蒸发式冷凝器在家用空调的创新应用.doc

蒸发式冷凝器在家用空调的创新应用作品内容简介设计出一种新型的风冷、水冷复合的家用空调。传统的家用空调冷凝器一般采用风冷，现设计出一种风冷、水冷结合冷却冷凝器的空调，此种冷凝器利用非饱和空气的含湿量差和水的蒸发潜热进行换热。1Kg水在常压下蒸发能带走约2440KJ的热量,而传统的家用空调的风冷式冷凝器虽不需要用水,但冷凝效率低,其适用的场合受到很大限制。由于夏季室外温度较高（约3040），采用空冷式冷凝器时冷凝温度将升至4550，为获得同样的制冷量，制冷压缩机的容量需增大20%;另一个突出的问题是空冷式冷凝器的传热系数小,约2428，造成运行费用和设备成本较高。 蒸发式冷凝器以水和空气的混合物作为冷却介质，其中，气态制冷剂冷凝过程所放出的凝结潜热主要依靠冷却水的蒸发带走。本作品利用空调蒸发器吸热，表面产生的露水作为供水源，以实现水的充分利用，同时，可以降低风冷电动机功率，达到节能的目的。因水的比热容较大，其冷凝效果更好。根据设计和理论计算，以KFR50T3W/YA型家用空调为例，在室外35，室内27温度下，蒸发器可产生露水5L/h，在同样的冷凝效果下，此新型空调可降低 功率，因此，节能效果非常明显。 联系人：联系电话：EMAIL：1 作品的背景和意义 节能减排是深入贯彻落实科学发展观，构建和睦社会的重大举措，全球能源的严重缺乏已经是一个严峻的事实，研发，推广，普及节能家电是许多国家积极从事的工作。当前，世界许多企业都在研制更加节能、环保的空调系统。在我国，随着人民生活水平的不断提高及国家家电下乡政策的推动，家用空调已经走向亿万农村家庭。然而，其能耗的增大，将是一个严峻的问题。因此，节能、环保、高效，将是空调发展的主要方向。目前，家用空调冷凝器是以风作为冷却介质，风冷发动机功耗较大，双蒸发器室内换热表面所产生的露水直接排向环境，未能得到利用，造成能源的浪费。本作品利用蒸发器表面露水作为水源，以风冷，水冷复合方式冷却冷凝器，以达到风冷电动机功耗，且充分利用水源的目的。2 设计方案2.1 设计思路 冷凝器是一种将压缩机排出的高温、高压制冷剂气体冷凝成液体的换热设备，制冷剂在冷凝过程中要放出热量，这些热量通过冷凝器的铜管和铝片传至外侧，由流过冷凝器的空气带走，从而起到排出热量的目的。家用空调为分体式空调，室外机组采用风冷式和水冷式两种方式结合，其中水源由室内机组的排水管提供，在排水管上装配高压喷嘴，通过轴流风扇与喷觜喷出的高压雾水，共同对冷凝器进行冷却。2.2 冷凝器设计如图1是分体式空调器风冷式冷凝器的整体结构。图2是冷凝器实物图。冷凝器由铜管外套铝片组成，来自压缩机的高温高压气体由上方进入冷凝器的传热管，沿着管子向下流动，放出液体后被冷凝成液体，由下部的管子流出。室外空气由风机鼓风，吹过传热管和肋片。本作品的改进之处是在风机前部安装一个喷嘴，工作时，在风机吹风的同时，喷嘴向冷凝器表面喷出高压水雾，在冷凝管上同时与风进行对流换热和与水进行表面热传导。本作品所设计的冷凝器由冷却管组、高压喷嘴、轴流风机、小型水泵、集水器、收水器、箱体等部分组成。喷淋水由小型水泵将集水器的水输送到冷凝器前的高压喷嘴，经喷嘴喷淋到冷凝排管的外表面形成很薄的水膜，水膜中部分水吸热后蒸发为水蒸气，其余未能蒸发的的水滴被收水器回收至集水器，供水泵循环使用。集水器的水由室内机组的蒸发器表面露水经排水管收集而来，根据具体的环境温度可以人为补充冷却用水。 2.3 集水器的设计 集水器主要是收集室内蒸发器表面露水，同时将集水器中的水通过水泵喷淋至冷凝器表面。工作原理如下图所示：集水器的结构设计如下图所示：2.4 高压喷嘴为了使喷淋水更加均匀地与冷凝器接触,降低冷凝温度,提高冷凝器换热效率,本作品选择一种高性能的雾化喷嘴DFD系列防滴漏精细雾化喷嘴。