8KW工业用低温液体冷却器 ——毕业论文

8KW工业用低温液体冷却器郑州轻工业学院本科毕业设计（论文） 题 目 8KW工业用低温液体冷却器 学生姓名 专业班级 热能 学 号 院 （系） 机电工程学院 指导教师(职称) 完成时间 V目 录摘 要IABSTRACTII1. 绪论11.1 低温液体冷却器介绍11.2 功能与总体结构21.3 设计要求21.4 制冷系统的选择32. 制冷剂的选择及热力性质计算32.1 制冷剂的分类32.1.1 制冷剂的选择原则52.1.2 制冷剂的确定62.2 初步确定制冷工况73 设计计算83.1制冷剂热力学性能计算83.2 冷凝器设计计算103.2.1冷凝器概述103.2.2冷凝器的比较103.2.3 确定温度参数123.2.4 冷凝器的设计计算123.3 风机的选型计算174. 压缩机的选型与校核174.1 压缩机的比较184.1.1 滚动转子式压缩机184.1.3 往复式活塞式压缩机194.1.4 离心式压缩机204.1.5螺杆式压缩机214.2 压缩机的选型计算214.2.1 理论排气量的计算214.2.2 压缩机的校核235 蒸发器的设计计算265.1蒸发器概述265.2蒸发器的比较265.2.1干式氟利昂蒸发器265.2.2满液式蒸发器275.2.3循环式蒸发器275.3 选用载冷剂285.4 制冷剂侧传热系数的计算296 节流机构326.1 节流机构概述326.2 节流机构的分类326.2.1 手动节流阀：326.2.2 浮球节流阀336.2.3 热力膨胀阀336.2.4 毛细管356.2.5 电子膨胀阀366.3 热力膨胀阀的校核377 其他辅助设备的计算与选型407.1 干燥过滤器计算与选型407.2 视液镜427.3 电磁阀427.4 压力控制器选取437.5 水泵437.6 储液器的选型447.7 膨胀水箱的选型468. 隔热结构的设计47结束语49致 谢50参考文献518KW工业用低温液体冷却器摘 要低温液体冷却器又称低温箱，它有一个小型化的独立的制冷系统和载冷剂循环系统两部分组成。其中制冷系统采用蒸汽压缩式制冷，制冷剂发生气液相变吸收载冷剂氯化钙(CaCl2)水溶液所放出的热量。载冷剂由于被冷却使其温度降低来对一些实验用品进行保温和降温。根据设计的不同，温度能达到不同的要求。本设计主要关注的是制冷剂的选择和制冷系统中各部件的设计及选取。由于现如今“温室效应”和臭氧层破坏等环境问题的日益严重，采用环保型制冷剂已是迫在眉睫。本文中简要介绍了各种制冷剂的状况，以及选取R404A作为制冷剂的缘由。主要介绍了制冷器件的设计，以及全封闭活塞式压缩机的选型与校核，风冷冷凝器的设计，风机的选型与校核，套管式蒸发器的设计，以及其他辅助设备例如:干燥过滤器，视液镜，热力膨胀阀，电磁阀，水泵,等的选取。关键词： 低温液体冷却器；制冷 ；蒸发器 ；冷凝器II8KW industrial cryogenic liquid coolersABSTRACTLow-temperature cooling liquid circulating pump is similar to a low-temperature box. It contains two parts that are a smaller, independent refrigeration system and a cooling agent circulatory system. Among this device, refrigeration system makes use of vapor compression refrigeration, the system makes the refrigerant change from gas to liquid ,and the refrigerant absorbs energy that are released by the containing cooling agent (CaCl2). So the containing cooling agents temperature was cooled by the refrigeration. Now we can make use of the lower temperature to cool