计算及箱体制作.doc

第四章 系统部件的设计与选型该制冷系统试验装置部件包括压缩机、冷凝器、节流机构、低温箱体（含蒸发器）、节流元件、冷凝-蒸发器等主要设备，还有回热器、气液分离器、干燥过滤器等辅助设备。本章主要介绍这些设备的设计及选型（或制作）等内容。4.1 压缩机的选型计算53压缩机是制冷系统中最主要部件，是实现蒸气压缩式制冷循环必不可少的部件，起着压缩及输送气体的作用。目前，在中、小型空调和冷柜机组中，容积式制冷压缩机为主要机种。随着制造和设计技术的进步，开启式压缩机在小冷量范围内已由半封闭式、全封闭式压缩机所代替。全封闭活塞式制冷压缩机的设计、制造相当成熟，在中小型制冷系统中广泛采用。该类压缩机的优点为：电机的工作性能较可靠，噪音低，使用方便53-54。自上个世纪七十年代能源危机后，为得到较高的能量利用率，出现了一些新型的容积式压缩机，如：旋转活塞式、滑片式、涡旋式制冷压缩机。据本次设计蒸发温度较低的特点，将经验成熟的活塞式压缩机作为选型对象，按照制冷循环热力计算所求压缩机理论输气量进行选配，同时也应考虑压缩机结构性能上的要求。活塞式制冷压缩机的制冷量与压缩机的工作容积、转速、吸气压力、排气压力、吸气温度等因素密切相关。各种型号压缩机的制冷量和蒸发温度、冷凝温度的关系曲线（性能曲线）一般由制造厂提供。应用这些曲线图，可确定在不同工况下压缩机的制冷量、功率消耗、能效比等数值。若无性能曲线作为参考，可按压缩机产品样本所提供的输气量选型。4.1.1压缩机吸气和排气状态参数吸气状态参数：t1= -20，P1=1.5bar，h1=391kJ/kg，s1=1.875kJ/kg v1=0.2092m3/kg，制冷剂状态为过热气体。排气状态参数：t2=114，P2=18bar，h2=473.7kJ/kg，s2=1.875kJ/kgv2=0.019888m3/kg，制冷剂状态为过热气体。4.1.2压缩机的热力计算（1）压比=181.5=12（2）制冷剂质量流量G低温箱的制冷量Q0设计要求 Q0=100W二级节流毛细管制冷剂流量G2G2= 0.7158 g/s一级节流毛细管制冷剂流量G1G1= = 50.7158=3.579 g/s总制冷剂流量G G= G1+ G2=3.579+0.7158=4.295 g/s（3）压缩机内实际体积流量VhVh= Gv1=4.2950.20923.6=3.235 m3/h（4）输气系数a）容积系数 (4-1) 式中: c相对余隙容积,现代中、小型压缩机c=0.0150.06，低温机取较小的c值，本系统中取c=0.025； m多变膨胀指数,对氟利昂压缩机m=0.951.05, 本系统中m=1.05；压比,=12；排气压力损失,对氟利昂压缩机pd1 =(0.100.15)pdk ,本系统中取为0.10 。=0.6965b）压力系数= (4-2)吸气压力损失，对氟利昂压缩机ps1=(0.060.08) pd0，本系统取为0.06=0.9117c）泄漏系数=0.98d）温度系数= (4-3)=0.8465= (4-4)=0.69650.91170.980.8465=0.5268（5）压缩机内理论体积流量VpVp=6.141m3/s（6）压缩机单位理论功wowo= h2-h1=473.7-391.0=82.7 kJ/kg（7）理论功率NoNo=Gwo=4.29582.7=355.2 W（8）指示功率Ni指示效率=0.8Ni =444.0 W（9）轴功率Ne轴效率=0.8Ne=555.0 W（10）配用电动机功率Nel配用电动机效率=0.85Nel =652.9 W4.2 风冷冷凝器的选型计算2,55采用81mm的纯铜管，肋片为平直套片(铝片)，片厚=0.2mm，片宽L=66mm，进风温度ta1=30，出风温度ta2=40，冷凝温度tk=46。