【论文】KC-35窗式空调器的设计及三维模拟

密 级 公 开 学 号 050705 毕 业 设 计（论 文） 式空调器的 设计及三维模拟 院（系、部） ： 机械工程学院 姓 名： 张 小 娜 年 级： 热051班 专 业： 热能与动力工程 指导教师： 张 璟 教师职称： 讲 师 2009 年 05 月 31 日北京 学位论文电子版授权使用协议 论文 系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、 文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称： 机械工程学院 作者签名： 张小娜 学 号： 050705 2009 年 05 月 30 日 式空调器的设计及三维模拟 要 窗式空调器的优点是价格低廉，安装方便，维修方便，用电量小，密封性好。但主要存在噪音大，振动大的缺点。本文是对窗式空调器的整体结构和制冷系统的设计。本文设计的是制冷系统进行了设计计算，根据结果用三维软件对空调器的各个部件进行了三维模拟，包括：压缩机，蒸发器，冷凝器等零件，本设计使窗式空调器的结构更加直观，关键词 ：窗式空调器，设计，模拟 式空调器的设计及三维模拟 he a of is C - 35 to of d of a of OP 式空调器的设计及三维模拟 录 第一章 前言 题背景 .究意义 .献综述 .究的基本内容 .二章 设计计算 7 冷循环热力计算 .缩机的选择及制冷剂的校核 .发器的设计 .凝器的设计 .细管的选择 27 第三章 三维模拟 29 介 29 建模型的步骤 . 30 决的问题 四章 结论及展望 37 论 37 望 37 参考文献 39 致 谢 40 附 录 41 声 明 .式空调器的设计及三维模拟 1第一章 前 言 题背景 窗式空调器是空调器最初的形态。2001年到2004年连续四年里，中国空调市场经历了高速增长的阶段，但是到2005年，中国空调市场开始放缓。采用高科技，创新产品已成为企业必经之路。在2006年全球铜和石油等原材料价格大幅上涨的情况下，空调出货量却为7060万多台，房间空调器（主要用于室内，包括窗式空调和无风管分体式空调）以及柜式空调器 的全球市场规模竟然在逆境中达到了创纪录的历史最高水平1。 在2006年、2007年美国、日本窗式空调器实现了爆发性的增长。炎热天气、地产市场的茁壮发展以及大量价廉的房间 空调器的进口是出现快速增长的主要原因。和其他工业产品一样，空调也被认为对环境产生了负面影响。2008 年，由于金融危机这股暴风的袭击，空调市场正面临着严峻的考验2。 市场是残酷的，09 年空调企业的出路，绝对不是寻求政策扶持，而是积极谋求自身进步，增强企业的自身实力，争取 走在行业的前列。先行一步，才能不落后于行业，只要企业对市场变化采取积极 应对的措施，抛弃掉“苟且偷生”的侥幸心理，09冷年空调市场仍然是可以乐观期待的。 如今，中国已经成为空调产品的全球制造中心，美国销售的大部分窗式空调和日本销售的半数左右的房间空调器都是从中国进口的。在巴西，65%的房间空调器是窗式空调，其它都是无风管分体空调。非洲对于中国空调厂家来说是扩展业务的又一新市场1。但是，随着产品成本上升和人民币升值，中国空调厂家需要发掘新的保持优势地位的途径。中国政府加强了对能效和环境保护的支持，如果能使窗式空调达到减振降噪的效果，中国的产品将在国际市场上抓住更多的机遇。 研究意义 空调可自动调节室内的温度、湿度， 给人们创造一个舒适的生活环境或者是工作环境。因此，深受人们的青睐，其发展突飞猛进。目前已有窗式、分体式、壁挂式、柜式和中央空调等各种系列。 我国生产的空调器的历史并不长。