分体式家用空调制冷系统设计.doc

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1、华中科技大学文华学院毕业设计（论文）目 录摘 要4Abstract5Key words6前言71 方案论证91.1 流程选择91.2 冷凝器的选择91.3 蒸发器的选择91.4 制冷剂的选择101.5 节流装置的选择101.6 压缩机的选择112 过程论述112.1 已知参数112.1.1 制冷循环的图112.1.2 单供冷工况122.2 制冷循环热力计算132.2.1 单位质量制冷量132.2.2 单位容量制冷量132.2.3 单位绝热功142.2.4 制冷系数142.2.5 制冷剂循环量142.2.6 实际输气量142.2.7 压缩机理论功率142.2.8 单位冷凝热负荷152.3 冷凝器

2、的设计计算152.3.1 冷凝器的结构规划及有关参数152.3.2 空气侧传热系数计算162.3.3 管内R22冷凝时表面传热系数计算182.3.4 计算所需传热面积182.3.5 风侧阻力的计算192.4 蒸发器的设计计算192.4.1 初步的结构规划192.4.2 翅片管各部分传热面积的计算192.4.3 确定空气流经蒸发器时的状态变化过程202.4.4 计算空气侧传热系数212.4.5 计算制冷剂管内表面传热系数232.4.6 计算管内传热面积242.4.7 求所需传热管的长度252.4.8 壁温校核252.4.9 风侧阻力252.5 节流装置的选型262.6 压缩机的选型262.7 结

3、果分析273 结论284 参考文献295 致谢306 附录31附录1整机系统布置图：31附录2 冷凝器参数图32附录3 计算机编程与运行33设计程序33运行结果：33分体式家用空调制冷系统设计摘 要从低于环境温度的空间或物体中吸取热量，并将其转移给环境介质的过程称为制冷。制冷在国民经济各个部门及人民生活中得到广泛应用。在人民生活中，家用冰箱、空调器的应用日益增多。制冷在商业上的用途主要是对易腐食品（如鱼、肉、蛋、蔬菜等）进行冷加工、冷藏以及冷藏运输，以减少生产和分配中的食品消耗，保证各个季节市场的合理销售。本文主要是对分体式家用空调KF-35Gw的制冷系统的设计，通过对制冷各个流程的分析，选择

4、适合家用空调的流程。在依次对冷凝器，蒸发器，压缩机，节流装置以及制冷剂的选择，确定家用冰箱各个部件该用什么。依照初参数设计计算，最后验证设计的可行性。让我们充分了解家用空调的制冷原理与设计原理，以及让我们对怎么样去改进怎么样去创新怎么样去清洁低耗打下基础。关键词：制冷；家用空调；冷凝器；蒸发器；压缩机；制冷剂；Home air conditioning and refrigeration system designed to designAbstractFrom the space below the environment or objects draw the heat, and tran

5、sferred to the process of cooling is called the environment of medium. the heating in all departments and the people of widely used. in the peoples life, refrigerators and air conditioner and the application of growing. Refrigeration the commercial purposes is largely on food （ such as fish, meat, e

6、ggs, vegetables, etc in cold storage ） processing, storage and transport and to reduce production and distribution of food consumption market and ensure that all the time of sale.This is mainly used for split style air conditioning, heating kf 35gw of system design, the process of analysis of refrig

7、eration, air conditioner is used for home in the process. In turn to the condenser. the evaporator, compressors and throttling device refrigerant choice, identify and family all components in the fridge. In accordance with the first parameter design calculations, the feasibility of the design. we fu

8、lly understand the air conditioner is used in the refrigerate principle and design principles, and let us how to improve on how to innovate like to take. clean low consume.Key Words:Refrigeration; Home air conditioning; Condenser; Evaporimeter; Compressor; Cryogen 前言随着科技的不断发展，人民生活水平的不断提高，人们对日常生活的质量要

