空调器设计(毕业设计)-

摘要R22（CHF2Cl，二氟一氯甲烷）是目前应用十分普遍的一种制冷剂，其ODP为0.034，GWP为1700，由于它含有氯原子，对臭氧层有破坏作用，即将被禁用。从对环境的长期影响来看, 自然工质比合成工质具有不可比拟的优势，比如R1270（俗称丙烯）。丙烯优点是易于获得，价格低廉，凝固点低，对金属不腐蚀。丙烯可燃, 消耗臭氧潜能值为零, 环保性能好，对人体的毒性也近于零毒性，饱和蒸汽压接近R22。丙烯的单位容积制冷量和COP与R22接近, 压缩比和排气温度也低于R22，这有利于提高压缩机的运行寿命。随着科学不断地发展，新型制冷剂将逐步取代R22等对环境有破坏的制冷剂。本文的内容是设计出以R1270为工质的分体式家用空调器，制冷量为3500W。首先选以R22作工质的压缩机型号，我选择的的型号是SL211CV,然后进行热力计算，算得制冷量为3747W，冷凝热负荷为4707W。冷凝器的迎风面积为0.3957m2，蒸发器的迎风面积为0.4997m2。节流装置选用直径2mm，长1.46m的毛细管，最后用SolidWorks绘制室外机三维图。关键词：R22 ，R1270，替代工质，空调，设计III ABSTRACTR22 (CHF2C)is a very common application of refrigerant, the ODP is 0.034, GWP is 1700, because it contains chlorine atoms, has damaging effects on the ozone layer, is about to be disabled. From long-term impact on the environment, the synthesis of natural refrigerant than refrigerant has unparalleled advantages, such as R1270 (commonly known as propylene). Propylene advantage of easy access, low cost, low freezing point, non-corrosive metal. Propylene flammable, zero ozonedepleting potential, good environmental performance, the toxicity of the human body may be close to zero toxicity, saturation vapor pressure close to R22. Propylene refregeration unit volume and the R22 and COP close to the compression ratio and exhaust temperature is also lower than the R22, which is conducive to enhance the operational life of the compressor. With the continuous development of science, the new refrigerant R22 will be gradually replaced by damage to the environment, such as refrigerants. This article is designed for the working fluid in the R1270 home split air conditioners, refrigeration capacity of 3500W. First elected to conduct a qualitative R22 compressor models, I chose to model is the SL211CV, and then proceed to the heat, the cooling capacity can be said for the 3747W, condensing heat load of 4707W. Condenser area of the wind 0.3957m2, evaporator area of the wind 0.4997m2. Selection of cutting device diameter 2mm, length of capillary 1.46m, and finally with SolidWorks of three-dimensional graph drawing outdoor unit.Key words：R22 ，R1270，substitute，air conditioning，project常用符号表A面积，m2L长度，mr热阻，半径，气化潜热，/W，m，J/kgd直径，含湿量，m，g/kg换热系数，W/(m2K)T温度，密度，kg/m3u流速，m/s动力粘度，kg/(ms)Cp比热容，kJ/(kg）导热系数，W/(m2)Q热量，J运动粘度，m2/sV风量，m3/s效率q单位制冷量，kJ/kg板片螺旋角,肋化系数Re雷洛数厚度，mmNu努塞尔数表面张力，N/mv风速，m/s压缩比h焓值，kJ/kgV比容，m3/kgt温度，P压力，PaG质量流量，kg/si比焓值，kJ/kgw迎面风速，m/s析湿系数阻力增强系数deq当量直径，m目录摘要IABSTRACTII常用符号表III一、绪论11. 