毕业设计（论文）-ZKAR-47车载空调设计

合肥工业大学毕业设计（论文）说明书设计任务：ZKAR-47车载空调系统系部名称：机械与汽车工程学院专业班级：热能与动力工程-2班姓名：学号：指导教师：系负责人：目录中文摘要……………3英文摘要……………4绪论…………………5ZKAR-47车载空调系统设计空间热负荷计算………………51.1设计计算工况………………51.2冷负荷的构成………………51.3太阳辐射得热量……………61.4从玻璃窗渗入热量…………71.5发动机传入车室内的热量…………………81.6人体散热量………………81.7其它仪器及电子设备的换热量……………91.8制冷量的确定………………92根据已给出的压缩机验证制冷量……………93膨胀阀的选择…………………124冷凝器设计……………………124.1冷凝热负荷的确定…………124.2冷凝器结构的初步规划及有关参数………124.3空气进出冷凝器的温差及风量……………124.4肋片效率及空气侧换热系数………………134.5管内R134a冷凝时的表面传热系数……144.6由热平衡关系求解管壁温度………………154.7计算所需要的传热面积……………………154.8求平均温差…………………154.9管外传热面积及结构参数…………………164.10计算空气侧阻力及选定风机……………165蒸发器设计……………………165.1蒸发器结构的初步规划及几何参数计算…………………175.2确定空气流经蒸发器的状态变化…………185.3循环空气量计算……………195.4空气侧换热系数的计算……………………195.5管内蒸发时换热系数的计算…………205.6传热系数及传热温差的计算………225.7单位热流量及蒸发器结构尺寸的确定……225.8制冷剂流动阻力及其对传热温差的影响的计算…………235.9空气侧阻力计算…………24结论…………………25谢辞…………………26参考文献……………27摘要本说明书介绍了汽车空调设计原理，以及汽车空调的发展史，主要介绍ZKAR-47车载空调系统设计，它包含了一般汽车空调系统的设计。通过比较制冷剂R134a和R12物理以及化学特性后，得出了采用前者，有保护大气臭氧层的功效，有利于维护生态平衡，对可持续发展有重要意义。本文重点在车载空间热负荷的计算，冷凝器和蒸发器的设计。本设计采用138CC排量的斡旋压缩机。为了反映作品的水平及推广与应用，我还参考了国内很多著名厂商产品的性能和技术参数。本说明书适用于车载空调系统的设计，制造，使用的参考。关键字：汽车空调、设计、制冷剂、热负荷、冷凝器、蒸发器、压缩机ABSTRACTThisdirectionsexplainstheprincipleofautoair-conditiondesignandthehistoryofthedevelopmentofautoair-condition.ItmainlyintroducesthedesignofZKAR-47carair-conditionsystemanditcontainsofthegeneraldesignofcarair-conditionsystem.AftercomparingthechemicalcharacteristicofrefrigerR134aandR12,weeducethatchoosingtheformeroneisbetterbecauseithasthefunctionofprotectingatmosphereanditisgoodformaintainingthebalanceofzoology.Notonlythis,butalsoithasasignifiablemeaningforcontinuabledevelopment.Themostimportantpointofthisarticleistheaccountofhotloadinthecarspaceanddesignsofthecondensatorandevaporator.Thisdesignadoptsthemediatecompressorof138CC.Forreflectingthelevel,theextendingandtheapplicationofthiswork,Istillconsultthefunctionofdomesticandinternationalfactory'sproduct,specificationwithtechniqueparameter.Thismanualisapplicabletothereferenceofdesign,manufacturinganduseofconsultofcarair-conditionsystem.Keywords:carair-condition、design、refriger,hotload,condensator,evaporator,compressor绪论汽车问世已有一百多年的历史。