便携式空调设计

摘要家用空调和商场等场合使用的中央空调在设计之初是为了总体的制冷效果做出必要的牺牲，在一些户型的死角无法完美的做到制冷的。所以在一些特殊的场合需要一种便携式空调，本文我们先介绍国内外外便携式空调的发展，然后要讨论蒸汽压缩式制冷、溴化锂吸收式制冷以及半导体热电制冷对比它们的优缺点。然后选出最有优势的制冷方式为蒸汽压缩式的制冷方法，利用压缩机不断压缩制冷剂不断的持续输出制冷量。通过制冷剂的热力计算、冷凝器的设计计算、蒸发器的设计计算、对压缩机的设计计算以及对热力膨胀阀的设计计算，选择市场上已有的成熟压缩机、蒸发器、冷凝器等设备并设计组装出一种便携式的手提式微型空调，采用R22作为制冷剂，制冷量需在250W至350W之间。可以满足轻便制冷性能质量8kg左右，制冷量在300W采用R22制冷剂，体积180mm120mm70mm的手提式便携式空调。在高温的环境下帮助人们抵抗炎热给人体的生命安全和工作效率的不利因素。关键词 : 便携式空调、转子微型压缩机、冷凝器、蒸发器、电机AbstractThe central air conditioning used in home air conditioning and shopping malls was designed to make necessary sacrifices for the overall cooling effect. In the dead corner of some households, refrigeration can not be done perfectly. Therefore, in some special occasions, a portable air conditioner is needed. In this paper, we introduce the development of portable air conditioning at home and abroad. Then we discuss the advantages and disadvantages of steam compression refrigeration, lithium bromide absorption refrigeration and semiconductor thermoelectric refrigeration. Then choose the most advantageous way to refrigerate. A steam compression refrigeration method is used here, and the continuous output cooling capacity of the continuously compressed refrigerant is used. Through the thermal calculation of the refrigerant, the design calculation of the condenser, the design calculation of the evaporator, the design calculation of the compressor, and the design calculation of the thermal expansion valve, Select existing equipment such as mature compressor, evaporator, condenser, etc. in the market and design and assemble a portable portable micro-air conditioner. Using R22 as a refrigerant, the refrigeration amount needs to