窗式空调器可称为空调系列的“元老”。由于窗式空调器的一些缺点，现在在我国窗式空调器已逐渐被其他类型的空调器所取代，但是在美国、日本、澳大利亚、巴西等其他国家的窗式空调器凭借着窗式空调器价格低廉，安装方便，维修方便，用电量小，密封性好、制冷剂不易泄式空调器的设计及三维模拟 2漏，能自动地调节房间内温度，并可随意调节房间内气流方向，给人感觉舒适等优点仍占有主要的市场竞争力。 如果把窗式空调器的噪音大，震动大的缺点改善，相信我国的窗式空调器在国际市场上将有更大的潜能。 2008年“金融危机”将整个制造业带入了冬天，一些中小型空调企业面临倒闭，相信只有积蓄能量、寻求突围才是正道。 通过此次设计，我希望可以让大家重新注意到窗式空调器的存在，了解它的优点。 献综述 空调器是一种用于给房间(或封闭空间、 区域)提供处理空气的机组。它的功能是对该房间（或封闭空间、区域）内空 气的温度、湿度、洁净度和空气流速等参数进行调节，以满足人体舒适或工艺过程的要求3。 我国虽然破解了热泵空调器的难题，但之后我国家用空调主要改进空调器的外形和颜色。从第一代格栅式面板到第二 代格栅式面板是家用空调器产品外观的一种进步，这种进步不仅表现在体积的变 小、外观的美化上，更体现在对室内机蒸发器折式的改变和空调器系统能力的提升上4。从格栅式面板到光面板时代，空调器更加时尚、更加现代。逐渐的，工厂 对彩色面板产品的开发和推广更为大胆和豪放，单一白色的产品少之又少。 家用空调产品在技术的发展一直倍受 争议，变频、节能、环保三大技术发展趋势在目前的行业环境下缺乏支持其大规 模突围的市场基础，换句话讲，家用空调产品难以通过革命性的技术创新来创造 新的需求。相反，技术的微调所带来的产品外观的改变正成为一种不可阻挡的潮 流，而这种潮流之所以能成为现实，与新时代中人民居住环境的改变和审美观念 的变化相吻合；况且，对于工厂来讲，改变产品外观所需的成本并不是很高4。 更严重的是最近几年中空调产品的质量问题越来越严重。我们注重的不应该是色彩 ，也不应该是外观，改善技术才应该是主流。增大窗式空调的国际市场占有率，首先就是要改善窗式空调的弊点。 窗式空调器现在主要存在噪音大，振动大的缺点 窗式空调的噪声大 噪声是一大公害，它对人们的生活和环境危害极大，环境噪声主要引起人们的烦恼，干扰人们的工作、休息和睡眠，并造成心理和生理方面的损害，如紧张和疲劳、食欲减退和理解力损失、头痛和神经性症候群等等。因此，噪声大的空调器不但对使用者造成损害，对左邻右舍也造成影响。所以，降低空调器的噪声式空调器的设计及三维模拟 3势在必行5。 从窗式空调器的结构、工作原理以及对它的测试分析可清楚看出， 窗式空调器工作时产生的噪声主要由气动噪声、机械噪声及电磁噪声三大部分组成。 1)动噪声是窗式空调器的主要声源，约占整机噪声的68%它是由空调器的离心风扇和轴流风扇产生，并经风道向外传播。气动噪声分宽带噪声和离散噪声两部分6。 宽带噪声在气动噪声中占有相当重要的地位。具体可分为进气紊流噪声、二次涡流噪声、尾缘涡流脱落噪声和边界层紊流噪声四部分，其发声机理如下: 气体在叶尖端面与管壁之间的间隙内，从压力表面流向吸力面时从而形成叶尖二次涡流噪声; 这种无规则的脱落造成气流干扰，从而在叶片上产生尾缘脱落噪声; 叶片及蜗壳表面紊流边界层的速度脉动引起叶片及蜗壳表面的压力脉动，从而引起较大的漩涡噪声。它与流体的粘度有关，粘度越大，紊流边界层的噪声也越大7。 离散噪声主要由旋转频率噪声、进气畸变和排气干涉三部分组成: 而引起周围气体压力脉动而产生的噪声; 头等障碍物或叶轮与进气口安装不同心导致进气畸变而产生的噪声; 于离心风扇就是排出的气流与蜗壳、蜗舌的相互作用而产生的噪声，它是离心风扇离散噪声的主要来源6。 