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文档简介
1、第一章 冷风机系统的拟定和制冷循环的热力计算一. 冷风机系统的概述单元式冷风机是一种不带加湿器的非热泵型单元式空气调节机,只能用于夏季降温。按标准GB/T 17758-1999单元式空气调节机组的规定1,单元式冷风机应能使室内温度保持在(1825)1,相对温度(4070%)10%,制冷能力一般在7kW以上,新风比15%。单元式冷风机应用蒸汽压缩制冷的原理:其制冷系统采用R22作为制冷剂,蒸发器为翅片管束直接蒸发式表面冷却器;节流装置可采用毛细管或膨胀阀二种;冷凝器按其冷却方式分水冷和风冷二类,风冷冷凝器为翅片管束风冷式,水冷冷凝器有壳管式和套管式二种型式。压缩机可以选配全封闭式、半封闭式或开启
2、式,其中小型冷风机以全封闭压缩机为主。空调系统的主要设备是离心通风机,它使空调室内循环空气加上15%室外新风通过冷风机的蒸发器时得到降温去湿,并将冷风送至被调节的房间。电器系统主要是保证空调机的安全运行,同时还起自动调节和控制的作用。此外系统还必须配置管道和一些辅助设备。二. 制冷循环的热力计算(一)制冷循环的热力计算制冷循环热力计算主要算出循环的性能指标,压缩机的容量、功率以及换热器的热负荷,为压缩机及换热器的设计或选配提供原始数据。在进行热力计算时首先需确定循环的工质,循环的型式和工作参数。(二) 循环的工作参数循环的工作参数包括冷凝温度、蒸发温度、过冷温度和吸气温度。1. 冷凝温度(tk
3、)冷凝温度一般取决于冷却介质的温度以及冷凝器中冷却介质与制冷剂的传热温差。传热温差与冷凝器的结构型式、容量以及冷却介质种类有关。根据标准2,对于风冷冷凝器的名义工况规定:进风温度(室外空气温度)t1为干球35,湿球24,冷凝温度tk=50,进口温差。对于水冷冷凝器,规定的名义工况为,进水温度tw1=30, 进出水温差,冷凝温度为,要求进口温差。2. 蒸发温度(t0)蒸发温度同样取决于被冷却物体的温度以及蒸发器中的传热温差。根据标准3规定,冷风机设计时应取新风比为15%,室外空气参数取35(干球)和24(湿球),进风参数取27(干球)和19.5(湿球),蒸发器的蒸发温度取t0=5。3. 过冷温度
4、(t4)水冷与风冷式机组出口过冷度tu按标准2规定取5。4. 吸气温度(t1)吸气温度需根据蒸汽离开蒸发器时的状态、吸气管道长度和绝热好坏来定。柜式空调机蒸发器出口工质的过热度为5,即出口温度为10,压缩机的吸气温度则根据吸气管路的长度和保温情况而定,一般取管路过热度为5左右。而对毛细管和全封闭压机所配套的系统蒸发器出口工质可以无过热度。按照空调工况规定,氟里昂制冷压缩机的吸气温度t1取15,对于全封闭压缩机是以进入机壳的状态为吸气状态。由于全封闭压缩机壳内电机发热和摩擦发热,压缩机实际的吸气温度在空调工况下要超过15,据有关资料介绍,在封闭式压缩机中,吸气过热度的实测值比开启式高2030。(
5、三) 热力计算1. 已知条件冷风机制冷量,冷凝器冷却介质温度(进水或风温度),蒸发器进风参数。2. 计算步骤在选定制冷循环的工质、循环型式,确定循环工作参数后,绘出循环的lgp-h图(图1-1)。再由工质的热力图表确定各状态的有关参数,图1-1中。水冷式单元空调机 风冷式单元空调机图1-1 制冷循环的lgP-h图图中:点0 蒸发器出口制冷剂状态;点1 压缩机的吸气状态;点4 节流元件前的制冷剂状态。计算项目(以下计算公式中凡不注单位均采用SI单位制)(1) 单位制冷量q0 (kJ/kg) (2) 单位容积制冷量qv (kJ/m3) (3) 单位理论功w0 (kJ/kg) (4) 理论制冷系数
6、(5) 制冷剂流量G (kg/s) (6) 压缩机的实际体积输气量V (m3/s) (7) 压缩机的理论体积输气量Vh (m3/s) 上式中为压缩机的输气系数(也称容积效率),一般可按制造厂的试验值选用,或根据理论分析所推导的公式进行计算。(详见第二章)(8) 压缩机的理论功率N0 (kW) (9) 压缩机的指示功率Ni (kW) 式中为压缩机指示效率,值可按有关经验数据或经验公式计算。(详见第2节)(10) 压缩机的轴功率Ne (kW) 式中为压缩机的机械效率。(11) 实际制冷系数 上式中为压缩机的绝热效率,。(12) 实际循环效率 式中为卡诺循环的制冷系数。(13) 冷凝器的热负荷Qk
