制冷技术课程设计：设计3HP风冷冷水机组

1、制冷技术课程设计题目：设计3HP风冷冷水机组目 录【设计要求】4【设计内容】4【设计过程】5一、制冷工况的确定5（一）设计参数5（二）由软件上切取工况图5（三）由软件读取各点参数6（四）制冷量等的确定7（五）压缩机的选择8二、蒸发器部分8（一）确定冷冻水的出口温度t28（二）确定蒸发温度t09（三）求蒸发器冷负荷9（四）计算平均传热温差9（五）制冷剂R22流量9（六）概算所需的传热面积Ac9（七）初步规划蒸发器结构9（八）计算水侧换热系数10（九）计算制冷剂（R22）侧换热系数10（十）实际的热流密度10（十一）计算实际传热面积，布置管束10（十二）校核蒸发温度11（十三）制冷剂在管内流动阻力

2、11三、冷凝器部分12（一）基本参数12（二）确定肋片管束形式12（三）计算空气侧的换热系数13（四）计算制冷剂侧对流换热系数15（五）规划冷凝器的结构16（六）校核迎面风速16四 、热力膨胀阀选型与计算17（一）计算17（二）选型18五、其它辅助设备的选择18（一）贮液器18（二）油分离器19（三）气液分离器19（四）其它辅助辅件19【参考目录】19【附成绩与样图】20【设计要求】 采用R22制冷剂，压缩机功率为3HP，冷凝器为风冷式翅片管换热器，翅片管结构尺寸见空气调节用制冷技术（彦启森等编、第三版）p108，蒸发器为干式水箱式，采用紫铜管为传热管，换热管几何参数见下表：表:蒸发器换热管几

3、何参数基管内径（mm）11.00基管外径（mm）13.00（管外水强迫对流换热计算公式：见空气调节用制冷技术（彦启森等编、第三版）p102，公式4-30）。冷却水进口温度为32，冷冻水出口温度为7。冷凝器空气进口温度为33.5，相对湿度60。（管内冷凝计算公式：见空气调节用制冷技术（彦启森等编、第三版）p84，公式4-7）【设计内容】设计该制冷机组的冷凝器、蒸发器、选择热力膨胀阀型号【设计过程】一、制冷工况的确定（一）设计参数基本循环参数：压缩机功率为3HP，合3×0.735=2.205kW冷冻水进口温度ts1=12冷冻水出口温度ts2=7（给定值）冷凝温度 风冷式 t=t1+t t

4、取1015 取t=45蒸发温度 t0=0.5（ts1+ts2）-m m=68 取t0=4 冷凝器空气进口温度t1=33.5 相对湿度60%（给定值） 取冷凝器空气出口温度t2=39 相对湿度为45%过热度：3过冷度：5（二）由软件上切取工况图使用Refrigeration utilities查询此循环的参数：软件上模拟的循环图（三）由软件读取各点参数软件上切下来的参数图读取理想循环状态下各点参数如下：h1=409.017Kj/Kg p1=5.657barh2=437.332 Kj/Kg p2=17.290barh3=h4=249.673 Kj/Kg因为p2p1<8，所以采用单级压缩机。（

5、四）制冷量等的确定由软件查得的数据可得：单位质量制冷剂制冷能力q0=h1-h4=159.344KJ/kg单位容积制冷剂制冷能力qv=q0v1=3999.20KJ/kg单位质量制冷剂在冷凝器的负荷qk=h2-h3=h2-h4=187.659KJ/kg单位质量制冷剂的压缩机耗功WC=h2-h1=28.315kJ/kg理论制冷系数th=q0wc=h1-h4（h2-h1）=5.63因为假设COP=3，由此可得理论压缩机功率Pth=p*COP/=3*735*3/5.63=1174.96WPth=Mr（h2-h1）得：Mr=0.0415kg/s则有制冷量o=Mrq0=6.612kW（五）压缩机的选择由于制

6、冷量较小，而涡旋式制冷压缩机效率高，振动小和噪声低，结构简单，可靠性高，适合小型热泵系统使用。 所以决定采用涡旋式压缩机，属于全封闭压缩机，应用公式（4-21b）得冷凝器的热负荷k=0*(A+B*tk)=6.612*(0.86+0.0042*45)=6.93 kW 涡旋式压缩机样机二、蒸发器部分蒸发器为干式水箱式，采用紫铜管为传热管，换热管几何参数为：基管内径为11.00mm 基管外径为13.00mm 制冷剂走管程，载冷剂在管外。（一）确定冷冻水的出口温度ts2取冷冻水进出口温差tw为5，由ts1=7，得ts2=12（二）确定蒸发温度t0蒸发温度为4 （三）求蒸发器冷负荷0=6.612kW（四

