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空调器设计毕业设计

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空调器设计（毕业设计）

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摘要

R22（CHF2Cl，二氟一氯甲烷）是目前应用十分普遍的一种制冷剂，其ODP

为0.034，GWP为1700，由于它含有氯原子，对臭氧层有破坏作用，即将被禁用。

从对环境的长期影响来看,自然工质比合成工质具有不可比拟的优势，比如R1270（俗称丙烯）。

丙烯优点是易于获得，价格低廉，凝固点低，对金属不腐蚀。

丙烯可燃,消耗臭氧潜能值为零,环保性能好，对人体的毒性也近于零毒性，饱和蒸汽压接近R22。

丙烯的单位容积制冷量和COP与R22接近,压缩比和排气温度也低于R22，这有利于提高压缩机的运行寿命。

随着科学不断地发展，新型制冷剂将逐步取代R22等对环境有破坏的制冷剂。

本文的内容是设计出以R1270为工质的分体式家用空调器，制冷量为3500W。

首先选以R22作工质的压缩机型号，我选择的的型号是SL211CV,然后进行热力计算，算得制冷量为3747W，冷凝热负荷为4707W。

冷凝器的迎风面积为0.3957m2，蒸发器的迎风面积为0.4997m2。

节流装置选用直径2mm，长1.46m的毛细管，最后用SolidWorks绘制室外机三维图。

关键词：

R22，R1270，替代工质，空调，设计

ABSTRACT

R22（CHF2C）isaverycommonapplicationofrefrigerant,theODPis0.034,GWPis1700,becauseitcontainschlorineatoms,hasdamagingeffectsontheozonelayer,isabouttobedisabled.Fromlong-termimpactontheenvironment,thesynthesisofnaturalrefrigerantthanrefrigeranthasunparalleledadvantages,suchasR1270（commonlyknownaspropylene）.

Propyleneadvantageofeasyaccess,lowcost,lowfreezingpoint,non-corrosivemetal.Propyleneflammable,zeroozonedepletingpotential,goodenvironmentalperformance,thetoxicityofthehumanbodymaybeclosetozerotoxicity,saturationvaporpressureclosetoR22.PropylenerefregerationunitvolumeandtheR22andCOPclosetothecompressionratioandexhausttemperatureisalsolowerthantheR22,whichisconducivetoenhancetheoperationallifeofthecompressor.

Withthecontinuousdevelopmentofscience,thenewrefrigerantR22willbegraduallyreplacedbydamagetotheenvironment,suchasrefrigerants.ThisarticleisdesignedfortheworkingfluidintheR1270homesplitairconditioners,refrigerationcapacityof3500W.FirstelectedtoconductaqualitativeR22compressormodels,IchosetomodelistheSL211CV,andthenproceedtotheheat,thecoolingcapacitycanbesaidforthe3747W,condensingheatloadof4707W.Condenserareaofthewind0.3957m2,evaporatorareaofthewind0.4997m2.Selectionofcuttingdevicediameter2mm,lengthofcapillary1.46m,andfinallywithSolidWorksofthree-dimensionalgraphdrawingoutdoorunit.

Keywords：

R22，R1270，substitute，airconditioning，project

常用符号表

TOC\o"1-3"\h\uHYPERLINK\l"_Toc232766382"摘要PAGEREF_Toc232766382\hI

HYPERLINK\l"_Toc232766383"ABSTRACTPAGEREF_Toc232766383\hII

HYPERLINK\l"_Toc232766384"常用符号表PAGEREF_Toc232766384\hIII

HYPERLINK\l"_Toc232766385"一、绪论PAGEREF_Toc232766385\h1

HYPERLINK\l"_Toc232766386"1.课题研究背景及意义PAGEREF_Toc232766386\h1

HYPERLINK\l"_Toc232766387"

（1）氟利昂对环境的影响PAGEREF_Toc232766387\h1

HYPERLINK\l"_Toc232766388"

（2）R22的应用现状PAGEREF_Toc232766388\h2

HYPERLINK\l"_Toc232766389"2.R22替代物的相关研究PAGEREF_Toc232766389\h3

HYPERLINK\l"_Toc232766390"