7、(kW) 开启式 封闭式 式中N为电机输入功率。 式中:为传动效率,当压缩机与电机直接传动时;用三角皮带传动时=0.900.95;用平皮带传动时=0.96。为电机效率,见(图1-2),一般封闭式制冷机配用的三相电机其效率为8085%,小型单相电机,其效率一般为60%5。图1-2 与电动机名义功率的关系第二章 制冷压缩机的选型及热力计算一. 制冷压缩机的选型压缩机是实现蒸汽压缩式制冷循环的必不可少的部分,起着压缩及输送气体的作用。在中、小型空调机组中,容积式制冷压缩机为主要的机种,随着制造技术的进步,开启式压缩机在小冷量范围内已逐渐为全封闭、半封闭式压缩机所取代。当前,中、小型空调机组中应用的压
8、缩机主要为全封闭式制冷压缩机,这类压缩机适用压力范围广,效率较高,适应性强,特别适用于较小排气量时的情况,系统的装置也比较简单,电机的工作性能较可靠,噪音低,使用方便。本次课程设计以活塞式压缩机作为选型机组。压缩机的选型可直接根据设计任务书所提出的制冷量大小选配,也可按制冷循环的热力计算所求得的压缩机理论输气量进行选型。同时也应考虑压缩机性能和结构的要求。活塞式制冷压缩机的制冷量与压缩机的工作容积、转速等因素有关,也与吸气压力、排气压力和吸气温度等工作条件(工况)密切相关。各种型号的压缩机的制冷量与蒸发温度、冷凝温度的关系曲线(性能曲线)一般由制造厂提供,应用这些曲线图,可确定在不同工况下压缩
9、机的制冷量、功率消耗、能效比等数值,作为压缩机选型时的参考,若无性能曲线,可按压缩机产品样本所提供的理论输气量选型。若压缩机选型时仅依据空调工况(冷凝温度54.4,蒸发温度7.2)条件下的名义制冷量(GB10079-88,全封闭制冷压缩机的名义工况),则在选配压缩机时,应考虑到空调机组中管道和阀件的损失,压缩机的空调名义制冷量应有一定的余量,一般压缩机的制冷量应比空调机组的空调制冷量高1015%左右。二. 制冷压缩机的热力计算(一) 制冷压缩机的结构参数压缩机的结构参数主要包括:汽缸直径D,活塞行程S,压缩机转速n,汽缸数Z,压缩机的相对余隙容积c。表2-1给出了全封闭往复式制冷压缩机的有关结
10、构参数。在选取时要注意的是目前小型全封闭往复式制冷压缩机基本都是采用2极电动机,其转速是每分钟2880转,活塞行程缸径比一般在0.40.8之间,活塞平均速度通常不超过每秒5米,大体在1.54m/s,缸径一般不超过60mm,气缸数12个居多,少数有34个气缸,相对余隙容积c一般在2%6%以内。(二) 压缩机制冷量的计算1. 压缩机理论工作容积Vh压缩机理论工作容积Vh指压缩机在单位时间内活塞扫过的工作容积,按进口吸气状态计算理论吸入容积。单级活塞式制冷压缩机理论输气量按下式计算: 式中:D汽缸直径S活塞行程n压缩机转速Z汽缸数2. 输气系数(容积效率)压缩机理论工作容积的使用效率,为实际工作容积
11、V与理论工作容积Vh之比: 表2-1 全封闭往复式制冷压缩机基本参数(JB2941-81)类型制冷剂缸径/mm行程/mm缸数转速/r.min-1名义制冷量/kW配用电机功率/kW高温用R224025128204.071.1228808.372.2312.563416.744503017.912.2215.814323.725.5431.637.5低温用R224025128202.091.1228804.302.236.45348.604503014.072.228.144312.215.5416.287.5R224025128202.121.1228804.362.236.52348.7045
12、03014.122.228.234312.355.5416.477.5在活塞式制冷压缩机中,输气系数受气缸余隙容积,进气、排气压力损失,气体与气缸的热交换,活塞与气缸间隙造成的泄漏损失,吸气过热度等多种因素的影响,输气量系数可用下式表示:式中:容积系数;压力系数;温度系数;泄漏系数各系数由理论分析用下述方法求得:1. 容积系数 式中:C 相对余隙容积,一般C=0.020.06,全封闭式空调用压缩机可取C=0.045P2 排气压力,P1 吸气压力,P2 排气压力损失;氟里昂制冷压缩机一般可取P2=(0.100.15)P2,M 多变膨胀指数;m值随工质的种类及气缸的冷却情况而定。氟里昂压缩机可取m
