家用空调器的设计

目录

序言----------------------------------------------------------------------------2

第一章压缩机的选型计算----------------------------------------------4

第二章两器的设计计算-------------------------------------------------6第一节冷凝器的设计计算---------------------------------------6

第二节蒸发器的设计计算--------------------------------------11

第三章系统制冷剂充注量的估算------------------------------------20

第四章毛细管的选择定型---------------------------------------------22第五章电气控制---------------------------------------------------------24

第六章管路设计---------------------------------------------------------27

第七章焓差法测量制冷量的原理和装置

---------------------------28

第一节焓差法测试空调器性能的理论推算方法-----------------28

第二节房间空调器焓差实验室----------------------------37总结---------------------------------------------------------------------------41

致谢-------------------------------------------------------------------------------------42

参考文献---------------------------------------------------------------------43

序言

中央空调系统一般都应用在各种大型的商用办公楼、豪华大酒店等设施中，应该说其使用功能是比较卓越的，环境也比较舒适，但其设施过于

庞大，需要专门机房空间进行控制管理，购买费用高，耗能量大，运行成本过高，一般的家庭、住宅楼、别墅或者小型商业办公楼不会考虑安装中央空调系统。

普通的家用分体式空调或者窗式空调虽然价格要低于大型的中央空调，也易于安装，但是其使用性能效果要低于中央空调，而且如果是大面积空间或多居室住宅，就需要安装很多的空调，不仅操作控制增加了困难，这样室外机太多，也影响了楼房的美观度，给生活环境增加了负面影响。所以说，大面积家庭或者小型的商用办公环境一般都不会选择普通家用空调，当然也不会购买中央空调，而是购买小型中央空调中的两类代表性产品——家庭中央空调与商用空调。

巨大的市场需求空间，决定了商用空调未来前景十分看好，其市场容量令厂家和商家尤为乐观。目前，志高空调公司已研发生产了KFR-75FW和KFR-120FW两种机型风管机，为了满足市场需求，增加市场竞争力度，公司将新开发一种制冷量介于上面两种机型的高压风管机，其型号为：KFR-88FhW。该机具体参数要求如下：

在本次设计过程中，我在公司里面主要负责空调性能匹配方面任务，因此把毕业设计重点放在冷凝器和蒸发器的设计计算以及实验性能匹配上，电气控制只作简单说明。其它方面比如钣金结构、工艺流程、商检参数等由专门工程师负责，在此不作详述。

第一章 压缩机的选型计算

压缩机在正常工作时，排气温度85=s t ℃，蒸发温度2.70=t ℃,冷凝温度4.54=k t ℃,出口温度46.6℃。查22R h p -lg 图得：

kg KJ h /258=；kg KJ h /408=；kg KJ h /446=；kg L V /40=

压缩机制冷能力:

W 11000%

800

==

'φφ

80%----工程经验值。 流量:

h kg s kg h h q M R /15.264/0734.0258

40811000

)

(120

==-=

-=

=

φ

φ

h m h L V M V R R /566.10/105664015.26433==?=?=

压缩机转速为2900rpm,所以排气量V ：

61060

566

.102900?=

?V V=60.7cm 3/rev

由于压缩机的性能参数是在高温工况下测试的，而在实际运行中，冷凝温度一般在50℃左右，较测试值低，因此可选择小于计算值的排气量。为使压缩机充分发挥制冷能力以及高效率、长期运行，根据压缩机能力和排气量，选取型号为350DHN-56C2的万宝压缩机。其主要性能参数如下：

设计装置时，需要有一定的设计裕度，即配用压缩机的能力要比额定制冷能力大10%～20%，这样，当热负荷发生剧烈变化是时，装置也能满足要求。另外，一般在装置设计时，两器的换热面积都应比设计计算时大一定的裕度，但出于成本考虑，对于在相同的设计裕度情况下，两器所增加的成本较大，而压缩机增加的成本很少，故将两器的设计裕度一部分落到压缩机上，这样就会在保证装置性能的同时使整机成本降低。

