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1、制冷系统课程设计说明书 热能与动力工程专业目录一、 设计工况3二、 压缩机选型3三、 热力计算51、循环工况：52、 热力计算：6四、蒸发器设计计算71、设计工况：72、计算过程：83、风机的选择184、汇总18五、冷凝器换热计算19第一局部：设计计算19一、 设计计算流程图19二、 设计计算193、计算输出25第二局部：校核计算25一、校核计算流程图25二、计算过程26六、 节流装置的估算和选配27七、 空调电器系统281、 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52、 压缩机选型1、选型条件：制冷量3k
2、W,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select 6，选择型号为DKM-75的半封闭往复式压缩机。a.其根本参数如下：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
3、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/t/h/KJ/kg/m/kg00.58375407.14310.583725421.9030.04464521.9423455.26131.942345256.3842、 热力计算：1单位质量制冷量 q0=h0-h4=407.143 KJ/kg -256.384 KJ/kg =150.759 KJ/kg2单位容积制冷量=q0/v1=150.759 KJ/kg /0.044645 m3/kg=3376.840KJ/m33理论比功=h2-h1=455.261 KJ/kg-421.903 KJ/Kg=33.358 KJ/Kg4指示功率i=
4、/i=33.358KJ/Kg /0.8=41.698 KJ/Kg5性能系数。理论值 COP=q0/=150.759 KJ/Kg /33.358KJ/Kg =4.52指示值 COPI= q0/=150.759 KJ/kg /41.698 KJ/kg=3.626冷凝器的单位负荷 h2s=+h1=41.698KJ/kg+421.903 KJ/kg=463.601 KJ/kg=h2s-h3=463.601 KJ/kg-256.384 KJ/kg=207.217 KJ/kg7制冷剂循环质量流量=0/q0=3 KW/150.759 KJ/kg=0.01990kg/s8实际输气量和理论输气量=v1= 0.0
5、1990kg/s0.044645 m/kg=0.00089m3/s=/=0.00089 m3/s /0.8=0.00111 m3/s9压缩机的理论功率和指示功率 P=0.01990kg/s33.358 KJ/Kg =0.664 KW Pi=P/i=0.664KW/0.8=0.830KW10冷凝器热负荷k=0.01990kg/s207.217 KJ/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t=17.5,湿球温度t=14.6；蒸发器制冷量=
6、3000W。2、计算过程： 选定蒸发器的构造参数 选用的紫铜管，翅片选用厚为的铝套片，翅片间距。管束按正三角形叉排排列，垂直于流动方向的管间距，沿流动方向的管排数，迎面风速=2m/s。计算几何参数翅片为平直套片，考虑套片后的管外径为沿气流流动方向的管间距为沿气流方向套片的长度mm每米管长翅片的外外表面积每米管长翅片间的管子外表面积 每米管长的总外外表面积每米管长的外外表面积每米管长的外表面积每米管长平均直径处的外表面积由以上计算得 备注：铜管径di=0.0086mm计算空气侧干外表传热系数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, ,2） 最窄界面处的空气流速3)空气侧干外表
7、传热系数空气侧干外表传热系数计算52.664确定空气在蒸发器的状态变化过程 根据给定的空气进出口温度，由湿空气的图可得,。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相交于点，该点的参数是,，。在蒸发器中，空气的平均比焓为在h-d图上按过程线与线的交点读得,。析湿系数可由下式确定： 5循环空气量的计算=1271 kg/h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6空气侧当量外表传热系数的计算当量外表传热系数=对于正三角形叉排排列的平直套片管束，翅片效率可由式=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,=故肋片折合高度为59.06故在凝
