5KW复合能源空调热水系统——毕业论文

郑州轻工业学院郑州轻工业学院 本科毕业设计（论文） 题 目 5KW 复合能源空调热水系统 学生姓名 专业班级 热能与动力工程 学 号 院 （系） 机电工程学院 指导教师（职称） 完成时间 5KW 复合能源空调热水系统 2 目 录 摘要1 ABSTRACT.2 1 绪论.3 1.1 太阳能复合能源空调热水系统的组成与工作原理3 1.2 太阳能复合能源空调热水系统的优点3 2 原始设计资料和技术条件4 3 制冷剂的选择与热力计算计算4 3.1 制冷剂的分类5 3.2 制冷剂的选择原则.6 3.2.1 热力学性质方面6 3.2.2 迁移性质方面6 3.2.3 物理化学性质方面7 3.2.4 其它7 3.3 制冷热力计算9 3.4 压缩机的选择12 3.4.1 压缩机概述12 3.4.2 往复式压缩机概述13 4 冷凝器的设计计算.14 4.1 冷凝器概述14 5KW 复合能源空调热水系统 3 4.2 冷凝器的比较15 4.2.1 空气冷却式冷凝器15 4.2.2 水冷式冷凝器.15 4.2.3 蒸发式冷凝器16 4.3 冷凝器的选型17 4.4 套管式冷凝器的设计计算.17 4.4.1 冷凝器设计参数17 4.4.2 冷凝器换热面积计算18 4.4.3 冷凝热负荷计算19 4.4.4 内管根数的确定19 4.4.5 传热计算19 4.4.6 冷凝器总体结构设计21 5 蒸发器的选择计算.21 5.1 蒸发器概述.21 5.2 蒸发器的比较21 5.2.1 干式氟利昂蒸发器.21 5.2.2 满液式蒸发器22 5.2.3 循环式蒸发器22 5.3 蒸发器的确定22 5.4 蒸发器的设计计算.23 5.4.1 蒸发器的设计参数23 5.4.2 蒸发器结构设计23 5.4.3 确定空气在流经蒸发器时的状态变化过程24 5.4.4 换热计算25 5.4.5 校核壁温27 6 辅助设备的选择计算与选型.28 5KW 复合能源空调热水系统 4 6.1 干燥过滤器的计算选型.28 6.2 风机选型30 6.4 节流装置计算选型32 6.4.1 节流机构概述32 6.4.2 节流机构的分类32 6.4.3 节流前后压差的计算39 6.4.4 节流装置的选型39 6.5 四通换向阀的选型.41 6.5.1 四通换向阀的选型41 6.5.2 四通换向阀线圈的选择42 6.6 气液分离器的计算选型.42 6.6.1 气液分离器选型原则.42 6.6.2 气液分离器计算选型43 6.7 压力控制器的选型45 6.7.1 工作原理.45 6.8 分液器选型.46 6.9 电磁阀选型47 6.9.1 电磁阀的工作原理及作用47 7 管路设计49 7.1 制冷循环铜管的设计计算.49 结 束 语.52 致 谢.53 参考文献54 5KW 复合能源空调热水系统 1 5KW 复合能源空调热水系统 摘 要 能源和环境是当今世界的两大社会问题，能源的重要性尤为突出，如何有效的 利用太阳能日益显得重要。太阳能复合能源空调热水系统，是利用水冷冷凝器的形 式回收空调冷凝热，并用于生活热水的初级加热，利用太阳能对生活热水进行二次 加热供全年生活热水使用。该系统将太阳能热水器与传统蒸汽压缩式家用空调进行 有机结合：在压缩机的排气侧用一个“水制冷剂”的排气换热器替代了原有的“空气 制冷剂”的换热器，提高进入太阳能集热器的用户侧回水温度1。本文主要介绍了 5kw 复合能源空调热水系统的设计思路及主要零部件的设计计算。对太阳能复合能 源空调热水系统的工作原理及其优点进行了简要介绍。介绍了制冷剂的分类和选择 原则；蒸发器的概述和分类；冷凝器的概述和分类。先后定性的分析了制冷剂的选 择、压缩机的选用、冷凝器的水冷换热方式的确定、蒸发器换热方式的确定、节流 机构的选择以及相关辅助设备的选择计算。在定量计算上详细介绍了热力计算、冷 凝器的设计计算、蒸发器的设计计算、节流机构的选择计算以及其他辅助设备的选 择过程。 关键词 复合能源/压缩机/冷凝器/蒸发器 5KW 复合能源空调热水系统 2 5 kw composite energy air conditioning hot water system ABSTRACT Energy and environment are the two major social problems in todays world, especially the importance of energy, how to effectively use the solar energy is becoming more and more important. Compound solar energy air conditioning hot water system, is to use the form of a water cooled condenser recycling air conditioning condensation heat, and the