9、求也越来越高。在现今空调已经慢慢的成为人们生活中不可或缺的家电之一。家用空调它为人们提供了适宜的生活和工作环境，不仅有益于身心健康，而且可以提高生产和工作效率。在这里我们设计的家用空调就是为了让我们更加的了解它，更好的使用它以及以后去创新它，来使我们的生活更加合理与和谐。空调的发展历史 在二十世纪六,七十年代,美国地区发生罕见的干旱天气,为解决干旱缺水地区的空调冷热源问题,美国率先研制出风冷式冷水机,用空气散热代替冷却塔,其英文名称是:Air cool Chiller,简称为Chiller!随着我国经济的迅猛发展，人民生活水平有了大幅度的提高，家用空调已经非常普及。目前我国家用空调器的型式结构

10、以分体空调器占绝对优势。即使目前以水为传热介质的家用中央空调机组开始兴起，但由于成本高、结构系统复杂，大多数居民还是选择采用单个分体空调器或多联机分体空调器。家用空调的重要组成部分包括冷凝器、蒸发器、压缩机以及节流装置等辅助设备，我们对于家用空调的设计就应该从这些部分各个击破，选择最合适，最经济，最环保的，最高效的来为我们服务。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（水或者空气）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。冷凝器按冷却方式可分

11、为水冷式冷凝器、空气冷却式冷凝器、蒸发式冷凝器。目前在制冷量小于10KW的小型氟利昂制冷装置如冰箱、冰棒机、小型冷库、及各种空调机组中，除了广泛地采用空冷式冷凝器外，亦有不少采用套管式冷凝器和卧式壳式冷凝器，但从维护使用方便及相关的经济分析角度，应采用空冷式冷凝器为佳。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。根据蒸发器所冷却的介质来分，可分为冷却空气式蒸发器和冷却液体式蒸发器。首先由于家用空调的特性，蒸发器和冷凝器一样用选用冷却空气式。制冷压缩机根据其对制冷剂蒸汽的压缩热力学原理可以分为容积型和速度型两大类。容积型压缩机安其压缩部件的运动特点可分为往复活塞式和回转式。而后者

12、根据压缩机的结构特点可分为滚动转子式、滑片式、双螺杆式、单螺杆式、涡旋式等。目前，在中小型空调机中，一般都采用往复式或滚动转子式制冷压缩机，全封闭式制冷压缩机因其结构紧凑，无轴封装置，体积小、噪声低、重量轻等优点，因而在中小型空调机组中得到广泛应用。家用空调的其他设备及辅助设备这里就不一一介绍，在本文的后面会详细的作介绍。由于水平和时间的限制，书中的不足之处，恳望读者指正。1 方案论证1.1 流程选择通过比较各种制冷流程，选择一种适合于家用空调的流程。单级压缩蒸汽制冷机是指将制冷剂经过一级压缩从蒸发压力压缩到冷凝压力的制冷机，在制冷系统内相继经过压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程而完成一个制冷循环

13、。两级压缩制冷循环是制冷剂气体从蒸发压力提高到冷凝压力的过程分为两个阶段（先经过低级压缩到中间压力，中间压力下的气体经过中间冷却后再到高压级进一步压缩到冷凝压力）的制冷循环。其制冷循环能够获得比单级压缩蒸汽制冷更低的温度。复叠式制冷循环常用的两级复叠制冷装置，由高温级和低温级两部分组成，不同的制冷剂在不同的循环系统内，结构较复杂，但能获得更低的温度。综上所述，对于家用空调这一小型制冷系统，我们应选用单级压缩制冷循环的工艺流程。1.2 冷凝器的选择通过对各种冷凝器的比较，选择一种适合于家用空调的冷凝器。冷凝器按冷却方式可分为水冷式冷凝器、空气冷却式冷凝器、蒸发式冷凝器。目前在制冷量小于10KW的

