二级压缩制冷系统设计讲解.docx
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二级压缩制冷系统设计讲解
1题目要求
设计一个医用低温冷柜所配制冷机组。
要求：
（1）进行制冷循环的热力讣算；
（2）完成各换热器的结构设计；（3）完成主要原件的选型；（4）完成主要部件的图纸。
其中，要求制冷量为600W,冷藏温度为-4（TC,设计工况t。
（环境）=35°Co
2制冷循环的热力计算
初始条件
制冷剂选择R32
蒸发器端部温差5°C,冷凝器端部温差10°C.回热器温差△EC.
曲蒸发器冷凝器端部温差蒸发温度t。
二-45°C,p。
二0.109MP&
冷凝温度tk二45°C,p-z=2.8MPa.
£l=_21L=25.7
P"0109,选两级压缩一级节流中间完全冷却系统。
参数：
h产499.645kJ/kg,h5-=286.315kJ/kg,hr=505.8kJ/kg
hs=275.6kJ/kg,v：
-=0.33m7kg.
1、确定中间压力
=』PkPo=°・55MPg
对应的中间温度为-11.5°Co
在-11.5C上下取一5,-7,-9,-11,-13,-15°C进行计算，取中间冷却器温差
△t=3°C
讣算结果于下表:
参数
-5°C
-7°C
-9°C
-11°C
-13°C
-15°C
S
2.1733
2.1808
2.1883
2.1961
2.2036
2.2116
Pm
0.687
0.642
0.6
0.559
0.522
0.485
514.23
513.75
513.25
512.71
512.14
511.54
h；
196.5
193.09
189.69
186.31
182.95
179.6
h：
585.51
582.08
578.69
575.18
571.83
568.27
572.34
575.03
577.74
580.57
583.3
586.24
山计算公式
COP=目得COP的最大值为1.74,此时对应的最佳温度to=-7°c,相应的参数见上表.
2、高压级与低压级的压力比分别是
^=£^=5.89
Po0.109
热力计算
1、单位制冷量
q0=h、_h?
=306.555kJ/kg
2、低压压缩机制冷剂流量
qwD=^-=0.00196kJIs
Go
3、低压压缩机理论输气量
q忙=血L=°°°196><0・329=°。
。
。
⑹//s皿入d0.8
丄
2d=1-c（^-1）
其中c=4%,m=l,e=5.89.（由《制冷压缩机》得）
4、低压压缩机等嫡压缩功率
仇D=Qmd%-久）=°・15好V
3、低压压缩机轴功率
P=^=—=0.23\kW
0.65
6、低压压缩机实际排气焙值
h一力.
h2=hv+—=607.5kJIkg
JliD
7、高压压缩机制冷剂流量
qniG=Qmn7^—7-=00034kg/sfh~h5
8、高压压缩机理论输气量
q%=如岀1=0.00025m3/s
U3=0.057m3/kgXGx0.7752（由《制冷压缩机》得）
9、高压压缩机等嫡压缩功率
^=qmG（^s-^）=0-208ZrW
10、高压压缩机功率
皆险=22^=0.296阳rJkG°・7
11、高压压缩机实际排气焙值
h4=/?
3+隹_亿=59435kJlkgQg
12、理论性能系数
13、理论输气量比
14、冷凝器热负荷
啓=0皿（尽一入）=1.086kVV
3冷凝器设计
计算中用下标“1”表示制冷剂侧参数，用下标“2”表示空气侧参数。
1、确定冷凝器的热负荷及空气流量：
山热力计算得①E.193kW,取进出口的空气温差t2/z-t/=8.2°C,则空气流量为
V2=——9一「=一—一=0.123m3/s
p2c/）2（/2-f2）1.15x1.005x8
2、结构初步规划：
选迎面风速cv=2.5m/s,沿气流方向排数nL=6,冷凝器选用顺排套片式结构，管用＜l）8X0.5mm的紫铜管，肋片釆用厚为0・2mm的铝片=片间距纵向和横向管间距相等S=20mmo据该初步规划，可计算下列参数：
（1）每米管长的肋片面积Af2
2（52-^1）2（0.022-7CxQ-0084~）
Af2===0.3828m2/m
b0.0018
（2）每米管长的肋片间基管外表面积Ab2
Ab2=；rd（1-^-）=tcx0・0084x（1-°°°°?