8、露工况下的翅片效率为0.8846当量外表传热系数为 =73.777管R22蒸发时外表传热系数的计算R22在时的物性为：饱和液体的比定压热容饱和蒸汽的比定压热容饱和液体的密度饱和蒸汽的密度 汽化潜热饱和压力外表力液体的动力粘度蒸汽的动力粘度液体的热导率蒸汽的热导率液体普朗特数蒸汽普朗特常数R22在管蒸发的外表传热系数可由式=计算。R22进入蒸发器时的干度，出口干度,那么R22的总质量流量为= 作为迭代计算的初值，取11.3,R22在管的质量流速为,那么总的流通截面面积为=每根管子的有效流通截面面积为=蒸发器的分路数=3.06取Z=3，那么每一分路中R22的质量流量为=21.31每一分路中R134
9、a在管的实际质量流速为=102.06于是=5.50= =0.1096=0.07694=1440.0=134.67式=中,对于R22,。= =2663.32 传热温差的初步计算先不计R22的阻力对蒸发温度的影响，那么有= 传热系数的计算=由于R22与聚酯油能互溶，故管污垢热阻可忽略。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可取为，故k= =40.76 核算假设的q值=40.76684.77=11265.0计算说明，假设的q初值11300与核算值较接近，偏差小于1%，故假设有效 蒸发器构造尺寸确实定蒸发器所需的外表传热面积=0.27=4.38蒸发器所需传热管总长=9.85迎
10、风面积=0.153取蒸发器宽B=510mm,高H=300mm,那么实际迎风面积已选定垂直于气流方向的管间距s=25mm，故垂直于气流方向的每排管数为 n=12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=12.24 m传热管的实际外表传热面积为 =0.331又 =1.226=1.278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。当蒸发器在管被加热时，过热段的局部外表传热系数很低，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%。12R22的流动阻力及其对传热温差的影响 实验说明，R22在管蒸发时的流动阻力可按下式计
11、算： = =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，首先计算由图4-21确定，由及查的，于是又所以 在凝露工况下由于凝结水滞留在翅片外表上形成一薄层水膜，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根底上乘以修正系数，即。 的值与析湿系数有关，可由下表查取：因为=1.57，所以有3、风机的选择由风量和总压=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
12、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：选用的紫铜管，翅片选用厚为的铝套片，翅片间距。管束按正三角形叉排排列，垂直于流动方向的管间距，沿流动方向的管排数，每排管数n1=12，蒸发器管路数Z=3迎面风速=2m/s。循环空气体积流量1101m3/h，蒸发器宽度B=510mm，高度H=300mm，共有肋板255块。 五、冷凝器换热计算第一局部：设计计算一、 设计计算流程图二、 设计计算1、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冷凝器构造参数：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：
13、光管铜管水平间距：S125.4mm铜管竖直方向间距：S222mm紫铜光管外径：d09.52mm铜管厚度：t0.35mm翅片厚度：f0.115mm翅片间距：Sf1.8mm冷凝器尺寸参数排数：NC3排每排管数：NB10排2、计算过程1冷凝器的几何参数计算翅片管外径：9.75 mm铜管径：8.82 mm当量直径：3.04 mm单位长度翅片面积：0.537 m2/m单位长度翅片间管外外表积：0.0286 m2/m单位长度翅片管总面积：0.56666 m2/m翅片管肋化系数：20.462空气侧换热系数迎面风速假定：2.6 m/s冷凝器所需空气体积流量迎风面积：Ay=qv/f=0.177m2取冷凝器迎风面