14、小型氟利昂制冷装置如冰箱、冰棒机、小型冷库、及各种空调机组中，除了广泛地采用空冷式冷凝器外，亦有不少采用套管式冷凝器和卧式壳式冷凝器，但从维护使用方便及相关的经济分析角度，应采用空冷式冷凝器为佳。自然对流空气冷却式冷凝器主要用于300L以下的家用冰箱或其它制冷量小于0.5KW的小型氟利昂制冷剂中。分体式家用空调机冷凝器安装在室外，不易使用水作为冷却介质，目前分体式家用空调机多采用氟利昂作为制冷剂，制冷量小，所以采用强制通风的冷却式冷凝器以空气为冷却介质。1.3 蒸发器的选择通过对各种蒸发器的比较，选择一种适合于家用空调的蒸发器。根据蒸发器所冷却的介质来分，可分为冷却空气式蒸发器和冷却液体式蒸发

15、器。首先由于家用空调的特性，蒸发器和冷凝器一样用选用冷却空气式。冷却空气式蒸发器有以下几种结构，管板式、吹胀式、单脊翅片式、冷却排管。其中管板式蒸发器制造工艺简单，不易破损泄漏，结构紧凑，冷冻效率高等优点，因此其常用于直冷式冰箱的冷冻室。吹胀式蒸发器目前在国内外家用冰箱用得十分普遍，其材料多由铝制成，优点是传热性好，设计管路合理；缺点是制造工艺复杂，制造周期长。单脊翅片管式蒸发器的特点是单位长度的制冷量小，工艺简单，并易于清洗，常在直冷式双门双温电冰箱中用作冷藏室的蒸发器。小型制冷装置中的冷却排管一般为蛇形管式，通常为光管。在室内空气需要流通，因此蒸发器需配置风机来实现强制对流。综上所述，家用

16、空调的蒸发器应选用强制对流式。1.4 制冷剂的选择通过对各种制冷剂的比较，选择一种适合于家用空调的制冷剂。对制冷剂的要求，制冷剂应该具有较好的热力性质和物理、化学性质，具体要求有：1、临界温度不太低，以便在常温及普通低温下能够液化 。2、在工作温度范围内具有适宜的饱和蒸汽压力，以免外部空气从不严密处渗入系统。3、单位容积量大，粘度和密度小，以减少流动阻力。4、热导率高，不燃烧、不爆炸、无毒，对金属不腐蚀、与润滑油不发生化学反应、高温下不分解。5、绝热指数小，可降低排气温度，有利于机器的安全运行和寿命提高。6、凝固温度低，具有良好的电绝缘性能。7、价格低廉、易于获得，对人类生态环境无破坏作用。8

17、、单位容积压缩功小。在无机物制冷剂中的氨和二氧化碳作为中温制冷剂，其热力学性质和热物理性质都和好，但由于它们分别是安全性不高和循环效率低不适用于家用空调。在卤代烷烃中R134a和R22其稳定性较高、热力学性质和热物理性都高于其它制冷剂，是目前应用最广泛的制冷剂，多用于小型制冷装置。R22比R134a的压力要高65%左右，在根据家用空调实际应用情况，其制冷剂应选R22。1.5 节流装置的选择通过对各种节流装置的比较，选择一种适合于家用空调的节流装置空调中常用的节流装置有热力膨胀阀和毛细管等。热力膨胀阀可根据蒸发器出口处制冷剂蒸汽过热度的大小，自动调节阀门的开启度，达到调节制冷剂流量的目的，使制冷

18、剂的流量与蒸发器负荷相匹配，这样既能充分利用蒸发器的传热面积，又能防止压缩机产生“液击”现象。毛细管是一根内径很细（一般在0.62mm）的紫铜管，它适用于工况比较稳定的制冷系统。对于家用空调这一运行稳定的制冷系统中，选用毛细管较好。1.6 压缩机的选择通过对各种压缩机的比较，选择一种适合于家用空调的压缩机。制冷压缩机根据其对制冷剂蒸汽的压缩热力学原理可以分为容积型和速度型两大类。容积型压缩机安其压缩部件的运动特点可分为往复活塞式和回转式。而后者根据压缩机的结构特点可分为滚动转子式、滑片式、双螺杆式、单螺杆式、涡旋式等。目前，在中小型空调机中，一般都采用往复式或滚动转子式制冷压缩机，全封闭式制冷

