分体式热泵空调机说明书.doc

分体式热泵空调机说明书 目录1符号说明2任务说明3设计工况4设计内容4.1负荷计算4.2方案确定与工作控制原理4.3热力计算（夏季制冷）4.3.1制冷量4.3.2 消耗的功率4.3.3 放出热量4.4系统选型、设计4.4.1压缩机选择4.4.2蒸发器设计4.4.3冷凝器选型4.4.4节流阀选择4.4.5管道选择4.4.6其他设备的选择4.4.7其他阀门选择4.5冬季供热校核计算5 参考文献6 附录1符号说明表1-1列出改设计说明书中常用的参数符号说明，其他符号将在计算过程中进行说明。表1-1 常用符号说明应用场合参数名称符号单位蒸发器要求制冷量Q0rW制冷量（蒸发器热负荷）Q0W单位质量制冷量q0kJ/kg蒸发温度t0冷凝器要求制热量QkrW制热量（冷凝器热负荷）QkW单位质量制热量qkkJ/kg冷凝温度tk热力循环图蒸发温度下饱和气相温度t1蒸发温度下饱和气相比焓h1kJ/kg蒸发器出口温度t1蒸发器出口比焓h1kJ/kg压缩机吸气口温度t1压缩机吸气口比焓h1kJ/kg压缩机吸气口比体积v1”m3/kg压缩机排气口温度t2压缩机排气口比焓h2kJ/kg压缩机排气口比体积v2m3/kg冷凝温度下饱和液相温度t3冷凝温度下饱和液相比焓h3kJ/kg冷凝器出口温度t4冷凝器出口比焓h4kJ/kg蒸发器进口温度t5蒸发器进口比焓h5kJ/kg制冷剂理论质量流量qmtkg/s制冷剂实际质量流量qmakg/s制冷剂理论体积流量qvtm3/s制冷剂实际体积流量qvam3/s容积系数v压力比压缩机功率理论比功wtkJ/kg理论功率PtkW指示功率PikW轴功率PekW电功率PelkW电效率el性能系数COP其他参数水的比热容CkJ/(kg)传热温差t热水器的热负荷QwW加热水所需热量QwkJ加热水时间min换热面积Am2传热系数KW/(m2K)热流密度qW/ m22任务说明本次制冷技术与低温原理的课程设计，要求设计一款“分体式热泵空调机”，即具有夏季制冷、制热两种功能的空调机。要求能在一定的负荷条件、不同的工况条件下，实现不同的功能。3设计工况根据任务说明以及设计要求，所要设计的空调需在两种工况情况下运行，工况说明如下：（1） 夏季单独制冷（以下简称“夏季单冷”）要求在夏季，作为类似普通家用制冷空调，完成一定制冷负荷的制冷功能。此时室内的换热器即为蒸发器，室外的换热器即为冷凝器；室内为热源，室外为热汇。（2） 冬季单独供暖（以下简称“冬季制热”）要求在冬天，与普通家用空调相同，空调作为热泵制热供暖，室内换热器为冷凝器，室外换热器为蒸发器；室内为热汇，室外为热源。根据上述讨论，并考虑到气象参数、自来水冬夏温度等因素，选定两种不同工作方式时的标准工况（空冷冷凝器名义工况、蒸发器名义工况、热泵工况）如（表3-1）所示。表3-1两种工作方式的标准工况空冷冷凝器名义工况迎面风速2.5m/s空气侧干球温度35.0入口温度湿球温度24.0入口过热蒸汽温度95.0制冷机侧入口压力对应的过冷温度54.4过冷度5.0蒸发器的名义工况迎面风速2.0m/s空气侧干球温度27.0入口温度湿球温度19.5膨胀阀前过冷液温度46.1制冷机侧出口压力对应蒸发温度7.2出口温度15.0 热泵工况实验室内干球温度20室外干球温度7湿球温度6蒸发温度2吸气温度12冷凝温度35液体温度254设计内容4.1负荷计算 根据制冷设计说明书，则需要的制冷量Q0为Q0=2950W4.2方案确定工作控制原理根据所需制冷量Q0=2950W，并考虑到应用于家庭的空调，故采用窗式分体式空调。根据常见的家庭空调机，本次设计使用的室外换热器、室内换热器均为强制通风、空气对流换热式热交换器，这种类型的换热器换热效果良好，为非水冷换热器，受环境制约小，且制作工艺成熟，广泛应用与一般小型制冷设备。但该种换热器需要风机的加入来完成强制通风，增加了电耗。制冷剂采用R410A，该种制冷剂较为广泛的应用与小型空调装置中，与润滑油有一定的溶解能力，且性能良好，适用于本次设计。根据以上对制冷设备、制冷剂的选择，制定如附录所示的制冷装置循环图及蒸发器的视图。 4.3热力计算制冷循环在p-h图上的循环曲线如4-1图所示：图4-1 制冷循环图1：t0饱和蒸气点；1：蒸发器出口；1”：压缩机吸气口；2：压缩机排气口；3：tk饱和液点；4：冷凝器出口；5：蒸发器进口根据该循环，分别讨论不同工况下制冷循环的各项热力循环参数，计算如下文所示。