KFR26GW分体挂壁式无氟家用空调设计.docx
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KFR26GW分体挂壁式无氟家用空调设计
湘潭大学
毕业设计说明书
题目：
KFR-26GW分体壁挂式无氟家用冷暖空调设计计算
学院：
机械工程学院
专业：
热能与动力工程
学号：
**********
******
*******
完成日期：
2012.05.27
一、设计任务：
设计一台KFR—32GW分体挂壁式无氟家用冷暖空调器，名义制冷量Q0=2600W，名义制热量Q1=3600W，工质为R410A。
二、设计目的：
通过房间空调器的设计，综合应用所学的基础理论和专业知识，分析和解决问题，掌握家用空调产品设计和开发的基本方法和技能，了解家用空调器的发展趋势，为今后更好的从事相关工作和学习打下良好基础。
三、设计步骤：
1）设计工况和设计参数的确定
2）制冷循环的热力计算
3）压缩机的选择
4）热泵循环热力计算
5）冷凝器设计计算
6）蒸发器设计计算
7）毛细管的选择计算
8）四通换向阀的选择
9）风机及配用电机的选择
10）制冷剂充灌量的计算
11）无氟家用冷暖空调热力经济性指标核算
12）管路及辅助设备的选择
四、设计成果：
1、压缩机
本设计选用西安庆安制冷设备股份有限公司的空调用A系列YZC-A090RY2全封闭滚动转子式压缩机。
参数如下：
名义制冷量：
3580W
电源：
DC3600rpm
能效比：
3.2
2、冷凝器
本设计采用强迫对流式空冷冷凝器。
其结构示意如图2所示。
参数如下：
传热管：
紫铜管，φ10×0.5mm
翅片：
厚度0.15mm，波纹行整张铝制套片
节距：
2mm
迎风面管心距S1=25mm
管簇排列采用正三角形叉排
冷凝器厂：
500mm
冷凝器宽：
86.6mm
冷凝器高：
262.5mm
空气流通方向上的管排数：
4
迎风面上管排数：
10
冷凝器传热系数：
34.64W/m2·K
图2空冷式冷凝器主题结构示意图
3、蒸发器
本设计采用强制对流的直接蒸发式蒸发器。
结构与冷凝器相近。
参数如下：
传热管：
紫铜管，φ10×0.5mm
翅片：
厚度，连续整体式铝套片
节距：
1.8mm
迎风面管心距S1=25mm
管簇排列采用正三角形叉排
蒸发器长：
550mm
蒸发器宽：
43.3mm
蒸发器高：
237.5mm
空气流通方向上的管排数n:
2
迎风面上管排数N：
9
蒸发器分路数：
3
蒸发器传热系数：
43.56W/m2·K
4、节流装置
本设计选用毛细管作为节流装置。
参数如下：
di=1.8mm，L=1.7mm（图解法选型）
5、四通换向阀
本设计选用型号为DFH5的四通换向阀。
参数如下：
名义容量：
4500W
进气接管外径尺寸：
8mm
排气接管外径尺寸：
10mm
6、风机及配用电机
（1）室外风机，本设计选择轴流式风机。
FZL型系列轴流式通风机，型号为350FZL-02型。
参数如下：
风机：
台数：
1台
风量：
18000m3/h（30m3/min）
全压：
100Pa
风叶直径：
350mm
配用电机：
转速：
1400r/min
电动机输入功率：
100W
电压：
220V
相数：
1相
频率：
50Hz
（2）室内风机，本设计选择贯流式风机。
型号为GL40×260型。
参数如下：
风机：
台数：
2台
叶轮名义直径：
40mm
叶轮长度：
260mm
配用电机：
电机输入功率：
15W
室内风机与室外风机的大致结构分别如图3和图4
图3轴流风机示意图
图4贯流风机示意图
五、设计计算
（一）设计工况选定
1、房间空调器工作的环境温度的确定
根据GB/T7725-2004中的4.2.4，对于热泵型空调器通常工作的环境温度为-7℃-43℃（T1气候类型），取参数如下：
2、室内外空气状态参数的确定
制冷运行：
室内干求温度27℃室内湿球温度19℃
室外干球温度35℃室外湿球温度24℃
制热运行：
室内干球温度20℃室内湿球温度15℃（最大）
室外干球温度-7℃室外湿球温度-8℃
3、房间暖空调运行参数的确定
根据文献[2]P289表7-11和P290表7-14，选取参数如下：
蒸发温度t0=7.2℃
冷凝温度t0=54.4℃
有效过热度5℃
有效过冷度5℃
吸气温度20℃
（二）制冷循环的热力计算
1、循环参数及压焓图
名义工况下，制冷循环参数及室内。
外空气参数如下：
