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1、精选优质文档-倾情为你奉上郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 HX-3060 恒温循环器 学生姓名 尧 红 超 专业班级 热能与动力工程09-2班 学 号 9 院（系） 机电工程学院 指导教师(职称) 胡春霞(讲师) 完成时间 2013年5月20日 专心-专注-专业目 录3333HX-3060 恒温循环器摘 要本文的目的是为了设计一台采用环保制冷剂R404A的恒温循环器。恒温循环器又称低温浴槽，是自带制冷和加热的高精度恒温源。可在浴槽内进行恒温实验，或通过软管与其他设备相连，作为恒温源配套使用，如旋转蒸发器、电泳仪、粘度计、医用冷帽、降温毯等。或用于给其它设备进行循环冷却，如电镜、分子泵
2、、离子泵、扩散泵、微波治疗机等。本次设计采用单级压缩蒸气制冷循环进行热力计算。根据制冷的基本原理知识，从单级压缩的工作原理，本文较为详细的介绍了恒温循环器的设计计算过程，包括制冷剂、载冷剂的选择，工况基本参数的确定，制冷循环主要部件的设计计算，如压缩机的选型计算，节流结构的选型计算，蒸发器的设计，冷凝器的设计计算。为了完善制冷的技术性能，并保证其可靠的进行，还需要一些辅助设备，可以进行一些选型计算来选择所需要的辅助设备。此次设计关键在蒸发器、冷凝器的设计计算、压缩机的选型计算等。关键词 制冷剂R404A /换热器/节流装置/压缩机/冷凝器The HX-3060 constant tempera
3、ture circulatorABSTRACTThe purpose of this paper is to constant temperature circulator design a use of environmentally friendly refrigerant R404A. Constant temperature circulator is also called low temperature bath, is of high precision constant temperature source with refrigerating and heating. Can
4、 be constant temperature experiment in the bath, or connected with other equipment supporting the use of hose, as a constant temperature source, such as a rotary evaporator, electrophoresis, viscometer, medical cold cap, cooling blanket. Or for other equipment cooling, such as electron microscopy, m
5、olecular pump, ion pump, diffusion pump, microwave therapy machine. This design adopts single stage vapor compression refrigeration cycle thermodynamic calculation. According to the basic principle of knowledge of refrigeration, from the working principle of single stage compression, this paper intr
6、oduces in detail the design and calculation process of constant temperature circulator, includes a refrigerant, refrigerant selection, to determine the basic parameters, design and calculation of main parts of refrigeration cycle, such as compressor selection calculation, calculation and selection o