(1)冷凝器负荷的确定 Qk=735+100=835 W(2)冷凝器结构的初步规划及有关参数：管排方式采用正三角排列，管间距s1=25.4mm，排间距s2=22mm；肋片间距sf=1.8mm，沿气流方向的管排数n=4。肋片面积 ff=2 (4-5)=0.5593 m2/m肋间基管表面积 fb= (4-6)=0.02345 m2/m肋管外表总面积 ft=ff+fb=0.5593+0.02345=0.5828 m2/m肋管内表面积 fi=di=0.006=0.01885 m2/m肋化系数 =30.9(3)空气进出冷凝器的温差及风量：温差：ta= ta2-ta1=40-30=10风量：Va= (4-7)=0.07247 m3/s式中，空气平均密度m=1.1465kg/m3；比热容cpa=1.005W/(kg.K)；运动粘度=16.4810-6m2/s ；热导率=0.02715W/(m.K)；这些物性参数的定性温度为tam=35。(4)肋片效率及空气侧传热系数：根据肋片参数，冷凝器的空气最小流通面积Amin与迎风面积Af之比：= (4-8)=0.595取迎面风速wf=2.0m/s ，则最小流通面风速：wmax= (4-9)wmax =3.361 m/s当量直径：deq= (4-10)=2.92 mm空气的雷诺数：Ref= (4-11)=595.52单元空气流道长径比：=22.6流体横向流过肋片管簇的整张平套片换热计算公式 (4-12)其中 C=A（1.36-0.24Ref/1000） (4-12a) n=0.45+0.0066L/deq (4-12b)A= (4-12c)m= -0.28+0.08 Ref/1000 (4-12d)代入数据计算A=0.518-0.0231522.6+0.00042522.62-310-622.63=0.1773C=0.1773（1.36-）=0.2158n=0.45+0.006622.6=0.5992m= -0.28+0.08= -0.23236=44.72 W/（m2.K）对于叉排管有,其中=3.175,故1.273.175=3.374肋片当量高度: (4-13)=(3.374-1)(1+0.35ln3.374)=13.538 mm肋片特性参数 m= (4-14)=50.36其中 f=203 W/(m.K) 为铝肋片的热导率。肋片效率 (4-15)=0.87，冷凝器外表面效率 =0.875(5)管内R22冷凝时的表面传热系数：首先假设管壁温度=42，则平均温度tm=44 ，=20.040，Bm=69.726，R22蒸气在管内冷凝换热计算式为 (4-16)=0.55520.04069.7260.006-0.25(tk-tw)-0.25=2786.43 (tk-tw)-0.25(6)由热平衡关系求解管壁温度：忽略薄壁铜管热阻和管与肋片间接触热阻，则管内外平衡关系为：di(tk-tw)= (4-17)即 2786.43(46-tw)-0.250.006(46-tw)=0.87544.720.5828(tw-35)整理得 52.523(45-tw)0.75=22.805(tw-35)由试凑法得 tw=41.77时上述等式成立。此值与所设定的=42非常接近。证明设计合适。=2786.43(tk-tw)-0.25=2786.43(46-41.77)-0.25=1943.0W/(m2.K)(7)计算所需要的传热面积：以管外面积为基准的传热系数：Kof= (4-18)=26.5 ，=0.001m，取r0=0.000048(m2.K)/W，代入公式得 Kof =24.02W/(m2.K)(8)求平均温差： (4-19) =10.195(9)所需的管外传热面积及结构参数管外面积 F0=3.41 m2 所需的肋片管总长度 L=5.85 m若取冷凝器每列管数6根，总管数64=24根，以单管有效长度0.25米计算，其总有效管长为240.25=6m。