二级压缩制冷系统设计

1、1题目要求 设计一个医用低温冷柜所配制冷机组。要求：（1）进行制冷循环的热力计算；（2）完成各换热器的结构设计；（3）完成主要原件的选型；（4）完成主要部件的图纸。 其中，要求制冷量为600W，冷藏温度为-40，设计工况t0（环境）=35。2制冷循环的热力计算初始条件 制冷剂选择R32蒸发器端部温差5，冷凝器端部温差10. 回热器温差t=5.由蒸发器冷凝器端部温差 蒸发温度t0=-45，p0=0.109MPa. 冷凝温度tk=45，pk=2.8MPa. , 选两级压缩 一级节流 中间完全冷却系统。参数：h1=499.645kJ/kg, h5=286.315kJ/kg, h1=505.8kJ/k

2、g h5=275.6kJ/kg , v1=0.33m3/kg.1、确定中间压力 对应的中间温度为-11.5。在-11.5上下取-5，-7，-9，-11，-13，-15进行计算，取中间冷却器温差 计算结果于下表：参数-5-7-9-11-13-15s2.17332.18082.18832.19612.20362.2116Pm0.6870.6420.60.5590.5220.485h3514.23513.75513.25512.71512.14511.54h7196.5193.09189.69186.31182.95179.6h2585.51582.08578.69575.18571.83568.2

3、7h4s572.34575.03577.74580.57583.3586.24由计算公式得COP的最大值为1.74，此时对应的最佳温度 tm=-7，相应的参数见上表.2、 高压级与低压级的压力比分别是热力计算1、单位制冷量 2、 低压压缩机制冷剂流量 3、 低压压缩机理论输气量 其中 c=4%,m=1,=5.89.(由制冷压缩机得)4、 低压压缩机等熵压缩功率 5、 低压压缩机轴功率 6、 低压压缩机实际排气焓值 7、 高压压缩机制冷剂流量 8、 高压压缩机理论输气量 3=0.057m3/kg G= 0.7752(由制冷压缩机得)9、 高压压缩机等熵压缩功率 10、 高压压缩机功率 11、 高

4、压压缩机实际排气焓值 12、 理论性能系数 13、 理论输气量比 14、 冷凝器热负荷 3冷凝器设计 计算中用下标“1”表示制冷剂侧参数，用下标“2”表示空气侧参数。1、确定冷凝器的热负荷及空气流量：由热力计算得k=1.193kW，取进出口的空气温差t2-t2=8.2，则空气流量为 V2= 0.123 m³/s2、结构初步规划：选迎面风速cy= 2.5 m/s，沿气流方向排数nL=6，冷凝器选用顺排套片式结构，管用8×0.5mm的紫铜管，肋片采用厚为0.2mm的铝片、片间距b=1.8mm,纵向和横向管间距相等S=20mm。据该初步规划，可计算下列参数：(1) 每米管长的肋片

5、面积Af2 Af2= 0.3828 m2/m(2) 每米管长的肋片间基管外表面积Ab2 Ab2= 0.0235 m2/m(3) 每米管长的总外表面积 A2 A2=Af2Ab2=0.38280.0235=0.4063 m2/m(4) 每米管长内表面积 A1 A1=di=×0.007=0.0220 m2/m(5) 肋化系数 =18.48(6) 最小截面与迎风面积之比 =0.516(7) 当量直径de de=2.8123、空气侧换热系数2计算： 2=式中 Re2=c2de/2，C=A(1.360.24Re2/1000)， n=0.450.0066(L/de)，m=0.280.08(Re2/

6、1000)， A=0.5180.02315(L/de)0.000425(L/de)23×10-6(L/de)3 L=nL·S据已知条件，空气最小截面处的流速c2为 c2=4.85 m/s按空气的进出口温度的平均值t2=()/2=(35+43)/2=39 查取空气物性参数值得Re2=832。并经计算得A=0.0709，C=0.0823，n=0.7316，m=0.2134所以2有2=48.68 W/m2·K4、计算肋片效率及表面效率：肋片效率f2=0.942，表面效率02则有 02=1-=0.9435、计算管内侧冷凝换热系数1:1由公式计算，式中C对于氟利昂可选0.6