be.Key words: portable air conditioners, rotor micro compressors, condensers, evaporators, motors目录1 引言12 便携式空调的分类32.1蒸汽压缩式制冷便携式空调32.2溴化锂吸收式制冷便携式空调42.3半导体热电制冷便携式空调63制冷剂的选用94 便携式空调制冷量计算及设计94.1 系统的热力计算94.2便携式空调制冷量总量需求124.3便携式空调的设计12结论17致 谢18参考文献19蒸汽压缩式制冷便携式空调便携式空调制冷量计算及设计调查论证（问卷调查）（溴化锂吸收式制冷便携式空调4半导体热电制冷便携式空调）+计算结论1 引言便携式空调采用有效的冷却技术，是一种可以随身携带的空调。便携式空调的最大亮点是可以随身携带，人们旅行和工作办公的时候随时带在自己身边，就像带了一件轻便的行李。在夏日在高温环境下，人们外出上下班或办公室工作的时候，有一款带在自己身边的移动式空调，就可以随时随地享受凉爽的冷气，消除炎炎夏日带给人们的不快。这样的便携式空调不仅仅只适用于普通的上班族，在矿井和火灾现场给身着防护服的矿工、消防人员配备时，可以来抵抗高温对生命安全和工作效率带来的不利因素。目前国外便携式空调发展现状，国外现在的便携式空调越来越趋向便携式智能的方向发展。现在社会上的电子设备越来越精密，这样也间接影响了便携式的空调发展，现在的便携式空调通过接入芯片再通过蓝牙连接普通的用户只需再手机上动动手指就可以调节到适合的温度。在美国的一家创业公司里，设计一款名为Zero Breeze户外型的便携式空调。在美国深受美国民众的欢迎，这种便携式的空调给人感觉不光光是一款便携式空调。它不光为人们在户外提供凉爽的冷气，同时还自带照明、小音箱和给手机充电的功能。人们在野外郊游或者沙滩晒日光浴时，突然想要听歌手机恰巧没电了这款便携式空调就出现得太及时了。同时体积小巧464mm162mm96mm，质量才4kg随手领着就走，即便以最大功率也可以持续使用3小时。也许就是国外为何如此热衷这款便携式空调的原因。目前我国便携式空调的发展现状，主要发展的方向朝向居家式的便携式空调。这种空调通常有挂式空调的制冷能力，但不需要在外面悬挂风机。可以在家里移动到需要的地方进行制冷。现在市场MBO KY-36/S360是当下一款优秀的便携式空调。作为居家型的便携式空调，可以出现在厨房、洗手间、保安亭或者在单身公寓。解决了这些地方因为当初房型当初设计时，出现空调制冷的死角或者当初设计时因为经济上不划算就没有安装空调。这款便携式空调就成了解决人们燃眉之急的方法。这款制冷空调1.5匹，体积480mm400mm795mm，质量36kg。 未来便携式空调的发展，将走向更加轻便化和智能化的方向发展，会根据环境温度来调节周围的温度和湿度。便携式空调会作为一个智能的多媒体设备出现2江苏海事职业技术学院2018届专科毕业论文在大众眼中。在给人们提供制冷的同时，还会给人们提供娱乐。例如：给户外休息的人们提供无线网络、身心疲惫时播放音乐、公司会议时又是一个移动投影仪。本文在这里想要设计一种便携式空调人们可以随身携带，帮助人们在高温环境下，抵抗高温影响对人体生命安全和工作效率的不利影响。本文要设计一款新型便携式空调，可以随身提在身边。2 便携式空调的分类2.1蒸汽压缩式制冷便携式空调2.1.1蒸汽压缩式制冷便携式空调的工作原理在微型蒸汽式压缩机离液体蒸发形成蒸汽，通过吸热冷却过程被称为液体蒸发制冷。当便携式空调的液体处于密闭的蒸发器中时，如果蒸发器内不含除液体蒸汽和液体自身之外的气体，液体和蒸气将在不断的吸过热量下达到均衡，达到了饱和状态。一部分饱和蒸气脱离蒸发器，则液体必须再重新蒸发来保持饱和的状态。这里利用液体就是便携式空调里的制冷剂。当制冷剂液体蒸发时，它吸收蒸发时的热量。热量来源于人体在高温条件下所接触的热能。这种情况下遇到环境温度是一定大于制冷剂的蒸发温度，所以冷却的物体才能够冷却或保持不变。