冷凝器高度为625.4=152.4mm。冷凝器的迎风面积为Af=0.250.1524=0.0381m2。实际的迎面风速=1.9 m/s (10) (10)空气的流动阻力及风机选配 （粗糙肋片A=0.0133）阻力 (4-20) =1.29.810.013322.6(1.14653.361)1.7=35.05Pa则该冷凝器需要配用风机的额定风量Va=0.07247m3/s，风机全压：p=+ (4-21)=35.05+=37.12 Pa4.3低温冷柜箱体设计、制作及标定4.3.1 低温冷柜箱体的设计考虑到定做-70低温箱体价格昂贵而采用对普通冷柜箱体进行改造的方法。采用新飞冷柜做壳体，型号BC/BD-216L ，由于其保温层厚度不能够满足本试验的需要，采用自然发泡的方法增加其厚度。增加的发泡层厚度为75mm。低温冷柜箱体外形尺寸：940540800mm，内尺寸：830430660mm，增加发泡层后内胆尺寸为680280510mm。内容积V=0.680.2800.510=0.097 m3=97 L。改造后的箱体的总体热负荷计算过程如下：1）箱体热负荷计算55热负荷包括：箱体漏热量Q1、开门漏热量Q2、贮物热量Q3和其它热量Q4。即Q=Q1+Q2+Q3+Q4 (4-22)A）箱体漏热量Q1箱体漏热量包括，通过箱体隔热层的漏热量Qa，通过箱门和门封条的漏热量Qb，通过箱体结构形成热桥的漏热量Qc。即Q1=Qa+Qb+Qc (4-23)(1)箱体隔热层的漏热量Qa 由于箱体外壳钢板很薄，而其热导率值很大，所以热阻很小，可忽略不计。因此箱体的传热可视为单层平壁的传热过程。即Qa=KA(t1-t2) (4-24)式中 A箱体表面积（以保温层中心线为基准），单位为m2； t1箱外空气平均温度，为30； t2箱内空气平均温度，为-70。传热系数K(单位为为W/(m2.K)为 K= (4-25)式中 箱外空气对箱体外表面的表面传热系数，单位为W/(m2.K)； 内箱壁表面对箱内空气的表面传热系数，单位为W/(m2.K)； 隔热层的厚度，单位为m； 隔热材料的热导率，单位为W/(m2.K)。当室内风速为0.10.15m/s时，可取3.511.6 W/(m2.K)；箱内空气为自然对流（直冷式）时，可取0.61.2 W/(m2.K)。在本文中，取为3.5 W/(m2.K)，为0.6 W/(m2.K)，又=0.130m,=0.030 W/(m2.K)，代入公式4-25可得K=0.1591W/(m2.K) 箱体表面积 A=2(0.810.41+0.410.66+0.660.81)=2.27 m2因此 Qa=0.15912.27(30-(-70)=36.12 W （2）通过箱门与门封条进入的漏热量Qb 由于Qb值很难用计算法计算，一般根据经验数据给出，可取Qb为Qa的15%值。所以，Qb=0.1536.12=5.42W。（3）箱体结构部件的漏热量Qc 箱体内外壳体之间支撑方法不同，Qc值也不同。采用聚氨酯发泡成型隔热结构的箱体，无支撑架形成的冷桥，因此Qc值可不计算。所以，Q1=Qa+Qb+Qc=36.12+5.42=41.54 WB）开门漏热量Q2在实验过程中我们不打开箱门，因此该项为零，即Q2=0。C）贮物热量 Q3冷柜的贮物热量无明确规定的标准，这里按“以冷柜内容积0.4%的25水，在2h内结成实冰”进行计算。实冰的具体温度建议按-2-5取值。贮物热量Q3（单位为W）可按下式计算。Q3= (4-26)式中 m水(冰)的质量，单位为kg； c水的比热容，c=4.19 kJ/(kg.k)； r水的凝固热（冰的溶解热），r=333kJ/kg； cb冰的比热容，cb=2 kJ/(kg.k)； t1、t2水的初始温度和冻结终了温度，单位为。