7、83，若用R32的平均温度选取r¼和Bm值时，则先假定壁温，设壁温tW=43，则R22的平均温度t1=(tk+tw)/2=(45+43)/2=44，由表查得r¼=21.8，Bm=104，代入公式有 1=0.683×20.21×1.92×0.007-0.25×(tk-tw)-0.25=5353.47(tk-tw)-0.25 忽略管壁热阻及接触热阻，据管内、外热平衡关系有 1di(tk-tw)=022A2(tk-t2)，即5353××0.007(40-tw)0.75=0.896×48.68×0.40

8、63(tw-34.1)解上式得tw=43.33与假设十分接近，假设合理，不需重算。将tw代入1式则得1=5353(40-38.71)-0.25=4711 W/m2·K6、 计算传热系数及传热面积 忽略污垢热阻，则 K2=38.89 W/m2·K 而t=4.97 所以所需传热面积F2为 F2=5.58 m2 所需肋管总长L=F2/A2=13.374m7、 确定空冷冷凝器的结构外形尺寸 若取垂直气流方向管的列数nb=4则每根管有效长度L1=L/(nb·nL)=0.57 m，高H=nb·S=0.08 m，深L2=nL·S=0.12 m。考虑迎面风速不

9、均匀性，取L1实际长为0.61 m，所以迎风面积Fy=L1H=0.61×0.08=0.0488 m2，则实际迎面风速cy=V2/Fy=2.52 m/s，与假设的迎面风速相符。8、 选择风机 空气流经错排平板肋片管冷凝器进行换热时，流动阻力 式中空气密度，1.124 ； 每根肋管的长度，； 空气在最窄截面上的流速，； 当量直径，； 、分别为管子中心距、肋片间距、肋片高度、肋片厚度、肋管外径。求得 =155 外部风道阻力取0，所以，风机功率为： 0.026 kW是空气质量流量，为风机效率取0.8，是空气密度。取电动机容量的安全裕量为1.15，求得电动机功率为0.03，最后选定已生产的电动

10、机标准。 空气横向流过平套片、顺排肋片管的阻力用下式计算p2=9.810×.007×42.7×(1.15×4.85)1.7=54.47 Pa式中为考虑表面粗糙度的系数，对粗糙表面肋片=0.0113，对光滑肋片=0.007。该冷凝器的额定风量由前面计算可知V2=0.123 m3/s=444m3/h，若选用一台风机，则需每台风量为444 m3/h，风机静压按上面计算pst可取55Pa，全压 P*=pst+Pd=55+2cy2/2=58.59 Pa 根据风压，电动机功率以及风量，选择T35-11系列轴流式风机，机号为3.15，其中电动机的型号为YSF-5024

11、 .4蒸发器设计 已知：制冷量=600W；蒸发温度=-45；工质为R32;制冷剂循环流量=7.056，空气的送风温度为-40；空气的回风温度为-41。设计计算1、 主要参数选择（1） 冷空气的有关参数送回风温度下水蒸气的饱和压力 送风：pgd1=0.01283kPa 回风：pgd2=0.01093kPa空气的含湿量d 式中，B为空气压力，取B=1,01×102kPa; pg为水蒸气分压力送风与回风的含湿量分别为 空气的比焓 经计算，得 送风比焓：=233.06 回风比焓：=232.05（2） 风量选择 风量为 =（） 式中，为空气的比体积。按送风、回风的平均温度-41.5确定. =0

12、.658， 则 =1379.9 按此风量选用一台风量为1500的轴流风机，可选择T35-11系列轴流式风机，机号为3.15，其中电机型号为YSF-5024 .（3） 选定风机后，空气的比焓及送风温度 空气通过蒸发器的比焓值 =1.03送风时空气的比焓值 =0.75查图，查得送风温度仍为-40。（4） 蒸发器初步结构的初步规划 取的铜管，外套铝片。铝片间距b=2mm，厚度=0.2mm，管排数N=4，每排管子数n=8根。管子按三角形排列，管间距s=0.024m。 最窄流通面积与迎风面积之比 =0.572 最窄流通面积与迎风面积 =式中，为最小截面处流速，通常取=36，取3.5，代入上式后得 = 0

13、.1095再求出 = =0.191 蒸发器高度，厚度及管长 高度 =0.192 m 厚度 =0.083 m 每根管子的长度=0.995 m 管子总长度 =31.8 m（5） 肋片管参数及管内、外表面积 六角形肋片单侧的表面积 =1417.95 m 1m长管上，肋片的表面积 =2=0.28 式中为每米管子上的肋片数 1m长管子上铜管的表面积 =0.0308 1m长管子上，总的外表面积 =+=0.3108 总的外表面积、肋片表面积和铜管外表面积 外表面积 =9.88 肋片表面积 =8.904 铜管外表面积 0.98 总的表面积 =0.788 外表面积与内表面积之比值 12.42、 传热计算（1）