课题研究背景及意义1（1）氟利昂对环境的影响1（2）R22的应用现状22.R22替代物的相关研究3（1）R22替代工质的研究3（2）R22替代工质的循环特性分析5二、空调器设计101.空调器压缩机选择及热力计算10（1）压缩机10（2）压缩机选型10（3）压缩机校核及热力计算18112.冷凝器设计13（1）冷凝器结构13（2）选择冷凝器14（3）冷凝器设计173.蒸发器设计22（1）蒸发器的结构22（2）冷却强制流动空气的干式蒸发器的计算244.节流机构的选择31（1）制冷剂液体膨胀过程分析31（2）节流机构的选择及计算过程32三、总结和展望351.总结352.展望36致谢37附录38参考文献39一、绪论1. 课题研究背景及意义（1）氟利昂对环境的影响1974年，美国加利福尼亚大学的莫利纳（M.J.Molina）与罗兰（F.S.Rowland）教授发表了关于臭氧耗损与氯氟烃类物质(Chlorofluorocarbon，简称CFCs)的研究结果：CFCs类物质扩散至同温层后，在短波紫外线UV-A的照射下分解形成高活性的氯自由基，通过链式反应，催化分解臭氧分子，从而破坏臭氧层。1985年，英国科学家法尔曼（J.C.Farman）等人总结他们在南极哈雷湾观测站（Halley Bay）的观测结果，发现了南极上空的臭氧空洞，证实了这一理论的正确性。1985年臭氧空洞的最大面积约为1400万平方公里。到2006年10月，臭氧空洞最大面积已经发展到2745万平方公里。值得庆幸的是，观测数据和模式计算表明，全球平均臭氧层耗损量目前已经趋于稳定。CFCs与HCFCs（氢氟氯烃，hydrochlorofluorocarbon）物质除了耗损臭氧外，还是一种“温室气体”。尽管其排放量远不及CO2，但由于CFCs和HCFCs的大气寿命长，所以它对全球气候变暖的贡献仍然可观。1990年左右，CFCs、HCFCs和HFCs（氢氟烃，hydrofluorocarbon）的CO2当量排放总量出现峰值7.50.4GtaCO2当量/年，到2000年左右，下降为2.50.2GtaCO2当量/年，相当于同期全球化石燃料燃烧所产生排放的10%。CFCs在1987年制定的蒙特利尔协议书中被限制使用，到目前为止，R11、R12等具有较高臭氧破坏潜能值ODP（Ozone Depletion Potential）的CFCs类物质已被基本禁用。由于R22、R401A等HCFCs类物质中也含有氯原子，仍然会对臭氧层有一定的破坏作用，故在1993年制定的哥本哈根修正案中也被限制使用。对于R134a、R407C，R410A等不含有氯原子的HFCs类物质，由于具有较高的全球变暖潜能值GWP（Global Warming Potential），1997年制定的京都议定书将HFCs列为6种温室气体之一。1（2）R22的应用现状R22（CHF2Cl，二氟一氯甲烷）是目前应用十分普遍的一种制冷剂，其ODP为0.034（取R11的ODP为1，后同），GWP为1700（取CO2的GWP为1，100年，后同）。不同的国家对R22的禁用时间有很大的差别，表1-1中列出了一些国家对R22的禁用日程。我国政府于2003年4月正式签署关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书（哥本哈根修正案），也就是说我国已正式承诺将遵守逐步禁用HCFCs（包括R22）的国际义务。该修正案规定，对于发展中国家，于2040年完全淘汰HCFCs。表1-1示出了我国每年HCFCs的生产和消费情况，从图中可以看出，1998年之后，我国HCFCs的生产和消费呈每年递增。2005年我国HCFCs的生产和消费分别为32.8万t和22.1万t，其中R22的产量已经达到26万t，由此表明R22在我国制冷空调领域中的应用占有相当大的份额。面对国际上积极从事R22替代研究以及加速淘汰R22的大趋势，我国作为空调器生产大国，在空调器出口销售快速增长的形势下，如果强调我国尚有30多年时间才能最终淘汰R22的话，必然会在国际市场竞争中失去很多机会。2表1-1 一些国家对R22的禁用日程国家禁用日程（年）禁用范围欧盟2015全面瑞典1998新设备中禁用所有HCFCs德国2000新设备中禁用R22奥地利2002新设备中禁用所有HCFCs瑞士2005新设备中禁用所有HCFCs意大利2008新设备中禁用所有HCFCs新西兰2015新设备中禁用所有HCFCs日本2010新设备中禁用R22综上所述，虽然R22有很多优良的特性，但是终究会被淘汰。因此我们开展R22循环性能分析及其替代工质研究，具有重要的理论意义和应用价值。图1-1 我国每年HCFCs的生产和消费情况2.R22替代物的相关研究（1）R22替代工质的研究1）纯工质美国国家标准局和技术研究院通过对元素周期表的研究发现，能够用于蒸气压缩式制冷循环的物质集中在的51种化合物：15种碳氢化合物、5种氧化物、3种硫化物、19种氟利昂、4种其他化合物。