19、压缩机因其结构紧凑，无轴封装置，体积小、噪声低、重量轻等优点，因而在中小型空调机组中得到广泛应用。全封闭式滚动转子式压缩机在能效比、体积、零件数等方面均优于往复式压缩机，但由于滚动转子式压缩机某些零部件的材质要求较高（如滑片等），而且加工精度要求高。从经济性考虑，家用空调应选用往复式压缩机。2 过程论述2.1 已知参数分体式家用空调型号：KF-35Gw制冷量：3500W制冷剂：R222.1.1 制冷循环的图单级压缩蒸汽制冷机的理论循环图如下所示： 2.1.2 单供冷工况空调制冷循环工作参数包括冷凝温度、蒸发温度、过冷温度和吸气温度。（1）冷凝温度冷凝器的冷却方式分为空冷式和水冷式两种，本设计中

20、采用强制通风的冷却式冷凝器以空气为冷却介质，名义工况如下表所示：空冷冷凝器名义工况（窗式）空气侧迎面风速m/s2.5入口温度干球35.0湿球24.0制冷剂侧入口过热蒸气温度95.0入口压力对应的冷凝温度54.4过冷度5.0（2）蒸发温度无论是窗式空调器还是立柜式空调器，蒸发器均是采用制冷剂在管内直接蒸发，空气在风机的作用下强制通过翅片管簇而得到冷却。蒸发温度一般取决于被冷却物体的温度以及蒸发器中的传热温差。蒸发器的名义工况空气侧迎面风速m/s2.0入口温度干球27.0湿球19.5制冷剂侧膨胀阀前过冷液温度46.1出口压力对应的蒸发温度7.2出口温度15.0（3）过冷温度空冷式冷凝器的过冷温度规

21、定为5（4）吸气温度窗式空调蒸发器的出口温度为15。压缩机的吸气温度则根据吸气管道的长度和保温情况而定，一般取管道过热为5左右。对于全封闭式压缩机，由于机壳内电机散热等因素，压缩机的吸气温度在空调工况时要超过15，据有关资料介绍，全封闭压缩机的吸气过热度的实测值比开启式压缩机高2030。2.2 制冷循环热力计算已知参数：制冷量3500W、制冷剂R22。蒸发温度7.2，冷凝温度54.4，膨胀阀前液体温度46.1，过冷温度15，吸气温度20；室内干球温度27，湿球温度19.5，室外干球温度35，湿球温度24.循环的p-h图如图（2-1）所示，根据上述条件查R22压焓图得各个状态点的参数如下表所示：

22、MPaMPa7.20.62554.42.14615414204180.0418845146.1257.92.2.1 单位质量制冷量单位质量制冷量=-=414-257.9=156.1 kJ/kg2.2.2 单位容量制冷量单位容量制冷量=3807.3 kJ/2.2.3 单位绝热功 单位绝热动 kJ/kg2.2.4 制冷系数制冷系数2.2.5 制冷剂循环量制冷剂循环量 kg/s2.2.6 实际输气量实际输气量 2.2.7 压缩机理论功率压缩机理论功率 KW2.2.8 单位冷凝热负荷单位冷凝热负荷 kJ/kg冷凝热负荷 KW2.3 冷凝器的设计计算2.3.1 冷凝器的结构规划及有关参数传热管选用70.

