风冷热泵性能设计计算毕业设计说明书.doc

本 科 毕 业 设 计 计 算 说 明 书 题 目 风冷热泵性能设计计算 系 别 机 械 工 程 系 专 业 热能与动力工程 班 级 能动901 学号 学生姓名 指导老师 2013 年 06 月摘 要风冷热泵型热水机组发展迅速，1996年比1995年增长近二倍。我国的能源政策和环境保护政策是促进热泵技术迅速发展的主要因素热泵空调系统在中国的应用迅速增长，目前家用空调器总量60%为热泵型甚至在较为寒冷的北京地区，有许多用户也喜欢在集中采暖期前后应用热泵型空调机组来采暖，冬季供应热水，夏季供应冷水的电动风冷机组在集中式空调系统中得到了广泛的应用，今后的应用将更为普及。本设计为风冷热泵设计，结合所学知识以及工程实际设计资料（经济效益、环境效益），要求优化管路流程，充分发挥换热能力。该设计详细介绍了系统方案的确定和该系统循环热力计算、压缩机的选型计算、冷凝器的选型校核、蒸发器的选型校核、节流机构的选型、经济性分析。 关键词：热泵；风冷；循环ABSTRACT Air-cooled heat pump hot water unit developed rapidly in 1996 than in 1995, an increase of nearly tripled. Chinas energy policy and environmental policy is to promote the rapid development of heat pump technology is a major factor in heat pump air conditioning system in China is rapidly growing, currently 60% of total household air-conditioner heat pump even in the colder regions of Beijing, there are many users Like the centralized heating period before and after the application of heat pump type air conditioning units for heating, hot water in winter, summer, supply of cold water in an electric air-cooled central air conditioning system has been widely used, future applications will be more popular. air conditioning system has been widely used, future applications will be more popular. The design for the air-cooled heat pump design, combined with the knowledge and practical engineering design information (economic and environmental benefits), requires optimization of process . The design details of the system and the system determines the program cycle thermodynamic calculation, sizing the compressor, condenser selection checking, evaporator selection, throttle bodies selection, economic analysis.KEY WORDS: heat pump; air; circulation 目 录摘 要IABSTRACTII目 录III1绪论11.1 设计目的11.2 设计要求：11.2.1 