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：电机的

2、工作性能较可靠，噪音低，使用方便53-54。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。若无性能曲线作为参考，可按

3、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：t二20C,P=1.5bar,h=391kj/kg,s=1.875kJ/kg1111v=0.2092m3/kg，制冷剂状态为过热气体。1排气状态参数：t=114C,P=18bar,h=473.7kJ/kg,s=1.875kJ/kg2222v=0.019888m3/kg，制冷剂状态为过热气体。24.1.2压缩机的热力计算（1）压比=18F1.5=12制冷剂质量流量G低温箱的制冷量Q0设计要求Q=100W0二级节流毛细管制冷剂流量G2Q100G=h10一h8292,3152,6=0.7158g/s一级节流毛细管制冷剂

4、流量G10.75-0.15xGG=0.870.752=5X0.7158=3.579g/s1总制冷剂流量GG=G+G=3.579+0.7158=4.295g/s123）压缩机内实际体积流量VhV=GXv=4.295X0.2092X3.6=3.235m3/hh1（4）输气系数九a）容积系数九=1一cv（1+也）m1L役（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,本系统中m=1.05；压比，=12；Apdipdk排气压力损失，对氟利昂压缩机p=(0.100.15)p,本系统

5、中取为dkd1dk0.10。1-0.025x12x(1+0.1).051=0.6965b)压力系数九1(1+c)xAps1Apx九d0v(4-2)Aps1Apd0为0.06吸气压力损失，对氟利昂压缩机p=(0.060.08)p，本系统取s1d0九1(1+0.025)xp=0.060.6965=0.9117c)泄漏系数九10.98d)温度系数九(4-3)273.1520二(273.15+32)x0.98=0.8465(4-4)九二九九九九=vp1T九=0.6965X0.9117X0.98X0.8465=0.52685)压缩机内理论体积流量VpV3.235_h=V=九0.5268=6.141m3/

6、sp压缩机单位理论功wow=h-h=473.7-391.0=82.7kJ/kgo21理论功率NoN二GXw=4.295X82.7=355.2Woo指示功率NiN355.2=N=“i0.8=444.0Wi轴功率Ne轴效率m=0.8N444.0J=N=“m0.8=555.0We(10)配用电动机功率Nel配用电动机效率mo=0.85N555.0eN=mo0.85=652.9Wel4.2风冷冷凝器的选型计算2,55采用卩8X1mm的纯铜管，肋片为平直套片(铝片)，片厚5f=0.2mm,片宽L=66mm,进风温度t=30C，出风温度t=40C，冷凝温度t=46C。a1a2k冷凝器负荷的确定Q=735+

7、100=835Wk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s=25.4mm，排间距s=22mm；肋片间距s=1.8mm，沿气流方向的管排数n=4。12f冷d21肋片面积f=2J(ss12b丿(4-5)-(0.0254x0.022-(0.008+0.0004)2)=0.00184=0.5593m2/m肋间基管表面积f=b5)1-fs丿f(4-6)0.2兀(O.OO8+0.0004)x(1-)=1.8=0.02345m2/m肋管外表总面积f=f+f=0.5593+0.02345=0.5828m2/mtfb肋管内表面积f二nd=n0.006=0.01885m?/miiB二f=0

8、.5828肋化系数f0.01885=30.9空气进出冷凝器的温差及风量：温差：t=t-t=40C-30C=10Caa2a1Qk风量：(4-7)V=PcAtV=mpaaa835=1.1465x1.005xl0 xl03=0.07247ms/s式中，空气平均密度p=1.1465kg/m3；比热容c=1.005W/(kg.K)；运动粘度mpaum=16.48X10-6m2/s；热导率率f=0.02715W/(m.K)；这些物性参数的定性温度为t+130+40a1a2t=22=35Coam肋片效率及空气侧传热系数：根据肋片参数，冷凝器的空气最小流通面积A与迎风面积A之比:minf(4-8)0eqA(s

9、d)(s8)TOC o 1-5 h zmin1b2f_ HYPERLINK l bookmark150 o Current Document Assf=1f(25.48.4)X(1.80.2)25.4x1.8=0.595取迎面风速w=2.0m/s，则最小流通面风速：f2.0A.ww=Aminmaxminw=0.595=3.361m/smax(4-9)2(sd)(s8)1b2当量直径：d=(s1db)+(s28f)(4-10)2x(25.48.4)(1.8-0.2)(25.48.4)+(1.80.2)=2.92mmwdmaxeq空气的雷诺数：R=efvf(4-11)3.361x2.92x10-3

