制冷系统部件的设计与选型1

1、第四章系统部件的设计与选型 该制冷系统试验装置部件包括压缩机、冷凝器、节流机构、低温箱体（含蒸发器）、节流元件、冷凝-蒸发器等主要设备，还有回热器、气液分离器、干燥过滤器等辅助设备。本章主要介绍这些设备的设计及选型（或制作）等内容。 4.1 压缩机的选型计算53 压缩机是制冷系统中最主要部件，是实现蒸气压缩式制冷循环必不可少的部件，起着压缩及输送气体的作用。目前，在中、小型空调和冷柜机组中，容积式制冷压缩机为主要机种。随着制造和设计技术的进步，开启式压缩机在小冷量范围内已由半封闭式、全封闭式压缩机所代替。全封闭活塞式制冷压缩机的设计、制造相当成熟，在中小型制冷系统中广泛采用。该类压缩机的优点为

2、：电机的工作性能较可靠，噪音低，使用方便53-540 自上个世纪七十年代能源危机后，为得到较高的能量利用率，出现了一些新型的容积式压缩机，如：旋转活塞式、滑片式、涡旋式制冷压缩机。据本次设计蒸发温度较低的特点，将经验成熟的活塞式压缩机作为选型对象，按照制冷循环热力计算所求压缩机理论输气量进行选配，同时也应考虑压缩机结构性能上的要求。 活塞式制冷压缩机的制冷量与压缩机的工作容积、转速、吸气压力、排气压力、吸气温度等因素密切相关。各种型号压缩机的制冷量和蒸发温度、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机的制冷量、功率消耗、能效比等数值。若无性能曲线作

3、为参考，可按压缩机产品样本所提供的输气量选型。 4.1.1 压缩机吸气和排气状态参数 吸气状态参数： ti=-20C,Pi=1.5bar,hi=391kJ/kg,Si=1.875kJ/kg vi=0.2092m7kg,制冷剂状态为过热气体。 排气状态参数： t2=114C,P2=18bar,h2=473.7kJ/kg,S2=1.875kJ/kg V2=0.019888m7kg,制冷剂状态为过热气体。 4.1.2 4.1.2压缩机的热力计算 （1）压比s =18+1.5=12 (2)制冷剂质量流量G 低温箱的制冷量Q 设计要求Q0=100W 二级节流毛细管制冷剂流量G Qo100 G2=hi0-

4、h8292.3-152.6=0.7158g/s 一级节流毛细管制冷剂流量G 0.75-0.15 G2 G=0.87-0.75=5X0.7158=3.579g/s 总制冷剂流量G G=G1+G2=3.579+0.7158=4.295g/s (3)压缩机内实际体积流量Vh M=GXv1=4.295X0.2092乂3.6=3.235m3/h (4)输气系数 a)容积系数v .-：pd1m %=1-c式1十上)-1 ,Pdk (4-1) 式中：c相对余隙容积，现代中、小型压缩机c=0.0150.06，低温机取较小的c值，本系统中取c=0.025; m多变膨胀指数，对氟利昂压缩机m=0.951.05,本

5、系统中 m=1.05; 名压比，名=12; .甲di Pdk排气压力损失，对氟利昂压缩机Apdi=(0.100.15)pdk,本系统中取为0.10O 1 1-0.0251210.11.05-1 v=0.6965 b)压力系数p ps1 1. -(1c) p=:pd0v (4-2) -ps1 pd。一一吸气压力损失，对氟利昂压缩机Aps1=(0.060.08)pd。，本系统取 为0.06 1-(10.025)0.06 P=0.6965=0.9117 c)泄漏系数% 1=0.98 d)温度系数 T0 T=Tk1 273.15-20 %=(273.15+32)X0.98=0.8465 vp1T =0