2). 机械噪声 机械噪声主要是由于机械结构振动而产生的声辐射，它也是窗式空调器噪声的重要来源，约占整机噪声的12%右。引起机械结构产生振动的原因: 压缩机下三只减振垫减振性能差、或压缩机下连接螺钉有偏斜等而引起冷凝输入铜管或散热输出铜管的式空调器的设计及三维模拟 4“拍”振。这些振动如隔离不好还会传到底板、箱体等薄壁构件上，使其振动而产生噪声。 而产生的噪声。制冷剂在进入压缩机时，由于吸气阀(排气)不停地间歇开闭，使制冷剂在管道中产生压力脉动或冲击，使管道振动而产生噪声8。 3)式空调器的电磁噪声主要由电机、电器元件产生的，它不是很大，约占空调器总噪声的左右5%5。 空调系统的噪声可沿风道或通过建筑围护结构的不严密处传入室内，也可以通过地基、围护结构和风道壁传入室内。因此，空调除应满足室内的温湿度要求外，还应满足室内的噪声要求5。 空调的振动大 空调系统中的风机，制冷压缩机等设备运转时，会由于转动部件的质量中心偏离转轴中心而产生振动，该振动传给支撑结构，并以弹性波的形式沿房屋结构传到其它房间，又以噪音的形式出现，这噪音称为固体声，当振动影响某些工作的正常进行或危机建筑物的安全时，需采取减震措施5。 窗式空调的振动大，不仅会增加噪音，而且是管道产生大的交变应力，容易造成损伤，并缩短空调器的寿命。通过对空调器的分析与测试发现引起整机与各部件振动的主要振源有两个，压缩机和风扇系统，它们均应装减振器。而压缩机是与蒸发、冷凝管道直接连接的，一个是输入一个是输出，因此造成管道振动的最主要的振源是压缩机及管内流体的扰动，当然管道振动还受周围空气流动的随机激励的影响8。 (2) 窗式空调器降噪的研究成果 缩机噪声从产生机理上可分为两部分。其一为压缩机工作时的机械旋转噪声，其频域表现为离散噪声，其二为压缩机制冷剂的液动噪声，其频域表现为宽频带噪声。从结构上看，空调器内部的活动空间很小，并且压缩机本身的外接管及线路很多，采用隔声罩有较大困难，而采用隔声板减少压缩机噪声的直接声场的影响是现实可行的方法。隔声板的作用主要是用于减少声源的直接声场产生的声压。经研究实验，在各频带上，隔声板具有明显的降噪效果，可以大大降低空调器的室外噪声污染。 在加装隔声板后， 空调器在高冷状态下室外噪声大为下降9。 b. 风机的噪音控制 1) 利用金属网罩抑制离心风机的宽带噪声 式空调器的设计及三维模拟 5离心风机的宽带噪声是由离心叶轮进气紊流噪声和涡流噪声组成，由于离心叶轮前部蒸发器的存在，导致离心风机进气紊流的加剧，从而辐射较大的紊流宽带噪声。为了控制该噪声，在离心风机叶轮进出气口加装了金属网罩。经实验研究，加装网罩可以降低离心风机的噪声，而且网丝的直径和网孔尺寸对离心风机的降噪有很大的影响。改装后，由于叶道内气流紊流强度及尾缘涡流脱落大小均得到了有效的控制，因而其室内评价点的噪声能量在宽频范围内得到了较大幅度的降低。 2) 改变轴流风机的叶数 轴流风机产生的噪声既有离散噪声又有涡流噪声，所要做的就是尽量降低其产生的噪声峰值。通过改变轴流风机的叶数，使得噪声频谱在较大范围内得以改善，不论是离散频率还是宽带频率其峰值均有明显的下降，发生这样的变化是因为在风扇旋转的过程中，当气流流过叶片时，在叶片表面形成附面层，特别是吸力边的附面层容易加厚，并产生许多涡。在叶片尾缘处，吸力边与压力边的附面层会合形成尾迹区，在尾迹区内，气流的压力与速度都大大低于主气流区，因而，当工作轮旋转时，叶片出口区内气流具有很大的不均匀性。多个扇叶对稳定气流有更加突出作用，由于其扇叶相临的更加紧密，所以吸力边与压力边的附面层相对变薄，不易形成大的脉动，使其峰值下降。旋转基频发生了变化，这是因为叶片数目增多的缘故，但不影响声能的下降。 