（人机与环境工程专业论文）空气取水饮水机的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 摘 要 近年来，饮水机大量走进人们的日常生活。市场上饮水机的品种繁 多，各种个性化设计，外观精致，功能齐全的饮水机应有尽有，它们的 共同特征是需要现成的水源。而现在市场上桶装纯净水的品牌多样，质 量也得不到保障；且桶装纯净水容量大，不易很快用完，长时间放置后， 水与空气接触就会产生大量的病菌，导致严重的二次污染，会危害人体 健康。再者，由于环境污染，人口增多等问题，世界上可用的淡水资源 逐渐短缺，一部分国家和地区大量缺乏生活用水。 鉴于上述原因，本课题设计了空气取水饮水机，水源是来源于大气 中以气态形式存在的水蒸汽，是集取水、净化、加热于一体的饮水装置； 它适合于办公室及家庭的选择，可以根据实际需要来适时的制取饮用 水，对二次污染有一定的防范作用；尤其是对于淡水资源被污染和淡水 供应不足的地区，此饮水机可以很好的发挥作用。本课题对整个系统进 行了完整的设计。其中，由于取水系统中的蒸发器对整个系统的性能影 响较大，于是本文设计了两个换热面积不同的蒸发器，并针对其对整个 系统性能的影响进行了实验研究，对其它部件进行了必要的校核计算及 选型等工作。 关键词：关键词：空气取水，蒸发器，制冷，饮水机，实验研究。 空气取水饮水机的研究 ii abstract water is essential in our daily life. all kinds of particular design, exquisite appearance, and multifunctional.water dispensers are sold in market. their common character is requiring ready-made water source. but now not all of the qualities of the sold water in the market are regular; whats more, the volume of the sold water is large, and it is difficult to drink water off in a short time. if the pure water was deposited for a long time, in which there would be a mass of germs developing; then the pure water was polluted and would do harm to our bodies.because of the environment pollution, and the increasing of the human number, the available water source is decreasing, so saving water is crucial. for above of the reasons, this paper designed a new-style water dispenser, the source of which is vapor in the atmosphere. first, the refrigeration device refrigerates the atmosphere and the vapor condenses into the liquid water; then the water goes through the filter, at the end we get the pure water. the new-style water dispenser is suited to our daily life environment, especially to the region where is short of fresh