制冷技術(shù)課程設(shè)計：設(shè)計3HP風冷冷水機組

1、制冷技術(shù)課程設(shè)計題目：設(shè)計3HP風冷冷水機組目 錄【設(shè)計要求】4【設(shè)計內(nèi)容】4【設(shè)計過程】5一、制冷工況的確定5（一）設(shè)計參數(shù)5（二）由軟件上切取工況圖5（三）由軟件讀取各點參數(shù)6（四）制冷量等的確定7（五）壓縮機的選擇8二、蒸發(fā)器部分8（一）確定冷凍水的出口溫度t28（二）確定蒸發(fā)溫度t09（三）求蒸發(fā)器冷負荷9（四）計算平均傳熱溫差9（五）制冷劑R22流量9（六）概算所需的傳熱面積Ac9（七）初步規(guī)劃蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)9（八）計算水側(cè)換熱系數(shù)10（九）計算制冷劑（R22）側(cè)換熱系數(shù)10（十）實際的熱流密度10（十一）計算實際傳熱面積，布置管束10（十二）校核蒸發(fā)溫度11（十三）制冷劑在管內(nèi)流動阻力

2、11三、冷凝器部分12（一）基本參數(shù)12（二）確定肋片管束形式12（三）計算空氣側(cè)的換熱系數(shù)13（四）計算制冷劑側(cè)對流換熱系數(shù)15（五）規(guī)劃冷凝器的結(jié)構(gòu)16（六）校核迎面風速16四 、熱力膨脹閥選型與計算17（一）計算17（二）選型18五、其它輔助設(shè)備的選擇18（一）貯液器18（二）油分離器19（三）氣液分離器19（四）其它輔助輔件19【參考目錄】19【附成績與樣圖】20【設(shè)計要求】 采用R22制冷劑，壓縮機功率為3HP，冷凝器為風冷式翅片管換熱器，翅片管結(jié)構(gòu)尺寸見空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)（彥啟森等編、第三版）p108，蒸發(fā)器為干式水箱式，采用紫銅管為傳熱管，換熱管幾何參數(shù)見下表：表:蒸發(fā)器換熱管幾

3、何參數(shù)基管內(nèi)徑（mm）11.00基管外徑（mm）13.00（管外水強迫對流換熱計算公式：見空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)（彥啟森等編、第三版）p102，公式4-30）。冷卻水進口溫度為32，冷凍水出口溫度為7。冷凝器空氣進口溫度為33.5，相對濕度60。（管內(nèi)冷凝計算公式：見空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)（彥啟森等編、第三版）p84，公式4-7）【設(shè)計內(nèi)容】設(shè)計該制冷機組的冷凝器、蒸發(fā)器、選擇熱力膨脹閥型號【設(shè)計過程】一、制冷工況的確定（一）設(shè)計參數(shù)基本循環(huán)參數(shù)：壓縮機功率為3HP，合3×0.735=2.205kW冷凍水進口溫度ts1=12冷凍水出口溫度ts2=7（給定值）冷凝溫度 風冷式 t=t1+t t

4、取1015 取t=45蒸發(fā)溫度 t0=0.5（ts1+ts2）-m m=68 取t0=4 冷凝器空氣進口溫度t1=33.5 相對濕度60%（給定值） 取冷凝器空氣出口溫度t2=39 相對濕度為45%過熱度：3過冷度：5（二）由軟件上切取工況圖使用Refrigeration utilities查詢此循環(huán)的參數(shù)：軟件上模擬的循環(huán)圖（三）由軟件讀取各點參數(shù)軟件上切下來的參數(shù)圖讀取理想循環(huán)狀態(tài)下各點參數(shù)如下：h1=409.017Kj/Kg p1=5.657barh2=437.332 Kj/Kg p2=17.290barh3=h4=249.673 Kj/Kg因為p2p1<8，所以采用單級壓縮機。（

