制冷课程设计讲解

1、制冷及低温原理课程设计分体式热泵空调机设计班级： XX 级 XX 班学号： XXXXX姓名： XXX指导老师： XXX2013年 6 月 28日目录符号说明 3.设计工况 6.热力计算 7.冷凝器的设计计算 9.蒸发器的设计计算 1.3.毛细管选择计算 2.1.系统制冷剂注入量的估算 2.1管路系统 2.2.电磁阀的选择 2.2.其他阀门选择 2.2.风机的选择 2.3.压缩机的选择 2.3.干燥过滤器的选择 2.3.热泵工况的校核 2.4.参考文献 2.6.附录2.6.备注2.6.符号说明下表列出设计说明书中使用的参数符号。符号说明应用场合参数名称符号单位蒸发器要求制冷量W制冷量（蒸发器热负

2、荷）0W单位质量制冷量q0Kj/kg蒸发温度t0冷凝器 热力循环图制热量（冷凝器热负荷）QkW单位质量制热量qkW冷凝温度tk蒸发温度下饱和气相温度t0压缩机功率蒸发温度下饱和气相比焓h0Kj/kg蒸发器出口温度t0蒸发器出口比焓h0Kj/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v1m3/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t6蒸发器进口比焓h6Kj/kg制冷剂理论质量流量qmKg/s制冷剂实

3、际质量流量qmKg/s制冷剂理论体积流量qvsm3/kg制冷剂实际体积流量qvsm3/kg压力比理论比功wtsKj/kg应用场合理论功率PstW指示功率PiW轴功率PeW电功率PelW电效率el性能系数COP参数名称符号单位任务说明 目的本课程设计是 “制冷及低温技术原理” 的重要教学环节之一， 通过这一环节达到 了解制冷系统的设计内容， 程序和基本原则，学习设计计算方法， 巩固所学知识， 培养学生运用所学知识解决工程问题的能力。 要求1、了解制冷装置设计的一般步骤；2、培养运用设计规范、设计手册的能力3、能正确应用所学课程的知识进行设计计算；4、初步具备绘制装置图纸的能力 步骤1、阅读选择设

4、计任务并收集相关资料；2、设计参数选择；3、负荷计算；4、方案确定；5、系统热力计算；6、设备设计、选型；7、绘制装置图；8、编写设计说明书；9、课程设计答辩。设计工况空调热负荷： 0=2990w； 制冷剂确定： R410A；空冷冷凝器名义工况 空气侧： 迎风面风速 入口温度 制冷剂测： 入口过热蒸汽温度 入口压力对应的冷凝温度 过冷度2.5m/s干球温度 35、湿球温度 249554.45蒸发器名义工况 空气侧： 迎风面风速 入口温度 制冷剂测： 膨胀阀前过冷液温度 出口压力对应的蒸发温度 出口温度2.0m/s干球温度 27、湿球温度 19.546.17.215.0热力计算 制冷循环理论压焓

5、图 各点参数的确定0 点：1 点： v1=0.02868 m3/kg2 点：3 点：4 点：5 点：6 点： x6=0.369 热力计算单位质量制冷剂制冷能力单位容积制冷剂制冷能力制冷剂的质量流量冷凝器热负荷实际输气系数输气系数取 =0.65 压缩机理论输气量压缩机理论功率kj/kgkj/kg=vptl取压缩机指示效率 i=0.8，压缩机指示功率取压缩机的摩擦功率 Pm=0.1kw ，压缩机轴功率理论性能系数COP=q0/w 0= k/p 0 =4.699指示性能系数COP=q0/w i= k/p i=3.757冷凝器的设计计算 有关温度参数及冷凝器负荷确定 对数平均温差ta2 ta143 3

6、5lntktkta1ta2ln 54.4 3554.4 4515.05 翅片管簇结构参数选择计算选择 10mmX0.5mm 的紫铜管为传热管，选用的翅片是厚度 t=0.15mm 的波 纹形整张铝片制套片。取翅片节距 sf=2mm，迎风面上管中心距 st=25mm ，管簇 排列采用正三角 形叉排，垂直于流动方向的管间距 s1 25 mm,迎面风速 w f 2.5m / s 。翅片为平直套片，考虑套片后的管外径为db d0 2 f 10 2 0.15 10.3mm 沿气流流动方向的管间距为s2 s1 cos30。=25 0.866=21.65mm 每米管长翅片的外表面积21af 2(s1s2db

