分体式冷暖房间空调器设计.docx
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分体式冷暖房间空调器设计
2012-2013学年第二学期
制冷课程设计
分体式冷暖房间空调器设计
教师姓名:
学院:
动力工程学院
专业:
热能与动力工程
目录
《制冷及低温原理》课程设计任务书3
空调用制冷技术课程设计说明书4
一、工况4
1.制冷4
2.制热5
二、压缩机的选择6
三、蒸发器7
四、冷凝器15
五、毛细管的设计23
六、管路设计23
七、辅助设备24
八、附图25
九、参考文献28
《制冷及低温原理》课程设计任务书
一、设计类型:
《制冷及低温原理》课程设计
二、设计任务:
分体式冷暖房间空调器设计
设计一拖一分体式冷暖房间空调器设计(不采用电辅助加热)。
进行制冷系统的方案设计和热力计算,选配制冷压缩机(定频),设计室外和室内换热器,完成辅助设备的计算和选用,制冷系统管路设计。
根据设计规范命名空调器的型号,并确定其能效等级。
三、设计依据:
1.《房间空气调节器GBT7725-2004》
2.《GB12021.3-2010房间空气调节器能效限定值及能效等级》
3.《压缩机选型设计规范》
4.《流路设计规范》
5.《毛细管冷媒量匹配设计规范》
6.《制冷系统保护设计规范》
7.设计原始资料
空调用制冷技术课程设计说明书
类型:
气候环境T1
结构形式:
分体式F挂壁式G制冷机组代号W
主要功能:
热泵型R
冷却方式:
空冷式
压缩机控制方式:
定频型
条件:
房间空调器的额定冷量:
3986W
制冷剂:
R134a
型号命名:
KFR-39GW/Bp
一、工况:
1.制冷:
蒸发温度:
t0=5℃,冷凝温度:
tk=48℃,
过热度:
7℃,过冷度:
8℃
制冷循环图:
点号p/Mpat/℃h/(kJ/kg)v/(m3/kg)
00.34985400.00
10.349812406.770.06022
21.254258434.03
31.254240256.23
热力计算
1压缩比:
P2/p1=1.2542/0.3498=3.59
2单位质量制冷量:
q0=h1-h4=h1-h3=406.77-256.23=150.54kJ/kg
3单位容积制冷量:
qzv=q0/v1=150.54/0.06022=2499.83kJ/m3
4理论比功:
w=h2-h1=434.03-406.77=27.26kJ/kg
5指示比功:
wi=w/ηi=h2s-h1=27.26/0.9=30.29kJ/kg
6压缩机排气管处制冷剂气体的比焓:
h2s=wi+h1=30.329+406.77=437.10kJ/kg
7理论性能系数:
cop=q0/w=150.54/27.26=5.52
8指示性能系数:
copi=q0/wi=150.54/30.289=4.97
9制冷剂循环的质量流量:
qm=
0/q0=3986/150.54=0.02648kg/s
10实际输气量:
qvs=qm*v1=0.026.48*0.06022=1.59*10-3m3/s
11理论输气量:
qvh=qvs/λ=1.59*10-3/0.98=1.62*10-3m3/s
12压缩机消耗的理论功率:
P=qm*w=26.48*10-3*27.26=722.10w
13压缩机指示功率:
Pi=P/ηi=722.10/0.9=802.30w
14卡诺循环性能系数:
copc=TL/(TH-TL)=(273+5)/(48-5)=6.46
15指示循环效率:
η=copi/copc=4.97/6.46=78%
2.制热:
蒸发温度:
t0-3℃,冷凝温度:
tk46℃,
过热度:
7℃,过冷度:
8℃,
点号p/Mpat/℃h/(kJ/kg)v/(m3/kg)
00.2627-3395.47
10.26274401.830.0793
21.189457434.17
31.189438253.12
热力计算
1压缩比:
P2/p1=1.1894/0.2627=4.528
2单位质量吸热量:
q0=h1-h4=h1-h3=148.71kJ/kg
3单位容积吸热量:
