二级压缩制冷系统设计讲解.docx
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二级压缩制冷系统设计讲解
1题目要求
设计一个医用低温冷柜所配制冷机组。
要求:
(1)进行制冷循环的热力讣算;
(2)完成各换热器的结构设计;(3)完成主要原件的选型;(4)完成主要部件的图纸。
其中,要求制冷量为600W,冷藏温度为-4(TC,设计工况t。
(环境)=35°Co
2制冷循环的热力计算
初始条件
制冷剂选择R32
蒸发器端部温差5°C,冷凝器端部温差10°C.回热器温差△EC.
曲蒸发器冷凝器端部温差蒸发温度t。
二-45°C,p。
二0.109MP&
冷凝温度tk二45°C,p-z=2.8MPa.
£l=_21L=25.7
P"0109,选两级压缩一级节流中间完全冷却系统。
参数:
h产499.645kJ/kg,h5-=286.315kJ/kg,hr=505.8kJ/kg
hs=275.6kJ/kg,v:
-=0.33m7kg.
1、确定中间压力
=』PkPo=°・55MPg
对应的中间温度为-11.5°Co
在-11.5C上下取一5,-7,-9,-11,-13,-15°C进行计算,取中间冷却器温差
△t=3°C
讣算结果于下表:
参数
-5°C
-7°C
-9°C
-11°C
-13°C
-15°C
S
2.1733
2.1808
2.1883
2.1961
2.2036
2.2116
Pm
0.687
0.642
0.6
0.559
0.522
0.485
514.23
513.75
513.25
512.71
512.14
511.54
h;
196.5
193.09
189.69
186.31
182.95
179.6
h:
585.51
582.08
578.69
575.18
571.83
568.27
572.34
575.03
577.74
580.57
583.3
586.24
山计算公式
COP=目得COP的最大值为1.74,此时对应的最佳温度to=-7°c,相应的参数见上表.
2、高压级与低压级的压力比分别是
^=£^=5.89
Po0.109
热力计算
1、单位制冷量
q0=h、_h?
=306.555kJ/kg
2、低压压缩机制冷剂流量
qwD=^-=0.00196kJIs
Go
3、低压压缩机理论输气量
q忙=血L=°°°196><0・329=°。
。
。
⑹//s皿入d0.8
丄
2d=1-c(^-1)
其中c=4%,m=l,e=5.89.(由《制冷压缩机》得)
4、低压压缩机等嫡压缩功率
仇D=Qmd%-久)=°・15好V
3、低压压缩机轴功率
P=^=—=0.23\kW
0.65
6、低压压缩机实际排气焙值
h一力.
h2=hv+—=607.5kJIkg
JliD
7、高压压缩机制冷剂流量
qniG=Qmn7^—7-=00034kg/sfh~h5
8、高压压缩机理论输气量
q%=如岀1=0.00025m3/s
U3=0.057m3/kgXGx0.7752(由《制冷压缩机》得)
9、高压压缩机等嫡压缩功率
^=qmG(^s-^)=0-208ZrW
10、高压压缩机功率
皆险=22^=0.296阳rJkG°・7
11、高压压缩机实际排气焙值
h4=/?
3+隹_亿=59435kJlkgQg
12、理论性能系数
13、理论输气量比
14、冷凝器热负荷
啓=0皿(尽一入)=1.086kVV
3冷凝器设计
计算中用下标“1”表示制冷剂侧参数,用下标“2”表示空气侧参数。
1、确定冷凝器的热负荷及空气流量:
山热力计算得①E.193kW,取进出口的空气温差t2/z-t/=8.2°C,则空气流量为
V2=——9一「=一—一=0.123m3/s
p2c/)2(/2-f2)1.15x1.005x8
2、结构初步规划:
选迎面风速cv=2.5m/s,沿气流方向排数nL=6,冷凝器选用顺排套片式结构,管用<l)8X0.5mm的紫铜管,肋片釆用厚为0・2mm的铝片=片间距纵向和横向管间距相等S=20mmo据该初步规划,可计算下列参数:
(1)每米管长的肋片面积Af2
2(52-^1)2(0.022-7CxQ-0084~)
Af2===0.3828m2/m
b0.0018
(2)每米管长的肋片间基管外表面积Ab2
Ab2=;rd(1-^-)=tcx0・0084x(1-°°°°?