）-0.0235m2/m°b0.0018
⑶每米管长的总外表面积A2
A2=Af2+Ab2=03828+0.0235=0.4063m2/m
⑷每米管长内表面积Ai
A1=JTdi=nX0.007=0.0220m2/m
⑸肋化系数B
⑹最小截面与迎风面积之比£
£=（S-4,）9-6）=（20—8.4）（1.8—0.2）=0516Sb20x1.8•
（7）当量直径de
de=2（S_d<）（b_bJ=2x11.6x1.6=?
gl2e_（5-O+（Z?
-dr）一-11.6+1.6-一*
3、空气侧换热系数a2讣算：
Cl2=KCRe/（^-r
dc2de
式中Re2=C2de/V2,C=A（1.36-0.24Re2/1000）,
n=0.45+0.0066（L/de）,m=-0.28+0.08（Re2/1000）,A=0.518-0.02315（L/de）+0.000425（L/de）2-3X10-6（L/de）3L二r>L•S
据已知条件，空气最小截面处的流速C2为
按空气的进出口温度的平均值t2=（tr+r2.）/2=（35+43）/2=39°C查取空气物性参数
值得Re2=832o并经计算得A=0.0709,80.0823,n=0.7316,m=-0.2134所以Q2有
“席皿23焜叫（42.67严-迥咖2・K
4、il•算肋片效率及表面效率：
肋片效率n12=0.942,表面效率n02则有
A0QQOP
n02=1■屮（1-％）=1-（1一°・99）=0.943
0.40o3
5、计算管内侧冷凝换热系数a1：
a1111公式计算,式中C对于氟利昂可选0.683,若用R32的平均温度选取r%和Bm值时，则先假定壁温，设壁温tw=43°C，则R22的平均温度ti=（tk+tw）/2=（45+43）/2=44°C,山表查得r%=21.8,Bm=104,代入公式有
ai=0.683X20.21X1.92X0.007"°25X（tk-tw）-°25=5353.47（tk-tw）-025
忽略管壁热阻及接触热阻，据管内、外热平衡关系有
a1hdj（tk-tw）=耳02a2A2（tk-t/）,即
5353XnX0.007（40-tw）°75=0.896X48.68X0.4063（tw-34.1）
解上式得t『43.33°C与假设十分接近，假设合理，不需重算。
将如代入Qi式则得
a1=5353（40-38.71）°25=4711W/m2•K
6、计算传热系数及传热面积
忽略污垢热阻，则
K2=———」=38.89W/m2•K
如+亘+丄
wA心n（）2a2
而“t=-^-=4.97°C
△ti
所以所需传热面积F2为
Q10869
F2===5.58m2
KQt3&89x4.97
所需肋管总长L=F2/A2=13.374m
7、确定空冷冷凝器的结构外形尺寸
若取垂直气流方向管的列数nb=4则每根管有效长度Li=L/（nb・nL）=0.57m,高H=nb•S=0.08m,深L2=nL•S=0.12mo考虑迎面风速不均匀性，取Li实际长为0.61m,所以迎风面积Fy=LiH=0.61X0.08=0.0488m2,则实际迎面风速Cy=V2/Fy=2.52m/s,与假设的迎面风速相符。
8、选择风机
空气流经错排平板肋片管冷凝器进行换热时，流动阻力
AP=0.1107（―）（/^）L7x1.2（Pci）
de
〃_2（s、b-d“b—2h&）e~-2h+b-3
式中p——空气密度，1.124kg/m\
I——每根肋管的长度，加；
//——空气在最窄截面上的流速，也/$；
de当量直径，加；
S、、b、h、6、心分别为管子中心距、肋片间距、肋片高度、肋片厚
度、肋管外径。
求得AP=155（Pa）外部风道阻力△出取0,所以，风机功率为：
P=^!