some experiments or suffer the cooling energy from losing. According to the design of different requirements we can achieve different temperature.The design of the main concern is the choice of refrigerant and cooling system design and selection of the components. Because nowadays increasingly serious greenhouse effect and the destruction of the ozone layer and other environmental issues, the use of environmentally friendly refrigerants is imminent. This paper briefly describes the various conditions of the refrigerant, and to select a reason for the refrigerant R404A. Introduces the cooling device design, and fully enclosed piston compressor selection and verification, air-cooled condenser design, selection check, casing design with evaporator fan, and other auxiliary equipment such as: dry filter, sight glass, thermal expansion valve, solenoid valves, pumps, and other selections.KEY WORDS Cryogenic cooling； Refrigeration technology；Evaporator；Condenser1. 绪论1.1 低温液体冷却器介绍随着改革开放30,年的深入进行,我国的制冷技术也有了突飞猛进的快速发展。在高新技术飞速发展的二十一世纪，低温与超低温的实验和冷藏对许多行业和部门已成为必不可少的手段。例如:在生物制药厂、医院、高等院校及科研院所的实验室中进行低温生物、生化实验研究或产品小试、血浆、脏器和生物制品的保存，远洋制品、电子元件、化工材料、建筑材料等特殊材料的超低温实验及储存等1。在生物制药的研究和开发部门，医院的生理或病理实验室，细菌和病菌的标本以及高等院校、科研院所的生物、生化、生物制药实验室，为进行低温生物，生化试验等，需要进行低温试验，低温生物实验的样本大多是生命体，对温度非常敏感，当温度发生变化时，有可能会使生命体死亡，如在进行生物制品生产时，温度如果过高，一方面效率会很低，另一方面，质量会很差2。这类情况所需的制冷量一般都很小。低温箱是用于低温冷藏的主要设备，我国对于低温实验的设备需求量很大，但是使用的低温箱大多从国外进口，主要原因是他们的产品性能稳定、可靠性高、体积小并且能达到很低的温度还容易操作。反观我国生产的同类产品体积不仅庞大并且可靠性也不高，制冷温度和精度也都达不到求。目前国内进行低温实验一般采用消耗制冷剂法，如进行-60-80实验时大多 以丙酮为冷媒，在其中加入干冰来制冷降温。消耗制冷剂法常用的制冷剂还有 液氮、液氦、液氢等。采用这种方法制冷剂的消耗量比较大，而且温度不容易保证3。低温液体冷却器是近几年问世的一种低温实验设备，能够连续的、低成本的获得所需的低温。这类产品大多数采用风冷式全封闭压缩机组制冷及微机智能控制系统,提供低温循环冷却水(液)流或低温恒温水(液)流,以满足用冷却水及低温液体去降温或恒温仪器4,如旋转蒸发器、发酵罐、电子显微镜、低温化学反应釜、电子能谱仪、质仪、密度仪、冷冻干燥仪、真空镀膜仪、反应等。也可把多种容积直接在槽内低温恒温实验。它的特点主要有以下几个。1)采用了全封闭压缩机组制冷，可以有效的防止制冷剂的泄露。微机智能控制制冷系统自动开启、制冷系统具有延时、过热、过电流等多重保护装置。