30KW别墅蓄能空调系统设计毕业设计说明书.doc

30kw别墅蓄能空调系统设计本科毕业设计（论文）题 目 30KW别墅蓄能空调系统设计毕业设计（论文）任务书题目 30KW别 墅蓄 能 空 调 系 统 设 计 一、 原始资料及技术条件1. 设计一别墅用蓄冷空调系统，需要制冷房间6个，制冷功率总共30KW。2. 采用双金属芯心冰球蓄冰槽，蓄冰槽放置室外地下。可为住宅提供9小时的冷量,蓄冰槽乙二醇进口温度-5，出口温度-2。3. 采用乙二醇载冷剂（25%的乙二醇水溶液）冻结冰。采用风冷冷凝器室外机，风机盘管室内机。4. 采用夜间制冰供冷，制冰工况：冷凝温度45，蒸发温度-9。5. 工质：R226. 设计环境温度30，相对湿度85%。二、主要内容1. 进行循环热力计算，压缩机选择计算。2. 冷凝器设计计算。3. 套管式蒸发器设计计算（上机计算）。4. 蓄冰槽结构设计。5. 进行经济效益分析(按郑州市的分时电价)。6. 设计图样：系统流程图（A2），冷凝器部装图，蓄冰槽部装图，室外机组总装图。至少一张图用CAD绘制三、基本要求1. 阅读文献写出文献综述。2. 按统一格式完成开题报告。3. 阅读英文文献，并译成中文(不少于5000汉字)。4. 设计计算至少有两部分为上机计算。5. 规范绘制图样，上机绘图不少于二张装配图、一张零件图。6. 英中文对照摘要，中文不少于400 字。7. 按统一格式编制设计说明书，不少于 30000字。8.有全部设计的纸介质文档和电子文档。四、完 成 期 限：2012年6月7日指导教师签章： 专业负责人签章： 2011年 12 月 30 日目 录摘 要ABSTRACT1 绪论11.1 冰蓄冷空调的基本概念11.2 冰蓄冷空调的社会背景11.3 冰蓄冷系统的运行方式21.3.1 全部蓄冷21.3.2 部分蓄冷21.4 应用蓄能空调的意义22 循环热力计算32.1 设计原始资料及技术条件32.2 初步确定制冷工况32.3 初步选定压缩机类型52.4 有关参数计算63 压缩机规格尺寸的选择73.1 压缩机选型73.2 压缩机校核计算74 强制风冷式冷凝器设计计算104.1 计算平均温差104.2 翅片管簇结构参数选择计算114.2.1 基本结构114.2.2 翅片管几何参数计算124.3 传热热力计算134.3.1 空气流量134.3.2 空气侧换热系数134.3.3 管壁热阻与污垢热阻154.3.4 制冷剂侧冷凝换热系数154.3.5 结构164.3.6 空气阻力计算175 蒸发器设计计算175.1 乙二醇与制冷剂的套管式蒸发器175.1.1 有关参数的选择及计算175.1.2 确定内管根数185.1.3 传热计算185.2 乙二醇与水的蒸发器215.2.1 有关参数的选择215.2.2 传热计算226 蓄冰槽设计246.1 蓄冰槽结构设计246.2 传热量计算257 节流机构的选择计算267.1 常用节流机构267.2 热力膨胀阀的选用277.3 热力膨胀阀的选型计算277.4 热力膨胀阀的安装308 其他附件的选择318.1 电磁阀318.2 截止阀328.3 过滤器338.4 轴流风机348.5 压力控制器368.6 视液镜378.7 干燥过滤器388.8 储液器398.9 气液分离器408.10 膨胀水箱418.11 泵的选择及计算439 经济效益分析45结束语46致 谢46参考文献47附录4830kw别墅蓄能空调系统设计摘 要别墅蓄能空调系统，是一个小型化的独立空调系统，在制冷方式和基本构造上类似于中央空调，与中央空调不同之处在于增加了蓄冰循环。由一台主机通过换热器与蓄冰槽连接，蓄冰槽再通过风管或冷热水管连接多个末端出风口，将冷暖气送到不同区域，实现对多房间调节温度的目的。制冷量范围大致在7kW80kW，可供给单元住房面积在80m2600m2 的多居公寓、复式公寓、别墅、小型办公楼及小型商业用房使用。它是介于传统中央空调和家用空调器两者之间的一种形式。蓄能空调系统根据运行策略的不同可分为两种类型：全部蓄冷运行策略和部分蓄冷运行策略。本系统采用全部蓄冰运行策略，即主机只在夜间开启蓄冰，白天供应每日所需冷量。本文着重讨论了循环的热力计算、压缩机的选择及蓄冰槽的设计。本系统的压缩机采用了全封闭式涡旋式压缩机，对其名义工况进行了实际校核。与此同时，相应的在后续计算中，分别进行了翅片管式冷凝器、套管式蒸发器以及节流机构等的选择设计计算。