primary heat for living hot water, hot water to make use of solar energy secondary heat for living hot water all the year round. The system will be the solar water heater with the organic combination of traditional steam compression type of household air conditioning: on the exhaust side of the compressor with a water - refrigerant replaced the original exhaust heat exchanger of air - refrigerant heat exchanger, improve into the user side of the solar collector return water temperature. 5 kw composite is mainly introduced in this paper the energy air conditioning hot water system design and calculation in the design of main components. On the working principle of compound solar energy air conditioning hot water system and its advantages were introduced. Introduces the classification of refrigerants and choice principle; Overview of the evaporator and classification; Overview of condenser and classification. Has the qualitative analysis of the refrigerant selection, selection of compressor and condenser water cooling heat transfer mode, the evaporator heat transfer mode, the selection of throttle body and related auxiliary equipment selection calculation. On the quantitative calculation of thermodynamic calculation was introduced in detail, the design calculation of condenser, evaporator design calculation, the selection of the throttle body calculation and other auxiliary equipment selection process. 5KW 复合能源空调热水系统 3 KEY WORDS composite energy ，compressor，condenser，evaporator， 5KW 复合能源空调热水系统 4 1 绪论 带有加热水功能的家用空调系统作为一种采用新设计技术的家电产品，兼有家 用空调和空气源热水器的优势，具有很大的市场前景。其主要特点是：利用家用空 调系统，在需要房间制冷时，可以开启制冷模式；当需要制热水时，可以开启制热 水模式；需要制冷兼制热水时，也可以开启制冷兼制热水模式；需要冬天制热时， 又可以开启制热模式。其有利于减少生产成本，也有利于实现节能、环保效果。 1.1 太阳能复合能源空调热水系统的组成与工作原理 1、太阳能热水系统是利用利用太阳辐射能加热水的装置，它由集热器、贮水箱、 管道、控制设备、辅助加热设备五部分组成。作为利用太阳能的一个设备整体，也 称为太阳热水装置。目前，在市场上广为销售的家用太阳热水器，同样由上述的集 热器等四个部分组成。所以家用太阳热水器，实质上是一个最小的太阳能热水系统， 和采光面积几千平米的大型太阳热水系统原则上是一样的。 2、太阳能热水系统组成： （1）集热系统：热管式太阳能集热器； （2）辅助加热系统：空气源热泵和电； （3）控制系统：太阳能控制系统和远程监控系统； （5）储水箱 ：承压水箱和非承压水箱. 1.2 太阳能复合能源空调热水系统的优点 将太阳能复合能源空调热水系统与各种传统类型热水器加单冷空调器的组合进 行比较分析，得出太阳能复合能源空调热水系统单位产能花费相比其他系统较低， 具有显著地优势。 