14、空气侧放热表面传热系数 按公式 = 式中 肋片间距，m； 管外径，m； 肋片高度，m； 空气在管束最窄截面处的流速，； 空气的运动黏度，； 空气的导热率，0.0142W/（m·）； ，系数，对六角形肋片=0.205，=0.65。 将各种数据代入计算公式中得 =3101 =113.0W/（m·） （2） 管内沸腾放热 质量流速 每8根管子连接成一根蛇管，共得8根管。因制冷剂循环量=7.056， 故质量流速为 =9.75 管内放热表面传热系数 R32在管内蒸发的表面传热系数按公式 = = = = 式中 管内沸腾的两相表面传热系数，; 液相单独流过管内的表面传热系数，； 对流特征

15、数； 沸腾特征数； 液相弗劳得数； 质量流率，； 质量含气率； 管内径，0.01m; 液相动力粘度，； 液相热导率，0.1819; 液相普朗特数 2.2284； 气相密度，4.0671； 液相密度，1194.374；按管内表面计算的热流密度，取700；取决于制冷剂性质的无量纲数。式中的，和为常数，它们的值取决于的大小；0.65， 1.1360，0.9，667.2，0.7，0.3。析湿系数 因管内热阻较小，故可近似地取避免温度为蒸发温度，tw=t0=-45其它数据为 dw=0.2g/kg干，tm=(t1+t2)/2=-40.5. dm=(d1+d2)/2=0.069g/kg干 . cpm=1.0

16、050kJ/kg· .最终求得 =1.0308迎面风速 2.01m/s霜密度u u=340|ts|-0.455+25Wf 近似地取ts=t0=-45，则 u= 110.4m3/kg析湿量 一个融霜周期的霜平均厚度 u 肋效率f 代入已知数据可得对数平均温差 传热系数式中hof空气侧放热表面传热系数，W/(m2·)；管内制冷剂放热表面传热系数，W/(m2·)；管内表面的污垢系数，m2·/kW；Fof，Ff，Fr分别为管外的总面积、肋表面积和铜管表面积； 析湿系数。将各种数据代入K0的计算公式后，得到 K0=27.3W/(m2·)按管内表面积计算的

17、热流密度qi 计算表明，假设的q初值700W/m2与核算值689W/m2较接近，偏差小于2.5%，故假设有效。所需管内面积初步设计的内表面积Fi （3） 融霜管功率P 设计规定，每15h要融霜一次，以保证冷风机之正常运转 一个融霜周期的结霜量m m=W×3600×=1.13kg 将融霜化成水所需之热量Q ci冰的比热容，ci=2,05kJ/（kg·） i冰的溶解热，i=334kJ/kg t库温与0 带入计算 得Q=427.4kJ 融霜管功率 t为融霜周期，取t=10min . 带入得P=0.787kW 取P=0.8kW5回热器设计 （壳盘管式结构）参数 冷凝液入口

18、t1=45.2，出口。流量M1=0.0034kg/s; 制冷剂蒸汽入口 t2=-45，出口，流量M2=0.00196kg/s; t=5 过热度 热负荷：Q=M1(h1-h1)=0.0034×6.6=0.02108kJ/s. 又因为Q=M2（h5-h5） 所以 h5=275.6kJ/kg.1、 初选传热系数 K0=30W/(m2·)2、 对数平均温差3、估算传热面积 4、 取15×1.0 钢管. 管长为 5、 壳体内径取600mm=0.6m 绕数为6、取每圈间距为：d=20mm , 壳体长度L2=1.15m 7、壳程流通截面积8、 壳程接管直径由钢管标准相近规格： 取 115×49、 管程流速10、管程换热系数 热阻 rs=0.00017（m2·）/W壳程 壳侧壁面温度：假定tw=42。此时壳侧换热系数为11、 传热系数 传热面积 稍大12、 检验壳测壁温与假定温度tw=40相差0.6。6中间冷却器设计 （壳盘管式结构）1、 换热量 Q=qmd=(h5-h7)=0.00196×(275.6-193.09)=0.162kW2、 蒸发量 qm=qmG-qmD=0.0034-0.00196=0.0014kg/s3、