14、宽度即有效单管长，那么冷凝器的迎风面高度0.221迎风面上管排数：10排最窄截面处风速：4.5 m/s冷凝器空气入口温度为：ta135取出冷凝器时的温度为：ta243确定空气物性的温度为：39在tm39下，空气热物性：vf=17.5106m2/s，f=0.0264W/mK，f=1.0955kg/m3，CPa1.103kJ/(kg*) 空气侧的雷诺数： =783.7空气侧换热系数=50.3 W/m2K其中：0.18520.2170.5931-0.217铜管差排的修正系数为1.1，开窗片的修正系数为1.2，那么空气侧换热系数为：1.11.266.41 W/m2K对于叉排翅片管簇：25.4/9.75
15、=2.6051=2.7681式中：为正六边形比照距离，翅片当量高度：0.01169 m=75.4 m-1翅片效率： 0.802外表效率：0.8123） 冷媒侧换热系数冷媒在水平光管冷凝换热系数公式为：对R22在管冷凝C=0.683，如下表：021.2686.681021.03983.32020.79279.653020.51375.814020.19371.655019.81166.84取管壁温度为：tw=46.5，冷凝温度：tk=50冷媒定性温度：tm=48.25插值得：19.877，67.68因而：2998(tktw) 0.25如忽略铜管壁热阻和接触热阻，由管外热平衡关系：2998(50-
16、tw) 0.253.14di50-tw=0.81266.40.56666tw-35解方程可得：tw=46.3，与假设的46.5接近，可不必重算。2161 W/m2K4传热系数和传热面积传热系数为：其中：ri为管污垢热阻，ro为管外污垢热阻，rc为接触热阻取ri=0，ro=0.0001，rc=0计算得：ko32.65 W/m2K平均传热温差为：10.5 故需要的传热面积为：12.03 m2 所需要翅片管总长21.23 m5确定冷凝器得构造尺寸冷凝器长：0.71m高：0.254m宽：0.066m风量为：=0.466m3/s迎风面积为：0.181m2实际迎面风速为：=2.57 m/s与原假设的风速相
17、符，不再另做计算6阻力计算空气侧阻力：22.7Pa其中A考虑翅片外表粗糙度的系数，对非亲水膜取A0.0113，对亲水膜取A0.007铝片数量：2013/1.8=395 片铝片重量：28.96 kg铜管重量：28.146 kg3、计算输出输出参数：长：0.71m高：0.254m宽：0.066m排数：NC3排每排管数：NB10排铜管排列方式：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：S125.4mm铜管竖直方向间距：S222mm紫铜光管外径：d09.52mm铜管厚度：t0.35mm翅片厚度：f0.115mm翅片间距：Sf1.8mm冷凝器长、宽、高、翅片重量、铜管重量、肋化系数
18、、翅片效率、翅片外表效率、单位长度翅片面积； 风量、迎面风速、最大风速、空气侧阻力； 空气侧换热系数、冷媒换热系数、传热系数、对数温差、传热面积、铜管长第二局部：校核计算一、校核计算流程图二、计算过程1、参数换热参数：冷凝温度：tk=50环境风温度：ta1=35冷凝器构造参数： 与设计时同。冷凝器尺寸参数冷凝器长：A2000mm排数：NC3排每排管数：NB522、校核计算过程参考设计计算过程。略3、计算输出输出参数：冷凝负荷、出风温度、翅片重量、铜管重量、肋化系数、翅片效率、翅片外表效率、单位长度翅片面积； 风量、迎面风速、最大风速、空气侧阻力； 空气侧换热系数、冷媒换热系数、传热系数、对数温
19、差、传热面积、铜管长6、 节流装置的估算和选配根据该空调的制冷量比拟小，选择此空调制冷系统的节流装置为毛细管。 毛细管的长度、径的参考公式如下：由热力计算得：Mp取长度代入公式计算得:径7、 空调电器系统空调机的电器系统应对空调机的运行实现自动调节，并对压缩机、电动机等部件进展自动保护，以保证空调机平安、可靠、经济运行。空调机的电气系统由自动控制元件如温度继电器、压力继电器、压差继电器、热继电器、时间继电器等、交流接触器、保护电器等组成。1自动控制与电器元件a.温度继电器温度继电器又称温度控制器，它是对被空调房间的室温及其幅差及温度波动围进展控制的电器开关。当室温到达所需温度时，继电器就控制压
