分体式热泵空调机设计文档格式.doc
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本次课程设计的设计内容为——设计分体热泵型房间空调器。
根据设计参数进行制冷/热泵系统的方案设计和热力计算，选配制冷压缩机，设计室外和室内换热器，完成辅助设备的计算和选用，以及制冷系统管路设计。
1.设计目的和要求
1.1目的
本课程设计是“制冷及低温技术原理”的重要教学环节之一，通过这一环节达到了解制冷系统的设计任务、设计步骤和基本原则，学习设计计算方法，巩固所学知识，培养学生运用所学知识解决工程问题的能力。
1.2要求
1）了解制冷装置设计的一般步骤；
2）培养运用设计规范、设计手册的能力；
3）能正确应用所学知识进行设计计算；
4）初步具备绘制装置图纸的能力。
2.设计任务
设计一台分体式热泵空调器，使其额定制冷能效比EER不小于3.0。
制冷剂采用R22。
进行热泵空调器的方案设计、热力计算、选配制冷压缩机（定频或变频）、设计室外和室内换热器、完成辅助设备的计算和选用、制冷系统管路设计、根据设计规范命名空调器的型号，并确定其能效等级。
室内外机均采用翅片管式换热器，气候类型为T1（温带气候），室外气象资料查规范《房间空气调节器GBT7725-2004》[9]。
室内机采用挂壁式。
3.设计依据
1.《房间空气调节器GBT7725-2004》[9]
2.《GB12021.3-2010房间空气调节器能效限定值及能效等级》[10]
3.《压缩机选型设计规范》[7]
4.《流路设计规范》
5.《毛细管冷媒量匹配设计规范》
6.《制冷系统保护设计规范》[8]
7.设计原始资料
3.1设计原始资料
类型：
气候环境T1（温带气候）
使用地区：
重庆
房间类型：
家居卧室
房间面积：
15m2
结构形式：
分体式F
主要功能：
热泵型R
冷却方式：
风冷式
压缩机控制方式：
定频型
制冷剂:
R22
房间面积、使用类型、使用地区见表1。
表1空调房间的基本资料
房间面积（m2）
房间类型
所在地区
15
家居卧室
重庆
根据我国主要城市的室外空气气象参数表查得，重庆地区气象参数见表2。
表2重庆地区气象参数
季节
大气压力（kPa）
室外计算干球温度（0C）
室外计算干球相对湿度（%）
室外平均风速（m/s）
夏
97.32
36.5
75
1.4
冬
99.12
2
82
1.2
根据“采暖、制冷、冷热负荷设计估算指标”，查得重庆地区冷热负荷经验值：
家居卧室冷负荷180-200W/m2,家居卧室房间热负荷为70-110W/m2。
现取单位面积热负荷100W/m2，单位面积冷负荷200W/m2，则总冷负荷QL和总热负荷QR分别为：
QL=3000W
QR=1500W
表1-1列出改设计说明书中常用的参数符号说明，其他符号将在计算过程中进行说明。
表1-1常用符号说明
应用场合
参数名称
符号
单位
蒸发器
要求制冷量
Q0r
W
制冷量（蒸发器热负荷）
Q0
单位质量制冷量
q0
kJ/kg
蒸发温度
T0
℃
冷凝器
要求制热量
Qkr
制热量（冷凝器热负荷）
Qk
单位质量制热量
qk
冷凝温度
tk
热力循环图
蒸发温度下饱和气相温度
T1
蒸发温度下饱和气相比焓
h1
蒸发器出口温度
T1'
蒸发器出口比焓
h1’
压缩机吸气口温度
T1"
压缩机吸气口比焓
h1"
压缩机吸气口比体积
v1”
m3/kg
压缩机排气口温度
T2
压缩机排气口比焓
h2
压缩机排气口比体积
v2
冷凝温度下饱和液相温度
T3
冷凝温度下饱和液相比焓
h3
冷凝器出口温度
T4
冷凝器出口比焓
h4
蒸发器进口温度
T5
蒸发器进口比焓
h5
制冷剂理论质量流量
qmt
kg/s
制冷剂实际质量流量
qma
制冷剂理论体积流量
qvt
m3/s
制冷剂实际体积流量
qva
容积系数
ηv
压力比
ε
压缩机功率
理论比功
wt
理论功率
Pt
kW
指示功率
Pi
轴功率
Pe
电功率
Pel
电效率
ηel
性能系数
COP
其他参数
水的比热容
C
kJ/（kg·
℃）
传热温差
Δt
热水器的热负荷
Qw
加热水所需热量