蒸发温度7.2℃，冷凝温度54.4℃，膨胀阀前液体温度46.1℃，出口温度15℃，吸气温度20℃；
室内干球温度27℃，湿球温度19.5℃，
室外干球温度35℃，湿球温度24℃。
根据条件回执循环的p-h图，如图所示。
图2-1循环过程在p-h图上的表示
各点参数值，根据软件制冷剂物性参数，输入已知参数值，计算，得循环个特点的状态参数如下表1：
状态点
p/MPa
t/℃
h/（kJ/kg）
v/（m3/kg）
1
0.9958
7.2
1′
15
433
1″
20
439
0.029
2
3.3505
88.7
475
3
54.4
304
4
46.1
284
5
2、热力计算
（1）基本性能指标的计算
单位质量制冷量q0（kJ/kg）
q0=h1′-h5=h1′-h4=433-284kJ/kg=149kJ/kg
单位理论功ω0（kJ/kg）
ω0=h2-h1″=475-439kJ/kg=36kJ/kg
制冷系数ε0
ε0=
=
=4.14
容积系数λv
λv=1-c[（
）1/k-1]
式中，c——相对余隙容积，取为1.2%
pk——冷凝压力（排气压力）（Pa）
p0——蒸发压力（吸气压力）（Pa）
k——工质等熵指数，取1.33
λv=0.9821
压力损失系数λp
λp=1
温度系数λT
λT=ATk-B（T1-T0）
式中，Tk——冷凝温度
T0——蒸发温度
T1——压缩机前吸气温度
对R410A：
A=2.57×10-3，B=1.06×10-3，所以，
λT=0.8279
泄露系数λl
近似取λl=λv=0.9821
输气系数λ
λ=λvλpλTλl=0.7985
压力比ε
ε=
=3.38
（2）当总制冷量Q0已给定，设计或选配压缩机
制冷剂的循环量qm
qm=
=
=0.0174kg/s
压缩机的实际输气量qv,s
qv,s=qmv1″=0.0174×0.029=5.05×10-3m3/s
压缩机的理论输气量qv,th
qv,th=
=
=6.32×10-4m3/s
求出的qv,th的数值可作为设计或选配压缩机的依据。
（3）计算压缩机的功率
压缩机的理论功率Pt
Pt=qmω0=0.0174×36=0.63kW
压缩机的指示效率ηi
ηi=
式中，v1″——吸入点比体积，单位m3/kg
ε——压力比
Δpsm、Δpdm——吸、排气阀平均压力降，单位Pa
h1″、h2——压缩开始及终了时的比焓，单位为J/kg
k——工质的等熵指数
取k=1.33,Δpsm=0,Δpdm=0.1pk则
ηi=0.8127
压缩机的机械效率ηm
取ηm=0.95
压缩机的指示功率Pi
Pi=
=
=0.775KW
压缩机的轴功率Pe
Pe=
=
=1.003KW
电动机效率ηmo
取ηmo=0.88
电效率ηel
ηel=ηiηmηmo=0.679
输入电功率Pel
Pel=
=
=0.928KW
（4）实际制冷系数εs的计算
εs=ε0ηiηm=4.14×0.8127×0.95=3.19
（三）压缩机的选择
1、压缩机类型的选择
由于滚动转子式压缩机效率高，可靠性高，零部件少。
功耗小，省电，综合起来，更适合空调器的需要。
因此，本设计选用滚动转子式压缩机。
2、压缩机型号选择
因为本设计的设计工况与压缩机的测试工况一致，所以所选压缩机不用在经过测试。
根据额定制冷量，查文献，选用西安庆安制冷设备股份有限公司的空调用A系列YZC-A090RY2全封闭滚动转子式压缩机，针对工质R410A，额定制冷量为2850W，电源为DC3600rpm，均能满足设计要求。
（四）热泵循环热力计算
空调机由制冷向制热的转变主要是靠四通换向阀改变制冷剂在系统中的流路，故其计算参照制冷循环热力计算。
计算方法参照文献[8]P21。
1、单位吸热量qe（kJ/kg）
qe=h1′-h5=433-284=149kJ/kg
2、单位理论功ω0（kJ/kg）
ω0=h2-h1″=475-439=36kJ/kg
3、单位实际功ωe（kJ/kg）
ωe=
=
=46.61kJ/kg
4、电机输入单位理论功ωel
ωel=
=
=52.97kJ/kg
5、压缩机实际排气状态焓值h2′（kJ/kg）
h2′=h1″+ωelƒ=439+52.97×0.9=486.7kJ/kg
6、单位制热量qh′（kJ/kg）
qh′=h2′-h4=486.7-284=202.7kJ/kg
7、循环制热系数εh′
εh′=
=
=3.82