设计具体要求12设计任务、依据及方案32.1 流程设计及热力计算3 2.1.1 流程图设计32.1.2 循环热力计算设计参数32.2风冷热泵系统设备选型42.2.1压缩机的选型计算72.2.2冷凝器的设计校核10 2.2.3蒸发器的选型计算 162.2.4节流机构选型计算262.2.5四通换向阀的保温272.2.6风机及配用电机的选型282.2.7制冷剂充灌量293辅助设备选型和经济性分析303.1 辅助设备选型303.1.1管路过滤系统303.1.2气液分离器303.1.3干燥器30 3.2 热力经济性30 3.2.1经济性分析计算30致 谢32参考文献33 1绪 论 1.1设计目的： 通过风冷热泵的设计，综合应用所学的基础理论和专业知识，分析和解决问 题，掌握设计和开发的基本方法和技能，了解风冷热泵的发展趋势，为今后更好的从事相关工作和学习打下良好基础。 1.2 设计任务： 工质为R410a额定工况制冷量：12.8 KW；额定工况制热量：15 KW；额定工况： 制冷工况 室内干球温度27，湿球温度19； 环境温度Ta=35，湿球温度24 制热工况 环境温度Ta=7，湿球温度6 制冷剂：R410a；电源：50Hz，220V。 1.2.1 设计要求： 系统流程的设计；循环的热力计算；蒸发器和冷凝器的设计并进行校核；压缩机、节流机构的选型计算；完成系统流程图、蒸发器和冷凝器结构图；翻译英文论文一篇；技术经济分析；计算程序。2 设计计算方案2.1 系统流程根据所学专业知识以及设计要求进行风冷热泵系统流程的设计，并在此基础上画出系统流程图，进行循环的热力计算。 2.1.1 风冷热泵流程图设计2-1风冷热泵系统流程图 2.1.2 循环热力计算1、室内外空气状态参数的确定制冷运行： 室内干球温度27 室内湿球温度19室外干球温度35 室外湿球温度24 2、风冷热泵运行参数的确定根据文献P283表7-11和P284表7-14，选取参数如下：蒸发温度冷凝温度有效过热度5有效过冷度5吸气温度201、循环参数及压焓图名义工况下，制冷循环参数及室内、外空气参数如下：蒸发温度7.2,冷凝温度54.4,膨胀阀前液体温度46.1,出口温度15,吸气温度20;室内干球温度27,湿球温度19.5,室外干球温度35,湿球温度24。根据条件绘制循环的-图，如图5所示。图2-2 循环过程在p-h图上的表示各点参数值，查R410a热力性质表和图（附表和附图），得循环各特征点的状态参数如下表1： 表1 p-h图中各特征点状态参数表状态点 /MPa2、热力计算（1）基本性能指标的计算 单位质量制冷量(kJ/kg) =420-220 kJ/kg =200 kJ/kg 单位理论功(kJ/kg) =-=470-425 kJ/kg=45 kJ/kg 制冷系数 容积系数式中，相对余隙容积，取为1.2% 冷凝压力（排气压力）（） 蒸发压力（吸气压力）（） 膨胀指数，取为1.05 压力损失系数 温度系数式中，冷凝温度 蒸发温度 压缩机前吸气温度对R410a：A=，B=，所以，= 泄露系数近似取= 输气系数= 压力比（2）当总制冷量已给定，设计或选配压缩机 制冷剂的循环量 压缩机的实际输气量= 压缩机的理论输气量=求出的的数值可作为设计或选配压缩机的依据。2.2 风冷热泵设备选型2.2.1压缩机选型计算压缩机的实际输气量= 压缩机的理论输气量=求出的的数值可作为设计或选配压缩机的依据。计算压缩机的功率 压缩机的理论功率 压缩机的指示效率式中， 吸入点比体积，单位为 压力比吸、排气阀平均压力降，单位为Pa,压缩开始及终了时的比焓，单位为膨胀指数取，则，= 压缩机的机械效率取 压缩机的指示功率 压缩机的轴功率 电动机效率取= 电效率= 输入电功率=（4）实际制冷系数的计算空调机由制冷向制热的转变主要是靠四通换向阀改变制冷剂在系统中的流路，故其计算参照制冷循环热力计算。计算方法参照文献P21。1、单位吸热量2、单位理论功3、单位实际功4、电机输入单位理论功5、压缩机实际排气状态焓值6、单位制热量7、循环制热系数8、压缩机质量流量9、热泵制热量10、压缩机的轴功率11、电动机输入功率因为本设计的设计工况与压缩机的测试工况一致，所以所选压缩机不用再经过测试。