（人机与环境工程专业论文）快速冷却柜系统的工程模型与分析.pdf

快速冷却柜系统的工程模型与分析 a b s t r a c t i no r d e rt os a v ee n e r g ya n ds a t i s f yd i f i e r e n tp e o p l ew i t hv a r i o u sc u s t o mh a b i t s a n e n g i n e e r i n gm o d e lo ft h e q u i c k l y c o o l i n gs y s t e m ，w h i c h c o nc o o ls o m e b e v e r a g e q u i c k l ya n dt h e ns a v et h ee l e c t r i c i t ye n e r g y , i sd e s i g n e di nt h i sp a d e nb a s i n go nt h e e n g m e e n n g m o d e lo ft h eq u i c k s p r a yc o o l i n gs y s t e m ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g n i sc a r r i e do u t a r e r 也a t ，a ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s c o m p l e t e d b yu s eo fi t t h e r e l a t i v e p a r a m e t e r s a r em e a s u r e da n dt h er e s u l t sa r e a n a l y z e d b e s i d e s ，as i m p l e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h i sm o d e li sc a l c u l a t e db yp h o e n i c ss o f t w a r e ，w h i c hs h o w s t h i se n g i n e e r i n gm o d e l i ss o p r a c t i c a lf o rt h ef u t u r es i m i l a rd e s i g n s i no n ew o r d a l lt h e a n a l y s i ss h o w st h a t 也i ss p r a yc o o l i n gs y s t e mi ss oq u i c k e c o n o m i c a la n de 伍c i e n ta n d t h a t1 th a sw i d ep r a c t i c a lv a l u ew i t ht h ec o n d i t i o no f t h el i m i t e de n e r g yi no u rc o u n t r y i na d d i t i o n ，t h ef e a s i b l ea n de c o n o m i c a la n a l y s i so f t h em o d e l i sf u l f i l l e d t h e r e f o f e t h e e n g m e e n n gm o d e la c c o m p l i s h e di nt h i sp a p e rh a st h ec h a r a c t e r so fq u i c k n e s s h i g h e f f i c i e n c ya n de c o n o m y , w h i c hb e n e f i t st h es i m i l a rr e s e a r c hi nt h ef u t u r e k e yw o r d sq u i c k l y c o o l i n g ，e n g i n e e r i n gm o d e l ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，s p r a y i n g ， s w a y u 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名： 日期： 厶旌止旦2 兰蚴 4 蝮。毒善 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 “制冷”就是自然界的某物体或某空间达到低于周围环境温度，并使之维持这 个温度。现代制冷技术已经在各个领域中，特别是在空气调节和食品保存等直接 关系到工业生产和人民生活的领域中都得到了广泛发展，它是从十九世纪中后期 发展起来的。