4.3.1夏季单独制冷根据表4-1所示的蒸发温度、冷凝温度，从p-h图上查的各点的参数如表4-2所示：图中各点t/p/MPah/(kJ/kg)v/(m3/kg)17.20.9978424.50980.026024031150.9978433.47710.0275461200.9978438.90860.02845492953.3931486.14830.009595429354.43.3931296.44620.001148391446.13.3931278.12190.001054794 表4-2 p-h图各点参数热力计算过程如下（1） 由上表数据得单位质量制冷量（2） 由Q0=3.012kW得制冷剂理论循环的质量流量 理论体积流量（3） 冷凝器单位质量制冷剂热负荷 冷凝器热负荷（4） 压缩机理论比功（取i=0.8） 指示比功 压缩机理论功率 压缩机指示功率 压缩机轴功率压缩机电功率电效率（5） 性能系数理论值指示值 4.4系统选型、设计4.4.1压缩机选择选择松下K型R410A压缩机系列的5KS140EBA21，其性能参数如表4-3所示：表4-3松下K型R410A压缩机系列的SKS140EBA21性能参数型号类型能效比COP工况 7.2/54.4冷媒净重制冷量/W输入功率/W5KS140EBA21定速2.847/2.8253360/33901180/1200R410A16.24.4.2夏季制冷工况下蒸发器的设计以夏季单独制冷的工况为例，设计蒸发器（即室内换热器），设计与计算过程如下：夏季室内换热器为蒸发器，选择强制对流式空冷蒸发器，制冷循环如前所述，则已知条件如表 4-4所列：参数说明符号参数值单位空气侧进气干球温度ta127空气侧进气湿球温度ts118气压(绝对压力)pb101.32kPa制冷剂侧蒸发温度t07.2制冷剂侧蒸发压力p03393.1kPa制冷量Q02950W 表4-4 夏季制冷工况计算过程中，参数全部采用国际标准单位，仅书名计算结果的单位，计算公式中省略单位。如有不采用国际标准单位情况，将作特殊说明。（1） 选定蒸发器结构参数紫铜管选用，翅片选择铝套片，管束按正三角形叉排列，其他参数见表4-5参数说明符号参数值单位铜管外径do10mm铜管内径di8.6mm翅片厚度f0.2mm翅片热导率f237W/(m2K)翅片间距sf2.2mm垂直于流动方向的管间距s125mm沿流动方向的管排数nl4迎面风速uf2.0m/s表4-5 蒸发器结构参数（2）蒸发器几何参数计算 翅片为平直套片，考虑套片后的管外径为 由管束的正三角形叉排排列，则沿气流流动方向的管间距为 沿气流方向套片的长度为 每米管长翅片的外表面面积 每米管长翅片间的管子表面面积 每米管长的总外表面面积 每米管长的外表面面积 每米管长的内表面面积 每米管长平均直径处的表面面积 由以上计算得 (3) 计算空气侧干空气表面传热系数1） 空气的物性参数 空气的平均温度为查得空气在此温度下的物性约为：密度a=1.194kg/m3，定压比热容cpa=1005J/( kgK)，普朗特数Pra=0.7026，动力粘度a=15.3810-6m2/s。2） 最窄处界面处的空气流速3） 空气侧干表面传热系数(4) 确定空气在蒸发器内的状态变化过程 根据给定的空气进出口温度，由湿空气的h-d图可得h1=55.6 kJ/kg，h2=40.7kJ/kg，d1=11.1 g/kg，d2=9.2 g/kg。在h-d图上连接空气的进出口状态点1和点2，并延长与饱和空气线相交于w点，该点的参数是hw=29.5 kJ/kg，tw=9，dw=7.13g/kg。则在蒸发器中，空气的平均比焓为在h-d图上按过程线与hm=47.1 kJ/kg线的交点读得tm=21.4，dm=10g/kg。