2)循环泵可将槽内冷却液输出冷却产品或在恒温机外实验容器中建立第二恒温场。3)所有操作均可在微机智能控制仪上按动触摸软键完成，操作简单方便随着我国教育、科研、医疗和制药事业的不断发展，对低温实验设备的需求量也不断增加。本文针对-10温区的需求，对低温液体冷却器进行设计。着重关注的是对制冷各器件的设计及选取。1.2 功能与总体结构 低温液体冷却器的功能：1)将载冷剂冷却到所需温度,2)对外输出载冷剂并进行低温冷却循环,3)直接冷却烧瓶，试管，此时可对瓶内液体进行均匀搅拌，按功能所需，可分为制冷系统，载冷系统，电气控制系统等组成。 低温液体冷却器是利用制冷系统将载冷剂冷却，再用载冷剂去冷却被冷却物品，以满足所需要求。冷媒可以在容器内部进行循环，也可以向外输出冷却低温恒温冷却，即进行外循环。冷媒可以用数字式温度控制系统进行控制，实现连续可调。装置可为移动整体式结构，载冷剂容积，低温用载冷剂泵以及电控系统，这些位于上部，制冷系统位于下部。 制冷系统采用单级制冷系统，包括制冷压缩机、冷凝器、轴流风机、干燥过滤器、电磁阀、热力膨胀阀、蒸发器等部件。1.3 设计要求1)制冷温度: -102)制冷量:8 kW3)控温精度: 1 4)使用环境温度: 0-355)使用环境相对湿度:856)电源：3 380V 50Hz7)名义工况: 室外空气干球温度32,出水温度-10、回水温度-5。8)冷却方式：强制对流风冷9)制冷剂：HCFC 类或HFC 类10)安全保护：高压、低压、断水、冻结2521.4 制冷系统的选择制冷系统的重要性对于产品不言而喻。选择一个合适的制冷系统不仅能使产品更容易的达到制冷要求,而且还能有效地降低成本和消耗，有利于节能排。因此,我们要针对产品的要求，选择合适的制冷系统。从课题的设计要求并综合了各方面因素来看，现我拟采用最简单的制冷循环系统，即单级压缩制冷循环。原因主要有以下几个1)根据经验可知,单级压缩制冷所能达到的温度大约为040。2)设计要求的制冷温度为-10，此温度并不算高，用普通的中温制冷剂即可达到要求。3)在单级压缩制冷系统中，制冷器件数量少，易设计及选取，更有利于节约成本。4)系统组成简单、布置结构紧凑、体积更小。综合以上因素考虑，选定本设计产品采用单级压缩制冷系统。2. 制冷剂的选择及热力性质计算如果说制冷系统是一个产品的灵魂，那么制冷剂就是它流动的血液。毋庸置疑，选择一种合适的制冷剂对产品的性能影响重大。制冷剂在整个制冷系统中起着纽带作用，地位是不可替代的，制冷系统通过制冷剂状态的变化与外界发生热交换，进行热量传递,从而达到制冷的目的。2.1 制冷剂的分类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5。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。现被采用的制冷剂约有二三十种,主要有氨、氟利昂、水等。目前，制冷剂大概有以下几种类型：无机物氨制冷剂、氟利昂制冷剂，如R11、R22、R23 等，共沸制冷剂，如：R507、R502，和非共沸制冷剂，如：R407C、R410A等。氨作为一种无机物制冷剂，历史上曾被广泛使用，但是由于氨泄漏所引起的危害，一度被禁止使用。直到最近，由于环保型制冷剂的发展，才又一次开始使用。氨制冷剂多用于大型冷库系统中。氟利昂是迄今为止应用最为广泛的制冷剂。虽然它有着优越的热力学性能，但是，随着环境问题的恶化，它有被逐渐代替的趋势。共沸制冷剂和非共沸制冷剂是近年兴起的环保型制冷剂。不同于单一的制冷剂，它是有几种不同的制冷剂按照不同的配比所混合而得的。由于混合型制冷剂有着和单一制冷剂迥然不同的热力学性能，它已经开始作为一种环保节能的制冷剂进入人们的视野。特别是非共沸制冷剂，它是有几种不同沸点的制冷剂混合而成。由于高、低沸点的不同、非共沸制冷剂存在有“温度滑移”的现象。这样当使用冷却水冷却时，更容易实现“洛伦兹循环”，从而有利于提高制冷系数和节能性能。从19世纪30年代,Perkins发明了蒸汽压缩式制冷循环后,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。目前根据新时期的发展要求,制冷剂又将面临新的挑战。