今天汽车的种类已有百余种，主要可分为客车、轿车、货车、工程特种车等几大类，拖拉机和摩托车也属于汽车的派生物。汽车现已成为人们生活中的必需品，成为房间生活的延伸部分。对房间环境的要求同样延伸到汽车上，空调便是其中的一个重要内容。汽车空调就是移动建筑的空调。汽车空调制冷技术采用的是逆卡诺循环，是通过压缩机对制冷剂气体的压缩，高压制冷剂气体在冷凝器的冷凝，通过膨胀阀的节流变成低温低压的液体，通过低温低压的液体在蒸发器内的蒸发吸收潜热而达到制冷的效果。当然真正的空调系统要远远比这复杂的多，它还包括储液器，视镜，空气过滤器，气液分离器，以及一些其他的空气调节与处理设备。1、ZKAR-47车载空调系统设计空间热负荷计算：采用直联式开启式压缩机，不设四通阀，采用膨胀阀取代毛细管，冬季采用发动机热水供暖。1.1设计计算工况：冷凝温度tk=63℃蒸发温度t0=过冷温度t4=57℃吸气温度t1=室外温度tw=35℃室内温度tn=压缩机的额定转速为n=1200r/min,制冷剂为R134a1.2冷负荷的构成冷负荷大小可由以下确定Qg=Ql+Qb+Qm+Qa+Qe+QqQl-----太阳辐射以及太阳照射得热量，单位为W。Qb-----玻璃窗渗入热量，单位为W。Qm----人体散热量，单位为W。Qa-----室外空气漏入热量，单位为W。Qe-----发动机室传入热量，单位为W。Qq-----其它仪器设备发热量，单位为W。1.3太阳辐射得热量由于太阳照射，汽车车身温度升高，在温差作用下，热量以导热方式传入车室内。太阳辐射是由直射和散射辐射构成的，车体表面温度升高后，同时向外反射辐射热。Ql=（IG+IS-IV）F=ε（IG+IS）F------------------（1）ε表面吸收系数，深色车体取ε=0.9；浅色车体取ε=0.4IG------太阳直射辐射强度，取IG=1000W/m2IS-----太阳散射强度，取IS=40W/m2IV-----车体表面反射强度。F-----车体外表面积，实侧F=1.6128m2可将太阳辐射强度化成相当温度形式，与室外空气温度叠加在一起，构成太阳照射表面综合温度tmQl=[α（tm-t0）+K(tm-tl)]F-----------------------(2)式中Ql------太阳辐射及太阳照射得热量，单位Wα-----室外空气与日照表面对流换热系数。K-------车身维护结构对室内传热系数，单位为W/（m2.k）t0------车室外设计温度为35tl-------车室内设计温度为27α应采用对流换热准则式求解，由于车速度变化范围大，车身表面复杂，难以精确计算α，一般采用α=1.163(4+12)Wc是汽车行驶速度，由于是载车所以取Wc=0α=1.163(4+12)=4.652W/(m2*k)取K=4.8W/(m2*k),ε=0.9,I=IG+IS=1040W/m2因为Ql=Ql,所以由（1），（2）推出：==47.67将各参数代入（2）式，可得：Ql=[47.67(47.67-35)+4.8(47.67-27)]1.6128=1134.11W1.4从玻璃窗渗入热量Qb太阳辐射通过玻璃窗时，一部分被玻璃吸收，提高了玻璃本身温度，然后，通过温差传热，将热量传入车体内，另一大部分通过辐射热被车室吸收。Qb=AK（tb-tl）+CAqbμA-----玻璃窗面积A=1.68*1.68=2.8224m2K-----玻璃窗的传热系数，通常取K=6.4W/m2tb-----玻璃温度,通常情况下取室外温度,tb=35tl-----车室温度,tl=27C-----玻璃窗的遮阳系数,取C=0.06μ----非单层玻璃校正系数,μ=1qb-----通过单层玻璃的太阳辐射强度,qb=τGIS+τSISτG----太阳直射透射率,取τG=0.84τS-----太阳散射透射率,取τS=0.08所以:Qb==1572.41W1.5发动机传入车室内的热量QeQe=KF（t-tn）[4]式中K为发动机通过车前围传入车室的传热系数，F为前围面积，通常KF=3.5W/℃；t为发动机室内温度，t=70℃将各数据代入Qe=KF（t-tn）Qe=150.5W1.6人体散热量QmQm=175+116(n-1)[4]175为驾驶员的发热量；116为乘客的发热量；n为乘员总数，车载一般情况下n=1所以Qm=175W1.7其它仪器及电子设备的换热量：取Qq=100W1.8制冷量的确定考虑到蒸发器换热效率，以及新风量的问题取冷量效率为70％[2]，故：Qg=(Ql+Qb+Qq+Qe+Qm)/70％=（1134.11+1572.41+100+150.5+175）/70％=4474.31W实际负荷[2]Qs=kQg==4698.02W取机组制冷量Q0=4700W2、根据已给出的压缩机验证制冷量根据车载空调工况得出压焓图R134a的压焓图状态号参数单位数值1t1v1h1℃m3/kgkJ/kg220.0745418.52t2h2℃kJ/kg88.2464.42st2sh2s℃kJ/kg81.1455.24t4h4℃kJ/kg57294.20t0h0℃kJ/kg0397.8循环热力计算:单位制冷量:q0=h0-h4=397.8-294.2=103.6kJ/kg制冷量:Q0=4700W==16920kJ/h制冷剂循环量::G=Q0/q0=163.32kg取压缩机的等熵效率ηs=0.8,则h2==464.4kJ/kg单位压缩功:W1=h2-h1=464.4-418.5=45.9kJ/kg所以压缩功:N=GW1==2082.33W压缩机的指示功Pi=N/ηi=2602.91W式中ηi=0.8实际制冷系数卡诺循环制冷系数：热力完善度：因为已经给出压缩机的排量为Vh=138cc=138cm3/r,而压缩机的额定转速为1200r/min.取输气系数为λ=0.64则该压缩机的的制冷量为Q0===6842.91W>4700W故所给压缩机符合要求．3、膨胀阀的选择系统的制冷量Q0=4700Ｗ，所以4700/3300=1.424冷吨，故选择容量为1.5冷吨的膨胀阀.根据系统制冷量Q0=4700/1.163=4047.21kcal/h<6000kcal/h因载车用故选用外平衡式热力膨胀阀.4、冷凝器设计4.1冷凝热负荷的确定：根据其制冷循环的蒸发温度t0=0℃;Qk=Pi+Q0=2602.91+4700W=7302.91W4.2冷凝器结构的初步规划及有关参数：管排方式采用正三角形排列，管间距s1=25mm，排间距s2=22mm；肋片间距sf=2.0mm肋片面积:ff=2(s1s2-db2)b1sf=2（0.025×0.022-0.01032)m2/m=0.4668m2/m肋间基管表面积:fb=db(1-)=（0.01+0.000152)(1-)m2/m=0.0299m2/m肋管外总表面积:ft=ff+fb=0.4668+0.0299m2/m=0.肋化系数.:===16.49=16.54.3空气进出冷凝器的温差及风量：温差：ta=ta2-ta1=43℃-35℃风量：Va=Qkmcpata=(7302.911.0955×1.013×8×103）m3/s=0.8226式中，空气平均密度m=1.0995kg/m3；比热容cpa=1.103W/（kg·K）；运动粘度m=17.5×m2/s；热导率f=0.02643W/（m·K）；这些物性参数的定性温度为tam=(ta2+ta1）2=℃=39℃。4.4肋片效率及空气侧换热系数：根据肋片参数，冷凝器的空气最小流通面积Amin与迎风面积Af之比：AminAf=（s1-db）（sf-f）s1sf==0.5439=0.544取迎风面风速wf=3.1mwmax=·wf=3.10.544=5.699m/s当量直径：deq=2（s1-db）（sf-f）[（s1-db）+（sf-f）]==3.29mm空气的雷诺数：Ref===1071.41单元空气流道长径比：==13.37片宽L=44mm根据附表E-1之二流体横向流过肋片管簇的整张平套片换热计算公式中：A=0.518-0.02315Ldeq+0.000425(Ldeq)2-3×(Ldeq)3=0.518-0.02315×13.37+0.000425×（13.37）2-3××（13.37）3=0.2773C=A（）=0.2773×=0.3058n=0.45+0.0066=0.45+0.0066×13.37=0.5382m=-0.28+0.08/1000=-0.28+0.08×=-0.194所以管外的表面传热系数：0=1.1（deq）CRefn（Ldeq）m=1.1××0.3058×1071.410.5382×（13.37）-0.194W/（m2·K）=69.82W/（m2·K）对于叉排管有′=1.27，其中===2.43，所以得′=1.27×2.43×0.70.5=2.58肋片当量高度：h′=（′-1）（1+0.35ln′）=×（2.58-1）×（1+0.35×ln2.58）=10.84mm肋片特性参数m==m-1=67.72其中=203W/（m·K）为铝肋片的热导率。由《制冷与空调装置》式（6-9）和（6-10），其肋片效率f=th（mh′）/mh′=th（0.734）0.734=0.93，冷凝器外表f面效率s===0.9344.5管内R134a冷凝时的表面传热系数：首先设管壁温度t*w=54℃，则平均温度tm==（54+63）/2℃=58.5℃，根据附表E-3之一R134a蒸气在管内冷凝换热有关计算式的相关参数要求，在该表备注中查得=19.85；=0.683Bm=0.683×19.85×67.30×0.009×=2962（tk-tw）4.6由热平衡关系求解管壁温度：忽略薄壁铜管热阻和管与肋片间接触热阻，则管内外热平衡关系为：（tk-tw）=sft（tw-tam）即2962（tk-tw）0.009（tk-tw）=0.934×69.82×0.4967×（tw-39）整理得83.70×=32.39（tw-39）由试凑法得tw=53.8℃时上述等式成立。