3) 加装隔声板 因空调器内部活动空间狭小，并且压缩机本身的外接管路很多，所以对其采用隔声板减少压缩机的直接声场的影响是现实可行的办法。此种类型的空调器中，在压缩机的位置开有较大面积的轴流风机进气口。由于压缩机的阻碍，其作为进气口已不再重要，而噪声可以毫无阻挡地从空调器内部传出。因此在试验研究时，将隔声板加装在此处9。 4) 粘贴吸声材料 吸声材料对降低噪声源的噪声具有十分显著的特点，考虑到窗式空调器的空间狭小， 这里采用沥青玻璃棉毡， 粘贴在隔声板、 机壳内壁以及机箱内部隔板上9。 （3）减振的研究成果 根据管道振动产生的原因，对管道振动控制的方法之一是减小振源，即尽量减小压缩机在各方面的振动，又根据一些资料的分析计算，对管道的几何形状要设计合理，减小管道的转弯角度，以及理顺空调器的空气流动，减小对管道的激励；另一方面对压缩机来说出竖向和横向振动外，还有扭转振动，这样就可能造成管道发生“拍振”，产生忽高忽低的噪音，采用结点阻尼技术较好地控制了管式空调器的设计及三维模拟 6道的拍振。又根据日本在空调器设计方面的经验，为减少管道的振动，可在管道间配置阻尼橡皮块，以不断耗散振动的能量8。 环保在以后的研究必须注意，据蒙特利尔协定书，前但是它与矿物油不相溶，从长远的可行性上看，使用与臭氧友好的制冷剂，改造现有的空调行业的挑战。如果解决这个问题，中国 的产品将在国际市场上抓住更多的机遇11。 究的基本内容 本论文主要研究的内容为设计窗式空调器，掌握空调工作的原理，设计窗式空调器的结构，根据设计参数：制冷剂计一个窗式空调器并对其进行三维模拟。 针对窗式空调器振动大，噪音大的缺点，根据一些国内外的技术，通过网络和图书馆书籍中的文献进行窗式空调器的设计，希望可以达到减振降噪的效果。 设计窗式空调达到减振降噪效果是本设计的难点之一，将抽象的设计三维立体化是本设计的难点之二。 式空调器的设计及三维模拟 7第二章 设计计算 冷循环热力计算 环参数 根据小型制冷装置设计指导一书，确定冷凝器和蒸发器的制冷循环参数及室内、外空气参数，具体如下： （ 1）空冷式冷凝器的工况： 空气侧： 迎面风速： s 入口干球温度： 35 湿球温度： 24 制冷剂侧：入口过热蒸气温度： 95 冷凝温度： 过冷度： （ 2）蒸发器工况： 空气侧： 迎面风速： 2.0 m/s 入口干球温度： 27 湿球温度： 制冷剂侧：膨胀阀前过冷液温度： 蒸发温度： 出口温度： 15 蒸发器空气侧进出口温差 t 25007000时，得结果满足要求。 缩机的选择及制冷剂的校核 根据计算结果，查表786页）12，选用空调用全封闭往复式压缩机。并查得：型号：定制冷量为3815W；电机输出功率为1100W， 上面均能满足设计要求。 该压缩机在名义工况下的制冷剂质量流量为： 13134= 发器的设计 发器进口空气状态参数 由于蒸发器进出口温差 15 C，因而取 t =C，蒸发器进口处空气干球温度 ，湿球温度 ，查湿空气的 ，= = 相对湿度 %501= ，则，= = 式空调器的设计及三维模拟 12图 2 湿空气的焓湿图 蒸发器进、出口空气焓差及出口处空气焓值 将口状态点1，2相连，延长与饱和线（ ）相交，得 = 步确定蒸发器结构参数 采用强制对流的直接蒸发式蒸发器，连续整体式铝套片。