表2-1所表示的是J . M. Calm所描述的制冷剂的发展的4个阶段:表2-1制冷剂发展历程第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（1）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。（2）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。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）按标准沸点分，可分为高温制冷剂，中温制冷剂和低温制冷剂三类。标准沸点在0以上的称为高温制冷剂，冷凝压力Pk23Kg/cm2（绝对），T0 0 如11（CFCl3），其T023.7，适用于空调系统的离心式制冷压缩机中，通常30时，Pk3.06Kg/cm2 。标准沸点在-46以上的称为中温制冷剂，冷凝压力Pk 20Kg/cm2（绝对），-60 T0 0。如717、12、22等， 一般用于普通单级压缩和双级压缩的活塞式制冷压缩机中；而标准沸点在-46以下的称为低温制冷剂，冷凝压力Pk20Kg/cm2（绝对），T070，如13（CF3Cl）、14（CF4）、二氧化碳、乙烷、乙烯等，这类制冷剂适用于复迭式制冷装置的低温部分或70以下的低温装置中。2.1.1 制冷剂的选择原则由于制冷剂有着许多不同的种类。因而，在选取制冷剂的时候，我们应采用“具体问题，具体分析”的方法。针对不同的设计要求，选取相应的制冷剂类型。现将选取原则大致陈述于下6。1)制冷剂必须是环境可接受物质，并且价廉易获得。应对环境无破坏作用或破坏作用轻微。2)应有良好的化学稳定性和热稳定性，不燃烧、不爆炸、无毒、不腐蚀常用的工程材料、与润滑油不起化学反应。在使用温度下不分解、不变性。3)有合适的饱和蒸气压。希望在使用条件下蒸发压力最好不低于大气压，以避免空气漏入制冷系统内部，还希望冷凝压力不太高，通常应低于2.5MPa，以免压缩机和冷凝器等设备过于庞大，同时冷凝压力与蒸发压力之比不过大，以免压缩终温过高，压缩机的输气系数过低，冷凝压力与蒸发压力之差也希望尽可能的小以降低对压缩机强度的要求。4)临界温度要高。临界温度是指制冷剂可以加压液化的最高温度、临界温度低的制冷剂在常温或普通低温下有可能不会液化，此时将需要温度很低的冷却介质，且由于当制冷剂在节流前的温度接近临界温度时，制冷剂的气化潜热很小、节流损失就会很大，循环的经济性将很差，因此希望制冷剂的临界温度比环境温度高的多。5)粘度和密度要小，目的是减小制冷剂的流动阻力。6)凝固温度要低，以免制冷剂在蒸发温度下凝固。7)绝热指数要小，可使压缩过程耗功减少，降低压缩终温。8)导热系数要高，这样可提高换热器的传热系数，减小传热面积，降低材料消耗。9)气化潜热要大，可获得较大的单位制冷量，同时节流后的干度较小。10)液体比热要小，这样在节流时液体降温放出的热量少，节流产生的闪发蒸汽量小，节流损失较小。11)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殊要求，比如说：（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。2.1.2 制冷剂的确定R404A是一种近共沸混合制冷剂，其组成成分为R125/R143A/R134A，质量配比为44/52/4。R404A相对分子质量为97.6，临界温度为72.1，临界压力3.73Mpa，标准泡点-46.5，可用于-60-25的制冷温度范围，如低温冷、速冻机等装置的制冷系统。在本系统中考虑到经济成本问题，压缩机选型计算以及截流机构等其他零部件的选择问题，可选用R404A作为高温级制冷剂7。R23，又名三氟甲烷，分子式为CHF3，无色无臭气体。分子量为70.01， 蒸汽压 2504kPa(20)，熔点 -155， 沸点-84， 溶于水相对密度(水=1)1.52(-80)；相对密度(空气=1)2.43， 性质稳定。为不燃气体，主要用作低温致冷剂及作为灭火剂和制造四氟乙烯的原料。属低毒类，但受热分解释出剧毒的烟雾。氨具有优良的热力性能、ODP = 0和GWP 1，但有毒,在化学工业和食品工业中以及中央空调(欧洲) 都重新得到了应用；二氧化碳ODP = 0和GWP = 1 ,用于跨临界循环热泵提供热水,当它作为复叠循环低压级和低温载冷剂时具有优良性能。