家用空调设计计算说明书.docx
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家用空调设计计算说明书
制冷系统课程设计说明书
热能与动力工程专业
一、设计工况3...
二、压缩机选型3...
三、热力计算5...
1、循环工况:
5...
2、热力计算:
6...
四、蒸发器设计计算7...
1、设计工况:
7..
2、计算过程:
8..
3、风机的选择1..8.
4、汇总1..8.
五、冷凝器换热计算1..9.
第一部分:
设计计算1..9
一、设计计算流程图1..9
二、设计计算1.9.
3、计算输出2..5.
第二部分:
校核计算2..5
一、校核计算流程图2..5
二、计算过程2..6.
六、节流装置的估算和选配2..7
七、空调电器系统2..8.
、设计工况
3KW机组,半封闭压缩机,风冷冷凝器,风冷蒸发器,毛细管,制冷剂R22,蒸发温度5℃,过热度20℃,冷凝温度50℃,过冷度5℃
、压缩机选型
1、选型条件:
制冷量3kW,制冷剂R22,蒸发温度5℃,过热度20℃,冷凝温度50℃,过冷度5℃。
2、选型结果:
使用压缩机选型软件select6,选择型号为DKM-75的半封闭往复式压缩机。
a.其基本参数如下:
制冷量3.15kW,输入功率1.06kW,cop为
2.97,电流(400V)2A,质量流量18.9g/s,放热3.65kWb.
b.其技术参数:
c.压缩机图纸:
d.附件
3、压缩机的定位与固定
定位见设计制图;固定方法:
将压缩机焊接在钢板上,再将钢板与外机底部用螺拴固定。
三、热力计算
1、循环工况:
根据已知条件,通过压焓图以及相关公式求出如图1-1各关键点参数
值:
h
图1-1蒸汽压缩式制冷循环p-h图
(其中1-2s是压缩机实际压缩过程,而1-2是压缩机理论压缩
过程,为等熵过程。
)
点号
P/MPa
t/℃
h/(KJ/kg)
ν/(m3/kg)
0
0.5837
5
407.143
1
0.5837
25
421.903
0.044645
2
1.9423
455.261
3
1.9423
45
256.384
2、热力计算:
(1)单位质量制冷量q0
q0=h0-h4=407.143KJ/kg-256.384KJ/kg=150.759KJ/kg
(2)单位容积制冷量qzv
qzv=q0/v1=150.759KJ/kg/0.044645m3/kg=3376.840KJ/m
(3)理论比功w
w=h2-h1=455.261KJ/kg-421.903KJ/Kg=33.358KJ/Kg
4)指示功率wi=w/ηi=33.358KJ/Kg/0.8=41.698KJ/Kg
5)性能系数。
理论值COP=q0/w=150.759KJ/Kg/33.358KJ/Kg=4.52
指示值COPI=q0/wi=150.759KJ/kg/41.698KJ/kg=3.62
6)冷凝器的单位负荷
h2s=wi+h1=41.698KJ/kg+421.903KJ/kg=463.601KJ/kg
qk=h2s-h3=463.601KJ/kg-256.384KJ/kg=207.217KJ/kg
7)制冷剂循环质量流量
qm=φ0/q0=3KW/150.759KJ/kg=0.01990kg/s
8)实际输气量和理论输气量
3qvs=qmv1=0.01990kg/s×0.044645m3/kg=0.00089m3/s
33
qvh=qvs/λ=0.00089m/s/0.8=0.00111m/s
9)压缩机的理论功率和指示功率
P=qmw=0.01990kg/s×33.358KJ/Kg=0.664KW
Pi=P/ηi=0.664KW/0.8=0.830KW
10)冷凝器热负荷
φk=qmqk=0.01990kg/s×207.217KJ/kg=4.124KW
四、蒸发器设计计算
1、设计工况:
进口空气的干球温度是ta1=27℃,湿球温度是ts1=19.5℃;管内制冷剂R22的蒸发温度t0=5℃,当地大气压101.32kPa;要求出口空气的干球温度ta2=17.5C,湿球温度ts2=14.6C;蒸发器制冷量
0=3000W。
2、计算过程:
⑴选定蒸发器的结构参数
选用10mm0.7mm的紫铜管,翅片选用厚为f0.2mm的铝套片,翅片间距sf2.2mm。
管束按正三角形叉排排列,垂直于流动方向的管间距s125mm,沿流动方向的管排数nL2,迎面风速uf=2m/s。
⑵计算几何参数
翅片为平直套片,考虑套片后的管外径为
dbd02f10mm20.2mm10.4mm
沿气流流动方向的管间距为
s2s1cos30250.866mm21.65mm
沿气流方向套片的长度
L2s2221.6543.3mm
每米管长翅片的外表面面积
21
af2s1s2db
4sf
20.025m0.02165m0.250.0104m2/0.0022m