（1）R22替代工质的研究PAGEREF_Toc232766390\h3

HYPERLINK\l"_Toc232766391"

（2）R22替代工质的循环特性分析PAGEREF_Toc232766391\h5

HYPERLINK\l"_Toc232766392"二、空调器设计PAGEREF_Toc232766392\h10

HYPERLINK\l"_Toc232766393"1.空调器压缩机选择及热力计算PAGEREF_Toc232766393\h10

HYPERLINK\l"_Toc232766394"

（1）压缩机PAGEREF_Toc232766394\h10

HYPERLINK\l"_Toc232766395"

（2）压缩机选型PAGEREF_Toc232766395\h10

HYPERLINK\l"_Toc232766396"（3）压缩机校核及热力计算[18]PAGEREF_Toc232766396\h11

HYPERLINK\l"_Toc232766397"2.冷凝器设计PAGEREF_Toc232766397\h13

HYPERLINK\l"_Toc232766398"

（1）冷凝器结构PAGEREF_Toc232766398\h13

HYPERLINK\l"_Toc232766399"

（2）选择冷凝器PAGEREF_Toc232766399\h14

HYPERLINK\l"_Toc232766400"（3）冷凝器设计PAGEREF_Toc232766400\h17

HYPERLINK\l"_Toc232766401"3.蒸发器设计PAGEREF_Toc232766401\h22

HYPERLINK\l"_Toc232766402"

（1）蒸发器的结构PAGEREF_Toc232766402\h22

HYPERLINK\l"_Toc232766403"

（2）冷却强制流动空气的干式蒸发器的计算PAGEREF_Toc232766403\h24

HYPERLINK\l"_Toc232766404"4.节流机构的选择PAGEREF_Toc232766404\h31

HYPERLINK\l"_Toc232766405"

（1）制冷剂液体膨胀过程分析PAGEREF_Toc232766405\h31

HYPERLINK\l"_Toc232766406"

（2）节流机构的选择及计算过程PAGEREF_Toc232766406\h32

HYPERLINK\l"_Toc232766407"三、总结和展望PAGEREF_Toc232766407\h35

HYPERLINK\l"_Toc232766408"1.总结PAGEREF_Toc232766408\h35

HYPERLINK\l"_Toc232766409"2.展望PAGEREF_Toc232766409\h36

HYPERLINK\l"_Toc232766410"致谢PAGEREF_Toc232766410\h37

HYPERLINK\l"_Toc232766411"附录PAGEREF_Toc232766411\h38

HYPERLINK\l"_Toc232766412"参考文献PAGEREF_Toc232766412\h39

一、绪论

1.课题研究背景及意义

（1）氟利昂对环境的影响

1974年，美国加利福尼亚大学的莫利纳（M.J.Molina）与罗兰（F.S.Rowland）

教授发表了关于臭氧耗损与氯氟烃类物质（Chlorofluorocarbon，简称CFCs）的研究结果：

CFCs类物质扩散至同温层后，在短波紫外线UV-A的照射下分解形成高活性的氯自由基，通过链式反应，催化分解臭氧分子，从而破坏臭氧层。

1985年，英国科学家法尔曼（J.C.Farman）等人总结他们在南极哈雷湾观测站（HalleyBay）的观测结果，发现了南极上空的臭氧空洞，证实了这一理论的正确性。