7、f throttling structure the design calculation, evaporator, condenser design. In order to improve the technical performance of refrigeration, and ensure its reliable, also need some auxiliary equipment, can undertake some selection to select the auxiliary equipment needed. The design of the key in th
8、e evaporator, condenser, compressor design calculation of type selection calculation.KEY WORDS refrigerant R404A，heat exchanger，throttling device，compressor，condenser1 单级蒸汽压缩制冷系统概述1.1 单级蒸气压缩制冷系统一个典型的单级蒸气压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器节流元件和蒸发器四个部分组成。四个部件之间用管道连接起来就组成了一个简单的单级蒸汽压缩制冷系统。1.1.1 单级蒸气压缩式制冷系统组成单级蒸气压缩式制冷系统由压缩机
9、、冷凝器、节流元件和蒸发器组成。其工作过程如下：制冷剂在蒸发压力下沸腾，蒸发温度低于被冷却物体或流体的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸气，并将它压缩到冷凝压力，然后送往冷凝器，在冷凝压力下等压冷却和冷凝成液体，制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质（通常是水或空气）与冷凝压力相对应的冷凝温度一定要高于冷却介质的温度，冷凝后的液体通过膨胀阀或其它节流元件进入蒸发器。当制冷剂通过膨胀阀时，压力从冷凝压力降到蒸发压力，部分液体气化，剩余液体的温度降至蒸发温度，于是离开膨胀阀的制冷剂变成温度为蒸发温度的两相混合物。混合物中的液体在蒸发器中蒸发，从被冷却物体中吸取它所需要的气化潜热1。混合物中的
10、蒸气通常称为闪发蒸气，在它被压缩机重新吸入之前几乎不再起吸热作用。1.1.2 单级蒸气压缩式制冷系统中各部件的作用在整个循环过程中，压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸气并造成蒸发器中低压力、冷凝器中高压力的作用，是整个系统的心脏；压缩机是用来把低压制冷剂蒸汽变成高压的制冷剂蒸汽的一个机器。压缩机的吸气端和蒸发器相连，吸收低压的制冷剂蒸汽；另一端与冷凝器相连，把高压的制冷剂蒸汽排到冷凝器冷凝；制冷剂蒸汽通过压缩后温度和压力都升高了，压缩机消耗外界的功，把这部分功转变成了制冷剂蒸汽的能量，即制冷蒸汽的焓值2。 节流阀对制冷剂起节流降压作用并调节进入蒸发器的制冷剂流量。节流元件是将高温高压的制冷剂液体变成
11、低温低压的制冷剂液体的一个元件，制冷剂在节流元件中流动的过程称为节流，节流过程可近似的看作绝热过程。蒸发器是输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物体的热量，从而达到制取冷量的目的。蒸发器是低温低压的制冷剂液体与需要制冷的介质进行热交换的器件，需冷介质进行热交换后放出热量温度降低，制冷剂在蒸发器中吸热蒸发是在等温条件下进行的，相应的温度和压力称之为蒸发温度和蒸发压力，单位时间内制冷剂在蒸发器中从需要制冷的介质中吸收的热量称为蒸发器的制冷量，也是整个系统的制冷量。冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中吸取的热量连同压缩机消耗的功所转化的热量的冷凝器中被冷却介质带走。冷凝器是将高温高压的制冷剂蒸汽