关键词：冰蓄冷；空调系统；压缩机；节流机构30kwvillaStorageAir Conditioning System DesignABSTRACTVilla storage air conditioning system is a small independent air-conditioning system.It is similar to the central air conditioning in the mode and the basic structure ,which is difference to central air conditioning is an increase of ice cycle. From a host through the heat exchanger to connect the ice storage tank. Then the ice storage tank through the air duct or hot and cold water pipes to connect more than the end of the air, heating and cooling will be sent to different regions to achieve multi-purpose room temperature. Generally in the range of cooling capacity 7kW 80kW, it can be used in an area of more than 80m2 600m2 home apartments, duplex apartments, villas, small office buildings and small commercial buildings. Residential central air-conditioning is a form which between traditional home air-conditioning and air-conditioning . According to the different operating strategies the storage air conditioning can be divided into two types: fullstorageoperationstrategy andpart of thestorageoperation strategy. Which the strategy this system uses is all theice storageoperation, that isopenonly at nighthostice,cold daysupply ofdaily needs. This article focuses onthe cyclethermal calculation,the choice ofthe compressorand storage tankdesign. The systemusesafully enclosedcompressor scroll compressor, the status of its volunteers to carry out the actual verification. At the same time, respectively, in the follow-up,I did the calculation about fin-tube condenser, evaporatorcasing and the choice of savings institutions.IIKEY WORDS Ice storage;air conditioning system;compressor; throttlebodies1 绪论1.1 冰蓄冷空调的基本概念空调系统在不需要能量或用能量小的时间内将能量储存起来，在空调系统需求大量的冷量时，就是利用蓄冰设备在这时间内将这部分能量释放出来。根据使用对象和储存温度的高低，可以分为蓄冷和蓄热。结合电力系统的分时电价政策，以冰蓄冷系统为例，在夜间用电低谷期，采用电制冷机制冷，将制得冷量以冰（或其它相变材料）的形式储存起来，在白天空调负荷（电价）高峰期将冰融化释放冷量，用以部分或全部满足供冷需求1。每kg水发生1的温度变化会向外界吸收或释放1kcal的热量，为显热蓄能；而每kg0冰发生相变融化成0水需要吸收80kcal的热量，为潜热蓄能。