实现“制冷”可以通过两种途径，一种是利用天然冷源，另一种是 利用人造冷源。而一般利用人造冷源的现代制冷工业正处于一个飞速发展的时期， 受微电子、计算机、新型原材料和其他相关工业领域技术进步的渗透和促进，可 以说现代制冷工业在技术进步方面取得了突破性的发展。 1 1 小型制冷设备的发展概况 制冷技术是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的，而小型制冷设 备的发展主要是为了满足人们的日常生活需要，譬如食品冷藏以及调节室内空气 温度、湿度等。小型制冷设备由于制冷量较小，从而整机体积小，结构较为紧凑， 且面向普通消费人群，故应尽量节约原材料以降低制造成本。日常消费用小型制 冷设备从1 1 夕1 - 的发展情况来看，五十年代前发展较为缓慢，产品的研发和改进不 显著。六十年代后，小型制冷设备譬如电冰箱的产量超过了百万台，此后就开始 突飞猛进地发展起来。 我国的小型制冷设备的发展从一九五四年开始，三十多年来，制冷工业有了 飞速的发展，已有独立设计和制造的各种制冷设备，如目前我们已有的活塞式、 螺杆式、离心式、吸收式、蒸汽喷射式、热电式六大类制冷机，以满足工业、农 业、医药卫生、商业、科研、出口和人民生活的需要。一九) t - - 年以后产量迅速 增加，质量也有了明显的提高，到一九八八年，全国家用电冰箱产量已达7 5 7 万 台，其他制冷设备总产量达2 2 5 7 万台。 1 2 快速冷却柜设计思想的提出 随着科学技术的飞速发展，人民生活水平的日益提高，为人民生活服务的科 技成果也不断涌现。食品的保存一直是急待解决的问题，而食品保存中的一大主 流饮品的保存则更为重要，尤其是在炎热的夏天，各种听装、瓶装甚至是纸 装的饮料更是广受人们喜爱。而且各种冷藏饮品在广大家庭、快餐店、机场、车 站等人流密集、温度相对较高的地方又有非常广阔的市场。于是一些自动售货机、 冰柜等设备孕育而生。这些设备虽然在一定程度上满足了人们的需要，但是为了 时刻保证饮料的温度，这些冷冻设备一般都需要2 4 小时连续运转，且一次性冷藏 快速冷却柜系统的工程模型与分析 足够多的饮料，这样没有考虑到各种类型消费者的不同喜好，浪费了不少宝贵的 电力资源，但我国现在每年夏天最大的社会问题之一就是电荒，即电力资源的短 缺。因此如何即在满足人民生活质量要求的前提条件下，同时节约更多的电能己 成为各行各业的研究人员共同探讨的热门课题。 为此人们需不断对更实用的制冷模型和方式进行研究探索，其中快速制冷技 术为此受到日益增加的关注，也取得了大量的研究成果。如液氮冷却 7 1 ，液体 喷淋【9 、l o l ，冷风直吹冷却【1 2 1 ，带变频器的快速降温1 3 5 】等。目前喷淋冷 却因其便捷、高效、成本低曰益受到重视，以至于在c p u 的冷却中也日渐得到了 重视。但以往的液体喷淋一般仅仅是静态喷淋，并没有提高或以提高传热冷却效 果来强化受追传热，本文中将讨论喷淋与动态运动的相互作用，并同时建立了简 易的工程计算模型。 依据这个工程模型，本文作者在此冒昧地提出一种在各大超市、机场、影院 及学校等场所可以广泛使用的快速冷却柜的构思，可以将三之五人所喜好的饮品 放入快速冷却柜中，在冷却三之五分钟后便可取出，并且可以达到冰凉爽口的要 求。这种快速冷却柜不仅可以最大程度的满足人们的生活需要，而且只在需要时 开启，不必2 4 小时连续开启，可以避免不必要的能源浪费，最大限度的节约宝贵 的电力资源。 1 3 快速冷却柜的基本构思 本文分析对比现有冰箱、冷柜的传热模型和快速喷淋冷却的传热模型，提出了 一种小型( 一次性冷却2 3 听饮料) ，快捷的快速冷却柜的传热模型，即不仅像现 在的冰箱冷柜那样，在内部通过制冷系统形成一个冷环境，而且利用制冷系统制 取冷冻水，由微型水泵使冷冻水形成一个水系统循环，利用冷冻水不断地通过喷 嘴喷洒于听装饮品上，进行强制受迫对流换热冷却。同时通过悬摆装置，使听装 饮品不断的来回摆动，加速喷洒在上面的冷冻水的脱落，这样制冷系统制取的冷 量将得到快速充分的利用。另外通过对传热模型进行模拟计算，可以模拟不同时 间和冷却温度的需求，使此类快速冷却柜能在3 5 分钟内就可达到设计要求的温 度，真正达到了即插即用快速方便的要求。 作者试图设计的快速冷却柜可分为两个子系统：快速冷却柜冷环境系统以及 快速冷却柜喷淋冷却系统。冷环境系统负责提供快速冷却饮料的冷环境与冷冻水， 喷淋冷却系统负责冷冻水的循环喷淋和装物篮的悬摆。将3 听3 5 5 m l 的饮料放置 到装物篮中并来回不断地摆动，同时使用冷冻水对其进行喷淋冷却，期望能在5 分钟内将其冷却到lo c 士0 5 0 c 的温度以供人们饮用。 南京航空航天大学硕士学位论文 本快速冷却柜的最大优点是我们在设计时所考虑的快速性，即对一定量的需 要冷却的饮料能够按照要求快速冷却并达到理想的温度，而这一时间限制一般保 证不超过五分钟。同时，在快速化、小型化的前提条件下，使其具有操作简便、 性能稳定、节能美观的优点，而且在设计过程中我们也尽可能的考虑到设计的标 准化，在零部件的选取上也尽量使用通用配件，使其在后续产品的研发上可以免 去不必要的麻烦。 