12、变成高温高压的制冷剂液体的一个换热设备，高温高压的制冷剂蒸汽在冷凝器中与冷却介质进行热交换而得到液化。液化过程是在等温等压下进行的，此时的温度成为冷凝温度，压力成为冷凝压力。单位时间内制冷剂在冷凝器中向冷却介质排放的热量称为冷凝器的热负荷。根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起了补偿作用，使制冷剂不断从低温物体中吸热，并向高温物体放热，从而完整个制冷循环。1.2制冷剂制冷剂又叫冷媒、制冷工质，是指在制冷系统中实现制冷循环的工作介质。在压缩式制冷循环中，利用制冷剂的相变传递热量，即制冷剂在蒸发过程吸热，在冷凝过程放热。它是在制冷系统中不断循环并通过其本身的状态变化以实现制冷的工作物质。制
13、冷剂在蒸发器内吸收被冷却介质（水或空气等）的热量而汽化，在冷凝器中将热量传递给周围空气或水而冷凝。1.2.1制冷剂分类制冷剂又叫冷媒、制冷工质，是指在制冷系统中实现制冷循环的工作介质。在压缩式制冷循环中，利用制冷剂的相变传递热量，即制冷剂在蒸发过程吸热，在冷凝过程放热。常用的制冷工质可分为CFCs、HCFCs 、HFCs三大类，而前二者属于被替代类制冷剂3。制冷剂的具体分类如下所示：无机化合物H2O，NH3，CO2 饱和碳氢化合物的卤素（氟氯溴）衍生物（俗称氟利昂）,主要为甲烷和乙烷的衍生物。如R12，R22，R134a.饱和碳氢化合物 ,如丙烷C3H8，异丁烷。 不饱和碳氢化合物：乙烯C2H
14、4，丙烯C3H6。共沸混合制冷剂 R502 非共沸混合制冷剂R404a1.2.2制冷剂满足的要求制冷工质或制冷剂的选择对制冷循环及制冷机的性能有重大影响。制冷剂根据其不同的应用场合有着不同的要求，通常需要满足以下要求：1） 制冷剂的热力性质好。2） 制冷剂具有适宜的饱和压力和压力比。3） 对容积式压缩机，希望有较大的单位体积制冷量qv，这有利于减小压缩机的尺寸；对离心式压缩机，因过小的尺寸反而会造成制造上的困难，故需要qv较小的制冷剂。4） 制冷机具有较低的压缩终了温度。5） 良好的流动性。6） 较好的换热特性。7） 与润滑油的相溶性好。8） 从安全角度考虑制冷剂应无毒、不燃烧、不爆炸。9）
15、具有良好的化学稳定性，不与油、水、金属材料及密封材料产生化学反应，制冷剂本身在高温下也不易分解。10）易检漏。11）价格低，容易获得。1.2.3制冷剂的替代对于R22的替代问题，目前国际上有不同的路线。利用氢氟烃(HFCs)类替代物来替代R22是广泛采用的方式。但对不同类型的设备，往往采用不同的替代物，有时候不同国家和地区也不一定完全相同。目前不同的国家和地区，对不同类型的设备，往往采用不同的替代物，例如美国、加拿大、意大利等多数国家的研究注意力主要集中于R407C和R410A上，并倾向于在家用空调器中使用R410A，在大中型制冷空调中使用R407C；而欧共体国家则均倾向于R407C。研究表明
16、，其运行性能如容量和效率都可以替代R22用于较低蒸发温度的场合，计算和实验表明，R404A具有与R22相近的制冷性能特别是在蒸发温度和冷凝温度低的情况下。目前R404A广泛使用在商业制冷系统中，如市场展示柜，低温热泵也使用愈来愈多。用R404A替代的最大问题是润滑油问题，目前可用POE替代矿物油，并应选择合适的POE和不同的压缩机相配。此外，它们一些实用方面的问题还需要进行深人研究，如润滑油的吸水性、互溶性、水解性和稳定性，还有润滑油、替代物与材料的相容性，以及排气压力高带来的安全问题。目前这些HFC混合物的产量有限，制冷剂的价格还较高，达到商业化还需要几年的时间4。氨与R22 相比具有良好的
17、制冷性能,通过在两个较小的制冷系统中对氨和R22 的一些运行特性进行比较,显示出R22 在热交换器内的性能及压缩机效率方面与氨存在着较大的差异。这两个制冷系统采用完全一样的螺旋冻结器和制冷机组,所有的部件和制冷管路的设计都一样(除了氟利昂系统的回油系统) 。唯一不同的是一个系统用氨,另一个系统用R22。在相同的工况下运行,二个系统的差别完全是由于制冷剂的特性不同所致。从性能比较看,R22 制冷系统在冻结量和冻结时间基本相同的情况下,R22 制冷系统所需压缩机单位轴功率比氨系统高约18 %5。在本次恒温循环器设计中，制冷剂将采用R404A制冷剂。R404A滑移温度小，在大气压力下只有0.8的温度