5、四）制冷量等的確定由軟件查得的數(shù)據(jù)可得：單位質(zhì)量制冷劑制冷能力q0=h1-h4=159.344KJ/kg單位容積制冷劑制冷能力qv=q0v1=3999.20KJ/kg單位質(zhì)量制冷劑在冷凝器的負荷qk=h2-h3=h2-h4=187.659KJ/kg單位質(zhì)量制冷劑的壓縮機耗功WC=h2-h1=28.315kJ/kg理論制冷系數(shù)th=q0wc=h1-h4（h2-h1）=5.63因為假設(shè)COP=3，由此可得理論壓縮機功率Pth=p*COP/=3*735*3/5.63=1174.96WPth=Mr（h2-h1）得：Mr=0.0415kg/s則有制冷量o=Mrq0=6.612kW（五）壓縮機的選擇由于制

6、冷量較小，而渦旋式制冷壓縮機效率高，振動小和噪聲低，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，適合小型熱泵系統(tǒng)使用。 所以決定采用渦旋式壓縮機，屬于全封閉壓縮機，應(yīng)用公式（4-21b）得冷凝器的熱負荷k=0*(A+B*tk)=6.612*(0.86+0.0042*45)=6.93 kW 渦旋式壓縮機樣機二、蒸發(fā)器部分蒸發(fā)器為干式水箱式，采用紫銅管為傳熱管，換熱管幾何參數(shù)為：基管內(nèi)徑為11.00mm 基管外徑為13.00mm 制冷劑走管程，載冷劑在管外。（一）確定冷凍水的出口溫度ts2取冷凍水進出口溫差tw為5，由ts1=7，得ts2=12（二）確定蒸發(fā)溫度t0蒸發(fā)溫度為4 （三）求蒸發(fā)器冷負荷0=6.612kW（四

7、）計算平均傳熱溫差tm=ts2-ts1lnts2-t0ts1-t0=12-7ln12-47-4=5.1（五）制冷劑R22的流量Mw=0.0415kgs（六）概算所需的傳熱面積Ac假設(shè)熱流密度=3000wm2，則Ac=0=2.204m2 （七）初步規(guī)劃蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)取管內(nèi)制冷劑R22的速度=4.0ms，則每程管數(shù)m=4Mwdi2=9.84取m=10這樣，管束總長（即流程數(shù)n與管有效長度的乘積）等于L=Acd0m=5.399m管程數(shù)n取2蒸發(fā)器傳熱管有效長度為l=Ln=2.6995m總的管數(shù)為10×2=20（八）計算水側(cè)換熱系數(shù)根據(jù)管外水強迫對流換熱計算公式4-30af=CRef0.6Prf

8、0.33（fw）0.14 取水流速是v=0.5m/s，Prf=9.72，C=0.22，=1330×10-6Pas所以，af=853.25w(m2k)（九）計算制冷劑（R22）側(cè)換熱系數(shù) 采用垂直管內(nèi)沸騰換熱，根據(jù)公式4-27，有 a=4.57（1+0.03t0）0.7=1390.3w(m2k)（十）校核熱流密度實際傳熱系數(shù)Kc=1d0idi+id0di+0+1 0,z=602.3wm2K=Kctm=3071.73w(m2k),-,×100%=2.335%5%計算的傳熱數(shù)有效（十一）計算實際傳熱面積，布置管束Ac=0,=2.152m2保持上述確定的m=10，n=2 蒸發(fā)器有效

9、管長l=Acd0mn=2.636m（十二）校核蒸發(fā)溫度所需傳熱溫差tm'=0Kc Ac,=5.1013即所需蒸發(fā)溫度為3.96，與假設(shè)的4基本一致。所以蒸發(fā)溫度為4時符合要求。（十三）制冷劑在管內(nèi)的流動阻力 液體在管內(nèi)蒸發(fā)時的總流動阻力包括沿程阻力和局部阻力。 P=（25）rPm兩相流動時，制冷劑的沿程阻力 Pm=S（ldi）×0.5×（u）2沿程阻力系數(shù) s=0.3164（Re）0.25雷諾數(shù) Re=udiv所以 Pm=756.5PaP=25rPm=3.5×0.82×756.5=2171.16Pa對于錯排布置的蒸發(fā)器，阻力增加20%，即p2=1