综上所述，本快速冷却柜的研发和生产对于提高人民生活水平，加快我国国 民经济的发展有着重要意义，同时对于实现可持续发展，节约有限的电力、水力 资源也有着积极而深远的意义。 1 4 本论文的主要内容 本论文的主要工作为： i 快速冷却柜系统方案的提出 2 快速冷却柜系统的设计和加工制造 3 快速冷却柜系统的实验研究 a 试验方案、装置及试验数据采集系统的确定 b 试验结果的分析对比及简单经济性分析 4 易拉罐内部温度场的数值模拟研究 a 计算模型的建立，控制方程边界条件的确定及计算网格的划分 b 模拟计算结果的分析 5 结论和展望 快速冷却柜系统的工程模型与分析 第二章快速冷却柜系统方案的提出 本章主要研究内容是在总结前人快速冷却技术的基础上，提出了快速冷却柜 的系统方案。 2 1 快速冷却柜的系统方案 在考虑技术基础、工艺要求、设备运行安全等因素的情况下，我们采用喷淋 悬摆技术以达到快速、小型、节能的要求，整个快速冷却柜系统分成两个子系统： 即冷环境系统和喷淋冷却系统，系统分成上下两部分下部分为制冷系统，即冷 环境系统，上部分为喷淋冷却系统；在喷淋箱的顶部设置喷嘴，喷嘴下方设置机 械摆动装置，箱门设在喷淋箱体前面，喷淋箱底部设置纱网过滤器，过滤冷冻水 中的杂物以供喷淋冷却系统喷淋循环使用，冷冻水的循环喷淋通过喷淋冷却系统 的微型水泵、管道、管道阀和喷嘴来实现，在微型水泵的作用下使冷环境系统制 得的冷冻水流经管道和管道阀送至喷嘴，喷嘴将冷冻水均匀的喷洒到固定在固定 装置上的装物篮内的需要冷却的物体表面，固定装置在微型减速电机的带动下， 带着装物篮来回悬摆，不断地将喷洒在物体表面上的冷冻水甩脱，甩脱的完成换 热的冷冻水以及小部分未经换热的冷冻水落到喷淋箱底后，经过滤器过滤后与冷 环境系统的蒸发器换热冷却后，供再次喷淋冷却使用，如此循环。直至物体被冷 却到预定要求为止；另外在喷淋系统的管道上装有微型管道式流量计来测定冷冻 水的喷淋流量。 本文设计的这种小型快速冷却柜，其最大的优点在于它的快速，即在较短的 时间内将需要冷却物体冷却到所需要的温度；小型是结构紧凑体积小，而节能则 是本文设计此冷却柜考虑的另一个重要因素，所以在设计过程中，我们自始至终 在能满足条件的情况下尽可能的使结构紧凑和节能。 所以我们计划试验用的需要冷却的物体为3 5 5 毫升的铝合金易拉罐，其基本参 数为：圆柱体高1 2 厘米，直径6 6 8 厘米，材质为铝合金( 目 9 2 a 1 8 m g ) ，铝皮厚度 约为0 5 毫米。由于喷淋箱内计划能同时冷却3 听易拉罐饮料，所以由饮料的尺寸以 及箱内需要安装固定装物篮的固定装置以及考虑活动范围，我们初步确定快速冷 却柜的尺寸为：高4 0 厘米，长2 6 厘米，宽1 6 厘米。初步设定的系统方案示意图如 图2 1 所示。 南京航空航天大学硕士学位论文 。燮 3 喷嘴 图2 1 快速冷却柜系统示意图 2 2 快速冷却柜设计的基本参数 2 2 1 快速冷却柜的制冷量 快速冷却柜的内部腔体和一般的冰箱冷柜一样，由制玲系统形成一个冷环境， 但又加入了喷淋冷却，由微型水泵形成一个冷冻水的循环，这冷冻水是由快速冷 却柜制冷系统在冷柜底部制取的，为提高传热效率，系统中增加了一个悬臂摇摆 机构，使听装饮品不断的来回摆动，加速喷洒在上面的冷冻水的脱落，这样制冷 系统制取的冷量将得到快速充分的利用。其工程设计计算模型可以进行简化，根 据物理当量平衡的要求，将圆筒按面积当量展开简化为矩形二维平面模型，如图 2 2 所示。 ，o、 图2 2 悬摆模型 摆放在装物篮里的物品各不相同，实际换热情况也存在差别，为简化模型， 以听装饮品为示例，采用如下方法：将听装饮品沿其圆柱中心线平铺展开，计算 5 快速冷却柜系统的工程模型与分析 时按竖平板进行计算，如图2 3 所示。 d 一。一l 一1 1 一一 | 卜一f 一1 f 一 - 一、厂l j 1 圈2 3 圆筒竖壁简化为竖平板 在竖平板上的对流换热一方面由喷嘴的喷出初速引起，另一方面由冷冻水的 自身重力引起，故实际情况为自然对流和强制对流并存的对流换热。根据文献 “0 】，确定自然对流效应是否占优，利用通用判断准则为熹，其中g ，为格拉 晓夫数g ，：_ g f l a t l3 ，r e 为雷诺数r e ：丝，其中口为体积膨胀系数，r 为换热 v 。v 温差，为展开的平板长，v 为运动黏度，“为流速。 。g r ：o 1 时，不能忽略 k e 。 自然对流的影响。而当嚣1 0 时，可作为纯自然对流看待。对于2 1 6 坍瓜， g r ：2 2 8 1 0 2 ， r e ：1 5 4 2 1 0 。，竺 0 时 “= 0 ，f 2 l ，当y 20 时( 2 4 ) 按上述模型计算可得，冷却时间为9 9 s ，冷冻水量为1 5 k g ，确实能达到快速 冷却的目的，即在3 5 分钟内能够把三听饮品冷却到要求的温度。 快速冷却柜系统的制冷量按所需要冷却的冷冻水量进行计算： q o = c 。，z 。7 ( 2 5 ) 式中c 。