water. evaporator is more important than other parts in the device, so we designed two evaporators, and took much time to do the experimental study about their effects to whole of the device. keywords: obtaining water from atmosphere, evaporator, refrigeration, water dispenser, experimental study. 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图 录图 录 图 1.1 空气取水饮水机原理图 .2 图 2.1 空气经过蒸发器时状态变化过程 .6 图 2.2 除湿机性能实验现场.7 图 3.1 湿空气的状态变化图.10 图 3.2 管束排列方式及尺寸.11 图 3.3 热力循环示意图 .15 图 3.4 压缩机实际工作过程指示图 .16 图 3.5 1 b 与全封闭压缩机制冷量的关系.16 图 3.6 mo 与电动机名义功率的关系.18 图 4.1 梯形低肋管.24 图 4.2 肋片管束计算尺寸示意图 .26 图 4.3 整体肋片计算示意图.30 图 4.4 冷凝器中制冷剂状态变化示意图 .32 图 4.5 直接蒸发式空气冷却器 .38 图 4.6 制冷剂在管内蒸发时，蒸发温度的变化.40 图 4.7 空气的冷却减湿图 .45 图 5.1 毛细管内压力、温度曲线 .53 图 5.2 轴流式通风机结构示意图 .56 图 5.3 风机特性曲线 .58 图 5.4 水泵 .59 图 5.5 净水器 .60 图 6.1 实验现场图.61 图 6.2 表 6.1 和表 6.2 中蒸发压力的变化对比曲线 .65 图 6.3 表 6.1 与表 6.4 中取水量/功率值对比曲线.66 图 6.4 表 6.2 与表 6.5 中取水量/功率值对比曲线.66 图 6.5 表 6.3 与表 6.6 中取水量/功率值对比曲线.66 空气取水饮水机的研究 vi 表 录 表 录 表 2.1 除湿机实验数据 .7 表 3.1 m、n、 2 p的值 .15 表 3.2 1 p的值.16 表 3.3 单级往复式制冷机合理使用的最低蒸发温度 .16 表 3.4 r 和 k 的值 .17 表 3.5 制冷系统热力循环的各点参数值 .18 表 4.1 系数 2 c .30 表 4.2 湿工况时空气流动阻力修正系数 .34 表 4.3 系数 a .39 表 4.4 z 值.41 表 4.5 制冷剂的质量流速 m v.42 表 5.1 水泵性能参数 .59 表 6.1 四排管蒸发器系统的实验数据（一） .62 表 6.2 四排管蒸发器系统的实验数据（二） .63 表 6.3 四排管蒸发器系统的实验数据（三） .63 表 6.4 三排管蒸发器系统的实验数据（一） .64 表 6.5 三排管蒸发器系统的实验数据（二） .64 表 6.6 三排管蒸发器系统的实验数据（三） .65 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 主要符号表 主要符号表 拉丁字母拉丁字母 a 面积， 2 m c 比热容，/kj kg k cop 性能系数 ,d d 直径，m或mm f 力，n h 焓，kj h 比焓，/kj kg k 传热系数， 2 /w mk k 绝热指数 l 长度，m m 质量流量，/kg s m 质量，kg，多变指数 n 转数，/minr p 功率，w或kw p 压力，pa q 热量，j或kj q 单位热负荷，/kj kg或 3 /kj m re 雷诺数 t 绝对温度，k t 摄氏温度， k t、 k t 冷凝温度，k或 m t 空气湿球温度， 0 t、 0 t 蒸发温度，k或 v 流速，/m s；比容， 3 /mkg w 功，j或kj w 比功，/kj kg或/j kg x 湿空气的干度， z 水平管束上、下重迭的排数或系数 希腊字母符号希腊字母符号 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完 成的。 