6、.6965X0.9117X0.98乂0.8465=0.5268 (5)压缩机内理论体积流量Vp Vh_3.235 Vp=0.5268=6.141nf/s (4-3) (4-4) (6)压缩机单位理论功wo w=h2-h1=473.7-391.0=82.7kJ/kg (7)理论功率N N=GXwo=4.295义82.7=355.2W (8)指示功率N 指示效率i=0.8 NO355.2 N=10.8=444.0W (9)轴功率N 轴效率m=0.8 Ni444.0 M=m0.8=555.0W (10)配用电动机功率M 配用电动机效率mo=0.85 Ne555.0 M=mo0.85=652.9W 4

7、.2风冷冷凝器的选型计算2,55 采用小8X1mm勺纯铜管， 肋片为平直套片(铝片)， 片厚-=0.2mm片宽L=66mm进风温度ta1=30C,出风温度ta2=40C,冷凝温度tk=46C。 冷凝器负荷的确定Qk=735+100=835W 冷凝器结构的初步规划及有关参数：管排方式采用正三角排列，管间距 S1=25.4mm排间距S2=22mm肋片间距Sf=1.8mm沿气流方向的管排数n=4。 2 (0.02540.022-(0.0080.00O4)2)2 4=0.5593m2/m -f 二db1- 肋间基管表面积fb=.Sf (4-6) 二(0.0080.0004)(1-丝)2 =1.8=0.

8、02345m2/m 肋管外表总面积ft=ff+fb=0.5593+0.02345=0.5828m2/m 肋管内表面积f，=兀di=Tt0.006=0.01885m2/m 一：=0.5828 fi0.01885=30.9(3)空气进出冷凝器的温差及风量: 温差：Ata=ta2-ta1=40C-30c=10C Qk 风量:V=mcpJ：ta(4-7) 835 3 =1.1465父1.005M10M10=0.07247m3/s 式中， 空气平均密度pm=1.1465kg/m3;比热容Cpa=1.005W/(kg.K);运动粘度%=16.48X10-6m2/s;热导率=0.02715W/(m.K);这

9、些物性参数的定性温度为 (4)肋片效率及空气侧传热系数: 根据肋片参数，冷凝器白空气最小流通面积Amin与迎风面积A之比:肋片面积ff=2 S-d 4 (4-5) =0.0018 肋化系数 ta1ta2 tam=2 3040 2=35C。 Amin(s1-db)(s2-、f) Af_SSf (25.4-8.4)(1.8-0.2) 取迎面风速w=2.0m/s,则最小流通面风速: Af .wf Wna户Amin(4-9) 2.0 wmax=0.595=3.361m/s 2(S1-db)(s2-f) 当量直径：deq=(s，-db)(s2-；f)(4-10) 2(25.4-8.4)(1.8-0.2)

10、 =(25.4-8.4)+(1.8-0.2)=2.92mm wmaxdeq 空气的雷诺数：Rf=vf(4-11) 3.3612.9210“ =16.48106=595.52 L66 单元空气流道长径比：deq2.92=22.6 流体横向流过肋片管簇的整张平套片换热计算公式 m、m 九f L =?CK/ deqdeqJ 其中C=A(1.36-0.24Ret/1000) (4-12a) (4-8) 25.41.8 =0.595 (4-12) n=0.45+0.0066L/d eq (4-12b) m=-0.28+0.08Ref/1000(4-12d) 代入数据计算 A=0.518-0.02315X

11、22.6+0.000425X22.62-3X10-6X22.63=0.1773 0.24595.52C=0.1773X(1.36-1000)=0.2158 n=0.45+0.0066X22.6=0.5992 595.52 m=-0.28+0.08义1000=-0.23236 0.5992-八八_0.23236 0.2158595.5222.64472W/(2K) 对于叉排管有y.2711-0.3，其中db8=3.175，故俨=1.27X3.1751 义0.72=3.374 db一一一 h,(：T)(10.35ln:) 2 (4-13) 8 =2(3.374-1)(1+0.35Xln3.374)