DFD系列防滴漏精细雾化喷嘴采用黄铜材质或不锈钢材质作主体，内镶不锈钢喷嘴蕊和不锈钢导流叶片，内含有一防漏装置，液体高速流动，在导流叶片中形成一个离心旋涡，从喷孔中喷出极细微的空心式雾粒，使用特氟龙滤网，喷出雾滴细微：10-30微米，喷射角度：80-115，出水量：2.46L/小时，系统供水压力：3-14公斤，每个喷嘴喷雾覆盖面积35平方米，降温能力：510。喷嘴抗老化、耐寒、耐晒、耐酸碱、不长苔、不易堵塞,并且清洗方便使用寿命长。以下为高压喷嘴示意图：2.5 冷凝器设计优化基于传统的家用空调冷凝器的材料及结构特点，采用此种冷凝方式会造成冷凝器出现一系列问题，如冷凝器外的铝片在湿热的环境中易被氧化，而影响冷凝器使用寿命；在恶劣的环境下，冷凝器易被灰尘堵塞，且冷凝管外易形成水垢，从而严重影响其传热性能；且轴流风机的电动机在湿热的环境中极易出现漏电现象。因此必须对冷凝器作相应的改进：采用高质量的全封闭式电机，散热好，防护等级高，防水，防潮。采用高质量的蒸发过滤网，降温，通风效果好，易挡住环境中的灰尘，易清洗。箱体采用优质镀锌板材，选用静电喷塑工艺，集水器选用不锈钢板。采用小功率流量可调水泵，并配用除垢仪。采用不易堵塞的大喷角防漏精细雾化喷嘴。采用先进的正弦波交叉错位排列的PVC填料层，使饱和湿空气三次转向，两次错位转折，有效地从湿空气中分离水分，防止水分散逸，飘逸率小于0.001%，且收水器分组安装于机组内部，易于拆卸维护。采用蒸发式冷凝器专用的排热湿空气引风式轴流风机，叶片为耐腐蚀的铝合金板材。水箱由4mm钢板整体组焊而成，内补玻璃钢，玻璃钢防腐厚度达1.5mm，确保水箱的稳定性、防腐性能和使用寿命。 3 理论计算3.1 设计参数 、目前绝大多数家用空调器制冷剂为R22，本设计亦采用R22作为空调制冷剂。、选用最常见的分体式空调器，型号选用KFR50T3W/YA空调器，室外机质量53KG，尺寸842，室内机质量12KG，尺寸1030；制冷量5000W，制冷功率1640W，标准风量850电流7.4A，电源性能220V，50Hz。、R22在压缩机中被压缩成高压、高温的过热蒸气（压力为1.6-2.1MP，一般取为1.71MP；温度为70-80,取80）送至冷凝器中,经室外轴流风扇将排至室外环境,冷却后的中温高压制冷剂(43-46)液体维持一定的高压压力。夏天室外环境温度取平均35，冷凝温度50，室内温度取27，蒸发温度15，制冷剂经膨胀阀后以10-12的气液混合物进入蒸发器，经换热后至13-17的低压过热蒸气（其压力为0.3-0.6MP,一般为0.5MP）。由于本作品设计的冷凝器在不同的环境中有不同的运行模式，在我国南方及西北地区绝大部分时间可为空冷、水冷结合运行模式，而在东北寒冷地区，有相当长一段时间按空冷模式运行。我们根据能量守恒、传热传质基本原理进行冷凝器的热力学计算。3.2 冷凝器的设计计算3.2.1 冷凝器的传热量，即冷凝器热负荷冷凝器的传热是一个复杂的过程，制冷剂在冷凝管内相变放热，与冷凝管内壁对流换热，热量通过管壁进行热传导，导热热量再通过冷凝管外壁与液膜进行换热，热量通过水的蒸发进行散热。可见，冷凝器的导热系数受各种因素的影响，不同的制造工艺及不同的环境，导热系数不一样。 高压气态制冷剂在冷凝器中所放出的热流量应该等于制冷剂在蒸发器中所吸收的热流量（制冷量），再加上从蒸发器流出的低压气态制冷剂在制冷压缩机中被压缩成高压气态时所得到的机械功。压缩机指示功率，压缩机实际消耗的压缩功率；压缩机机械效率；压缩机轴功率；冷凝负荷系数；与蒸发温度、冷凝温度、压缩机气缸冷却方式及制冷剂种类有关，对于小型全封闭式压缩机的空调用制冷装置，=1.151.20。=1.205000=6000W3.2.2蒸发器所产生的水量 空调在制冷运行过程中，在蒸发气表面温度低于室内空气露点的情况下，在蒸发器表面将有露水产生。蒸气凝结放出的相变热（潜热）必须穿过液膜才能传到蒸发器表面，使蒸发器表面热阻增大，对蒸发器与室内空气的换热造成极大的障碍。因此，及时排出蒸发器表面的液体对提高空调工作效率起到重要的作用。蒸发器工质温度为15，室内空气温度为27；蒸发器表面传热面积为0.25。