第二章两器的设计计算

第一节冷凝器的设计计算

1.确定冷凝器热负荷及空气流量

有关设计温度参数如下：

冷凝温度50=k t ℃， 蒸发温度 50=t ℃， 进口空气干球温度35=ai t ℃， 出口干球温度43=ao t ℃

由文献查得22R 在50=k t ℃、50=t ℃时，冷凝器负荷系数24.10=c c,则冷凝热负荷：

W Q c Q k 10912880024.100=?=?=

进出口空气温差 83543=-=-ai ao t t ℃,则空气流量

)

(ai ao pa k

a t t c Q V -=

αρ

3

10

8013.1092.110912

???=

=s m /234.13

a ρ ——室外温度t=35℃时空气密度，取1.092×10

3

；

pa c ——空气定压比热，取1.013。

2．结构初步规划

选定迎面风速s m W f /4.1=，沿气流方向排数1=L N 排，冷凝器采用顺排套片式。冷凝管用mm 75.052.9?φ 的紫铜管（内螺纹），外套0.12mm 厚的铝片；翅片节距mm S f 5.1=,纵向管间距mm S 251=,翅片宽度mm S 222=。 套片管单位管长的翅片面积：

f

b f S d S S f )

4

(22

21π-

?=

0015

.0)

4

00976.0022.0025.0(22

?-??=

π

翅片间管子外表面积：

)1(f

f

b b S d f δπ-

=

)0015

.000012

.01(00976.0-??=π m m /0061.02=

故翅化系数：

i

b

f f f f B +=

00802.00061

.0634.0?+=

π

4.25=

面积 m m f f b f /6401.00061.0634.02=+=+

3.计算空气侧换热系数0a 及翅片效率 按选定的翅片参数

f

f f b f S S S d S A A 11min )

)((δ--=

0015

.0025.0)

00012.00015.0)(00976.0025.0(?--=

561.0=

故最窄截面风速：

f f W A A W min

max =

561.04

.1=

s m /5.2=

当量直径：

)

()())((211f f b f f b eq S d S S d S d δδ-+---=

38

.124.1538

.124.152+??=

mm 53.2=

进出口空气的平均温度：

=

am t 392

43

3520=+=+a ai t t ℃ 查空气的热物性表，得

s m v f /105.1726-?=； )/(02643.0k m W f ?=λ；3

/0955.1m kg f =ρ

故 4.3615

.171053.25.23max =??==

f

eq

ef v d W R

70.853

.222==eq d L L ——沿气流方向翅片长。

对于平套片翅片管簇空气侧换热系数可按下式计算：

m

eq

eq

n

f

f d L d C a )(

Re 0λ=

其中 347.0)(103)(000425.002315

.0518.0362=?-+-=-eq

eq eq d l

d L d L A C=A(1.36-

)1000

Re 24.0f =0.44

N=0.45+0.0066

eq

d l

=0.51 M=-0.28+0.081000

Re f =-0.25

代入上式得：

α0=00253

.07.84.36102643.044.025

.051.0-??? =54 W/m 2·k

对于顺排翅片管簇

ρ=

76

.922=b d B =2.2541 ρ' =1.28ρ

2.0-B

L =2.022252541.228.1-??=2.792

当量翅片高度:

h '=

)ln 35.01)(1(2

ρρ'+-'b

d =

)792.2ln 35.01)(1792.2(2

00976

.0+- =0.01189

翅片参数 m=

00012

.020354

220

??=

f

f a δλ=66.6

λf ——铝片导热系数，取203 W/m ·k 。

故翅片效率 ηf =

8

.0)