12、=13.538mm 南 肋片特性参数m=fi (4-14) 1 F2M51.49 =12030.210；=50.36 其中入f=203W/(m.K)为铝肋片的热导率 th(mh)f- 肋片效率mh (4-15) 0.518-0.02315 A=deq _L0.000425一deq -3x10-1一 1deq (4-12c) 0.02715 0=2.9210-3 肋片当量高度： th(50.3613.53810，) _T3- =50.36x13.538x10=0.87, ffffb0.55930.87+0.02345 n= s 冷凝器外表面效率ft0.5828=0.875 (5)管内R22冷凝时

13、的表面传热系数： *tJ4246 首先假设管壁温度tw=42C,则平均温度tm=2=2=44C, 1.4一 rs=20.040,即69.726,R22蒸气在管内冷凝换热计算式为 111 二i=0.555r?Bmdi-4&)一4 (4-16) =0.555X20.040乂69.726乂0.006-0.25乂(tk-tW-0.25 =2786.43(tk-tw)-0.25 (6)由热平衡关系求解管壁温度：忽略薄壁铜管热阻和管与肋片间接触热阻，则管内外平衡关系为： %九di(tk-tw)=s0ft(tw-tam)(4-17) 即2786.43(46-t产冗x0.006X(46-t=0.875义44.

14、72义0.5828义(t叱35) 整理得52.523(45-tJ0.75=22.805(tw-35)* 由试凑法得t后41.77C时上述等式成立。此值与所设定的*=42非常接近。 证明设计合适。 :i=2786.43(tk-tw)25=2786.43(46-41.77)25=1943.0W/(m2.K) 计算所需要的传热面积： 以管外面积为基准的传热系数： 1f-1 一：.一:1.一 (产;if：0s ft0.5828 1一=cccrC fmnx0.007=26.5,2f=0.001m,取ro=0.000048(m2.K)/W, 1 10.0011 30.926.50.000048 代入公式得

15、Kof=1943.020344.720.875 =24.02W/(m2.K) (8)求平均温差： 40-30 ,46-30 ln 46-40=10.195C 所需的管外传热面积及结构参数 Qk835 管外面积F0=Kof$=24.0210.195=3.41m2 FO_3.41 所需的肋片管总长度L=ft0.5828=5.85m 若取冷凝器每列管数6根，总管数6X4=24根，以单管有效长度0.25米计算，其总有效管长为24X0.25=6m。冷凝器高度为6X25.4=152.4mni冷凝器的 * Wfa 迎风面积为A=0.25X0.1524=0.0381m2。实际的迎面风速m/s (10)空气的流

16、动阻力及风机选配(粗糙肋片A=0.0133)(4-18) tm= ta2-ta1 t一t ln-a1 tk-ta2 (4-19) Va0.07247 Af0.0381=19 L1.7 p=1.2gA-(PwWmax) 阻力收1(4-20) =1.2X9.81X0.0133X22.6X(1.1465X3.361)1.7=35.05Pa 则该冷凝器需要配用风机的额定风量Va=0.07247m3/s,风机全压： :wW2 p=P+2(4-2 1) ，一，一2 1.14651.9 =35.05+2=37.12Pa 温冷柜箱体设计、制作及标定 低温冷柜箱体的设计 考虑到定做-70C低温箱体价格昂贵而采用

17、对普通冷柜箱体进行改造的方 法。采用新飞冷柜做壳体，型号BC/BD-216L,由于其保温层厚度不能够满足本试验的需要，采用自然发泡的方法增加其厚度。增加的发泡层厚度为75mm低 温冷柜箱体外形尺寸：940X540X800mm内尺寸：830X430X660mm增加发泡层后内胆尺寸为680X280X510mm内容积V=0.68X0.280X0.510=0.097m=97Lo改造后的箱体的总体热负荷计算过程如下： 热负荷计算过程如下： 1)箱体热负荷计算55 热负荷包括：箱体漏热量 Q1、开门漏热量 Q2、贮物热量 Q3和其它热量 Q4。即 Q=QI+Q2+Q3+Q4(4-22) A)箱体漏热量QI