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、缩印或其它复制手段保存论文。 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 研究背景 1.1 研究背景 饮水机自上世纪90年代初面市以来，已经从发展期进入了成熟期。 近年来饮水机大量进入我们的日常生活，成为家电行业的新生力量。 现在市场上饮水机的品种繁多。各种个性化设计，外观精致，功能 齐全的饮水机应有尽有，如直接连接自来水的直饮机、智能化饮水机、 环保型饮水机、冷热两用型饮水机等。它们的共同特征是需要现成的水 源，而现在市场上桶装纯净水的品牌多样，不乏黑心水、不合格水销售， 桶装水的信誉危机还一直困扰着人们；再者纯净水二次污染现象严重， 桶装水放置时间不宜过长，否则在适宜的环境下，与空气接触后，就会 产生大量的病菌。现在市场上销售的桶装纯净水一般是18.9升装，开启 后一般不易很快把它喝完，持续饮用会对人们的健康造成很大危害。 1.2 国内外研究现状 1.2 国内外研究现状 饮水机在国内有很大的发展空间。据不完全统计1，2004年饮水机 在国内的市场容量为2500万台，2005年的市场容量可达3200万台，其 市场年平均增长率为30，可见饮水机在我国有着广阔的市场。现在市 场上销售的饮水机品牌众多，其中不乏质量不合格的产品。目前饮水机 的类型主要有：一般加热型饮水机、微电脑控制的智能型、冷热两用型、 以及直接接自来水的直饮机，它们朝着智能化、个性化、环保化、保健 化和多样化的方向发展，以满足不同的消费需要。许多地方高校也在致 力于饮水机和净水器的研究，上海交通大学2004年研制了一台空气取 水机，它的是利用吸附剂对水蒸气的低温吸附和高温解析作用来实现空 气取水。此外还有太阳能作动力的净水装置也在开发应用。 国外的饮水机发展趋势和国内差不多，都是向节能化2、智能化、个 性化及环保化方向发展。设计独特的智能化直饮机在国外市场上很受欢 迎，直饮机在日本、欧美等国家的普及率达70左右。国内市场上，中 档价位的一般加热型饮水机占主导地位。国外饮水机更注重防二次污染 空气取水饮水机的研究 2 材料的研究，臭氧技术、抗菌塑料等广泛应用于饮水机的研发。美的、 安吉尔等国内的一些大型饮水机生产场家，也开始推出采用进口材料来 防二次污染的新型产品。今后的饮水机发展趋势将更趋向于人性化设 计，防二次污染、杀菌消毒是最为关注的环节。 1.3 课题意义 1.3 课题意义 空气取水饮水机的水源是来源于大气中以气态形式存在的水蒸汽， 是集取水、净化、加热于一体的饮水装置。它既可以让消费者免去传统 的买水、换水的麻烦，同时又能喝上卫生、新鲜的纯净水，可以根据需 要来制取适量的饮用水，而不必担心纯净水存放时间过长而变质的问 题。再者，节约用水是当今世界普遍关注的话题，全世界都在大力宣传 节水意识。据有关报道显示3，到2025年，全球将有27亿人面临严重 的饮水危机，每年大约有11亿人无法得到安全的饮用水。采用此饮水机 是一种有效的节水途径。它适合于任何办公场所及家庭，尤其是干净水 源严重不足和淡水缺乏的地区，它更是一个不错的选择，能发挥很好的 作用。 1.4 课题研究方案 1.4 课题研究方案 湿空气被冷却到露点温度以下，以蒸汽形式存在的水蒸汽会以液态 形式析出，水经过净化处理后就成为我们日常生活中的引用水。 空气取水饮水机主要由取水装置（蒸汽压缩式制冷系统） ，净化过滤 装置，储水装置和加热装置四部分组成。 如下页图1.1所示，经滤网过滤的湿空气由风机吸入，遇蒸发器而降 温结露，析出的水沿蒸发器外表面淌下，流入盛水容器；经过净化装置 净化后，进入储水罐，于是就可以通过冷热出水阀得到我们所需要的饮 用水了；结露后的低温空气被送至冷凝器，用来冷却制冷工质，同时自 身被加热，然后排入大气中。 