太阳能复合能源空调热水系统是一种节能环保且高效的空调热水系统，其制冷 性能系数比传统系统高出很多，总体性能 COP 值平均 4.83，最高可达 5.34，而单独 加热水模式下的能效比高达 5.78。 体系的换热器制冷剂流路的分路匀称性和水循环的流量巨细是影响该体系团体 性能系数 COP 的重要因素。通过热泵空调热水系统和太阳能系统的有机结合，该系 5KW 复合能源空调热水系统 5 统在全年都能很好的满足制冷与生活热水需求。 2 原始设计资料和技术条件 1.使用环境条件： 室外空气温度-10/40， 2.空调器制冷量： 5000w； 3.制冷方式： 蒸气压缩制冷循环 4.制冷剂： HCFC 类或 HFC 类 3.系统热力计算 3 制冷剂的选择与热力计算计算 制冷剂又称制冷工质，是制冷循环中的工作介质，制冷剂在制冷机中循环流动， 通过自身热力状态的变化与外界发生能量交换，从而实现制冷的目的。简而言之， 制冷剂就是制冷系统中传递能量、实现循环的工作介质2。习惯上又称制冷剂为制 冷工作介质或简称工质。乙醚是最早使用的制冷剂，当前，能用作制冷剂的物质有 80 多种，最常用的是氨、氟里昂类、水和少数碳氢化合物等。本世纪 30 年代氟里 昂制冷剂的出现，对制冷技术产生了推动作用。由于其无毒、无味、不燃和无爆炸 等优点，且腐蚀性小，热稳定性和化学稳定性好，逐步成为一种较理想的制冷剂， 得到了广泛的应用。 早期使用的制冷剂有乙醚、二氧化硫、氯化钾、二氧化碳等。由于其本身的缺 点,现除二氧化碳还用于生产干冰等制冷系统外,其余均被淘汰。现被采用的制冷剂约 有二三十种,主要有氨、氟利昂、水等。 从 19 世纪 30 年代,Perkins 发明了蒸气压缩式制冷循环后,人类迎来了制冷技术 的发展期,而制冷剂的发明、更新和替换始终贯穿整个过程3。目前根据新时期的发 展要求,制冷剂又将面临新的挑战。 第 1 代 第 2 代第 3 代第 4 代 年代1830-19301931-19901991-20102010- 原则能用即可安全与耐久性臭氧层保护防止全球变暖，低 5KW 复合能源空调热水系统 6 ODP，低 GWP，高效 制冷剂 醚类， CO2，空 气，甲酸 甲酯 CFCs, HCFCs NH3 ,H2O ( HCFCs ) , HFCs , NH3 , H2O ,HCs , CO2 ( HCFCs ) , NH3 , H2O , HCs , CO2 ,空气 表 3-1 制冷剂发展历程 表 3-1 所表示的是 J . M. Calm 所描述的制冷剂的发展的 4 个阶段,为发展制冷工 业,人类发明了各种各样的制冷剂。但是,目前已经发现或者潜藏着对环境的危害作用。 这时,第 1 代制冷剂中的“天然制冷剂”重新燃起了人们的希望。 3.1 制冷剂的分类 制冷剂的分类方法有很多种，常用的方法有以下几种： 按组成区分，有单一制冷剂和混合型制冷剂。单一制冷剂是指用作制冷剂的物 质在化学上是单一的、纯净的物质，不包括溶液或其他混合物。包括无机化合物、 卤代烃、碳氢化合物和乙醚及其氟代物等。而混合型制冷剂又可分为共沸混合制冷 剂和非共沸混合制冷剂两类4。 按化学成分，主要有三类：无机物、氟利昂和碳氢化合物。其中本世纪 30 年代 氟里昂制冷剂的出现，对制冷技术产生了推动作用。由于其无毒、无味、不燃和无 爆炸等优点，且腐蚀性小，热稳定性和化学稳定性好，逐步成为一种较理想的制冷 剂，得到了广泛的应用5。但是氟里昂有其缺点，它是一种“温室效应气体“，而且它 会一定程度的破坏大气层中的臭氧（氟氯碳化合物扩散至同温层时） ，被太阳的紫外线照射而分解，放出氯原子，与 同温层中臭氧进行连锁反应，使臭氧层遭到破坏，危及人类健康及生态平衡。 3.2 制冷剂的选择原则 选择制冷剂时主要应考虑以下几个方面： 5KW 复合能源空调热水系统 7 3.2.1 热力学性质方面 一般在工作温度范内有符合的压力和压力比，即蒸发压力不低于大气压力，以 使制冷体系的低压部门不出现负压，使外界空气进入体系，影响制冷剂的性能或加 剧对设备的腐化或引起别的一些不良结果（如燃烧、爆炸等）；冷凝压力不要过高， 以免设备太过笨重；冷凝压力与蒸发压力之比也不宜过大，以免压缩终了的温度过 高或使往复式压缩机的输气系数过低6。 单元制冷量 q0和单元容积制冷量 qv比力大。 比功 w 和单元容积存缩功 wv小，循环效率较高。 等熵压缩的终了温度 t2不太高，以免润滑条件恶化（润滑油粘性降落、结焦） 或制冷剂在高温下分解。 3.2.2 迁移性质方面 粘度、密度尽量小，这样可以减少制冷剂在系统中的流动阻力以及制冷剂的充 注量。 热导率大，这样可以提高热交换设备的传热系数，减少传热面积，使系统结构 紧凑。 3.2.3 物理化学性质方面 无毒、不燃烧、不爆炸、安全。 化学稳固性和热稳固性好，制冷剂要经得起蒸发和冷凝的循环变化，使用时稳 定性，不与润滑油反应，不腐化制冷机构件，在压缩终了的高温下不分解。 对大气无破坏作用，即不破坏大气臭氧层，没有温室效应。 3.2.4 其它 原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜。 