新型蒸发冷凝式空调机组系统的设计

新型蒸发冷凝式空调机组系统的设计[/center]
摘要从新型蒸发冷凝式空调机组的原理着手，介绍了压缩机的选型、蒸发式冷凝器（风冷与水喷淋冷凝器）及蒸发器的设计、毛细管的选择等的计算方法，为新型蒸发冷凝式空调机组系统的设计和性能优化提供了依据。

关键词新型蒸发冷凝式空调机组设计性能优化
0 引言
为了解决水冷空调机组安装繁琐和风冷空调机组耗能高的难题，笔者经过多年的探索，将风冷和水喷淋冷凝的优势有机地融为一体，设计了新型蒸发冷凝式空调机组。

其高效节能、安装快捷等独特的优点赢得了广大用户的信赖。

本文根据新型蒸发冷凝式空调机组的原理，介绍了压缩机的选型、蒸发式冷凝器（风冷与水喷淋冷凝器）及蒸发器的设计、毛细管的选择等的计算方法，为新型蒸发冷凝式空调机组系统的设计和性能优化提供了依据。

1 机组系统原理图及说明
在室内被冷凝成液体，经节流后排向室外冷凝器，通过吸收室外环境的热量，将液体蒸发成气体，再进入压缩机进行下次循环。

该机组的压缩机与冷凝器分离，压缩机可靠近室内机安装，以达到降低回气阻力，提高压缩机的效率的目的，并可减轻搬运和安装强度；蒸发式冷凝器的铜管采用内低肋高效传热铜管，这样不仅强化了冷凝传热，而且大大提高了制冷效果。

其机组系统制冷、制热原理图如下：液体排向室内机，吸收室内热量，实现对室内空气温度的调节；当机组制热运行时，从压缩机排出来的高温高压气体排向室内蒸发器，使室内温度升高，而，蒸发式冷凝器采用由盘成蛇形的水喷淋冷凝器和风冷冷凝器串联而成。

当机组制冷运行时，从压缩机排出来的高温高压过热气体排向风冷冷凝器，先经风冷冷凝器冷却，再进入水喷淋冷凝器冷凝，冷凝后经毛细管节流将低温低压的新型蒸发冷凝式空调机组由压缩机、冷凝器和室内机三部分组成。

采用蒸气压缩式制冷循环，制冷工质为
2 空调机组系统设计条件
1) 冷、热量：
制冷量:Q0KW；制热量: Q0KW；制冷剂：R22
2) 制冷工况：
室内：干球温度：27℃、湿球温度：19.5℃；
冷凝器空气进口温度：35℃；
3) 制热工况：
室外干球温度：7℃；室内干球温度：21℃；
3) 压缩机的选用
蒸发温度：te,冷凝温度: tc ,制冷量:Q0 KW的空调机组的制冷循环在压焓图上的表示
根据R22的热力性质表，查出处于饱和线上各点的有关状态参数值：h1 kJ/kg；Pe KPa；v1 L/kg；h3 kJ/kg；Pc KPa；根据R22的P-h图上找到Pc Kpa等压线，过1点作等熵线，此线与等压线相交于2点，该点为压缩机的出口状态点。

由图可知，h2 kJ/kg，由于节流前后比焓值不变，所以h3= h4 kJ/kg。

(1)、单位质量制冷量：
q0= h1—h4 kJ/kg
(2)、制冷剂质量流量：
qm =Q0/ q0 kg/s
(3)、冷凝器单位热负荷：
qc = h2—h3 kJ/kg
(4)、冷凝器热负荷：
Qc= qm qc= Q0 ×(h2—h3 )/ q0 KW
考虑到系统的散热要大于系统的吸热，故取1.1的安全系数。

即冷凝器总热负荷：
Q总=1.1×Qc KW
再根据蒸发温度、冷凝温度查压缩机制冷特性曲线图，（1）选取压缩机的型号;（2）压缩机输入功率P0 KW。

4 冷凝器的设计计算[设计计算原理参考文献1、2、3]
4.1 确定蒸发式冷凝器的结构参数：
（1）、风冷冷凝器的结构参数：
风冷冷凝器由内低肋高效传热紫铜管和铝合金翅片组成；铜管选用规格为ФD，选用的铝合金翅片是厚度δf的波纹片，翅片片距为sf，纵向和横向中心距s1= s2，管簇顺排布置。