18、滑移，它的性质与R22非常相近，因此采用灌注式替代对原R22系统改动较小。而且R404A还是一款由HFC类物质组成的混合制冷剂，不含任何破坏臭氧层的物质，其ODP值为0，是目前世界上公认的R502制冷剂的长期性替代品之一。国内外对于采用R404A的低温制冷系统或空调制冷机组的性能研究较多。1.3换热器的选择在工业制冷系统中, 制冷换热设备一般按照换热器在制冷装置中所起的作用进行分类, 可以分为蒸发器、冷凝器、经济器、中间冷却器、冷却器、液化器等, 如果按照换热器的结构来分类, 又可分为管壳式换热器与板式换热器。冷凝器是制冷循环四大关键部件之一，它是一种制冷剂向外放热的热交换器6。从压缩机出来的
19、高压、高温制冷剂蒸汽经过分离润滑油污以后进入冷凝器管间，受到管内冷却水的冷却放出热量，在一定的压力和温度下凝结成饱和液体并不断流入贮液器。制冷时，将液体通过节流阀降压、降温进入蒸发器吸收冷媒水的热量而汽化，低压、低温的制冷剂蒸汽又被压缩机吸入，完成制冷循环。冷凝器中冷却水及水温是蒸发器设计的重要参数，南北方所使用的冷却水温相差较大在蒸发器设计时应有所区别 否则会影响蒸发器的使用性能7。蒸发器是一种伴随有蒸发（沸腾）相变的热交换器，制冷剂液体通过蒸发器吸收被冷却介质（通常是水或空气）的热量蒸发(沸腾)为蒸汽8。它在制冷系统中的作用是对外输出冷凉，冷却被冷却介质。在主机或空调器中通过分组使用换热器
20、可增加空调机在保持房间空气温度不变的情况下, 排除空气中的多余水分的功能。热泵机组的工作原理与制冷剂原理基本相同, 不同的是热泵机组比冷水机组多了一个四通换向阀, 通过换向阀的换向作用使机组能分别进行冬夏两种循环。冬季室内换热器作为冷凝器, 氟里昂在其中从气态变成液态, 起到制热的作用, 同时室外换热器作蒸发器用; 夏天室内换热器作蒸发器用, 随着氟里昂的蒸发汽化, 从而起到制冷作用。有一种融霜系统可在不停机不改变制冷剂流向的情况下解决融霜问题, 这种融霜系统的原理就是将室外换热器(冬季运行为蒸发器, 夏季运行为冷凝器) 分组使用来实现的。其工作原理为: 室外换热器分为左右两组, 融霜时, 由
21、电子控制中心指挥电磁阀切换, 压缩机排气管路分二路, 一路进入室外机左组或右组进行融霜，一路仍进入系统制热, 既保证压缩机不用停下来, 可以在融霜整个过程中机组连续运行, 待一路融霜完毕, 二路排气热量全部去制热, 过一段时间, 另一组蒸发器融霜, 以此循坏不止运转。融霜时间长短根据实际需要, 自动控制, 保证能把霜融化, 保证机组长期稳定运转。从而解决了由于空气寒冷地区热泵机组融霜压缩机起停频繁的问题, 同时也一定程度的减少了系统的冷热抵消, 节约能量, 提高效率9。冷凝器中的冷却水和水温是蒸发器设计的重要参数，南北方所使用的冷却水温相差较大，在蒸发器设计时应有所区别，否则会影响蒸发器的使用
22、性能10。冷却水进口温度的高低是计算冷凝器换热面积的主要依据，当换热面积确定后，冷却水量和水温决定着蒸发系统参数的变化， 也决定着蒸发量的大小，不同地区的冷却水温度差别较大，在设计蒸发器时必须对当地冷却水的来源、利用特别水温年度的变化有所掌握，并作为设计的依据，只有这样才能使蒸发器适应环境条件的生产， 才能使蒸发器处于良好的工作运行状态。将先进的热管技术和热管换热设备应用于热能回收领域具有其他传统换热技术和设备无法比拟的独特优点, 热管技术推动了热回收行业的技术进步, 与此同时, 热回收领域的许多难题及需要又反过来促进了热管技术、热管产业的发展。热管是一种充填了适量工作介质的真空密封容器, 是
23、一种高效传热元件, 主要由管芯、管壳和工质组成。热管的制作过程是先将管密闭, 抽成负压, 在此状态下充入少量液体工质。热管的内壁有同心圆筒式的金属丝网(或其他多孔介质) , 称为吸液芯11, 吸液芯内充满液体工质, 当热量传入热管的蒸发段时, 工作介质吸热蒸发流向冷凝段, 在那里介质蒸汽被冷却, 释放出汽化潜热, 冷凝变成液体, 然后在多孔吸液芯的毛细力或重力的作用下返回蒸发段, 如此反复循环,通过工质的相变和传质实现热量的高效传递。套管式热管换热器有两个不同直径的圆管同心相套, 又称其为径向热管, 这是因为其热量传递方向为径向。当外管外侧为高温侧, 内管内侧为低温侧时, 处于真空状态的套管间