2
0.4148m2/m
每米管长翅片间的管子表面面积
11
abdbsff3.14160.01040.00220.0002m2m0.0297m2m
bbffsf0.0022
每米管长的总外表面面积
aofafab0.41480.0297m2m0.4445m2m
每米管长的外表面面积
22
abodb10.01041m2m0.03267m2m
每米管长的内表面面积
每米管长平均直径处的表面面积
由以上计算得aofabo0.44450.0326713.606
备注:
铜管内径di=0.0086mm
⑶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
空气在此温度下的物性约为
a1.1966kg/m3,cpa1005J/kgK,Pra0.7026,va15.88106m2/s
2)最窄界面处的空气流速
3)空气侧干表面传热系数
空气侧干表面传热系数计算
0.4
3.770.01040.15
0.00140.2618613.606
15.88106
0.00918
0.009181.1966kg/m33.77m/s1005J/kgK
2/3
0.70262/3
52.66W/m2K
4)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hd图可得
h155.6KJkg,h240.7KJkg,d111.1gkg,d29.2gkg。
在图上接空气的进出口状态点1和点2,并延长与饱和空气线(1.0)相交于点,该点的参数是h"w29.5Jkg,tw9℃,d"7.13gkg。
在蒸发器中,空气的平均比焓为
tm21.4C,dm10gkg。
5)循环空气量的计算
进口状态下空气的比体积可由下式确定:
故循环空气的体积流量为
qV,aqmv11271kg/h0.866m3/kg1101m3/h
6)空气侧当量表面传热系数的计算
当量表面传热系数
fafab
hj=hoafaffabab
对于正三角形叉排排列的平直套片管束,翅片效率f可由式
f=thmmhh'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BA=1,m=dBb=1205.4故
'1.27m
BA0.31.271205.410.32.554
肋片折合高度为
db10.4
h'b'110.35ln'2.554110.35ln2.55410.733mm22
59.06m1
故在凝露工况下的翅片效率为
thmh'th59.06m10.010733m
f'10.8846mh'59.06m10.010733m
当量表面传热系数为
22
hj1.5752.66W/m2
0.88460.4148m2/m0.0297m2/m
K
220.4148m2/m0.0297m2/m
=73.77W/m2K
(7)管内R22蒸发时表面传热系数的计算R22在to5C时的物性为:
饱和液体的比定压热容cp,l1.198kJ/kgK饱和蒸汽的比定压热容cp,g0.658kJ/kgK饱和液体的密度l1267.40kg/m3饱和蒸汽的密度g25.53kg/m3汽化潜热r201.16kJ/kg饱和压力ps583.78kPa表面张力1.12102
液体的动力粘度l256106Pas蒸汽的动力粘度g8.42106Pas液体的热导率l931013W/mK
蒸汽的热导率l93103W/mK
液体普朗特数Prl3.29
蒸汽普朗特常数Prv0.735
R22在管内蒸发的表面传热系数可由式hi=C1C0A25FrlB+C2B0CFl计
hl
算。
已知R22进入蒸发器时的干度x10.16,出口干度x21.0,则R22
的总质量流量为
3W3600
qm=03600==63.92kg/h
mrx2x1201.16kJ/kg1.00.16
作为迭代计算的初值,取qi11.3kW/m2,R22在管内的质量流速为
qi'100kg/m2s,则总的流通截面面积为
A=qm'=63.92kg/h=1.776104m2
3600qi'3600100
每根管子的有效流通截面面积为
22
Ai=d4i2=0.0086m2=5.8105m2
蒸发器的分路数
Z=AA=1.57.87611005mm2=3.06
Ai5.8105m2
取Z=3,则每一分路中R22的质量流量为
qm,d=qm=63.92kg/h=21.31kgh
Z3
每一分路中R134a在管内的实际质量流速为
Gi=qm,d=21.31kg/h52=102.06kg/m2s
i3600Ai52
36005.8105m2
于是
C0=
Frl
B=qi=11.3
B0=2
0Gir102.06kg/m2s201.16kJ/kg
1x
g
g
x
1
0.8x1x2
1
2
x1x2
2
0.8
10.580.8
0.58