此值与所设定的t*w= 4.7计算所需要的传热面积：以管外面积为基准的传热系数：K0f===32.616=32.62W/（m2·K）式中==1.892，取=0.0048，=0.35×10-3=2962×（63-53.8）-0.25W/（m2·K）=1700.34W/（m2·K）4.8求平均温差：△tm=℃=23.77℃4.9所需的管外传热面积及结构参数：管外面积F0=m2取9.5m所需的肋片管总长度L=m取垂直气流方向管排数nB=18,又沿气流方向nL=2则有宽A=m高B=nBs1=180.025=0.45深C=nLs2=20.022=0.044m考虑到迎风面风速的不均匀性，取实际宽A=0.55m，则迎风面积为：Af=AB=0.550.45=0.24实际风速wf=m/s，与原假设风速wf=3.1m/s基本相符，不必重算。4.10计算空气侧阻力及选定风机空气横向流过整套片顺排管簇时的阻力为：=47.10pa（光管肋片A=0.007，粗糙肋片A=0.0133）故冷凝器所需风机额定风量为：Va=0.8226m3H=Hst+Hdg=5、蒸发器设计5.1蒸发器结构的初步规划及几何参数计算传热管选用的紫铜管，翅片选用，翅片间距，管束按正三角形叉排排列，垂直于流动方向间距，排间距21.6mm沿流动方向管排树3。翅片为平直套片，考虑套片翻边后管外直径为：沿气流方向管间距：250.866=21.65mm每米管长翅片的表面积：每米管长翅片间管子表面积：每米管长的总传热外表面积：（0.4148+0.0297）=0.4445m2每米管长光管的外表面积：（3.141590.01041）=0.03267每米管长的内表面积：（）每米管长平均直径处的表面积：=0.03094由以上计算可得：翅化比：0.4445/0.02920=15.226净面比：沿气流方向套片长度：5.2确定空气流经蒸发器的状态变化取室内侧空气干球温度，湿球温度，，由I-D图查得干空气，干空气；d2=8.9g/kg在湿空气的焓——湿图（i—d图）上连接空气的进出口状态点1和点2，并延长与饱和空气线相交于W点，如图所示的参数i2=32.5kJ/kg在蒸发器中的平均焓为h-d图在i—d图上由过程线1—2与线的交点，读得：℃由此得出析湿系数5.3循环空气量计算进口状态干空气比容故空气体积流量为：5.4空气侧换热系数的计算5.4.1空气侧干换热系数的计算，取迎风面风速、翅片沿空气六方向长，当量直径，最窄处风速由℃，从《制冷工质热物理性质表和图》查得空气的物性参数如下：空气运动的黏度，空气导热系数故又因管路为正三角形叉排布置，则有5.4.2六角形翅片当量翅高为：翅片参数[铜管在20.3℃时，]凝露工况下翅片效率为：5.5管内蒸发时换热系数的计算R134a在时的物理性质如下：饱和液体密度：饱和蒸气密度：汽化潜热：饱和压力：R134a进入蒸发器（5点）干度为 X=0.37，出口干度（0点）X=1.0.，在=0℃时查取B=1.284.(B为与制冷剂种类和蒸发温度有关的数)，则总流量为式中r~0℃时的汽化潜热，单位为kJ/kg估计内表面热流量，参照表4-6[2]制冷剂流速的推荐范围，并考虑到在相同的情况下其对流表面换热系数和阻力比要大，故取管内的质量流速，则总流通截面为：每根管的有效截面为故蒸发器的分路数取Z=3，每一分路流量为：于是在管内蒸发时换热系数为5.6传热系数及传热温差的计算由于与润滑油互溶，可忽略管内侧污垢热阻，取管壁导热热阻和翅片与管壁接触热阻之和为，则有若不计阻力对蒸发温度的影响，则传热温差为℃5.7单位热流量及蒸发器结构尺寸的确定又故有用试凑法解得：与愿假设的基本相符，不需要在重新计算从而可得所需传热面积为：据此可确定蒸发器的结构尺寸所需的传热管长迎风面积取蒸发器长A=400mm，高B=150mm，则实际迎风面面积已选管间距，故没排管子数,即为6列已选深度方向（沿气流方向）＝６排，故共布置３６根传热管，其总长，略大于，故设计满足要求5.8制冷剂流动阻力及其对传热温差的影响的计算R134a质量流速g==166.73kg/(m2s),按设计值Fi=L1di=0.445m2,qi=Q0/Fi=10561.8W/m2R134a在管内蒸发时阻力计算如下：==5.79KPa(制冷剂分六路流入蒸发器)R134a在管内蒸发时蒸发温度降低值为：Δt0==0.5故实际传热温差为：与计算中所用的θm=19.56℃5.9空气侧阻力计算空气的平均参数为：==0.836==1.196空气流经平翅片管束，得干工况下为：=52.07PaA=0.0113凝露工况下由于凝结水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：，——凝露工况下阻力增加系数，由D=1.62查得A=1.26则结论本次设计