24、隙内热侧工质受热汽化膨胀, 与冷侧工质形成高速对流并在冷侧凝结, 即当热量传入热管的外管时, 工作介质吸热蒸发, 流向冷侧, 在那里介质蒸汽被冷却, 释放出汽化潜热, 冷凝变成液体, 然后返回热侧, 如此反复循环, 通过工质的相变和传质实现热量的高效传递12。目前, 空调的节能已经成为一个当务之急,换热器的换热能力以及与系统的匹配情况成为影响制冷系统能耗大小的关键问题。翅片管式换热器在制冷空调领域广泛使用,提高其换热能力的研究成为当今热点问题之一13。在迎风面面积一定的条件下,增加风速可以提高换热量,但同时需加大风机风量,既增加了设备成本也增大了噪声污染,并且随着风速的增加蒸发器换热量的增幅随
25、之下降,因此,应根据具体的应用场合及设计要求进行。在其它参数不变的条件下,翅片间距的减小(或管间距的增大)均能增加传热面积,同时增加换热量,但随着翅片间距的减小(或管间距的增大)蒸发器换热量的增幅随之下降,尤其在风速较大的情况下,超过一定数值时换热量基本不变,因此,需要根据增加成本与换热量增幅的关系具体分析来进行参数的选定。1.4节流装置的选用在制冷系统中的四大部件中，节流装置是其中重要的一个部件，其作用如下：首先，对高压液体制冷剂进行节流降压，保证冷凝器和蒸发器之间的压力差，以便使蒸发器中液体制冷剂在要求的低压下蒸发吸热，从而达到制冷降压的目的；同时，使冷凝器中的气态制冷剂在给定的高压下放热
26、，冷凝。其次，调整供入蒸发器的制冷剂的流量，以适应蒸发器热负荷的变化，使制冷装置更加有效的运转。常用的节流机构有以下几种：手动式膨胀阀、浮球式膨胀阀、热力式膨胀阀以及毛细管等。毛细管是根据“液体比气体更容易通过” 14这一原理工作的。它的供液能力主要取决于毛细管入口处制冷剂的状态以及毛细管的几何尺寸 随着入口压力的提高，毛细管的供液能力增加，毛细管的长度增加，内径缩小相应地使供液能力减小。使用毛细管应注意以下几点：1）在制冷循环的高压侧管路上不能存有制冷剂容一出气易聚集的地方。2）采用毛细管的制冷系统制冷剂的充注量一定要容量是热力膨胀阀的重要特性参数，所以我们必须了解影响容量的主要因素：a）膨
27、胀阀前后的压力差；b）蒸发温度；c）制冷剂过冷度。热力膨胀阀的安装位置必须在靠近蒸发器的地正确。3) 毛细管入口部分应装设200-300目英寸的过滤器(网)，防止污垢堵塞内孔。4) 当几根毛细管并联使用时，为使流量均匀，其后应采用分液器。5) 应在毛细管外包扎异丁橡胶等材料，用以隔声防震。相对于热力膨胀阀, 电子膨胀阀虽然有很多优点。使用电子膨胀阀改造传统的使用热力膨胀阀的制冷设备, 可以实现节能降耗的目的15。1.5压缩机的选择制冷压缩机可分为容积式和速度式两类。容积式制冷压缩机是通过强制缩小控制容积的方式来提高制冷剂气体压力的；速度式压缩机提升制冷剂气体压力的方式是先使吸入的气流获得一定的
28、高速，然后将气流的动压转化为制冷剂气体的静压。容积式制冷压缩机按其压缩部件的运动特点可分为往复活塞式(简称往复式)和回转式两种形式，而后者又可根据结构特点分为滚动活塞式、涡旋式、双螺杆式(简称螺杆式)、单螺杆式等。应用于制冷和热泵系统速度式制冷压缩机基本都是离心式压缩机。离心式制冷压缩机工作时，制冷剂气体由吸气室进入，吸收叶轮的角动量后压力、速度、温度提高，流经扩压器，速度降低，压力提高。气流在复杂形状的流道中流动时存在摩擦和边界层，并且气体参数在不同截面、同一截面不同点处是变化的，因此，级中的流动是三元非定常粘性湍流流动。叶轮是离心式压缩机最重要的部件，它负责由欧拉透平机械方程所描述的能量传
29、输过程，直接决定着整级及至整机的性能和效率，叶轮设计是离心式制冷压缩机最关键的技术。由于离心叶轮内部流动是三元湍流流动，受叶轮旋转和表面曲率的影响还伴有脱流、回流及二次流现象，给试验研究和数值计算带来很大困难，对数值模拟、计算流体动力学及流体机械内部流场理论水平均有较高的要求16。压缩机主要作用是以电动机作为动力，带动压缩机的曲轴旋转，使连杆推动活塞在气缸内作往复运动,从而推动制冷剂在系统中流动.压缩机的工作过程:吸气、压缩、排气、膨胀的循环过程。在小型制冷装置中，通常选用全封闭制冷压缩机。全封闭制冷压缩机的压缩机和电动机全部被密封在一个钢质外壳内，电动机在气态制冷剂中运行，结构紧凑，体积小，