在环境温度很低时，为了继续上述过程，微型压缩机只有不断的压缩制冷剂，再将微型蒸发器里的蒸气不断地从中取出，还要制冷剂不断的加入才能实现。也可以通过提取微型蒸发器里的制冷剂蒸汽，将其冷凝成液体，然后在将液体制冷剂返回到微型蒸发器来实现。为了能够在室温下便携式空调实现制冷剂蒸汽冷凝过程，有必要在室温下将制冷剂蒸气的压力增加到饱和压力。只有这样的，制冷剂将在低温和低压下蒸发得以产生制冷效益;在室温下和高压下冷凝人体周围的环境温度以后，因为是高压凝结导致的制冷剂液体的热量放出1，在返回微型蒸发器以前必须降下压力。因此可以得知到蒸汽压缩式便携式空调制冷时，制冷剂液体在蒸发器里将在低压下蒸发生成低压蒸汽，低压蒸汽经过微型压缩机被压缩成高压气体，再将高压气体冷凝器变成高压液体，然后减压高压液体回到初始低压状态2。制冷剂将放热来补偿来低压蒸汽的压力，从而达到了制冷的目的。图1蒸汽压缩式制冷原理示意图2.1.2蒸汽压缩式制冷的优缺点便携式蒸汽压缩式制冷空调的设计特点，便携式设计出来相对简单，成本较低。在相同工况下，微型蒸汽式压缩式工作效率更高，结构可以多样化，可以适应不同的设计。用来满足不同行业对便携式蒸汽制冷的设计需求。不过这种便携式空调，在0以下时无法制冷容易管路被堵塞。2.1.3 案例 目前国内市场有格力公司设计的KS-0502A、KS-0502，是一种可移动的、蒸汽压缩制冷的家用静音空调器。 该机型每小时输出330平方米冷气，水箱容积5L，额定的加湿量1100ml每小时，质量为7.78kg。该机型适合于在小空间内，提供制冷，为人提供凉爽环境。最大的优点在于体积小质量轻。并且需要制冷时只需提供足够的用水就能制冷，不占用太大面积方便移机。3制冷剂的选用目前常用的制冷剂也有R22和R134A，R134A的比容量是R22的1.47倍，蒸发潜热小。因此，R134A机组的制冷量仅为R22的60%。根据单位制冷价格，R22机组的价格约为R134A机组的60%。R134a的热导率比R22低10%，因此所有单元换热器的传热面积都需要较大。R134A是吸收剂和R22的20倍，因此需要更多的干燥单元系统来避免冰堵塞。R134A在橡胶溶胀和润滑方面强于R22。在实践中，制冷剂的泄漏率相对较高。通过比较，R22更适合于便携式空调的设计。4 便携式空调制冷量计算及设计4.1 系统的热力计算系统的设计方案：该手提式便携式空调器中使用R22作为制冷剂，制冷量为300W，暂取过冷度为5，无效过热度为8。冷凝器类型为空气冷却式冷凝器；蒸发器类型为螺旋管式蒸发器。压缩机为单转子式压缩机。4.1.1 热泵系统的热力计算实际工况下制冷量300W，制冷剂为R22。制冷循环热力计算循环参数及压焓图所设计空调器实际工况下制冷循环参数及室内、外空气参数如下：假定当地大气压= 101.32kPa ，蒸发温度to=7，冷凝温度tk=48，过冷温度t4=53，进风干球温度27，湿球温度19.5.循环的p-h图如图4所示图4 循环的p-h图各点参数值查R22热力性质表和图，如表1-1所示：表1-1 各关节点的参数 参数状态点07.000.375409.81100.000.3750.05457402.501.72312s65.371.253442.561.7683259.551.253455.91343.001.253260.90448.001.253268.453) 热力计算单位质量制冷量 （1-1）单位理论功 （1-2）单位容积制冷量 （1-3）制冷剂质量流量 （1-4）压缩机理论功率 (1-5)压缩机指示功率（取指示功率） （1-6）压缩机轴功率 （取机械效率） （1-7）制冷系数 （1-8） （1-9）卡诺循环的制冷系数 （1-10）热力完善度 （1-11）冷凝器热负荷 （1-12） （1-13）回热器热负荷 （1-14）4.2便携式空调制冷量总量需求美国大学教授麦克莱伦指出便携式空调需要提供的制冷量其中百分之二十五是直接耗散在周围环境中的，同时经实验论证人体在执行高强度的劳动时代谢高于500W，人体正常的表面积大约在2平方米，人体代谢只有在小于250W才能持续的劳作，所需制冷总量250W。