家用空调设计计算说明书.docx

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家用空调设计计算说明书

制冷系统课程设计说明书

热能与动力工程专业

一、设计工况3...

二、压缩机选型3...

三、热力计算5...

1、循环工况：

5...

2、热力计算：

6...

四、蒸发器设计计算7...

1、设计工况：

7..

2、计算过程：

8..

3、风机的选择1..8.

4、汇总1..8.

五、冷凝器换热计算1..9.

第一部分：

设计计算1..9

一、设计计算流程图1..9

二、设计计算1.9.

3、计算输出2..5.

第二部分：

校核计算2..5

一、校核计算流程图2..5

二、计算过程2..6.

六、节流装置的估算和选配2..7

七、空调电器系统2..8.

、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5℃

、压缩机选型

1、选型条件：

制冷量3kW,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select6，选择型号为DKM-75的半封闭往复式压缩机。

a.其基本参数如下：

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：

根据已知条件，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/MPa

t/℃

h/（KJ/kg）

ν/（m3/kg）

0

0.5837

5

407.143

1

0.5837

25

421.903

0.044645

2

1.9423

455.261

3

1.9423

45

256.384

2、热力计算：

（1）单位质量制冷量q0

q0=h0-h4=407.143KJ/kg-256.384KJ/kg=150.759KJ/kg

（2）单位容积制冷量qzv

qzv=q0/v1=150.759KJ/kg/0.044645m3/kg=3376.840KJ/m

（3）理论比功w

w=h2-h1=455.261KJ/kg-421.903KJ/Kg=33.358KJ/Kg

4）指示功率wi=w/ηi=33.358KJ/Kg/0.8=41.698KJ/Kg

5）性能系数。

理论值COP=q0/w=150.759KJ/Kg/33.358KJ/Kg=4.52

指示值COPI=q0/wi=150.759KJ/kg/41.698KJ/kg=3.62

6）冷凝器的单位负荷

h2s=wi+h1=41.698KJ/kg+421.903KJ/kg=463.601KJ/kg

qk=h2s-h3=463.601KJ/kg-256.384KJ/kg=207.217KJ/kg

7）制冷剂循环质量流量

qm=φ0/q0=3KW/150.759KJ/kg=0.01990kg/s

8）实际输气量和理论输气量

3qvs=qmv1=0.01990kg/s×0.044645m3/kg=0.00089m3/s

33

qvh=qvs/λ=0.00089m/s/0.8=0.00111m/s

9）压缩机的理论功率和指示功率

P=qmw=0.01990kg/s×33.358KJ/Kg=0.664KW

Pi=P/ηi=0.664KW/0.8=0.830KW

10）冷凝器热负荷

φk=qmqk=0.01990kg/s×207.217KJ/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℃；管内制冷剂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ta2=17.5C,湿球温度ts2=14.6C；蒸发器制冷量