很明显，同一物质的潜热蓄能量(相变温度)大大高于显热蓄能量(1温差)，因此采用潜热蓄能方式将大大减少介质的用量和设备的体积。1.2冰蓄冷空调的社会背景自改革开放以来，我国的综合国力和人民生活水平都有较大程度的提高。能源工业作为国民经济的基础产业之一，也已取得长足发展。但是，能源工业的发展仍然满足不了国民经济的快速发展和人民生活用能急剧增长的需要，全国能源紧缺仍然存在。家用空调器走进了家万户，一大批在改革开放中抓住机遇富起来的人更是追求高品质的生活环境对住宅面积及其环境提出了更高的要求，洋楼别墅或大面积居室成了他们的选择目标，而室内舒适环境的创造，依靠传统中央空调很难实现2，而普通家用空调对大面积居室来说，装一台满足不了室内对空气质量的要求，而多装几台，又显得既不合理合算也不美观，另外随着城市用电政策的改革，家用中央空调和冰箱的耗电量就占家庭用电的85。用电构成也发生了很大变化，尤其是用电高峰与低谷差距在不断拉大，负荷率逐年下降，其中夏季高峰用电量中空调用电就占了约30，电网运行日趋困难，资源利用不合理。而冰蓄冷中央空调能有效地移峰填谷，平衡电网的供电负荷，具有显著的社会和经济效益。近几年来，随着国家用电政策的推动和国外蓄冰技术的大量引进，蓄冰空调逐渐成为中央空调发展的一个新趋势。目前在国内推广的蓄冰空调技术主要有冰球式、冰桶式、冰槽式、蕊心冰球等等。从近几年市场的接受率来看，冰球式蓄冰系统由于其结构简单、性能可靠、蓄、放冷速度快、价格低、管理方便等优势，比较适合我国夏季由于农忙用电高峰和夏季城市降温用电高峰造成的用电紧张局面。1.3冰蓄冷系统的运行方式冰蓄冷系统的运行方式有两种：全部蓄冷和部分蓄冷。1.3.1全部蓄冷全部蓄冷运行运行策略是指设计日（或周）非电力谷段的总冷负荷全部由蓄冷装置供应，制冷机在此时段不运行。该方案配备的蓄冷装置和制冷主机的容量与其他方案相比最大，初投资最多，但运行费用最节省。1.3.2部分蓄冷部分蓄冷运行策略仅将设计日非谷段的冷负荷总量转移一部分（一般为30%-50%）进行蓄冰，白天制冷主机蓄冷装置联合供应冷负荷的需要。在实际运行中，设计日负荷按部分蓄冰安排，在过渡季节往往可以安全部蓄冰运行。1.4应用蓄能空调的意义在能源消费逐渐增加的情况下，应用蓄冷空调技术具有较大的社会效益和经济效益，主要表现在如下几个方面：第一方面：削峰填谷、平衡电力负荷3；第二方面：改善发电机组效率、减少环境污染；第三方面：减小机组装机容量、节省空调用户的电力花费；第四方面：改善制冷机组的运行效率。空调的制冷机组运行时，其效益随着负和的变化而变化，因此，具有蓄冷的空调系统，可根据空调负荷的大小使机组处在最佳的效益下运行；第五方面：蓄冷空调系统特别适用于负荷比较集中变化比较大的场所；第六方面：应用蓄冷空调技术，可扩大空调区域使用面积。亦即蓄冷空调系统适合于改扩建空调工程；第七方面：适合于应急设备所处的环境，使用应急蓄冷系统可大大减少对应急能源的依赖提高系统的可靠性。介于以上情况，综合考虑不难发现在我国发展别墅蓄能空调系统拥有比较大的发展前景。在此，本文也就别墅蓄能空调机组系统为例，着重进行设计计算。2 循环热力计算2.1设计原始资料及技术条件1.额定制冰工况： 冷凝温度45，蒸发温度-9，环境空气干球温度30，相对湿度852.蓄冰工况： 乙二醇进口温度-5，出口温度-23.额定制冷量： 30kW4.电源： 3-380 V 50Hz5.蓄冰循环载冷剂： 25乙二醇水溶液6.供冷循环载冷剂 水7.制冷剂： R228.冰球： 双金属芯心冰球9.安全保护： 高压、低压、断水、冻结2.2初步确定制冷工况根据设计条件可知，冷凝温度为45，蒸发温度为-9，过热度为15，过冷度为5。图2.1 热力计算压焓图由任务书知，选R22为制冷剂，且系统总制冷量，此时：= -9 = 45 =65.64 = 6 = 40 对应查得： 2点 = 17.256KPa = 453.17kJ/kg = 0.01692 2s点 =15.747KPa =446.31 kJ/kg =0.01798 0点 = 3.664KPa = 4.8.69kJ/kg = 0.04939 1点 = 0.502KPa = 411.01kJ/kg = 0.06791 4点 = 15.540KPa = 249.80kJ/kg = 0.05947计算如下4： 单位制冷量： （2-1） 单位容积制冷量： （2-2） 单位实际功： （2-3）单位理论功： （2-4）单位指示功： （2-5） 单位冷凝负荷： （2-6） 压缩比： （2-7） 循环质量流量： （2-8） 实际输气量：=188.810.066791=45.396=12.61 （2-9）2.3 初步选定压缩机类型在蒸汽压缩式制冷系统中，各种类型的制冷压缩机是决定系统能力大小的关键部件，对输气量起着决定性作用，对系统的运行性能、噪声、振动、维护和使用寿命等均有着直接的影响。