饮水机中取水系统的压缩机、冷凝器、风机、毛细管等部件，是选 用一台日除湿量为26l的除湿机中的部件。 本论文的主要工作有以下几个方面： ? 对除湿机进行性能测试实验； ? 对制冷系统中的压缩机，冷凝器进行校核计算； 南京航空航天大学硕士学位论文 3 ? 蒸发器的设计计算； ? 节流装置的选型计算； ? 水泵、过滤净化器的选择； ? 不同的蒸发器对系统性能影响的实验研究。 图 1.1 空气取水饮水机原理简图 拟解决的关键问题是确定制冷系统的性能参数；蒸发器的设计；不 同的蒸发器对系统性能影响的实验研究。 滤 尘 网 蒸 发 器 冷 凝 器 压 缩 机 节流阀 储 水 器 过 滤 器 储 水 器 空 气 空 气 轴 流 风 机 空气取水饮水机的研究 4 第二章 饮水机取水系统的性能实验 第二章 饮水机取水系统的性能实验 空气取水饮水机的取水系统是选用除湿机的制冷系统部分，为便于 以后的设计研究，先得对除湿机的制冷系统部分进行性能实验。实验是 在恒温恒湿实验室内进行的，下面先介绍一下恒温恒湿实验室的结构。 2.1 恒温恒湿实验室结构介绍 2.1 恒温恒湿实验室结构介绍 实验设备由维护结构、机械控制设备、电气控制柜、测量仪表、计 算机等组成。 1. 维护结构： 由聚氨酯双面彩钢构成，分三个房间，两个实验间，一个操作间， 实验间采用孔板送风。 2. 机械控制设备： 制冷机组：两台，安装在实验室外侧； 低温机组：一台，安装在实验室外侧； 空调箱：两台，测试室各一台。空调箱内有两组换热盘管，9kw9kw 的两组电加热器，7kw的电加湿器；其中低温室还有一组低温盘管以及 除霜装置； 引流风机：一台，在室内实验间，由变频器控制； 采用风机：三台，室内实验间两个，室外实验间一个； 静压箱：一个，室内实验间； 测量箱：一个，室内实验间。 3. 电气控制柜： 内有pcl可编程控制器一个、pdi调节器五个、数据采集器一个、 电工率参数仪、以及电气控制器件，安放在操作间。 4. 测量仪表： 温度测量仪表：三台vasala仪表，室内测量室两台，室外测量室 一台；16路t型热电偶，每个测试室8路； 湿度测量仪表：三台vasala仪表，室内测量室两台，室外测量室 一台； 南京航空航天大学硕士学位论文 5 微压差测量仪表：两台，安装在室内测试室； 压力测量仪表：两个，安装在室外测试室； 流量测试箱：四个不锈钢喷嘴，直径分别为两个100mm，一个 80mm和一个70mm，安装在流量测量箱内。 5. 被测实验设备： 活仕牌26bc除湿机一台。 2.2 除湿机性能实验 2.2.1 实验目的 2.2 除湿机性能实验 2.2.1 实验目的 空气取水饮水机的取水系统（即制冷系统）中，压缩机、冷凝器、 以及电控设备等，是选用一台除湿机上的组件，要完成饮水机的设计， 首先需要了解此除湿机的性能。现在对一台厂商标明在环境温度30， 相对湿度80条件下， 日除湿量为26l的活仕牌除湿机进行性能测试实 验，测定其在不同热湿环境状态下的实际除湿量、功率、风机风量等性 能参数，为以后系统的设计和改进提供依据。 2.2.2 实验原理2.2.2 实验原理 室内空气在风机的作用下受迫流过蒸发器的肋片管束时8， 即有部分 空气与金属的冷表面相接触，使得空气的温度降低。如果冷表面的温度 高于进口空气的露点温度时，空气中含有的水蒸气就不会凝结，空气在 含湿量不变的情况下得到冷却，即所谓等湿（干式）冷却；如果冷表面 的温度低于进口空气的露点温度时，空气中的水蒸气就会凝结成液态而 析出，在冷表 面形成水膜， 此时空气的温 度和含湿量同 时下降，称为 析 湿 冷 却 过 程。空气流经 蒸发器时状态 的变化可用湿 100%= h do 1 t 2 t 3 t 0 t 2 h 3 h 0 3 2 b a 1 h 1 1 1d t 2 2 h 2 t 1 h 1 t 出风进风 空气取水饮水机的研究 6 空气的hd图 图2.1 空气经过蒸发器时状态变化过程 来表示，如图2.1所示。设蒸发器由三排管束组成，在hd图上，点1 （ 1 h， 1 t）表示进口空气状态；点3表示与冷表面接触的饱和空气状态， 其中 3 t为冷表面的平均温度，且 3 t400 时，液膜呈湍流流动。 