0=3000W。

2、计算过程：

⑴选定蒸发器的结构参数

选用10mm0.7mm的紫铜管，翅片选用厚为f0.2mm的铝套片，翅片间距sf2.2mm。

管束按正三角形叉排排列，垂直于流动方向的管间距s125mm，沿流动方向的管排数nL2，迎面风速uf=2m/s。

⑵计算几何参数

翅片为平直套片，考虑套片后的管外径为

dbd02f10mm20.2mm10.4mm

沿气流流动方向的管间距为

s2s1cos30250.866mm21.65mm

沿气流方向套片的长度

L2s2221.6543.3mm

每米管长翅片的外表面面积

21

af2s1s2db

4sf

20.025m0.02165m0.250.0104m2/0.0022m

2

0.4148m2/m

每米管长翅片间的管子表面面积

11

abdbsff3.14160.01040.00220.0002m2m0.0297m2m

bbffsf0.0022

每米管长的总外表面面积

aofafab0.41480.0297m2m0.4445m2m

每米管长的外表面面积

22

abodb10.01041m2m0.03267m2m

每米管长的内表面面积

每米管长平均直径处的表面面积

由以上计算得aofabo0.44450.0326713.606

备注：

铜管内径di=0.0086mm

⑶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

空气在此温度下的物性约为

a1.1966kg/m3,cpa1005J/kgK,Pra0.7026,va15.88106m2/s

2）最窄界面处的空气流速

3）空气侧干表面传热系数

空气侧干表面传热系数计算

0.4

3.770.01040.15

0.00140.2618613.606

15.88106

0.00918

0.009181.1966kg/m33.77m/s1005J/kgK

2/3

0.70262/3

52.66W/m2K

4）确定空气在蒸发器内的状态变化过程

根据给定的空气进出口温度，由湿空气的hd图可得

h155.6KJkg,h240.7KJkg,d111.1gkg,d29.2gkg。

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（1.0）相交于点，该点的参数是h"w29.5Jkg,tw9℃，d"7.13gkg。

在蒸发器中，空气的平均比焓为

tm21.4C,dm10gkg。

5）循环空气量的计算

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

qV,aqmv11271kg/h0.866m3/kg1101m3/h

6）空气侧当量表面传热系数的计算

当量表面传热系数

fafab

hj=hoafaffabab

对于正三角形叉排排列的平直套片管束，翅片效率f可由式

f=thmmhh'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BA=1,m=dBb=1205.4故

'1.27m

BA0.31.271205.410.32.554

肋片折合高度为

db10.4

h'b'110.35ln'2.554110.35ln2.55410.733mm22

59.06m1

故在凝露工况下的翅片效率为

thmh'th59.06m10.010733m

f'10.8846mh'59.06m10.010733m

当量表面传热系数为

22

hj1.5752.66W/m2

0.88460.4148m2/m0.0297m2/m

K

220.4148m2/m0.0297m2/m

=73.77W/m2K

（7）管内R22蒸发时表面传热系数的计算R22在to5C时的物性为：

饱和液体的比定压热容cp,l1.198kJ/kgK饱和蒸汽的比定压热容cp,g0.658kJ/kgK饱和液体的密度l1267.40kg/m3饱和蒸汽的密度g25.53kg/m3汽化潜热r201.16kJ/kg饱和压力ps583.78kPa表面张力1.12102