目前压缩机的类型主要有：往复式制冷压缩机、转子式制冷压缩机、涡旋式制冷压缩机、螺杆式制冷压缩机、离心式制冷压缩机等5。针对空调系统而言，根据使用工况、制冷量、造价成本及要求，一般使用涡旋式制冷压缩机的较为多见，它以其效率高、体积小、质量轻、噪音低结构简单且运转平稳等特点，被广泛应用于空调和制冷机组中。由于机器中没有吸气阀，也可不带排气阀，从而提高了其可靠性6。跟往复式机器相比，没有余隙容积损失，更加提高了其效率和性能。因此，本系统初步采用全封闭式涡旋式制冷压缩机。2.4有关参数计算由于是全封闭式涡旋式制冷压缩机，其没有余隙容积，输气系数较其他压缩机高许多，一般为0.80.957，在此，从极端因素考虑选取输气系数为0.9，指示效率=0.8，机械效率=0.9，电动机轴效率=0.72，电动机效率=0.8，且此循环过热为无效过热。理论输气量： （2-10）压缩机理论功率： （2-11）压缩机指示功率： （2-12）压缩机轴功率： （2-13）压缩机电机输入功率： （2-14）该制冷系统制冷系数： （2-15）性能系数： （2-16）能效比： （2-17）3 压缩机规格尺寸的选择如上所说，本系统为空调系统，选用全封闭式涡旋式压缩机。3.1压缩机选型在此，根据上述计算所得的压缩机理论排气量50 m3/h及制冷量30kW，初步选定使用比泽尔的全封闭式涡旋式压缩机DANFOSS SZ2300涡旋式压缩机：，其性能参数如下：名义工况：=-10 =40 过热度：30 =30366 =54.2 输入功率：11.60 电流：28.6A COP：3.27 润滑油充注量：6.5d 重量：1703.2压缩机校核计算由于，通常情况下，所选压缩机标准工况与所设计计算的实际工况不相同，所以在此，为保障所选压缩机能够正常使用于设计条件，需在此进行压缩机的校核。图3.1压缩机选型压焓图=-10 =40 =82.3 =20 =40对应查得：=422.02kJ/kg =464.65kJ/kg =445.72kJ/kg=249.75kJ/kg =0.07491m3/kg单位制冷量： = 422.02 249.75= 151.09kJ/kg （3-1）单位理论功： = =464.65 422.02= 42.63kJ/kg （3-2）循环质流量： =g/s （3-3）实际输气量：= = 200.78 10-3 0.07491= 54m3/h （3-4）单位容积制冷量：=kJ/m3 （3-5）由以上计算可知，在压缩机名义工况下的实际输气量=54m3/h，理论输气量=50m3/h，单位容积制冷量=2027.8kJ/m3则，可算出：名义工况下，对应于上述计算工况下的。又因为，kJ/m3，对应于上述计算工况下的kJ/m3。（此处，“a”表示实际设计工况；“s”表示所选压缩机名义工况。）由此，可将压缩机名义工况下的制冷量换算到实际设计温度下的制冷量，再用与设计制冷量作比较，如果大于，则说明所选的压缩机符合要求，反之，则不合要求。 具体计算公式如下7： (3-6)数据带入该公式得： (3-7)所以，所选压缩机的制冷量满足设计要求。依据此法，同样对压缩机输入功率进行校核，已知，=15.63kW，=42.63kJ/kg，=35.3kJ/kg，m3/kg，m3/kg，与在此均为0.8计算。具体计算公式如下7： (3-8)数据代入该公式得： （5-39） 故水在管内的流动状态为湍流，考虑将套管盘成曲率半径为的螺旋管，盘管水侧修正系数： （5-40） 水侧表面传热系数： （5-41）B在时的物性集合系数为： （5-42）5.2.2.2乙二醇侧表面传热系数 乙二醇在时的物性参数为：密度，比热容，导热系数，动力粘度，普朗特数，粘度 雷诺数为： (5-43) 努塞尔数： (5-44) 换热系数： (5-45) 将有关参数带入传热方程可得一下方程组： （5-46） 其中为内管外表面温度，为内管内表面温度 整理得： （5-47）再整理得： （5-48） 经迭代： ， 冷凝器所需传热面积： （5-49） 所需翅片管有效总管长： m （5-50） 采用四根管并联结构，则每根管长度为9.35m6蓄冰槽设计6.1蓄冰槽结构设计 