13、=0.951.05。为简化计算可取m=1若忽略排气压力损失P2,此时可表示为:式中:压缩比,一般按活塞式压缩机制造技术要求810。2. 压力系数 式中:P1吸气终了压力损失,通常氟里昂压缩机P1=(0.050.07)P1。(3) 温度系数式中:吸气过热度T0蒸发温度(K)Tk冷凝温度(K)a1反映吸气终温受冷凝温度影响程度的系数,1a11.15,随压缩机尺寸减小而增大,家用制冷压缩机为a11.15,商用制冷压缩机a11.10。b1反映压缩机向周围环境散热对吸气终温的影响程度的系数,一般b10.250.3,当压缩机向外散热较弱时(如自然对流冷却时),系数b1具有较大的数值。(4) 泄漏系数泄漏系
14、数与压缩机气缸活塞间隙,压缩机转速,活塞环结构,气阀密封面,磨损程度及润滑状态等有关。一般推荐0.970.99。开启式压缩机的容积效率也可直接由下式求得:式中:p2排气压力p1吸气压力n多变指数,对R22制冷压缩机n=1.18。由于输气系数受多种因素影响,因而理论分析的方法计算求得的数值不能较好与实际情况相吻合,现有的产品最好通过性能试验,整理出输气系数随压缩比或蒸发温度、冷凝温度的变化的曲线,这样在给定工况条件下的输气系数可直接由曲线图21查得。这些试验曲线还可以作为理论计算结果进行比较和修正的依据,由实测的压缩机性能曲线可经换算得到输气系数。输气系数蒸发温度t0 ()图21 R22单级制冷
15、压缩机的输气系数3. 单位容积制冷量qv单位制冷量q0 式中: 压缩机吸气状态1的气体焓值(对全封闭式压缩机为进入机壳前的气体焓值) 进节流元件前过冷工质液体的焓值单位容积制冷量qv: 式中:压缩机吸气状态1的气体比容。4. 设计工况下压缩机的制冷量Q0: (三) 制冷压缩机的功率计算1. 压缩机的实际输气量G2. 单位工质压缩理论功W0:式中:压缩机理论循环压缩终态气体焓。3. 压缩机理论功率N0:4. 指示功率Ni: 对小型氟里昂压缩机,指示效率在=0.650.80范围内,对家用全封闭压缩机,在0.60.85范围内压缩比较大取低值,可参考图-2。图 2-2 指示效率与压缩比和相对余隙容积c
16、的关系5. 摩擦功率Nm: 式中:pm平均摩擦压力,氟里昂压缩机pm可取pm=3050KPa。6. 压缩机轴功率Ne:或按下式求得:式中:机械效率, 全封闭往复式压缩机的机械效率在0.80.95范围内。7. 配用电机功率Nel(按设计工况选配):电动机效率。8. 设计工况下能效比EER:(四) 压缩机在最大功率工况下的最大轴功率的计算制冷压缩机所需轴功率随工况变化而变化,如考虑到压缩机起动时要通过最大功率工况,则在具体设计时,一般根据最大功率工况来计算最大轴功率以选配电动机。工况点选定后,即可按上述计算步骤求得最大功率工况下的轴功率。最大功率工况见下表。表2-2 最大功率工况(全封闭式制冷压缩
17、机)名称符号R22高温()中低温()蒸发温度+10-5吸气温度+15+15冷凝温度+55+40在封闭式压缩机中,内置电动机为吸入工质所冷却,故其电机功率的配置与普通电机在温度特性上显著不同,内置电机绕组温度,由于对电机进行冷却的蒸汽流量随工况变化而变化,其结果随负荷的增加,电机获得良好的冷却,致使绕组温度下降,因而,一台内置电机的名义功率比具有相同的开启式压缩机所配置的普通电机的名义功率小1/31/2。最后,在选用压缩机时,必须注意的是,若设计计算的工况与提供压缩机的名义制冷工况不同时,需进行换算后,再选取压缩机。第三章 冷凝器的设计计算根据标准1规定,立柜式冷风机可以采用水冷和风冷冷凝器二种
18、型式。在行业标准中,对风冷和水冷冷凝器的有关参数进行了如下规定:表3-1 标准JB/T5444-91关于风冷和水冷冷凝器有关参数的规定冷凝器型式型号进出水(风)温差水(风)速m/s名义工况下的传热系数(kW/m2) R22水冷套管式TN52.51000壳管式(卧式)WN21200风冷肋片管蔟式FN82.535强制通风式三. 冷凝器内传热过程的分析和计算从压缩机排出的高压气体进入冷凝器时是过热蒸汽,在冷凝器内先冷却为饱和蒸汽,然后凝结为饱和液体,最后冷却为过冷液体。由于制冷剂在这三个区域中状态不同,换热方式不同,因此传热系数也不同。但根据某些研究指出,制冷剂在过热区域内的传热系数K比在饱和区域为
19、低,而在过热区内的传热温差tm比饱和区的大,因此可认为Ktm在这二个区域是相同的。制冷剂在过冷区的放热量很小(一般只占010%)可不考虑。我们可以把冷凝器内的传热过程全部看作是在饱和区域内进行的。根据传热方程,传热量Qk为 (3-1a)式中: K传热系数,W/m2.K;图3-1F传热面积,m2;tm平均传热温差,。对于采用肋片进行强化换热的情况,在以肋片侧总表面积为基准进行计算时,其传热方程为 (3-1b)式中: Kof传热系数,W/m2.K.;Fof传热面积,m2;tm平均传热温差,。(五) 平均传热温差tm:在冷却介质进出口温差较小的情况下,冷凝器的平均传热温差tm可按算术平均温差计算(见