紫铜管为=10三角形排列，管间距 51= ，排间距 ， ，片距 ，铝片热导率数1)(237= 每米管长翅片表面积: )4(=每米管长翅片间基管外表面积 ： )(= 每米管长总外表面积: =+=+= 每米管长内表面积: 式空调器的设计及三维模拟 = (2肋化系数: = (2肋通系数:是指每排肋管外表面积与迎风面积之比，即： =每米管长的外表面积: = (2=+=+=(2净面比：是指最窄流通截面积与迎风面积之比，即： )(101= (2结构设计传热面积，管长及外形尺寸 取沿气流方向管排数N=4，分三路供液，迎面风速取12= : 最小截面流速: = 迎风面积: 式空调器的设计及三维模拟 = (2总传热面积: = (2所需管长: = (2取蒸发器高度方向为12排，蒸发器高: 11211=+=+= (2蒸发器长: = (2蒸发器宽: =(2传热温差 = (2蒸发器传热系数的计算 管内22在 的物性为： 饱和液体定压比热容 )/(205.1 饱和蒸气定压比热容 )/(665.0 饱和液体密度 3/ 式空调器的设计及三维模拟 15饱和蒸气密度 3/ 气化热 表面张力 液体粘度 23/1053.2 = 蒸气粘度 23/10479.0 = 液体导热率 )/(= 蒸气导热率 )/(0110.0 液体普朗特数 30.3=蒸气普朗特数 744.0=已知x ，出口干度 x = (2作为迭代计算的初值，取2/11000 ，取(1402，则总流通截面为： = (2每根管子的有效流通截面： =(2蒸发器的分路数： = (2取Z=3，则每一分路中式空调器的设计及三维模拟 16= (2每一分路中)/(=(2于是： = (2)1(=25)1(=因为制冷量为 因为 c ，= )/()25()(+=+=(2式空调器的设计及三维模拟 17 计算空气侧干表面传热系数 1) 空气的物性 空气的平均温度为： =+= (2空气在22下的物性为： 1005,/= 2) 最窄截面处空气流速 =(23) 干表面传热系数 )(+=+=)/(= (24) 在蒸发器中空气的平均比焓 +=+= (2在的线的交点读得 ，0= ，则析湿系数可由下式确定： 式空调器的设计及三维模拟 +=+= (25) 循环空气量的计算 = (2进口状态下干空气的比体积可由下式确定： 1()27273(11=+=+=(2循环空气的体积流量： = (2量和风机的选择 表24该风机的流量为13980=压 89= ,额定转速为1= 噪声为 51 ( ) 。 配用电动机型号：压380V，功率为40W。 气侧当量表面传热系数的计算 对于正三角形叉排排列的平直套片管束，叉排时翅片可视为六角形，且此时翅片的长边距离和短边距离之比A/B=1，且： = (2式空调器的设计及三维模拟 19所以： = (2肋片折合高度为： 1(2=+=故在凝露工况下的翅片效率为： (= (2当量表面传热系数： )/(20+=+=(2 传热系数的计算 )/(+=+=(2算假设的 q0=得 200 = （ 2 式空调器的设计及三维模拟 q = （2 计算表明： 假设的值 110002/偏差小于 所以假设有效。 热计算所需传热面积 = =(2蒸发器所需传热管总长 = （2 选取迎面风速y=2m/s，则迎风面积为 , 600 =（2 取蒸发器长L=360，高H=实际迎风面积为 m= = （2已选定垂直气流方向的管间距5垂直气流方向的每根管子数为 = （2空气流通方向上的管排数为 式空调器的设计及三维模拟 =排 （2取整数 n=4 排，与计算空气侧表面传热系数时预计的空气流通方向上的管排数目相符。 沿气流流动方向为4 排，共布置48 根传热管，传热管的实际总长为 8 = （2传热管的实际内表面积为 la m= = （2裕度计算 （2 （2 说明计算约有 15%的裕度，能够满足要求。 气侧流动阻力 凝露工况下，气体横向流过整套叉排管簇时的阻力可按下式计算： (= (2对于粗糙的翅片表面，A=量直径： 式空调器的设计及三维模拟 1025()1025(2)()()(20101=+=+=(2沿气流方向蒸发器长（即蒸发器的宽度）B=87气密度3/2.1 ，凝露工况下取 ，则: )189(=(2所以，离心式通风机能满足压头要求。 