本系统要求采用双金属芯冰球蓄冷，由前知蓄冰系统进出换热器温度5/10（供水温度为7/12,换热器两侧温差2），采用全部蓄冷策略，蓄冰时间为晚上0:008:00，总共8个小时，日总负荷，考虑蒸发温度下降，蒸发出水温度由5下降到-5，取效率下降系数为0.65，蓄冰量： （6-1）蓄冰温差： （6-2） 由任务书知蓄冰温度：=-5/-2 查阅双金属芯心冰球有关资料：每个冰球体积为，每个冰球的热容量为 单位体积热容量： （6-3） 蓄冰球体积： （6-4） 蓄冰槽体积： （6-5） 由双金属芯心冰球有关资料知每1000个冰球潜热蓄冷量为，因此共需要： 个 （6-7） 设计长方体蓄冰槽：长2米，宽1.6米，高1米，则总表面积13.66.2传热量计算蒸发温度为-9.乙二醇溶液进入蓄冰槽的温度为-5，当乙二醇溶液从蓄冷槽的出口温度为-2时，可以认为冰球已经冻结完毕。供冷时，通过向室内提供冷量，蓄冷槽内的温度将逐渐升高，当温度上升至5时，就不能再提供冷量了，可认为供冷过程结束。设计隔热层厚度时，需限定隔热结构外表面的最低温度，使其高于环境空气露点温度1，以免外表面产生凝露现象。已知空气露点温度为28.2（1）所以在换热过程中蓄冷槽内介质从-2变化至5，故蓄冷槽的温度变化的对数平均温差： （6-8）（1） 已知外表面温度为29.2，比环境温度高1，空气的对流传热系数为9.5，可得蓄冷槽外表面的热流密度： q=.h=(29.2-28.2)*9.5=9.5 （6-9）（2） 表面散热量等于传热量，则传热量 =9.5 （6-10）（4）蓄冷槽表面为一层硬泡沫塑料和聚苯乙烯，两者的热导系数非常接近，故可取均为0.042，则上式可化为 （6-11）解得蓄冷槽的厚度为：=0.115m7 节流机构的选择计算节流机构在整个热力循环计算中起着重要作用，由它来实现制冷剂的压降。7.1 常用节流机构11(1) 手动节流阀：手动节流阀是所有膨胀阀的原型和基础，通常用于试验用制冷装置、作为其他节流机构的备用件、制冷装置定型实验等；(2) 浮球阀：浮球阀是利用液位控制通断和流量的节流机构，适用于设置具有自由液面容器的系统，如设有满液式蒸发器、中间冷却器、高压贮液器等容器的系统；(3) 热力膨胀阀：热力膨胀阀是利用蒸发器出口处制冷剂过热度来控制通断和流量的节流机构，适用于各种系统。(4) 热电膨胀阀：热电膨胀阀是利用蒸发器出口处制冷剂过热度来控制通断和流量，适用于各种系统。(5) 电子膨胀阀：电子膨胀阀有电磁式和电动式两类，利用蒸发器出口处制冷剂过热度来控制通断和流量，需与单片机控制系统配套，适用于各种系统。(6) 毛细管：制冷剂在毛细管内的膨胀过程，是流体在等截面管道中有摩擦的、有或无热交换的流动过程。毛细管是不可调节的节流机构，当工况发生变化时，制冷剂流量无法相应进行调节。在此，考虑到本系统的成本及实际需用，在此采用热力膨胀阀。7.2热力膨胀阀的选用热力膨胀阀的制冷量应与压缩机的制冷量相匹配。如果热力膨胀阀的制冷量较压缩机的制冷量小的多，会造成工作时热力膨胀阀始终全开，但制冷剂流量仍小于系统设计流量，系统的自平衡特性会使冷凝压力上升，蒸发压力下降，在新的条件下达到新的平衡，其结果是制冷量与性能系数均下降。如热力膨胀阀的制冷量较压缩机的制冷量大的多，会造成工作后制冷剂流量过大，蒸发器出口处制冷剂过热度过小或没有过热度，导致阀关闭且存在液击的可能；过一段时间后蒸发器中制冷剂量减少，过热度增大，阀重新开启但流量又过大，导致过热度过小或没有过热度；如此反复振荡，易造成系统工作的不稳定12。一般来说，在实际工作工况下，热力膨胀阀制冷量应是压缩机制冷量的1.051.25倍7。在此，针对本系统采取热力膨胀阀制冷量是压缩机制冷量的1.25倍。7.3热力膨胀阀的选型计算如同压缩机的选择一样，热力膨胀阀也有自己的名义工况，在选用时需进行相应的校核。在此，初步采用上海恒温控制器厂生产的热力膨胀阀。根据我国标准，其设计额定工况为：=5 =40 过热度：7.5 过冷度：2 其中：名义工况下节流阀前后的压力差为0.69MPa名义工况下的热力参数如下： 图7.1 热力膨胀阀压焓图对应查得，=408.15kJ/kg =437.01kJ/kg =431.24kJ/kg =253.48kJ/kg =0.87m3/kg单位制冷量： = 408.15 253.48 = 154.67kJ/kg (7-1)具体校核可按下式7进行： (7-2)式中：、分别为实际工作工况和额定工况下的单位制冷量(kJ/kg) ；、分别为实际工作工况和额定工况下节流阀前制冷剂液体的密度(k