8.0(01189.06.66)01189.06.66()(th th h m h m th =

??=''=0.83 表面效率 ηs =1-

=--

=-)83.01(6401

.0634

.01)1(0

f f f f η0.83 4．计算管内侧冷凝换热系数αi

22R 蒸气在管内冷凝时的换热系数可按下式计算：

414

14

1)(683.0-

-

-=i w k m s i d

t t B r a 假设 46=w t ℃，查表得，22R 气在50=k t ℃，t m =2

47

50+=48.5℃ 下 的4

1s r =19.811,Bm=66.84,因之

αi =0.683?19.811?66.84?4

14

1)(00802.0---?w k t t =30224

1)(--w k t t t w ——管壁内表面温度； t m ——水膜平均温度。

如忽略铜管热阻和接触热阻，由管内外热平衡关系： αi πd i (t k -t w )= ηs α0f 0(t w -t a )

3022×π×0.00802×(50-t w 4

3) =0.83×54×0.6401×(tw-39) 解上式得tw=46.2℃非常接近，可不必重算， 故αi =3022(50-46.24

1)-=2164.5 W/m 2·k

取污垢热阻r i =0,r 0=0.0001 m 2·k/w 则K 0=

00001

)1

(1

a r f f f f r s m t t i i i ηλδα++++

=

54

83.01

0001.00275.03956401.000075.05.21644.251

?+

+??+

=31.5 W/m 2·k 平均传热温差为

θm=

435035

50ln 8

ln

2

112--=

---a k a k a a t t t t t t =10.5℃ 故需要的传热面积：

F 0=

0.335

.105.31109120=?=m k Q K Q m 2

所需翅片管总长：

Lt=

6401

.03300=f F =51.55 m 6.确定空冷冷凝器的结构尺寸

选取垂直气流方向管排数n B =38，沿气流方向排数n l =1,则

宽A=

1

3855

.51?=?L B t n n L =1.36 m 高B=n B ×S 1=38×0.025=0.95 m

深C=n l ×S 2=1×0.022=0.022 m 则迎风面积：

A f =AB=1.36×0.95=1.29 m 2 实际迎面风速为：

W f =

29

.1234.1=f a A V =1.0 m/s 与原假设的迎面风速相近，不再另作计算。 7．计算空气侧阻力及选定风机 由式ΔP=9.81×A ×(

eq

d L

)()7.1max w ρ Pa 可求得空气横向六过整套片顺排管簇时的阻力 ΔP=9.81×0.0113×8.7×()7.15.20955.1?=5.35 Pa

故空冷冷凝器所需风机的额定风量Va=1.234m 3/s= 74.04m 3/min 风机静压 Hst=6 Pa, 全压H=H st +H dy = H st +

2

10955.162

2

2

?+=f f w ρ=7 Pa

注：冷凝器和风机风叶具体参数见第二节后的表格。

第二节 蒸发器的设计计算

蒸发器：表面式空气冷却器蒸发器。

进口空气干球温度271=a t ℃，湿球温度191=s t ℃。 管内22R 蒸发温度5℃，大气压力a kp P 32.101=。

要求出风参数是5.172=a t ℃，6.142=s t ℃，蒸发器的制冷量W Q 88000=。 1、 传热管选用75.052.9?=φ紫铜管。翅片12.0=f δ铝片，mm S f 8.1=。

横向管中心距mm S 4.251=,纵mm S 222=。管簇按正三角形叉排排列，管排数

3=L n 排。

mm d d f b 76.912.0252.920=?+=+=δ eq d =

mm s d s s d s f f b f f b 03.312

.08.176.94.25)

12.08.1()76.94.25(2)

(2))((411=-+--?-?=

++---δδ

m m s d s s f f b f /538.0108.1)

76.94

224.25(210)

4(223

23

2

21=??-??=

?-

=

--π

π

m m s s d fb f f f b /0286.0108.1)

12.08.1(76.910)

(23

3

=?-??=

?-=

--πδπ

m mm f f f b f t /5666.00286.0538.02=+=+=

m mm d f m m /02754.010)75.052.9(23=?-?==-ππ m mm d f i i /02518.010)275.052.9(23=??-?==-ππ