30、重量轻，密封性能好，振动小，噪声低，多用于家用制冷空调设备和小型商用制冷机械中。压缩机由曲轴、连杆组件、活塞、气缸、机体、转子和定子等部件组成 。 1.6制冷系统的过冷与过热制冷剂在进入压缩机汽缸前对其进行过热，使制冷剂蒸汽有适当的过热度便于制冷剂在进入汽缸前充分汽化，这样，不会因蒸发器热负荷的波动而使液态制冷剂进入压缩机汽缸而产生“液击”。因此，使蒸汽在吸入压缩机汽缸前有适当的过热度，有利于保证制冷循环的安全。不过制冷循环的过热对有的制冷剂可提高制冷循环的制冷系数，但对有的制冷剂却减少制冷循环的制冷系数。考虑到制冷循环的安全性，要给制冷剂在吸入汽缸前有一定的过热度。过冷循环可以提高制冷循环的
31、制冷量和性能系数。实现过冷的方法有多种，例如冷凝器内过冷，回热过冷过冷器过冷等，一般过冷度都较小，常常是310。采用打过冷度的方法有：一是机械过冷方法(即：利用一个单独的辅助制冷循环给主制冷循环的制冷剂液体过冷)，其主辅循环需要良好的优化匹配；二是冰蓄冷的方法电力低谷时机组用于制冰白天电力高峰时制冷剂融冰过冷。冰的温度较低可达到0，用它作为制冷剂的过冷剂完全可以实现大过冷度制冷。冷却机组俗称冷冻机、制冷机、冰水机、冻水机、冷却机等，因各行各业的使用比较广泛，所以名字也就多得不计其数。其性质原理是一个多功能的机器，主要通过制冷剂蒸气压缩或热吸收式实现制冷循环。蒸汽压缩冷却机组包括四个主要组成部分
32、蒸发器，压缩机、冷凝器和节流装置。它是利用低压制冷剂液体在低温下与被冷却对象发生热交换以制冷，产生的低压蒸气被压缩机吸入并压缩成高压蒸气，高压蒸气进入冷凝器并凝结为高压液体，高压液体经过节流再次成为低压制冷剂液体，实现循环17。吸收式冷却机利用热源在发生器中加热具有一定含量的溶液，使其中作为制冷剂的低沸点部分被蒸发出来。然后进入冷凝器冷凝成为液体，由节流阀降压到蒸发压力，在蒸发器中蒸发制冷。蒸发器中出来的制冷剂蒸气被发生器中完成发生过程后剩下的溶液吸收，使溶液重新恢复到原有含量，再由发生泵送到发生器中循环使用。本文的目的是为了设计一台采用环保制冷剂R404A的恒温循环器。具体要求是：制冷温度-
33、30，储液容积60L，设计最高环境温度35，最低环境温度0；名义工况是室外空气干球温度32，出水温度-30，回水温度-25；控温精度1；制冷量5KW；冷凝器冷却方式为强制对流风冷；制冷剂R404A；电源为380V，50Hz。在循环热力计算的基础上本文对机组中的主要设备压缩机、换热器、节流装置以及主要辅助设备进行了设计计算和选型。2 循环的热力计算系统循环热力计算的目的是确定循环的性能指标，它包括压缩机容量、功率以及换热设备的热负荷等，为系统主要设备如压缩机和换热器以及其它辅助设备包括管道的设计、选配提供原始数据。在进行热力计算时首先需确定循环及工作参数设计要求。压缩式蒸汽制冷循环是目前制冷设备
34、中广泛采用的一种方式, 作理论分析时把它看作由两个等压过程, 两个绝热过程组成的循环过程。本文采用定性半定量的分析方法, 依据物态方程和热力学的基本关系式, 分析循环过程中的热力学现象, 状态参量变化和功能转换。实际的制冷循环过程涉及较多的变化参量, 分析过程中作如下简化:1) 不计冷凝器和蒸发器中制冷剂压力的变化, 以压缩机的排气压力作为冷凝压力P2, 以压缩机的吸气压力为蒸发压力P1, 冷凝温度和蒸发温度为定值。 2) 节流前后的焓值不变 。3) 压缩过程为绝热过程。绝热过程：压缩机吸入由回气管送来的低温低压的气体, 过热气体在气缸中被快速压缩, 活塞对气体做功。实际的压缩过程是一个压缩指
35、数不断变化的多变过程, 由于过程进展迅速通常认为是绝热过程, 即认为压缩过程是一个绝热不可逆过程。等压冷凝过程 ：冷凝过程是一个等压等温的相变过程。由压缩机出来的高温高压气体在冷凝器中发生物态的变化, 释放出相变潜热, 最后由气体变为液体。节流过程：节流过程中发生的热力学过程最为复杂。在制冷设备中, 节流装置主要有热力膨胀阀、毛细管、电子膨胀阀等类型。蒸发过程：蒸发过程也是一个等压等温的相变过程。由节流出来的低温低压过冷液体在蒸发器中发生物态变化而成为低温低压的气体。蒸发过程可认为是等压膨胀过程, 制冷剂吸收介质的热量使得态函数焓增加。在蒸气压缩式制冷循环中，高低温热源的温度决定制冷剂放热和吸