1985年臭氧空洞的最大面积约为1400万平方公里。

到2006年10月，臭氧空洞最大面积已经发展到2745万平方公里。

值得庆幸的是，观测数据和模式计算表明，全球平均臭氧层耗损量目前已经趋于稳定。

CFCs与HCFCs（氢氟氯烃，hydrochlorofluorocarbon）物质除了耗损臭氧外，还是一种“温室气体”。

尽管其排放量远不及CO2，但由于CFCs和HCFCs的大气寿命长，所以它对全球气候变暖的贡献仍然可观。

1990年左右，CFCs、HCFCs

和HFCs（氢氟烃，hydrofluorocarbon）的CO2当量排放总量出现峰值7.5±0.4Gta

CO2当量/年，到2000年左右，下降为2.5±0.2GtaCO2当量/年，相当于同期全球化石燃料燃烧所产生排放的10%。

CFCs在1987年制定的《蒙特利尔协议书》中被限制使用，到目前为止，R11、

R12等具有较高臭氧破坏潜能值ODP（OzoneDepletionPotential）的CFCs类物质已被基本禁用。

由于R22、R401A等HCFCs类物质中也含有氯原子，仍然会对臭氧层有一定的破坏作用，故在1993年制定的《哥本哈根修正案》中也被限制使用。

对于R134a、R407C，R410A等不含有氯原子的HFCs类物质，由于具有较高的全球变暖潜能值GWP（GlobalWarmingPotential），1997年制定的《京都议定书》将HFCs列为6种温室气体之一。

[1]

（2）R22的应用现状

R22（CHF2Cl，二氟一氯甲烷）是目前应用十分普遍的一种制冷剂，其ODP

为0.034（取R11的ODP为1，后同），GWP为1700（取CO2的GWP为1，100

年，后同）。

不同的国家对R22的禁用时间有很大的差别，表1-1中列出了一些国家对R22的禁用日程。

我国政府于2003年4月正式签署《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书（哥本哈根修正案）》，也就是说我国已正式承诺将遵守逐步禁用HCFCs（包括R22）的国际义务。

该修正案规定，对于发展中国家，于2040年完全淘汰HCFCs。

表1-1示出了我国每年HCFCs的生产和消费情况，从图中可以看出，1998年之后，我国HCFCs的生产和消费呈每年递增。

2005年我国HCFCs的生产和消费分别为32.8万t和22.1万t，其中R22的产量已经达到26万t，由此表明R22在我国制冷空调领域中的应用占有相当大的份额。

面对国际上积极从事R22替代研究以及加速淘汰R22的大趋势，我国作为空调器生产大国，在空调器出口销售快速增长的形势下，如果强调我国尚有30多年时间才能最终淘汰R22的话，必然会在国际市场竞争中失去很多机会。

[2]

表1-1一些国家对R22的禁用日程

综上所述，虽然R22有很多优良的特性，但是终究会被淘汰。

因此我们开展

R22循环性能分析及其替代工质研究，具有重要的理论意义和应用价值。

图1-1我国每年HCFCs的生产和消费情况

2.R22替代物的相关研究

（1）R22替代工质的研究

1）纯工质

美国国家标准局和技术研究院通过对元素周期表的研究发现，能够用于蒸气压缩式制冷循环的物质集中在的51种化合物：

15种碳氢化合物、5种氧化物、3种硫化物、19种氟利昂、4种其他化合物。

其中最有可能作为R22替代工质的是碳氢化合物及氟利昂物质。

[3]

①R134a

周德信[4]等通过建立单相区和两相区毛细管模型，研究了R134a代替R22后的毛细管的质量流量随冷凝温度、过冷度、毛细管直径和长度的变化规律，在相同的条件下，R22的质量流量比R134a大。

陈嘉澍等2006年实验研究了家用热泵热水器采用R22和R134a作为制冷工质时的加热效果和性能系数，结果表明：

R134a系统将90L水加热到50℃需要的时间比R22多40分钟；R22系统的性能系数COP（CoefficientofPerformance，性能系数）比R134a高23.1%。

②碳氢化合物（Hydrocarbon，HCs）

目前替代R22的碳氢化合物主要有丙烷（R290）、丙烯（R1270）等。

截止到2000年，在德国冰箱和冷藏设备采用HCs作制冷剂的占到了90%以上，欧洲平均达到25%左右。

[5]

用R290替代R22其各种热力学性质比较接近。

对制冷系统的毛细管进行改进后的试验测试结果表明：

改进毛细管后用R290替代R22的3种国产家用空调器COP系数分别提高了12.81%、19.03%、14.61%。

在小型空调系统中，R1270在制冷量、COP和压缩机排气温度等方面也优于R22。

以R290、R1270作为热泵工质，在不同的压缩机转数和载热流体的温度下，COP、制冷量和制热量均与R22相当或略优。

将R290应用于大型螺杆机组的试验结果也表明，采用R290的能效比（EER）与R22的相当，可见R290完全能够作为R22的直接替代工质。

对R290的可燃性研究表明，R290的燃烧和爆炸需要2个条件，即与空气的混和浓度要在2.5%～8.9%之间，温度在810℃以上，在机组运行过程中，2个小概率事件同时出现的概率几乎为零。