5.2202518

.05666.0===

i t f f β 575.08

.14.25)76.94.25()12.08.1())((11min =?-?-=--=A A =f b f f f s s d s s δσ

2、 确定空气在蒸发器内的状态变化过程 由给定的 进出风参数查湿空气的图d I -得出：

kg KJ I /6.551= kg KJ I /1.402=

在湿空气的图d I -上连接空气的进出口状态点1与状态点2，并延长与饱和空气

线

)

1(=?相交于

w

点。点

w

的参数是

9/5.29==w w kgt KJ I ℃,)(/13.7a d kg g d w ?=。

在蒸发器中空气的平均焓

kg KJ I I I I I I I I w

w w m /1.475.297.405

.296.55ln 7

.406.555.29ln

2121=---+=---+

= 在d I -图上按过程线与)(/1.47a d kg KJ I m ?=的线的交点读得4.21=m t ℃,

)(/10a d kg g d m ?= 由式,46.21w

m w

m t t d d --?

+=ξ求得析湿系数 57.19

4.21)

13.710(46.2146.21=--?+=--?

+=w m w m t t d d ξ 3、循环空气量的计算

h kg Q G da /21267

.406.558.83600210=-?=I -I =

在进口状态下的干空气比容

b

a P d T R )

0016.01(111+=

γ

kg m 3866.0101320

)

1.110016.01()27273(4.287=?+?+?=

故空气的体积流量 h m G da a /1841866.0212631=?==γγ

为确保蒸发效果，要加大空气流量，工程经验值取 1.15倍，

h m v v a a /210015.13=='

4、 气侧换热系数的计算

先计算在迎面风速s m W f /5.2=时空气侧的干换热系数0a 。 翅片沿气流方向长m L 088.0022.04=?=,当量直径

m mm d 00303.003.3==

最窄截面处风速：

s m d s s w s s w b f f f

f /35.4)

76.94.25()12.08.1(25

4.258.1)

)((11max =-?-??=

--=

δ

查得空气在22℃下的物性

；s m K f /1088.156-?= )/(10532.22k m W f ??=-λ 故

；04.2900303.0088.0==eq d L 3

65max 1083.010

88.1500303.035.4Re ?=??==-r d W f eq 由公式

362)(103)(000425.002315

.0518.0eq

eq eq d L

d L d L A -?-+-= )1000

24.036.1(ef R A C -

=

eq

d L n 0066

.045.0+= 1000

08.028.0ef R m +

-=

求得 A=0.13 C=0.151 n=0.642 m=-0.214 代入公式m

eq

n

e eq

f

d L CR d a )(

0?=

λ 并乘以叉排增强系数1.10，得 214.0642.02

004.29830151.000303

.010532.21.1)(--????=?=m eq n

e eq f

d L CR d a λ

)/(5.502k m W ?= 按正三角形排列的管簇

1=B

L

765.27.076

.94.2527.13.027.1=??=-='b L ρ

ρ 当量翅高 )ln 35.01)(1(2

ρρ'+-'='b

d h )

765.2ln 35.01()1765.2(76.9+?-?=

mm 68.11=

1

3

0/5.8010

12.020457.15.5022--=????=

=

m a m f

f w δλξ

凝路工况下的翅片效率

782.001168

.05.80)

01168.05.80()(=??=''=

th h m h m th w w fw η 故当量换热系数

)/(87.620286

.0538.00286

.0538.0782.05.5057.1)(20

k m W f f f f a a b

f b f fw j ?=++??