18、 箱体漏热量包括，通过箱体隔热层的漏热量Qa,通过箱门和门圭条的漏热量Qb,通过 箱体结构形成热桥的漏热量Qco即 Q1=Qa+Qb+Qc (1)箱体隔热层的漏热量 Qa由于箱体外壳钢板很薄， 而其热导率可忽略不计。因此箱体的传热可视为单层平壁的传热过程。即 Qa=KA(t1-t2) 式中 A箱体表面积(以保温层中心线为基准)，单位为 t1箱外空气平均温度，为 30C； t2箱内空气平均温度，为-70C。 传热系数 K(单位为为 W/(m2.K)为 (4-23) 入值很大，所以热阻很小， (4-24) K=1 (4-25) 式中-1箱外空气对箱体外表面的表面传热系数，单位为 02内箱壁表面对箱

19、内空气的表面传热系数，单位为 W/(m2.K)； 8隔热层的厚度，单位为 m； 入一一隔热材料的热导率，单位为 W/(m2.K)。 当室内风速为 0.10.15m/s 时，%可取 3.511.6W/(m2.K)；箱内空气为自然对流(直冷式)时，%可取 0.61.2W/(m2.K)。在本文中，取必为 3.5W/(m2.K),2为 0.6W/(m2.K),又=0.130m,九=0.030W/(m2.K),代入公式 4-25 可得 1 10.130r+K=3.50.0300.6=0.1591W/(m2K) 箱体表面积 A=2X(0.81X0.41+0.41X0.66+0.66X0.81)=2.27m

20、2 因此 Qa=0.1591X2.27X(30-(-70)=36.12W (2)通过箱门与门封条进入的漏热量 Qb由于 Qb值很难用计算法计算，一般根据经验数据 给出，可取 Qb为 Qa的 15%值。所以， Qb=0.15X36.12=5.42W。 (3)箱体结构部件的漏热量 Qc箱体内外壳体之间支撑方法不同，Qc值也不同。采用聚氨 酯发泡成型隔热结构的箱体，无支撑架形成的冷桥，因此 Qc值可不计算。所以， Q1=Qa+Qb+Qc=36.12+5.42=41.54W B)开门漏热量 Q2 在实验过程中我们不打开箱门，因此该项为零，即Q2=0O C)贮物热量 Q3 冷柜的贮物热量无明确规定的标准

21、，这里按“以冷柜内容积 0.4%的 25c水，在 2h 内 结成实冰”进行计算。实冰的具体温度建议按-2-5C 取值。贮物热量 Q3(单位为 W)可按 下式计算。 mct1mr-mcbt2 Q3=23.6(4-26) 式中 m水(冰)的质量，单位为 kg; c水的比热容，c=4.19kJ/(kg.k); r水的凝固热(冰的溶解热)，r=333kJ/kg; cb冰的比热容，cb=2kJ/(kg.k); t1、t2一水的初始温度和冻结终了温度，单位为C。 m=97X0.004kg=0.388kg,t1取 25C,t?取-2C,则 0.3884.19250.388333-0.3882(-2) Q3=

22、23.6=23.81W D)其它热量 Q4 这里所说的其它热量，是指箱内照明灯、各种加热器、冷却风扇电机的散发热量，可将 其电功率折算热量计入。本实验中冷柜内无这些内热源，可不计算。 考虑 10%的余度，总热负荷为 Q=1.1(Q1+Q2+Q3+Q4)=1.1(41.54+0+23.81+0)=71.89W 空柜时热负荷：Q=1.1(Q1+Q2+Q4)=1.1(41.54+0)=45.69W 折算箱体总传热系数 Kf=Q/( t)=45.69/100=0.4569W/K 4.3.2 蒸发盘管的设计计算5555 1)板管式蒸发器空气侧表面传热系数-0 蒸发器外表面是自然对流，可用公式W/(m2.