根据额定制冷量，查文献P286表7-16，选用压缩机厂生产的空调用QW78-3.75G，涡旋式压缩机，额定制冷量为13688W，电机输出功率为3.75kW，属电容运转型（PSC），电源为50HZ-220V，高度430 mm质量40kg,均能满足设计要求。 本设计选用压缩机厂生产的空调用QW78-3.75G涡旋式压缩机。参数如下：名义制冷量：13688W电机输出功率为3750W电源：50HZ-220V额定电流：6.5A电机类型：属电容运转型（PSC）质量：40.0kg。其中标注的尺寸为H=430mm, D=183mm。2.2.2冷凝器设计计算 本设计选用强迫对流空冷式冷凝器（如图2）。其原因如下：首先，空冷式冷凝器不用水，冷却系统变得十分简单，而且省去水处理，除水垢等方面的费用，因此随着近年来，水资源日趋紧张，所以已经大量使用空冷式冷凝器，特别是在R410a制冷系统中更适合应用空冷式冷凝器。其次，强制对流用于小型制冷和空调装置，空气以23m/s的迎面风速横向掠过管束带走制冷剂的冷凝热，由于空气侧放热系数极低，为强化传热，在传热管上加有肋片。 由有关温度参数及冷凝热负荷确定各有关温度参数其取值见表2表2 冷凝器温度参数表项目参数值（）项目参数值（）冷凝温度54.4进出口空气温差10进口空气干球温度35出口空气干球温度45对数平均温差 R410a在=54.4、时的冷凝负荷系数 =1.19，则冷凝热负荷 翅片管簇结构参数选择及计算选择的紫铜管为传热管，选用的翅片是厚度的波纹型整张铝制套片。取翅片节距，迎风面管心距，管簇排列采用正三角形叉排。每米管长各有关传热面积分别为：.每米管长翅片侧面面积 注：翅片一般有一次翻边，且利用翻边保证均匀的翅片节距，则翅片根部外沿直径；又波纹片侧面积与平片侧面积误差很小，按平面计算。.每米管长翅片间管面面积 .每米管长翅片侧总面积 因翅片厚度较小，翅顶面积忽略不计，则.每米管长管内面积由文献P201附录8干空气的热物理性质（），查得空气在平均温度条件下、 ,在进风温度条件下， 冷凝器所需空气体积流量 选取迎面风速，则迎风面积取冷凝器迎风面宽度即有效单管长，则冷凝器的迎风面高度，对叉排管簇，迎风面上的管排数分别为由于冷凝器有效单管长l、迎风面高度H、迎风面管排数N这三个量互相联系，且它们的值影响到后面流通方向管排数n的校合，所以留到后面与流通方向管排数n一起计算，这里只列出公式。确定所需传热面积、翅片管总长及空气流通方向上的管排数，若采用整张波纹翅片及密翅距的叉排管簇，则空气侧传热系数由文献公式（611）乘以1.1再乘以1.2进行计算。预计冷凝器在空气流通方向上的管排数，则翅片宽度微元最窄截面的当量直径 最窄截面风速因为查文献表3-18，用插入法求得=0.15，n=0.623,C=1.151,m=-0.210,则空气侧表面传热系数 因为 R410a饱和液物性值可得：则物性集合系数B 式中，-冷凝液的导热系数 -冷凝液的密度 -制冷剂的比潜热 -冷凝液的动力粘度所以，则R410a在管内凝结的表面传热系数 翅片相当的高度由文献公式6-16计算得，式中，C=1.063是由于按等边三角形叉排排列取铝片热导率，由文献公式6-15计算翅片参数m，即由文献公式6-14算翅片效率即表面效率由文献公式6-13计算得即忽略各有关污垢热阻及接触电阻的影响，则，将计算所得有关各值代入文献公式6-20式中，-壁面平均温度 -外壁面温度 -内壁面温度 -空气进出口平均温度，所以， 选取适当，使上式左右两边相等，用试凑法，解上式得=49.1代入文献公式6-17中，则R410a在管内的凝结表面传热系数为取管壁与翅片间接触电阻，空气侧尘埃垢层热阻，紫铜管热导率文献公式6-21计算冷凝器的总传热系数式中，-紫铜管壁厚-紫铜管每米管长平均面积，所以， 冷凝器的所需传热面积所需有效翅片管总长空气流通方向上的管排数 取整 排，与计算空气侧表面传热系数时预计的空气流通方向上管排数相符。冷凝器有效管长66-96m实际传热面积33.7较计算所需传热面积大9.2，满足冷凝负荷传热要求。本设计选用强迫对流空冷式冷凝器。其结构示意图如图2所示。