36、热的温度和压力，相应地决定了制冷循环中高低压侧的压力比。当高低温热源的温度差值不太大，高低压比不太大时，采用单级压缩制冷循环；如果温差大到使压力比超过单级压缩允许的极限值时，则采用压缩过程分级进行的多级压缩制冷循环18，或者采用分段制冷的复叠式制冷循环。选择一个合适的制冷系统不仅能使设计机组更容易的达到制冷要求，而且还能有效地降低成本和消耗，有利于节能减排。从课题的设计要求并综合了各方面因素来看，现拟采用最简单的制冷循环系统，即单级压缩制冷循环。原因主要有以下几个：1）查阅相关资料可知，单级压缩制冷所能达到的温度大约为0-40。2）设计要求的制冷温度为-30，此温度并不算高，用普通的中温制冷剂
37、即可达到要求。3）在单级压缩制冷系统中，制冷器件数量少，易设计及选取，更有利于节约成本。4）系统组成简单，布置结构紧凑，体积更小。由于制冷量只有5KW，若采用多级压缩制冷循环，压缩机及换热器增多，成本加大，系统复杂。所以，本次设计拟采用单级压缩蒸气制冷循环。2.1 设计参数的确定参考相关设计资料和标准，取蒸发温度t0=35，冷凝温度tk=50，过热度t0=2。2.2 循环热力计算图1是系统在制冷运行时的 lg P -h图，其中点0为蒸发器出口状态点；点1为压缩机吸气状态点；点4为进入节流元件前的制冷剂状态。循环的各点状态参数如表1所示。图2.2.1 系统的lg P -h图表2.2.1 各点状态
38、参数点pbartl/kghkJ/kgskJ/(kgK)01.64-33.0117.32348.331.638811.64-23.0114.32356.681.63332S22.9674.359.54415.711.6782322.9674.359.54415.711.6782422.9649.721.11276.831.2539表2.2.2 系统热力计算结果项目数值单位质量制冷量71.5kJ/kg单位容积制冷量609.44kJ/m3制冷剂质量流量0.0699kg/s单位理论功67.38 kJ/kg理论制冷系数1.06冷凝器热负荷9.7 kw3 系统主要设备选型本设计系风冷冷却机组，主要功能是冷
39、却载冷剂，机组另一侧与空气换热。其组成部分包括压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置以及其它辅助设备。3.1 压缩机选型压缩机可以分为两大类：速度型和容积型。速度型的又包括往复式和回转式，其中回转式的有滚动转子式制冷压缩机、涡旋式制冷压缩机、螺杆式制冷压缩机和滑片式制冷压缩机，而速度型的只有离心式制冷压缩机。压缩机按密封方式可分为三种：全封闭制冷压缩机，半封闭制冷压缩机和开启式制冷压缩机。根据冷却机组压缩机的工作原理不同可分为容积型和速度型两大类。容积型主要有活塞式压缩机和螺杆式压缩机。速度型压缩机是指透平式压缩机,也称离心式压缩机。目前我国市面上最多见的也是各个生产商生产最多的几大最有特点的机型活
40、塞式压缩机，螺杆式压缩机，离心式压缩机。离心式压缩机用于压缩气体的主要部件是高速旋转的叶轮和通流面积逐渐增加的扩压器。简而言之，离心式压缩机的工作原理是通过叶轮对气体作功，在叶轮和扩压器的流道内，利用离心升压作用和降速扩压作用，将机械能转换为气体的压力能的。更通俗地说，气体在流过离心式压缩机的叶轮时，高速运转的叶轮使气体在离心力的作用下，一方面压力有所提高，另一方面速度也极大增加，即离心式压缩机通过叶轮首先将原动机的机械能转变为气体的静压能和动能19。此后，气体在流经扩压器的通道时，流道截面逐渐增大，前面的气体分子流速降低，后面的气体分子不断涌流向前，使气体的绝大部分动能又转变为静压能，也就是
41、进一步起到增压的作用。显然，叶轮对气体做功是气体得以升高压力的根本原因，而叶轮在单位时间内对单位质量气体作功的多少是与叶轮外缘的圆周速度密切相关的，圆周速度越大，叶轮对气体所作的功就越大。活塞式压缩机适应性强,即排气范围较广,且不受压力高低影响,能适应较广阔的压力范围和制冷量要求。对材料要求低,多用普通钢铁材料,加工较容易,造价也较低廉。活塞压缩机技术上较为成熟,生产使用上积累了丰富的经验。由于活塞式压制冷压缩机其固有的优点被广泛的应用在家用冷藏箱、冷冻箱、房间空调器、汽车空调器,以及住宅用空调器和热泵。螺杆式压缩机螺旋形转子的空间曲面,加工精度要求高,需用专用设备和刀具来加工，因此市场成本较