考虑到实际中制冷的消耗，实际制冷量要超过300W。4.3便携式空调的设计4.3.1微型压缩机的选用微型压缩机是便携式制冷设备的核心部件，对其优化设计具有十分重要的意义。小型制冷机组的主要目标是重量轻，压缩机要结构简单，效率高，寿命长，振动小，噪音低，重量轻，适合高速运转，适合小型压缩机的开发。依据选用的要求，可以从以下压缩机中选用，微型压缩机MT36J,该产品可以在交流电压下220V进行工作，使用R22或R417A为制冷剂质量25kg，制冷功率约为3000W。因为该压缩机必须在220V的电压下工作且质量太重，无法满足便携式空调的要求，故在这里舍弃。BX25-DC24E迷你制冷压缩机。该产品为转子式压缩机，体积为116mm（直径）60mm，且质量仅为1.3kg，但制冷功率却达到400W，基本满足人们对便携式制冷的要求，且价格便宜一台这样的压缩机的成本仅为700元。4.3.2冷凝器的选用风冷冷凝器的空冷冷凝器的热阻主要在空气侧。因此，选择在空气侧具有良好传热性能和高致密性的并流式冷凝器。 需要选用其构造先进，传热系数高，材料损耗低，体积小，价格便宜的成熟产品。这里可以参考的的风冷式冷凝有WT1232S1、WT1232S2，两者都为U型管式。第一种的铸造材料为铝;产品的尺寸为：46mm135mm32mm;质量为3kg；单体的散热量为600W。而另一种的铸造主材也为铝 ；产品的尺寸为：266mm163mm32mm；质量为4.5kg；散热量为1200W。两者都有良好的散热性能，但质量太重不符合本文设计的需求。在这里选用自制一种气冷式冷凝器。 图4 WT1232S1 图5 WT1232S2 管内R22冷凝时表面传热系数计算，首先设管壁的温度tW=45.4，则平均温度 tm= （2-15） 根据R22管内泠凝换热有关计算公式 （2-16）其中，=19.87，=67.56，代入上式中，则 (2-17) 由热平衡可得管壁温度平衡方程 （2-18） （2-19）整理得 （2-20）通过凑算法得45.42等式成立，与预期值相近，实验证明可以使用。得 （2-7）计算散热所需面积，考虑到传热管为纯铜管，取传热管导热热阻、接触热阻和污垢热阻之和。以管外面积为基准的传热系数为 (2-21)平均温差为 (2-22)所需管外面积及结构参数：管外面积 (2-23)所需的肋片管总长度 (2-24)冷凝管每列管数4根，总管数为8根，单管有效长度0.8米，总有效管长为6.4m，裕度为0.4。冷凝的高度为H825.4mm203.2mm，实际的迎风面积为A0.8m0.2032m0.16256m/s。这与实际需求符合，经过实验并采用。4.3.3蒸发器的选用便携式空调采用蒸发器，要求质量轻便，可以提供300W散热量。这里参考选用NTPG002-A1、FN46240两款蒸发器。第一种是螺旋管式蒸发器。使用商业纯钛来铸造，冷却剂R22，蒸发温度5，每米功率1000W,1kg/m。采用铝制材料铸造；产品的尺寸120mm240mm92mm；外型为U型管式；单体的功率为1000W。在这里的采用第一种蒸发器，可以根据实际所需的散热量，截取足够长度的螺旋管。反之，第二种产品单体不满足散热的需求。如果并联使用两个相同的设备，设备的功能又无法完全利用造成资源的浪费成本升高。故这里使用第一种设备，这样不仅能够节约成本，通时又降低的便携式空调的体积。这里只需截取0.3m的螺旋管就可以满足300W的制冷量,且质量仅为0.3kg。图6 NTPG002-A14.3.4电机的选用便携式空调设备组装的小型制冷设备由微型电动机、微型转子压缩机、U型管式冷凝器、毛细管、微型螺旋管蒸发器、干燥过滤器、风机、泵和水箱组成。轴连接到一个微型电机。风扇，泵和马达全部由高能锂离子聚合物电池驱动。电池重量为2千克，容量为300瓦。它可以继续运行2小时。冷凝器的热量通过风扇排出。由蒸发器产生的冷却量由泵输出。 