水的比热容为4 2k j k g ； m w a t c r 水的计算质量，因为我们考虑一次只需冷却3 听饮料，而且采 用雾状喷淋冷却，同时考虑结构紧凑和尽量节能的因素，所以可以采用上面简化 模型计算得到的1 5k g ； t 水的计算温差，单位为。 冷冻水的最终出口温度按照设计要求，恒定为2 。c ，水的进口温度为南京当地 夏天气温3 i 46 c 和湿度8 0 下的饱和水的温度，根据水的焓一湿图，可知温度为： 2 7 7 ，则温差at = 2 7 7 - 2 = 2 5 7 c ，则快速冷却柜的制冷量q 0 为5 3 8 3 w 。 上面计算所得的制冷量，为快速冷却柜初次开杌时即非稳定状态下快速冷却 柜工作的制冷量，开机一段时间后，当冷冻水温度降低后，系统需要的制冷量远 小于此，此时我们称系统处于稳定工作状态，故综合考虑： ( 1 ) 当第一次开机运行后，由于冷冻水温度已经降低，在稳定工作状态下需要 的制冷量远小于第一次开机运行时的制冷量，因而压缩机的制冷量显得很大，也 即压缩机只需要工作极短的时间即可满足系统制冷量的要求，造成“大马拉小车” 的情况。 ( 2 ) 但也不能在刚刚开机时，由于系统设计制冷量太小，要把尚未冷却的高温 冷冻水冷下来需要的时间过长而失去快速制冷的意义。故在初次开机时确定用2 0 0 秒左右的时间达到工艺要求使冷冻水冷却到2 c 左右，制冷系统的其它部件按照此 参数进行设计和校核；在稳定工作状态时，则利用敏感温度传感器来控制压缩机 的启停达到控制冷冻水的出口温度的目的。 ( 3 ) 冷冻水温度降低后，喷淋后的冷冻水温升很小( 即冷负荷很小) ，就可能出 现大功率的压缩机工作时间过短的情形。 所以综上所述，我们应综合考虑所选用的压缩机的制冷量和系统需要的制冷 7 快速冷却柜系统的工程模型与分析 量的大小。 2 2 2 冷凝温度和蒸发温度的确定 一般说来，对于空气自然冷却式冷凝器，取最大温差( t k r 。) 为1 0 1 5 9 c ， 而空气进、出温度应小于8 。c ，故可确定冷凝温度为4 0 c ；对于冷却冷冻水的蒸 发器，蒸发温度t 。一般比被冷却水( 本文即冷冻水) 出口温度f f 至少低i - - 2 。c ， 被冷却水进出口温差( ，一“) = o 5 - i ，因此，可以选定蒸发温度为0 5 。c 。 2 2 3 制冷剂的选取 对于小型的氟利昂制冷系统，制冷剂应尽可能多的满足以下要求：如蒸发压 力和冷凝压力应适中，制冷剂的单位容积制冷能力要大，制冷剂的临界温度要高， 绝热指数要低等。通过对比几种常用的氟利昂制冷剂的性能：r 一1 2 的冷凝压力较 低，当采用空气冷却时也只有1 2 b a r 左右，比较适合小型制冷系统：当单位容积制 冷能力小时r 2 2 的热力学性能与氨的不相上下；而r 1 3 适用于- 8 0 一1 0 0 之 间的制冷装置；r 1 1 多适用于较小型离心式制冷压缩机的空调用制冷装置：r 1 1 4 则适用于高温环境中，故综合上述考虑，我们认为选取r 1 2 作为本制冷系统的制 冷剂是较为合适。 2 2 4 过热度过冷度的确定 考虑一般情况，取经过冷凝器冷凝后达到5 。c 的过冷度：采用沉浸式蒸发器， 且考虑到冷冻水的温度要求，故过热应由冷冻水流出后的管路达到，通过无效过 热达到，暂定吸气温度为5 。c ，此温度可以确保制冷剂在进入压缩机时是气体状态， 可防止液击。 2 2 5 制冷系统的理论压一焓图 由以上定出的蒸发温度、冷凝温度、过冷度、过热度，在r 1 2 的压一焓图上 绘出系统的理论压一焓图，如图2 4 所示。 南京航空航天大学硕t 学位论文 图2 4 制冷系统理论压一焓圈 其中，l 一2 为绝热压缩过程，即定熵过程：2 斗3 为制冷剂在冷凝器中定压 放热过程，其中2 甘2 。是放出过量热量，2 寸3 。是放出比潜热，3 。_ 3 是再冷却； 3 斗4 为节流过程，节流前后比焓不变，故为垂直线；4 斗1 为制冷剂在蒸发器内 定压蒸发吸热过程。 快速冷却柜系统的工程模型与分析 第三章快速冷却柜的设计和设备选型 本章主要内容是快速冷却柜的设计和设备选型，包括制冷系统的设计和设备 选型及喷淋系统的设备选型。 3 1 制冷系统的设计和设备选型 一个完整的制冷系统一般包括压缩机、冷凝器、蒸发器，以及节流机构等部件， 制冷系统的具体形式，要根据制冷工艺的要求和技术经济条件等进行设计和选用。 3 1 1 制冷压缩机的设计选型 制冷压缩机是制冷设备中的主机，是制冷循环的心脏。因此对制冷压缩机一 般有如下要求： ( 1 ) 能适应在高温和低温、高压和低压的条件下工作； ( 2 ) 力学性能和密封性能要好： ( 3 ) 所用的材料不得与制冷剂和冷冻机油发生化学反应。 制冷压缩机根据其工作原理，可以分为容积型和速度型压缩机两大类，其中 容积型压缩机中气体压力的提高是依靠气体在汽缸中的原有体积被强制缩小，使 单位容积内气体分子数目增加来达到：而速度型压缩机气体压力的增长是由气体 的动能的转化而来，即先使气体获得一定的高速度，然后再让它缓慢下来，使气 体动能变为气体位能，气体的压力就得到相应的提高。容积型压缩机有两种结构 形式，郎往复活塞式和回转活塞式。 本快速冷却柜因为制冷量小，且对制冷压缩机没有特殊要求，故而采用在小 型制冷系统中最为常用的全封闭式往复活塞式压缩机。