凝器的设计 窗式空调器的冷凝器均采用强制对流式空冷冷凝器，外套整体式铝片。 凝器热负荷 根据循环的热力计算，冷凝器热负荷由下式计算： )(421= 式中：1 位为kg/s 2h 即制冷量进入冷凝器时的比焓值，单位为kj/4h 位kj/=+=(258(=(2凝器进、出口空气参数 冷凝器进风温度等于室外干球温度，即 ，取空气进出口温度差式空调器的设计及三维模拟 23 ，故冷凝器出口温度 ，冷凝器的冷凝温度 量及风机的选择 冷凝器所需风量： 794/33312= (2查表24，机风量 800033=，全压H=78压功率P=88W。 配用电动机型号：电动机功率为40W。 步规划冷凝器的结构 取冷凝器的传热管，翅片管结构参数与排列方式与蒸发器完全相同。 在窗式空调中，冷凝器和蒸发器的长、高 要相互配合，根据已设计好的蒸发器的蒸发器的LH=及选定的轴流风机的尺寸，设定冷凝器的结构：长L=H=空气流动方向的管排数N=4，每排管数i=16。 构设计传热面积 迎风面积： = (2迎风风速： = (2总传热面积： 式空调器的设计及三维模拟 = (2所需管长： = (2热温差 = (2凝器传热系数的计算 翅片的宽度： = (2微元最窄截面的当量直径： )()()(20101=+=+=(2则: 最窄截面风速为 186 ( )( ) (25 (= = (2式空调器的设计及三维模拟 25取当地大气压 = ，由空气（干空气）热物理性质表，在空气平均温度 条件下， (100026= 在进风温度 条件下，3/2.1 查表32,用插入法求得： ，n=c=m=空气侧表面传热系数： )/(=(2查表36页)3，物性集合数B=1260，氟利昂在管内凝结的表面传热系数由式（33计算： 331)=翅片的相当高度由式（33计算： 01.0)1(201010=+=+=(2取铝片热导率 )/(237 = ，由式（33计算翅片参数m,即： = 由式（33计算翅片效率： 式空调器的设计及三维模拟 (= (2表面效率由式（33计算： +=+= (2忽略个各有关污垢热阻及接触热阻的影响，则= ，将计算所得有关各值代入式（312,即： 9(39(331)()(= (2则管内得凝结表面传热系数： )/(4(2331)= (2取管壁与翅片间接触热阻 ，空气侧尘埃垢层热阻,/= 紫铜管热导率 )/(393 = ，由式（312计算冷凝器的总传热热系数： +=+=2000/热计算所需传热面积 冷凝器所需传热面积 式空调器的设计及三维模拟 27(2 实际面积与所需传热面积相差2需设计的冷凝器结构能满足传热面积要求。 细管的选择 计参数 制冷剂：凝压力： （ ） 蒸发压力： （ ） 节流阀前温度： 制冷剂循环量： =蒸发器分路数：3 细管尺寸估算 制冷剂在毛细管内的两相流动过程十分复杂，难以精确计算，用图解法选出的毛细管尺寸都要经过在实际装置中的运行实验，经修正后才能获得最佳尺寸。 为简化计算，因此进毛细管时液体制冷剂的过冷度为： = (2由 值查图703页)12，得标准毛细管得流通量 2= ，流量系数： = (2= =136%11= = =实实式空调器的设计及三维模拟 28使流经它的制冷剂流量与装置的制冷量相匹配，本文采用图解法。根据图由于毛细管内的流动过程复杂，而且毛细管的实际内径与名义内径之微小偏差对毛细管的长度影响较大，因而求得的毛细管尺寸和根数，都要经过在实际装置中的运行试验，经过校验和修正后，才能获得毛细管的最佳尺寸。 查图703页)12，如选毛细管内径 ，则毛细管长度L=一根。 式空调器的设计及三维模拟 29第三章 三维建模 介 有强大的功能模块和广泛的适用范围，是目前最优秀的三维机械设计软件之一。