7、)4sf22 (0.025 0.02165 0.25 0.01032) / 0.0020.4579 m2 / m 每米管长翅片间的管子表面面积1abdb (sff )sf0.0103 (0.002 0.00015) / 0.0020.0299m2 / m每米管长的总外表面积2aof af ab 0.4579 0.0299 0.4878m2 / m每米管长的内表面积2aidi 1 0.0090.0283m2 / m取当地大气杨 pb=98.07kpa ，由空气（干空气）热物理性质表，在空气平均温度 t m=39条件下， cpa=1013J/（kg K）、vs=17.5X106m2/s ，在进风温

8、度 ta1=35 条件下 s=1.1095kg/m3 。冷凝器所需空气体积流量qvk 3655.260.4065m3 / s 1463.4m3 / hv acpa （ta2 ta1） 1.1095 1013 （43 35）选取迎风面风速 w y=2.5m/s ，则迎风面积20.168m2AqV0.4065Ayywf 2.5取冷凝器迎风面宽度即有效单管长 l=0.7m ，则冷凝器的迎风面高度H=Ayl0.1680.70.24m迎风面上的管排数N H 1 9排 s1 2 进行传热计算确定所需传热面积 Aof、翅片总管长 L 及空气流通方向上的管排数 n。采用整张 波纹翅片及密翅片距的叉排管簇的空气

9、侧传热系数由式（ 3-10 ）乘以 1.1 再乘以 1.2 计算。预计冷凝器在空气流通方向上的管排数 n=3，则翅片宽度 b=3s2 3 0.02165 0.0650m微元最窄界面的当量直径de2(s1 db )(sff )(s1 db) (sf f )2 (25 10.3) (2-0.15) (25-10.3)(2-0.15)3.3mm 0.0033 m 最窄截面风速wmaxw fs1sf(s1 db )(sff )2.525 2(25 10.3) (2 0.15)4.6m/ s因为 b65de3.319.7则 Refwmax d e4.6 0.00336 867.417.5 10 6查表

10、3-11 和表 3-19 ，用插入法求得 =0.15、n=0.623、c=1.152、m=0.211， 则空气侧表面传热系数 去 R410a 在 tk=54.4物性集合 B=1320 ，氟利昂在关内凝结的表面传热系数由 式 3-17 计算of 1.1 1.2 C a Ref ( b )mdede265.94W /(m2 K) 翅片相当高度由式 3-15 就算1)1 0.35ln( c00.0.0215)0.01 (0.025 1) 1 0.35ln(1.0632 0.01=0.01m取了本片热导率 =203W/ (mK)，由式 3-14 计算翅片参数 m ，即2 of 1m 65.81mf由式

11、 3-13 计算翅片效率 表面效率由式 3-12 计算th(mh )mhth(65.81 0.01)65.81 0.010.88f af ab 0.88 0.4579 0.02990.887af ab0.4579 0.0299忽略各有关污垢热阻及接触热阻的影响， 则 t wi =t wu =t w ，讲计算所得有关各值带 入式 3-20 即kiai(tk tw)of oaof (tw ta)0.752388 0.0283 (54.4 tw )0.75 65.94 0.887 0.4878 (tw 39) 经整理得0.75(54.4 tw)0.75 0.393(tw 39)解上式得 tw =48

12、.25，则 r410a 在关内的凝结表面传热系数 ki 2388 （54.4 tw） 0.25=1486.2W （/ m2 K）取管壁与翅片间接触热阻 rb=0.004 K/W ，空气侧尘埃垢热阻 ra=0.0001 K/W ，紫铜热管热导率 =393W/ （mK），由式 3-21 计算冷凝器的总传 热系数K0=1 aofki aiaaofr0 rb1amof 0230.3W / (m2 K)冷凝器所需的传热面积ko km 8.49m2所需有效翅片管总长L Aof 17.4m aof空气流通方向上的管排数n L 2.76 排lN取整数 n=3 排，与计算空气侧表面传热系数是预计的空气流通方向上

13、的关牌数 相符。 风机的选择计算由于冷凝器的迎风面宽度 l=0.7m 、高度 H=0.24m，安装一台风机即可 动压p2awy23.5Pa静压p 0.108 b (awy)2 33.975Pa de全压p =37.475Pa蒸发器的设计计算 选定蒸发器的结构参数选用 10mmX0.7 的紫铜管，翅片选用 f=0.2 的铝套片，翅片间距 sf=2.2mm 。管束按正三 角形叉排排列，垂直于流动方向的管间距s1=25mm ，沿流动方向管排数 nl=4，迎面风速wt=2.5m/s 。 计算几何参数翅片为平直套片，考虑套片的外径为db d0 2 f 10 2 0.2 10.4mm 以图所示的计算单元为