查得r=2440KJ/Kg其他物性按液膜平均温度：=(27+15)/2=21,可查得，表面平均传热系数 =1.13=0.96传热量按牛顿冷却公式： =0.96=2.88W凝结蒸气量为：1.18=5kg/h3.2.3 喷淋水平均散热量计算冷凝器向喷淋水的传热量，主要是通过水的蒸发进行，水的气化潜热r=2440KJ/Kg，喷嘴出水量：2.46L/h，本设计按最大出水量的60%计算，则喷淋水的平均理论散热量为： =2440W 由于喷淋水因各种原因散逸，理论耗水量只达实际耗水量的60%-70%。而且在空调的实际运行过程中，由于外界环境不同及各地区温度、湿度的差异，空调耗水量会有一定范围的变动。3.2.4 喷淋水散热量对冷凝器的降温量由于水的蒸发吸热，冷凝器热负荷降低2440W，由冷凝器的传热计算=要求得传热平均温差，需求得其传热面积A及冷凝管的表面传热系数。 风冷式冷凝器与蒸发式冷凝器之间的差异，在蒸发温度不变的前提下，风冷式冷凝器冷凝温度，蒸发式冷凝器冷凝温度，风冷式冷凝器：查R22的热力性质表和图，得各状态点的参数如下表：点号P （M） () (KJ/Kg) 1234由上表各数据可得到以下信息：风冷式冷凝器：制冷量：理论比功：制冷系数：蒸发式冷凝器：制冷量：理论比功：制冷系数：为了能更加清晰地了解蒸发式冷凝器作为小型家用空调冷凝方式相对风冷式冷凝器的优越性，本作品引入了系统能效比概念，系统能效比等于总的制冷量与系统总输入电功率比值。它真实地反映了系统运行经济性能。下表为风冷式冷凝与蒸发式冷凝方式的制冷系统的能效比较。表1 两种冷凝方式的制冷系统的能效比较名称风冷式冷凝器蒸发式冷凝器制冷量 KW7.17.1制冷剂R22R22环境温度 3535 室内温度 室内蒸发温度 运行时冷凝温度 压缩机类型压缩机输入功率 KW轴流风机功率 KW总输入功率 KW压缩机的能效比系统能效比以上可见,采用蒸发式冷凝方式不但能降低制冷压缩机输入功率,并且大幅度降低冷却系统能耗,使系统能效比高达 ,比风冷制冷系统高出 ,推广应用蒸发式冷凝技术在小型家用空调制冷工艺上的应用其意义显而易见。4 工作原理及性能分析它集湿冷，风冷于一身，具有两种散热功能，一是循环介质经散热器表面将热直接传给空气；二是冷凝器表面自循环喷水，循环介质将热由散热器传给其表面的喷淋的水层，水层与空气接触，通过传热与蒸发将废热传给空气。当不淋水时，冷凝器为风冷运行模式，此时无水的蒸发；当喷淋系统淋水时，冷凝器为风冷，水冷结合运行模式。蒸发式冷凝器冷凝温度可以保持在35-37以下，能提高制冷压缩机的制冷效率，冷凝温度的降低，使冷凝压力下降，可延长压缩机的使用寿命，因此，使用蒸发式冷凝器是经济的。以循环喷淋水为冷却介质，使水均匀喷淋到冷凝管外表面，形成量层均匀适中的水膜，水膜吸收冷凝管内热蒸气放出的热量而蒸发，再通过轴流风机将水蒸气带出蒸发式冷凝器而将冷凝管内的热量带走，蒸发式冷凝器利用喷淋水的蒸发潜热，以环境空气为媒介，以环境湿球温度为温差进行热交换，具有冷凝温度低，传热温差大，换热充分，动力消耗少，性能稳定等优点。5 创新点及应用前景当被冷凝的蒸气介质温度高于80时，喷淋水易在冷凝管外表面形成水垢，严重影响换热效果和设备使用寿命。为了避免这种情况发生，本作品设计采用风冷换热方式进行预冷，至80以下时再进行蒸发冷凝，这样充分利用了风的显热换热使蒸发式冷凝器更加节水节电。对于广大中等收入的人群来说，空调是一种生活必需品，其作用不仅在于制冷、制热的基本功能，而且又能达到有效改善室内微气候环境的目的，空调已成为提升生活品位和逐步迈向小康生活的标志。同时，从拥有量来看，正在从“一户一机”到“一室一机”发展。而在夏天，空调所占的能源消耗占全国用电的一半。因此，小型户式节能空调越来越受到该层次人群的亲睐，健康住宅慢慢成为追求的目标。同时，市场消费需求已逐步从低价消费过渡到节能、健康、舒适等多重要求，而且更加注重空调的能源利用率。另外，随着经济的发展和人群整体素质的提高，绿色消费这种可持续消费方式已经越来越多地得到人们的认可和接受，该层