7、）计算平均传热温差tm=ts2-ts1lnts2-t0ts1-t0=12-7ln12-47-4=5.1（五）制冷剂R22的流量Mw=0.0415kgs（六）概算所需的传热面积Ac假设热流密度=3000wm2，则Ac=0=2.204m2 （七）初步规划蒸发器结构取管内制冷剂R22的速度=4.0ms，则每程管数m=4Mwdi2=9.84取m=10这样，管束总长（即流程数n与管有效长度的乘积）等于L=Acd0m=5.399m管程数n取2蒸发器传热管有效长度为l=Ln=2.6995m总的管数为10×2=20（八）计算水侧换热系数根据管外水强迫对流换热计算公式4-30af=CRef0.6Prf

8、0.33（fw）0.14 取水流速是v=0.5m/s，Prf=9.72，C=0.22，=1330×10-6Pas所以，af=853.25w(m2k)（九）计算制冷剂（R22）侧换热系数 采用垂直管内沸腾换热，根据公式4-27，有 a=4.57（1+0.03t0）0.7=1390.3w(m2k)（十）校核热流密度实际传热系数Kc=1d0idi+id0di+0+1 0,z=602.3wm2K=Kctm=3071.73w(m2k),-,×100%=2.335%5%计算的传热数有效（十一）计算实际传热面积，布置管束Ac=0,=2.152m2保持上述确定的m=10，n=2 蒸发器有效

9、管长l=Acd0mn=2.636m（十二）校核蒸发温度所需传热温差tm'=0Kc Ac,=5.1013即所需蒸发温度为3.96，与假设的4基本一致。所以蒸发温度为4时符合要求。（十三）制冷剂在管内的流动阻力 液体在管内蒸发时的总流动阻力包括沿程阻力和局部阻力。 P=（25）rPm两相流动时，制冷剂的沿程阻力 Pm=S（ldi）×0.5×（u）2沿程阻力系数 s=0.3164（Re）0.25雷诺数 Re=udiv所以 Pm=756.5PaP=25rPm=3.5×0.82×756.5=2171.16Pa对于错排布置的蒸发器，阻力增加20%，即p2=1

10、.2×p=1.2×2171.6=2605.38Pa三、冷凝器部分（一）基本参数已知制冷量为6.612kW的R22制冷系统，冷凝器的热负荷 k=0*(A+B*tk)=6.612*(0.86+0.0042*45)=6.93 kW冷凝器空气进口温度为33.5，相对湿度为60%冷凝器空气出口温度取为39，相对湿度取为45%由焓湿图可知，h01=84.86kj/kg，h02=91.36kj/kg冷却空气的质量流量qm=Mr（h2-h3）/（h01-h02）=1.198Kg/s（二）确定肋片管束形式采用连续整体套片，基管外径do=10mm，壁厚p=0.35mm的铜管；铝肋片厚f=0.1

11、2mm，导热系数=204W/（m·K）；肋片节距e=2.5mm，管束为正三角形排列，管中心距s1=25mm，s2= s1·sin60°=21.66 mm，结构参数计算如下：每米肋管长的肋片表面积Af=(s1×s2-4d02)×2×1000e=0.343m2每米肋管长的肋片间基管外表面积APAP=1000ed0e-f=0.0299m2每米肋管长总外表面积A A=Ap+Af=0.3999m2每米肋管长内总表面积AiAi=di=0.0292m2 肋化系数 =AAi=13.70 肋通系数 a=A/（1XSi）=15.996净断面比 =s1-d

12、0（e-f）s1e=0.571 （三）计算空气侧的换热系数1. 设迎面风速va=2.4ms，则最小流动断面的速度为V=va=2.4/0.571=4.203ms2. 设气流方向肋管的排数N=43. 根据公式4-15计算肋片外表面的换热系数肋片空气通道的当量直径de=2s1-d0（e-f）si×e=4.11气流方向的肋片长度L=N×s2=129.9mm计算雷诺数Re=vde=1052.3计算系数与指数 C1=1.36-0.00024Re=1.107 C2=0.518-2.315×0.01Lde+4.25×0.0001（Lde）2-3×10-6（Ld