8、压缩机质量流量qma（kJ/kg）
qma=
=
=0.02kg/s
9、热泵制热量Qh（W）
Qh=qmaqh′=0.02×202.7=4.054KW=4054W
10、压缩机的轴功率Pe（W）
Pe=qmaωe=0.02×46.61=0.9322KW=932.2W
11、电动机输入功率Pel（W）
Pel=qmaωel=0.02×52.97=1.059KW=1059W
（五）冷凝器设计计算
1、冷凝器类型选择
本次设计选用强迫对流空冷式冷凝器（如图2）。
其原因如下：
首先，空冷式冷凝器不需要用水，冷却系统更为简单，省去了水处理及除水垢方面的费用。
因此，随着近年来，水资源日趋紧张，所以已经大量使用空冷式冷凝器。
其次，强制对流用于小型空调制冷装置，空气以2~3m/s的迎面风速横向掠过管束带走制冷剂的冷凝热，由于空气侧的放热系数极低，为强化传热，在传热管上加有肋片。
2、冷凝器计算
由有关温度参数及冷凝热负荷确定各有关温度参数
其取值见表二
表2冷凝器温度参数表
项目
参数值（℃）
项目
参数值（℃）
冷凝温度tk
54.4
进出口空气温差ta2-ta1
10
进口空气干球温度ta1
35
出口空气干球温度ta2
45
对数平均温差
θm=（ta2-ta1）/㏑[（tk-ta1）/（tk-ta2）]
=（45-35）/㏑[（54.4-35）/（54.4-45）]
=13.8℃
根据R410A的压焓图，将冷凝的焓差与蒸发的焓差相比得到冷凝负荷系数，C0=1.23，则冷凝负荷
Qk=C0Q0=1.23×2850W=3619.5W
翅片管簇结构参数选择及计算
选择φ10㎜×0.5㎜的紫铜管为传热管，选用的翅片是厚度δƒ=0.15㎜的波纹型整张铝制套片。
取翅片节距Sƒ=2㎜，迎风管心距S1=25㎜，管簇排列采用正三角形叉排。
每米管长各有关传热面积分别为：
1、每米管长翅片侧面面积aƒ
af=2[S1S2-（π/4）Dd2]/Sf
=2（0.0252×
-
×0.01032）/0.002m2/m=0.4579m2/m
注：
翅片一般有一次翻边，且利用翻边保证均匀的翅片节距，则翅片根部外沿直径db=d0+2dƒ=10+2×0.15㎜=10.3㎜;又波纹片侧面积与平片侧面积误差很小，按平面计算。
2、每米管长翅片间管面面积ab
ab=πdb（Sf-δf）/Sf
=π×0.0103×（0.002-0.00015）/0.002m2/m
=0.0299m2/m
3、每米管长翅片侧总面积a0f
因翅片厚度δf较小，翅顶面积忽略不计，则
a0f=af+ab=0.4579+0.0299m2/m=0.4878m2/m
4、每米管长管内面积ai
ai=πdi=π×0.009m2/m=0.0283m2/m
由文献[5]P201附录8干空气的热物理性质（p=1.01325×105）查得空气在平均温度tm=4℃，该条件下，Cpa=1005J/（kg·k）、λa=0.0276W/（m·k）、γa=16.96×10-6m2/s,在进风温度ta1=35℃条件下，ρa=1.1465kg/m3
冷凝器所需空气体积流量
qv=Qk/[ρaCpa（ta1-ta2）]
=3619.5/（1.1465×1005×10）
=0.3141m3/s
选取迎面风速ωy=2.5m/s,则迎风面积
Ay=qv/ωy=0.3141/2.5=0.12m2
取冷凝器迎风面宽度即有效单管长l，则冷凝器的迎风面高度H=Ay/l,对叉排管簇，迎风面上的管排数分别为N=H/S1-1/2
由于冷凝器有效单管长l、迎风面高度H、迎风面排管数N这三个量互相联系，且它们的值影响到后面流通方向管排数n的校核，所以留到后面与流通方向管排数n一起计算，这里只列出公式。
进行传热计算
确定所需传热面积Aof、翅片总管长L及空气流通方向上管排数n，若采用整张波纹翅片及密翅片的叉排管簇，则空气侧传热系数由文献[3]公式（6-11）乘以1.1再乘以1.2进行计算。
预计冷凝器在空气流通方向上的管排数n=4，则翅片宽度
b=4S1cos30°=4×0.025×
m=0.0866m
微元最窄截面的当量直径
de=[2（S1-db）（Sf-δf）]/[（S1-db）+（Sf-δf）]
=[2×（25-10.3）（2-0.15）]/[（25-10.3）+（2-0.15）]
=3.3㎜=0.0033m
最窄截面风速
ωmax=S1Sfωy/[（S1-db）（Sf-δf）]
