毕业设计（论文）-6kw卡车空调制冷系统匹配及优化设计

合肥工业大学本科毕业设计6kw卡车空调系统匹配PAGE3-合肥工业大学毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目6kw卡车空调制冷系统匹配及优化设计学院名称机械与汽车工程学院专业（班级）姓名（学号）指导教师目录中文摘要……………3英文摘要……………4绪论…………………51卡车冷负荷估算…………………61.1工况条件……………………61.2冷负荷的构成………………61.3太阳辐射得热量……………61.4玻璃窗渗入热量……………71.5人体散热量…………………71.6制冷量的确定………………71.7小结…………72热力计算…………82.1热力计算……………………82.2膨胀阀的选择………102.3压缩机的选配……………102.4小结………………………113管带式冷凝器设计计算…………123.1确定冷凝器的热负荷及空气流量…………123.2结构初步规划………………123.3计算空气侧换热系数………123.4计算管内侧冷凝换热系数…………………133.5计算总传热系数及传热面积………………143.6确定冷凝器尺寸……………153.7计算空气侧阻力……………153.8小结…………154管翅式蒸发器设计计算…………164.1工况计算……………………164.2设计及计算…………………164.3确定流经蒸发器的状态变化过程…………174.4计算循环空气量……………174.5空气侧换热系数计算………184.6计算空气侧当量对流表面传热系数………194.7计算管内R134a蒸发时对流表面传热系数………………194.8传热温差初步计算…………214.9计算传热系数………………214.10核算………………………214.11确定蒸发器的结构尺寸…………………224.12制冷剂流动阻力及其对传热温差的影响………………224.13空气侧阻力计算…………234.14小结………………………235汽车空调辅助设备………………245.1储液干燥器…………………245.2气液分离器…………………245.3油分离器……………………245.4连接软管……………………245.5电磁离合器…………………255.6截止阀………………………25谢辞…………………26参考文献……………27附录…………………28Ⅰ.R134a热力性指标…………28Ⅱ.制冷剂饱和气体比定压热容表……………29Ⅲ.制冷剂饱和气体热导率查询………………30Ⅳ.膨胀阀选择附表……………30Ⅴ.冷凝器优化设计程序………31摘要：本文主要针对卡车汽车空调系按照常规的设计步骤进行了设计运算。汽车空调是空气调节的重要分支，有其自身独有的特点：热负荷较大，由发动机驱动时制冷性能与行车速度有关，汽车空间紧凑，空调布置较困难，制冷剂易泄漏。根据以上特点，在设计过程中应逐一渗透，全面考虑。本文首先对汽车空调的热负荷进行了比较简单的估算，涵盖了汽车车厢内的五大部分，根据所计算的热负荷，合理地选择汽车空调的压缩机和膨胀阀。蒸发器和冷凝器的设计计算是汽车空调设计的重点，根据压缩机的制冷量要设计与之相配的蒸发器和冷凝器。初步确定蒸发器采用管片式蒸发器。冷凝器采用管带式冷凝器，由于冷凝器安装在车身前端，空间十分有限，安装布置应尽量紧凑，管带式冷凝器换热系数大，相对换热面积较小，符合紧凑的特点要求。对汽车空调中的其它辅助设备如贮液器、干燥器、气液分离器、油分离器、连接软管，电磁离合器等设计中只作了全面而简洁的介绍。