[6]

2）混合工质

2003年8月，美国国家环保局公布了具有法定强制力的SNAP计划“第18号公告”。

公告认可的新一批环保制冷剂替代物中，除发泡剂行业选用R245fa纯

净物以外，其余所有的新制冷剂替代物均为混合物。

[7]由此可见，对混合工质的研究是当前制冷剂替代研究的核心内容之一。

①R407C（R32/R125/R134a，质量百分数23%/25%/52%）。

非共沸混合制冷剂，ODP为0，GWP值为1700。

[8]R407C的温度滑移为5.7℃，蒸发潜热比R22大6%左右，吸气比容比R22高4%～6%，蒸发压力比R22低5.6%，排气温度比R22系统低8～10℃，性能系数比R22低2%左右。

由于温度滑移，为了获得与R22相近的工作参数，有必要调整和扩大热交换器的面积。

且R407C与矿物油不相溶，需要使用脂类POE或聚醚类PVE冷冻油，并且需要严格控制系统中的水分和杂质。

②R410A（R32/Rl25，质量百分数50%/50%）。

近共沸混合制冷剂，无毒不可燃，属安全性制冷剂，ODP=0，GWP=2000。

R410A的容积制冷量、能效比以及质量流量都与R22非常接近，温度滑移小于0.1℃，运行较稳定。

但是由于R410A的冷凝压力比R22增大60%，不能使用壁厚小于0.7mm的铜管做配管；设备需改用POE酯类油，残留杂质与水分要少；制冷系统采用分子筛作为干燥剂。

在传热性能和性能系数方面R410A要优于R407C，但其蒸气压力要高于R407C。

[9]

③自然工质的混合物

采用液化石油气LPG（LiquefiedPetroleumGas）作为制冷剂的系统其压缩比和耗功比R134a低5.5%和4.3%，但是COP却比R134a高7.6%。

且有相对的安全性，可以直接充灌原R22系统，且在较高的蒸发温度下要比R22节约能源。

一些文献中还研究了其他的替代工质，比如：

R1270/R290、R290/R600和R290/R600a等，均得到了很好效果。

④其他混合工质

D.B.Jabaraj[10]等对采用R407C/R290/R600a为制冷剂的窗式空调器进行了实验研究，结果表明，在不更改润滑油的情况下，制冷量方面新工质比R22提高9.54～12.76%，而COP上比R22提高11.91～13.24%。

由质量分数为65%的R290和质量分数为35%的R152a组成的混和制冷剂是一种对环境危害很小，温度滑移很小，具有合适的压比和COP，润滑特性很好的优良近共沸制冷剂，用于替代R22各项指标均优于R407C和R410A。

但是上述R22的替代工质在循环性能、实用性和环境可接受性方面均有各自的优缺点，尚未有完美的替代方案。

[11]

（2）R22替代工质的循环特性分析

1）替代工质的基本热物理性质

由于对HCFC限用日期的临近，R22的替代物研究也更为紧迫。

目前，作为

R22的替代工质主要有以下几种。

①R134a

R134a的沸点为-26.07℃，凝固点为-103.3℃，属于中温制冷剂。

无色、无味、无毒、不燃烧、不爆炸。

与矿物性润滑油不相溶，必须采用聚脂类合成油（如聚烯烃乙二醇）。

与丁腈橡胶不相溶，须改用聚丁腈橡胶作密封元件。

吸水性较强，且易与水反应生成酸，腐蚀制冷机管路及压缩机，故对系统的干燥度提出了更高的要求，系统中的干燥剂应换成XH-7或XH-9型分子筛，压缩机线圈及绝缘材料须加强绝缘等级。