qzv=q0/v1=148.71/0.0793=1875.3kJ/m3
4冷凝器单位制热量:
qk=h2s-h3=437.83-253.12=184.64kJ/kg
5理论比功:
w=h2-h1=434.17-401.83=32.34kJ/kg
6指示比功:
wi=w/ηi=h2s-h1=32.34/0.9=35.93kJ/kg
h2s=wi+h1=35.93+401.83=437.83kJ/kg
7理论性能系数:
cop=qk/w=184.64/32.34=5.71
8指示性能系数:
copi=qk/wi=184.64/35.93=5.14
9制冷循环的制热量:
Qk=qk*qm=184.64*26.48*10-3=4889.27W
10实际输气量:
qvs=qm*v1=26.8*10-3*0.0793=2.126*10-3m3/s
11理论输气量:
qvh=qvs/λ=2.126*10-3/0.98=2.17*10-3m3/s
12压缩机消耗的理论功率:
P=qm*w=26.8*10-3*32.34=866.7w
13压缩机指示功率:
Pi=P/ηi=866.7/0.9=963w
二、压缩机的选择
初选谷轮涡旋压缩机型号:
ZB19KQE台数1台
冷凝温度:
45℃蒸发温度:
5℃制冷量:
4500W
输入功率:
1270W
涡轮式压缩机容积效率λ高达95%以上,取λ=0.98,ηi=0.9
三、蒸发器
选择表面式蒸发器:
选用翅片管式换热器、双排
选定蒸发器的结构参数
选用ϕ10x0.7mm的紫铜管,翅片选用厚为δf=0.2mm的铝套片,热导率为λf=237W/(m·K),翅片间距sf=1.8mm。
管束按正三角形叉排排列,垂直于流动方向的管间距s1=25mm,沿流动方向的管排数nL=4,迎面风速uf=2.5m/s。
(1)计算几何参数
翅片为平直套片,考虑套片后的管外径为
db=d0+2δf=0.0104m
沿气流流动方向的管间距为
s2=s1cos30°=0.02m
沿气流方向套片的长度
L=4s2=0.08m
每米管长翅片的外表面面积
af=2(s1*s2-
db²)
=0.41m²/m
每米管长翅片间的管子表面面积
ab=πdb(sf–δf)
=0.03m²/m
每米管长的总外表面面积
aof=af+ab=0.44m²/m
每米管长的外表面面积
abo=πdbx10.03m²/m
每米管长的内表面面积
ai=πdix1=0.03m²/m
每米管长平均直径处的表面面积
am=πdmx1=0.03m²/m
由以上计算得
aof/abo=13.61
(2)计算空气侧干表面传热系数
1)空气的物性
空气的平均温度为
ta=
=22.25℃
在此温度下的物性约为ρa=1.1966kg/m³,cpa=1.005kJ/(kg·K),
Pra=0.7026,νa=0.00001588m²/s
2)最窄界面处的空气流速
ωmax=ωf
=4.71m/s
3)空气侧干表面传热系数
j=0.0014+0.2618
=0.0085
=
=0.061kW/(m²·K)
(3)确定空气在蒸发器内的状态变化过程
根据给定的空气进出口温度,由湿空气的h–d图可得
=55.6kJ/kg
,
=40.7kJ/kg,
=11.1g/kg,
=9.2g/kg
湿空气的状态变化
在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ω点,该点的参数是
=29.5kJ/kg,
=9℃,
=7.13g/kg
在蒸发器中,空气的平均比焓为
=
+
=47.11
在h–d图上按过程线与
=47.11线的交点读得
=21.4℃
,
=10g/kg
。
析湿系数可由下式确定:
=1.57
(4)循环空气是指计算
=963.06kg/h
进口状态上空气的比体积可上上式确定:
V1=
=0.87m³/kg
故循环空气的体积流量为
qv,a=qm*v1=834.09m³/h
(5)空气侧当量表面传热系数的计算
当量表面传热系数
=0.084kW/(m²·K)
对于正三角菜叉排排列的平直套片管束,翅睛效率
可由式(6-34)计算,
叉排翅片可视为正六角形,且此时翅片的长对边距离和短对边距离之比为