关键词：汽车空调、热负荷、压缩机、蒸发器、冷凝器Abstract:ThistextaimedattheTruckairconditiontoproceedthedesignstepofthenormalregulations.Carairconditionisaimportantbranchoftheaircondition,haveit’stheoneselfcharacteristics.Ithasheavyheatload,fromlaunchthemachinedrivethecoldfunctioninsystemhassomethingtodowithacarspeed,carspacetightlypacked,theairconditionerarrangesmoredifficult,therefrigerantinsystemleakseasily.Accordingtotheabovecharacteristics,weshouldpermeatealltheseonebyoneindesignprocess,consideritcompletely.Thistextfirstcalculatestheheatloadofcarairconditionercompletely,accordingtoheatload,choosethecompressorandexpansionvalveofthecarairconditionreasonably.Thedesignofevaporatorandcondenserofthemachineisthekeyoftheautocarairconditiondesign,accordingtothecompressor’srefrigeratingcapacitywedesignevaporatorandcondenserwhichtheymatcheachother.Firststepistoconfirmtheadoptionofevaporatormachineispiece-tubeevaporator.Choicethefrontandbackseparatedevaporatortosatisfythecoldeffecttobalancesystemoftheinsidecarcompartment.Condensertakestypeinalar-tubecondenser,becausethecondenserinstalledintheheadpartofacar,thespaceisverylimited,installmentandarrangementshouldbebesttightlypacked,matchthecharacteristicsofthetightlypacked.Accordingtotheotherequipmentswithincarairconditioner,suchasreceives、drier、gas-liquidseparator、oilseparatemachine、conjunctionsofttube、electromagnetismclutchetc.Thedesignintroducesallthesecompletebutbriefly.Keywords:autocarairconditioner、compressor、evaporator、condenser绪论近年来，随着国民经济的持续发展和人们对质量要求的日益提高，我国的汽车产业得到了较快的发展。而汽车空调作为空调技术在汽车上的应用，它能创造车室内热微环境的舒适性，保持车室内空气温度、湿度、流速、洁净、噪音、余压等在在热舒适的标准范围之内，不仅有利于保护司乘人员的身心健康，提高其工作效率和说质量，而且还对增加汽车行使安全性具有积极的作用。因而汽车空调技术正成为提高汽车时常竞争能力的重要手段之一，也成了汽车工业发展的重要标志，其发展前景广阔。汽车空调作为空调产业的一个分支，但又有着鲜明的特点，决定了它在结构、材料、布置、设计、技术要求等方面和其它空调有着较大的差别。动力源的使用由于汽车空调的压缩机不是靠主动发动机就是靠辅助发动机驱动，这就决定了策划用空调压缩机只能采用开启式的结构形式，带来了轴封要求高和制冷剂容易泄露的问题。而且，当压缩机为发动机主驱动的时候，其制冷能力随车速和负荷的变化较大，难于维持稳定的空调工况作为空调的对象，汽车车室容积狭小，人员密度大，流动性大，车身热工性能和密封性能都较差，其热湿负荷大，气流分布难以均匀，要求所配备空调机组制冷量大，能降温迅速必须考虑空调装置对汽车动力与操纵性能的影响，也必须考虑由于唱歌素变化幅度大或变化频繁，给空调系统制冷剂流量控制、制冷量控制、系统设计带来的影响。