23、32的纯铜管，=0.007m，=0.00636m，肋片选用平直翅片（铝片），片厚m，管排方式采用正三角形排列，管间距m，排间距m，肋片节距m，沿气流方向的管排数n=5，片宽L=0.0866m。管外肋片单位面积为由得肋间管外单位表面积为管外总单位表面积管内单位表面积肋化系数为2.3.2 空气侧传热系数计算空气进出冷凝器的温差及风量：温差 平均温度 风量平均温度下空气物性参数为：密度；比定压热容；运动粘度，导热率。肋片效率及空气侧传热系数。取迎风面风速，则最小流通面的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流过整张平套片管管簇是的换热公式有平直翅片的管外传热系数为对于叉排管有其中。肋片当

24、量高度肋片特性参数其中肋片效率冷凝器外表面效率当量表面传热系数2.3.3 管内R22冷凝时表面传热系数计算管壁的温度，则平均温度根据R22管内冷凝换热计算公式其中，带入上式由热平衡可得管壁温度平衡方程整理得由试凑法的时，等式成立。与设定值近似相等，证明合适。得2.3.4 计算所需传热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以管外面积为基准的传热系数为平均温差为所需管外面积及结构参数：管外面积所需肋片管总长度2.3.5 风侧阻力的计算顺排是，系数A=0.0113叉排时2.4 蒸发器的设计计算2.4.1 初步的结构规划传热管选用9.530.35的纯铜管，翅片选用缝隙式的铝片

25、，翅片节距。条缝高度，条缝宽度。管簇为正三角形排列，管间距；沿气流方向的管排数N=2，则翅片宽度. 2.4.2 翅片管各部分传热面积的计算管外翅片面积翅片间管外表面积管外总表面积 管内表面积 肋化系数当量直径最窄流通面积与迎风面积之比2.4.3 确定空气流经蒸发器时的状态变化过程由设定的进风参数查h-d图，得。依照风量选择原则取设计风量，由可知 进入湿空气的比体积空气的制冷流量进出口空气的比焓差出口空气的比焓 假设传热管壁面温度，查得（取=100%）得空气处理饱和过程的饱和状态点w，连接1-w与h2线交于2点，得到蒸发器出口空气状态干球温度，含湿量。空气的平均温度空气在此温度下的物性为： 蒸发

26、器中空气的平均比焓则hm线与1-w线相交于m点，同时查得空气的平均状态参数： 2.4.4 计算空气侧传热系数取蒸发器迎面风速为，单管有效长度为B=0.36m，蒸发器的高度为 由此可得蒸发器的列数为 最窄通风面风速为 雷诺数为 由于Ref700，则 其中 于是 析湿系数为 翅片效率为 其中 其中 式中，A、B分别为长对边距离和断对边距离。所以 故 空气侧当量表面传热系数 2.4.5 计算制冷剂管内表面传热系数R22在t0=7.2时的物性如下：饱和液体的密度 L=1256.6kg/m3饱和蒸气的密度 g=26.49kg/m3汽化热 r0=199.1kj/kg液体的动力粘度 =201.7610-6P

27、as液体的热导率 L=91.6610-3w/（mk）液体的普朗特常数 PrL=2.62平均干度 制冷剂质量流量 每根管子的有效流通横截面积 蒸发器的分路数取Z=2，设热流密度为13kw/m2，则R22的质量流速 R22在管内沸腾换热，则 于是 由于，则：经计算得2.4.6 计算管内传热面积取管内传热污垢热阻ri=0，管外污垢热阻、接触热阻以及导热热阻之和为r0=0.0048w/（m2k），则以管外面积为基准的传热系数 平均传热温差 管内热流密度 故 2.4.7 求所需传热管的长度 有效管长 实际总管长 裕度 2.4.8 壁温校核由 得 比设计的壁温12低，设计合理。2.4.9 风侧阻力干工况阻

28、力：顺排时 故湿工况下 叉排时 2.5 节流装置的选型空调器中的毛细管的尺寸和根数可以通过与一台比较成熟的、制冷量的空调器中所采用的毛细管（）进行类比来确定；即由于：所以 所以可以选择即可以满足要求。2.6 压缩机的选型本文中家用空调采用的是往复式压缩机，往复式压缩机又分为全封闭式和半封闭式压缩机。由于全封闭式压缩机结构紧凑，无轴封装置，体积小，噪声低，重量轻等一系列优点，因而在中小空调机组中得到广泛应用。很据本设计中的制冷量要求我们选用F4-3Q全封闭式往复式压缩机。电机输出功率/W（hp）1100()额定制冷量/W（kcal/h）3815(3280)额定能效比/W/W2.3缸径/cm4.3

