器，由于卧式的传热系数比立式的大，且冷却水的用量较少，水流的

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流速较快不易结垢，故选择卧式冷凝器。基本组成部分有冷凝管、位于两侧的端盖、筒套等。具体的制冷剂流动遵循：高压气态制冷剂在管束外壁流动，由冷却水对其冷凝。整个制冷剂流动过程是从筒上部到下部，以使传热充分。

图2-3 卧式壳管式冷凝器

1-外壳；2-无缝钢管；3-冷却水出口；4-冷却水进口；5-气态制冷剂进口； 6-液态制冷剂出口；7-均压管接头；8-安全阀接头；9-压力管接头；10-放气管；

11-放空气管；12-泄水管；13-放油管

传热管的参数计算

经查阅，可以采取每英寸19片的滚轧低肋管： df=18.75mm，db=15.6mm，sr=1.34mm, di=14mm

?r?0.25mm,??20? 一单位的肋顶面积：

fr??df?Tn?3.1416?0.01875?0.25?0.001?747?0.011m2/m 单位管长所有的肋片数：

n?1000/sf?747

单位管长的肋片面积： 单位管长的肋间基管面积：

ff?n?db(1??0/sf)?0.022m2/m (2-14) 单位管长肋片管外表面积：

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是表现为进出水压力差变大，吸气口也会出现结霜，因此应定期对机组进行反冲洗。

（4）电气故障引起误报。由于低压保护继电器受潮短路、接触不良或损坏，单元电子板受潮或损坏，通信故障引起的误报。

（5）外界气温较低，冷却水温度很低时开机运行，也会发生低压故障；机组运行时，由于没有足够的预热，冷冻油温度低，制冷剂没有充分分离，也会发生低压故障。对于前一种情况，可以采取关闭冷却塔，节流冷却水等措施，以提高冷却水温度。对于后一种情况，则延长预热时间，冷冻油温度回升后一般可恢复正常。

高压故障分析：

压缩机排气压力过高，导致高压保护继电器动作。压缩机排气压力反映的是冷凝压力，正常值应在1.4~1. 6MPa，保护值设定为2.0MPa。若是长期压力过高，会导致压缩机运行电流过大，易烧电机，还易造成压缩机排气口阀片损坏。

产生高压故障的原因如下：

（1）冷却水温偏高，冷凝效果不良。冷水机组要求的冷却水额定工况在30~35℃，水温高，散热不良，必然导致冷凝压力高，这种现象往往发生在高温季节。造成水温高的原因如风机未开甚至反转，布水器不转，表现为冷却水温度很高，而且快速升高；外界气温高，水路短，可循环的水量少，这种情况冷却水温度一般维持在较高的水平，可以采取增加储水池的办法予以解决。

（2）冷却水流量不足，达不到额定水流量。主要表现是机组进出水压力差变小（与系统投入运行之初的压力差相比），温差变大。造成水不足的原因是系统缺水或存有空气，解决办法是在管道高处安装排气阀进行排气；管道过滤器堵塞或选用过细，透水能力受限，应选用合适的过滤器并定期清理过滤网；水泵选用较小，与系统不配套。

（3）冷凝器结垢或堵塞。冷凝水一般用自来水，在30℃以上时很容易结垢，而且由于冷却塔是开式的，直接暴露在空气中，灰尘异物很容易进入冷却水系统，造成冷凝器脏堵，换热面积小，效率低，而且也影响水流量。其表现是机组进出水压力差、温差变大，用手摸冷凝器上下温度都很高，冷凝器出液铜管烫手。应定期对机组进行反冲洗，必要时进行化学清洗除垢。

（4）制冷剂充注过多。这种情况一般发生在维修之后，表现为吸排气压力、

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平衡压力都偏高，压缩机运行电流也偏高。应在额定工况下根据吸排气压力和平衡压力以及运行电流放气，直至正常。