汽车本身结构紧凑，可供安装的空间有限，不仅对空调的外型、体积和质量要求较高，而且对性能和选型也会来影响汽车是运动中的物体，要能适应道路颠簸等各种路况包括汽车空调系统个组成不见在内的汽车零件振动、噪音、安全、可靠等方面的技术要求更严格。车用空调装置的结构、外观设计和布置，出必须与车身内饰协调、统一，保持整车的完美以外，海笔许考虑其对汽车底盘等结构部件及汽车行使稳定性、安全性的影响，这是普通空调设计不会碰到的国外汽车空调技术的发展，不论是汽车空调部件汽车空调系统，目前都是为要着环境保护、提高效率、节能节材，减轻质量、缩小体积、降低震动与噪音、操作维修方便，安全可靠等几方面展开，而且总是与汽车开发同步进行的。比如，未来新型空调系统的开发，必须适应发动机效率的提高、电气化、混合驱动动力其它新型零部件使用后导致的空调系统的新变化等而我们国家汽车空调业目前正处在CFC12向HFC134a过渡时期，车用空调面临新的技术改进。因为，HFC134a系统与CFC12相比，其选配的压缩机排量要求较大，其阀片、主轴等零件机械强度也需提高；其冷凝器、蒸发器应有更良好的换热能力；其所选用的软管应采用尼龙复合软管，因为R134a分子直径比R本设计主要涉及卡车空调系统主要部件的设计,包括蒸发器和冷凝器的设计。1．卡车冷负荷估算1.1工况条件：冷凝温度=63oC，蒸发温度=0oC，过冷温度=58oC过热温度=10oC，室外温度,室内温度1.2冷负荷的构成：冷负荷的大小可由下式确定（1-1）其中，太阳辐射及太阳照射得热量，单位为W玻璃窗渗入量，单位为W人体散热量，单位为W室外空气漏入量，单位为W发动机室传入热量，单位为W其他仪器，设备发热量，单位为W卡车总体参数，总体尺寸颜色为浅色，计算需要的各部分面积：1.3太阳辐射得热量（1-2）（1-3）其中取，，可以得到（1-4）将带入（1-3）得到1.4玻璃窗渗入热量（1-5）其中—玻璃窗面积—玻璃窗传热系数取--玻璃温度，取室外温度--车室内温度--玻璃窗遮阳系数取0.06--非单层玻璃校正系数取1.1--通过单层玻璃的太阳辐射强度，单位为--透过窗玻璃的太阳直射透射率，取0.84--透过窗玻璃的太阳散射透射率，取0.081.5人体散热量（1-6）其中n乘坐人数n＇修正系数，取0.891.6制冷量的确定（1-7）考虑到实际情况1.7小结由于汽车空调工作条件恶劣，汽车围护结构蓄热能力较小，以及要求汽车空调在短时间内降温或升温等特殊性，故汽车空调制冷容量大小选取一般都按照其的热量来计算，这样选取的结果使汽车空调容量稍许偏大一点，但也更安全可靠。2．热力计算2.1热力计算已知工况条件：冷凝温度=63oC蒸发温度=0oC过冷温度=58oC过热温度=10oC查压焓图确定各工作点状态图2.1压焓图1图2.2压焓图22点的确定=461.64（2-1）计算各性能参数：已有R22的压焓图查得以下各点状态0点T0=0oCP0=2.85102kPah0=397.53x0=11点T1=10oCP1=2.95102kPah1=406.37ν1=0.072m32s点T2s=77.19oCP2s=18.1102kPah2s=446.16ν2s=0.0119m3P3=18.1102kPah3=292.164点T4=57oCP4=18.1102kPah4=284.055点T5=0oCP5=2.89102kPah5=284.05x5=0.425m3A．单位制冷量=397.53-284.05=113.48（2-2）B.单位容积制冷量=1576.11kj/m3（2-3）C．单位理论功=446.16-406.37=39.79（2-4）D.实际功=55.27（2-5）E.单位冷凝热负荷=461.64-284.05=117.59（2-6）F.制冷剂流量=6/113.48=0.0529kg/sG.压缩机的理论功率=2.104kw（2-8）H.压缩机的指示功率=2.923kw（2-9）I..实际制冷系数=2.05（2-10）J.