参数如下：传热管:紫铜管，翅片: 厚度，波纹型整张铝制套片节距:迎风面管心距管簇排列采用正三角形叉排冷凝器长：500mm冷凝器宽：86.6mm冷凝器高：312.5mm空气流通方向上的管排数n:4迎风面上管排数N：12冷凝器传热系数：30.39W/m.K 图2-3 空冷式冷凝器主体结构示意图2.2.3蒸发器设计 本设计采用直接蒸发式空气冷却器，并采用强制对流方式。其主要优点如下：（1）结构紧凑，安装尺寸小；（2）不用载冷剂，而直接靠液态制冷剂的蒸发来冷却空气，冷损失少，且房间降温速度快，起动运行时间短。（3）管理方便，易于实现运行过程自动化。1、蒸发器进口空气状态参数 蒸发器进口处空气干球温度t=27，湿球温度t=19.5,查得，空气的h-d图，得蒸发器进口处湿空气的相对湿度=48%，比焓值h=56kJ/kg（干空气）,含湿量d=11.3g/kg(干空气)。2、风量及风机的选择 蒸发器所需风量一般按每kW冷量取0.05m/s的风量，故蒸发器风量为q=12.80.05=0.64m/s=m/h3、蒸发器进、出口空气焓差及出口处空气焓值蒸发器进、出口空气焓差 h = h-h = = kJ/kg = 16.66 kJ/kg蒸发器出口处空气焓值 h= h-h = 56-16.66 kJ/kg = 39.34 kJ/kg设蒸发器出口处空气的相对湿度=90%，则蒸发器出口处空气的干球温度=16.5，含湿量=10.3g/kg.将h-d图上的空气的进、出口状态点1、2相连，并延长与饱和线相交，得t=14.5,h=40.5 kJ/kg。4、选定蒸发器的结构参数采用强制对流的直接蒸发式蒸发器，连续整体式铝套片。紫铜管为10mm0.5mm,翅片选用=0.15mm的铝套片，翅片间距=1.8mm。管束按正三角形叉排排列，垂直于流动方向管间距S=25mm，铝片热导率=203W/（mK）。图2-4 计算单元5、计算几何参数翅片为平直套片，考虑套片后的管外径为 =D+2=（10+20.15）mm=10.3mm以图6-1示出的计算单元为基准进行计算，沿气流流动方向的管间距为 S=Scos30=25 mm =21.65mm 每米管长翅片的外表面积a= 2(SS-d) =22521.65-(10.3) m/m=0.5088 m/m每米管长翅片间的管子表面积 a=d(S-) =10.3 (1.8-0.15) m/m =0.0321 m/m每米管长的总外表面积 a= a+ a=(0.5088+0.0321) m/m=0.5409 m/m每米管长的外表面积a=d1=0.01031 m/m =0.0324 m/m由以上计算可得每米管长的内表面积 a=d1=0.0091 m/m =0.0283 m/m肋化系数 =19.11肋通系数它是指每米肋管外表面积与迎风面积之比，即 a=21.64净面比它是指最窄流通断面积与迎风面积之比，即 =0.5396、计算空气侧干表面传热系数(1)空气的物性空气的平均温度为由文献附录干空气的热物理性质（）查得空气在22下的物性为：(2)最窄截面处空气流速取迎面风速=2.5m/s,则最窄截面处流速为 =m/s=4.6 m/s(3)干表面传热系数干表面传热系数可用文献式计算 7、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，在图6-2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（）相交于点，该点的参数是，。在蒸发器中空气的平均比焓为图6-2 湿空气的状态变化在h-d图上按过程线与线的交点读得，。析湿系数可由下式确定8、循环空气量的计算进口状态下干空气的比体积可由下式确定故循环空气的体积流量为9、空气侧当量表面传热系数的计算当量表面传热系数 对于三角形叉排排列的平直套片管束，翅片效率可由文献式（6-52）计算，叉排时翅片可视为六角形，而且此时翅片的长边距离和短边距离之比，且，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10、管内R410a蒸发时表面传热系数的计算查文献附录和文献，得R410a在时的物性为：饱和液体比定压热容饱和液体焓饱和蒸气焓饱和液体密度饱和蒸气密度气化热饱和压力液体黏度液体热导率液体普朗特数R410a在管内蒸发的表面传热系数可由文献P115式（4-5）计算。