L=o.O26kW
HP
qma=qYap是空气质量流量，〃为风机效率取0.8,p是空气密度。
取电动机容量的安全裕量为1.15,求得电动机功率为0.03&W,最后选定已生产的电动机标准Pa0.03kWo
空气横向流过平套片、顺排肋片管的阻力用下式计算
Ap2=9.8la（土）（p、cJ：
=9.810X.007X42.7X（1.15X4.85）17=54.47Padc…
式中a为考虑表面粗糙度的系数，对粗糙表面肋片0=0.0113,对光滑肋片C1=0.007o
该冷凝器的额定风量由前面讣算可知V2=0.123m3/s=444m3/h,若选用一台风机，则需每台风量为444m3/h,风机静压按上面计算pst可取55Pa,全压
P*=Pst+Pd=55+P2Cy2/2=58.59Pa
根据风压，电动机功率以及风量，选择T35-11系列轴流式风札机号为3.15,其中电动机的型号为YSF-5024・
4蒸发器设计
已知：
制冷量①。
二600肌蒸发温度匚二-45°C；工质为R32;制冷剂循环流量加
=7.056kg/11,空气的送风温度为-40°C；空气的回风温度为-4rCo
设计计算
1、主要参数选择
（1）冷空气的有关参数
1送回风温度下水蒸气的饱和压力
送风：
pedF0.01283kPa
回风:
P^=0.01093kPa
2空气的含湿量d
d=0.622=0.622爾也
B_P&如
式中，B为空气压力，取B=l,01X10:
kPa;Pz为水蒸气分压力送风与回风的含湿量分别为
0.9x0.1283
101-0.94x0.0128
0.95x0,01093
101-0.95x0.01093
空气的比焙
h=1.Ok+"（2500+\Mt）kJ/kg；经计算,得
送风比焙：
h{=233.06kJ/kg
回风比焙：
h2=232.05kJ/kg
（2）风量选择风量％•。
为
式中，J为空气的比体积。
按送风、回风的平均温度-41・5°C确定.
按此风量选用一台风量为1500/n3///的轴流风机，可选择T35-11系列轴流式风机，机号为3.15,其中电机型号为YSF-5024.
（3）选定风机后，空气的比焙及送风温度
1空气通过蒸发器的比焙值少7
劭二①型二］BkJ/kgq-，Va
2送风时空气的比焙值人
hA=h2+AA=0.75kJ/kg
3查h-d图，查得送风温度仍为-40°Co
（4）蒸发器初步结构的初步规划
1取010x1的铜管，外套铝片。
铝片间距b二2mm,厚度5二0.2mm,管排数N二4,每排管子数n二8根。
管子按三角形排列，管间距s二0.024m。
2最窄流通面积Fe与迎风面积F、之比
孑上警斗572
③最窄流通面积巴与迎风面积F、
Fe=—
U
式中，"为最小截面处流速，通常取»=3—6/n/5,取3.5m/s,代入上式后得
Fe=0.1095m2
再求出人
r
=00278=0.191/
'0.54
④蒸发器高度，耳度及管长
高度
A=ns=0.192m
厚度
B=Mcos30°二0.083m
每根管子的长度/'二二二0.995m
A
管子总长度/二山N二31.8m
（5）肋片管参数及管内、外表面积
1六角形肋片单侧的表面积
BfBf兀7
F=6（—）（—cot60°）--6/；=1417.95m
22
2lm长管上，肋片的表面积耳
=2Fn/=0.28m2/in
式中卩为每米管子上的肋片数
3lm长管子上铜管的表面积耳
Frt-屈。
（1一nfd）=0.0308nr/m
4lm长管子上，总的外表面积巧#
化“二耳+伤二0.3108nrIm
5总的外表面积、肋片表面积和铜管外表面积外表面积Ft）f=FOJ1l=9.88m2
肋片表面积Ff=Ftll=8.904m2
铜管外表面积Fr=Frll=Q.98m2
6总的表面积斤
F尸切』二0.788m2
7外表面积与内表面积之比值
0=乞=12.4
2、传热计算
（1）空气侧放热表面传热系数如•
按公式如二（半严4（£严
bbb
式中b——肋片间距，m；
do管外径，m；
h——肋片高度，m；
空气在管束最窄截面处的流速，沁S；
空气的运动黏度，4.56208xl0"〃『/s；
k——空气的导热率，0.0142W/（m・°C）；
c,n——系数，对六角形肋片c二0.203,“二0.65。
将各种数据代入计算公式中得
Re,-=3101如二113.0W/（m・°C）
（2）管内沸腾放热
1质量流速
每8根管子连接成一根蛇管，共得8根管。
因制冷剂循环量亦二7.056匕/〃,故质量流速为
（M/36OO）°”〃2、
二二9.7okg/（nr-s）
2管内放热表面传热系数九
R32在管内蒸发的表面传热系数按公式
牛y（25化卢+6（即巧
h严0.023（"（1~A）/-）Q-8叫】®=34.4W/（tn2•K）
Co=（—）o-8（^-）0-5=0.0434
%Pi
2
B二幺=2.054x10"Fr二J--=8.5x10」
gr'9.8才0.