Qw’
kJ
加热水时间
τ
min
换热面积
A
m2
传热系数
K
W/（m2·
K）
热流密度
q
W/m2
4．热力计算
4.1夏季单独制冷
制冷循环在p-h图上的循环曲线如4-1图所示：
图4-1制冷循环图
根据该循环，分别讨论不同工况下制冷循环的各项热力循环参数，计算如下文所示。
根据图4-1所示的蒸发温度5℃、冷凝温度45℃。
过热度：
5℃
过冷度：
从p-h图上查的各点的参数如表4-1所示：
各点数据如下所示：
序号
温度T（℃）
压力P（MPa）
比焓h（kJ/kg）
比体积v（m3/kg）
5
0.5838
406.970
0.040171
1
10
410.860
0.041464
67.6
1.7290
438.643
3
40
249.674
4
表4-1p-h图各点参数
热力计算过程如下：
（1）由上表数据得单位质量制冷量
q0=h0－h4=406.970－249.674=157.296（kJ/kg）
（2）制冷剂理论循环的质量流量
qm=Q0/q0=3000/157.296=0.0190723（kg/s）
单位容积制冷量
qzv=q0/v0=3915.66055kJ/m3
（3）实际输气量与理论输气量
qvs=qm×
v1=9.53616×
10-3×
0.041464=0.7908×
10-3m3/s
qvh=qvs/λ=0.3954×
10-3/0.9=0.8786×
10-3m3/s（λ为容积效率=0.9）
（4）冷凝器入口处制冷剂的比焓值h2s
h2s=h1+（h2-h1）/ηi=441.730kJ/kg
冷凝器热负荷
Qk=qm×
（h2s-h3）=0.0190723×
441.730=3664W
（5）压缩机理论比功
w=h2-h1=438.643kJ/kg-406.970kJ/kg=31.673kJ/kg
指示比功（取ηi=0.9）
wi=w/i=31.673kJ/kg÷
0.9=35.192kJ/kg
压缩机理论功率
P=qm×
w=0.0190723×
31.673=0.6040KW
压缩机指示功率
Pi=qm×
wi=0.0190723×
35.192=0.6712KW
压缩机轴功率（机械效率0.9）
Pe=Pi÷
ηm=0.6712÷
0.9=0.7458KW
压缩机电功率
Pel=Pe÷
ηmo=0.7458÷
0.9=0.8286KW
（6）性能系数
理论值
指示值
（7）热力学完善度
逆卡诺循环的性能系数为
COPc=TL/（TH-TL）=（273+5）/（45-5）=6.95
因此指示循环效率为
η=COPi/COPc=0.66
4.2制热工况
通过查《采暖通风与空气调节设计规范GBJ19-87》[6]（15页舒适性空调相关参数的确定和129页室外气象参数），确定冬季舒适性空调室内温度范围为18℃-22℃，相对湿度应采用40-60%，风速应不大于0.2m/s。
并查得重庆地区冬季采暖温度为2℃；
室内20℃（干球温度）。
蒸发温度设为-3℃，冷凝温度设为40℃；
过冷度5℃，过热度10℃。
制冷循环图如下：
蒸发温度:
t0=-3℃,tk=40℃
过冷度5℃，过热度10℃。
循环特征点的状态参数：
-3
0.4507
404.280
0.054573
7
408.490
0.018217
70.2
1.5335
438.633
35
249.101
（1）压缩机理论比功
w=h2-h1=438.633kJ/kg-408.490kJ/kg=30.143kJ/kg
wi=w/i=30.143kJ/kg÷
0.9=33.492kJ/kg
（2）冷凝器入口的制冷剂比焓值h2s
h2s=h1+（h2-h1）/ηi=441.982kJ/kg
（3）冷凝器单位热负荷
（4）通过调节阀改变制冷剂循环的质量流量为
（5）制热量为
而所需制热负荷为ΦR=15×
100=1.50kW
由以上计算可知：
故设计是合理的。
（6）压缩机理论功率
又
故压缩机电功率
则：
5.系统选型、设计
5.1压缩机选择
所需制冷量为3.0KW，压缩机指示功率Pi为0.6712KW，理论输气量为0.8786×
10-3m3/s.