其中最有可能作为R22替代工质的是碳氢化合物及氟利昂物质。3R134a周德信4等通过建立单相区和两相区毛细管模型，研究了R134a代替R22后的毛细管的质量流量随冷凝温度、过冷度、毛细管直径和长度的变化规律，在相同的条件下，R22的质量流量比R134a大。陈嘉澍等2006年实验研究了家用热泵热水器采用R22和R134a作为制冷工质时的加热效果和性能系数，结果表明：R134a系统将90L水加热到50需要的时间比R22多40分钟；R22系统的性能系数COP（Coefficient of Performance，性能系数）比R134a高23.1%。碳氢化合物（Hydrocarbon，HCs）目前替代R22的碳氢化合物主要有丙烷（R290）、丙烯（R1270）等。截止到2000年，在德国冰箱和冷藏设备采用HCs作制冷剂的占到了90%以上，欧洲平均达到25%左右。5用R290替代R22其各种热力学性质比较接近。对制冷系统的毛细管进行改进后的试验测试结果表明：改进毛细管后用R290替代R22的3种国产家用空调器COP系数分别提高了12.81%、19.03%、14.61%。在小型空调系统中，R1270在制冷量、COP和压缩机排气温度等方面也优于R22。以R290、R1270作为热泵工质，在不同的压缩机转数和载热流体的温度下，COP、制冷量和制热量均与R22相当或略优。将R290应用于大型螺杆机组的试验结果也表明，采用R290的能效比（EER）与R22的相当，可见R290完全能够作为R22的直接替代工质。对R290的可燃性研究表明，R290的燃烧和爆炸需要2个条件，即与空气的混和浓度要在2.5%8.9%之间，温度在810以上，在机组运行过程中，2个小概率事件同时出现的概率几乎为零。62）混合工质2003年8月，美国国家环保局公布了具有法定强制力的SNAP计划“第18号公告”。公告认可的新一批环保制冷剂替代物中，除发泡剂行业选用R245fa纯净物以外，其余所有的新制冷剂替代物均为混合物。7由此可见，对混合工质的研究是当前制冷剂替代研究的核心内容之一。R407C（R32/R125/R134a，质量百分数23%/25%/52%)。非共沸混合制冷剂，ODP为0，GWP值为1700。8R407C的温度滑移为5.7，蒸发潜热比R22大6%左右，吸气比容比R22高4%6%，蒸发压力比R22低5.6%，排气温度比R22系统低810，性能系数比R22低2%左右。由于温度滑移，为了获得与R22相近的工作参数，有必要调整和扩大热交换器的面积。且R407C与矿物油不相溶，需要使用脂类POE或聚醚类PVE冷冻油，并且需要严格控制系统中的水分和杂质。R410A(R32/Rl25，质量百分数50%/50%)。近共沸混合制冷剂，无毒不可燃，属安全性制冷剂，ODP=0，GWP=2000。R410A的容积制冷量、能效比以及质量流量都与R22非常接近，温度滑移小于0.1，运行较稳定。但是由于R410A的冷凝压力比R22增大60%，不能使用壁厚小于0.7mm的铜管做配管；设备需改用POE酯类油，残留杂质与水分要少；制冷系统采用分子筛作为干燥剂。在传热性能和性能系数方面R410A要优于R407C，但其蒸气压力要高于R407C。9自然工质的混合物采用液化石油气LPG（Liquefied Petroleum Gas）作为制冷剂的系统其压缩比和耗功比R134a低5.5%和4.3%，但是COP却比R134a高7.6%。且有相对的安全性，可以直接充灌原R22系统，且在较高的蒸发温度下要比R22节约能源。一些文献中还研究了其他的替代工质，比如：R1270/R290、R290/R600和R290/R600a等，均得到了很好效果。其他混合工质D.B.Jabaraj10等对采用R407C/R290/R600a为制冷剂的窗式空调器进行了实验研究，结果表明，在不更改润滑油的情况下，制冷量方面新工质比R22提高9.5412.76%，而COP上比R22提高11.9113.24%。由质量分数为65%的R290和质量分数为35%的R152a组成的混和制冷剂是一种对环境危害很小，温度滑移很小，具有合适的压比和COP，润滑特性很好的优良近共沸制冷剂，用于替代R22各项指标均优于R407C和R410A。但是上述R22的替代工质在循环性能、实用性和环境可接受性方面均有各自的优缺点，尚未有完美的替代方案。11（2）R22替代工质的循环特性分析1）替代工质的基本热物理性质由于对HCFC限用日期的临近，R22的替代物研究也更为紧迫。目前，作为R22的替代工质主要有以下几种。R134aR134a的沸点为-26.07，凝固点为-103.3，属于中温制冷剂。无色、无味、无毒、不燃烧、不爆炸。与矿物性润滑油不相溶，必须采用聚脂类合成油（如聚烯烃乙二醇）。与丁腈橡胶不相溶，须改用聚丁腈橡胶作密封元件。吸水性较强，且易与水反应生成酸，腐蚀制冷机管路及压缩机，故对系统的干燥度提出了更高的要求，系统中的干燥剂应换成XH-7或XH-9型分子筛，压缩机线圈及绝缘材料须加强绝缘等级。R134a对大气臭氧层无破坏作用，但仍有一定的温室效应。R290（丙烷）R290是目前用作制冷剂替代研究最多的碳氢化合物之一。它的标准蒸发温度-42.09，凝固温度为-187.67，属于中温制冷剂。它广泛存在于石油、天然气中，提取成本低，易于获得。它与目前广泛使用的矿物油、金属材料相溶。