活塞式压缩机能够适应较 为广阔的压力范围和制冷量要求，热效率高，单位电耗相对较少，特别是在偏离 设计工况时更为明显。最重要的是，此种类型的压缩机技术上较为成熟，生产使 用上积累有丰富的经验，且价格相对低廉，故选择此种压缩机较为合理。 对于制冷压缩机，在本快速冷却柜的设计中不做单独设计，只进行必要的选 型，然后对选定的压缩机做出选型计算，视其能满足系统要求。 由制冷量幺的计算值作为名义制冷量查取 2 5 1 ，可选用；型号为x u e b aq 0 7 7 ， 缸径为2 8 r a m ，行程为1 4 m m ，缸数为1 个，转速为2 8 8 0 r p m ，额定功率为1 8 0 w ，重 量是1 2 k g 的制冷压缩机。其中，本压缩机的相对余隙容积c = 4 5 ，其它参数如 表3 1 所示。 l n 南京航空航天大学顺| 二学位论文 表3 1 压缩机选型计算参数表 爨数蒸发温度冷凝温度吸气温度出冷凝器温吸气压力 工疣 ，。气“ 度只 工况3 4 2 1 5 3 5 5 6 0k p a 、 焘数 排气压力只 吸气口处比排气口处比进蒸发器处吸气比容 工疣 焓h 焓风比焓h 。v ， r = 况1 5 0 0k p a 4 1 6 5 k j k g 4 4 2g j k g2 4 2k j k g 0 0 3r i l3 k g 由表中参数以及文献【2 5 1 的计算公式计算可得： 1 工质单位质量制冷量： q o = 栩电= 1 7 4 5 ( k j k g ) 式中h 压缩机吸气口处制冷剂的比焓，k j k g h i 蒸发器进液管处制冷剂的比焓，k j k g 。 2 单位绝热理论功： w 。2 h 2 一h ，2 2 0 0 ( k j k g ) 式中凡压缩机排气口处制冷剂的比焓，k j k g ； h 蒸发器进液管处制冷荆的比焓，k j k g 。 3 压缩机的理论输气量k ： ( 3 2 ) 单位时间内压缩机的活塞行程所扫过的气缸容积称为压缩机的理论输气量圪。 我国活塞式制冷压缩机的理论输气量k 按下式计算： k = 6 0 r f r d 2 s n z = 1 4 9 ( m 3 h ) 式中n 圆周率； d 压缩机的缸径，m ： s 压缩机的行程，m ； n 压缩机的转速，r p m ； z 压缩机气缸数目。 快速冷却柜系统的工程模型与分析 4 压缩机实际输气量矿： 单位时间内压缩机由吸气端送到排气端的气体质量换算成吸气状态下的容积 称为压缩机的实际输气量。 实际输气量可按下式计算： = g v 。“= 1 - 4 6 ( m 3 h )( 3 4 ) 或 k = 圪 = 1 4 6 ( m 3 h )( 3 5 ) 式中g 制冷剂质量流量，k g h ； v ”压缩机吸入气体比容，m3 k g ； k 压缩机理论输气量，m 3 h ； 压缩机输气系数。 5 压缩机的输气系数 ： 压缩机输气系数表征了压缩机工作容积有效利用程度。 计制造质量及压缩机的工作温度有关，可按下述方法求取： a 2 a 。a 。a 。九d 2 0 6 4 3 式中五。容积系数； 其中 - 1 _ c ( 爷_ 1 】_ 0 9 1 2 五。压力系数； 其中五。：1 一盟些：0 9 4 3 。 。只 丑温度系数； 对开启式压缩机 其中t = t o t ( 对于封闭式压缩机 其中 2 赢- o _ 7 7 9 其大小与压缩机的设 ( 3 7 ) ( 3 一l o ) 南京航空航天大学硕士学位论文 以气密性系数； 对开启式压缩机九= o 9 7 o 9 9 ：对封闭式压缩机，高温工况时九= o 9 5 ，中 温工况时九= 0 9 0 ，低温工况时乃= o 8 5 ： c 压缩机的相对余隙容积，我国高速单缸压缩机可取0 0 4 5 ； 只压缩机吸气压力，m p a ； 邮压缩机吸气压力损失，m p a ；对开启式压缩机，制冷剂为氨时川= ( 0 0 2 o 0 5 ) e ，制冷剂为氟利昂时邮= ( o 0 5 o 1 ) 日；对封 闭式压缩机鼻= ( o 0 1 0 0 5 ) 鼻； 最压缩机排气压力，m p a ； m 一制冷剂膨胀指数，对开启式压缩机，制冷剂为氨时m = 1 1 0 1 1 5 ，制 冷剂为氟利昂时m = 1 o 1 0 5 ；对封闭式压缩机m = 1 0 ； 瓦绝对蒸发温度，k ： 瓦绝对冷凝温度，k ； z 绝对吸气温度，k ： n 冷凝温度影响系数，对家用制冷压缩机a = 1 1 5 ，对商用制冷压缩机 d = 1 1 ： b 压缩机向周围空气散热时对吸气温度的影响系数： 6 压缩机的制冷量： 压缩机与其他辅助设备配合工作，其工作能力通常用单位时间内所产生的冷 量即制冷量q o 来表示，其大小可按下式计算： q o = g q o ( 3 5 x1 0 3 ) = 1 5 8 ( k w )( 3 一1 1 ) 或q o = v , q 。