10、.2×p=1.2×2171.6=2605.38Pa三、冷凝器部分（一）基本參數(shù)已知制冷量為6.612kW的R22制冷系統(tǒng)，冷凝器的熱負荷 k=0*(A+B*tk)=6.612*(0.86+0.0042*45)=6.93 kW冷凝器空氣進口溫度為33.5，相對濕度為60%冷凝器空氣出口溫度取為39，相對濕度取為45%由焓濕圖可知，h01=84.86kj/kg，h02=91.36kj/kg冷卻空氣的質(zhì)量流量qm=Mr（h2-h3）/（h01-h02）=1.198Kg/s（二）確定肋片管束形式采用連續(xù)整體套片，基管外徑do=10mm，壁厚p=0.35mm的銅管；鋁肋片厚f=0.1

11、2mm，導(dǎo)熱系數(shù)=204W/（m·K）；肋片節(jié)距e=2.5mm，管束為正三角形排列，管中心距s1=25mm，s2= s1·sin60°=21.66 mm，結(jié)構(gòu)參數(shù)計算如下：每米肋管長的肋片表面積Af=(s1×s2-4d02)×2×1000e=0.343m2每米肋管長的肋片間基管外表面積APAP=1000ed0e-f=0.0299m2每米肋管長總外表面積A A=Ap+Af=0.3999m2每米肋管長內(nèi)總表面積AiAi=di=0.0292m2 肋化系數(shù) =AAi=13.70 肋通系數(shù) a=A/（1XSi）=15.996凈斷面比 =s1-d

12、0（e-f）s1e=0.571 （三）計算空氣側(cè)的換熱系數(shù)1. 設(shè)迎面風速va=2.4ms，則最小流動斷面的速度為V=va=2.4/0.571=4.203ms2. 設(shè)氣流方向肋管的排數(shù)N=43. 根據(jù)公式4-15計算肋片外表面的換熱系數(shù)肋片空氣通道的當量直徑de=2s1-d0（e-f）si×e=4.11氣流方向的肋片長度L=N×s2=129.9mm計算雷諾數(shù)Re=vde=1052.3計算系數(shù)與指數(shù) C1=1.36-0.00024Re=1.107 C2=0.518-2.315×0.01Lde+4.25×0.0001（Lde）2-3×10-6（Ld

13、e）3=0.191n=-0.28+0.08Re1000=-0.196 m=0.45+0.0066L/de=0.589因此，a=1.1×1.027×0.116×0.0260.00411（0.12990.0041）-0.188（1385.7）0.658=44.35W（m2k）肋片形狀參數(shù) m=（2aff）0.5=60.196當量肋高l=（aR-r0）（1+0.085lgaRr0）=11.16mm 肋片效率 nf=thm.lm.l thm.l=eml-e-mleml+e-ml 所以 nf=th（m.l）m.l=0.873肋片管效率 nf.b=nf（Ap+Af）A=0.8

14、82 所以，空氣側(cè)的換熱系數(shù)是 a，e=nf.b×a=39.12W（m2k）（四）計算制冷劑側(cè)對流換熱系數(shù)制冷劑為R22，定性溫度45 根據(jù)此定性溫度查取物性系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)=0.0743Wm2 g=9.8ms2 =1106.0035kgm3 M=0.131×10-3Nsm2 r=160.58kjkg M=1.307×10-4Pas則有物性系數(shù) =3gr2=6.04×1012W3N（m6K3s）設(shè)熱流密度=287.6Wm2 ，由式4-7可知水平管內(nèi)制冷劑換熱系數(shù) ac.n=0.455（di）13=5886.2W/（m2k）計算以外表面為基準的風冷式冷凝器的傳