20、图3-1)。 (3-2)在进出口温差较大的情况下应按对数平均温差计算 (3-3)式中:,t1,t2分别为冷却介质进出口温度,。(六) 传热系数K在氟里昂水冷冷凝器中(包括壳管式和套管式),制冷剂在管外凝结,冷却水在管内流动。为了提高传热系数,一般都用低肋片管。在风冷冷凝器中,氟里昂在管内凝结,空气在管外流过,由于空气侧放热系数很低,因此通常空调机的风冷冷凝器采用套片式肋片管。在以总外表面为基准的传热系数Kof按下式计算(3-4)式中:肋片管外工质的放热系数,对于水冷式冷凝器,为制冷剂在低肋片管外的凝结放热系数,对于风冷式冷凝器,即为空气在肋片管外的流动的放热系数;管内侧的放热系数,对于水冷式冷
21、凝器,为冷却水在管内的对流放热系数;对于风冷式冷凝器,即为制冷剂在管内的凝结放热系数;管壁热阻,通常对铜管可不计;管内侧的污垢系数;肋片管外侧的污垢系数。对于风冷式冷凝器,由于肋片管外积灰和肋片与管壁接触不严密等因素引起的污垢系数,可取,0.110-3 m2K/W;肋化系数,为管外、内面积之比;肋面总效率,对于低肋片管,其结构型式如图3-2所示,具体参数见表3-4。图3-2 低肋片管的结构形式表3-2 几种低肋片管的结构参数序号坯管规格直径壁厚hdidbdtfof1161.51.250.2231.51112.8615.860.151.352161.51.50.351.51113160.1341
22、.3473161.51.20.41.3510.412.415.10.1391.3844191.51.10.251.51415.918.9200.1791.485191.51.340.251.451415.8518.75200.1521.457低肋片管的每米管长各有关面积的计算如下:每米管长肋顶面积fH(单位为m2/m) 每米管长肋片侧面积ff(单位为m2/m) 每米管长肋片间管面面积fb(单位为m2/m)每米管长管总外面积fof(单位为m2/m)关于肋面效率的具体计算如下:其中,为肋片效率。 ,肋片侧的换热系数,W/m2.K;肋片厚度,m; 肋片的导热系数,W/m.K;l 特征尺寸, 肋片外径
23、,m; 基管外径,m; (七) 水冷冷凝器中放热系数的计算5. 卧式壳管式冷凝器(1)制冷剂在低肋片管外凝结时的放热系数。 (W/m2.K) (3-5)式中:B氟利昂制冷剂的物性集合系数,见表3-3。db基管外径,m;冷凝温度,;外壁面温度,;增强系数; (3-6)其中:hp肋片当量高度肋片效率,一般低肋片紫铜管可取1;低肋片管的增强系数大约在1.21.4范围之内 壳管式冷凝器中管束修正系数,是考虑上排管管面上的冷凝液体滴落到下排管管面上增加下排管管面上冷凝液膜厚度,从而使下排管管面上冷凝换热强度减弱,因此,始终小于1。依据理论分析,如果管束在垂直方向有Z列,每列的管数分别为n1,n2,n3,
24、。和nZ,则试验证明,冷凝液体下落对换热强度的影响要比理论分析的弱,修正的数为表3-3 几种制冷剂的B值tk2030405060R221658.41557.01447.11325.4R134a1671.51593.81516.31424.91326.2(2)冷却水在管内流动时的放热系数。由试验得出 (W/m2.K) (3-8)式中:tm冷却水进出口平均温度,;w冷却水流速,m/s;di管内径,m。(3) 冷却水的污垢系数污垢系数随水质而异。国标2规定,当传热管为紫铜管时,水侧污垢系数取1.7210-4(m2.K)/W;对于钢管取3.4410-4(m2.K)/W。6. 套管式冷凝器套管式冷凝器是
25、由外套管及内穿单根或多根传热管组成。外套管使用无缝钢管,内管使用紫铜管,为增强冷凝侧的换热,缩短套管长度,内管宜采用滚轧低肋片管。为了保证制冷剂在管间流动有较高的速度,当内管采用121紫铜管时,外管则采用252的无缝钢管,内管采用161.5紫铜管时,外管则采用322.5的无缝钢管,当外套管内穿三根161.5紫铜管时,外管则采用513的无缝钢管。结构形式见图3-3。制冷剂在肋片管外凝结换热系数,可以采用式(3-5)(3-6)进行计算。在此,需要考虑蒸汽流速以及凝液积聚对的影响,用考虑氟里昂蒸汽流速影响的修正系数A代替管束修正系数,在具备试验资料情况下,按试验结果进行修正,一般修正系数A可在56之