制冷剂为R22，根据上述计算可知压缩机电功率为0.8286KW
根据《2013美芝压缩机手册》[7]选择美芝G1型R22压缩机系列的PH165G1C-4DZH，其性能参数如表5-1所示：
表5-1美芝G1型R22压缩机系列的PH165G1C-4DZH的性能参数
机型
排量（cm3/rev）
制冷量（w）
功率（w）
能效比（w/w）
电容（V）
压缩机高度（mm）
排气管内径（mm）
回气管内径（mm）
PH165G1C-4DZH
16.4
3525
945
3.94
35/370
285
8.2
9.8
储液器直径55mm,底角27度，直径150mm
5.2夏季制冷工况下蒸发器的设计
以夏季单独制冷的工况为例，设计蒸发器（即室内换热器），设计与计算程如下：
夏季室内换热器为蒸发器，选择强制对流式空冷蒸发器，制冷循环如前所述，
则已知条件如下表5-2所列：
参数说明
参数值
空气侧进气干球温度
ta1
27
空气侧进气湿球温度
ts1
18
气压（绝对压力）
pb
101.32
kPa
制冷剂侧蒸发温度
t0
制冷剂侧蒸发压力
p0
2147
制冷量
1500
表5-2夏季制冷工况
计算过程中，参数全部采用国际标准单位，仅书名计算结果的单位，计算公式中省略单位。
如有不采用国际标准单位情况，将作特殊说明。
（1）选定蒸发器结构参数
紫铜管选用，翅片选择铝套片，管束按正三角形叉排列，其他参数见表4-5
铜管外径
do
mm
铜管内径
di
8.0
翅片厚度
δf
0.2
翅片热导率
λf
237
翅片间距
sf
2.2
垂直于流动方向的管间距
s1
25
表4-5蒸发器结构参数
（2）蒸发器几何参数计算
翅片为平直套片，考虑套片后的管外径为
由管束的正三角形叉排排列，则沿气流流动方向的管间距为
沿气流方向套片的长度为
每米管长翅片的外表面面积
每米管长翅片间的管子表面面积
每米管长的总外表面面积
每米管长的外表面面积
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
（3）计算空气侧干空气表面传热系数
1）空气的物性参数
空气的平均温度为
查得空气在此温度下的物性约为：
密度ρa=1.194kg/m3，定压比热容
cpa=1005J/（kg·
K），普朗特数Pra=0.7026，动力粘度νa=15.38×
10-6m2/s。
2）最窄处界面处的空气流速
3）空气侧干表面传热系数
（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h-d图可得h1=55.6kJ/kg，h2=40.7kJ/kg，d1=11.1g/kg，d2=9.2g/kg。
在h-d图上连接空气的进出口状态点1和点2，并延长与饱和空气线相交于w点，该点的参数是hw"
=29.5kJ/kg，tw=9℃，dw"
=7.13g/kg。
则在蒸发器中，空气的平均比焓为
在h-d图上按过程线与hm=47.1kJ/kg线的交点读得tm=21.4℃，dm=10g/kg。
析湿系数可由下式确定：
（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：
故循环空气量的体积流量为
（6）空气侧当量表面传热系数的计算
当量表面传热系数
对于正三角形叉排排列的平直套片管束，翅片效率计算如下：
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A/B=1，且ρm=B/db，其中B=s1，故
肋片折合高度为
故在凝露工况下的翅片效率为
当量表面传热系数为
（7）管内R22蒸发时表面传热系数的计算
R22在蒸发温度t0=5℃时物性参数如下：
液体密度：
1264.311kg/m3，气体密度：
24.848kg/m3，
气体比容：
0.0402439m3/kg；
汽化潜热：
201.244kJ/（kg*K）；
饱和压力：
583.78KPa；
液体粘度：
；
气体粘度：
饱和液体比定压热容：
1.184kJ/（kg*K）；
饱和气体比定压热容：
0.761kJ/（kg*K）
液体导热率0.093W/（m*K）；
蒸汽导热率0.00977W/（m*K）；
液体普朗特数：
=2.64；
蒸汽普朗特数=0.914。