蒸气不流动时，制冷剂的冷凝放热系数 c （w/m 2 k）可按努谢尔特公 式计算： 1 0.25 3 ()() c cc tll = （42） 南京航空航天大学硕士学位论文 23 式中 c、 c系数，对于水平单管c0.725， c0.65；对于垂直 面液膜呈层流流动时，c0.943， c0.925；c 1.13， c1.18； l定型尺寸，水平单管取外径 0 d(m)；垂直面取其高度 h(m)； t冷凝温度与壁面温度之差，； 热流密度， 2 /w m ； 物性参数， 32gr 。对某种制冷剂来说，系数是它的 饱和温度（ k t）的函数，其单位为 363 /wn mks； 冷凝液的导热系数，/w m k； 冷凝液的密度， 3 /kg m； g重力加速度， 2 /m s。 如果冷凝的蒸气相对冷却表面运动，与蒸气不流动相比，其放热系 数要变化，对于氨和氟利昂可按下式考虑这种影响： vcv = （43） 0.43re pr v = （43a） 其中 0 re d v =； pr v a =，物性参数 v、 a均为饱和气体的物性值。 二，在水平管束上的冷凝 对于蒸气在水平光管管束外表面上的凝结放热，由于下落的冷凝液 可能使下部管束外侧的液膜增厚，使放热系数有所降低。因此沿水平管 束外表面的平均放热系数应乘以小于 1 的管束修正系数 z ，即： 0.167 zzccz = 24或 0.25 zcz = （44） 式中，z为水平管束上下重叠的平均排数。管子顺排时z值等于垂直 方向的平均列数，正三角形错排时可近似认为 0.5 0.6zn=，其中n为管 子总数。 三，蒸气在水平肋管表面上的凝结 蒸气在肋管上凝结的计算方法中，比较普遍的方法是把肋管的总外 表面积a看成由两部分组成，其一是水平部分的面积 p a（包括肋与肋之 间的根部以及肋顶的环状端面） ；其二是肋的垂直部分的面积 f a。若它 们相应的换热系数为 p 与 f ，则肋管表面的总换热系数可表示为 , pff c ff aa aa + （45） 空气取水饮水机的研究 24 水平部分与垂直部分的换热系数（ 2 /w mk） ，可相应按水平圆管及 竖壁公式计算： 14 0 0.725() c td = （45a） 14 0.943() c fe th = （45b） 式中， e h为将肋片的环形侧面积视作竖壁计算的折合高度，即肋片 的当量高度（m） ： 22 0 () 4 f e f dd h d = （45c） 对于一米长的肋管，水平部分面积： 0 0 1 (1) pft add ee =+ 2 m （45d） 垂直部分面积： 0022 1 222 1 2 0 () 11 2() 2 222 ff t ft dddd ahh ee + =+ 2 m （45e） 也可近似按下式计算： 22 022 0 () 11 2() 42 f ff dd add ee = （45f） 式中， 各符号的意义如图4.1， 其中 f 为肋片的平均厚度， 0 ()/2 ft =+。 t e 0 图4.1 梯形低肋管 将 c 、 f 与 e h代入式（4-5） ，整理可得 0.750.25 0 , 1.3() fp c ffcfc e aa d aha =+= （46） 式中， f 为肋管的修正系数。 f 是肋片效率，它为一个小于1的数， 表征肋片换热量的有效程度。对于滚轧低肋片可按下式计算： 南京航空航天大学硕士学位论文 25 () f th ml ml = （46a） 式中 th双曲正切算符； ml无因次肋高； 2 c ff m = 1 m （46b） 0 0 (1 0.805lg) 2 ff ddd l d =+ （46c） 式中， f 为肋片厚度（m） ； f 为肋片材料的导热系数（/w m k） 。 综上所述，制冷剂在水平肋管管束外表面冷凝时的放热，可按下式 计算： , ,c f sc fsfsc = （47） 四，制冷剂在水平管内的冷凝 实验证明12，当气流速度不大时，立管内冷凝放热仍可按管外冷凝 放热计算；当气流速度较高（如小管径、大蒸汽流量）时，由于气流的 冲刷作用，液膜减薄，冷凝放热系数将有所增加。 