26、间取值。在套管式冷凝器中,水在管内流动换热,水侧的放热系数比直管中的大,在采用式(3-8)计算的基础上,可按下式进行修正(3-9)其中:D盘管的弯曲直径,m。一. 风冷冷凝器中换热系数的计算3. 制冷剂在管内凝结放热系数对于R22,可应用下列根据试验资料整理成的针对水平单管的准则关系式计算 W/(m2.K)(3-10)考虑到上管管内凝结的液体流到下管中,使下管中的积液更甚,下管管中的凝结换热强度减弱。平均凝结表面的传热系数可以由下式计算 W/(m2.K)(3-11)式中:di管内径,m;管内壁温度;其它符号同式(3-5)。(一) 空气侧放热系数和当量放热系数在强制通风空气冷却式冷凝器中,空气侧
27、的表面传热系数与管排布置(顺排、叉排)、翅片型式(平片、波纹片、条形片或开缝片等)有关,也与冷凝器是采用整张套片管管束还是采用单套片管管束有关,因此应根据不同情况采用相应的表面传热系数计算式。(1) 空气冷凝器的结构形式和参数计算在小型制冷装置中,空冷式冷凝器所采用的翅片管一般由紫铜管套铝片构成,大多采用翅片节距1.82.5 mm,片厚0.150.3mm的整套片密翅片距结构形式,常用紫铜管的规格和铝翅片结构参数见表3-4。由于空气通过叉排管束时的扰动程度大于顺排管,空气通过叉排管束时的表面传热系数较顺排管束高10%以上。为了使弯头的规格统一,一般管束都按等边三角形排列。为了使翅片管有较高的翅片
28、效率,保证弯头的加工工艺要求,管中心距应是传热管外径的2.5倍,为了有效利用空冷式冷凝器的传热面积,沿空气流动方向上的管排数一般为3-6排。图3-4是翅片管管束排列结构参数示意图。表3-4 铝片厚度及翅片节距范围 (单位为mm)紫铜管规格翅片厚度翅片节距0.150.21.82.20.150.21.82.20.20.32.23图3-4 翅片管束结构参数示意图图3-5 风冷冷凝器结构示意图按等边三角形叉排布置的整套片翅片管束,对于每根管而言,其翅片形式相当于正六边形翅片。采用整套片的空冷式冷凝器,每米长翅片管的有关换热面积用下列各式计算:每米管长翅片侧面面积(单位为m2/m)每米管长翅片间管面面积
29、(单位为m2/m)因翅片厚度较小,翅片顶面积忽略不计,则每米管长翅片侧总面积(单位为m2/m)每米管长管内面积(单位为m2/m)(2) 空气侧放热系数的计算计算方法A6当采用平片的整套片顺排管束时,空气侧放热系数由下式计算W/m2.K(3-12A)式中:-系数和指数,见下表3-5和表3-6。空气的热导率,W/m. K当量直径,m雷诺数; 翅片宽度,m,见图3-4。上式的适用范围是,、,空气平均温度为式中空气的热导率及运动粘度是空气进出口平均温度下的值。当量直径由下式计算表3-5 式(3-12)中的系数及指数b/de812162024283236400.3580.2960.2440.2010.1
30、660.1370.1140.0950.08n0.5030.5290.5560.5820.6080.6350.6610.6880.714表3-6式(3-12)中的系数C及指数mRef5006007008009001000110012001300140015001600C1.241.2161.1921.1681.1441.121.0961.0721.0481.0241.00.976m-0.24-0.232-0.224-0.216-0.208-0.20-0.192-0.184-0.176-0.168-0.16-0.152计算方法B4 kcal/h.m2.(312B)式中, A片型修正系数,单位为W/
31、m2.K; 最窄面空气流速,单位为m/s ;片型A值平直肋片23.26翼形肋片25.6波纹片30.24针型片31.4在选用适当的迎风风速后,最窄截面风速用下式计算,单位m/s其中: 翅片间距,m;翅片厚度,m;管间距 m;基管外径,m;迎面风速,m/s。在空冷式冷凝器的传热计算中,通常以基管表面温度tw0作为计算温度,而翅片侧面表面温度显然低于基管表面温度,因此,当以基管表面(翅片根管面)温度为计算湿度时,每米长翅片管相当于翅片间管面的有效面积为,它与每米长翅片管外的实际面积之比称为翅片管的表面效率,即上式中:翅片效率,依据传热理论,(3-14)其中:m翅片参数翅片测的换热系数 W/m2.K;