23、K)； 在蒸发排管外表面对空气的换热过程中，自然对流的表面传热系数较小(一般在 10W/(m2K)以下)，因此辐射换热相对来说不可忽视。空气侧的表面辐射换热系数仪。可按 下式计算 管子外表面温度可视为与蒸发器管内制冷剂蒸发温度相同， Tw=(273-75)K=198K。 C辐射系数，对于结霜表面取 5.46W/(m2.K4)。 则空气侧的辐射传热系数 1,cr为 5461逅T便I1100)(100)j cr=-70-(-75)=1.76W/(m2K) 综合计算空气侧的表面传热系数a0必须同时考虑对流和辐射，计算公式如下 -0”ac,?cr-； 式中：ac,acr空气侧的表面传热系数和辐射传热系

24、数，单位为 W/(m2K)； 即一一曝光系数，对于平板可取为 1.0； 因此空气侧的传热系数 %=7.57+1.76X1.0=9.33W/(m2.K) 2)低温冷柜蒸发器的传热系数KO 由于空气侧表面传热系数远小于管内制冷剂侧的传热系数，因此总传热系数计算可简化 为： Ko=e-0(4-30) 式中 e考虑管内热阻和管外霜层热阻的修正系数，取 0.96。 代入数据计算，得：KO=0.96X9.33=8.957W/(m2.K) 3)蒸发器的传热面积 A 低温冷柜热负荷为 45.69W,蒸发温度为-75C,低温冷柜内温度为-70C,则由下式计算冷柜蒸发器的传1/4 ;ac=1.28A电士 acdo

25、 式中 A对于多排管，为沿高度方向管排数的修正系数，按低温箱内胆高度，规划蒸 发器冷却排管为 16 圈，查表可得 A=1.25; ta低温冷柜内空气的平均温度，为-70C； (4-27) t0 d0 板管式蒸发器管内的蒸发温度，为-75C; -管外径，单位为 mm,d0=l0mm。 则板管式蒸发器空气侧的表面传热系数 4c=1.28X1.25X 1/4 J-70-(-75) IL0.01 =7.57W/(m2.K) -Jcr 17Ta C 1100)1100) ta-tw 式中 Ta低温冷柜内空气平均温度(单位为 K),Ta=(273-70)=203K; Tw蒸发器管子的表面温度，因为蒸发器的

26、管壁很薄，则内外表面温差不大。 (4-28) (4-29) 热面积： Q45.69 A=奇=8.957x（-70-（-75）=1.02m2 又 A=兀 dol A l=d。=32.46m取 32.5m,（管径（）10mm,壁厚 8=0.8mm）。 4.3.3 低温冷柜箱体的制作 在新飞冷柜 BC/BD-216L壳体的基础上改制成的低温柜如图 4-1。 1.新制作的内胆 680X280X510mm 内胆材料采用厚度 8=0.8mm的不锈钢板，将不锈钢板裁成需要的尺寸，再折叠并用僦弧焊接。 2.蒸发盘管的制作 为了便于分析蒸发盘管内的工质流动状态，蒸发盘管直接敷设在内胆的内壁上，以便将 热电偶直接

27、贴在铜管外壁上；另一方面，蒸发盘管与箱内空气直接进行对流换热，可提 高降温速率。铜管长度 32.5 米，用弯管扳手将铜管弯成需要的长方形，共 16 圈，铜管各圈间隔大约 3cm,然后用两根铜管焊接在蒸发盘管上固定之。 3.内胆上预留孔 3 个，其中 2 个直径*12,在内胆底部，用作蒸发盘管的进出口，另一个孔直径为*6,用于布置测温的热电偶线的通路（3 根）。 4.发泡 采用 AB料，黑料和黄料 1:1 自然发泡。先将黑料倒入盆中，然后再倒黄料，以 1:1 的比例混合，稍加搅拌倒入原箱体与内胆的夹层中，很快就会自然发泡成型。 5.门封 考虑到低温下门封的漏热量较大，在试验中有可能在门封位置结霜

28、而冻住箱门。为避免这 个问题，重新设计了双层门结构来减小门封处的漏热量；保留其原来的上门的作为外门，在外门和内胆之间增设了内门，并采用双层橡塑保温棉作为门封。 A 内胆制作、折边 B弯管 C 蒸发盘管固定 D 发泡材料 E发泡 F成型图 4-1 低温冷柜箱体的制作过程 4.3.4 低温冷柜箱体的标定 采用内热法，在箱内设置电加热器并辅以微型风扇吹之，使箱体内温度场均匀，当箱内 外温差大于 40C,且内外温度恒定后，箱体总输入功率(包括风扇等输入功率)即是该箱体在所保持的室内外温差下的漏热量。 标定时室温:25.5C,输入功率：20W,平衡后箱体内的温度：63.7C,因此该箱体的 输入功率20