=1,且
=
,故
ρ’=1.28
=2.57
肋片折合高度为
=0.01m
m=
=63.571/m
故在凝露工况下的翅片效率为
=0.866
(6)管内制冷剂蒸发时表面传热系数的计算
R143a在t0=5℃时的物性为:
饱和液体的比定压热容cp,l=1.34kJ/(kg·K),
饱和蒸气的比定压热容cp,g=0.94kJ/(kg·K),饱和液体的密度:
=1278.61kg/m³饱和蒸气的密度:
ρg=17.24kg/m³,汽化潜热:
r=193.4kJ/kg,饱和压力ps=349.63kPa,表面张力σ=1.12N/m,液体的动力粘度μl=0.000256Pa·s,蒸气的动力粘度μg=0.00000842Pa·s,液体的导热率λl=0.092715103W/(m·K),蒸气的导热率λg=0.012706055W/(m·K),液体的普朗特数:
Prl=2.87,蒸气的普朗特数Prv=0.735。
R134a在管内蒸发的表面传热系数可由式(6-28)计算。
已知R134a进入蒸发器时的干度x1=0.16,出口干度x2=1,侧R134a的总质量流量为99.72kg/h作为迭代计算的初值,取qi=
,R134a在管内的质量流速为
,则总的流通截面面积为
=0.00025m²
每根管子的有效流通截面面积为
=
=5.8E-05m²
蒸发器的分路数
Z=A/
=4.22
对Z向下取整为Z=4,则每一分路中R134a的质量流量为
=
=22.08kg/h
每一个分路中R134a在管内的实际质量流速为
=
105.598kg/(m²·s)
于是
=
=0.00058
计算hi时采用式(6-28),其中Co<0.65,C1=1.136,C2=-0.9,C3=667.2,C4=0.7,C5=0.3,对于R134a。
=2643.65W/(m²·K)
(7)传热温差的初步计算
先不计R134a的阻力对蒸发温度的影响,则有
=16.8℃
(8)传热系数的计算
=43.11W/(m²·K)
由于R134a与聚酯油能互容,故管内污垢热阻可忽略。
据文献介绍,翅片侧污垢热阻、管壁导热热阻及翅片与管壁间接触热阻之和(rw+rs+
rt)可取为4.8x
m²·K/W,故
(9)核算假设的qi值
=724.45W/m²
计算表明,假设的qi初值11800W/m²与核算值11918W/m²较接近,偏差小于1%,故假设有效。
(10)蒸发器的结构尺寸确定
蒸发器所需的表面传热面积
=0.34m²
=5.50m²
蒸发器所需传热管总长
=12.38m
迎风面积
取蒸发器宽B=0.98m,高H=0.28m,则实际迎风面积Af=0.27m²。
已选定垂直于气流方向的管间距s1=0.025m,故垂直于气流方向的每排管数为
=11
深度方向为4排,共布置48根传热管,传热管的实际总长度为Lt=43.12m
传热管的实际内表面传热面积为
=1.16m²
(3)计算结果如下:
状态参数
h0
400
kJ/kg
h1
406.77
kJ/kg
h2
434.03
kJ/kg
h3
256.23
kJ/kg
v1
0.06022
m³/kg
循环制冷量
ϕ0
3.986
kW
容积效率
ηv
0.98
单位质量制冷量
q0
143.77
kJ/kg
单位容积制冷量
qzv
2387.41282
kJ/m³
理论比功
ω
27.26
kJ/kg
指示效率
ηi
0.9
指示比功
ωi
30.28888889
kJ/kg
冷凝器入口的制冷剂比焓
h2s
437.0588889
kJ/kg
性能系数
COP
5.27402788
COPi
4.746625092
冷凝器的单位热负荷
qk
180.8288889
kJ/kg
制冷剂循环的质量流量
qm
0.027724838
kg/s
实际输气量和理论输气量
qvs
0.00166959
m³/s
qvh
0.001703663
m³/s
压缩机消耗的理论功率和指示功率
P
0.755779092
kW
Pi
0.839754546
kW
冷凝器热负荷
Фk
5.013451701
kW
热力学完善度
COPc
制热循环
状态参数
h0
395.47
kJ/kg
h1