对干燥剂、密封材料无特殊要求。气化潜热大，热导率高，流动阻力小，压缩机排气温度低。但它易燃易爆，空气中可燃极限为体积分数2.5%8.9%，故对电子元件和电气部件均应采用防爆措施。R290化学性质很不活泼，难溶于水。12R1270（丙烯）丙烯优点是易于获得，价格低廉，凝固点低，对金属不腐蚀，对大气臭氧层无破坏作用。但是其最大缺点也是易燃易爆，因此，将R1270作为制冷剂时，系统内应保持正压，以防空气漏入系统而引起爆炸。与润滑油能够溶解，使润滑油粘度降低，因此需要选用粘度较大的润滑油。另外由于R1270为不饱和碳氢化合物，其化学性质活泼，在水中溶解度极小，易溶于酒精和其他有机溶剂。13R717（氨）氨的标准蒸发温度为-33.33，凝固温度为-77.66，氨的压力适中，流动阻力小，热导率大，价格低廉，对大气臭氧层无破坏作用。氨的主要缺点是毒性较大、可燃、可爆、有强烈的刺激性气味、等熵指数较大，若系统中含有较多空气时，会引起爆炸，因此氨制冷系统中应设有空气分离器，及时排除系统内的空气及其它不凝性气体。R407C（R32/R125/R134a，质量分数23/25/52）R407C是三元非共沸混合制冷剂。对臭氧层无破坏作用，但是其GWP较高。它的标准沸点为-43.63。它在制冷能力和压力特性上与R22比较接近。主要缺点是蒸发时的温度滑移明显。14在壳管式冷凝器中，R407C在壳侧凝结，其表面传热系数也大大低于纯制冷剂或共沸混合制冷剂的表面传热系数。R410A和R410B（R32/R125，质量分数A：50/50；B：45/55）它是近共沸混合制冷剂。对臭氧层无破坏作用，但是其GWP也比较高。标准沸点为-51.44，相变温度滑移仅0.1左右，可以忽略。R410A的压力较高，因为它的高密度和高压力，用管径小得多的管道仍能保证压降合理。R410A具有良好的传热特性和流动特性，制冷效率较高。表1-2给出了R22及其几种主要替代工质的基本物理性质，图1-2为各工质在-1050范围内的饱和蒸气压曲线。表1-2 理论循环不同制冷剂的性能指标图1-2 R22及其几种主要替代工质的饱和蒸汽压曲线从图1-2中可以看出，在-1050范围内，R410A和R410B的泡点线和露点线几乎是重合的，但是要比R22高很多；而R134a的饱和蒸气压曲线要低于R22；其余四种与R22相当，但是R407C的泡点线和露点线相差较大，也即温度滑移较大，当出现泄露和充灌制冷剂时就很难保证其成分的一致性，R717与R22最为接近。152） 理论循环的性能分析不同制冷剂理论循环的性能指标见表1-3。表1-3 理论循环不同制冷剂的性能指标从表中可以看出R410A和R410B在单位容积制冷量方面要比R22大将近45%，COP比R22小8%，但是其冷凝压力和蒸发压力要比R22高将近60%。R717在单位质量制冷量方面要明显高于R22，但是其消耗的单位理论功也要明显高于R22，另外其排气温度、压缩比也要高于R22。碳氢制冷剂R290和R1270在单位质量制冷量方面要比R22高75%左右，而消耗的单位理论功也比R22高80%左右，因此其COP要稍低于R22。R134a在单位容积制冷量方面比R22低36%，在冷凝压力和蒸发压力上也要比R22低将近40%。而R407C与R22在各个性能指标上都比较接近。在不考虑其他影响因素的情况下，空调工况下与R22性能比较接近的替代工质为R407C、R1270、R290。R407C在制冷能力和压力特性上与R22最接近，替代更便于实现，因此替代时对现有R22设备所必需的改动最少。唯一的主要变动是改用聚合脂类油代替原来R22所用的矿物油。主要缺点是蒸发时的温度滑变明显（约5）。使用时的分馏对维修保养带来困难，因为很难保证泄露和经过几次补灌后系统中的成分能维持不变。其COP比R22稍低，但是可以适当的提高循环的过冷度来提高其COP。且实际因素对R407C制冷循环性能的影响与R22比较接近。R1270的单位质量制冷量为R22的1.81倍，但是其单位理论功为R22的1.83倍，因此COP也略小于R22。R290的COP虽然大于R22，但是单位容积制冷量也要比R22小14%。排气温度R1270和R290分别比R22低8和14，其压缩比也要小于R22。压力特性与R22也比较接近。在小型空调中，制冷剂循环量小（大约为R22的一半左右），而且高压部分要放置在室外，因此也可以考虑作为R22的直接替代物。另外如果对产品结构和生产工艺改进并采用新型密封材料，会极大地减少泄露的可能性。16对于R134a，其COP虽然比R22大2%，但是单位容积制冷量要比R22小35%，需要增大压缩机的排气容积，对压缩机进行扩容，同时也为了降低压降，必须采用管径比较大的换热器。另外由于其冷凝压力和蒸发压力分别比R22小33%和40%，所以对换热器及管道压力方面的要求也相应降低。其排气温度比R22低13，可以防止润滑条件恶化，润滑油结焦等问题，保证在高温地区的正常运行。对于R717，其单位质量制冷量为R22的6.6倍，COP比R22大1%，单位容积制冷量也要比R22大10%，但是其排气温度要比R22高31。而且其制冷循环性能受实际因素的影响要远大于R22。另外氨在润滑油中的溶解度很小，油进入系统后，会在换热器的传热表面上形成油膜，影响传热效果。