碳氢化合物ODP =0和GWP 1 ,用于冰箱制冷剂和发泡剂,也可用于冷水机组,RAC 和PAC等,但易燃易爆,这非常不利。水的ODP = 0和GWP 1 ,用于冷凝温度较低的水冷冷水机组以及冰蓄冷机组。R22是氢氯氟烃化合物（HCFCs）制冷剂的代表，被广泛用于空调系统。R22无色，无味，不燃烧，不爆炸，毒性比R12略大，但仍然是安全的制冷剂，安全分类为A10它的传热性能与R12差不多，流动性比R12好；溶水性比R12稍大，但仍然属于不溶于水的物质。对R22，含水量仍然限制在0.01以内。同时系统内应装设干燥器。R22化学性质不如R12稳定，它对有机物的膨润作用更强，密封材料可采用氯乙醇橡胶。 R22能够部分地与矿物油相互溶解，而且其溶解度随着矿物泊的种类及温度而变8。矿物油在R22制冷系统各部分中产生不同的影响。R22制冷剂比CFCs多含了氢，使得它的化学性质也不如CFCs稳定，被释放到较低的大气中就会分解，只有很少的部分会到达臭氧层。所以虽然氢氯氟烃化合物也含有氯，它的臭氧消耗潜能为R12的5。同时R22是目前在全球被广泛应用的最高能效比的冷媒7。从以上的介绍来看这两种非共沸制冷剂都可以作为R22 的替代品它们有着各自不同的优特点但究竟哪一种更好一些呢这就要对R410A 和R404A 的热力学性质进行计算比较。2.2 初步确定制冷工况根据设计要求可知该低温冷却液循环泵的最高环境使用温度为35采用强制对流风冷式，室外空气干球温度即冷凝器进风温度为32。由于一般情况下，冷凝温度与进风口温度之差为15左右8。在此可初步选定冷凝温度为50。其中，为了保证制冷系统能有更大的制冷量，制冷剂可以有一定的过冷度，现取为5。从设计要求的制冷温度-10来看，应使蒸发温度比制冷温度稍低一些，一般为35。但是考虑到该装置要使用载冷剂，要求回水温度-5，出水温度为-10，并且为了防止制冷剂的“液击”现象，要求应有一定的过热度。综合这几方面的因素， 拟定蒸发温度为-15；有效过热2。故制冷工况如下：蒸发温度-15，有效过热2；冷凝温度50，过冷5。3 设计计算3.1制冷剂热力学性能计算在第二部分“制冷系统的选择”中,我们确定采用单级压缩制冷系统。但是并没有探讨是否采用回热器进行过热。现探讨如下:当使用回热器时,虽然有利于节能,利用了回热,但是考虑到此时制冷剂的排气温度过高,可高达140,不利于润滑油的稳定性,并且造成冷凝压力升高等因素,故针对此小型制冷设备不采用回热器。综上可知,该制冷系统采用单级压缩制冷循环没有回热器。其制冷剂热力学性能计算的压焓图如下:图3-1 R404A的压焓图表3-1 各状态点的参数值参数0-150.361358.011-130.361359.820.05492s67.022.296406.12260.342.296396.864452.296267.770.00107单位质量制冷量 (3-1)单位理论功 (3-2)单位实际功 (3-3)单位冷凝负荷 (3-4)制冷剂循环质量流量 (3-5)实际输气量 (3-6)单位容积制冷量 (3-7)压缩机实际功率 (3-8)冷凝器实际功率 (3-9)实际制冷系数 (3-10)3.2 冷凝器设计计算冷凝器是制冷系统中主要的热交换设备之一。根据设计任务的要求，该冷凝器的冷却方式采用强制对流风冷，它的主要优点是不需要冷却水，安装和使用都很方便。风冷冷凝器的设计主要是根据制冷系统的额定工况确定冷凝器的结构和换热面积，并选择合适的风机类型。3.2.1冷凝器概述冷凝器是空调装置的主要换热设备之一。其功能是将压缩机排出的高温过热蒸汽冷却成液态制冷剂，所放出的热量被冷却介质吸收后排至周围环境中。过热蒸汽在冷凝器中放热而变成液体时，过程一般如下。制冷剂在冷凝器中先由过热蒸汽冷却为干饱和蒸汽，放出湿热，再由干饱和蒸汽冷凝为饱和液体，放出大量潜热。如果饱和液体继续得到冷却，就成为过冷液体。按冷却方式的不同，冷凝器可分为空气冷却式冷凝器、水冷却式冷凝器、蒸发式冷凝器三大类9。3.2.2冷凝器的比较3.2.2.1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、汽车及铁路车厢用空调装置、冷藏等运输式制冷装置，冷却介质为空气，适用于干旱缺水或水质低劣的地区。