已知R22进入蒸发器时的干度x1=0.2391，出口干度x2=1.0，则R22的总质量流量为
下面进行迭代计算，取热流密度qi=10.0kW，R22在馆内的质量流速为qi’=87kg/（m2·
s），则总的流通截面面积为
每根管子的有效流通截面面积为
蒸发器的分路数
取Z=5，则每一分路中R22的质量流量为
每一分路中R22在管内的实际质量流速为
于是
采用经验公式：
由上面计算结果，时，则C2=-0.9；
C5=0.3；
C4=0.7；
C1=1.136；
C2=666.2；
Ffl=2.2
（8）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
（9）传热系数的计算
式中：
由于R22与聚酯油能互溶，故管内污垢热阻可忽略。
根据文献，翅片侧的污垢热阻、管壁导热热阻及翅片与管壁间的接触热阻之和可取4.8×
10-3m3·
K/W。
（其中，为翅片污垢热阻；
为管壁导热热阻；
为翅片与管壁间接触热阻）
（10）核算假设的qi的值
则假设的qi初值为10000W/m2与核算值10599W/m2较为接近，偏差为6.0%<
10﹪,故假设有效。
（11）蒸发器结构尺寸的确定
蒸发器所需的内表面传热面积
蒸发器所需的外表面传热面积
蒸发管所需传热管总长
迎风面积
取蒸发器长L=830mm，高H=275mm，则实际迎风面积
前面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
深度方向（沿气流流动方向）为2排，共布置24根传热管，传热管实际总长为
传热管的实际内表面传热面积为
则
即计算有一定的裕度。
由于上述计算未考虑制冷剂蒸气出口处的过热度，而当蒸气在管内被加热时，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℃，过热所增加的换热面积仍可高达10%-20%，所以上述设计是合理的。
（12）R22的流动阻力及其对传热温差的影响
根据经验公式可计算R22在管内蒸发时的流动阻力如下
代入数据得Δp=2.06kPa，则Δp/ps=0.20%（ps为蒸发压力），则流动损失在饱和压力中所占比例较小，可忽略不计，则计算可靠。
（13）风量及风机的选择
进口温度为27℃，重庆地区夏季大气压力为97.32kPa，查空气的物性参有密度:
ρ=1.1297kg/m3,翅片宽度:
0.0433m
动压：
（相对静压太小可忽略）
静压：
微元最窄界面的当量直径
干工况空气流动阻力：
对于错排布置的蒸发器流动阻力增加20%，即
对于湿工况，阻力修正系数查得为1.53，则：
风机全压
其中ΔP2为蒸发器前过滤网阻力取40pa,ΔP3为出风栅阻力取10pa,ΔP4为机外余压取40pa。
循环空气量
风机采用电动机直接传动，则传动效率=1；
取风机全压效率=0.6，则电动机输入功率为：
选择GFD365-120型风机，功率40，风量大于580m3/h
铜管外径×
壁厚
d0×
δ
10×
mm×
翅片类型
平直铝套片
换热量
QL
3000
沿流动方向的管排数
nl
分路数
Z
垂直于气流方向每排管数
nz
12
迎面风速
uf
2.0
m/s
蒸发器长度×
宽度×
厚度
L×
H×
B
830×
275×
4.5
风机风量
qv
630
m3/h
风机功率
P
w
风机静压
H
118.7
pa
表4-6蒸发器总体结构参数
5.3冷凝器选型
采用强制通风空气冷却式冷凝器
冷凝器设计工况如表5-4所示
冷凝温度tk
45
进出口空气温差
8
进口空气干球温度ta1
30
出口空气干球温度ta2
38
表5-4
（1）有关温度参数及冷凝器热负荷的确定。
对数平均温差
由《小型制冷装置设计指导》[1]图3-1查得R22在冷凝温度45℃，蒸发温度5℃时的冷凝负荷系数C0=1.19,则冷凝器热负荷为
=4190W
（2）翅片管簇结构参数选择及计算
选择φ12mm1mm的紫铜管为传热管，选用翅片厚度σ=0.15mm的波纹形整张铝制套片。
取翅片节距=2mm，迎风面上管中心距=25mm，管簇排列采用正三角行叉排。
单位管长有关传热面积：
/m
=+=0.4581/m
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