（2）、水喷淋冷凝器的结构参数：
水喷淋冷凝器由ФD1的内低肋高效传热铜管组成蛇形管组。

4.2 确定蒸发式冷凝器的热负荷：
冷凝器热负荷设计计算处理：蒸发式冷凝器的总热负荷由风冷
冷凝器与蛇形内低肋高效传热铜管的水喷淋冷凝器平均分担；
即Q风= Q水=0.5Q总KW
式中：Q风——风冷冷凝器热负荷（KW）；
Q水——蛇形内低肋高效传热铜管的水喷淋冷凝器热负荷（KW）；（以下简称为水喷淋冷凝器）
Q总——蒸发式冷凝器总热负荷（KW）；
4.3 风冷冷凝器的选择计算：
（1）、计算风冷冷凝器传热温差：
设冷凝器箱冷却段风冷凝器的冷凝温度:tc ℃，风冷冷凝器进风干球温度：t1 ℃，取空气在风冷冷凝器的温升△t℃，则风冷冷凝器出风干球温度：t2= t1+△t ℃
△tm= t2— t1
Ln[tc—t1 / tc—t2 ] ℃
（2）、计算风冷冷凝器传热系数计算：
K= 1
[1 /αki×αof/αi] +[δ/λ×αof /αm] +r0+ rb+[1/αfη0]
式中：αki——R22在管内凝结的表面传热系数（W/m2•k）；
αf——空气侧表面传热系数（W/m2•k）；
αm ——紫铜管每米管长平均面积，m2/m；
αi ——紫铜管每米管长内表面积，m2/m；
αof——紫铜管每米管长外表面积，m2/m；
λ——紫铜管材料热导率（W/m•k）；
δ——翅片的厚度（m）；
r0——空气侧尘埃垢层热阻（m2•k /w）；
rb——管壁与翅片间接触热阻（m2•k /w）；
η0——翅片表面效率；
代入数据计算传热系数得：K W/（m2•k）
（3）、计算风冷冷凝器传热面积计算：
F风= Q风/[K•△tm] m2
4.4 水喷淋冷凝器的选择计算：
（1）、计算水喷淋冷凝器传热面积计算：
计算公式为：F水= Q水/[K•△tm•β] = Q水/[qA•β]
式中β——考虑水垢的系数；
在水喷淋冷凝器的传热过程中，同时存在着热量和质量的交换，因此计算比较复杂。

现通过计算水喷淋冷凝器的单位热负荷来计算水喷淋冷凝器传热面积。

（2）、计算水喷淋冷凝器的单位热负荷：
①、水喷淋冷凝器的单位热负荷计算公式为：
qA =[α/cp′]×C×[hc –（h1+ h2）/2]
式中 qA ——按管束外表面计算的单位热负荷（W/ m2）；
α ——空气与管束之间的表面传热系数[W/（m2•k）]；
cp′——湿空气的定压平均比热容；
C ——与制冷剂有关的系数；
hc——与冷凝温度tc对应的饱和空气的比焓（J/kg）；
h1、h2——空气进、出冷凝器的比焓（J/kg）；
②、空气与管束之间的表面传热系数计算公式为：
α=0.297×λ/d0 ×（ωd0/υ）0.6×1.2
式中：λ——空气的导热率 [W/（m•k）]；
d0——蛇形管外径（m）；
ω——空气通过最窄断面的流速（m/s）；
υ——空气的运动粘度系数（m2/s）；
代入数据得：
α W/（m2•k）
③、考虑管外水膜的存在，必须对空气与管束之间的表面传热系数α值进行修正，其修正系数为：[参考文献1]
管束排数 2 3 5 6 7 10
修正系数0.8 0.88 0.95 0.96 0.98 1.00
④、计算水喷淋冷凝器的单位热负荷：
因为冷凝温度tc℃得hc J/kg空气进、出冷凝器的温度分别为t1 ,t2 则求得: h1 J/kg 及h2 J/kg；
代入数据得：
qA =[α/cp′]×C×[hc–（h1+ h2）/2]
（3）、计算水喷淋冷凝器传热面积为：
F水= Q水/[K•△tm•β] = Q水/[qA•β]
4.5 确定风冷冷凝器、水喷淋冷凝器的管数、排数及有效管长：
（1）、风冷冷凝器的管束排、列数组合：
取管束排数为N排；则
F风＝Nnπd0L0β
其中：n为列数；d0为管外径；L0为管束有效长度；β为翅化系数；
（2）、水喷淋冷凝器的管束排、列数组合：
取管束排数为N1排；则
F水＝N1nπd0（L0+0.5πd1）
其中：n为列数；d0为管外径；d1为U型弯头直径；L0为管束有效长度；
(3) 蒸发式冷凝器外表总面积
F总＝F风＋F水
＝nπd0(NβL0+0.5 N1πd1+ N1L0)
（4）计算水喷淋冷凝器喷淋水的蒸发量及补充水量：
水喷淋冷凝器换热量：Q水KJ/h;
水的汽化潜热为：q=2450 kJ/kg；
喷淋水的蒸发量为：
M= Q水/q kg/h
蒸发式冷凝器喷淋水量应使蛇管外表面积充分润湿，可按照经验数据选取。