冷凝热负荷=9.395kw（2-11）取输气系数，从而得压缩机的排气量：（2-12）2.2膨胀阀的选择 热力膨胀阀是一种节流装置，它是制冷系统中自动调节制冷剂流量的元件，广泛的应用于各种空调制冷系统中。热力膨胀阀的工作特性好坏直接影响整个制冷系统能否正常工作。热力膨胀阀以蒸发器的过热度为信号，根据信号偏差来自动调节制冷系统的制冷剂流量，因此它是以发信器、调节器和执行器三位一体的自动调节器。具体的说热力膨胀阀有三个作用：1节流降压2自动调节制冷剂流量3控制制冷剂流量系统制冷量Q0=6.6Kw，即6000/3300=1.818冷吨，故选用容量为1.9冷吨的膨胀阀。根据系统制冷量选用内平衡膨胀阀系列，型号为CTV1.9N的热力膨胀阀。其额定功率为1.9RT。（具体见附表）2.3压缩机的选配图2.3压缩机选型软件参数图其中图2.4压缩机质量流量参数与实际计算基本符合故选择谷轮牌压缩机，型号为ZR61KCE-TF52.4小结热力计算系系统设计的基础以及必要步骤，在此过程中的数据很重要，对后面的设计及计算过程影响很大。

3．管带式冷凝器设计计算3.1确定冷凝器的热负荷及空气流量由热力计算求得，取进出口温差，则空气流量为：（3-1）3.2结构初步规划：选定冷凝器采用扁孔管数=8的矩形光管，管壁厚0.6mm，管厚D=5mm，宽B=54mm，矩形流道尺寸，翅片采用厚的铝翅片，翅片间距P=1.5mm，翅片高度h=16mm，翅片为百叶窗结构，百叶窗节距，百叶窗长度为13mm，倾角为32o取冷凝器的迎面风速W=4.5m/s，据此可以计算：翅片面积：（3-2）管外壁面积：（3-3）管内壁面积：（3-4）管外壁总换热面积：（3-5）3.3计算空气侧换热系数：迎风比：（3-6）最大风速：（3-7）两叶片间流道当量水力直径为：（3-8）进出口平均温度时各项状态参数为：空气运动粘度：热导率：密度：空气普朗特数：特征尺寸取百叶窗叶片间距:（3-9）（3-10）谢努尔数：（3-11）（3-12）3.4计算管内侧冷凝换热系数：冷凝温度为63时R134a的物性为：饱和压力为：1.798MPa比容：比热：比焓：粘度：热导率：平均扩算率：（3-13）（3-14）则制冷剂平均流速为：（3-15）M为每流程制冷剂流量单位g/s当量直径：（3-16）（3-17）管内制冷剂换热的谢努尔数：（3-18）（3-19）3.5计算总传热系数及传热面积：取污垢系数，单位为：则总的传热系数为：（3-20）平均传热温差（3-21）所需传热面积：（3-22）冷凝管总长：（3-23）3.6确定冷凝器长度：，考虑设计应该有一定的裕度，故采用的排管，则换热器的实际长度为：（3-24）换热器高度为：（3-25）故实际迎面风速：（3-26）式中为实际迎风面积实际风速与取定值相差不大，计算误差可以容忍。当计算结果与预设值相差较大时，必须修正方案，重新计算。3.7计算空气侧阻力阻力计算：（3-27）（3-28）3.8小结制冷剂蒸气在冷凝器中直流通过，制冷剂的状态变化可分为过热蒸气区、两相区、过冷液体区。制冷剂在这三个区域中的物理性质和换热机理不同，因此换热系数有较大区别。有关研究表明，制冷剂蒸气在过热区的换热系数比两相区低，但传热温差比两相区大。其结果是两相区和过热区单位热流量几乎相同，过冷区的热流量要低一些。但是在汽车空调冷凝器中制冷剂的过冷度通常较小，过冷区的传热量占总传热量的比例很少，因此，在设计计算时可将整个区域看作是两相区，这样可使设计工作大为简化，以便手算工作的进行。4．管翅式蒸发器设计计算4.1工况计算：进口空气状态参数：干球温度=27oC，相对湿度51%出口空气状态参数：干球温度=12oC，相对湿度90%4.2设计及计算1.蒸发器结构的初步规划及几何参数的计算传热管选用Φ9.530.35的紫铜管，翅片选用=0.2的铝片，翅片间距=2.2，管束按正三角形叉排排列。垂直于流动方向间距为=25，沿流动方向管排数=6排。