R410A和R410B虽然在单位质量制冷量、单位理论功、压缩比、排气温度方面与R22相当，但是COP要明显小于R22，冷凝压力和蒸发压力要比R22高60%左右，而其单位容积制冷量比R22大50%。因此采用R410A和R410B的系统，必须重新设计压缩机，强化系统部件结构，但是可以选用管径较小的换热器和连接管道，另外还可以通过系统优化提高COP。二、空调器设计1.空调器压缩机选择及热力计算（1）压缩机压缩机作为整个空调器的核心，相当于整个空调器的心脏。压缩机将制冷剂在制冷系统内进行制冷循环过程中，由蒸发器中蒸发吸热后的低温、低压饱和气体制冷剂，从蒸发器经吸气管(回气管)吸入压缩机压缩成高温高压力气态制冷剂，并经过排气管排出，送入冷凝器冷却，再经毛细血管降压节流后进入蒸发器蒸发，如此循环进行。家用空调器多采用旋转活塞式和涡旋式两种型式的压缩机。17 （2）压缩机选型图2-1 R22理论循环图R22工况点 ：蒸发温度 t0=7 吸气温度 t3=18 蒸发压力 P0=0.6215MPa冷凝温度 tk=55 过冷温度 t4=50 冷凝压力 Pk=2.1751MPa 各个状态点参数如下表：表2-1 R22的状态参数表温度（K）压力（MPa）密度(kg/m3)比焓(kJ/kg)比熵(kJ/kg-K)1280.150.6215190.715263.121.22532280.150.6215126.345407.541.74093291.150.6215124.842415.911.77024358.932.171577.841449.191.77025323.152.17151084.9263.121.2070单位制冷量为： 初步选用型号为SL211CV的压缩机 其参数如下表： 表2-2 压缩机型号表型号用途冷媒排气量电源制冷能力备注WCOPSL211CVT1工况R-2221.1ml/rev220-240V/50Hz/1PH35403.05CCC/TUV其理论排气量为 实际排气量 输气系数 （3）压缩机校核及热力计算18用R1270作工质时：蒸发温度 t0=7 吸气温度 t3=12 蒸发压力 P0=0.7166MPa冷凝温度 tk=50 过冷温度 t4=45 冷凝压力 Pk=2.0542MPa热力循环图如下：图2-2 R1270理论循环图循环各点参数为： 表2-3 R1270状态参数温度（度）压力（MPa）比体积(kg/m3)比焓(kJ/kg)比熵(kJ/kg-K)170.7166317.749270.716615.080584.102.37103120.71660.068493592.9872.4024464.3792.05420.024741645.9862.40245452.0542317.749 单位制冷量 压比 由此知, 所以用R1270作为工质时，压缩系数即为l=0.884.实际排气量为 ： 制冷剂流量为： 所以实际制冷量为： 因此所选的压缩机符合要求。由所选择的压缩机参数知道：COP=3.05，可取压缩机电效率e=0.85，m=0.92则压缩机的电功率为 实际功率为 实际单位功 所以 压缩机指示效率为： 则冷凝器热负荷为:2.冷凝器设计（1）冷凝器结构冷凝器是制冷装置的主要热交换设备之一。它的任务是通过环境介质（水或空气）将压缩机排出的高压过热制冷剂蒸气冷却、冷凝成为饱和液体，甚至过冷液体。在大型制冷机中，有的设置专用过冷器与冷凝器配合使用，使制冷剂液体过冷，以增大制冷机的制冷量，提高其经济性。19冷凝器按冷却方式可分为三类：水冷式冷凝器，空气冷却式冷凝器，蒸发式冷凝器。1) 水冷式冷凝器这种型式的冷凝器是用水作为冷却介质带走制冷剂冷凝时放出的热量。冷却水可以一次性使用也可以循环使用。用循环水时，必须配有冷却塔或冷水池，保证水不断得到冷却。水冷式冷凝器主要有壳管式和套管式两种结构型式。2) 空气冷却式冷凝器空气冷却式冷凝器以空气为冷却介质，制冷剂在管内冷凝，空气在管外流动，吸收管内制冷剂蒸气放出的热量。由于空气的换热系数较小，管外（空气侧）常常要设置肋片，以强化管外换热。这种冷凝器迄今仅用于氟利昂制冷机，多用于家用和商用空调器（机）、气车及铁路车辆用空调装置、冷藏运输式制冷装置以及电冰箱、冷藏柜等。随着日益增加的节能要求和分布式供冷供热系统的发展，尤其是中、大型风冷热泵冷热水机组的发展，空气冷却式冷凝器呈现向大负荷发展的态势。目前，空气冷却式空调机组的制冷量可达200300kW。203) 蒸发式冷凝器蒸发式冷凝器以水和空气作为冷却介质。它利用水蒸发时吸收热量使管内制冷剂蒸气凝结。水经水泵提升再由喷嘴喷淋到传热管的外表面，形成水膜吸热蒸发变成水蒸气，然后被进入冷凝器的空气带走。未被蒸发的水滴则落到下部的水池内。箱体上方没有挡水栅，用于阻挡空气中的水滴散失。该冷凝器空气流量不大，耗水量也很少。对于循环水量在6080L/h的蒸发式冷凝器其空气流量约为100200m3/h；补水量约35L/h。为防止传热管外壁面结垢，对循环水应进行软化处理后使用。（2）选择冷凝器现在的任务是要设计一台制冷量为3747W，我们选用空气冷却式冷凝器进行参数设计，就能满足相关的性能要求。空气冷却式冷凝器按空气流动的方式不同，分为空气自由运动和空气强制运动两种型式。21 图2-3 空气自由运动型丝管式冷凝器 图2-4 空气强制流动酌空冷冷凝器1-肋片 2-传热管3-上封扳4-左端板5-进气集管 6-弯头7-出液集管 8-下封板9-前封板 10通风机 11一装配螺钉1) 空气自由运动的空气冷凝器：该冷凝器利用空气在管外流动时吸收制冷剂排放的热量后，密度发生变化引起空气的自由流动而不断地带走制冷剂蒸气的凝结热。