=5.50104
g0.5
g
25.53kg/m3
3
1267.40kg/m3
=0.1096
Gi2
23
lgd1267.40kg/m3
102.06kg/m2s2
=0.07694
2
9.8m/s20.0086m
256106
Re=G11xdi=102.0610.580.0086=1440.0
134.67
0.80.410.80.40.093
hl0.023Re10.8Pr10.4d1i=0.02314400.83.290.400.0.009836
式hi=C1C0A25FrlB+C2B0CFl中hl
C00.65,C11.136,C20.9,C3667.2,C40.7,C50.3,对于
R22,Ffl2.2。
C2C5C4
hi=hlC1C0C225Fr1C5C3B0C4Ff1
=134.671.3600.10960.9250.076940.3667.25.51040.72.2
=2663.32Wm2K
⑻传热温差的初步计算
先不计R22的阻力对蒸发温度的影响,则有
⑼传热系数的计算
k0=
at1
aihi
rwrsatrt1amhj
由于R22与聚酯油能互溶,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间接触热阻之和
rwrsatrt可取为4.8103m2KW,am,
k0=
=40.76Wm2K
⑽核算假设的qi值
qo=k0tm'=40.76Wm2K16.8C=684.77Wm2
2
qi=atqo=0.4445m2/m684.77W/m2=11265.0Wm2
iaio0.02702m2/m
计算表明,假设的qi初值11300Wm2与核算值11273.2Wm2较接近,
偏差小于1%,故假设有效
⑾蒸发器结构尺寸的确定
蒸发器所需的表面传热面积
=0.27m2
0=3000W
2
qi11300W/m2
=4.38m2
A'03000W
A'o=qo=684.77W/m2
蒸发器所需传热管总长
2
lt'A0=4.38m2=9.85mat0.4445m2/m
迎风面积
3Af=qV,a=1101m/h=0.153m2fwf2m/s3600
取蒸发器宽B=510mm高,H=300mm则,实际迎风面积
2
Af0.510.30.153m2
已选定垂直于气流方向的管间距s1=25mm,故垂直于气流方向的每排
管数为
H300n1===12
1s125
深度方向(沿气流流动方向)为2排,共布置24根传热管,传热管的实际总长度为
lt=0.51212=12.24m
传热管的实际内表面传热面积为
Ai=122diB=240.00860.51=0.331m2
AAii'=00..32371mm2=1.226lt'=12.24m=1.278
lt'9.58m
说明计算接近有20%的裕度。
上面的计算没有考虑制冷剂蒸汽出口过热度的影响。
当蒸发器在管内被加热时,过热段的局部表面传热系数很低,即使过热温度不高,为3-5℃,过热所需增加的换热面积任可高达10%-20%。
(12)R22的流动阻力及其对传热温差的影响
实验表明,R22在管内蒸发时的流动阻力可按下式计算:
50.91
p5.986105qigi0.91l/di
5.98610511300102.060.910.6122/0.0086kPa
=2.798kPa
由于蒸发温度为5℃时R22的饱和压力为583.78kPa,故流动损失仅占饱和压力的0.5%,因此流动阻力引起蒸发温度的变化可忽略不计。
(13)空气侧的阻力计算
空气侧的阻力计算,首先计算pt
AtDo10003.1416101000
2.1
Ac,t25101000151000
A1
ftz0.4,于是frftzNct0.4210.38
At2.1
pf
frAActt2mafx0.3821.1231.7.179664.74pa
A2
ptfffmax0.0264385
Ac2f2510.42.20.23851061.1966
所以ppfpt4.7412.7317.47pa
在凝露工况下由于凝结水滞留在翅片表面上形成一薄层水膜,故使在同样风速下空气阻力增大。
在凝露工况下的阻力应在上面干工况下
的阻力p基础上乘以修正系数,即pwp的值与析湿系数有关,可由下表查取:
因为ξ=1.57,所以有
pwp19.831.2324.39Pa
3、风机的选择
由风量qva1101m3/h和总压pw=24.39Pa,选择两个叶片直径为170mm的离心式风机,此风机满足要求。
风机的定位见设计制图。
风机的固定方法:
如图,将风机焊接在钢板上,再将钢板与蒸发器用螺拴固定。
4、汇总根据以上计算得出以下设计参数:
选用10mm0.7mm的紫铜管,翅片选用厚为f0.2mm的铝套片,翅片间距sf2.2mm。
管束按正三角形叉排排列,垂直于流动方向的管间距s125mm,沿流动方向的管排数nL2,每排管数n1=12,蒸发器管路数Z=3迎面风速f=2m/s。