( 3 6 1 0 3 ) = 1 5 8 ( k w ) ( 3 一1 2 ) 或q o = k 幻，( 3 6 1 0 3 ) = 1 5 8 ( k w ) ( 3 1 3 ) 式中g 制冷剂质量流量，k g h ： 矿压缩机的实际输气系数，m 3 h ； f 快速冷却柜系统的t 程模型| ：i 分析 k 压缩机的理论输气系数，m3 h 吼制冷剂的单位质量制冷量，k j k g ： q 。制冷剂的单位容积制冷量，k j m 3 ； 压缩机的输气系数。 对于双级压缩机，目前使用的双级压缩循环，只有低压级才向外提供冷量， 故计算双级压缩机的制冷量时，只需考虑低压级的制冷量。计算时，应将低压级 的有关参数代入上述各式进行计算。 7 压缩机的理论功率。： 压缩机绝热压缩过程中气缸内所需的功率称为理论功率m ，其大小可按下式 计算： 。= g w o ( 3 6 1 0 3 ) = 1 5 0 ( k w )( 3 一1 4 ) 式中g 制冷剂质量流量，k g h ： w 。单位质量制冷剂理论压缩功，k j k g 。 8 压缩机的指示功率和指示效率仇： 压缩机实际压缩过程气缸内所需的功率称为指示功率，它与理论功率。的 关系如下： ，= 。矾= 1 9 1 ( k w )( 3 1 5 ) 式中 叩，压缩机的指示效率，它表征了压缩机内部热力过程的完善程度。 其中压缩机的指示效率仇可按下列方法确定： 轨= + b t o = 0 7 8 6 5( 3 一1 6 ) 式中z 压缩机的温度系数； b 与压缩机结构和制冷剂种类有关的系数，对氨压缩机b = o 0 0 1 ，对氟 利昂压缩机b = o 0 0 2 5 ： “蒸发温度，。 9 压力比： 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 d 占= 二呈_ = 2 6 8 只 式中 只压缩机排气压力，m p a 只压缩机吸气压力，m p a 。 1 0 制冷剂质量流量： g ：珲：3 2 6 3 ( k g h ) v ( 3 1 8 ) 式中 压缩机输气系数； k 压缩机理论输气量，i n3 h ； v 压缩机吸入气体比容，m3 k g 。 以上为压缩机的选型校核计算。 压缩机的结果列表： 对设计工况下的压缩机主要工作参数由压缩机的选型计算程序得出，此压缩 机的主要工作参数如表3 2 所示。 表3 2 压缩机主要工作参数表 参数名理论容积压力比输气系制冷剂质量制冷量 参数啬 输气量k p数五流量g q 0 设计工况 1 4 9m s 2 6 80 6 4 3 3 2 6 3 k g h i 5 8k w 3 1 2 冷凝器的设计 冷凝器的作用是将压缩机排出的高温高压制冷剂予以冷却使之液化，即使过 热蒸汽流经冷凝器的散热面，将其热量传递给周围介质一水或空气等，而其自身 则被冷却为饱和气体，并进一步被冷却为高压液体，以便制冷剂在系统中循环使 用。 根据冷却剂的不同种类，冷凝器可以分为四大类，即：水冷、空冷、水一空气 冷以及靠制冷剂蒸发或其他工艺介质进行冷却的冷凝器。考虑本冷却柜在实际使 用中所处的环境，以及本冷凝器需要承担的散热负荷，可以采用空冷冷凝器的形 式。空冷冷凝器又可以分为自然对流冷却和强迫对流冷却两种形式。在最初的设 计计算中，由于考虑到本冷却柜要求造价便宜等因素，曾尝试采用箱体表面式冷 1 5 快速冷却柜系统的工程模型与分析 凝器。该型冷凝器是将水平的紫铜冷凝管组胶接或者焊接在本柜体后的散热铝板 上，冷凝放出的热量通过管壁传给铝板，再由铝板散发到空气中去。这种结构的 突出优点是不需要风机结构，即不需要额外耗能，但缺点是传热系数太小，传热 性能差。 要散出同样的热量，其散热面积要比强制通风冷却的冷凝器大很多。故在一 开始的计算时，得出冷凝器的散热面积为3 8 9 卅2 ，远大于先期预定的2 脚2 左右， 满足不了冷却柜小型化的要求，所以未被采用。本快速冷却柜的冷凝器最终决定 采用通风式空气冷却冷凝器( 即百叶窗式冷凝器) 。制冷剂蒸汽在管内冷凝，在空 气的自然冷却下，横跨管道流过。蒸汽自管道上部流入，冷凝液由其底部流出。 为了增强空气侧的换热，在管外制有肋片。套片式肋片一般用厚度为0 2 - 0 6 m m 的铜片或者铝片制成。套片上的管孔是在冲床上冲制而成，为减少接触热阻，套 片后用胀管的方法使片与管紧密接触。 由于南京夏季室外计算平均气温为3 1 4 。c ，故而冷却空气的入口温度t ：= 3 1 4 ，其中下标2 在本冷凝器的设计计算过程中设为空气侧的参数，下标l 设为制冷 剂侧的参数。综合考虑冷凝器所用材质和组装结构等因素，定空气经过冷凝器后 的温升为4 ，空气出口温度就为： f 2 = f 2 + t = 3 1 4 + 4 = 3 5 4 ( ) ( 3 一1 9 ) 对应此温度，所需要的冷却空气量k 由下式计算得： 式中 q 冷凝器传热量，k j ； o2 空气的密度，k g m 3 c b 空气的比热容，k f f k g k f 2 空气出口温度，； f ：空气的进口温度，。 冷凝器的结构初步规划： 首先，选择迎面风速，初定c y 一- - 2 5m s 。设定沿气流方向管排数，因为若管 排数过多，则会因前面的管排同空气换热，使空气温升，导致后面的管排换热效 1 6 高 南京航空航天大学硕士学位论文 果不好，故初选= 4 。