32、翅片材料导热系数 W/m.K;翅片厚度,m;当量翅片高度,m;对于正方形顺排和等三角形叉排,式中:正方形顺排,等边三角形叉排,基管外径。在单独的翅片侧的传热计算中,通常代入计算的实际面积,因此必须在式(3-12)的基础上,还需要进行修正,当量空气侧传热系数为(3-15)空气流过叉排管束时的表面传热系数较顺排管束大10%左右,上式乘以1.1,即可用于叉排管束空气侧表面传热系数的计算。采用波纹翅片和有缝翅片时,空气侧表面传热系数一般较平翅片分别大20%和60%以上,欲计算波纹翅片或有缝翅片管管束空气侧表面传热系数时,可先按平套片计算,然后再分别乘以1.2或1.6,即可作为波纹翅片或有缝翅片管管束空
33、气侧表面传热系数的近似值。四. 水冷冷凝器的设计计算(一) 已知条件和设计内容对于水冷冷凝器,一般是根据冷凝器的的额定负荷设计的,因此必需已知压缩机型式,制冷剂种类,额定的运行工况(包括t0,tk,Q0等)。设计的内容包括根据上述已知条件去确定冷凝器的型式,传热面积和结构以及冷却水在冷凝器中的流动阻力。(二) 设计步骤1. 确定冷凝器的热负荷Qk参照第一章循环热力计算部分。2. 选择冷凝器型式和管型:根据机组冷量大小按标准2规定选择冷凝器型式为套管式或壳管式。在氟里昂水冷冷凝器中传热管一般采用低肋片管,它的规格很多,可按表(3-2)提供的结构参数选用,管径大小要考虑使冷却水流速在规定范围内。3
34、. 选择冷却水温升,确定冷却水体积流量Vw(m3/s)其中: Qk冷凝器热负荷;t1,t2分别为冷却水进、出口温度;Cp水的比热。水密度,以进出口的平均温度确定。冷却水温升可按标准2规定选择,冷却水进口温度应根据当地气象资料和所采用的水循环方式,参照标准2确定。4. 冷凝器平均传热温差计算5. 结构初步规划图3-6卧式壳管式冷凝器结构示意图在卧式壳管式冷凝器的传热计算中,要考虑管排对换热的影响,因此在传热计算之前须对对冷凝器进行初步结构设计计算,其方法和步骤如下:(1) 选取热流密度(单位为W/m2),确定传热管总长(单位为m)采用滚轧低肋片管的氟里昂卧式壳管式冷凝器,在某些使用条件下,按管外
35、面积计算的热流密度可能会很高,在设计条件下,可在50007000 W/m2范围内取值。图3-7冷凝器传热管布置图选取换热铜管,设定水流速度,根据冷凝器长径比的合理范围内确定流程数N,每流程管数Z,有效单管长l(单位m)及壳体内直径(单位m)因为(3-17)列出不同流程数方案的组合表,如下表表3-7 不同流程数方案组合表流程数 N总根数 Z有效单管长 l壳体内径长径比2468在组合计算中,当传热管总根数较多时,壳体内径可按下式进行估算式中:s -相邻管中心间距,通常采用叉排,等边三角形, -管外径,(单位m)。系数的取法,当壳体内管子基本布满不留空间时取下限,当壳体内留有一定空间时取上限。长径比
36、一般在68范围内较为适宜,长径比大则流程数少,便于端盖的加工制造。流程数 如所得流程数不是整数,则应化为整数。工程上为了检修方便,冷却水管希望设置在同一侧,通常取偶数为宜。结构初步规划后,应重新计算水速,若不符合标准2规定,需重新规划。对套管式冷凝器来讲,需要先确定外套管内穿置的低肋片管数目Z。计算方法同上。然后根据确定的换热面积确定管长。6. 计算水侧放热系数根据步骤5,在确定的每流程管子数目后,确定冷却水流速,按式(3-8)和(3-9)计算。7. 计算氟里昂凝结放热系数首先假定壁温,得液膜定性温度,然后按式(3-6)计算,其中待定。8. 根据水质,确定污垢系数9. 列热平衡方程式求壁温和热
37、流量q0(以外表面计)。依据传热理论,采用滚轧低肋片管的卧式壳管式冷凝器的按管外面积计算的热流密度可由下两式表示:整体传热 (3-19)管外放热 通过试算,可以确定出最终的和热流量q0。若与前述假定的数值差别小于5%,则可认为假定的值是正确的,然后按照计算得出的进行下一步计算。10. 计算冷凝器总传热面积Fof,总管长L 一般情况下,经初步结构设计所布置的传热面积应有一定的富裕量,在满足上述要求的前提下,所布置的传热面积较计算所需的传热面积大10%左右。 每根冷凝管长度l为套管式冷凝器的盘管圈数n为 式中:D盘管弯曲直径。12冷却水流动阻力套管式冷凝器式中:盘管阻力系数 10000Re2100
38、0 21000Re4500上式:R盘管弯曲半径。壳管式冷凝器6 N 流程数;L 单根传热管长度;di 管子的内径;冷却水在管内的流速。上式适用范围:2320Re105紊流光滑区。按照标准2要求冷却水流动阻力应小于0.7kg/cm2(38.7kPa)。五. 风冷冷凝器的设计计算风冷冷凝器设计的已知条件和内容与水冷冷凝器的相同,设计中几个主要参数选择可以参考标准2的规定。(一) 设计步骤1. 确定冷凝器的热负荷Qk2. 计算冷却空气量 式中: Cp空气的平均比热;v1空气在进口温度下的比容;ta1,ta2分别为进、出风温度,按标准2选定。3. 选定肋片管型式和参数可以按标准2的规定选择,并计算各部