)-0.0235m2/m°b0.0018
⑶每米管长的总外表面积A2
A2=Af2+Ab2=03828+0.0235=0.4063m2/m
⑷每米管长内表面积Ai
A1=JTdi=nX0.007=0.0220m2/m
⑸肋化系数B
⑹最小截面与迎风面积之比£
£=(S-4,)9-6)=(20—8.4)(1.8—0.2)=0516Sb20x1.8•
(7)当量直径de
de=2(S_d<)(b_bJ=2x11.6x1.6=?
gl2e_(5-O+(Z?
-dr)一-11.6+1.6-一*
3、空气侧换热系数a2讣算:
Cl2=KCRe/(^-r
dc2de
式中Re2=C2de/V2,C=A(1.36-0.24Re2/1000),
n=0.45+0.0066(L/de),m=-0.28+0.08(Re2/1000),A=0.518-0.02315(L/de)+0.000425(L/de)2-3X10-6(L/de)3L二r>L•S
据已知条件,空气最小截面处的流速C2为
按空气的进出口温度的平均值t2=(tr+r2.)/2=(35+43)/2=39°C查取空气物性参数
值得Re2=832o并经计算得A=0.0709,80.0823,n=0.7316,m=-0.2134所以Q2有
“席皿23焜叫(42.67严-迥咖2・K
4、il•算肋片效率及表面效率:
肋片效率n12=0.942,表面效率n02则有
A0QQOP
n02=1■屮(1-%)=1-(1一°・99)=0.943
0.40o3
5、计算管内侧冷凝换热系数a1:
a1111公式计算,式中C对于氟利昂可选0.683,若用R32的平均温度选取r%和Bm值时,则先假定壁温,设壁温tw=43°C,则R22的平均温度ti=(tk+tw)/2=(45+43)/2=44°C,山表查得r%=21.8,Bm=104,代入公式有
ai=0.683X20.21X1.92X0.007"°25X(tk-tw)-°25=5353.47(tk-tw)-025
忽略管壁热阻及接触热阻,据管内、外热平衡关系有
a1hdj(tk-tw)=耳02a2A2(tk-t/),即
5353XnX0.007(40-tw)°75=0.896X48.68X0.4063(tw-34.1)
解上式得t『43.33°C与假设十分接近,假设合理,不需重算。
将如代入Qi式则得
a1=5353(40-38.71)°25=4711W/m2•K
6、计算传热系数及传热面积
忽略污垢热阻,则
K2=———」=38.89W/m2•K
如+亘+丄
wA心n()2a2
而“t=-^-=4.97°C
△ti
所以所需传热面积F2为
Q10869
F2===5.58m2
KQt3&89x4.97
所需肋管总长L=F2/A2=13.374m
7、确定空冷冷凝器的结构外形尺寸
若取垂直气流方向管的列数nb=4则每根管有效长度Li=L/(nb・nL)=0.57m,高H=nb•S=0.08m,深L2=nL•S=0.12mo考虑迎面风速不均匀性,取Li实际长为0.61m,所以迎风面积Fy=LiH=0.61X0.08=0.0488m2,则实际迎面风速Cy=V2/Fy=2.52m/s,与假设的迎面风速相符。
8、选择风机
空气流经错排平板肋片管冷凝器进行换热时,流动阻力
AP=0.1107(―)(/^)L7x1.2(Pci)
de
〃_2(s、b-d“b—2h&)e~-2h+b-3
式中p——空气密度,1.124kg/m\
I——每根肋管的长度,加;
//——空气在最窄截面上的流速,也/$;
de当量直径,加;
S、、b、h、6、心分别为管子中心距、肋片间距、肋片高度、肋片厚
度、肋管外径。
求得AP=155(Pa)外部风道阻力△出取0,所以,风机功率为:
P=^!