除了以上共同要求外，不同型式的制冷系统和制冷压缩机对制冷剂还有一些特 5KW 复合能源空调热水系统 8 殊要求，比如说： 离心式压缩机要求制冷剂的相对分子质量要大，以提高压缩比，减少级数。 制冷量在 200W 以下的制冷机要求制冷剂的单位制冷量要小，以免压缩机的尺 寸过小，加工困难；制冷量大于 1000W 的制冷机要求制冷剂的单位容积制冷量要大， 以减少压缩机的尺寸和制冷剂容积流量7。 小型制冷系统要求制冷剂与润滑能相互溶解，以便利用回气夹带回油，简化系 统。 全封闭和半封闭式制冷压缩机要求制冷剂电绝缘性能好。 完全满足上述各种要求的制冷剂并不存在，各种制冷剂都是某些方面较优，而在另一些方 面不足。应根据工程实际需要，在满足特定要求的前提下，权衡取舍，找出最佳方案。总而言 之，到目前还没有找到一种可用于替代的理想制冷剂，各种研究仍在努力。 综上所述，本设计用 R134a 作为制冷剂。 R134A：是一种新型环保制冷剂，不破坏臭氧层，工作压力是普通 R22 空调的 1.5 倍左右，制冷（暖）效率更高。 提高了空调的性能，且不破坏臭氧层。R134A 新冷媒由两种接近共沸的混合物而成，主要有氢，氟和碳元素组成（表示为 HFC）, 具有稳定，无毒，性能优越等特点。除此之外由于不含氯元素，故不会与臭氧发生 反应，既不会破坏臭氧层。另外，采用这一冷媒的空调在性能方面也会又一定的提 高。R134A 是目前国际公认的用来替代 R22 最合适的的冷媒，并在欧美,日本等国家 得到普及。 R134A 作为当今广泛使用的中高温制冷剂，主要应用于家用空调、中小型商用 空调（中小型单元式空调、户式中央空调、多联机） 、移动空调、除湿机、冷冻式干 燥剂、船用制冷设备、工业制冷等制冷设备。 R134A 制冷剂是新装制冷设备上替代氟利昂 R22 的最佳和最终选择（通常为空 调系统） ；但是由于 R134A 与 R22 压力不同（R134A 压力比 R22 要高得多）以及压 缩机用油等均不相同，因此对于初装为 R22 制冷剂的制冷设备的售后维修，如果需 要再添加或更换制冷剂，仍然只能添加 R22，通常不能直接以 R134A 来替代 R22（也就是说通常不可以进行换血式的替换；但是对于初装使用 R22 的制冷设备， 维修或替换时可以以 R134A 直接替换 R22）8。 R134A 替换在主要国际市场的全球趋势及展望的使用状况和进入国际市场的动 态物理性质资料 R134A，是一种混合制冷剂，它是由 R32（二氟甲烷）和 5KW 复合能源空调热水系统 9 R125（五氟乙烷）组成的混合物，其优点在于可以根据具体的使用要求，对各种性 质，如易燃性、容量、排气温度和效能加以考虑，量身合成一种制冷剂。R134A 外 观无色，不浑浊，易挥发，沸点-51.6，凝固点-155；其主要特点有： 不破坏臭氧层。其分子式中不含氯元素，故其臭氧层破坏潜能值（ODP）为 0，全球变暖潜能值（GWP）小于 0.2。 毒性极低。容许浓度和 R22 同样，都是 1000pm。 不可燃。空气中的可燃极性为 0。 化学和热稳定性高 水分溶解性与 R22 几乎相同。 是混合制冷剂，由两种制冷剂组成 不与矿物油或烷基苯油相溶。 （与 POE酯润滑油、PVE醚润滑油相溶） R134A 制冷剂是一款由 HFC 类物质组成的混配制冷剂，不含任何破坏臭氧层的 物质，其 ODP 值为零。与 R22 相比，R134A 的制冷量显著提高，因此为设计更小 更紧凑的空调设备提供了可能。并且由于 R134A 具有近共沸的物性，在整个运行范 围内，制冷剂温度滑移小于 0.2，R134A 在制冷空调系统中不会发生显著的分离， 即不会由于泄漏而改变制冷剂的成分，因此在售后维修再补充过程中，无需排放掉 系统中剩余的制冷剂。R134A 是目前世界公认的家用空调 R22 制冷剂的中长期替代 品9。 R134A 制冷剂的绝大多数压缩机生产商建议使用多元醇酯 POE（Polyol Ester） 冷冻机油。 3.3 制冷热力计算 确定制冷系统的设计工况主要指确定蒸发温度、冷凝温度、压缩机吸气温度和 过冷温度等工作参数。有关主要工作参数的确定参考制冷工程设计手册进行计 算。 、 冷凝温度的确定 tk=48 、 蒸发温度的确定 蒸发温度是制冷剂液体在蒸发器中汽化时的温度。蒸发温度的高低取决于被冷 却物体的温度及传热温差， 水冷式蒸发温度一般 6-8，确定为 t0=8 5KW 复合能源空调热水系统 10 、 过冷温度的确定 在冷凝压力下，制冷剂液体的过冷温度与冷凝温度的差值，称为过冷度。水冷 过冷度 3-4，确定tsc=3。 、 压缩机吸气口温度的确定 压缩机的吸气温度根据管道中的传热情况，或根据标准规定的过热度确定。