42、高。而且由于间隙密封和转子刚度等的限制,目前螺杆式压缩机还不能象往复式压缩机那样达到较高的终了压力。本次设计制冷量只有5KW，属于小型制冷装置设计。蒸发温度 t035，冷凝温度tk=50，因此压缩机要能适应较广阔的压力范围。制冷剂为环保制冷剂R404A。综合以上考虑，并查阅相关资料，本设计中采用的德国比泽尔压缩机有限公司的4PCS-10.2Y型半封闭式压缩机。该型压缩机制冷量数据见表3-1。表3-1 4PCS-10.2Y型相关技术参数型号4PCS-10.2Y缸径行程（毫米）65*42汽缸数4排气量（立方米/小时）48.50最大工作电流（安培）380V 50HZ21.0接管外径尺寸排气管接管35
43、接管外径尺寸吸气管接管28启动工作电流（安培）380V 50HZ59-99底脚安装尺寸（AB）（毫米）295*279油充注量（升）2.63.1.1 计算压缩机在名义工况下的制冷量并校核蒸发温度（）冷凝温度（）吸气温度（）-355020该循环的P-H图如下图所示：图3.1.1 名义工况下P-H图R404A的循环参数如下表：点pbartl/kghkJ/kgskJ/(kgK)01.64-33.0117.32348.331.638811.64-33.0117.32348.331.63882S22.9674.359.54415.711.6782322.9674.359.54415.711.6782422
44、.9649.721.11276.831.2539在设计工况t0-35，50下，综合考虑温度、压力、泄露等因素的影响，输气系数乘以修正系数。已知该型压缩机排气量v排=48.5m3/h。据此，可算出在本设计工况下，该型压缩机的制冷量： Q=5.47kw5kw (2)则选择的压缩机可满足设计要求。3.2 冷凝器设计冷凝器是制冷系统中主要的热交换设备之一。根据设计任务的要求，该冷凝器的冷却方式采用强制对流风冷，它的主要优点是不需要冷却水，安装和使用都很方便。风冷冷凝器的设计主要是根据制冷系统的额定工况确定冷凝器的结构和换热面积，并选择合适的风机类型。冷凝器是制冷装置的主要热交换设备之一。它的任务是通过
45、环境介质（水或空气）将压缩机排出的过热制冷剂蒸气冷却、冷凝成为饱和液体，甚至过冷液体。冷凝器按冷却方式可分为三类：水冷式冷凝器，空气冷却式冷凝器，蒸发式冷凝器。空气冷却式冷凝器以空气为介质，制冷剂在管内冷凝，空气在管外流动，吸收管内制冷剂蒸气放出的热量。由于空气的传热系数较小，管外常常要设置肋片，以强化管外换热。按空气流动方式的不同，空气冷却式冷凝器可分为空气自由流动和空气强制流动两种形式20。 本设计要求采用强制对流风冷冷凝器。它由一组或几组带有肋片的U型管组成。制冷剂蒸气从上部集管进入U型管反复流动。由低噪声轴流式通风机迫使空气流过肋片间隙，通过肋片及管外壁与管内制冷剂蒸气进行热交换，将其
46、冷凝成为液体。这种冷凝器具有结构紧凑、换热效果好、制造简单等优点。已经知道所选压缩机制冷量为5.64 KW，计算可知冷凝器冷凝热负荷Qk=9.7116kw。3.2.1 冷凝器结构规划及有关参数传热管选用7mm0.32mm的纯铜管，d0=0.007m，di=0.00636mm，肋片选用平直翅片（铝片），片厚f=0.115mm。管排方式采用正三角形排列，管间距s1=0.020m，排间距s2=0.01732m，肋片节距sf=0.0018m，沿气流方向的管排数n=5，片宽L=0.0866m。 管外肋片单位面积ff(3)m2/m 肋间管外单位表面积fb为(4)m2/m管外总单位表面积ft(5)m2/m 管内单位表面积fi为(6) m2/m肋化系数为(7)3.2.2 空气侧传热系数计算 3.2.2.1 空气进出冷凝器的温差及风量取进风温度ta1=35, 出风温度ta2=45。温差(8)平均温度(9)风量(10) m3/s平均温度下空气物性参数为：密度m=1.128kg/m3;定压比热容cpa=1.005kJ/(kgk);运动粘度m=16.9610-6m2/s,热导