L=o.O26kW
HP
qma=qYap是空气质量流量,〃为风机效率取0.8,p是空气密度。
取电动机容量的安全裕量为1.15,求得电动机功率为0.03&W,最后选定已生产的电动机标准Pa0.03kWo
空气横向流过平套片、顺排肋片管的阻力用下式计算
Ap2=9.8la(土)(p、cJ:
=9.810X.007X42.7X(1.15X4.85)17=54.47Padc…
式中a为考虑表面粗糙度的系数,对粗糙表面肋片0=0.0113,对光滑肋片C1=0.007o
该冷凝器的额定风量由前面讣算可知V2=0.123m3/s=444m3/h,若选用一台风机,则需每台风量为444m3/h,风机静压按上面计算pst可取55Pa,全压
P*=Pst+Pd=55+P2Cy2/2=58.59Pa
根据风压,电动机功率以及风量,选择T35-11系列轴流式风札机号为3.15,其中电动机的型号为YSF-5024・
4蒸发器设计
已知:
制冷量①。
二600肌蒸发温度匚二-45°C;工质为R32;制冷剂循环流量加
=7.056kg/11,空气的送风温度为-40°C;空气的回风温度为-4rCo
设计计算
1、主要参数选择
(1)冷空气的有关参数
1送回风温度下水蒸气的饱和压力
送风:
pedF0.01283kPa
回风:
P^=0.01093kPa
2空气的含湿量d
d=0.622=0.622爾也
B_P&如
式中,B为空气压力,取B=l,01X10:
kPa;Pz为水蒸气分压力送风与回风的含湿量分别为
0.9x0.1283
101-0.94x0.0128
0.95x0,01093
101-0.95x0.01093
空气的比焙
h=1.Ok+"(2500+\Mt)kJ/kg;经计算,得
送风比焙:
h{=233.06kJ/kg
回风比焙:
h2=232.05kJ/kg
(2)风量选择风量%•。
为
式中,J为空气的比体积。
按送风、回风的平均温度-41・5°C确定.
按此风量选用一台风量为1500/n3///的轴流风机,可选择T35-11系列轴流式风机,机号为3.15,其中电机型号为YSF-5024.
(3)选定风机后,空气的比焙及送风温度
1空气通过蒸发器的比焙值少7
劭二①型二]BkJ/kgq-,Va
2送风时空气的比焙值人
hA=h2+AA=0.75kJ/kg
3查h-d图,查得送风温度仍为-40°Co
(4)蒸发器初步结构的初步规划
1取010x1的铜管,外套铝片。
铝片间距b二2mm,厚度5二0.2mm,管排数N二4,每排管子数n二8根。
管子按三角形排列,管间距s二0.024m。
2最窄流通面积Fe与迎风面积F、之比
孑上警斗572
③最窄流通面积巴与迎风面积F、
Fe=—
U
式中,"为最小截面处流速,通常取»=3—6/n/5,取3.5m/s,代入上式后得
Fe=0.1095m2
再求出人
r
=00278=0.191/
'0.54
④蒸发器高度,耳度及管长
高度
A=ns=0.192m
厚度
B=Mcos30°二0.083m
每根管子的长度/'二二二0.995m
A
管子总长度/二山N二31.8m
(5)肋片管参数及管内、外表面积
1六角形肋片单侧的表面积
BfBf兀7
F=6(—)(—cot60°)--6/;=1417.95m
22
2lm长管上,肋片的表面积耳
=2Fn/=0.28m2/in
式中卩为每米管子上的肋片数
3lm长管子上铜管的表面积耳
Frt-屈。
(1一nfd)=0.0308nr/m
4lm长管子上,总的外表面积巧#
化“二耳+伤二0.3108nrIm
5总的外表面积、肋片表面积和铜管外表面积外表面积Ft)f=FOJ1l=9.88m2
肋片表面积Ff=Ftll=8.904m2
铜管外表面积Fr=Frll=Q.98m2
6总的表面积斤
F尸切』二0.788m2
7外表面积与内表面积之比值
0=乞=12.4
2、传热计算
(1)空气侧放热表面传热系数如•
按公式如二(半严4(£严
bbb
式中b——肋片间距,m;
do管外径,m;
h——肋片高度,m;
空气在管束最窄截面处的流速,沁S;
空气的运动黏度,4.56208xl0"〃『/s;
k——空气的导热率,0.0142W/(m・°C);
c,n——系数,对六角形肋片c二0.203,“二0.65。
将各种数据代入计算公式中得
Re,-=3101如二113.0W/(m・°C)
(2)管内沸腾放热
1质量流速
每8根管子连接成一根蛇管,共得8根管。
因制冷剂循环量亦二7.056匕/〃,故质量流速为
(M/36OO)°”〃2、
二二9.7okg/(nr-s)
2管内放热表面传热系数九
R32在管内蒸发的表面传热系数按公式
牛y(25化卢+6(即巧
h严0.023("(1~A)/-)Q-8叫】®=34.4W/(tn2•K)
Co=(—)o-8(^-)0-5=0.0434
%Pi
2
B二幺=2.054x10"Fr二J--=8.5x10」
gr'9.8才0.