当蒸气在水平管内冷凝时，对于氟利昂，相对于整个管内表面面积 的平均放热系数按下式计算17: 1 0.25 3 0.5550.455() () c kwii ttdd = （48） 这个公式仅适用于下述低蒸气雷诺数 c r时： 35000 i c d r =， 2 50 600/ m vkg ms=时 0.60.20.2 bmi aavd = 9 （425） 式中 m v制冷剂的质量流速， 2 /kg ms ； a系数 0.40.20.20.2 /()wsmkgk，它与制冷剂的性质和蒸发温 度有关，见表4.3： 表4.3 系数a 蒸 发 温 度t0( ) 制冷剂 30 10 0 10 30 r11 0.3297 0.4755 0.5404 0.6054 0.7893 r142 0.5896 0.7306 0.8146 0.9002 1.1253 r12 0.8500 1.0444 1.1395 1.2300 1.4708 r22 0.9494 1.1697 1.3202 1.4708 1.8543 4.2.2 蒸发器的设计计算 4.2.2 蒸发器的设计计算 在进行蒸发器的热力计算时，设计制冷量 0 是根据制冷空调系统的 空气取水饮水机的研究 40 要求确定的，如何确定传热温差t与传热系数是关键。 4.2.2.1 蒸发器中制冷剂的质量流速与压力降问题 4.2.2.1 蒸发器中制冷剂的质量流速与压力降问题 对于制冷剂在管内蒸发的氟利昂直接蒸发式空气冷却器，由于来自 膨胀阀的制冷剂通过蒸发器的传热管时存在流动阻力，所以，蒸发器出 口处制冷剂的压力 02 p必然低于入口处的压力 01 p，相应的蒸发温度 0201 tt，若不考虑吸气管的压力降，则等于降低了压缩机的吸气压力， 致使压缩机的制冷能力下降，功耗增加。如果为了不影响压缩机的制冷 能力，则将导致传热温差减少，传热面积必须加大。 制冷剂在管内蒸发时，管内制冷剂的流速或质量流速 m v越大，管内 沸腾放热系数就越高，然而，流速的加大又将引起管内制冷剂的压力降 增加，所以对每一种情况，必然存在一个最优值。 由于 m v的增加，传热和流动阻力两个因素对蒸发器内平均蒸发温度 0 t，或者说对蒸发器出口的 02 t带来相反的影响，因此必然存在一个相对 于最高的 02 t值的最佳质量流速（如图4.6（a） ） ，也即压缩机最有利的工 作条件。 () mop v m v w t t l 02 t 0 t w t a b 图4.6 制冷剂在管内蒸发时，蒸发温度的变化 a 与质量流速 m v的关系；b 沿蒸发器管长的变化 因此，确定最小温差 02 () w tt就成为求最佳质量流速() mop v的任务。 制冷剂在管内蒸发时，它的蒸发温差沿管长的变化如图4.6（b）所 示。由图可知，这个变化是非线性的，并且可以看出： 020002 ()() ww tttttt=+ （426a） 按照文献10所提出的关系 020 tty t=+ （426b） 式中 0 t蒸发器进出口的制冷剂压力降 0 p所对应的饱和温度降； 南京航空航天大学硕士学位论文 41 y比例系数，由下式确定： (3)/(63)yxx= （426c） 其中， 21 ()xxx =，为蒸发器内蒸气干度的变化， 12 ,x x又是蒸发器入口、 出口的蒸气干度。 为了确定 0 t与 0 p的关系，采用克劳修斯克拉贝龙方程27： 00 000 () dppr dtt vvt = （426d） 若令 0( )/zt vvr= （426e） 则 00 tz p= （426f） 式中 r制冷剂的比潜热，j/kg； vv、液相与气相的比容，m3/kg； t0平均蒸发温度，k； 0 p压力降，kpa； z系数，对于不同的制冷剂仅为饱和温度 0 t的函数，可查表 4.4。 