式中，管内沸腾的两相表面传热系数，单位为； 液相单独流过管内的表面传热系数，单位为； 对流特征数； 沸腾特征数； 液相弗劳德数； 质量流率，单位为； 干度； 管内径，单位为； 液相动力粘度，单位为； 液相热导率，单位为； 液相普朗特数； 气相密度，单位为； 液相密度，单位为； 热流密度，单位为； 气化潜热，单位为。取决于制冷剂性质的无量纲系数，按文献1表4-2 各种制冷剂值的取值，所以取上式中、和为常数，它们的值取决于的大小 当 当 以下开始代数计算：首先计算R410a进入蒸发器时的干度，可由文献P218式7-5计算R410a在蒸发器入口处的，则又知出口干度，则R410a的总质量流量为作为迭代计算的初值，取。R410a在管内的质量流速，则总流通截面为每根管子的有效流通截面蒸发器的分路数取Z=9，则每一分路中R410a的质量流量为每一分路中R410a在管内的实际质量流速于是， 所以 11、传热温差的初步计算12、传热系数的计算式中，考虑外表面积灰等所形成的附加热阻，对于 热泵用蒸发器，可取 取=0.0008，故13、核算设定的值偏差计算表明，设定的初值与核算值较接近，偏差小于2.5%，故设定有效。14、蒸发器结构尺寸的确定蒸发器所需的表面传热面积蒸发器所需传热管总长迎风面积 = 取蒸发器长（即每根肋管的有效长度），蒸发器高。已选定垂直于气流方向的管间距为 ，故垂直于气流方向的每排管子数为 取为14深度方向（沿气流流动方向）为4排，共布置56根传热管，传热管的实际总长度为本设计采用强制对流的直接蒸发式蒸发器。结构与蒸发器相近。参数如下：传热管:紫铜管，翅片: 厚度，连续整体式铝套片节距:迎风面管心距管簇排列采用正三角形叉排蒸发器长：550mm蒸发器宽：43.3mm蒸发器高：237.5mm空气流通方向上的管排数n:2迎风面上管排数N：14蒸发器分路数：3路蒸发器传热系数：44.41W/m.K 2.2.4节流装置毛细管是最简单的节流装置，它无运动部件，不易发生故障，运行可靠。适合用于蒸发温度变化范围很小、负荷比较稳定的制冷设备，如家用冰箱、房间空调器、除湿机等小型全封闭式制冷装置。因此，本设计选用毛细管作为节流装置。1、毛细管的选择计算为制冷设备选配节流用毛细管时，一定要使毛细管的长度、内径与制冷装置的工况条件相匹配。目前选配毛细管的方法，一般用计算法或图解法初步估算毛细管的内径和长度，然后用实验方法确定毛细管最佳尺寸。在本设计中由于条件有限，不能够进行实验，所以只能选用图解法进行初步估算 初步估算毛细管的内径和长度 实际应用中，选择毛细管时，首先应计算毛细管的相对流量系数，表示每根毛细管的实际流量与标准毛细管流量之比值，即。式中，毛细管的相对流量系数； 每根毛细管的实际流量； 标准毛细管流量。的数值由热力计算中求得的制冷剂循环量除以蒸发器的分路数而获得，由前面的计算可知，=50制冷剂循环量在作一水平线，在图中找到A、B、C、D、E、F、G、H，8个点，这9个点分别表示在供液能力相同的情况下的9组毛细管尺寸，列表4如下 表4 毛细管尺寸表点号（）ABCDEFGH0.90.951.01.21.31.41.51.60.50.550.61.52.53.55.06.555557960012501923250033334063经过比较，实际经验取值，选取C组的毛细管尺寸，。实际调试后，再综合原材料规格及运行效果调整并确定毛细管尺寸。2.2.5四通换向阀的选择本设计为热泵，必须装有四通换向阀以实现夏季制冷和冬季制热的转换。我们选用时要选用推荐最大容量略大于本设计制冷量、制热量的产品。根据以上选用原则，查文献P162表7-8 四通换向阀型号规格，选择型号为DHF5的四通换向阀，名义容量为4500，进气接管外径尺寸8，排气接管外径尺寸10。2.2.6风机及配用电机的选择1、概述在热泵中，为了强化管外空气侧的换热，增加气侧换热系数，对冷凝器和蒸发器均采用强迫对流，见表5。表5 风机列表风机类型特点轴流式风机效率较高，风量大，噪声大，风压较低，适用于配用空冷式冷凝器贯流式风机它的转子较长，出风均匀，风压低，噪声小，使用于分体式空调机组中的室内机组本设计的任务就是给室内、室外机组选择合适的风机及配用电机。 