=25×2×2.5/[（25-10.3）（2-0.15）]
=4.6m/s
因为b/de=0.0866/0.0033=26.24
Ref=ωmaxde/γa=4.6×0.0033/（17.4×10-6）=872.4
查文献[3]表6-25和表6-26，用插入法求得Ψ=0.15，n=0.623,C=1.151,m=-0.210,则空气侧表面传热系数
aef=CΨ
Refn（
）m×1.1×1.2
=1.151×0.15×
×872.40.623×（26.4）-0.210×1.1×1.2
=64.09W/（m2·k）
因为tk=54.4℃，通过软件制冷剂物性参数计算可得R410A的饱和液物性：
λ=0.073W/（m·℃），ρ=870.78kg/m3,
γ=162.71×103J/kg,μ=0.75×10-4Pa·s
则物性集合系数B
B=（λ3ρ2gγ/μ）0.25
式中，λ——冷凝液的导热系数
ρ——冷凝液的密度
γ——制冷剂的比潜热
μ——冷凝液的动力黏度
所以，
B=（0.0733×870.782×9.81×162.71×103／0.75×10-4）0.25
=1582.9
则制冷剂在管内凝结的表面传热系数
αki=0.683Bdi-0.25（tk-twi）-0.25
=0.683×1582.9×0.009-0.25×（54.4-twi）-0.25
=3510（54.4-twi）-0.25
翅片相当的高度由文献[3]公式6-16计算得，
h′=d0/2（S1/d0-1）[1+0.35㏑（CS1/d0）]
式中，C=1.063是由于按等边三角形叉排排列
h′=
（
-1）[1+0.35㏑（1.063
）]m=0.01m
取铝片热导率λ=203W/m·K,由文献[3]公式6-15计算翅片参数m，即
m=
=
=64.88m-1
由文献[3]公式6-14计算翅片效率
即ηf=
=
=0.88
表面效率由文献[3]公式6-13计算得
即η0=（afηf+ab）/（af+ab）
=（0.4579×0.88+0.0299）/（0.4579+0.0299）
=0.887
忽略各有关污垢热阻及接触电阻的影响，则twi=tw0=tw,将计算所得有关各值代入文献[3]公式6-20
αkiai（tk-tw）=αofη0aof（tw-tm）
式中，tw——壁面平均温度
tw0——外壁面温度
twi——内壁面温度
tm——空气进出口平均温度
tm=（ta1+ta2）/2=（35+45）/2=39℃
所以，
3510×0.0283（54.4-tw）0.75=64.88×0.887×0.4878（tw-39）
（54.4-tw）0.75=0.2826（tw-39）
选取适当的tw，使上式左右两边相等，
用试凑法，解上式得tw=49.9℃
代入文献[3]公式6-17中，则R410A在管内的凝结表面传热系数为
αki=3510（54.4-49.9）-0.25W/m2·K=2409W/m2·K
取管壁与翅片间接触电阻rb=0.004m2·K/W,空气侧尘埃垢层热阻r0=0.0001m2·K/W,紫铜管热导率λ=393W/（m·K）
文献[3]公式6-21计算冷凝器的总传热系数
K0=1/[（1/αki）（aof/ai）+（δ/λ）（aof/am）+r0+rb+1/（αofη0）
式中，δ——紫铜管壁厚
am——紫铜管每米管长平均面积
am=
（di+d0）=
（0.009+0.01）m=0.0298
所以
K0=
W/m2·K
=34.64W/m2·K
冷凝器的所需传热面积
Aof=Qk/（K0θm）=3619.5/（34.64×13.8）=7.57m2
所需有效翅片管总长
L=Aof/aof=7.57/0.4878=15.5m
空气流通方向上的管排数
n=
对有效单管长l、迎风面高度H、迎风面管排数N、空气流通方向管排数n进行组合计算，计算结果，列于表3
表3组合计算结果
项目
来源或计算公式
方案1
方案2
方案3
方案3
方案5
方案6
有效单管长l（m）
选取
0.70
0.65
0.60
0.55
0.50
0.45
迎风面高度H（m）
H=
0.17
0.18
0.20
0.21
0.24
0.26
迎风面上管排数N
N=
6
7
8
8
9
10
空气流通方向管排数n
n=
3.7
3.4
3.2
3.5
0.4
3.4
分析组合计算所得出的结果和实际生产经验可知，为了保证室外机组的轴流式风机给冷凝器送风均匀，宜选取方案6，且方案6的外形更加美观。