通 常 t1=16 、 制冷系统理论循环 p-h 图 查 R134A 热力性质表和图得: 参数 状态 点 Ct a MPPkgm3kgkJh 08.000.387401.77 116.000.3870.056401.41 2s1.253435.86 21.253442.23 348.001.253468.45 445.001.253263.90 图 3-1 制冷循环压焓图 4 2 a a 2 1 0 1 5 8 3 48 lgp h 2s 5KW 复合能源空调热水系统 11 、 制冷系统热力计算 (1)、 单位质量制冷量的计算，过热有效 (3-1) (2)、 单位容积制冷量的计算 (3-2) m KJ v q q a va 3 1 0 /93.2608 (3)、 单位理论压缩功（）的计算 kgkJhhw s 45.2541.41086.435 120 (3-3) (4)、单位指示功：取指示功率 8 . 0 i kgkJkgkJ w w i o i 813.31 8 . 0 45.25 (3-4) (5)、2a 点的焓值： kgkJwhh ia 23.442813.3141.410 12 (3-5) (6)、单位冷凝负荷： kgkJhhq ak 33.17890.26323.442 42 (3-6) (7)、制冷系数： (3-7)741 . 5 45.25 11.146 0 0 0 a q (8)、压缩比 23 . 3 3876 . 0 253 . 1 0 p pk (3-8) (9)、 制冷剂质量流量（）的计算 hkgskgskg q Q q a m 195.12303422 . 0 11.146 5 0 0 （3-9） (10)、压缩机实际输气量： hmvqv ma 3 1 899 . 6 （3-10） (11)、压缩机理论输气量： kgkJhhq a 11.14690.26341.410 50 5KW 复合能源空调热水系统 12 lTpv （3-11） 取 95 . 0 压缩机理论输气量 （3-12） (12)、压缩机理论功率： kWwqP m 87 . 0 45.2503422 . 0 00 （3-13） (13)、压缩机指示功率（取压缩机指示效率为）：8 . 0 i kWkW P P i i 09 . 1 8 . 0 87 . 0 0 （3-14） (14)、压缩机轴功率（取机械效率）9 . 0 m kWkW P P m i m 1.21 9 . 0 09 . 1 （3-15） (15)、压缩机电机即输入功率（电动机效率）88 . 0 mo kWkW P P mo m el 1.37 88 . 0 1.21 （3-16） （16） 、冷凝器热负荷： kwqqQ kmka 6.10 （3-17） (17)、性能系数： 13 . 4 1.21 5 m oa P Q COP （3-18） (18)、能效比： 3.65 1.37 5 el oa p Q EER （3-19） hmhm v V a h 33 262 . 7 95. 0 899 . 6 5KW 复合能源空调热水系统 13 3.4 压缩机的选择 3.4.1 压缩机概述 压缩机在蒸汽压缩式制冷空调系统中，压缩机是决定制冷系统能力大小的关键 部件，对系统的运行性能、噪声、振动、维护和使用寿命等有着直接的影响10。它 是整个制冷系统的动力来源，它在消耗一定的电功后，将蒸发器中的低压制冷剂气 体吸入，并把它压缩到冷凝压力再进入冷凝器中去，从而保证制冷剂蒸汽能在常温 下冷凝液化，从而使得制冷循环得以顺利进行，因而人们形象地称之为制冷设备的 心脏。 制冷压缩机按密封结构形式可分为开启式压缩机、半封闭式压缩机和全封闭式 压缩机11。15KW 以下的小容量制冷压缩机大多采用全封闭式压缩机。全封闭式压 缩机中电动机和压缩机连成一个整体，装在一个不能拆开的密封机壳中，使用可靠 性高，寿命长，运转平稳，噪音低，体积小，使用于小制冷量系统中。由于此次设 计的空调系统的制冷量为 7.5kw，因此本设计选用全封闭式制冷压缩机。 由于压缩机是制冷产品技术含量最高、生产代价最大的关键部件。因而，国际 上对制冷压缩机的研究从未停止、永无止境。从传热流动、噪声振动、摩擦润滑、 质料材质、加工工艺到性能与可靠性，从机理阐发、理论研究到机器布局、测试技 能等，险些无所不包。每年都有大量的研究结果和文献出现，也可以大概视察到 因之带来的进步和收益。同时近年来，国内制冷压缩机的研究与技术进步也取得了 可喜的进展，特别是冰箱压缩机行业12。在中国节能冰箱项目的推动下，冰箱压缩 机的性能系数从几年前的 1.0 左右发展到今天有数家国内冰箱压缩机企业最高达到 1.95，从而在一定程度上促进了制冷设备的发展。 3.4.2 往复式压缩机概述 活塞式压缩机是最早设计、制造并得到应用的压缩机，也是应用范围最广，制 造工艺最成熟的压缩机。即使是现在，活塞压缩机仍然在大量得到使用。 优点：1、进气排气压力的覆盖范围非常广泛，甚至可以满足 4000PSIG（280Kg/cm2）以上的高压要求。 5KW 复合能源空调热水系统 14 2、流量的覆盖范围也相当广泛，虽然在大量流量的应用上已逐步被其他类型压 缩机所取代而退出市场，但是在小流量（数匹马力甚至更小）的使用范围仍具有相 当的优势。 