考虑到在机组运行中，喷淋水受热而使部分水分蒸发，另有少量水分被排出的空气带走，所以应向蓄水箱适当补充水量。

取水的补充量为循环水量的5%，则所需补充水量为： C =0.05×L kg/h
（5）循环水泵的选用：
水泵的体积流量：qv m3/h
水泵的扬程： H m
水泵的功率: P1 KW
5 冷凝风量计算及电机选用
空气密度ρ kg/m3
空气比热CP kJ/kg•℃
标准迎面风速：ωNF m/s
进风温度t1′℃
出风温度t2′℃
所以迎风面积
AF＝Q风/[3600ωNFρCP(t2′－t1′)] m2
风量V＝3600AFωNF m3/h
风机的全压由下式求得：[参考文献2]
△P＝△P1＋△P2
式中：△P1为风机静压Pa；△P2为风机动压Pa；
动压：△P2=0.5ρωNF2 Pa；
静压：△P1=0.108（ρωmax）1.7×b/de
风机采用电机直接传动，则传动效率ηm=1；取风机的全压效率ηfan=0.6，则电机的输入功率：
P＝V•△P/[ηfan. ηm]W
根据风量、风压、输入功率用风机特性曲线来选取风机的型式及风机叶片角度。

6 蒸发器的设计计算
（1）、计算蒸发器传热温差：
蒸发温度:te，蒸发器进风干球温度：t1，取空气在蒸发器的△t ℃，则蒸发器出风干球温度：t2= t1-△t ℃
△tm= t1— t2
Ln[t1—te / t2—te]
（2）、计算蒸发器传热系数计算：
传热系数：K W/（m2•k）（计算过程略）
（3）、计算蒸发器传热面积计算：
F= Q0/[K•△tm] m2
（4）、蒸发器的管束排、列数组合：
取管束排数为N排；则
F＝Nnπd0Lβ
其中：n为列数；d0为管外径；L为管束有效长度；β为翅化系数；
假设取 n列，则
L=F/[Nnπd0β]mm
故蒸发器的结构为：选用规格为ФD2紫铜管，翅片是厚度δf的冲缝片，翅片片距为sf，管束按正三角形叉排排列，垂直于流动方向管间距s1，迎面风速：ωNFm/s，
7 蒸发器侧的风量计算及电机选用
（1）、风量计算及迎风面积计算：
室内干球温度：t1℃，h1 KJ/Kg
经N排表冷器盘管处理后：出风干球温度：t2℃， h2 KJ/Kg ；
根据公式：
Q0=ρ×Va×(h1- h2)
式中：ρ—空气密度kg/m3，Va—送风量（m3/h），h1—进风空气焓值（kJ/kg），h2—出风空气焓值（kJ/kg）
蒸发器侧的风量：
Va = Q0/[ρ×(h1- h2)] m3/h
迎风面积：
A＝Q0/[3600ωNFρCP(t1－t2)] m2
（3）、风机配用电机的功率计算：
计算公式：
Nm = Q×Pd /[1000×η]
式中：Nm——风机配用电机的额定功率（W）；
Q ——风机输送的空气量（m3/h）；
Pd ——风机的动压（Pa）；
η——离心风机效率；
根据风量、风压、电机的额定功率用离心风机特性曲线来选取离心风机。

8 毛细管的选择计算
毛细管的选择计算方法采用图解法：通过实验而得到的毛细管初步选择图，根据制冷剂种类，制冷量Q0或压缩机的输气量qm等条件选择毛细管的长度及内径。

9 机组的能效比计算
能效比计算公式：
EER = Q0/Pw
式中：Q0——机组的制冷量（KW）；
Pw ——机组总的输入功率(压缩机,水泵,风机等的功率)（KW）；
10 结论
通过以上计算方法,方便快捷地设计出新型蒸发冷凝式空调机组系统,从节能的角度对蒸发式冷凝器的设计进行了优化,将风冷与水喷淋冷凝有机地结合起来；同时,压缩机的选型、蒸发器的设计、毛细管的选择都有科学的计算方法与理论依据；机组的能效比与传统空调相比有很大的提高，为新型蒸发冷凝式空调机组的普及与发展提供了有利条件。