析湿系数可由下式确定：(5) 循环空气量的计算 当量表面传热系数 进口状态下空气的比体积可由下式确定： 故循环空气量的体积流量为（2） 空气侧当量表面传热系数的计算 当量表面传热系数对于正三角形叉排排列的平直套片管束，翅片效率计算如下： 叉排翅片可视为正六角形，且此时翅片的长对边距离和短对边距离之比为A/B=1，且m=B/db，其中B=s1，故 肋片折合高度为 故在凝露工况下的翅片效率为 当量表面传热系数为（3） 管内R410A蒸发时表面传热系数的计算 查表得R410A在蒸发温度t0=7.2时的物性参数如表4-6所示参数说明符号参数值单位饱和液定压比热容cpl1.5604kJ/(kgK)饱和气定压比热容cpg1.2043kJ/(kgK)气化潜热r211.19kJ/kg饱和液体密度l1140.3741kg/m3饱和气体密度g38.426kg/m3气体饱和压力ps997.8kPa表面张力0.0112N/m液体动力粘度l1.477962e-004Pas气体动力粘度g1.259964e-005Pas液体导热率l0.099W/(mK)气体导热率g0.0129W/(mK)液体普朗特数Prl3.29Pas气体普朗特数Prv0.735Pas表4-6已知R410A进入蒸发器时的干度x1=0.3，出口干度x2=1.0，则R410A的总质量流量为下面进行迭代计算，取热流密度qi=10.5kW，R410A在馆内的质量流速为qi=100kg/(m2s)，则总的流通截面面积为每根管子的有效流通截面面积为蒸发器的分路数取Z=3，则每一分路中R410A的质量流量为每一分路中R410A在管内的实际质量流速为于是 采用经验公式：由上面计算结果，时，则A=-0.9；B=0.3；C=0.7；C1=1.136；C2=666.2；Ffl=2.2（4） 传热温差的初步计算先不计R410A的阻力对蒸发温度的影响，则有 （5） 传热系数的计算式中：由于R410A与聚酯油能互溶，故管内污垢热阻可忽略。根据文献，翅片侧的污垢热阻、管壁导热热阻及翅片与管壁间的接触热阻之和可取4.810-3 m3K/W。(其中，为翅片污垢热阻；为管壁导热热阻；为翅片与管壁间接触热阻)则（6） 核算假设的qi的值则假设的qi初值为10500 W/ m2与核算值10648.79W/ m2较为接近，偏差为1.4%2%,故假设有效。（7） 蒸发器结构尺寸的确定蒸发器所需的内表面传热面积蒸发器所需的外表面传热面积蒸发管所需传热管总长迎风面积取蒸发器宽B=570mm，高H=150mm，则实际迎风面积前面已选定垂直于气流方向的管间距s1=25mm，故垂直于气流方向的每排管数为深度方向（沿气流流动方向）为4排，共布置24根传热管，传热管实际总长为传热管的实际内表面传热面积为则即计算接近有20%的裕度。由于上述计算未考虑制冷剂蒸气出口处的过热度，而当蒸气在管内被加热时，过热段的局部表面传热系数很低，即使过热温度不高，为3-5，过热所增加的换热面积仍可高达10%-20%，所以上述设计是合理的。（8） R410A的流动阻力及其对传热温差的影响根据经验公式可计算R410A在管内蒸发时的流动阻力如下代入数据得p=5.410kPa，则p/ps=0.542% ( ps为蒸发压力)，则流动损失在饱和压力中所占比例较小，可忽略不计，则计算可靠。(9) 风量及风机的选择 根据循环空气量T30-11(03-11 30K4)轴流通风机性能如表选用T30-11(03-11 30K4)轴流通风机，机号为2.5 ，流量为870m3/h,配用电机功率为90W4.4.3冷凝器选型采用强制通风空气冷却式冷凝器冷凝器设计工况如表4-7所示冷凝温度tk54.4进出口空气温差8进口空气干球温度ta135出口空气干球温度ta243表4-7（1） 有关温度参数及冷凝器热负荷的确定。对数平均温差冷凝器热负荷 = =18.989 189.7021=3.6023kW（2）翅片管簇结构参数选择及计算选择10 mm 0.5 mm的紫铜管为传热管，选用翅片厚度=0.15mm的波纹形整张铝制套片。取翅片节距= 2mm，迎风面上管中心距= 25mm，管簇排列采用正三角行叉排。单位管长有关传热面积：/m= + =（0.4579+0.0299）= 0.4878 /m = = 0.009 = 0.0283 /m取当地大气压Pa = 98.07 kpa, 由空气热物理性质表，在空气平均温度=39条件下，Cpa= 1013 J/(kg.k)、a =0.02643 W/(m.k) 、 =17.5106 /s,并在进风温度=35条件下 = 1.1095 kg/。