39、分面积和肋片化系数。4. 传热计算(1) 按式(3-10)或(3-11)氟里昂管内凝结放热系数,(2) 根据选定的肋片管按式(3-12A)或(3-12B)和(3-14)计算空气侧的当量放热系数首先按标准2要求假定迎面风速,待结构确定后,再进行校核。前两步需要进行试算,先假定壁温,并根据类同水冷冷凝器计算中的方法,使能量平衡,最后确定出壁温的大小。(3) 按公式(3-5)计算传热系数。(4) 计算冷凝器的平均传热温差。(5) 计算传热面积Fof,肋片管部长度L 5. 风冷冷凝器的结构设计风冷冷凝器选用带肋片的蛇形管式形式。氟里昂在管内凝结,空气在管外横向流过。整台冷凝器由几排(一般3-6排)蛇形
40、管并联组成,氟里昂蒸气从上部的分配集管进入每条蛇形管内,凝结成的液体沿蛇形管流下,经液体集管流入储液器中。迎风面长度B(即冷凝器宽度)受到套片机最大套片长度的限制,当排数Nc和长度B选定后,每排管列数n和总管数Z也就确定,而Z必须是分路数y的倍数,迎风面宽度H(即冷凝器高度)则取决于管列数n,由此可见,这些结构参数是互相牵制的,在进行结构设计时需要反复几次,直到实际的传热面积符合传热计算的要求;实际的迎面风速与先前假定的值接近为止。结构参数的相互关系为: 迎风面积 (3-36)实际迎面风速 (3-37)实际传热面积 (一) 计算空气流动阻力参考文献4计算方法如下:式中: Ne流动方向管子排数;
41、 hf肋片当量高度; Sf肋片间距; db基管外径; 最窄截面上空气流速; Re雷诺数,按db及计算。系数C,指数n1,n2,n3,按表3-7选取。表3-7 式(3-39)中的系数和指数顺排管束错列管束Cn1n2n3Cn1n2n3Re数值范围0.0740.5-0.5801.350.45-0.72-0.240.0980.45-0.720管子密排肋片相接0.0850.3-0.5800.990-0.72-0.240.0850.2-0.720参考文献5推荐的计算方法如下:空气在管外的流动阻力与管束的排列方式、肋片型式及流动情况有关。空气流经顺排平板肋片管冷凝器进行换热时,流动阻力按下式计算: Pa (
42、3-40)式中: -空气密度,kg/m3;-每根肋管长度,m;-当量直径,m ;-空气在最窄界面上的流速,m/s。 (3-41)式中s1为管子中心距,b为肋片间距,h为肋片高度,为肋片高度,db为肋管外径。对于错排平板肋片管束,流动阻力比按上式求得的数值大20%左右。第四章 蒸发器的设计计算单元式冷风机所配用的蒸发器是一种直接蒸发式表面空气冷却器,它是由一组带翅片的盘管构成,空气在管间空间强制通过,利用制冷剂在管内的直接蒸发得到冷却。蒸发温度一般取决于被冷却物体的温度以及蒸发器中的传热温差。按照标准3规定,蒸发器的名义工况如表4-1所示。表41 蒸发器的名义工况进风参数蒸发温度t0出口过热度t
43、迎面风速干球温度t1湿球温度ts1m/s2719.5552.5二. 蒸发器的作用和工作过程蒸发器实际上是一种伴随有蒸发(沸腾)相变的热交换器,制冷剂液体通过蒸发器吸收被冷却介质(通常是水或空气)的热量蒸发(沸腾)为蒸气。它在制冷系统中的作用是对外输出冷量,冷却被冷却介质。图41定性示出蒸发器中制冷刑和被冷却介质的典型温度分布,图41a为逆流布置,图4lb为顺流布置。经过节流后的低压制冷剂进入蒸发器时处于湿蒸气状态,其中蒸气的质量分数一般占10左右,其余均为液体。随着湿蒸气在蒸发器内流动、吸热,液体逐步蒸发(沸腾)为蒸气,含气率不断增加。从图41可见,在蒸发器出口区域蒸气因过热而温度显著增加。在
44、蒸发器出口保持制冷剂蒸气有一定的过热度可避免压缩机产生液击,保证制冷系统有最大的制冷效应,但是通常过热度均不大。从流体流向布置而言,许多传热学教科书均指出逆流布置时有更佳的传热性能,但是考虑到制冷剂在蒸发器中因压降引起蒸发温度的降低,故顺流布置时冷热流体间更易保持均匀的温差。图41 蒸发器内介质的流动方向a)逆流 b)顺流小型制冷装置中使用的强制对流空气冷却式蒸发器(常称为表面式蒸发器)如图42所示,一般做成蛇管式,并在管外装有各种类型的翅片,以强化空气侧的换热。图43所示为蒸发管外面的翅片为平直大套片结构示意。图42 强制对流式蒸发器1肋片;2蒸发管;3集气管;4毛细管图43 平直大套片三.