3、在小流量、高压的应用领域，往复式压缩机可当作增压机来使用。 4、以 100PSIG（7Kgf/cm2）为例，两段式压缩的往复式压缩机，在能源效率上 的表现既相当优越，其多变压缩效率大约可达 87%，此标准也是其它类型压缩机追 求突破的目标。 5、气密性相当好，因此也适合压缩空气或氮气以外的其它特殊工艺性气体应用 范围。 6、采用高强度的设计时，机组转速低，坚固耐用，连续使用的故障率低。 7、每机多缸双作用的设计，可以采用多级式的容积控制方式，对压缩空气消耗 量极不稳定的压缩空气系统，可以使用 050100%的三级控制或 0255075100% 的五级控制，对截流控制有一定的显著效益。 其参考数据如下： 型号：MTZ36JG4A 名义制冷量：5339W 输入功率：1973W 最大额定电流：3.88A 能效比：COP:2.71 排量：60.47cm3/rev 排量：10.52m3/h 注油量：0.95dm3 净重：25Kg 压缩机外形尺寸： 5KW 复合能源空调热水系统 15 图 3-2 4 冷凝器的设计计算 4.1 冷凝器概述 优质冷却器是换热设备的一类，用以冷却流体。通常用水或空气为冷却剂以除去热 量。有间壁式冷却器、喷淋式冷却器、夹套式冷却器和蛇管式冷却器等。有间壁式冷却 器、喷淋式冷却器、夹套式冷却器和蛇管式冷却器等。广泛用于大功率硅整流和感应炉 及中频炉等大电器设备配套作为冷却保护付机的纯水、水风、油水、油风冷却装置。在 冷冻厂中用冷凝器来冷凝氨和氟利昂之类的制冷蒸气14。石油化学工业中用冷凝器 使烃类及其他化学蒸气冷凝。在蒸馏过程中，把蒸气转变成液态的装置称为冷凝器。 所有的冷凝器都是把气体或蒸气的热量带走而运转的。 5KW 复合能源空调热水系统 16 4.2 冷凝器的比较冷凝器的比较 4.2.1 空气冷却式冷凝器 空气冷却式冷凝器用于电冰箱、冷藏柜、窗式空调器、汽车以及铁路车厢用的 空调装置、冷藏等一些运输式制冷装置，冷却介质是空气，适用于干旱缺水或水质 低劣的地区。空气冷却式冷凝器依据据空气的流动情况还可分为自然对流和强制对 流冷却两种。前者主要用做 300L 以下家用冰箱的冷凝器，后者主要用于中小型氟利 昂机组15。 4.2.2 水冷式冷凝器 水冷式冷凝器是用水作为冷却介质来对压缩机的排汽进行冷却使其冷凝，冷却 水可用江、湖、河、海及井水等。由于水的温度较低，所以采用水冷式冷凝器可以 得到较低的冷凝温度和压力，从而有利于提高制冷装置的制冷能力及其运行的经济 性。目前常用的水冷式冷凝器有立式壳管式、卧式壳管式、套管式三种16。 4.2.3 蒸发式冷凝器 蒸发式冷凝器的换热主要是靠冷却水在空气中蒸发吸收气化潜热而进行的。蒸 发式冷凝器的耗水量较少，空气流量也不大10。蒸发式冷凝器具有以下一些优点。 节水,一般在水冷式冷凝器中，每 1kg 冷却水能带走 16.7525.12kJ 热量，而 1kg 水在常压下蒸发能带走约 2428kJ 热量，蒸发式冷凝器正是使用水的蒸发潜热来 带走制冷剂热量，因而蒸发式冷凝器理论耗水量仅为一样通常水冷式冷凝器的 1%； 思量到飞溅丧失等因素，现实耗水量约为水冷式的 5%-10%19 。节电，蒸发式冷凝 器的制冷系统冷凝温度比用风冷式或水冷式冷凝器低。因而采用蒸发式冷凝器将使 压缩机的输入功率减少，冷凝器的总耗功率（水泵、风机）也显著降低。 结构紧凑，蒸发式冷凝器本身起了冷却塔的作用，因此不需配备冷却塔，由于 不需要设置冷却塔，故整个装置结构紧凑、体积小、占地面积小。 不污染环境，不少化工场以往接纳壳管式或着淋激式冷凝器，夏日时由于冷凝 压力过高，每每接纳“放空降压” ，但每次放出的并不满是不凝性气体，此中含有大 5KW 复合能源空调热水系统 17 量的氨气，不但氨丧失相称严峻，还造成情况污染，但接纳蒸发式冷凝器后不存在 这种征象。 4.3 冷凝器的选型 综上所述，选择水冷式冷凝器，水冷式冷凝器是以水作为冷却介质，靠水的温 升带走冷凝热量。冷却水一般循环使用，但系统中需设有冷却塔或凉水池。水冷式 冷凝器按其结构形式又可分为壳管式冷凝器和套管式冷凝器两种。在小型制冷装置 中，制冷量在 10KW 时优先选用套管式冷凝器，若制冷量较大时，盘管总长过长时 可采用卧式壳管式冷凝器20。水冷套管式冷凝器结构简单，制造方便，冷凝器占用 空间小，使制冷机组的体积小、重量轻，因此，套管式在单元式空调机组得到广泛 的应用。一般来说，套管式冷凝器的水耗量比壳管式冷凝器的水耗量要小。套管式 冷凝器制冷剂的蒸气从上方进入内外管之间的空腔，在内管外表面上冷凝，液体在 外管底部依次下流，从下端流入贮液器中。冷却水从冷凝器的下方进入，依次经过 各排内管从上部流出，与制冷剂呈逆流方式。这种冷凝器的优点是结构简单，便于 制造，且因系单管冷凝，介质流动方向相反，故传热效果好。 总之，采用套管式冷凝器是最佳的选择。 图 4-1 5KW 复合能源空调热水系统 18 4.4 套管式冷凝器的设计计算 4.4.1 冷凝器设计参数 冷凝温度 0 . 48 k t 蒸发温度 0 . 