20、缩机的电动机的交流接触器，使其停顿或启动运行，以到达控制室温的目的。b.压力继电器压力继电器是一种受压力信号控制的电器开关。当压缩机的吸、排气压力超出其正常工作围时，高、低压继电器的电触头分别切断主电机电源，是压缩机停机，以起保护和自动控制作用。c.热继电器热继电器在控制线路中对电动机具有过载保护和单相断线保护作用。d.交流接触器交流接触器的作用是在按钮或继电器的控制下接通或断开带负载的主电路，以控制电动机的开、停。2电器控制线路a.空调机对电气控制的一般要求如下：压缩机应与通风机联锁，只有当通风机运转后压缩机才能启动。冷凝器用轴流风机应与压缩机联锁，只有当轴流风机运转后压缩机才能投入运行。通
21、风机应可单独停、开。应设有温度控制器来控制压缩机的停、开，以保持室所需温度。电动机应设有热继电器，对电动机进展过载或断相保护。压缩机应有高、低压力自动保护。电路中应设有指示灯，反响空调机的工作状态。b.空调机电气线路图例如空调系统电路原理图硬件电路如图 41所示。根据工作电压的不同，整个系统可以分为三局部：微控系统、继电器控制和强电控制，分别工作于DC5V、DC12V和AC220V。1. 供电系统分析整个主控板上有三种电压：AC220V、DC12V和DC5V。AC220V直接给压缩机、室外风机、室风机和负离子产生器供电；AC220V经过降压，变为DC12V和DC5V，用于继电器和微控系统供电。
22、供电系统如图4-3所示，AC220V先经过变压器降压，然后从插座J1输入，经过整流桥进展全波整流，通过电容C2滤波，得到DC12V，再经过稳压片7805稳压，得到DC5V。图中的采样点ZDS用于过零点的检测，二极管D1防止滤波电容C2 对采样点ZDS的影响。2.过零检测电路过零检测电路如图4-4所示，用于检测AC220V的过零点，在整流桥路中采样全波整流信号，经过三极管及电阻电容组成整形电路，整形成脉冲波，可以触发外部中断，进展过零检测。采样点和整形后的信号。过零检测的作用是为了控制光耦可控硅的触发角，从而控制室风机风速的大小。 过零检测电路采样点和整形后的信号3.室风机的控制图4-6为风机控
23、制电路，U1为光耦可控硅，用于控制AC220V的导通时间，从而实现风机风速的调节。U1的3脚为触发脚，由三极管驱动。AC220V从管脚11输入，管脚13输出，具体导通时间受控于触发角的触发。室风机风速具体控制方法：首先过零检测电路检测到AC220V的过零点，产生过零中断；然后，在中断处理子程序中，翻开Timer的定时功能，比方定时4ms，4ms后由CPU产生一个触发脉冲，经三极管驱动，从U1的3脚输入，触发U1的部电路，从而使U1的管脚11和13的导通，AC220V给室风机供电。这样，通过定时器的定时长度的改变可以控制AC220V在每半个周期的导通时间，从而控制室风机的功率和转速。室风机控制电
24、路4.室风机风速检测当室风机工作时，速度传感器将室风机的转速以正弦波的形式反响回来，正弦波的频率与风机转速成特定的对应关系，见下表所示。正弦波经过三极管整形为方波，CPU采用外部中断进展频率检测，从而实现对风速的测量。风速 高 中 低风机频率Hz 70 50 30室风机风速检测电路5.过流检测电路采用电流互感器L1检测火线上电流的变化情况。图中 L1为电流互感器，输出05mA的交流电。当电流突然增大时，电流互感器输出电流也随之增大，经过全桥整流、电流电压转换、低通滤波，从COD端输出直流电压信号。CPU通过对COD端电压的AD采集来感知AC220V电流的变化，当COD端的电压过高时，CPU可以
25、对电路采取保护措施。过流检测电路6.低电压检测电路采用电阻分压原理，CPU利用AD采集对7805前端的12V电压进展检测。当电网掉电后，AD端会采集到7805前端的12V电压的降低，由于7805输出端电容的存在，所以即使12V电压降低到6V，7805仍能提供5V电压使CPU正常工作， 此时，CPU立即将空调当前的运行参数保存在AT24C01里面。 低电压检测电路7. 压缩机、四通阀、外风机和负离子产生器安康运行的控制压缩机、室外风机、四通阀和负离子产生器均由AC220V供电，所以通过继电器控制AC220V的通断便可以控制各个局部的运行。 R1为压敏电阻，用于过压保护。SI1为保险管。插座J2为AC220V输出端，外接变压器，将AC220V降压，降压后接到电源模块，分别得到DC12V和DC5V。压缩机、四通阀和安康运行的控制电路8. 驱动电路继电器、峰鸣器和步进电机均由12V直流电压控制，U4为驱动芯片。NeglonC控制负离子发生器的继电器；ValveC控制四通阀的继电器；prC控制压缩机的继电器；Buzzer控制峰鸣器；A、B、C、D为步进电机的四相。最后综合分体式空调机电气线路图：