?=++=ηξ

5、 管内22R 蒸发时换热系数的计算

由表7-10，对于, 22R 在50=t ℃时，460.1=B 。设22R 进入蒸发器时的干度

16.01=x ，出蒸发器时0.12=x 。则R 22总流量 h kg x x r Q G r /48.188)

16.01(1.2003600

8.8)(120=-??=-=

估计内表面热流量2/12000m W q i =,按表9-6取22R 的质量流速

)/(1902s m kg g ?=

则22R 的总流通截面 241076.23600

19048

.188m g G A r -?=?==

每根管子的有效流通截面 252

1005.54

00802.04

m d A i

i -?=?=

=

ππ

蒸发器的分路数 5.51005.51076.25

4

=??==--i A A Z 取6=Z

每一分路的22R 流量

s kg Z G G r d /0087.06

360048

.1883600=?==

于是，22R 在管内蒸发时的换热系数

6

.06

.06

.02.06.06

.02

.023.1000802.00087.046.1i

i i

d i q q d q BG a =??=

=

6、 传热系数0K 及传热温差m Q 的计算

由于22R 与润滑油部分互溶，故管内污垢热阻可忽略，据文献介绍翅片册污垢热阻，管壁导热热阻和翅片与管壁间接触热阻之和为W k m /108.423??-,则由式 6

.06

.002

.20207.0187.621

0048.023.105.221

11

i

i

j

m i t s w i i t q q a f r f r r f a f K +=

++=

++++=

如果不计22R 的阻力对蒸发温度的影响，则传热温差为

8.1655.175

27ln 5

.1727ln

20121=---=---=

ta t t t t t Q a a a a m ℃ 7、 单位热流量及蒸发器结构尺寸的确定 由上述结果可得

6

.00002

.20207.08.16i

q Q k q +=

=

或6

.002

.20207.08

.165.22i

i q q q +?=

=β 用试凑法解上式可得 2/13000m W q i =

20/8.5775

.2213000

m W q q i

==

=

β

从而可求得所需要的换热面积

20677.013000

8800

m q Q F i i ===

2023.158

.5778800

m q Q F o o ===

据此可以确定蒸发器的结构尺寸。所需传热管总长

m f F L t 88.265666

.023.150===

迎风面积 2233.03600

5.22100

m w V F f a f =?==

取蒸发器长mm A 800=，高mm B 330=，则实际迎风面积2264.033.08.0m F f =?=。 已选用管间距mm S 4.251=，故每排管子数为

134

.25330

11===

S B n 深度方向计3排，两边各为13根管，中间取12根管，共38根管。其总长

m L t 4.30388.0=?=

它大于计算数值，约有13%的裕度。 8、 空气侧的阻力计算 在蒸发器中空气的平均参数 比容 )001.010016.01(m

m

B m a m d d P T R v ++=

)

00877.0001.01(101320)00877.00016.01()4.21273(4.287?+??+?+?=

kg m /835.03= 密度 3/20.11

m kg v m

m =

ρ 空气流过平套片翅片管簇，在干工况下的阻力可按下式计算

7.1max ))((

81.9W d L

A P m eq

d ρ=? 式中 A ——考虑翅片表面粗糙度的系数，对粗糙的翅片表面0113.0=A ,对光滑的翅片表面007.0=A 。

L ——沿气流方向的翅片长)(m 。

气流流过整套片叉排管簇的阻力比顺排管簇约增加20%。

p P 1.40)35.42.1(66

0113.081.97.1=???

?=?

由表9-7中根据析湿系数57.1=ξ查得系数23.1=?,由

d w P P ?=?? 得

a w p P 2.592.11.4023.1=??=?

注：蒸发器和风机参数如下：

冷凝器 、蒸发器具体参数表

风机、风叶参数表

第三章系统制冷剂充注量的估算

系统中冷媒的充注量对整机制冷能力有着很大的影响。充注量过少，蒸发器只有部分得到润湿，蒸发器面积不能得到充分利用，蒸发量下降，吸气压力降低，蒸发温度降低，蒸发器出口制冷剂过热度增加，这不仅使循环的制冷量下降，而且还会使压缩机的排气温度升高，影响压缩机的使用寿命。充注量过多，不仅蒸发器内积液过多，致使蒸发器压力升高，传