45、 蒸发器的设计要点(一) 空气在流过蒸发器时的状态变化湿空气受迫流过蒸发器的管间空间时,有部分空气与金属壁的冷表面相接触而降低温度,如果冷表面的温度低于进口空气的露点温度,则空气中的水蒸汽就会凝结而析出,在冷表面上形成水膜,在冷表面温度低于冰点时,凝水还会形成霜层。在空调去湿和制冷用的蒸发器中空气一般都是这种析湿冷却过程。在I-d图上沿直线1-进行(见图4-4)。点1为空气进口状态,点为与冷表面相接触的饱和空气状态,为冷表面的平均温度,低于进口空气的露点温度。t0为管内制冷剂的蒸发温度,点2表示出口空气状态。图4-4 空气经过蒸发器时的状态变化由于空气流过蒸发器时,仅仅是部分空气和冷表面相接触
46、,其余部分则从冷表面旁通掉了。显然,如果接触冷表面的空气越多,旁通的空气越少,则出口空气状态(点2)越接近于冷表面处饱和空气的状态(点)这表示蒸发器的冷却效率越好。如果蒸发器的冷却效率极好,以至使全部空气都能与冷表面相接触,则点1状态的空气将被逐渐冷却到点状态,此时空气与冷表面间的热湿交换达到最大程度。式中:GA 空气质量流量。这是一个理想的过程,实际过程的热湿交换量为比值 (41)称为接触系数 (42)称为旁通系数,ts1,ts2分别为进出风湿球温度。这二个系数反映了空气与冷表面间热湿交换的完善程度。即反映了蒸发器的冷却效率。显然,0CF1,CF值越大,BF值越小,蒸发器热湿交换程度越完善,
47、冷却空气的效率越高。通过理论推导,可以得到下式表达式 (43)式中:管外空气干放热系数。 kW/m2 .K; Cp干空气定压比热容,kJ/kg.KNc沿气流方向管束排数;迎风风速,m/s;空气密度,kg/m3;肋通系数,每排翅片管的传热外表面面积与迎风面积Ay,(二) 传热计算:蒸发器的传热方程(44)式中:Kof 以外表面积计算的传热系数,W/m2 .K(45)其中: 制冷剂在水平管内蒸发放热系数, W/m2 .K空气与管外表面热湿交换的当量放热系数, W/m2 .K 管壁导热热阻,m2.K/Wro 翅片侧污垢热阻、翅片与管壁间接触热阻之和,可取为4.8103m2.K/We 为霜层(或水膜)
48、的导热系数引起传热系数降低的系数约为0.80.9。肋化系数,为管外、内面积之比。ft,fm分别为肋管外总表面积和肋管平均直径处的表面积,m2/m蒸发器平均传热温差,当不考虑管内蒸发流动阻力损失的影响时(46)当考虑管内蒸发流动阻力损失的影响时(46)其中:t1,t2 分别为蒸发器进出口空气温度,。 t01,t02 分别为蒸发器进出口处制冷剂的蒸发温度,。单元式空气调节机组用蒸发器的结构形式一般为紫铜管外套铝片。管内制冷剂直接蒸发,此类蒸发器的肋片采用大套片,管孔有翻边。管束为U型管并在一端攘接与U形管外径相同的短弯头管组成;采用直管时,两端檀接与直接外径相同的短弯头管。肋片按规定的片距套入管束,用胀管法使肋片和管束紧密结合。单元式空气调节机组用蒸发器的结构参数可按表42选取4。管子尺寸多数采用10mm0.5mm,l 2mm0.7mm,16mm0.7mm三种。表42 单元式空调用蒸发器的基本结构参数项目管子翅片材料外径
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