冷凝器选用顺排整体套片式结构，肋片采用平肋片形式， 肋片材料为铝，肋片厚度艿，= 0 2 m m ，肋片片间距b = 2 m m 。管子采用紫铜管，尺寸 为：中8 l m m 。由于本冷凝器采用顺排结构，且均匀布置，故管的纵向和横向间 距相等，管间距s = 2 5 n 【1 r n 。 依据以上的初步规划，可得以下计算，将所有的数值带入后可得到初步的计 算结果： 1 每米管长的肋片面积a 。： a 门：半2 = 5 7 4 7 1 0 - 2 ， c s 瑚， 2 每米管长肋片间基管外表面积： a 矿“( 1 一宰) = 2 2 6 牢1 0 1 ( m 2 ) ( 3 - - 2 2 ) 故每米管长的总外表面积： a 2 = a ，2 + a6 2 = 5 9 7 3 1 0 一? ( m 2 )( 3 2 3 ) 3 每米管长的内表面积： a l d = 2 3 9 1 0 。2 ( m 2 )( 3 2 4 ) 4 肋化系数： b = a 2 a l = 2 5 ( 3 2 5 ) 5 最小截面与迎风面积之比： e ：( s - a o ) ( b - 8 ，) _ ：o 6 1 2 ( 3 - - 2 6 ) 6 当量直径： 妒蒿筹筹一s z e c 咖， 。q ， 7 空气侧换热系数a ，的计算： ( 1 ) 空气最小截面处的流速： 7 快速冷却柜系统的工程模型与分析 旷生：4 0 8 ( m s ) 。 s ( 2 ) 空气的进出口温度的平均值t ： = 半= 3 3 9 ( ) ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) 按照t 2 的数值查取空气的物性参数有：空气的运动粘度v 2 = 2 2 i 8 1 0 “ m2 s 。 ( 3 ) 计算空气侧的雷诺数r e ： r e 、：生旦：8 4 8 。 p 2 ( 4 ) 计算空气侧的管深l l = n ，s = o 1 ( m ) ( 5 ) 计算a ： ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) a = 0 5 1 8 - 0 0 2 3 1 5 ( 丢) + o o 0 0 4 2 5 ( i 吼- l ) 2 - 3 1 0 - 1 6 ( + d 。) 3 = 1 2 1 o 2 ( 3 - - 3 2 ) ( 6 ) 计算m 、f l 、c ： n ：0 4 5 + 0 0 0 6 6 ( 三) ：0 6 5 d 。 m - 一0 2 8 + 0 0 8 ( 堕) ：一o 2 1 2 1 0 0 0 c ：a ( 1 3 6 0 2 4 r e 2 1 0 0 0 ) = 1 4 0 4 1 0 2 由以上计算式所得数据计算n ： 旷妄c r e 2 n c 考，= 4 4 7 4 c 2 嘲 式中， 2 为空气的导热系数：九2 = 2 6 8 1 0 。2 w m 。 8 计算肋片效率以及表面效率： ( 1 ) 肋片效率： r ，2 = 0 8 9 ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) ( 3 3 6 ) ( 3 3 7 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 2 ) 表面效率： ，7 。：1 一兰卫( i 一玎r 2 ) ：0 8 9 4 ( 3 - - 3 8 ) 2 1 一等( 1 一玎，2 ) 2 9 计算管内侧冷凝换热系数a ，： ( 1 ) 计算制冷剂的平均温度f 。为： r 。= ( “+ f 。) 2 ( 3 3 9 ) 其中：0 为壁温 ( 2 ) 管内放热系数“： 盱o 6 8 3 k 赢】； ( 3 一t 。) 驴( 孚) | ( 3 - 4 1 ) vr d 1 、 其中制冷剂的物性参数值都为平均温度下的值： 式中p 制冷剂的密度，k g m3 ； 制冷剂的导热系数，w m ； y 制冷剂的汽化热，j k g ： v 制冷剂的运动黏度，m 2 s 。 ( 3 ) 管内外平衡： 根据管内外热平衡有： a l 蒯。( “一r w ) 2r 1 0 2 a 2 a 2 ( t w t 2 ) ( 3 4 2 ) 假设壁温用试凑法解上式，求出，。的计算数值。同假设f 。的数值相比较，如 果在一定的范围以内，则假设正确。否则，重新假设f 。数值，再次重复上述计算 步骤，直至符合要求。将解出的符合要求的r 。值代入计算q 的公式，解得a ，。通 过计算机编程后反复叠代后可确定最终符合要求的w 为4 0 6 * c ，a l 为3 6 1 2 2 w m 2 k ，所计算出的结果与假设时的计算值相差较小，可以接受。 l o 计算传热系数以及传热面积： 快速冷却柜系绕的工程模型与分析 拈i 再瓢1 - 3 4 0 4 ( w m2 k )( 3 叫3 ) 式中 0 ，管内污垢热阻，取值为o 4 屯! 管外污垢热阻，取值为0 0 0 0 1 m 2 k w ： 九所选紫铜管铜材料的导热系数，w ( m ) ； 一。