ht=867.22W/（m2K）
式中h,——管内沸腾的两相表面传热系数，W/（m2-K）;
瓜——液相单独流过管内的表面传热系数，W/（〃『・K）；
Co——对流特征数；
——沸腾特征数；
Fr｝一一液相弗劳得数；
g质量流率,kg/（m2-5）；
A'——质量含气率；
0——管内径，0.01m;
//,——液相动力粘度，2.537-5；
k}——液相热导率，0.1819W/（〃?
・K）;
P,——液相普朗特数2.2284；
pg气相密度,4.0671；
p、——液相密度，1194.374Rg/〃F；
q一一按管内表面计算的热流密度，取700W/"F；
Fn——取决于制冷剂性质的无量纲数。
式中的G，C2,C3,C4,和C,为常数，它们的值取决于C。
的大小；Co<0.65,
C]=1.1360,C?
=—0.9,C3—667.2,C—■0.（,=0.3。
3析湿系数纟
W=]+%+Cp,tm-%（〃”厂血）/1000
Cf»n~fw
因管内热阻较小，故可近似地取避免温度为蒸发温度，t.=to=-45°C其它数据为dFO.2g/kg干，tF（ti+tJ/2二-40.5°C.止二d+dj/2二0.069g/kg干.
c?
o=l.0050kJ/kg・°C.
最终求得
"1.0308
4迎面风速3f
zySy
=〒=2.Olm/s
5霜密度Pu
P.=340匸T"55+25肚
近似地取ts=to=-45°C,则
PF110.4m3/kg
6析湿量
q1000
7一个融霜周期的霜平均厚度5U
110.4x9.88
戈=0.5（型）=0.5（竺竺3竺型）=i.gl0怙
P片…八
歹=（Q-l）（l+0.351nQ）
P=Bf/如
p=1.063/7=1.063®/〃o
R（）=2^°
代入已知数据可得
r]f=0.8621
⑥对数平均温差山〃
△：
=•丄「=4・58°C
t—z
%一4
⑦传热系数仏
Ko=Z—F―-
式中
hof空气侧放热表面传热系数，W/（m:
•°C）；
%一一管内制冷剂放热表面传热系数，W/（m2-°C）；
人一一管内表面的污垢系数，m'・°C/kW；
Fof,Ff,F「分别为管外的总面积、肋表面积和铜管表面积；
g——析湿系数。
将各种数据代入Ko的汁算公式后，得到
K0=27.3W/（m:
・°C）
按管内表面积汁算的热流密度6
《=689闪/存
计算表明，假设的q初值700W/m2与核算值689W/m:
较接近，偏差小于2.5%,故假设有效。
所需管内面积初步设计的内表面积Fi
F=鱼=0.78<0.799
G
（3）融霜管功率P
设计规定，每15h要融霜一次，以保证冷风机之正常运转
①一个融霜周期的结霜量m
m=WX3600Xt=1.13kg
2将融霜化成水所需之热量Q
Q=cJmAt+myi
Ci冰的比热容，Ci=2,05kJ/（kg-°C）
Yi冰的溶解热，YL334kJ/kg
At库温与0°C
带入计算得Q=427.4kJ
3融霜管功率
P=—
1t为融霜周期，取t=10min.带入得P二0.787kW
取P二0.8kW
5回热器设计（壳盘管式结构）
参数冷凝液入口tr=45.2oC,出口t1M=42.3°Co流量Mx=0.0034kg/s;
制冷剂蒸汽入口S二一450出口t「=70°C,流量M：
=0.00196kg/s;
■
At=5°C过热度
热负荷:
Q二乩（h「-hj二0.0034X6.6=0.02108kJ/s.