液体的动力粘度l256106Pas蒸汽的动力粘度g8.42106Pas液体的热导率l931013W/mK

蒸汽的热导率l93103W/mK

液体普朗特数Prl3.29

蒸汽普朗特常数Prv0.735

R22在管内蒸发的表面传热系数可由式hi=C1C0A25FrlB+C2B0CFl计

hl

算。

已知R22进入蒸发器时的干度x10.16，出口干度x21.0,则R22

的总质量流量为

3W3600

qm=03600==63.92kg/h

mrx2x1201.16kJ/kg1.00.16

作为迭代计算的初值，取qi11.3kW/m2,R22在管内的质量流速为

qi'100kg/m2s,则总的流通截面面积为

A=qm'=63.92kg/h=1.776104m2

3600qi'3600100

每根管子的有效流通截面面积为

22

Ai=d4i2=0.0086m2=5.8105m2

蒸发器的分路数

Z=AA=1.57.87611005mm2=3.06

Ai5.8105m2

取Z=3，则每一分路中R22的质量流量为

qm,d=qm=63.92kg/h=21.31kgh

Z3

每一分路中R134a在管内的实际质量流速为

Gi=qm,d=21.31kg/h52=102.06kg/m2s

i3600Ai52

36005.8105m2

于是

C0=

Frl

B=qi=11.3

B0=2

0Gir102.06kg/m2s201.16kJ/kg

1x

g

g

x

1

0.8x1x2

1

2

x1x2

2

0.8

10.580.8

0.58

=5.50104

g0.5

g

25.53kg/m3

3

1267.40kg/m3

=0.1096

Gi2

23

lgd1267.40kg/m3

102.06kg/m2s2

=0.07694

2

9.8m/s20.0086m

256106

Re=G11xdi=102.0610.580.0086=1440.0

134.67

0.80.410.80.40.093

hl0.023Re10.8Pr10.4d1i=0.02314400.83.290.400.0.009836

式hi=C1C0A25FrlB+C2B0CFl中hl

C00.65,C11.136,C20.9,C3667.2,C40.7,C50.3,对于

R22,Ffl2.2。

C2C5C4

hi=hlC1C0C225Fr1C5C3B0C4Ff1

=134.671.3600.10960.9250.076940.3667.25.51040.72.2

=2663.32Wm2K

⑻传热温差的初步计算

先不计R22的阻力对蒸发温度的影响，则有

⑼传热系数的计算

k0=

at1

aihi

rwrsatrt1amhj

由于R22与聚酯油能互溶，故管内污垢热阻可忽略。

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

rwrsatrt可取为4.8103m2KW，am，

k0=

=40.76Wm2K

⑽核算假设的qi值

qo=k0tm'=40.76Wm2K16.8C=684.77Wm2

2

qi=atqo=0.4445m2/m684.77W/m2=11265.0Wm2

iaio0.02702m2/m

计算表明，假设的qi初值11300Wm2与核算值11273.2Wm2较接近，

偏差小于1%，故假设有效

⑾蒸发器结构尺寸的确定

蒸发器所需的表面传热面积

=0.27m2

0=3000W

2

qi11300W/m2

=4.38m2

A'03000W

A'o=qo=684.77W/m2

蒸发器所需传热管总长

2

lt'A0=4.38m2=9.85mat0.4445m2/m

迎风面积

3Af=qV,a=1101m/h=0.153m2fwf2m/s3600

取蒸发器宽B=510mm高,H=300mm则,实际迎风面积

2

Af0.510.30.153m2

已选定垂直于气流方向的管间距s1=25mm，故垂直于气流方向的每排

管数为

H300n1===12

1s125

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

lt=0.51212=12.24m

传热管的实际内表面传热面积为

Ai=122diB=240.00860.51=0.331m2

AAii'=00..32371mm2=1.226lt'=12.24m=1.278

lt'9.58m

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。

当蒸发器在管内被加热时，过热段的局部表面传热系数很低，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%。

（12）R22的流动阻力及其对传热温差的影响

实验表明，R22在管内蒸发时的流动阻力可按下式计算：

50.91

p5.986105qigi0.91l/di

5.98610511300102.060.910.6122/0.0086kPa

=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pt

AtDo10003.1416101000

2.1

Ac,t25101000151000

A1

ftz0.4，于是frftzNct0.4210.38

At2.1

pf

frAActt2mafx0.3821.1231.7.179664.74pa

A2

ptfffmax0.0264385

Ac2f2510.42.20.23851061.1966

所以ppfpt4.7412.7317.47pa

在凝露工况下由于凝结水滞留在翅片表面上形成一薄层水膜，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p基础上乘以修正系数，即pwp的值与析湿系数有关，可由下表查取：

因为ξ=1.57，所以有

pwp19.831.2324.39Pa

3、风机的选择

由风量qva1101m3/h和总压pw=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10mm0.7mm的紫铜管，翅片选用厚为f0.2mm的铝套片，翅片间距sf2.2mm。

管束按正三角形叉排排列，垂直于流动方向的管间距s125mm，沿流动方向的管排数nL2，每排管数n1=12，蒸发器管路数Z=3迎面风速f=2m/s。

循环空气体积流量1101m3/h，蒸发器宽度B=510mm，高度H=300m，m共有肋板255块。

五、冷凝器换热计算

第一部分：

设计计算

设计计算流程图

输入传热参数Qk、tk、ta1、ta2

由热平衡求出tw'