因此，迎风面上的管排数为10，所以最终所设计的冷凝器迎风面高H=10×25+12.5=262.5mm=0.2625m
（六）蒸发器设计计算
本设计采用直接蒸发式空气冷却器，并采用强制对流方式。
其主要优点如下：
1、结构紧凑，安装尺寸小；
2、不用载冷剂，而直接靠液态制冷剂的蒸发来冷却空气，冷损失少，且房间降温速度快，启动运行时间短。
3、管理方便，易于实现运行过程自动化。
1、蒸发器进口空气状态参数
蒸发器进口处空气干求温度t1g=27℃，湿球温度t1s=19.5℃，查得，空气的h-d图，得蒸发器进口处湿空气的相对湿度φ=48%，比焓值h1=56kJ/kg（干空气），含湿量d1=11.3g/kg（干空气）。
2、风量及风机的选择
蒸发器所需风量一般按每KW冷量取0.05m3/s的风量，故蒸发器风量为qv=2.85×0.05=0.1425m3/s=513m3/h
3、蒸发器进、出口空气焓差及出口处空气焓差值
蒸发器进、出口空气焓差
Δh=h1-h2=Q0/（ρqv′）=2.85/（1.2×0.22）=10.79kJ/kg
蒸发器出口处空气焓值
h2=h1-Δh=56-10.76kJ/kg=45.21kJ/kg
设蒸发器出口处空气的相对湿度φ2=90%，则蒸发器出口处空气的干球温度t2g=17.05℃，含湿量d2=11.05/kg。
将h-d图上空气的进、出口状态点1、2相连，并延长与饱和线相交，得t3=℃，h3=kJ/kg。
4、选定蒸发器的机构参数
采用强制对流的直接蒸发式蒸发器，连续整体式铝套片。
紫铜管为φ10×0.5mm，翅片选用δf=0.15mm的铝套片，翅片间距Sf=1.8mm。
管束按正三角形叉排排列，垂直于流动方向管间距S1=25mm,铝片热导率λ=203W/（m·K）。
5、计算几何参数
翅片为平直套片，考虑套片后的管外径为
db=D0+2δf=（10+2×0.15）mm=10.3mm
以图6-1示出的计算单元为基准记性计算，沿气流流动方向的管间距为
S2=S1cos30°=25×
mm=21.56mm
每米管长翅片的外表面积
af=2（S1·S2-
db2）×
=2[25×26.15-
×（10.3）2]×
m2/m
=0.5088m2/m
每米管长翅片间的管子表面积
ab=πdb（Sf-δf）×
=π×10.3×（1.8-0.15）×
m2/m
=0.0321m2/m
每米管长的总外表面积
aof=af+ab=0.5088+0.0321m2/m=0.5409m2/m
每米管长的外表面积
ab0=πdb×1=π×0.0103×1m2/m=0.0324m2/m
由以上计算可得
aof/ab0=0.5409/0.0324=16.694
每米管长的内表面积
ai=πdi×1=π×0.009×1m2/m=0.0283m2/m
肋化系数
τ=aof/ai=0.5409/0.0283=19.11
肋通系数
它是指每米肋管外表面与迎风面积之比，即
a=aof/S1=0.5409/0.025=21.64
净面比
它是指最窄流通断面积与迎风面积之比，即
ε=（S1-db）（Sf-δf）/（S1Sf）=
=0.539
6、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
tf=（ta1+ta2）/2=（27+17.05）/2=22℃
由文献[6]附录5大气压力（p=1.01325×105Pa）下干空气的热物理性质查得空气在22℃下的物性为：
ρf=1.197kg/m3
Cpf=1005J/（kg·K）
prf=0.7026
vf=15.25×10-6m/s
（2）最窄截面处空气流速
取迎风风速ωf=2.5m/s,则最窄面处流速为
ωmax=ωf/ε=2.5/0.539m/s=4.6m/s
（3）干表面传热系数
干表面传热系数可用文献[3]公式6-47计算
α4=0.0014+0.2618（ωmaxd0/vf）-0.4（aof/ab0）-0.15
=0.0014×0.2618×（4.6×0.0103）/（15.25×10-6）×16.694-0.15
=0.00828
α0=α4ρfωmaxCpf/（prf）2/3
=0.00828×1.197×4.6×1005/0.70260.667W/（m2·K）
=58.05W/（m2·
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