R134a对大气臭氧层无破坏作用，但仍有一定的温室效应。

②R290（丙烷）

R290是目前用作制冷剂替代研究最多的碳氢化合物之一。

它的标准蒸发温度-42.09℃，凝固温度为-187.67℃，属于中温制冷剂。

它广泛存在于石油、天然气中，提取成本低，易于获得。

它与目前广泛使用的矿物油、金属材料相溶。

对干燥剂、密封材料无特殊要求。

气化潜热大，热导率高，流动阻力小，压缩机排气温度低。

但它易燃易爆，空气中可燃极限为体积分数2.5%～8.9%，故对电子元件和电气部件均应采用防爆措施。

R290化学性质很不活泼，难溶于水。

[12]

③R1270（丙烯）

丙烯优点是易于获得，价格低廉，凝固点低，对金属不腐蚀，对大气臭氧层无破坏作用。

但是其最大缺点也是易燃易爆，因此，将R1270作为制冷剂时，系统内应保持正压，以防空气漏入系统而引起爆炸。

与润滑油能够溶解，使润滑油粘度降低，因此需要选用粘度较大的润滑油。

另外由于R1270为不饱和碳氢化合物，其化学性质活泼，在水中溶解度极小，易溶于酒精和其他有机溶剂。

[13]

④R717（氨）

氨的标准蒸发温度为-33.33℃，凝固温度为-77.66℃，氨的压力适中，流动阻力小，热导率大，价格低廉，对大气臭氧层无破坏作用。

氨的主要缺点是毒性较大、可燃、可爆、有强烈的刺激性气味、等熵指数较大，若系统中含有较多空气时，会引起爆炸，因此氨制冷系统中应设有空气分离器，及时排除系统内的空气及其它不凝性气体。

⑤R407C（R32/R125/R134a，质量分数23/25/52）

R407C是三元非共沸混合制冷剂。

对臭氧层无破坏作用，但是其GWP较高。

它的标准沸点为-43.63℃。

它在制冷能力和压力特性上与R22比较接近。

主要缺点是蒸发时的温度滑移明显。

[14]在壳管式冷凝器中，R407C在壳侧凝结，其表面传热系数也大大低于纯制冷剂或共沸混合制冷剂的表面传热系数。

⑥R410A和R410B（R32/R125，质量分数A：

50/50；B：

45/55）

它是近共沸混合制冷剂。

对臭氧层无破坏作用，但是其GWP也比较高。

标准

沸点为-51.44℃，相变温度滑移仅0.1℃左右，可以忽略。

R410A的压力较高，因为它的高密度和高压力，用管径小得多的管道仍能保证压降合理。

R410A具有良好的传热特性和流动特性，制冷效率较高。

表1-2给出了R22及其几种主要替代工质的基本物理性质，图1-2为各工质在-10～50℃范围内的饱和蒸气压曲线。

表1-2理论循环不同制冷剂的性能指标

图1-2R22及其几种主要替代工质的饱和蒸汽压曲线

从图1-2中可以看出，在-10～50℃范围内，R410A和R410B的泡点线和露点线几乎是重合的，但是要比R22高很多；而R134a的饱和蒸气压曲线要低于R22；其余四种与R22相当，但是R407C的泡点线和露点线相差较大，也即温度滑移较大，当出现泄露和充灌制冷剂时就很难保证其成分的一致性，R717与R22最为接近。

[15]

2）理论循环的性能分析

不同制冷剂理论循环的性能指标见表1-3。

表1-3理论循环不同制冷剂的性能指标

从表中可以看出R410A和R410B在单位容积制冷量方面要比R22大将近45%，COP比R22小8%，但是其冷凝压力和蒸发压力要比R22高将近60%。

R717在单位质量制冷量方面要明显高于R22，但是其消耗的单位理论功也要明显高于R22，另外其排气温度、压缩比也要高于R22。

碳氢制冷剂R290和R1270在单位质量制冷量方面要比R22高75%左右，而消耗的单位理论功也比R22高80%左右，因此其COP要稍低于R22。

R134a在单位容积制冷量方面比R22低36%，在冷凝压力和蒸发压力上也要比R22低将近40%。

而R407C与R22在各个性能指标上都比较接近。

在不考虑其他影响因素的情况下，空调工况下与R22性能比较接近的替代工质为R407C、R1270、R290。