ht=867.22W/(m2K)
式中h,——管内沸腾的两相表面传热系数,W/(m2-K);
瓜——液相单独流过管内的表面传热系数,W/(〃『・K);
Co——对流特征数;
——沸腾特征数;
Fr}一一液相弗劳得数;
g质量流率,kg/(m2-5);
A'——质量含气率;
0——管内径,0.01m;
//,——液相动力粘度,2.537-5;
k}——液相热导率,0.1819W/(〃?
・K);
P,——液相普朗特数2.2284;
pg气相密度,4.0671;
p、——液相密度,1194.374Rg/〃F;
q一一按管内表面计算的热流密度,取700W/"F;
Fn——取决于制冷剂性质的无量纲数。
式中的G,C2,C3,C4,和C,为常数,它们的值取决于C。
的大小;Co<0.65,
C]=1.1360,C?
=—0.9,C3—667.2,C—■0.(,=0.3。
3析湿系数纟
W=]+%+Cp,tm-%(〃”厂血)/1000
Cf»n~fw
因管内热阻较小,故可近似地取避免温度为蒸发温度,t.=to=-45°C其它数据为dFO.2g/kg干,tF(ti+tJ/2二-40.5°C.止二d+dj/2二0.069g/kg干.
c?
o=l.0050kJ/kg・°C.
最终求得
"1.0308
4迎面风速3f
zySy
=〒=2.Olm/s
5霜密度Pu
P.=340匸T"55+25肚
近似地取ts=to=-45°C,则
PF110.4m3/kg
6析湿量
q1000
7一个融霜周期的霜平均厚度5U
110.4x9.88
戈=0.5(型)=0.5(竺竺3竺型)=i.gl0怙
P片…八
歹=(Q-l)(l+0.351nQ)
P=Bf/如
p=1.063/7=1.063®/〃o
R()=2^°
代入已知数据可得
r]f=0.8621
⑥对数平均温差山〃
△:
=•丄「=4・58°C
t—z
%一4
⑦传热系数仏
Ko=Z—F―-
式中
hof空气侧放热表面传热系数,W/(m:
•°C);
%一一管内制冷剂放热表面传热系数,W/(m2-°C);
人一一管内表面的污垢系数,m'・°C/kW;
Fof,Ff,F「分别为管外的总面积、肋表面积和铜管表面积;
g——析湿系数。
将各种数据代入Ko的汁算公式后,得到
K0=27.3W/(m:
・°C)
按管内表面积汁算的热流密度6
《=689闪/存
计算表明,假设的q初值700W/m2与核算值689W/m:
较接近,偏差小于2.5%,故假设有效。
所需管内面积初步设计的内表面积Fi
F=鱼=0.78<0.799
G
(3)融霜管功率P
设计规定,每15h要融霜一次,以保证冷风机之正常运转
①一个融霜周期的结霜量m
m=WX3600Xt=1.13kg
2将融霜化成水所需之热量Q
Q=cJmAt+myi
Ci冰的比热容,Ci=2,05kJ/(kg-°C)
Yi冰的溶解热,YL334kJ/kg
At库温与0°C
带入计算得Q=427.4kJ
3融霜管功率
P=—
1t为融霜周期,取t=10min.带入得P二0.787kW
取P二0.8kW
5回热器设计(壳盘管式结构)
参数冷凝液入口tr=45.2oC,出口t1M=42.3°Co流量Mx=0.0034kg/s;
制冷剂蒸汽入口S二一450出口t「=70°C,流量M:
=0.00196kg/s;
■
At=5°C过热度
热负荷:
Q二乩(h「-hj二0.0034X6.6=0.02108kJ/s.