考虑到小型制冷设备的轻量化要求，在电力系统中采用无刷直流电动机。电机和压缩机的优化是制冷设备的关键技术之一。这里可以选用的直流电机有MY1016、SCM6-10350两款可以选用。两者的工作功率均为350W。但前者电机的工作电压在24V；转速2650转/分；有刷直流电动机；质量为2.2kg。另一种电机的工作电压为36V；转速3000转/分；永磁同步电动机；质量为2.35kg。对比两款机型的优缺点，前者电机的质量更加轻便，虽然另一种的功率与前者相同，但考虑到便携式空调的轻便性，在这里选第一种电机。 图7 MY10164.3.5节流装置选用根据结构形式起节流作用的装置可以分为手动膨胀阀、热力膨胀阀、电子膨胀阀毛细管和浮动球阀这5种。考虑到这里便携式空调需要一种实用经济没有大损耗的节流设备，这里我们可以选用毛细管作为便携式空调的节流设备。考虑到毛细管的管径一般都比较小，所以在设计时要在毛细管前安装一个过滤器防止杂质堵塞毛细管结论本文一共介绍了3种制冷原理的便携式空调。分别为蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷和热电制冷。根据最新研究成果可知：与热电制冷和吸收式制冷相比，蒸汽压缩式系统可以在广泛的温度范围内保证高的冷却能力和高的冷却系数，适合于单独的便携式冷却的便携式的空调。后两种制冷方式虽然各有优点, 但是缺点还是很明显的。例如：半导体虽然结构紧凑、制冷系数大可以开发成高度集成的微型空调。但是现在开发出来的半导体价格过高，人们仍在积极开发新型半导体材料。现在热电制冷更加热衷于被使用在价格高昂的电子设备上。吸收式制冷虽然减少了压缩机的能量消耗，但是实际上这种制冷方式的制冷系数并不高，系统的轻量化和小型化后，低温下溶质的结晶可能影响体系的正常运行。随着压缩机的不断改进和能源的小型化，吸收系统相对于蒸汽压缩系统的明显优点将逐渐减少。所以本文在设计选择了蒸发压缩式制冷的原理制冷。本文设计的便携式空调实际选用的就是转子式蒸汽压缩式压缩机，根据实际选型的各种的部件组装约为8kg。致 谢终于到了毕业之际，在论文完成后，在这里我要特别感谢一个人。她是我的论文指导老师王玉洁老师。为了帮助我们完成论文，王老师投入了大量的精力来指导我们。 她是一位责任心强并且细心的老师。在我们在撰写论文遇到问题时，特别耐心的给我们指导。王老师的专业知识非常丰富，有很多年指导我们应届生毕业论文的经验。特别是她渊博的学识，严谨的教学态度，以及她一丝不苟的教学作风，在我心中塑造一个伟大的人民教师的形象。三年的功夫就像光阴似箭，一转身就到论文结束的时刻。三年前大学开学的第一天，到现在还历历在目。这里我想感谢三年来朝夕相处的同学，在平日里对我帮助。尤其在写论文的这段时间，遇到不懂的问题都非常热心的帮助我，给了我不少修改论文的建议。在此我想表达我最真挚感谢，在学校三年来帮助我的良师益友。同时我想真挚的感谢在坐的各位答辩老师，百忙之中抽出时间对本文进行审核与建议。参考文献1张行周 钟晓晖 吴玉庭 马重芳. 单兵空调系统研究D. 兵工学报, 2007.2孙晓阳. 一种新型高效环保空调服的提出D. 应用能源技术, 2015.3钟晓晖 吴玉庭 马重芳. 小型蒸汽压缩式制冷装置的研制及实验研究D. 中国科学(E辑:技术科学), 2008.4钟晓晖. 微型制冷系统仿真与实验研究D. 北京工业大学, 2007.5钟晓晖 勾昱君 张行周 吴玉庭 马重芳. 基于MEMS技术微型蒸汽压缩式热泵的研制D. 华中科技大学学报(自然科学版), 2007.6张虹. 基因扩增过程温度控制技术研究D. 青岛理工大学, 2012.7赵飞. 基于温度控制的空间太阳电池自动封装机器人D. 上海交通大学, 2009.8唐春晖. 半导体制冷21世纪的绿色“冷源”D. 半导体技术, 2005.9丁素英. 半导体制冷技术研究D. 潍坊学院学报, 2001.10钟晓晖 张行周 吴玉庭 杜春旭 马重芳. 便携式蒸汽压缩制冷系统的熵产分析D. 航空动力学报, 2007. 17