14、基准进行计算，沿气流流动方向的管间距为 s2 s1 cos30。=25 0.866=21.65mm 沿气流方向套片的长度L=4Xs2=86.6mm 每米管长翅片的外表面积21af 2(s1s2db2 )4sf22 (0.025 0.02165 0.25 0.01042) / 0.002220.4148 m2 /m每米管长翅片间的管子表面积1abdb (sff )sf0.0104 (0.0022 0.0002) / 0.002220.0297 m2 / m 每米管长的总外表面积2aof af ab 0.4148 0.0297 0.4445m2 / m 每米管长的外表面积abodb 1 0.010

15、4 0.03267m2 / m每米管长的内表面积2aidi 1 0.0086 0.02702m2 / m每米管长的平均直径处的表面积2 amdm 1 0.5 (0.0104 0.0086)0.029845m2 / m由以上计算可得aof /abo 0.1115/ 0.03267 13.606 计算空气侧干表面传热系数A 空气物性的平均温度为ta1 ta 2227 17.5222.25空气在 22下的物性为a 1.1966kg/m3,cpa 1005J /(kg k),Pra 0.7026, a 15.88 10 6m2 /sB最窄截面处空气流速wmaxs1sf(s1 db )(sff )25

16、2.222 (25 10.4) (2.2 0.2)3.77mm / sC干表面传热系数0.4 aof 0.15 j 0.0014 0.2618Red 0.4 ( of ) 0.15 abo0.0014 0.2618(wmax dba0.4 aof) 0.4( of )abo0.150.0014 0.2618(3.77 0.01064) 0.4(aof ) 0.1515.88 10abo表面传热系数可用式 4-48 计算j aumax cpa02/3 Pra0.00918 1.1966 4.7 10052/30.70262/365.65W / (m2 K) 确定空气在蒸发器内的哪个台变化过程根据

17、给定的空气进出口温度由式空气的 h-d 图可得 h1=55.6kJ/kg ，h2=40.7kJ/kg ，d1=11.1g/kg ， d2=9.2g/kg 。在 h-d 图上连接空气的进出口状态点 1 和点 2，兵延长与饱和空气线 ( =1.0)相交于 w 点， 该点的参数是在蒸发器中空气的平均比焓为hmh1 h2ln h1 hw h2 hw 55.6 40.729.5 ln 55.6 29.5 ln40.7 29.547.1kJ / kg在 h-d 图上岸过程线与 hm=47.1kJ/kg 线的交点读得 tm=21.4 ， dm=10g/kg ，析湿系数可由下 式确定1 2.46 dtmm d

18、tww 1 2.461201.47.193 1.57 循环空气量的计算0 2.990 3600qm00.2kg / sm h1 h2 55.6 40.7RaT1(1 0.0016 d1)PB进口状态下干空气的比体积可由下式确定0.866m3 / kg287.4 (273 27)(1 0.0016 11.1)101320故循环空气的体积流量为3qv, a qm 1 0.2 0.866 0.1732m / s 空气侧当量表面传热系数的计算 当量表面传热系数f af ab j 0 af ab对于正三角形叉排排列的平直套片管束， 套片效率 t 可由式 4-13 计算， 叉排是翅片可视为 六角形，且此翅

19、片的边长对距离和短边对距离之比A/B=1,且m=B/db=25 /10.4，故 1.28 m1.28 25 1 0.3 2.55410.4肋片折合高度为dbh b ( 1)(1 0.35ln )210.4 (2.554 1) (1 0.35 ln 2.554)210.735 mmm2 65.65 3 65.95m 1237 0.2 10 3故在凝露工况下的翅片效率为mh 65.95 0.010735当量表面传热系数为f th(mh ) th(65.95 0.010735) 0.8608j 0 f af ab af ab1.57 65.65 0.8608 0.4148 0.02970.4148

20、0.0297289.68W / (m2 K ) 管内 R410a 蒸发时表面传热系数的计算 R410a 在 t0=5 时的物性参数为： 饱和液体密度 l 1140.37kg / m33 饱和蒸汽密度 g 38.426kg / m3汽化热 r 216kJ / kg液体粘度 l 250 10 6 Pa s液体热导率 l 92 10 3W / (m K )液体普朗特数 Prl 3.92R410a在管内蒸发的表面传热系数可由式 4-5 计算，已知 R410a进入蒸发器时的干度 x1=0.37， 出口干度 x2=1.0，则 R410a 的总质量流量为0qm0 0.022kg / sr(x2 x1)作为迭