空气冷却式冷凝器根据空气的流动情况还可分为自然对流冷却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。自然对流空气冷却式冷凝器依靠空气受热后产生的自然对流，将制冷剂放出的热量带走。这种冷凝器的传热效果低于强制流动空气冷却式冷凝器。由于不用风机，节省了风机电耗，还避免了风机运转时的噪音，但是这种冷凝器的传热系数很低一般为916W/(mK)。强制对流空气冷却式冷凝器一般都制作成套片管式，由一组或者几组蛇形管组成。空气在轴流风机的作用下横向流过翅片管。强制通风用的风机常用轴流式风机。这种冷凝器的传热系数同样也较小，一般约为2335 W/(mK) 。它必须使用风机，要消耗一定的电能。3.2.2.2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10。（1）立式壳管式冷凝器在中型或大型的制冷系统中应用较广。立式壳管式冷凝器的优点是：占地面积小，可露天安装，对水质要求较低，清洗方便，传热效果比较好，冷却能力大。其缺点为：冷却水用量大，耗水量多，流速较高，且比较笨重。（2）卧式壳管式冷凝器在氨和氟利昂中等或大容量的制冷装置中都用的很普遍。卧式壳管式冷凝器的优点是：传热系数高，结构紧凑，空间高度低，有利于机组化；冷却水循环使用，耗水量相对立式壳管式冷凝器少；操作方便，运行可靠。缺点是：耗水量大，冷却水流动阻力大，水泵耗电多；对水质要求较高，清洗水垢不方便，且需要停止运行。（3）套管式冷凝器由两根或几根大小不同的管子组成。大管子内套小管子，小管子可以是一根，也可以是数根。套管式冷凝器一般应用于制冷量在40kW以下的小型氟利昂制冷装置中。运行时制冷剂蒸汽从上部进入，凝结液从下部流出。冷却水从上部进入内管，吸热后从上部流出。制冷剂与冷却水之间为逆流换热。在套管式冷凝器中，制冷剂同时受到冷水及管外空气的冷却，因而它的传热效果好，但是金属的消耗量较大。套管式冷凝器的优点：结构简单，传热效果好。缺点是制冷剂和冷却水的流动阻力大，对水质要求较高。3.2.2.3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11。蒸发式冷凝器的耗水量较少，空气流量也不大。蒸发式冷凝器具有以下一些优点。（1）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，蒸发式冷凝器正是利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般水冷式冷凝器的1%；考虑到飞溅损失等因素，实际耗水量约为水冷式的5%-10% 。（2）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。（3）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。（4）不污染环境，不少化工厂以往采用壳管式或者淋激式冷凝器，夏季时由于冷凝压力过高，常常采用“放空降压”12，但每次放出的并不全是不凝性气体，其中含有大量的氨气，不仅氨损失相当严重，还造成环境污染，但采用蒸发式冷凝器后不存在这种现象。综上所述，由于装置所特有的低温、结构简单、紧凑、传热系数较小等特点，且制冷量为8KW。故可选用翅片管冷凝器。3.2.3 确定温度参数在上述公式中，可以查知R404A制冷剂的冷凝热负荷Qk=12.024KW。冷凝器设计中的各项温度参数如下：冷凝温度tk=50 进口空气干球温度ta1=32为保证进出口风温差在8-10左右，这里取出口风温度为ta2=42进出口空气温差ta2ta1=10则对数平均温差 3.2.4 （3-11）3.2.4 冷凝器的设计计算选择翅片管冷凝器，压缩机润滑油用聚酯油。(1)选定蒸发器结构参数 选用120.5mm的紫铜管，肋片选用缝隙式=0.15mm的铝片，肋片节距=2.7mm。管束为正三角型排列，管间距=30mm；迎面风速，采用三角形、叉排。