13、e）3=0.191n=-0.28+0.08Re1000=-0.196 m=0.45+0.0066L/de=0.589因此，a=1.1×1.027×0.116×0.0260.00411（0.12990.0041）-0.188（1385.7）0.658=44.35W（m2k）肋片形状参数 m=（2aff）0.5=60.196当量肋高l=（aR-r0）（1+0.085lgaRr0）=11.16mm 肋片效率 nf=thm.lm.l thm.l=eml-e-mleml+e-ml 所以 nf=th（m.l）m.l=0.873肋片管效率 nf.b=nf（Ap+Af）A=0.8

14、82 所以，空气侧的换热系数是 a，e=nf.b×a=39.12W（m2k）（四）计算制冷剂侧对流换热系数制冷剂为R22，定性温度45 根据此定性温度查取物性系数导热系数=0.0743Wm2 g=9.8ms2 =1106.0035kgm3 M=0.131×10-3Nsm2 r=160.58kjkg M=1.307×10-4Pas则有物性系数 =3gr2=6.04×1012W3N（m6K3s）设热流密度=287.6Wm2 ，由式4-7可知水平管内制冷剂换热系数 ac.n=0.455（di）13=5886.2W/（m2k）计算以外表面为基准的风冷式冷凝器的传

15、热系数对于铜管，不考虑管壁热阻；接触热阻Rc=0.86×10-3m2KW则有总的传热系数：Kc=1aa.e+Rc+RpA0A+ac.n-1=33.91 W/（m2k）校核热流密度tm=t2-t1lntk-t1tk-t2=8.45所以，实际热流密度=kctm=286.6Wm2相对误差=0.36%<5%所以假设的热流密度有效。（五）规划冷凝器的结构1. 所需管外传热面积Atotal=kkctm=24.21m2所需肋片管总长度ltotal=AtotalA=60.53m2. 取流程数n=1（单流程） 3. m=4Mwdi2=7.85 取每流程肋管数m=8，则单根肋管有效长度l=（1+5

16、%）ltotalmnN=1.99m （取5%的安全裕度） 冷凝器高度h=s1m=0.2迎风面积Aw=s1ml=0.3501m2（六）校核迎面风速实际风速wa=qmAw=2.48ms 相对误差=3.33%<5%，因此假设风速有效。四 、热力膨胀阀选型与计算（一）计算工况：制冷剂R22通过膨胀阀的压力降 P=1.1633Mpa蒸发温度4°C蒸发器的制冷量6.612 kW 制冷剂的质量流量是Mr=0.0415Kg/s膨胀阀进口压力 Pvi=1.7290MPa膨胀阀出口压力 Pvo=0.5657MPa 膨胀阀进口制冷剂密度VI=1128.5kg/m3膨胀阀进口制冷剂比容 vi= 0.0

17、00886 m3/kg 膨胀阀出口制冷剂比容 vo=0.01 m3/kg 流量系数 CD=0.02005*VI+6.34*vo=0.7369所以 通道面积 AV=MrCD*2*(Pvi-Pvo)/Vvi =1.099mm2考虑系统运行存在超负荷运行可能，选择采用的膨胀阀的通道面积应较计算面积加大30%，因此膨胀阀的通道面积应该是 =1.099×1.3=1.4287 mm2 （二）选型 即选用型号为TCLE750 HW的高性能T系列热力膨胀阀。五、其它辅助设备的选择（一）贮液器其容积V的7080%可容纳系统最大的小时制冷量对应循环工质的（1/31/2）即：V=0.5×149.

18、4×0.000886/0.8=0.08273m3其中：系统制冷剂小时循环量M= 149.4 kg/h；tk温度下的液态工质比容是 3'= 0.000886 m3/kg（二）油分离器已知v=0.721， Vh =0.00415 m3/s ， wo=0.9 m/s 因此，筒身直径= 0.06508m由于筒高H/D=3.34.5，故可以取筒高取H=4×0.06508=0.26032 m（三）气液分离器 D=1.59=1.59×0.0547=0.08697m3另外有H=(34)D= 3.5×0.08697=0.3044m3 （四）其他辅助设备 集油器：因为制冷剂R22与润滑油相容，因此可不设有集油器。 空分器：当使用全封闭或者半封闭制冷压缩机时，一般可不设不凝气体分离器。【参考目录】 1. 制冷工程设计手册 中国建筑工业出版社 1978年2. 制冷工程设计实例图集 中国建筑工业出版社 1999年3. 简明空调用制冷设计手册 中国建筑工业出版社 1997年4. 空气调节用制冷技术 中国建筑工业出版社 2004年5. 实用制冷工程设计手册 中国建筑工业出版社 1996