29、总传热系数为 Kf=温差63.7-25.5=0.5236W/K 70.00 (5000 50.00 4000 30.00 2000 10.00 000 图 4-2 低温箱体的升温试验 44中间换热器的设计计算与选型 本系统中的中间换热器包括一个回热分凝器和一个冷凝蒸发器，均采用套管 式换热器，其中高压冷凝制冷剂走内管内，回流的低压蒸发制冷剂走套管问。 回热分凝器换热量： Q=GX(hi-h6)=4.297X(391-265.2)=540.56W 冷凝蒸发器换热量： Q=G2(h5-h7)=0.7158X(354.8-133.6)=158.33W 选用 DanfossHE1.5 和 HE1.0

30、套管换热器，其参数如表 4-1 所示56,其实物图和结构图 如图 4-3 所示。 表 4-1DanfossHE换热器结构参数 型号 KXA W/C 焊接连接 H1 L L1 L2 ()D 容积 3cm 液体管路 mm 吸气管路 mm mm mm mm mm mm 外 内 HE1.0 3.1 10 16 25 268 12 9 30.2 25.0 45.0 HE1.5 4.9 12 18 30 323 14 10 36.2 40.0 100.0 EmES寸一0寸工工6E二EZ一W8二I葭5二昌622KSEWKgL6K寸KOEe寸含港寸Z 55寸二间g寸%o时对二REZS一0HEZC-J6二E二Z

31、Esom6mIN2匚设二91EEKI工EF2WI2ESEImfsN-L二F6ZOI 1.回气管接口 2.液体管接口 3.内管 4.外管 图 4-3DanfossHE换热器实物图和结构图 45节流装置的设计计算与选型 该试验系统中采用毛细管做节流装置。毛细管的长度直接影响制冷系统的流量，进而与 压缩机的运行压力和换热器的热负荷相互影响，它们共同构成一个有机的整体。常采用计算 法、图解法或类比法估算毛细管的管径和长度54-55,57-58O计算法选配毛细管的公式很多，本 文采用的公式如下58: P毛细管进、出口压力差，MPa; L毛细管长度，m； D 毛细管的内直径，mm。 选用内径为()0.7m

32、m的毛细管,一级节流毛细管的长度 3579一一 1.65(-一布)0.571 LI=5.44父0.7.=0.635 米 二级节流毛细管的长度 一_，一1 165(0.7158a L2=5.44父0.72.71=10.5 米 本章仅对毛细管的内径和长度进行理论上的估算,正以确定最终的毛细管内径和长度。 式中：G制冷剂流量，g/s； P0.5712.71 G=5.44()D L (4-31) L=AP( G _271 5.44D. 1 0.571 (4-31a) P=1.80-0.15=1.65MPa 需要在系统调试时不断进行修 46其它辅助部件的选型 4.6.1 气液分离器的选配 为增强气液分离效果，需扩大混合工质的流通截面，降低流速，利用重力的作用使液体沉淀下来，采用的是立式气液分离器。选用西安市庆安空调附件厂生产的 YZ系列气液分离器59。采用 YZ-13型，筒径 D=28.6mm,筒高 L=145mm,进气管内径 Di=i2.8mm,出气管外径 D2=15mm,容积 V=0.08L。 沼.6.2 干燥过滤器的选配 在实际的氟利昂系统中常常将过滤器筒体内填充干燥剂，使过滤和干燥功能合二为一，叫做干燥过滤器。过滤器用于清除系统内的机械杂质、金属屑、氧化皮等。干燥剂一般采用无水氯化钙、硅胶、活性氧化铝和分子筛等，以吸收制冷剂液体中