（5）制冷剂内混有空气、氮气等不凝结气体。这种情况一般发生在维修后，抽真空不彻底。只能排掉，重新抽真空，重新充注制冷剂。

（6）电气故障引起的误报。由于高压保护继电器受潮、接触不良或损坏，单元电子板受潮或损坏，通信故障引起误报。这种假故障，往往电子板上的HP故障指示灯不亮或微亮，高压保护继电器手动复位无效，电脑显示“HP RESET”，或自动消失，测压缩机运行电流正常，吸排气压力也正常。

蒸发器故障分析：

重点在于蒸发压力与工质排气温度。蒸发压力过低的现象往往伴随着膨胀阀结霜的现象，原因可能是：工质不足，在蒸发管内过早汽化，而使冷冻水与工质的传热面积减小，且气态工质的传热性能弱于液态，故制冷量减少，蒸发压力没有进一步升高的推动因素。使用高效能的换热部件如低肋螺纹管往往可以解决问题。

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总结与展望

根据工况选择合适的设备是使用和优化的第一步，本次设计的重点放在冷凝器与蒸发器上，设计目标应该是对设备的外形尺寸，进出口参数值，内部阻力和流速有全方位的剖析。

得到的关键热力性能参数如下：

压缩机理论功率：P0=200.1kw；单位制冷量q0=168kj/kg；热负荷Qk=1365kw。 冷凝器的基本参数：采用每英寸19片滚轧低肋管；冷却水流量为233490kg/h；冷凝管管数为360根，分为两流程排列。

蒸发器基本参数:蒸发器管数为1887根，冷冻水流量为54.02kg/s。 压缩机选用单级水冷螺杆式压缩机。

有一部分设备型号和参数未能很好地呈现，参考经验数值较多而没有进行更严格的计算，这些都是本次设计的遗憾。但是不可否认的是，通过这次设计，我对中央空调的整体运行和部件的细节有了非常充实的认识，非常感谢这次机会督促我学到了这些专业相关的知识。

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致 谢

大概每一个做着毕设的同学都会感慨本科生涯的结束，唏嘘自己四年来的感悟得失。都说青春不留遗憾但是怎么会没有遗憾呢，小到一顿早餐大到毕设都有遗憾。对于华中大这个包容我四年的森林之城，她可以让你的遗憾变成一片沼泽拖你下陷还是真正在前面点亮一盏你无法拒绝的灯？我选择后者。即便我的四年平淡如水没有为华中大带来什么，但是我有感受，在我有些颓废的时候如果回头看到的是引力，是拉你回到正轨的引力。每一门课，每一个活动，每一个在成长着的huster都是。所以致谢，首先想谢谢这个学校，教书育人之地，非常喜欢这个被树环绕的学校，虽然梧桐扬絮自烦人，但是透过窗子看，还是一片胜景。

感谢张师帅老师的悉心指导与体谅，这次毕业设计算是剑走偏锋，在流机阵营里潜伏着一个制冷分子(对，就是我)，对此也算是有悲有喜，喜的是工作量稍小些但是也增加了不少不确定性，按照流程进行来一定量的计算但是没有更具体的表示比如把压缩机画出来，不得不说有些心虚，但是这不代表没有收获，中央空调有了比较长足的认识，而且我也比较关注压缩机的设计，室友都是设计压缩机，所以也算是福利吧。张老师在我有问题请教的时候能够明确给出解决方案不含混，让人很心安。由于国防生在毕业阶段有较高频率的训练，张老师也给予了充分的谅解，再次谢谢张老师，祝身体健康，万事如意，一切都好!

感谢能源学院的所有老师，我以能源为荣；感谢流机组的所有老师，感谢老师们的四年来的教导；感谢选修课的其它组老师，我也选修了中央空调，经常随堂测验学到了很多相关知识。

感谢父母，作为教师当知道我大学挂科的时候肯定是震惊的，但是还是选择相信我给予我支持，遥祝一切都好，这句祝福也会被收录知网吧，哈哈。

每一个huster都是华中大，走出校门用树姿态生长，大海我来了，再见华中大

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参考文献

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