它不需要风机，没有噪声，多用于小型制冷装置，如电冰箱等。目前应用普遍的是丝管式结构的空气自由运动式冷凝器。如图2-3所示：它在蛇形传热管的两侧焊有1.4-1.6mm的钢丝，旨在加大管外传热面积，提高空气侧表面的传热系数。钢丝间距离可以根据需要进行调节，一般为4-10mm范围。传热管一般采用4-10mm复合钢管（管外镀铜，又称做邦迪管），以保证其与钢丝的良好焊接性能。由于钢丝竖直焊接在水平蛇管外，与热空气升力方向一致，使空气具有良好的流动性，获得最佳的传热效果，一般传热系数可1517.5W/(m2K)。2) 空气强制流动的空冷冷凝器：如图2-4所示，它由一组或几组套有肋片的蛇管组成。制冷剂蒸气从上部集管进入蛇管，其管外肋片用以强化空气侧换热，补偿空气表面换热系数过低的缺陷。肋片一般采用=0.10.4mm铝片制成，套在516mm铜管外，由弯头连接成蛇管管组。肋片根部用二次翻边与管外壁接触，经机械或液压胀管后，二者紧密接触以减少其传热热阻。一般肋片距离在24mm范围。由低噪声风机迫使空气流过肋片间隙，通过肋片及管外壁与管内制冷剂蒸气进行热交换，将其冷凝成为液体。这种冷凝器的传热系数较空气自由流动型冷凝器高，约为2550W/(m2K)。适用于中、小型氟利昂制冷装置。它具有结构紧凑、换热效果好、制造简单等优点。纯铜管铝肋片空气强制流动热交换器的典型结构参数：一般60kW以下的装置多采用10mm纯铜管，管间距25mm；或12mm纯铜管，管间距35mm，管壁厚度为=0.51mm；其肋管排列方式可顺排，也可叉排；肋片间距在1.42.5mm范围。其空气强制流动速度，从经济实用考虑一般将其迎面风速控制在2.53.5m/s范围内。冷凝温度tk和空气进出冷凝器的温差，对冷凝器的性能具有不可小视的影响。一般tk越高，传热温差会越大，传热面积将随传热温差增大而减小。由此会引起压缩机功耗增大，排气温度上升。所以综合各方面影响因素考虑，tk与进风口温度之差应控制在15度左右；空气进出冷凝器的温差一般取810。在结构方面，沿空气流动方向的管排数愈多，则后面排管的传热量愈小，使换热能力不能得到充分利用。为提高换热面积的利用率，管排数以取26排为好。（3）冷凝器设计根据制冷量大小，我们要设计的是空气强制流动的空冷冷凝器。 制冷剂蒸气在空冷冷凝器中要经历状态变化的过热蒸气区、饱和区过冷液体区。此三个区域制冷剂的物理性质和换热机理有所不同，其表面换热系数也不一样。其在过热蒸气区的表面换热系数比饱和蒸气区要低，但传热温差却比饱和蒸气区要大，以致该两区内单位面积热流量qF几近相等。而在过冷液体区qF要低一些，不到总传热量的10。所以在设计时将其制冷剂在空冷器内换热的全过程都按饱和蒸气区对待，以简化设计计算。221) 设计条件表2-4 设计条件项目数值单位室外进风温度35出风温度42冷凝温度50过冷度5室内进风干球温度27室内进风湿球温度19.5蒸发温度7过热度5压缩机指示效率0.752制冷量3747.2W制冷剂R1270根据材料和工艺设备状况，采用传热管为9.53mm0.35mm纯铜管，肋片为平直套片（铝片），片厚f=0.12mm，片宽L=44mm。 2） 冷凝器设计计算冷凝热负荷的确定：从上一节的热力计算知冷凝器热负荷：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，排间距；肋片间距；沿气流方向的管排数。因此，各部分单位管长的面积为：肋片面积肋间基管表面积肋管外总表面积肋管内表面积肋化系数空气进出冷凝器的温差及风量：温差风量式中，空气平均密度；比热容；运动粘度；热导率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与迎风面积之比：考虑降噪、节能等因素，假设迎风面风速则最小流通面风速当量直径空气的雷诺数单元空气流道长径比根据流体横向流过肋片管簇的整张平套片换热计算公式中：所以管外的表面传热系数：对于叉排管有，肋片当量高度肋片特性参数，其中为铝肋片的热导率。肋片效率冷凝器外表面效率管内R1270冷凝时的表面传热系数：首先设管壁温度 ，则平均温度，由此查得工质在此温度下： 潜热rs=281720J/Kg , rs0.25= 23.039；饱和液体密度为r=458.53kg/m3；液态热导率l=0.098267W/（mk）;制冷剂运动粘度=0.000000163/s得，代入式中得：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：即 整理得 由试凑法得，此值与所假设的近似相等，证明假设合适。计算所需要的传热面积：以管外面积为基准的传热系数：，求平均温差：所需管外传热面积及结构参数：管外面积，所需肋片管总长度若取冷凝器每列管数20根，总管数202=40根，以单管有效长度0.76m计算，其总有效管长为400.76=30.4m，裕度为11.58%，冷凝器高度为（20+0.5）25.4mm=520.7mm。冷凝器迎风面积为：Af=0.760.5207=0.3957m2。实际的迎面风速，与所假设风速相符，设计合理。空气的流动阻力及风机选配(光管肋片A=0.007，粗糙肋片A=0.0133)：阻力：取12Pa。