10、=16.48x10-6=595.52L_66单元空气流道长径比：eq2.92=22.6流体横向流过肋片管簇的整张平套片换热计算公式eqCRnefIdeq(4-12)其中C=A(1.36-0.24R/1000)(4-12a)(4-12b)n=0.45+0.0066L/dLL30.518-0.02315A=Ldeq+0.000425d丿eq-3x10-6Id丿e(4-12c)m=-0.28+0.08R/1000(4-12d)代入数据计算A=0.518-0.02315X22.6+0.000425X22.62-3X10-6X22.63=0.17730.24x595.52C=0.1773X(1.36-1

11、000)=0.2158n=0.45+0.0066X22.6=0.5992595.520.02715a0=2.92x10-3m=-0.28+0.08X1000=-0.23236x0.2158x595.520.5992x22.6-0.23236=44.72W/(m2.K)25.48=3.175,故p=1.27X3.175s对于叉排管有p，=1-27，1-0-3，其中卩db1X0.72=3.374h二db(p-1)(1+0.35lnp)肋片当量高度：2*八V丿(4-13)8=2(3.374-1)(1+0.35Xln3.374)=13.538mm肋片特性参数2aX5m=(4-14)2x51.49二J2

12、03x0.2x10-3丿=50.36其中久=203W/(m.K)为铝肋片的热导率。fth(mh)叶=肋片效率fmh(4-15)th(50.36X13.538x10-3)二50.36x13.538x10-3=0.87,fn+f0.5593x0.87+0.02345耳二b二冷凝器外表面效率sft0.5828=0.875管内R22冷凝时的表面传热系数：t+142+46wk首先假设管壁温度：=42C，则平均温度t=2=2=44C,mrs4=20.040,B=69.726,R22蒸气在管内冷凝换热计算式为ma=0.555r4B(d)-4(t-1)-4ismikw(4-16)=0.555X20.040X6

13、9.726X0.006-0.25X(t-t)-0.25kw=2786.43(t-t)-0.25kw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：aind.g-t)=呼0ft(tw-tam)(4T7)ikw即2786.43(46-1)-X0.006X(46-1)=0.875X44.72X0.5828X(t-35)www整理得52.523(45-t)0.75=22.805(t-35)ww由试凑法得t=41.77C时上述等式成立。此值与所设定的t：=42C非常接近。w证明设计合适。ai=2786.43(t-t)-0.25=2786.43(46-41.77)-0.

14、25=1943.0W/(m2.K)ikw计算所需要的传热面积：以管外面积为基准的传热系数：K=ofio5or卩+a/卩+r+a入ioaqif0s(4-18)fo.5828=1fm兀XO.7=26.5,5f=0.001m，取r=0.000048(m2.K)/W,m01-x30.9+0.001x26.5+0.000048+代入公式得K=1943.020344.72x0.875of=24.02W/(m2.K)求平均温差：Atmtta2allnk吐ttka2(4-19)_40304630ln4640=10.195C所需的管外传热面积及结构参数Q835_管外面积F=KofAtm=24.02X10.195

15、=3.41m20F_3.41所需的肋片管总长度L=f0.5828=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=152.4mm。冷凝器的V0.07247W*_a_迎风面积为A=0.25X0.1524=0.03852。实际的迎面风速faAf0.0381=1.9fm/s空气的流动阻力及风机选配(粗糙肋片A=0.0133)a2内箱壁表面对箱内空气的表面传热系数，单位为W/(m2.K)；Ap=1.2gA(pWA7阻力dwmaxeq丿(4-20)=1.2X9.81X0.0133X22.6X(1.1465

16、X3.361)i.7=35.05Pa则该冷凝器需要配用风机的额定风量V=0.07247m3/s，风机全压：apw2(4-21)wfp=Ap+21.1465x1.92=35.05+2=37.12Pa4.3低温冷柜箱体设计、制作及标定4.3.1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680X280X51

17、0mm。内容积V=0.68X0.280X0.510=0.097m3=97L。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Q、开门漏热量Q2、贮物热量Q3和其它热量Q4。即Q=Q1+Q2+Q3+Q4(4-22)A)箱体漏热量Q1箱体漏热量包括，通过箱体隔热层的漏热量Q,通过箱门和门封条的漏热量Qb，通过箱体结构形成热桥的漏热量Q。即aQ1=Qa+Qb+Qc(4-23)箱体隔热层的漏热量Q由于箱体外壳钢板很薄，而其热导率久值很大，所以热阻很小，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)(4-24)式中A箱