29、气缸工作容积/27.6冷冻机油牌号HD-25注油量/ml760制冷剂R22启动方式PSC运转电容电源50HZ-220V质量/Kg232.7 结果分析对于实际的家用空调的各项数据和各个部分的选型可能与本次设计中的相关数据存在差距。实际循环和理论循环有许多不同之处，除了压缩机中的工作过程以外，主要还有下列一些差别：1 流动过程存在阻力，有压力损失。2 制冷剂流经管道及阀门时同环境介质间有热交换，尤其是自节流阀以后，制冷剂温度降低，热量便会从环境介质传给制冷剂，导致漏热，引起冷量损失。3 热交换器中存在温差，例如冷却水或空气的温度T低于冷凝温度，且T是变化的（进口温度低，出口温度高）；载冷剂或冷却对

30、象的温度高于蒸发温度，通常载冷剂的温度也是变化的（进口温度高，出口温度低）。4 换热器中的温差也对系统的性能也有影响，还存在流动过程中阻力的影响5 关于漏热的影响：无论是制冷系统的高温部分还是低温部分，它们与环境之间总存在温差，因而不可避免的要与环境进行热交换，产生漏热。除压缩机、排气管道、冷凝器和液体管道这些高温部分的漏热对于制冷系统无不利影响外（对于热泵系统，这些漏热也是损失），其余漏热对系统性能将产生不利的影响。显然，两相管道和蒸发器的漏热是制冷量的直接损失，使系统的制冷量降低，能耗提高。对于实际的循环很难用手算法进行热力计算。因此，在工程设计中常常是对它们作一些简化。简化的途径是：1）

31、忽略冷凝器及蒸发器中的微小压力变化，即以压缩机出口压力作为冷凝压力（在大型装置中，压缩机排气管道较长，应从排气压力减去这一管道压力损失后作为冷凝压力），以压缩机进口压力作为蒸发压力，同时认为冷凝温度和蒸发温度均为定值。2）将压缩机内部过程简化成一个从吸气压力到排气压力的有损失的简单压缩过程。3）节流过程仍认为是前后焓相等的过程。3 结论通过对本次家用空调的设计我们可以得出以下结论：1 总体方案的选择的合理性。我们充分的考虑了对于分体式家用空调这一类小型的制冷装置，它需要多大的制冷量，以什么介质冷却制冷剂为宜，用什么类型的蒸发器以及其他辅助设备的选型等等，都是合理的且符合实际情况的。故我们作出了

32、合理的方案：我们选用单级压缩制冷循环的工艺流程。我们采用强制通风的冷却式冷凝器以空气为冷却介质流流程设计 我们选择强制对流式的蒸发器我们选择R22为制冷剂我们选用毛细管为节流装置我们选用往复式压缩机2 计算的合理性与准确性。通过对方案的选择以及对初参数的给定，我们也进一步的确定了对于什么设备采用什么样的材料，以及材料的各项参数，通过查表准确的得到，在选用合理的公式去计算。3 本次设计的不足与改进的方向。本次设计中由于各方面的条件的影响，设计的结果与相关的数据与实际情况有一定的差距，我们要不断地与实际相结合，考虑更加全面。5 致谢 本次设计的完结，让我们对分体式家用空调有了充分的了解。在此我要感谢指导老师郑正泉对我们本次设计提出的建议和意见，以及对该次设计的细心指导。6 附录附录1整机系统布置图：1室内机 2闸刀 3开关盒 4液R22管 5气R22管 6室外机附录2 冷凝器参数图1肋片 2传热管 3微元迎风面积 4微元最窄面积附录3 计算机编程与运行设计程序#includeVoid main()int ;float;Printf(“”,);Printf(“”,);运行结果：温差 ， 风量 在此我们就以这个片段代表整个程序段，其它以此类推。32-