8 0 t 工况下的制冷量 kWQ5 0 冷却水进口温度 35 1 w t 冷却水出口温度 40 2 w t 4.4.2 冷凝器换热面积计算 对数平均温差 85.10 4048 3548 ln 3540 ln 2 1 12 wk wk ww m tt tt tt （4-1） 选取管内水速 smw5 . 2 选取管内冷却水污垢系数 WKmri 2 000086 . 0 选用 mmmm5 . 116 的紫铜管轧制的低翅片管为内管，且选用如下表所示的 1 号管，其管型结构参数如下：翅节距 mmS f 25 . 1 、翅厚 mm t 223 . 0 、翅高 mmh5 . 1 、管内径 mmdi11 、翅根管面外径 mmdb86.12 、翅顶直径 mmdt86.15 序 号 坯管规格 mm s1 mm 1 mm di mm db mm dt mm h 12 mm aol 1 5 . 116 1.250.2231112.8615.861.50.151.35 2 5 . 116 1.50.351113161.50.1341.347 5KW 复合能源空调热水系统 19 3 5 . 116 1.20.410.412.415.11.350.1391.384 4 5 . 119 1.10.251415.918.9201.50.1791.48 5 5 . 119 1340.251415.8518.75201.450.1521.457 表 4-1 每米管长各有效换热面积分别为 mmmmda ii 22 0346 . 0 011 . 0 （4-2） mmmmSda fttd 22 0089 . 0 00125 . 0 000223 . 0 01586 . 0 （4-3） mmmmSdda fbtf 222222 1083 . 0 00125 . 0 201286 . 0 01586 . 0 2 mmmmSSda ftfbb 22 0332 . 0 00125 . 0 000223 . 0 00125 . 0 01286 . 0 mmmmaaaa bfdof 22 1504 . 0 0322 . 0 1083 . 0 0089 . 0 （4-4） 4.4.3 冷凝热负荷计算 根据循环的热力计算， kwQka1 . 6 考虑 5%的余量，则冷凝负荷为6.13 kW。 k Q 4.4.4 内管根数的确定 冷却水在平均温度 37 m t 时，密度 3 9852.994mkg 、比定压热容 KkgJcp 8 . 4179 ，则冷却水体积流量 smsm ttc Q q wwp k v 343 12 1047 . 1 3540 8 . 41799852.994 6130 （4-5） 根据所选管型 mmdi11 及管内水速 smw5 . 2 ，则所需内管根数 根根718 . 0 5 . 2011 . 0 1047 . 1 4 4 2 4 2 wd q n i v (4-6) 5KW 复合能源空调热水系统 20 取整为 1 根。 4.4.5 传热计算 先计算水侧表面传热系数 水在 5 . 37 m t 时，运动粘度 sm2 6 10744 . 0 ，因为 4 6 1036962 10744 . 0 014 . 0 5 . 2 Re i wd (4-7) 故水在管内的流动状态为湍流。考虑将套管盘成 mmR125 的螺旋盘管，盘管 水侧换热修正系数 16 . 1 125 11 77 . 1 177 . 1 1 R di R (4-8) 则水侧表面传热系数 KmW d w B R i wi 2 2 . 0 8 . 0 2 . 0 8 . 0 76.1314316 . 1 011 . 0 5 . 2 1443 (4-9) R134a 在蒸发温度为 48 度时，物性集合系数 B=1443.18 计算套管间 R134A 冷凝表面传热系数 制冷剂 R134A 在 84 k t 时,取蒸汽流速影响系数 6 ，1 号管增强系数 35 . 1 。 )./(393kmW 套管间 R134A 冷凝表面传热系数由下式计算得 25 . 0 0 25 . 0 0 25167 725 . 0 bk Bd (4-10) 取紫铜的热导率 KmW 393 将有关各数值代入传热方程式得 75 . 0 00 25 . 0 0000 2516725167 k q (4-11) 0 0 0 33.121394 1 m of i of i wi m a a a a r q 5KW 复合能源空调热水系统 21 上式中的 0 q 单位为 2 mW ， 单位为 0 。 解联立方程，当 Q0=0.288时，两式 0 q 分别是 22 mW98939952和mW ，取 2 0 9976mWq 计算，则冷凝器所需传热面积 22 0 613 . 0 9976 6100 mm q Q A k of (4-12) 所需低翅片管有效总管长 mm a A L of of 075 . 4 15 . 0 613 . 0 （4-13） 采用 1 根套管，每根套管长度为 4.5m。 