将式（426b）代入式（426a）可得 0200 () ww tttty t=+ 由 0 () w tt=； 00 tz p= 可求出 020 / wb ttayz p=+ （427） 表4.4 z值（k/kpa） 蒸 发 温 度t0( ) 制冷剂 -40 -30 -20 -10 0 10 r12b1 0.8562 0.6285 0.4329 0.30890 0.2281 0.1715 r12 0.3306 0.2331 0.1702 0.12780 0.09876 0.07791 r22 0.2040 0.1439 0.1055 0.07968 0.06173 0.04890 r502 0.1739 0.1258 0.09434 0.07246 0.05698 0.04577 r13b1 0.1136 0.0854 0.06596 0.05211 0.04195 0.03434 r13 0.0478 0.0374 0.02995 0.02427 0.01996 0.01656 nh3 0.2597 0.1717 0.1183 0.08457 0.06221 0.04706 分析式（427）可以看出，一定时， m v增大，一方面由于 b a增加 减少了/ b a，另一方面 0 p的增加而增大了方程式右边第二项的值，显 然温差 02w tt属于一个经济指标， 温差 02w tt最小， 也就是说当 w t一定时， 空气取水饮水机的研究 42 02 t最高，就相应于最佳的质量流速() mop v。 由上述分析， b a与 0 p均与 m v有关，为了找出 02w tt与 m v之间的关系， 我们可以采用如下的表达形式： 制冷剂在管内呈沫态沸腾时 1 () mn bm acv= （427a） 制冷剂在管内的压力降 02( )()i m i l pcv d = （427b） 式中，系数 1 c是蒸发温度 0 t、管径 i d、制冷剂物性及其在管内流动状 态的函数，设计计算时是给定的。l为蒸发器内的管长，不包括1800回 弯，而系数 2 c的值包含了摩擦阻力，局部阻力与流体加速等项损失，连 同指数i均视为常数。 由热平衡 2 () 4 imi d lvdr x = （427c） 于是 /()/(4 ) im l dr xv= （427d） 将上式代入式（427b）可得 1 02 /(4 ) i m pc r xv + = （427e） 将式（427a）与式（427e）代入式（427）中，最后可得： 11 0212 /()()/4 mni wmm ttc vc zyr x v + =+ （427f） 对上式微分，并使其等于零，就可求出相应的最佳质量流速() mop v 21/(1) 12 ()4/(1) mi n mop vnc c zyr x i + + =+ （428） 从上式可以看出，() mop v的值与制冷剂的种类，热流密度等因素有 关。在实际计算时，一般取(1 0.2)() mmop vv=。推荐按表4.5来选取 m v值。 表4.5 制冷剂的质量流速 m v（kg/m2s） r12 r22 热流密度 （w/m2） m v / i l d m v / i l d 1160 80100 21002700 85120 32004300 2320 90120 13001700 100140 18002500 5800 110160 700900 120180 9001300 11600 130200 350600 140220 500800 注：下表中/ i l d为单路管长与管内径之比。 南京航空航天大学硕士学位论文 43 由式（428）可知，相应于一个合适的 m v值，制冷剂每个通程的长 度，也有一个较有利的值（ i d一定时） ，在空调器内，通常采用86mm的 紫铜管，管路长一般不应超过1214m。 制冷剂流经管内沸腾（或冷凝）时，处于两相流动状态，在计算压 力降时除了考虑摩擦阻力和局部阻力以外，还应计入由于相态变化而引 起的动能变化。为了得出参考数值，目前应用比较多的有以下两个公式 来计算每个通路的总压降。 1. 2 21 12 2() () 2 m i vvxxl pfn dx =+ 11 pa （429） 式中 f两相流动的阻力系数； 含油在6%以下时， 25. 0 ) re (037. 