(2)计算几何参数肋片为平直套片，考虑套片后的管外径为 （3-12）以图3-2示出的计算单元为基准进行计算，沿气流流动方向的管间距为：12mm30mm图3-2每米管长肋片的外表面积 （3-13）每米管长肋片间的管子表面积（3-14）每米管长的总外表面积 （3-15）每米管长的内表面积 （3-16）由以上计算可得 （3-17）(3)计算空气侧干表面传热系数取当地大气压为一个标准大气压强，有空气热物性参数得查空气平均温度为 （3-18）空气在37下的物性为则冷凝器所需的空气体积流量为 （3-19）选取迎风面积风速为wy=2.5m/s 则 （3-20）选取冷凝器迎风面积宽度即有效管长为L=0.962m则迎风面高度为 （3-21）则迎风面上管排数为排 （3-22）现在假设冷凝器在空气的流通方向上管排数为n=5，则 （3-23）最窄截面处空气流速 （3-24）最窄截面当量直径 （3-25）又查文献，用插值法得 （3-26）因为R404A与R22性质相近，则可查的当温度为50度时，B=1325.4所以在管内凝结的表面传热系数为 （3-27）翅片的相对高度有以下计算得出 （3-28）取铝片的热导率为则翅片的参数为 （3-29）翅片效率 （3-30）表面翅片效率为 （3-31）忽略各有关污垢热阻及接触热阻的影响，则twi=tw0=tw （3-32）则管内凝结的表面传热系数为取管壁与翅片管之间的接触热阻为rb=0.004m2.k/w ,则空气侧的污垢热阻为ro=0.0001m2.k/w紫铜管的热导率为则总的传热系数为 （3-33）则所需的总面积为所需的有效翅片管长度为空气流动方向上管排数取圆整后n=5，与预计相符。则实际总有效翅片管长实际传热面积为比所需传热面积大，足够冷凝符合所需。3.3 风机的选型计算由于冷凝器的迎风面宽度l=0.962m,高度H=0.43m，故从尺寸上考虑，该冷凝器安装两台小型轴流风机即可满足要求。动压：静压：风机采用电动机直接传动，由于是小型轴流风机，现取传动效率 ， 取风机全压效率,则电动机输入功率是 （3-34）故风机进风量电机输入功率为88.07W,风压为55.39Pa。根据以上所述的风机要求现选用“鞍山风机厂”的小型轴流风机。选用的型号是T35，机号为3.15,其主要性能参数如下：额定输入功率259W,转速2000r/min,进风量3416m3/h，电机型号为YSF-6372，电机功率为0,37KW，尺寸400282400.4. 压缩机的选型与校核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。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。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8kw，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、材料材质、加工工艺到性能与可靠性，从机理分析、理论研究到机械结构、测试技术等，几乎无所不包。每年都有大量的研究成果和文献出现，也能够观察到因之带来的进步和收益13。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。在UNDP/GEF 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。4.1 压缩机的比较4.1.1 滚动转子式压缩机滚动转子式压缩机是家用空调压缩机结构型式之一。滚动转子式压缩机比往复式压缩机结构简单得多, 而且体积小、重量轻、零部件少,尤其易损件少,比同样制冷量的往复式压缩机体积可减少60%,重量减少35% ,零件减少50 %。这种压缩机只进行旋转运动,不需将旋转运动转变为活塞往复运动,所以运转平稳、振动小、噪声低、质量稳定、可靠性高。在结构上,可把余隙容积做得很小,基本上没有膨胀气体的干扰。此外无吸气阀,使流动阻力小,导致容积效率高、性能好、能效比高。但这种压缩机对零件加工精度要求高,比活塞式的寿命短；而且这种压缩机只有一个转子且为偏心布置,转动起来振动和噪声仍较大,特别是对于较大功率机组,其气缸排量一般在644cm3/ r。它分成几个系列,从小功率到中功率, 品种较多。而且为了便于管理和降低成本，使零、部件通用化程度较高,每个系列产品外形基本相似,均为定功率段的产品。