乂因为Q=M：
（h5*-h5）所以h5=275.6kJ/kg.
1、初选传热系数
Ko=3OW/（m•°C）2、对数平均温差
87.46-85.2
.87.46
In
85.2
3、估算传热面积
4、取15X1.0钢管.管长为
0.00824
=62.08m
5＞壳体内径取600mm=0.6m绕数为
n=A=32・9nD
6、取每圈间距为:
d=20mm,壳体长度L2=l.15m7、壳程流通截面积
.A/】0.0034nnin.
A.=———==0.010〃厂
Px似11
3.036
ssxl
8、壳程接管直径
芈=0.1128m
由钢管标准相近规格：
取115X4
9、管程流速
V］=\m/s
^■=r^7^=,2658-2310、管程换热系数
分钗023曲皆=1^x0.023x12658.2^x1.787^
热阻r=0.00017（m2•°C）/W
壳程壳侧壁面温度：
假定t=42°C。
此时壳侧换热系数为
_2
11、传热系数
k=［丄+1;|+如匚。
+丄仏］t=33.988W/（/n2・°C）q•/・a24
传热面积
F=-^―=用=7.73xl（r6〃『＜8・23x106m2
kAtm85.33x34稍才
12、检验壳测壁温
"“一哙+GM=42.5-34x（祐+0.00017）x8533
71.95VV/（/h2-°C）
41・4°C
与假定温度t-10°C相差0.6°Co
6中间冷却器设计（壳盘管式结构）
1、换热量
Q二q“二（hs-hj二0.00196X（275.6-193.09）=0.162kW
2、蒸发量
Qtt*二qp^O.0034~0.00196—0.0014kg/s3、盘管设计计算
取＜l）10X0.7钢管初选换热系数Ko=6OOW/（m3-K）得平均温差及钢管换热面积
—J—=49.2°Ctk—f开
2.3lg-=
t-r;
钢管管长
A
I==0.406/n
h心
取盘管内流速为0.7m./s,雷诺数与努希尔数
辰=泌=空筋竺＜0.00逆=5.86XIO4
“&91x2
Nu=0.023Re08Pr03=0.023x（5.86xlO4）08x1.833°」=179.75
换热系数
Nu=—
/"+皿=晋灯97.875=539加WK
4、筒体设计计算
取筒体内径D二300mm二0・3m・设壁温J二38°C•山
Cp4
5取0.02,s二1.7,求得q=793.6W/m:
=0.7936kW/m2.所以,
Qi二r=0.35kW
a=g=_222_=o.4W
1q0.7936
厶=4=0.35加nD
c=4.96W°37m0-66•KhFcq067=1164.89W/m2・K
Qpqf（hs—hJ二一0・176kW
取气体流速v=0.5m/s
门codj0.5x0.0010cc—c
Rc.=一==3816.8
-v1.31X10'6
A^u.=0.4x3816.606x0.856°%=53.31
h产糾厂船®493.和沁《
493.6-0.2心
Atm2=.93.6=15>2
In
0.2
Q.O.173xlO3、
=——=—==0.124〃厂
Atm/b15.2x93.3
A0.124nin
人===0.10m
7rD^x0.4
5.传热系数
K=[—+rvl+如小+丄如广=318・9W/m2K
a=0J62=
KAm
=0.162x10一ooi加2vo[24加2
318.9x49.2
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