冷凝器所需空气的体积流量选取迎面风速 = 2.5 m/s ，则迎风面积 = / =0.136 取冷凝器迎风面宽度既有效单管长 l=0.43 m 则迎风面的高度 H = / l = 0.136/ 0.43 = 0.316m迎风面上管排数 N=H/s 0.5 =0.316/0.025 - 0.5 =12排（3） 进行传热计算，确定所需传热面积Aof、翅片管总长度L 及空气流通方向上的管排数n采用整张波纹翅片及密翅距的叉排管簇的空气侧传热系数由乘以1.1 再乘1.2 计算预计冷凝器在空气流通方向上的管排数 n=4 则翅片宽度微元素最窄截面的当量直径 最窄截面风速b/= 86.6/3.3 = 26.24 因为Rer= / = 867.4 用插入法求得=0.15 ，n=0.623 ，c=1.152，m= -0.211则空气的表面传热系数查表得R410a在=54.4 0C物性集合系数B=1265.4制冷剂在管内凝结的表面传热系数=0.555B=2280翅片相当高度 c=1.063 =0.01取铝片热导率=203w/(m.k) 翅片参数m翅片效率表面效率忽略各有关污垢热阻及接触热阻的影响，则= =,将计算所得代入()= ()得（50-）0.75 =0.416（-39）解得以上方程式tw=48.38则R410A在管内的凝结表面传热系数 =2388(50-)-0.25=1456取管壁与翅片间接接触热阻=0.004 /W,空气侧尘埃垢层热阻=0.0001/W，紫铜管热导率=393w/(m.k) 冷凝器的总传热系数 冷凝器的所需传热面积所需有效翅片管总长 m空气流通方向上的管排数 排取整数4，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相符。这样，冷凝器的实际有效总管长为20.64，实际传热面积为 10.07，有一定裕度，能满足冷凝符合的传热要求，此外，冷凝器的实际迎风面风速与所取的迎风面风速相一致。（4） 风机的选择计算由于冷凝器迎风面宽度l=0.43m，高度H=0.316m，用一台风机即可满足需求。动压：P= =1.095/2=3.5pa静压：P=0.108(b/)()1.7=45.3pa风机采用电动机直接传动，则传动效率=1;取风机全压效率=0.6,则电动机输入功率P= (P+P)/ =0.34(3.5+45.3)/(10.6)=27.65W风机风量为1224/h,输入功率27.65W，风压为48pa，选用小型轴流式风机，型号：250FZL-04，实际风量为1440m3/h,扇叶直径250mm，转速2700r/min。4.4.4节流阀选择选择毛细管做节流装置，通过与较为成熟的，制冷量为3.5kw（3000kcal/h）的空调中所采用的毛细管（内径=1.6mm，长度L=500mm，两根并联）进行类比： / = / =3.5/2.95=1.19 =，所以采用相同的参数即可满足要求，即选择两根毛细管并联，没跟毛细管内径=1.6mm，长度L=500mm。4.4.5管道选择制冷管路的设计应合理选择管材、管径、尽量缩短管线长度，以减少管路阻力损失，并防止制冷剂产生闪气现象。中小型空调器多选用紫铜管，为减轻成本和重量，多选用薄壁铜管（）。取定管径时，主要是根据管道总压力损失的许可值。在系统的制冷剂流量及工况已确定的情况下压力损失决定于制冷剂流速。常用连接管道用紫铜管规格规格壁厚mm净断面积cm2每米长外表面积m260.50.50.1960.01896110.1250.018980.50.50.3850.02528110.2820.0252100.50.50.6360.0131100.750.750.5670.013110110.5050.0131表4-8由上表，根据已知条件（冷凝温度54.4，蒸发温度7.2，制冷量Q=2950W,允许压力损失P=12kp，制冷剂R410A）可选用规格100.5 壁厚0.5，凈段面面积0.636，每米管长面积0.0131。4.4.6其他设备的选择1）干燥过滤器干燥过滤器只适用于氟利昂制冷系统中，装于节流机构前的管路上，用来吸附制冷剂中的水分。小型氟利昂制冷装置中，通常将过滤器与干燥器合为一体，成为干燥过滤器。可根据直管直径选用。空调用干燥过滤器基本参数型号ABCDL最大工作压力/MpaKG-14.29.625622.5KG-26.03.019702.5KG-32.66.09.619702.5KG-43.06.0