则该冷凝器需要配用风机的额定风量（即33.258），风机全压：取。3.蒸发器设计（1）蒸发器的结构蒸发器按其冷却的介质不同分为冷却液体载冷剂的蒸发器和冷却空气的蒸发器。根据供液方式的不同，有满液式、干式、循环式和喷淋式等。其中干式蒸发器是一种制冷剂液体在传热管内能够完全气化的蒸发器。其传热管外侧的被冷却介质是载冷剂(水)或空气，制冷剂则在管内吸热蒸发，其流量约为传热管内容积的2030。增加制冷剂的质量流量，可增加制冷剂液体在管内的湿润面积。同时其进出口处的压差随流动阻力增大而增加，以至使制冷系数降低。干式蒸发器按其冷却介质的不同分为冷却液体介质型和冷却空气介质型两类。其中冷却空气的干式蒸发器按空气的运动状态分又有冷却自由运动空气的蒸发器和冷却强制流动空气的蒸发器两种型式。冷却强制流动空气的蒸发器（又称冷风机）：由于光管式空气冷却器传热系数K很低，为加强空气侧的换热，往往需要在管外设置肋片以提高传热系数值。但是在一般情况下，设置肋管后因片距较小会引起较大的流动阻力，必须采取措施强制空气以一定的流速通过肋片管簇，以便于获得较好的换热效果。这种蒸发器多用于空气调节装置、大型冷藏库，以及大型低温环境试验场合。图2-5为冷却强制流动空气的蒸发器及其肋片管型式。由肋片管组成的立方体蛇形管组，四周围有挡板，所围成的肋片管空间为空气流道，在通风机作用下，空气以一定速度流经肋片管外肋片间隙，将热量传给管内流动的制冷剂而降温。因空气为强制运动，传热系数较冷却排管高，当空气流速为38m/s时，传热系数K值为1835W/(m2K)。冷却强制流动空气的氨蒸发器一般采用2538mm无缝钢管外绕厚度为1mm的钢片，片距约10mm左右，以防止空气中的水分在低温下冻成冰霜附着在肋片管外表面，影响空气流通。同样用途的氟利昂蒸发器常采用1019mm圆铜管，外套厚度为0.150.2mm的铝片(或铜片)，肋片间距为24mm。若用于0以下的蒸发温度，其片距适当加大约为615mm。蒸发器沿气流方向的管排数在用于空气调节时，其传热系数较大，管排数在28排范围；用于冷库或低温试验装置时因蒸发温度低，传热系数小，一般在1016排的范围。总之这种蒸发器具有结构紧凑传热效果好，可以改变空气的含湿量，应用范围广等优点。但从制造工艺要求分析，肋片与传热管的紧密接触是提高其传热效果的关键。图2-5 冷却强制流动空气的蒸发器及其肋片管型式a)、蒸发器 b)、绕片管 c)、套片管1-传热管 2-肋片 3-挡板 4-通风机 5-集气管 6-分液器除上述两种干式蒸发器外，许多小型制冷装置结构型式也不同。如电冰箱的吹胀式通道板蒸发器、冷板冷藏运输车中冷板充冷蒸发器以及食品陈列展示柜货架式干式蒸发器等等。（2）冷却强制流动空气的干式蒸发器的计算制冷装置中，蒸发器的结构型式、应用场合对其技术性能有重要影响，直接关系到装置工作效率、设备投资和运行经济性。它是制冷装置的研究与开发的重要内容之一。制冷装置的用途不同，蒸发器的结构型式也不同，设计计算的方法也有所不同。尽管如此，他们在传热过程中所遵循的热平衡原理是不变的。我们根据需要，可以为空调器选择用冷却式强制流动空气的干式蒸发器。231）设计目标 设计一台冷却强制流动空气的干式蒸发器。该类型蒸发器是一种制冷剂直接蒸发的空气冷却设备。由于体积小，结构紧凑，效率高，而得到广泛应用。2）设计条件：表2-5 设计条件项目数值单位室外进风温度35出风温度42冷凝温度50过冷度5室内进风干球温度27室内进风湿球温度19.5蒸发温度7过热度5压缩机指示效率0.752制冷量3747.2W制冷剂R12703）进行初步结构规划传热管选用9.53mm0.35纯铜管，内径di=8.83mm,肋片选用缝隙式f=0.12mm铝片，肋片节距sf =1.8。管簇为正三角形排列，管间距s1=25.4，沿气流方向的管排数：N=2排，则肋片宽度L=44。考虑套片后的管外：db=d0+2f=(9.53+20.12)=9.77；di=d0-0.352=8.83；由R1270制冷循环计算得 单位制冷量q0=275.238kJ/kg；制冷剂流量Gd=0.0136kg/s；蒸发器分路数Z=2 ，制冷剂单位面积流量gd=4Gd/（Zdi2）=111.16kg/(s)；4）肋片管各部分传热面积计算管外肋片面积：肋间管外表面积：管外总表面积:管内表面积： 肋化系数：当量直径deq：最窄流通面积与迎风面积之比：5）确定空气在流经蒸发器时的状态变化过程24由给定的进风参数查i-d图，得，。根据风量选择图2-6 空气处理过程的i-d图原则取设计风量为：Va=0.86Q00.25=0.863747.20.25m3/h=805.648m3/h 进口湿空气的比体积：空气的质量流量：进出口空气的比焓差：出口空气的比焓：设取传热管壁面温度tw=11，dw=8.16g/kg，查得iw=31.8kJ/kg。（取w=100%）得空气处理过程的饱和状态点w，连接1-w与i2线相交于2点，得到蒸发器出口空气状态干球温度t2=17.2，含湿量d2=9.25g/kg。蒸发器中空气的平均比焓：则线于1-w线相交于m点，同时查得空气的平均状态参数为：， 。6）计算空气侧换热系数25取蒸发器管列数为12，单管有效长度B=0.87m，蒸发器高度H=（12+0.5）25.4=317.5（即0.3175m）。