21、代计算的初值，取 qi=1200W/m2 ，考虑到 R410a的阻力比相同条件下 R12 要大，故 取 R410a在管内的质量流速 qi=100kg/ ( s)。则总流通面积为A qm 2.2 10 4m2 qi 每根管子的有效流通界面Aidi2420.008645.8 10 5m2蒸发器的分路数AZ 3.79Ai取 Z=4，则每一分路中 R410a 的质量流量为 qm 0.0193qm,dm 0.0055kg / s每一分路中 R410a 在管内的实际质量流速Giqm,dAi294.83kg / (m2 s)于是B0qi 8.858 10 40 Gir1x0.8 g 0.5 C0 ( ) (

22、 ) 0 x l)0.8( g )0.51 x1 x2 (12x1 x22=0.09860FrlGi2 l2gdi0.08205RelGi (1 x)di 1048.55l 0.023Re l0.8 Prl0.4 l di2112.43W / (m2 K)又 C0 0.65，C1=1.136，C2=-0.9，C3=667.2，C4 =0.7，C5=0.3，Ffl=2.2 则：ilC1(C0)C2(25Frl)C5 C3(B0)C4 Ffl22036.17W / (m2 K) 传热温差的初步计算暂先不计 R410a 的阻力对政法温度的影响，则有tmta1 ta 2ln ta1 t 0t a2 t

23、 027.0 17.527 7.2 ln17.5 7.214.54k0传热系数的计算aaofrw rs aat rt1ai iamj由于 R410a 能与聚酯油能互溶， 故管内污垢热阻可忽略， 据文献家少翅片侧污垢热阻， 管壁 导热热阻及翅片与管壁间接触热阻之和(rw+rs+at/am rt )可取为 4.8X103( K/W)，故2k0 43.45W / (m2 K ) 核算假设的 qi 值q0=k0 tm 729.96W /m2aof2qiof q0 12013.18W / m2ai计算表明，假设的初值 qi12000W/ 与核算值 12013.18W/ 较接近，偏差小于 2.5，故假 设

24、有效。? 蒸发器的结构尺寸的确定蒸发器所需的表面传热面积2Ai 0 0.25m2qiA0 0 4.1m2q0蒸发器所需的传热管总长lt A0 9.22m aof迎风面积Af qV,a 0.070m2 wf取蒸发器宽 B=460mm ，高 H=160mm ，则实际迎风面积 Af=0.16X0.46=0.0736 已选定垂直于气流方向的管间距为s1=25mm，故垂直于气流方向的每排管子数为Hn16s1深度方向(沿气流流动方向)为 4 排，共布置 24 根传热管，传热管的实际总长为 lt 0.46 6 4 11.04m传热管的实际内表面传热面积为2Ai 4 6 diB 24 0.0086 0.46

25、0.298m2AiAi0.2980.251.192lt 11.04 1.197lt 9.22说明计算约有 39 裕度，若取 n=3，裕度仅为 4。若考虑制冷剂出口过热度的影响，当蒸 汽在管内被过热时，过热段的局部表面传热系数很低，即使过热温度不高，如35，过热所需正价的换热面积仍可高达 10 20。? R410a 的流动阻力及其对传热温差的影响R410a在管内的流动阻力约为 R12的 1.22 倍。R12在管内蒸发时的流动阻力可按照下式计算p 5.986 10 5( qi Gi )0.91l /di8.129kPa故p r410a= p X1.22=9.75由于在蒸发温度 5时 R410a 的

26、饱和压力为 997.8kpa，故流动阻力仅占饱和压力的 1不到， 因此流动阻力引起蒸发温度的变化可忽略不计? 空气侧的阻力计算凝露工况下，气体横向流过整套叉排管簇时的阻力可按下式计算B 1.7 p 1.2 9.81A( )( wmax )1.7 de对于粗糙的翅片表面， A=0.0113当量直径de2(s1 d0)(sf )(s1 d0) (sf )沿气流方向蒸发器长（即蒸发器宽度）B=86.6mm，空气密度 =1.2kg/ ，凝露工况下取 =1.2，则p=51.1Pa所以，选取的 DF2A 型离心式通风机能满足压头要求。毛细管选择计算 设计参数制冷剂： R410a冷凝压力： pk=3.350

27、3Mpa (tk=54.4 )蒸发压力： p0=9.978Mpa( t0=7.2)节流阀前温度： t4=46.1 制冷剂循环流量： qm=0.02197kg/s=79.1kg/h蒸发器分路数： Z=2 毛细管尺寸估计制冷剂在毛细管内的两项流动过程十分复杂， 难以精确计算。 用图解法选出的毛细管尺寸都 要经过在实际装置中的运行实验，经过修正后才能获得最佳尺寸。为简化计算，假定由冷凝器出口至毛细管前的流动阻力损失相当于饱和温度降低了1.5，因此进毛细管时液体制冷剂的过冷度为t=(54.4-46.1-1.4) =6.8由 pk、 t 值查图 7-13 得标准毛细管的通流量 qm=52kg/h 。流量