乂因为Q=M:
(h5*-h5)所以h5=275.6kJ/kg.
1、初选传热系数
Ko=3OW/(m•°C)2、对数平均温差
87.46-85.2
.87.46
In
85.2
3、估算传热面积
4、取15X1.0钢管.管长为
0.00824
=62.08m
5>壳体内径取600mm=0.6m绕数为
n=A=32・9nD
6、取每圈间距为:
d=20mm,壳体长度L2=l.15m7、壳程流通截面积
.A/】0.0034nnin.
A.=———==0.010〃厂
Px似11
3.036
ssxl
8、壳程接管直径
芈=0.1128m
由钢管标准相近规格:
取115X4
9、管程流速
V]=\m/s
^■=r^7^=,2658-2310、管程换热系数
分钗023曲皆=1^x0.023x12658.2^x1.787^
热阻r=0.00017(m2•°C)/W
壳程壳侧壁面温度:
假定t=42°C。
此时壳侧换热系数为
_2
11、传热系数
k=[丄+1;|+如匚。
+丄仏]t=33.988W/(/n2・°C)q•/・a24
传热面积
F=-^―=用=7.73xl(r6〃『<8・23x106m2
kAtm85.33x34稍才
12、检验壳测壁温
"“一哙+GM=42.5-34x(祐+0.00017)x8533
71.95VV/(/h2-°C)
41・4°C
与假定温度t-10°C相差0.6°Co
6中间冷却器设计(壳盘管式结构)
1、换热量
Q二q“二(hs-hj二0.00196X(275.6-193.09)=0.162kW
2、蒸发量
Qtt*二qp^O.0034~0.00196—0.0014kg/s3、盘管设计计算
取<l)10X0.7钢管初选换热系数Ko=6OOW/(m3-K)得平均温差及钢管换热面积
—J—=49.2°Ctk—f开
2.3lg-=
t-r;
钢管管长
A
I==0.406/n
h心
取盘管内流速为0.7m./s,雷诺数与努希尔数
辰=泌=空筋竺<0.00逆=5.86XIO4
“&91x2
Nu=0.023Re08Pr03=0.023x(5.86xlO4)08x1.833°」=179.75
换热系数
Nu=—
/"+皿=晋灯97.875=539加WK
4、筒体设计计算
取筒体内径D二300mm二0・3m・设壁温J二38°C•山
Cp4
5取0.02,s二1.7,求得q=793.6W/m:
=0.7936kW/m2.所以,
Qi二r=0.35kW
a=g=_222_=o.4W
1q0.7936
厶=4=0.35加nD
c=4.96W°37m0-66•KhFcq067=1164.89W/m2・K
Qpqf(hs—hJ二一0・176kW
取气体流速v=0.5m/s
门codj0.5x0.0010cc—c
Rc.=一==3816.8
-v1.31X10'6
A^u.=0.4x3816.606x0.856°%=53.31
h产糾厂船®493.和沁《
493.6-0.2心
Atm2=.93.6=15>2
In
0.2
Q.O.173xlO3、
=——=—==0.124〃厂
Atm/b15.2x93.3
A0.124nin
人===0.10m
7rD^x0.4
5.传热系数
K=[—+rvl+如小+丄如广=318・9W/m2K
a=0J62=
KAm
=0.162x10一ooi加2vo[24加2
318.9x49.2