翅片为平直套片，考虑套片翻边后管外径为：=(9.53+20.2)=9.93(4-1)沿气流流动方向的管间距为：=(250.866)=21.65(4-2)每米管长翅片的表面积：=0.4217(4-3)每米管长翅片间的管子表面积：=0.0284(4-4)每米管长总传热外表面积：=0.284+0.4217=0.4501(4-5)每米管长的外表面积：=3.14160.009931=0.0312(4-6)每米管长的内表面积：=3.14160.00931=0.029202(4-7)每米管长平均直径处的表面积：=0.0295(4-8)由以上计算可得：==14.26(4-9)翅化比：=16.25(4-10)净面化：=0.548(4-11)4.3确定流经蒸发器的状态变化过程由给定的进出风参数查湿空气的焓湿图得出i1=60d1=12.3g/kg，i2=32.5，d2=8.9g/kg，在湿空气的焓湿图上连接空气的进出口状态点1和2，并延长至饱和空气线与其相交于W点，iw=29，dw=7.51g/kg，在蒸发器中空气的平均比焓为：=41.6(4-12)由h-d图按过程线与=41.6线交点得=17.5oC,=9.4空调工况下析湿系数可近似由下式确定：=1.62(4-13)4.4计算循环空气量：=785.4(4-14)进口状态下干空气的比体积可由下式确定（干空气的气体常数Ra=287.4）=0.872(4-15)故循环空气的体积流量=785.40.872=684.9(4-16)4.5空气侧换热系数计算计算空气侧干工况下对流表面传热系数：取迎面风速,翅片沿气流方向长度,当量直径,(4-17)最窄处风速(4-18)空气平均温度为(4-19)空气再19.5oC时的物理性质为：空气导热系数=0.0259空气运动粘度=1510-6故(4-20)又因为管路为正三角形叉排布置(4-21)4.6计算空气侧当量对流表面传热系数其中(4-22)对于正三角形叉排排列的平直套片管束，翅片效率可由式(4-23)确定，叉排时翅片可视为六角形，此时翅片的长对边距离和短对边距离之比且故，翅片折合高度为mm翅片参数为故在凝露工况下的翅片效率为(4-23)(4-24)4.7计算管内R134a蒸发时对流表面传热系数R134a在0时的物性如下：饱和液体密度：=1276饱和气体密度：=17.349液体粘度：气体粘度：液体导热系数：气体导热系数汽化潜热：普朗特数：R134a在管内蒸发的传热系数可由(4-29)计算，已知R134a进入蒸发器的干度，出口干度,则R134a的总质量流量为,作为迭代算法的初值，取内表面热流密度，参照制冷剂质量流速的推荐范围，取R134a在管内的质量流速为，，(4-25)每根管子的有效流通截面为(4-26)蒸发器的分路数，取Z=6则每一分路中R134a的质量流量为，每一分路中R134a在管内的实际质量流速为=142.97kg/(m2s)，R134a的平均干度为，于是，故取以及(4-27)(4-28)查表知R134a的值为1.63，将以上数据带入式(4-29)4.8传热温差初步计算暂时不计R134a的阻力对蒸发温度的影响(4-30)4.9计算传热系数取(4-31)4.10核算假设(4-32)(4-33)所取值与核算值近似可以使用！4.11确定蒸发器的结构尺寸蒸发器所需的表面传热面积(4-34)(4-35)蒸发器所需传热管总长：(4-36)迎风面积：(4-37)取蒸发器宽310mm高H=250mm，故实际迎风面积为0.0775m2，已选定垂直于气流方向管间距25mm，故垂直于气流方向每排管子数为沿气流方向传热管布置6排，蒸发器共60根管。实际总长为L=0.31106=18.6m传热管的实际内表面传热面积，(4-39)说明蒸发器约有12.1%的裕度，考虑到各种负面影响，保留一定的裕度是必要的。4.12制冷剂流动阻力及其对传热温差的影响R134a的质量流速=142.97kg/(m2s)(4-40)按设计值(4-41)R134a在蒸发管内的阻力可计算如下:(4-42)(4-43)故实际传热温差:(4-44)与计算中所用的温度基本相符合,故认为合格!4.13空气侧阻力计算在蒸发器中空气的平均参数:比容:(4-45)密度:空气流过套片翅片管簇，在工况下的阻力为：(4-46)凝露工况下由于凝结水滞留在翅片表面形成一薄层水膜，因而凝露工况下空气侧流动阻力增大，则有：(4-47)其中为凝露工况下的阻力增加系数，由查得=1.26据上选择风机！