401.83
kJ/kg
h2
434.17
kJ/kg
h3
253.12
kJ/kg
v1
0.0793
m³/kg
pk
1.1894
MPa
p0
0.2627
MPa
指示效率
ηi
0.9
容积效率
ηv
0.98
压力比
π
4.527598021
单位质量制热量
q0
142.35
kJ/kg
单位容积制热量
qzv
1795.081967
kJ/m³
理论比功
ω
32.34
kJ/kg
指示比功
ωi
35.93333333
kJ/kg
性能系数
COP
4.401669759
COPi
3.961502783
理论输气量
qvh
0.002243449
m³/s
实际输气量
qvs
0.00219858
m³/s
制冷剂的质量流量
qm
0.027724838
kg/s
理论制热量
ϕ0
3.94663073
kW
压缩机理论功率和指示功率
P
0.89662127
kW
Pi
0.996245856
kW
冷凝器热负荷
h2s
437.7633333
kJ/kg
ϕk
5.119206557
kW
蒸发器的计算
干球温度
ta1
27
℃
湿球温度
ts1
19
℃
出口空气的干球温度
ta2
17.5
℃
出口空气的湿球温度
ts2
14.6
℃
空气的气体常数
Ra
287.4
J/(kg·K)
当地大气压力
PB
101320
Pa
制冷量
ϕ0
3.986
kW
翅片厚度
δf
0.0002
m
铜管直径
d0
0.01
m
di
0.0086
m
热导率
λf
0.237
kW/(m·K)
翅片间距
sf
0.0022
m
垂直于流动方向的管间距
s1
0.025
m
沿流动方向的管排数
nL
2
迎面风速
uf
2.5
m/s
考虑套片后的管外径
db
0.0104
m
沿气流流动方向的管间距
s2
0.02
m
沿气流方向套片的长度
L
0.08
m
每米管长翅片的外表面面积
af
0.41
m²/m
每米管长翅片间的管子表面面积
ab
0.03
m²/m
每米管长的总外表面面积
aof
0.44
m²/m
每米管长的外表面面积
abo
0.03
m²/m
每米管长的内表面面积
ai
0.03
m²/m
每米管长平均直径处的表面面积
am
0.03
m²/m
aof/abo
13.61
空气的平均温度
ta
22.25
℃
空气的物性参数
ρa
1.1966
kg/m³
cpa
1.005
kJ/(kg·K)
Pra
0.7026
νa
0.00001588
m²/s
最窄界面处的空气流速
ωmax
4.71
m/s
空气侧干表面传热系数
j
0.008516283
h0
0.061021033
kW/(m²·K)
空气参数
h1
55.6
kJ/kg
h2
40.7
kJ/kg
tw
9
℃
hw''
29.5
kJ/kg
d1
11.1
g/kg
d2
9.2
g/kg
dw''
7.13
g/kg
hm
47.11184481
tm
21.4
℃
dm
10
g/kg
析湿系数
ξ
1.569370968
循环空气量
qm
963.0604027
kg/h
进口状态下空气的比体积
v1
0.866080411
m³/kg
循环空气的体积流量
qv,a
834.087749
m³/h
当量表面传热系数
hj
0.083770528
kW/(m²·K)
ρ'
2.574338543
肋片折合高度
h'
0.01
m
m
63.57
1/m
翅片效率
ηf
0.866
管内R134a蒸发时表面传热系数的计算
at
0.4445
m²/m
t0
5
℃
饱和液体的比定压热容
cp,l
1.34346411
kJ/(kg·K)
饱和蒸气的比定压热容
cp,g
0.943782325
kJ/(kg·K)
饱和液体的密度
ρl
1278.61
kg/m³
饱和蒸气的密度
ρg
17.23841
kg/m³
汽化潜热
r
193.4
kJ/kg
饱和压力
ps
349.63
kPa
表面张力
σ
1.12
N/m
液体的动力粘度
μl
0.000256
Pa·s
蒸气的动力粘度
μg
0.00000842
Pa·s
液体的热导率
λl
0.092715103