28、系数查图 7-14 ，如选毛细管内径 di=1.35mm ，则毛细管长度 L=1.5m，共两根系统制冷剂注入量的估算对于小型空调器而言， 由于没有贮液器， 故系统内置制冷剂的充注量对制冷机的经济、 安全 运行骑着重要作用。 充入量过少， 蒸发器只有部分管壁得到润湿， 蒸发器面积不能得到充分 利用， 蒸发量下降， 吸气压力降低， 真发起出口制冷剂过热度增加，这不仅使循环的制冷量 下降， 而且还会使压缩机的排气温度升高，影响压缩机的使用寿命；充注量过多， 不仅蒸发 器内积液过多， 只是蒸发器压力升高， 传热温差减小， 严重时甚至会产生压缩机的液击现象， 而且会使冷凝器内冷凝后的制冷剂液体不能及时排

29、斥， 是冷凝器的有效传热面积减小， 导致 冷凝器压力身高，压缩机功耗增加。 由此可知，在一定工况下，系统内存在一个最佳充注量 问题。系统中制冷剂的充注量不等于制冷剂的循环量， 它应根据系统的容积大小、 制冷剂在系统各 处的状态、干度等分别加以计算。据有关资料介绍，系统的制冷剂充注量可用下式估算：式中 G系统制冷剂充灌量，单位 kg ；VH蒸发器容积，单位为 1；VK冷凝器容积，单位为 1。由前面计算可知，蒸发器的总传热管长为12.88m ，冷凝器的总传热管长为 17.4m ，考虑到弯管等因素，现取蒸发器、冷凝器的总传热管长为 15m 和 21m ，相应的各自容积为G 0.5334VH 0.22

30、47VK格式 7-50，可估算出该系统的制冷剂充注量为式中 G系统制冷剂充灌量，单位为kg；VH蒸发器容积，单位为 L；VK冷凝器容积，单位为 L。由之前的计算可知，蒸发器的总传热管长为10.29m ，冷凝器的总传热管长为 18m，考虑到弯管等因素，现取蒸发器、冷凝器的总传热管长为 13m 和 21m ，相应的各自容积为22VHdi2LH0.0862 150 0.954L4420.0862 220 1.4L4则估算出该系统的制冷剂充注量为G 0.5334 1.02 0.2247 1.4 0.79kg管路系统制冷管路的设计应合理选择管材、管径、 尽量缩短管线长度， 为减少管路阻力损失，并防止 制

31、冷剂产生“闪气”现象。管材多采用紫铜管，为减轻重量和降低成本，又多选用薄管壁铜管（=0.51.5mm ）。在确定管径时主要更具管道总压力损失的许可值，对吸气管道而言，总的允许压力损失约 1020kpa ，相当于制冷剂的饱和温度降低 1 ；对排气管道而言，总的荀彧压力损失约 1540kpa，相当于制冷剂的饱和温度升高 12；冷凝器只节流机构之间的液体连接管路总 压力损失应小于 20kpa。选取直径 =10mm 的紫铜管，总管长 3m电磁阀的选择由管路直径 =10mm ，选取 2FD10 型电磁阀其他阀门选择1）单向阀 单向阀的作用是限制介质在一个方向流动， 截止反方向流动。 采用不锈钢锥度或尼龙

32、阀芯的 单向阀， 公称直径为 10mm ，密封性能好， 导向稳定， 阀芯在阀座内滑动灵活， 无卡死现象， 工作时无噪声， 工作时间越长密封性能越好， 泄漏量越小，使用寿命长，更换时需要采取冷 却措施焊接 。2）四通换向阀 通过改变制冷剂的流动通道， 改变制冷剂流向， 转换冬夏两季空调系统冷凝器和蒸发器的功 用：夏季制冷剂液体在蒸发器内蒸发吸热成为气体，在冷凝器中放热， 用于室内供冷； 冬季 制冷剂液体在室外的冷凝器中蒸发吸收外界热量，在室内蒸发器中放热，用于室内供热。 本系统选择 DSF-4U型四通电磁换向阀（需使连接管道与四通换向阀能合理配合）。型号通径 mm接口尺寸 mm动作压差 Mpa内部泄漏 ml/min适用功率HPDE.S.CMinMaxDSF-4U88.19.60.252.510000.75-1.