18、体表面积(以保温层中心线为基准)，单位为m2；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11_8_1+-K=a1九a2件25)式中a1箱外空气对箱体外表面的表面传热系数，单位为W/(m2.K)；6隔热层的厚度，单位为m；入隔热材料的热导率，单位为W/(m2.K)。当室内风速为0.10.15m/s时，ai可取3.511.6W/(m2.K)；箱内空气为自然对流(直冷式)时，a2可取0.61.2W/(m2.K)。在本文中，取a1为3.5W/(m2.K),a2为0.6W/(m2.K),又=O.13Om0=0.030W/(m2.K)，代入公式

19、4-25可得110.1301+K=3.50.0300.6=0.1591W/(m2.K)箱体表面积A=2X(0.81X0.41+0.41X0.66+0.66X0.81)=2.27m2因此Q=0.1591X2.27X(30-(-70)=36.12W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，Q=0.15X36.12=5.42W。b箱体结构部件的漏热量Q箱体内外壳体之间支撑方法不同，Q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

20、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=0。贮物热量Q3冷柜的贮物热量无明确规定的标准，这里按“以冷柜内容积0.4%的25r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。下式计算。贮物热量Q3(单位为W)可按(mcg(4-26)q=2x3.6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)；Jt2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，t2取-2C，贝V(0.388x4.1

21、9x25+0.388x3330.388x2x(2)Q3=2x3.6=23.81WD)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/Qt)=45.69/100=0.4569W/K4.3.2蒸发盘管的设计计算55板管式蒸发器空气侧表面传热系数a0蒸发器外表面是自然对流，

22、可用公式a=1.28Aac(t一t_odo1/4丿(4-27)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；低温冷柜内空气的平均温度，为-70C；板管式蒸发器管内的蒸发温度，为-75C；管外径，单位为mm，=10mm。则板管式蒸发器空气侧的表面传热系数-70(75)1/4aac=1.28X1.25X0.01=7.57W/(m2.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/(m2.K)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acr可按下式计算了T4C100J(4-28

23、)crttaw式中T低温冷柜内空气平均温度(单位为K),T=(273-70)=203K；蒸发器管子的表面温度，因为蒸发器的管壁很薄，则内外表面温差不大。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acr为5.46x(203丫100丿acr=70-(-75)=1.76W/(m2.K)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(4-29)a=a+a屮0accr式中：aac，acr空气侧的表面传热系数和辐射传热系数，单位为W/(m2.K)；屮曝光系数，对于

24、平板可取为1.0；因此空气侧的传热系数a0=7.57+1.76X1.0=9.33W/(m2.K)低温冷柜蒸发器的传热系数K0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：aK0=e0(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：K0=0.96X9.33=8.957W/(m2.K)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热面积：Q_45.69A=K00k8-957x(70-(75)=1.02m2又A=ndloAl=兀do=32.46m取32.5

25、m,(管径Q10mm,壁厚&=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&=0.8mm的不锈钢板，将不锈钢板裁成需要的尺寸，再折叠并用氩弧焊接。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，

26、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。ABDEFIA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

27、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总传热系数为Kf=温差637一25-5=0.5236W/K图4-2低温箱体的升温试验CM乙勺CCIIMI匕逗CCIIP4.4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间。回热分凝器换热

28、量:Q=GX(h-h)=4.297X(391-265.2)=540.56W16冷凝蒸发器换热量:Q=G2X(h5-h7)=0.7158X(354.8-133.6)=158.33W选用DanfossHE1.5和HE1.0套管换热器，其参数如表4-1所示冈，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KXAW/C焊接连接H1LL1L2(pD容积cm3液体管路mm吸气管路mmmmmmmmmmmm外内HE1.03.110162526812930.225.045.0HE1.54.9121830323141036.240.0100.01.回气管接口2.液体管接口3.内管4.

29、外管图4-3DanfossHE换热器实物图和结构图4.5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54-55,57-58。计算法选配毛细管的公式很多，本文采用的公式如下58：G=5.44()O.571D2.71式中：G制冷剂流量，g/s；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。(4-31)GL=AP()-0.5715.44xD2.71选用内径为00.7mm的毛细管，P=1.80-0.1

30、5=1.65MPa一级节流毛细管的长度(4-31a)1g3.579”亠1.65()0.571L1=5.44x0.72.71=0.635米二级节流1毛细管的长度L2=0.7158”亠)0.5715.44x0.72.71=10.5米本章仅对毛细管的内径和长度进行理论上的估算，需要在系统调试时不断进行修正以确定最终的毛细管内径和长度。4.6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系列气液分离器网。采用YZ-13型，筒径D=28.6mm,筒高L=145mm,进气管内径D=12.8mm,出气管外径D2=15mm,容积V=0.08L。4.6.2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的水分。在本试验装置中选用丹佛斯DX型实芯干燥过滤器。4.7本章小结在本章中，主要对系统各个部件进行了分