循环空气体积流量1101m3/h,蒸发器宽度B=510mm,高度H=300m,m共有肋板255块。
五、冷凝器换热计算
第一部分:
设计计算
设计计算流程图
输入传热参数Qk、tk、ta1、ta2
由热平衡求出tw'
是
Abs(ωf-ωf‘)/ωf<0.01
保存结果
设计计算
1、已知参数
换热参数:
冷凝负荷:
Qk=4.124KW
冷凝温度:
tk=50℃环境风温度:
ta1=35℃冷凝器结构参数:
铜管排列方式:
正三角形叉排翅片型式:
开窗片,亲水膜铜管型式:
光管铜管水平间距:
S1=25.4mm铜管竖直方向间距:
S2=22mm紫铜光管外径:
d0=9.52mm铜管厚度:
δt=0.35mm翅片厚度:
δf=0.115mm翅片间距:
Sf=1.8mm冷凝器尺寸参数
排数:
NC=3排
每排管数:
NB=10排
2、计算过程
1)冷凝器的几何参数计算
翅片管外径:
dbd02f=9.75mm
铜管内径:
did0t=8.82mm
4A4(S1db)(Sff)
当量直径:
deq=3.04mm
eqU2(S1db)(Sff)
单位长度翅片面积:
ff2(S1S2db)/Sf10-3=0.537m2/m
4
单位长度翅片间管外表面积:
fbdb(Sff)/sf10-3=0.0286m2/m
单位长度翅片管总面积:
ftfffb=0.56666m2/m
翅片管肋化系数:
ftft=20.46
fidi
2)空气侧换热系数
迎面风速假定:
wf=2.6m/s
冷凝器所需空气体积流量
2
迎风面积:
Ay=qv/f=0.177m2
取冷凝器迎风面宽度即有效单管长l0.8m,则冷凝器的迎风面高度
HAy0..22/10.80.25ml
迎风面上管排数:
最窄截面处风速:
wmaxSfS1wf/(Sff)(S1db)=4.5m/s
N
S1
1(0.25
2(10.0排25
12)排10排
冷凝器空气入口温度为:
ta1=35℃
取出冷凝器时的温度为:
ta2=43℃
确定空气物性的温度为:
tm(ta1ta2)/2=39℃
在tm=39℃下,空气热物性:
vf=17.5×10-6m2/s,λf=0.0264W/mK,ρf=1.0955kg/m3,CPa=1.103kJ/(kg*℃)空气侧的雷诺数:
Refwmaxdeq/vf=783.7
空气侧换热系数
nm
'CfRenf2
O'ff=50.3W/m2K
deqdeq
其中:
263
A0.5180.02315()0.000425()23106()3=0.1852
deqdeqdeq
0.24Ref
CA1.360.21400R0ef=0.217
n0.450.0066=0.5931
deq
Refm0.280.08f=-0.217
1000
铜管差排的修正系数为1.1,开窗片的修正系数为1.2,则空气侧换热系数为:
'2
oo'×1.1×1.2=66.41W/m2K
对于叉排翅片管簇:
ds1f=25.4/9.75=2.6051
'1.27l10.3=2.7681
式中:
l1,l2为正六边形对比距离,l1l2
翅片当量高度:
h'0.5df('1)(10.35ln')=0.01169m
m2o=75.4m-1a
翅片效率:
tgh(mh')
f=0.802fmh'
表面效率:
ff
s1f(1f)=0.812ft
3)冷媒侧换热系数
冷媒在水平光管内冷凝换热系数公式为:
对R22在管内冷凝C=0.683,Bm,rs0.25如下表:
tmtktw
tm2
0.25
rs0.25
Bm
0
21.26
86.68
10
21.039
83.3
20
20.792
79.65
30
20.513
75.81
40
20.193
71.65
50
19.811
66.84
取管内壁温度为:
tw=46.5℃,
冷凝温度:
tk=50℃
冷媒定性温度:
tm(twtk)/2tm=48.25℃
插值得:
rs0.25=19.877,Bm=67.68
因而:
1/4
0.251-0.25
iCrsBm=2998×(tk-tw)
di(tktw)
如忽略铜管壁热阻和接触热阻,由管内外热平衡关系:
idi(tktw)soft(twta)
-0.25
2998×(50-tw)-0.25×3.14di(50-tw)=0.812×66.4×0.56666×(tw-35)
解方程可得:
tw=46.3℃,与假设的46.5℃接近,可不必重算。
2
i=2161W/m2K
4)传热系数和传热面积
5)
传热系数为:
取ri=0,ro=0.0001,rc=0计算得:
ko=32.65W/m2K
平均传热温差为:
故需要的传热面积为:
所需要翅片管总长
ltF=21.23
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