室外风机（选择轴流式）由于冷凝器的迎风面宽度为L=500mm ,高度H=312.5mm,所以平行安装一台风机比较适宜。查文献P201表6-34小型轴流风机系列参数和P255表6-62 FZL型系列轴流式通风机性能表，选用350FZL-02型轴流式通风机，主要技术参数，见表6。表6 轴流风机参数表型号风机电动机风量（m/h）风压(Pa)风叶直径(mm)声功率级dB(A)质量(kg)电压(V)相数频率(Hz)功率(W)转速(r/min)T30N93193648.8300582.72201501001400 室内风机（选择贯流式）由于蒸发器长L=550mm，宽 B= 43.3mm，所以串联连接两台贯流式风机为宜，中间以电动机相连。根据有关资料，选择GL40260型贯流式通风机两台，叶轮名义直径40mm,叶轮长度260mm。电机输入功率15W。2.2.7 制冷剂充灌量的计算 采用毛细管后制冷系统的制冷剂充灌量一定要准确，因为毛细管的阻力值与充灌量有密切关系。对于热泵而言，故系统内制冷剂的充注量对制冷机的经济、安全运行起着重要作用。充注量过少，蒸发器只有部分管壁得到湿润，蒸发器面积不能得到充分利用，蒸发量下降，吸气压力降低，蒸发器出口制冷剂过热度增加，这不仅使循环的制冷量下降，而且还会使压缩机的排气温度升高，影响压缩机的使用寿命；充注量过多，不仅蒸发器内积液过多，致使蒸发器压力升高，传热温差减小，严重时甚至会产生压缩机的液击现象，而且会使冷凝器内冷凝后的制冷剂液体不能及时排出，使冷凝器的有效传热面积减少，导致冷凝压力升高，压缩机耗功增加。由此可知，在一定工况下，系统内存在一个最佳充注量问题。据文献P331介绍，系统的制冷剂充注量可用下式估算： 式中，系统制冷剂充灌量，单位为； 蒸发器容积，单位为； 冷凝器容积，单位为。由前面的计算可知，蒸发器的总传热管长为53，冷凝器的总传热管长为70考虑到弯管等因素，现取蒸发器、冷凝器的总传热管长为55和70，相应的各自容积为所以，该系统的制冷剂充注量为3 风冷热泵系统管道及辅助设备选择3.1管路及辅助设备的选择空调器的制冷系统中，除了前述的压缩机、冷凝器、节流机构、蒸发器、离心风机和轴流（或贯流）风机外，尚有干燥器、气液分离器、电磁阀等辅助设备，各设备之间用管道接通，构成一个封闭系统。所以辅助设备和管道的选型是否合理，也将影响到空调器的运行性能。3.1.1管路系统选型 制冷管路的设计原则是应合理选择管材、管径，尽量缩短管线长度，以减少管路阻力损失，并防止制冷剂产生“闪气”现象。为了简化计算，也可根据已知条件（冷凝温度、蒸发温度、制冷量、管道当量长度、允许压力损失和制冷剂类型）直接从有关图表中查出管道内径和管内制冷剂流速。常用紫铜管的规格见表7。制冷剂管道管径的配置也可根据各设备的进、出口口径的大小适当选配。表7 常用连接管道用紫铜管规格规格壁厚（mm）净断面积（cm）每米长外表面积（m）60.50.50.1960.018960.750.750.1596110.12580.50.50.3850.025280.750.750.3328110.282100.50.50.6360.0134100.750.750.56710110.505120.750.750.8660.037812110.7353.1.2干燥过滤器选型干燥器适用制冷系统中，被装在节流机构前的液体管路上，用来吸附制冷剂中所含的水分。3.1.3气液分离器选型在风冷热泵中，为了防止压缩机发生液击现象，在压缩机入口处都装有气液分离器。3.2 热泵热力经济性指标核算3.2.1热泵经济分析计算评价压缩机能量消耗方面的先进性，可采用两个指标：制冷压缩机的性能系数COP和能效比EER。EER考虑到驱动电机效率对能耗的影响，从单位电动机输入功率的制冷量大小来评价。其定义为热泵进行制冷时，制冷量与所对应消耗的功率之比。热泵在制冷和制热运行时的热力经济性分别为能效比和性能系数。1、 能效比式中，房间空调器制冷量 房间空调器总输入功率 符合要求2、 性能系数式中，房间空调器制冷量 房间空调器总输入功率 符合要求 致 谢这次空气调节毕业设计题目是