W/(m·K)
蒸气的热导率
λg
0.012706055
W/(m·K)
液体的普朗特数
Prl
2.87
蒸气的普朗特数
Prv
0.735
进口干度
x1
0.16
出口干度
x2
1
制冷剂的总质量流量
qm
88.33
kg/h
迭代计算的初值
qi
11.8
kW/m²
管内的质量流速
qi'
100
kg/(m²·s)
总的流通截面面积
A
0.000245359
m²
每根管子的有效流通截面面积
Ai
5.8088E-05
m²
蒸发器的分路数
Z
4.22391096
对Z取整
Z
4
第一分路中制冷剂质量流量
qm,d
22.0822869
kg/h
第一分路中制冷剂的实际质量流速
Gi
105.597774
kg/(m²·s)
Bo
0.000577791
Co
0.089688465
Frl
0.080929863
Rel
1489.918593
hl
130.6359357
取值规则见书P249
C1
1.136
C2
-0.9
C3
667.2
C4
0.7
C5
0.3
对于R134a
Ffl
2.2
hi
2643.657251
W/(m²·K)
传热温差的初步计算值
Δtm'
16.80482565
℃
传热系数的计算
ko
43.11
W/(m²·K)
核算假设的qi值
q0
724.4560339
W/m²
qi
11917.86481
W/m²
蒸发器结构尺寸的确定
蒸发器所需的表面传热面积
Ai'
0.34
m²
A0'
5.50
m²
蒸发器所需传热管总长
lt'
12.38
m
迎风面积
Af
0.09
m²
蒸发器宽
B
0.98
m
蒸发器高
H
0.28
m
实际迎风面积
Af
0.27
m²
垂直于气流方向的每排管数
n1
11
深度方向排数
4
传热总数
48
传热管的实际总长度
lt'
43.12
m
传热管的实际内表面传热面积
Ai
1.16
m²
(4)蒸发器风机的选择?
四、冷凝器
(1)翅片管簇结构参数选择及计算选择φ9.52mm×0.35mm的紫铜管为传热管,选用的翅片是厚度δf=0.115mm的波纹形整张铝制套片。
取翅片节距sf=2mm,迎风面上管中心距s1=25.4mm,s2管簇排列采用正三角形叉排。
翅片式冷凝器侧面管间距:
s2=
*
=21.997mm
翅片式冷凝器翅片根部外沿直径:
db=d0+2*δf=9.750mm
每米管长各有关传热面积分别为:
af=2
=0.484㎡/m
ab=πdb
=0.484m²/m
aof=af+ab=0.513m²/m
ai=πdi=0.028m²/m
取当地大气压pb=101.32kPa,由干空气热物理性质表,在空气平均温度tw=45.5℃条件下,Cpa=1013.00J/(kg·k)、λB=0.027W/(m·k)、空气的运动粘度υa=0.0000190m/s,ρa=1.135kg/m³。
对数平均温差θm
θm=
=9.692℃
制冷剂质量流量qm
qm=
=0.026kg/s
冷凝负荷
ϕk=qm*qk=4.889kw
冷凝器所需空气体积流量
qv=ϕk/ρaCpa(ta2-ta1)=2551.27m³/h
选取迎风风速ωy=2.0m/s,则迎风面积
Ay=qv/ωy=0.354m²
冷凝器迎风面宽度即有效单管长l=540.0mm,则冷凝器的迎风面高度
H=Ay/l=0.66m
迎风面上管排数
N=H/s1-0.5≈25.334排
冷凝器在空气流通方向上的管排数n=2
(2)进行传热计算,确定所需传热面积Aof、翅片管总长L及空气流通方向上的管排数n,采用整张波纹翅片及及密翅距的叉排管簇的空气侧传热系数由式
αof=CΨλaRef^n(b/de)/dc乘以1.1再乘以1.2计算
取冷凝器在空气流通方向上的管排数n=2,则翅片宽度
b=n×s1×cos30°=43.994mm
微元最窄截面的当量直径
dc=2(s1-db)(sf-δf)/((s1-db)+(sf-δf))=3.365mm
最窄截面风速
ωmax=s1×sf/(s1-db)(s
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