4.4.6 冷凝器总体结构设计 冷凝器外管采用 mmmm5 . 232 的无缝钢管。将套管成型为曲率半径 mmR125 的螺旋盘管，高约为 192mm。 采用逆流方式，制冷剂蒸汽从上端进入套管管间空腔，在内管外表面上凝结， 冷凝液体则从下端流出，而冷却水从下端进入内管管内再从上端流出。 5 蒸发器的选择计算 5.1 蒸发器概述 蒸发器是制冷四大件中很重要的一个部件，低温的冷凝“液”体通过蒸发器，与 外界的空气进行热交换， “气”化吸热，达到制冷的效果。主要由加热室和蒸发室两部 分组成。加热室向液体提供蒸发所需要的热量，促使液体沸腾汽化；蒸发室使气液 两相完全分离。加热室中产生的蒸气带有大量液沫，到了较大空间的蒸发室后，这 些液体借自身凝聚或除沫器等的作用得以与蒸气分离。 5KW 复合能源空调热水系统 22 5.2 蒸发器的比较 5.2.1 干式氟利昂蒸发器 干式蒸发器是一种制冷剂液体在传热管内能够完全汽化的蒸发器。蒸发器传热 管外侧的被冷却介质是载冷剂或空气,制冷剂则在管内吸热蒸发,蒸发器流量约为传热 管内容积的百分之二十到三十.增加制冷剂的质量流量,可增加制冷剂液体在管内的湿 润面积.同时其进出口处的压差随流动阻力增大而增加,以致使制冷系数降低21。干式 蒸发器按其被冷却介质的不同分为冷却液体介质型和冷却空气介质型两类。而冷却 空气的干式蒸发器又可分为冷却自由运动空气的蒸发器和冷却强制流动空气的蒸发 器. 自由运动型一般被制成光管蛇形管管组，通常称作冷却排管，一般用于冷藏库 和低温的实验装置中。强制对流型则是在自由型的管外设置肋片以提高传热系数。 其多用于空气调节装置和大型冷藏库以及大型低温实验环境场合。干式蒸发器的优 点是应用相对要成熟很多,而且采用干式蒸发器不需要单独的换热器回油设计，但是 其缺点是系统效率会有所降低22。 5.2.2 满液式蒸发器 满液式蒸发器按其借个分为壳管式、直管式、螺旋管式等几种结构形式。它们 的共同特点是在蒸发器中充满液态制冷剂，运行中吸热蒸发产生的制冷剂蒸汽不断 地从液体中分离出来。其优点是制冷剂与传热面充分接触，具有较大的传热系数。 但不足之处是制冷剂充注量大，液柱静压会给蒸发温度造成不良影响23。且当盐水 浓度降低或盐水泵因故停机时，盐水在管内有被冻结的可能。若制冷剂为氟利昂， 则氟利昂内溶解的润滑油很难返回压缩机。此外清洗时需停止工作。 5.2.3 循环式蒸发器 这种蒸发器中,制冷剂在其管内反复循环吸热蒸发直至完全汽化,故称做循环式蒸 发器。循环式蒸发器多应用于大型的液泵供液和重力供液冷库系统或低温环境试验 装置。循环式蒸发器的优点在于蒸发器管道内表面能始终完全润湿，表面传热系数 很高，其不足之处在与体积较大，制冷剂充注量较多。 5KW 复合能源空调热水系统 23 5.3 蒸发器的确定 综上所述,由于在此次设计中的制冷剂为 R134A，故而可选择干式氟利昂蒸发器。 图 5-1 5.4 蒸发器的设计计算 5.4.1 蒸发器的设计参数 蒸发器采用冷却强制流动空气的蒸发器。设计参数：室内侧入口空气状态干球 温度 27，湿球温度 19，制冷量 Q0 为 5kW，制冷剂为 R134a，蒸发温度 t0 为 8。 5.4.2 蒸发器结构设计 传热管采用 9.520.35mm 纯铜管，翅片选用 f=0.12mm 铝片，翅片片距 5KW 复合能源空调热水系统 24 sf=2.0mm。管簇为正三角交错排列。管间距 s1=25.4mm，沿气流方向的管排数 N=4，翅片宽度 L=88mm。翅片管各部分传热面积计算。 根据铜管加工工艺，翻边高度为 db=d0+2 f+0.3db=9.52+20.12+0.3=9.76mm （5-1） 管外每米管长肋片面积 =0.4839（m2/m） (5-2) 22 1 2(cos30/4) b f f sd f s 管外每米管长基管面积 fb =0.02578（m2/m） (5-3)(1) f bb f fd s 管外每米管长总表面积 ft =0.4839+0.02578=0.5097（m2/m） (5-4) tfb fff 每米管长管内表面积 fi =0.02462（m2/m） (5-5) ii fd 肋化系数 =20.7 (5-6) t i f f 当量直径 deq =3.358mm (5-7) 1 1 2()() bff eq bff sds d sds 最窄流通面积与迎风面积之比 =0.6134 (5-8) 1 1 ()() bff f sds s s 5.4.3 确定空气在流经蒸发器时的状态变化过程 由给定的进风参数，查 h-d 图，得 h1= 53.81 kJ/kg，d1=10.45 g/kg，根据风量选 择原则取设计风量为： =0.86Q00.25=0.86100000.25=1075 m3/h (5-9) a V 5KW 复合能源空调热水系统 25 进口湿空气的比体积 1： =0.865 m3/kg (5-10) 11 1 (10.0016) 101320 aR Td v 空气的质量流量 Ga =1262.63kg/h (5-11)