0 k f =； k沸腾准则数，等于 g 4 miv d ； re雷诺数，等于 imd v ； m v制冷剂质量流速； 蒸发温度下饱和液态制冷剂的动力粘度， 2 /msn ； v制冷剂的平均比容，kgm / 3 ； xxx、 21 分别为制冷剂的进口、出口和平均干度； l每根肋管的直线段长度，m； 1 弯头的局部阻力系数，无油时均等于0 . 18 . 0； 2 弯头的摩擦阻力系数，无油时，,094. 0 2 i d r =此处r是弯 曲半径； n每个通路的弯头数。 2. 2 ()/ mi pf vl d x = 28 （430） 式中 f全阻力系数， 考虑了摩阻、 局阻以及流体加速的阻力损失， 无油时0.015f =，有油时0.035f =；其余参数的意义同上。 如果根据热流密度，按表4.5选取 m v的值，且把/ i l d限制在最合宜的 范围内，一般按上述公式计算出的压力降是符合要求的，为经济合理起 见，对空气调节用制冷系统来说，氟利昂12在蒸发盘管内的压力降不 应大于0.3bar（3104pa） ；氟利昂22则不应大于0.6bar。 空气取水饮水机的研究 44 4.2.2.2 直接蒸发式空气冷却器的计算 4.2.2.2 直接蒸发式空气冷却器的计算 直接蒸发式空气冷却器是湿空气与水膜表面之间进行的能量交换。 一方面由于两者之间存在温度差，要进行传热（或显热交换） ；另一方 面，由于湿空气与邻近水膜表面的饱和空气之间存在着水蒸气分压力 差，因此同时还要发生传湿过程（或称潜热交换） 。 一， 空气冷却器外表面与湿空气之间的热湿交换 由于空气冷却器的外表面温度低于湿空气的干球温度，所以湿空气 要向外表面放热。如果外表面的温度低于湿空气的露点温度，湿空气中 的部分水蒸汽将在外表面凝结，使外表面形成一层水膜，那么两者之间 要进行热、湿两种交换过程，也就是说既有显热交换，又有潜热交换。 空气与一个微元换热表面积da上的水膜接触时，如果两者的温差为 )( s tt ，通过da的显热交换量应为 dattd sas )( = w 式中 a 外表面的显热换热系数，kmw 2 /； )( s tt 湿空气与水膜之间的温度差，基本上等于湿空气干球温 度与外壁温度之差，。 而在微元面积上的潜热交换量 l d应等于单位时间内的传湿量乘以 水的比潜热，亦即 () ls ddd rda= w 式中 传湿系数，kg/m2.s； s dd、分别为湿空气与水膜表面饱和湿空气的含湿量，kg/kg干 空气； r水的比潜热，j/kg。 因此，在微元面积上总热交换量d等于显热交换量与潜热交换量之 和，即 ()() slass dddttdd r da=+=+ w 若应用刘易斯数等于1这个关系，即1 a p le c =，则 ()() pss dcttr dd=+ w 因为湿空气的比焓 p hc trd=+，所以，上式可改写为： ()() a ss p dhh dahh da c =w （431） 从式（431）可以看出，推动湿空气与水膜表面之间热湿交换的动 南京航空航天大学硕士学位论文 45 力是比焓差，而不是温差，因而，直接蒸发式空气冷却器的冷却能力与 湿空气的比焓值有直接的关系，或者说直接受湿空气湿球温度的影响。 二，直接蒸发式空气冷却器的冷却效率 湿空气通过直接蒸发式空气冷却器时，其热湿交换进行的程度，可 以用冷却效率表示，冷却效率的定义式为 12 1s hh hh = （432） 也可以写成 22 11 1 m m tt tt = （432a） 式中 1m t， 2m t分别代表1、2两点的湿球温度。 为了简化设计过程，进风状态1、出风状 态2和外表面饱和空气层的状态s，三者可近 似认为是直线关系，如图4.7。这样，当给定 状态1和状态2以后，就可利用湿空气的焓 湿图， 找出所要求的表面温度 s t和表面边界层 处饱和湿空气的比焓 s h，从而根据公式（4 32）求出空气冷却器应具有的冷却效率。 依据能量守恒关系，不考虑损失，空气冷 图4.7 空气冷却减湿图 却器表面吸收的热量应等于空气的放热量， 即 () a as p m dhhh da c = 因此