当量面积。爿。= 万( d 。+ d , ) 2 ， m2 。 ( 2 ) 对数平均温差t 由下式计算得： t 一蛙二型：8 4 4 ( ) ( 3 - - 4 4 ) l n ( q - t 2 2 ) ( 3 ) 所需传热面积f 为： f _ 旦：2 0 9 ( m2 ) ( 3 4 5 ) k & t 、 。 所需肋管总长为： 一3 4 9 ( m ) ( 3 - 4 6 ) a ， 冷凝器计算结果列表： 由冷凝器设计计算的程序，给出必要初始计算条件后，计算得冷凝器在设计 表3 3冷凝器的主要参数 渗数迎面每米管长每米管长管内放热管外放热传热系数平均传热肋管 风速的内表面的总外表 系数口系数d ， k温差面积总氏 数绻积面积a 2 at f o u 设计2 50 0 2 2 60 5 7 4 73 2 2 6 3 5 0 62 5 ，l7 5 62 0 93 4 9 工况m sm mm mw ，m kw ，m2 kw m k m 2m 3 1 3 蒸发器的设计 蒸发器是靠在其中流动的制冷剂的蒸发吸收被冷却介质的热量，致使被冷 2 0 南京航空航天大学硕士学位论文 却介质的温度降低，故而蒸发器是制冷装置中产生和输出冷量的换热设备。制冷 剂在蒸发器内吸热汽化，为了使蒸发器效率高、体积小，蒸发器应具有高的传热 系数，制冷剂离开蒸发器时不应有液滴，以保证压缩机的正常运转，防止液击。 在实际的系统中，有时在蒸发器的出口处装设气一液分离器，使压缩机得到进一步 的保护。为提高传热系数，必须提高制冷剂与管壁之间的换热系数。由于液体沸 腾时的换热系数远远大于蒸汽与管壁间的换热系数，所以在设计蒸发器时要尽量 使液体与管壁接触，并尽快将沸腾产生的蒸汽排走。 蒸发器的设计背景： 按照被冷却介质的特性，蒸发器可以分为冷却液体载冷剂型和冷却空气或气 态工艺品型的蒸发器。对于冷却液体型的蒸发器，一般用于冷却水、盐水或酒精 等液体。本冷却柜中是使用自来水作为冷冻水。按照结构分，冷却液体型蒸发器 又可分为沉浸式和壳管式两种。考虑到冷却柜的小型化要求以及廉价化要求，且 工艺上，本蒸发器的冷负荷不是太大，故选择使用沉浸式蒸发器。 沉浸式蒸发器绕成盘管形并整个沉浸在被冷却的水中。制冷剂自下而上在管 内流动，通过蒸发吸热降低水的温度。 蒸发器设计计算： 1 蒸发器结构的初步规划： 选用紫铜管中6 i m m ，且管道分两路进入蒸发器，每一路初步设计安排八程 的管子。 2 计算管外水的换热系数a ： 在本设计过程中，下标1 表示为管外水的参数，下标2 为管内制冷剂的参数。 由相关计算得到管外水的平均流速为c = o im s 。 ( 1 ) 冷冻水的平均温度 ： 一 ，上，i l f 。= 二l = 1 6 4( )( 3 4 7 ) 1 2 式中f 1 冷冻水的出口温度，： f “冷冻水的进口温度，。 在定性温度 下查取水的物性参数，其中水的运动粘度y = 1 1 5 1 0 _ 6 f f i2 s 。 再由此定性温度查得水的普朗特数p r = 8 2 7 。 ( 2 ) 计算水的雷诺数r e ，努塞尔数n u ： 快速冷却柜系统的工程模型与分析 n u ：c p e p r = 1 9 由胁同换热系数吼之间的关系式，有 胁：擎( 3 - - 5 0 ) ” 式中 。水的导热系数，其值为5 8 5 1 0 2w m k ； d 。紫铜管外经，m m 。 最终的计算结果为：吼= 1 8 5 3 ( w m2 k ) 3 计算管内的换热系数口： 由于内侧的传热表面的流动状态可以看作是紊流状态，所以热流密度q 的值 是比较大的。我们可以假设按内侧传热表面e 计算的q 。 4 0 0 0w m2 ，由此选择相 应的计算公式来计算下列所需求解的各个数值： ( 1 ) 制冷剂的质量流速( i ) ，： ( ) ，：旦：3 1 1 5 ( k g m z s ) ( 3 - - 5 1 ： 三d 2 4 ( 2 ) 计算管内的换热系数口，的公式如下： 旷5 7 8 a 乞 - 2 4 l l - 6 ( w m 2 k ) ( 3 - - 5 2 ) 其中，j 紫铜管内经，唧 由先前设计的蒸发温度t 。= 3 ，查 2 2 1 表( 9 6 ) 得：a = 2 。3 5 1 0 2 。 4 对管内制冷剂侧流动阻力的计算： ( 1 ) 计算制冷剂蒸汽饱和时的流速c ” c ：! 竺：6 7 ( 叫s ) ( 3 - - 5 3 ) p z m 积t l 一 一 南京航空航天大学硕士学位论文 其中，p 查取得：2 3 2 5k g m 3 ，z 。暂定为：2 ，z 由所选的蒸发器的形式可知 其值为o 0 0 5 8 m 。 ( 2 ) 计算饱和制冷剂蒸汽流动时的雷诺数： r e _ 手：1 9 3 3 0 0 ( 3 - - 5 4 ) u 其中制冷剂的运动粘度p = 0 2 0 1 1 0 “m2 s ( 3 ) 计算摩擦阻力系数厂： ( 4 ) 计算制冷剂饱和蒸汽沿程阻力卸 卸= o 5 n f l c2 p = 1 0 9 ( k p a m ) ( 5 ) 两相流动