提高压缩机COP 值的措施主要是提高加工和装配精度,对压缩机结构进行最优化设计,改进排气阀结构,增大电机叠片厚度,采用特低铁损高磁通量的硅钢片和提高槽前率等多方面来实现；降低压缩机噪声主要通过更好的动、静平衡来减小振动, 缓冲压力脉动,以及设计更好的消声器等途径来实现；而提高压缩机的可靠性主要采用改进材料、加强工艺控制,强化实验手段,特别加工和设计保护元件和连接元件等来确保电机可靠性。利用彻底清除垃圾、应用高强度材料、进行各种试验以及根据不同情况配以不同储液器来确保压缩机的可靠性。4.1.2涡旋式压缩机涡旋式压缩机是一类较新型的压缩机，它也是家用空调压缩机结构型式之一。长期以来, 由于轴向力不能稳定平衡, 防自转机构不灵活,轴向、径向密封不完善, 以及涡形盘加工困难, 故未达到实用化程度。直至70年代后, 经美、日等国的研究, 才使涡旋式压缩机走上实用化道路。考普兰、开利、日立、三菱公司均生产这种压缩机。其主要特点有:无吸、排气阀,吸气压力损失小,压缩室压差小, 无余隙容积, 容积效率高, 可靠性高,功耗小, COP 大；涡旋回旋运动能形成几对压缩腔,因此力矩变化小,振动小,噪音低；结构简单,零部件少, 尤其易损件少，体积小，重量轻；对液击不敏感;转速高,有利于实现变频控制的方式来调节制冷量；采用一种背压可自动调节的可控推力机构,这样可保持轴向密封, 减少机械损失,防止异常高压, 确保压缩机安全；便于采用气体注入循环,从而可提高节能效果,减少压缩机开、停频率,控制室温变化，实现舒适空调；制造、加工精度高,成本较高。总体来说,其综合性能稍好于滚动转子式,特别适合于低噪声要求。目前主要用在35HP3大功率高档空调器上,是当前产品中最先进的。目前涡旋式压缩机的发展趋势主要在：进一步改进涡旋盘加工制造工艺, 降低成本；提高加工和装配精度, 合理考虑实际运行中密封间隙，降低泄漏损失, 进一步提高效率；研究变转速下涡旋式压缩机性能, 提高工作转速；研究开发自转型涡旋式压缩机等。4.1.3 往复式活塞式压缩机往复式制冷压缩机迄今还是应用最广泛的一种机型，广泛应用于中、小型制冷装置中，按其结构分为滑管式和连杆式压缩机两类。（1）滑管式压缩机滑管式压缩机产生于20 世纪60 年代,它是往复活塞式压缩机的一种类型。其特点是结构简单, 工艺性好,成本较低,对零部件的加工精度要求不高,制造和装配都比较容易,所以发展较快。目前这类压缩机在国内外的电冰箱等小型制冷设备生产中应用比较普遍。缺点是活塞与缸壁间的侧力较大、磨擦功耗大、能效比偏低,因此目前滑管式压缩机正在进入衰退期,将逐渐被连杆式压缩机或旋转式压缩机所取代。（2）连杆式压缩机连杆式压缩机也属往复活塞式,是制冷设备中采用时间较早的一种。其特点是运转比较平稳、噪声低、磨损小、使用寿命长、能效比较高、工作可靠、综合性能优良。但由于零部件形状复杂,加工精度要求较高,工艺难度较大,因此其发展一度受到限制,在电冰箱及其它小型制冷设备中被滑管式和旋转式压缩机所取代14。近几年来随着机械工业的不断发展,对其结构进行了多方面的技术改进。目前连杆式压缩机已成为电冰箱压缩机的主导产品,总需求是有较大的提高。4.1.4 离心式压缩机离心式压缩机是一种速度型压缩机。气体在高速旋转的叶轮中获得高速度后，再在环形通道中将速度动能变为压力位能，从而提高气体的压力。根据压缩机中安装的工作轮数量的多少，分为单级式和多级式。如果只有一个工作轮，就称为单级离心式压缩机，如果由几个工作轮串联而组成，就称为多级离心式压缩机。在空调中，由于压力增高较少，所以一般都是采用单级，其它方面所用的离心式制冷压缩机大都是多级的。单级离心式制冷压缩机的构造主要由工作轮、扩压器和蜗壳等所组成，压缩机工作时制冷剂蒸汽由吸汽口轴向进入吸汽室，并在吸汽室的导流作用引导由蒸发器(或中间冷却器)来的制冷剂蒸汽均匀地进入高速旋转的工作轮(工作轮也称叶轮，它是离心式制冷压缩机的重要部件，因为只有通过工作轮才能将能量传给汽体)。汽体在叶片作用下，一边跟着工作轮做高速旋转，一边由于受离心力的作用，在叶片槽道中作扩压流动，从而使汽体的压力和速度都得到提高。由工作轮出来的汽体再进入截面积逐渐扩大的扩压器(因为汽体从工作轮流出时具有较高的流速，扩压器便把动能部分地转化为压力能，从而提高汽体的压力)。汽体流过扩压器时速度减小，而压力则进一步提高,经扩压器后汽体汇集到蜗壳中，再经排气口引导至中间冷却器或冷凝器中15。离心式制冷压缩机的特点与特性：离心式制冷压缩机与活塞式制冷压缩机相比较，具有下列优点：单机制冷量大，在制冷量相同时它的体积小，占地