15、熱系數(shù)對于銅管，不考慮管壁熱阻；接觸熱阻Rc=0.86×10-3m2KW則有總的傳熱系數(shù)：Kc=1aa.e+Rc+RpA0A+ac.n-1=33.91 W/（m2k）校核熱流密度tm=t2-t1lntk-t1tk-t2=8.45所以，實際熱流密度=kctm=286.6Wm2相對誤差=0.36%<5%所以假設(shè)的熱流密度有效。（五）規(guī)劃冷凝器的結(jié)構(gòu)1. 所需管外傳熱面積Atotal=kkctm=24.21m2所需肋片管總長度ltotal=AtotalA=60.53m2. 取流程數(shù)n=1（單流程） 3. m=4Mwdi2=7.85 取每流程肋管數(shù)m=8，則單根肋管有效長度l=（1+5

16、%）ltotalmnN=1.99m （取5%的安全裕度） 冷凝器高度h=s1m=0.2迎風面積Aw=s1ml=0.3501m2（六）校核迎面風速實際風速wa=qmAw=2.48ms 相對誤差=3.33%<5%，因此假設(shè)風速有效。四 、熱力膨脹閥選型與計算（一）計算工況：制冷劑R22通過膨脹閥的壓力降 P=1.1633Mpa蒸發(fā)溫度4°C蒸發(fā)器的制冷量6.612 kW 制冷劑的質(zhì)量流量是Mr=0.0415Kg/s膨脹閥進口壓力 Pvi=1.7290MPa膨脹閥出口壓力 Pvo=0.5657MPa 膨脹閥進口制冷劑密度VI=1128.5kg/m3膨脹閥進口制冷劑比容 vi= 0.0

17、00886 m3/kg 膨脹閥出口制冷劑比容 vo=0.01 m3/kg 流量系數(shù) CD=0.02005*VI+6.34*vo=0.7369所以 通道面積 AV=MrCD*2*(Pvi-Pvo)/Vvi =1.099mm2考慮系統(tǒng)運行存在超負荷運行可能，選擇采用的膨脹閥的通道面積應(yīng)較計算面積加大30%，因此膨脹閥的通道面積應(yīng)該是 =1.099×1.3=1.4287 mm2 （二）選型 即選用型號為TCLE750 HW的高性能T系列熱力膨脹閥。五、其它輔助設(shè)備的選擇（一）貯液器其容積V的7080%可容納系統(tǒng)最大的小時制冷量對應(yīng)循環(huán)工質(zhì)的（1/31/2）即：V=0.5×149.

18、4×0.000886/0.8=0.08273m3其中：系統(tǒng)制冷劑小時循環(huán)量M= 149.4 kg/h；tk溫度下的液態(tài)工質(zhì)比容是 3'= 0.000886 m3/kg（二）油分離器已知v=0.721， Vh =0.00415 m3/s ， wo=0.9 m/s 因此，筒身直徑= 0.06508m由于筒高H/D=3.34.5，故可以取筒高取H=4×0.06508=0.26032 m（三）氣液分離器 D=1.59=1.59×0.0547=0.08697m3另外有H=(34)D= 3.5×0.08697=0.3044m3 （四）其他輔助設(shè)備 集油器：因為制冷劑R22與潤滑油相容，因此可不設(shè)有集油器。 空分器：當使用全封閉或者半封閉制冷壓縮機時，一般可不設(shè)不凝氣體分離器?！緟⒖寄夸洝?1. 制冷工程設(shè)計手冊 中國建筑工業(yè)出版社 1978年2. 制冷工程設(shè)計實例圖集 中國建筑工業(yè)出版社 1999年3. 簡明空調(diào)用制冷設(shè)計手冊 中國建筑工業(yè)出版社 1997年4. 空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù) 中國建筑工業(yè)出版社 2004年5. 實用制冷工程設(shè)計手冊 中國建筑工業(yè)出版社 1996