4.14小结设计过程中迭代算法是个重要的方法，其计算出的数据在本节中也相当重要，因此在计算过程中反反复复的计算了数次，结果比较理想。另外，计算过程中，由于粗心，算错了不少次，因此，细心在设计和工作中是非常重要的！5．汽车空调辅助设备1．储液干燥器储液干燥器和冷凝器组装在一起，它安装在发动机左前方纵深梁上，由过滤器、干燥剂窥视玻璃孔，组合开关、及引出管组成。用来临时存储冷凝器液体的制冷剂并进行干燥和过滤处理：1.存储制冷剂2.过滤异物3.吸收系统中的湿气，以防止湿气造成“冰塞”对系统管道腐蚀。使用储液干燥器时应注意以下几点：1.垂直安装（一般偏斜在15°之内）。2.进出口不能接错。3.安装或维修制冷系统时，储液器应最后接入系统。2．气液分离器气液分离器的作用是留下液态制冷剂，使其在低压区内缓慢蒸发，离开气液分离器的只是气态制冷剂，因而起到气液分离，防止压缩机液击的作用。当用节流孔管代替膨胀阀时，汽车空调制冷系统要在低压侧安装气液分离器。用于压缩机吸气管路中气液分离，以防止液击。3．油分离器油滴靠气流速度的降低及填料层过滤作用面分离。在汽车压缩机工作过程中一部分润滑油因受高温的影响也随着气化，混合在制冷剂中排出，当其进入冷凝器和蒸发器后，就会在管壁上凝结成一层油膜，油膜的导热系数很小，会导致冷凝器和蒸发器的传热效率。因此，制冷剂气体中的润滑油应当在压缩之后设法排回压缩机，而油分离器起的正是这个作用，它安装在压缩机和冷凝器之间。4．连接软管由于汽车空调的各组成部件一般分散安装在汽车的各个部位，如压缩机与发动机连成一体，冷凝器与干燥器安装在车架前端上，而蒸发器又安装在车室内。当汽车在颠簸的道路上行驶时，各部件均产生振动，因而制冷系统不能用刚性金属管连接，只能用柔性橡胶软管连接。汽车空调软管易发生泄漏，其原因有以下几个方面：1软管材料选用不当。2软管外层材料耐氧化性不高，很快软管接头处和内胶层渗漏加速。3软管的材料的耐寒性不好，脆性温度高及胶料压缩永久变形过大。4接头出与软管连接处铆压力不当。5．电磁离合器汽车空调用的电磁离合器，其作用是将汽车发动机的动力，经电磁离合器传递给压缩机主轴，使压缩机运转，完成制冷循环。压缩机的工作或停转，由电磁离合器线圈电源的通断来进行控制。电磁离合器有定圈式和动圈式两种。6．截止阀为了防止制冷剂也会流入压缩机，所以在管路上安装截止阀。

感谢本次毕业设计是我大学本科四年中最为重要的一次设计学习。是对我所学专业课知识比较全面的考察，对我将来步入工作岗位也有着一定的基础作用。我所选择的毕业设计题目是6kw卡车汽车空调系统设计，这是空调制冷行业的重要组成部分，同时也是我所感兴趣的一门技术，在图书馆和各教材以及上网的过程中查阅了大量的资料，并在指导老师唐景春老师的帮助下逐步理清了设计思路，根据自己的设计步骤扎实的做好每一步设计。在设计的过程中曾遇到很多实际的问题，由于自己学习专业知识不够扎实和遗忘而无从下手，制冷教研室的各位老师和我的同学都给了我很大的帮助，在这里我向他们表示衷心的感谢。参考书目陈孟湘.汽车空调.上海：上海交通大学出版社，2001缪道平，吴业正.制冷压缩机.北京：机械工业出版社，2005吴宝志.汽车空调.宇航出版社，1992薛殿华.空气调节.北京：清华大学出版社，2004吴业正.小型制冷装置设计指导.机械工业出版社，2004谷超豪等.数学物理方程.北京：高等教育出版社，2002张强.高等传热学学习指导及习题详解.西安：西安交通大学出版社，2001《制冷学报》、《汽车空调》、《压缩机技术》、《流体机械》、《冷冻》等刊物有关文献。附录Ⅰ.R134a热力性指标Ⅱ.制冷剂饱和气体比定压热容表Ⅲ.制冷剂饱和气体热导率查询Ⅳ.膨胀阀选择附表Ⅴ.冷凝器设计优化程序1首先建立目标函数文件lnq.mfunctionf=ff8(x)f=-109.42*25.964*((x(3)+x(4)-0.429*x(5)+0.343)/(2*(x(4)-x(5))*(x(3)-x(5))*0.001))^0.342*(1347-x(3