m=970.004kg=0.388kg ，t1取25，t2取-2，则Q3=23.81 WD）其它热量Q4这里所说的其它热量，是指箱内照明灯、各种加热器、冷却风扇电机的散发热量，可将其电功率折算热量计入。本实验中冷柜内无这些内热源，可不计算。考虑10%的余度，总热负荷为Q=1.1(Q1+Q2+Q3+Q4)=1.1(41.54+0+23.81+0)=71.89 W空柜时热负荷：Q=1.1(Q1+Q2+Q4)=1.1(41.54+0)=45.69 W折算箱体总传热系数 Kf=Q/(t)=45.69/100=0.4569 W/K4.3.2 蒸发盘管的设计计算551）板管式蒸发器空气侧表面传热系数蒸发器外表面是自然对流，可用公式 (4-27)式中 A对于多排管，为沿高度方向管排数的修正系数，按低温箱内胆高度，规划蒸发器冷却排管为16圈，查表可得A=1.25； 低温冷柜内空气的平均温度，为-70； 板管式蒸发器管内的蒸发温度，为-75； 管外径，单位为mm，=10mm。则板管式蒸发器空气侧的表面传热系数=1.281.25=7.57 W/(m2.K)在蒸发排管外表面对空气的换热过程中，自然对流的表面传热系数较小（一般在10W/(m2.K)以下），因此辐射换热相对来说不可忽视。空气侧的表面辐射换热系数可按下式计算 (4-28)式中 Ta低温冷柜内空气平均温度（单位为K），Ta=(273-70)=203K； Tw蒸发器管子的表面温度，因为蒸发器的管壁很薄，则内外表面温差不大。管子外表面温度可视为与蒸发器管内制冷剂蒸发温度相同，Tw=(273-75)K=198K。 C辐射系数，对于结霜表面取5.46 W/(m2.K4)。则空气侧的辐射传热系数为=1.76 W/(m2.K)综合计算空气侧的表面传热系数必须同时考虑对流和辐射，计算公式如下 (4-29)式中：，空气侧的表面传热系数和辐射传热系数，单位为W/(m2.K)； 曝光系数，对于平板可取为1.0；因此空气侧的传热系数=7.57+1.761.0=9.33 W/(m2.K)2）低温冷柜蒸发器的传热系数K0由于空气侧表面传热系数远小于管内制冷剂侧的传热系数，因此总传热系数计算可简化为：K0=e (4-30)式中 e考虑管内热阻和管外霜层热阻的修正系数,取0.96。代入数据计算，得：K0=0.969.33=8.957 W/(m2.K)3）蒸发器的传热面积A 低温冷柜热负荷为45.69W，蒸发温度为-75，低温冷柜内温度为-70，则由下式计算冷柜蒸发器的传热面积： A=1.02 m2 又A=dol l=32.46m 取32.5m,(管径10 mm，壁厚=0.8mm)。4.3.3 低温冷柜箱体的制作在新飞冷柜BC/BD-216L壳体的基础上改制成的低温柜如图4-1。1. 1. 新制作的内胆 680280510mm内胆材料采用厚度=0.8mm的不锈钢板，将不锈钢板裁成需要的尺寸，再折叠并用氩弧焊接。2. 2. 蒸发盘管的制作为了便于分析蒸发盘管内的工质流动状态，蒸发盘管直接敷设在内胆的内壁上，以便将热电偶直接贴在铜管外壁上；另一方面，蒸发盘管与箱内空气直接进行对流换热，可提高降温速率。铜管长度32.5米，用弯管扳手将铜管弯成需要的长方形，共16圈，铜管各圈间隔大约3cm，然后用两根铜管焊接在蒸发盘管上固定之。3. 3. 内胆上预留孔3个 ,其中2个直径12，在内胆底部，用作蒸发盘管的进出口，另一个孔直径为6，用于布置测温的热电偶线的通路(3根)。4. 4. 发泡 采用AB料，黑料和黄料1：1自然发泡。先将黑料倒入盆中，然后再倒黄料，以1：1的比例混合，稍加搅拌倒入原箱体与内胆的夹层中，很快就会自然发泡成型。5. 5. 门封 考虑到低温下门封的漏热量较大，在试验中有可能在门封位置结霜而冻住箱门。为避免这个问题，重新设计了双层门结构来减小门封处的漏热量；保留其原来的上