是

Abs（ωf-ωf‘）/ωf<0.01

保存结果

设计计算

1、已知参数

换热参数：

冷凝负荷：

Qk=4.124KW

冷凝温度：

tk=50℃环境风温度：

ta1=35℃冷凝器结构参数：

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：

光管铜管水平间距：

S1＝25.4mm铜管竖直方向间距：

S2＝22mm紫铜光管外径：

d0＝9.52mm铜管厚度：

δt＝0.35mm翅片厚度：

δf＝0.115mm翅片间距：

Sf＝1.8mm冷凝器尺寸参数

排数：

NC＝3排

每排管数：

NB＝10排

2、计算过程

1）冷凝器的几何参数计算

翅片管外径：

dbd02f＝9.75mm

铜管内径：

did0t＝8.82mm

4A4（S1db）（Sff）

当量直径：

deq＝3.04mm

eqU2（S1db）（Sff）

单位长度翅片面积：

ff2（S1S2db）/Sf10－3＝0.537m2/m

4

单位长度翅片间管外表面积：

fbdb（Sff）/sf10－3＝0.0286m2/m

单位长度翅片管总面积：

ftfffb＝0.56666m2/m

翅片管肋化系数：

ftft＝20.46

fidi

2）空气侧换热系数

迎面风速假定：

wf＝2.6m/s

冷凝器所需空气体积流量

2

迎风面积：

Ay=qv/f=0.177m2

取冷凝器迎风面宽度即有效单管长l0.8m，则冷凝器的迎风面高度

HAy0..22/10.80.25ml

迎风面上管排数：

最窄截面处风速：

wmaxSfS1wf/（Sff）（S1db）＝4.5m/s

N

S1

1（0.25

2（10.0排25

12）排10排

冷凝器空气入口温度为：

ta1＝35℃

取出冷凝器时的温度为：

ta2＝43℃

确定空气物性的温度为：

tm（ta1ta2）/2＝39℃

在tm＝39℃下，空气热物性：

vf=17.5×10－6m2/s，λf=0.0264W/mK，ρf=1.0955kg/m3，CPa＝1.103kJ/（kg*℃）空气侧的雷诺数：

Refwmaxdeq/vf=783.7

空气侧换热系数

nm

'CfRenf2

O'ff=50.3W/m2K

deqdeq

其中：

263

A0.5180.02315（）0.000425（）23106（）3＝0.1852

deqdeqdeq

0.24Ref

CA1.360.21400R0ef＝0.217

n0.450.0066＝0.5931

deq

Refm0.280.08f＝-0.217

1000

铜管差排的修正系数为1.1，开窗片的修正系数为1.2，则空气侧换热系数为：

'2

oo'×1.1×1.2＝66.41W/m2K

对于叉排翅片管簇：

ds1f＝25.4/9.75=2.6051

'1.27l10.3=2.7681

式中：

l1,l2为正六边形对比距离，l1l2

翅片当量高度：

h'0.5df（'1）（10.35ln'）＝0.01169m

m2o=75.4m-1a

翅片效率：

tgh（mh'）

f＝0.802fmh'

表面效率：

ff

s1f（1f）＝0.812ft

3）冷媒侧换热系数

冷媒在水平光管内冷凝换热系数公式为：

对R22在管内冷凝C=0.683，Bm，rs0.25如下表：

tmtktw

tm2

0.25

rs0.25

Bm

0

21.26

86.68

10

21.039

83.3

20

20.792

79.65

30

20.513

75.81

40

20.193

71.65

50

19.811

66.84

取管内壁温度为：

tw=46.5℃，

冷凝温度：

tk=50℃

冷媒定性温度：

tm（twtk）/2tm=48.25℃

插值得：

rs0.25＝19.877，Bm＝67.68

因而：

1/4

0.251－0.25

iCrsBm＝2998×（tk－tw）

di（tktw）

如忽略铜管壁热阻和接触热阻，由管内外热平衡关系：

idi（tktw）soft（twta）

－0.25

2998×（50-tw）－0.25×3.14di（50-tw）=0.812×66.4×0.56666×（tw-35）

解方程可得：

tw=46.3℃，与假设的46.5℃接近，可不必重算。

2

i＝2161W/m2K

4）传热系数和传热面积

5）

传热系数为：

取ri=0，ro=0.0001，rc=0计算得：

ko＝32.65W/m2K

平均传热温差为：

故需要的传热面积为：

所需要翅片管总长

ltF＝21.23