迎面风速，低于表中迎面风速推荐值，有利于降低室内空气流噪声。最窄通风面风速雷诺数管外空气表面传热系数计算。按附录强制通风肋片管外空气表面传热系数计算式：析湿系数：肋片效率 其中；其中（又）所以 故 空气侧当量表面传热系数：7）计算管内表面传热系数：其循环为：，。根据氟利昂在管内沸腾表面传热系数计算式，8）计算管内传热面积Ai： 取管内污垢热阻，管外污垢热阻，则管外面积为基准的传热系数为：平均传热温差：计算：由热平衡关系和可得：得，解方程，故9）求所需传热管长度L10）计算有效管长L (小于规划管长0.87m)11）所需的管外传热面积A0实际规划的传热面积A0裕度 （即15.91%）传热面积裕度合适12） 校核壁温由 ，比设定壁温为11略有升高，设计合理。13）风侧阻力计算26干工况与析湿工况阻力的关系为顺排时：，为阻力增强系数，干工况下的阻力系数故湿工况下叉排阻力增加20%即 4.节流机构的选择（1）制冷剂液体膨胀过程分析在蒸气压缩制冷装置中，制冷剂液体的膨胀过程是通过节流机构来完成的。其原因在于制冷剂液体的膨胀功很小，而且容积比很大，采用液体膨胀机在技术方面存在着较大的困难，同时经济性比较差。一般情况下，制冷剂液体在膨胀之前，应呈饱和状态或过冷状态。膨胀之后到达两相区，变成气液混合物。制冷剂液体的膨胀特性随节流装置的通道形态不同而异。例如喷管(渐缩管或拉伐尔管)内膨胀是接近等熵过程，而通过节流孔的膨胀则属于接近等焓过程，制冷剂通过其他通道(如毛细管)的膨胀过程介于二者之间。如图2-7所示，12a为接近等熵过程，12h为接近等焓过程、12t为介于二者之间的过程。由此分析可知制冷剂液体膨胀具有以下特点：1)、液体通过膨胀后，温度必然降低。其膨胀过程的压差越大，则温度降低也越大。而且温差同过程无关。其原因在于两相区内饱和温度与饱和压力呈对应关系。2)、膨胀过程具有尽可能大的比体积比，且随压比的增大而增大。从而使得比体积比有限的膨胀机难以实现。3)、膨胀过程的等熵焓降很小(可利用的膨胀功很小)不加以利用损失也不会很大。因此在制冷装置中均采用小孔或管道节流机构，来实现液体制冷剂的膨胀制冷。27图2-7 制冷剂液体膨胀过程分析a)、膨胀前为饱和液体 b)、膨胀前为过冷液体（2）节流机构的选择及计算过程制冷装置的节流机构在实现制冷剂液体膨胀过程的同时，还具有以下两方面的作用：一是将制冷机的高压部分和低压部分分隔开，防止高压蒸气串流到蒸发器中；二是对蒸发器的供液量进行控制使其保持适量的液体，使蒸发器换热面积全面发挥作用。因其节流机构无外功输出，即无效率的概念可言。一般仅根据上述两方面的功能来判断其特性。按照节流机构的供液量调节方式可分为以下五个类型：手动调节的节流机构；用液位调节的节流机构；用蒸气过热度调节的节流机构；用电子脉冲进行调节的节流机构；不进行调节的节流机构。 根据设计要求，我们选用毛细管作为节流机构就可以满足空调器的性能要求。 毛细管又叫节流管，其内径常为0.55mm，长度不等，材料为铜或不锈钢。由于它不具备自身流量调节能力被看作为一种流量恒定的节流设备。毛细管节流是根据流体在一定几何尺寸的管道内流动产生摩阻压降改变其流量的原理，当管径一定时，流体通过的管道短则压降小，流量大；反之，压降大且流量小。在制冷系统中取代膨胀阀作为节流机构。根据毛细管进口处制冷剂的状态分为过冷液体、饱和液体和稍有气化等情况。从毛细管的安装方式考虑，制冷剂在其进口的状态按毛细管是否与吸气管存在热交换而分为回热型和无回热型两种。回热型即毛细管内制冷剂在膨胀过程对外放热；无回热型即毛细管内制冷剂为绝热膨胀。 制冷装置中毛细管的选配有计算法和图表法两种。无论是哪种方法得到的结果均只能是参考值。 理论计算的方法是建立在毛细管内有一定管长的亚稳态流存在，其长度受亚稳态流的影响仅仅反映在摩阻压降中相应管长流速的平均值um上；毛细管内蒸气的干度随管长的变化规律按等焓过程进行；以及管内摩擦因数按工业光滑管考虑等假设条件下，其毛细管长度可由下式计算得到，即：式中，G为每根毛细管的供液量，单位为kg/s；为毛细管通道截面积，单位为m2；g为重力加速度，单位为m/s2；ui为所求管段进出口截面流速差，单位为m/s；di为毛细管内径，单位为m；umi为所求管段进出口截面流速平均值，单位为m/s；为摩阻系数，管内为液相流动时， ，其中为管内表面相对粗糙度；。管内为两相流动时，。考虑在管内的流动过程存在干度x的变化应对毛细管按压差分段(即pi)计算各管长Li，最后Li即是理论计算的毛细管长度。图2-8 制冷剂在毛细管中流动时的压力与温度分布特性设计用毛细管节流的制冷系统时应注意：1)、系统的高压侧不要设置贮液器，以减少停机时制冷剂迁移量，防止启动时发生“液击”。2)、制冷剂的充注量应尽量与蒸发容量相匹配。必要时可在压缩机吸气管路上加装气液分离器。3)、对初选毛细管进行试验修正时，应保证毛细管的管径和长度与装置的制冷能力相吻合，以保证装置能达到规定的技术性能要求。4)、毛细管内径必须均匀。其进口处应设置干燥过滤器，防止水分和污物堵塞毛细管。28毛细管尺寸计算过程如下：初步确定毛细管直径可以查得节流后的干度 则有：进口速度 出口速度 在冷凝器出口查得 过冷液体动力粘度为则雷诺数所以摩阻系数 管内为两相流动所以 将以上数据代入由此得出： 由此确定节流用一根毛细管：三、总结和展望1.总结本次毕业设计首先介绍了目前空调使用的制冷剂