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1、采用 R410A 为制冷剂的小型风冷式冷水机组设计舒欢;谢应明;韩朱嵩【摘 要】以 R410A 为制冷剂设计的一套小型家用风冷冷水机组.标准工况下,该机组的设计制冷量和制热量分别为 16.5kW 和 18.0kW.在系统热力计算的基础上,介绍了以 R410A 为制冷剂的小型家用风冷冷水机组设备选型过程,选用了制冷量和制热量分别为 16.89kW 和 19kW 的全封闭涡旋式压缩机、实际总管长 144m 和实际传热面积 70.24m2 的翅片管式换热器作风侧换热器,板间距为 0.0032m、单片传热面积为 0.12m2 的板式换热器作水侧换热器,毛细管作节流装置等.【期刊名称】发电技术【年(卷)
2、,期】2011(032)005【总页数】5 页(P18-21,58)【关键词】R410A;风冷冷水机组;涡旋压缩机;板式换热器【作 者】舒欢;谢应明;韩朱嵩【作者单位】上海理工大学,上海 200093;上海理工大学,上海 200093;上海理工大学,上海 200093【正文语种】中 文【中图分类】TU83在本次冷水机组设计中，制冷剂选 R410A 是因为它是一款由 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R22 制冷剂的主要替代品。与 R22 相比，R410A 的制冷量显著提高，因此为设计更小更紧凑的空调设备提供了可能。另外，由于 R4
3、10A 具有近共沸的物性，在整个运行范围内，制冷剂的滑移小于 0.2，故在制冷空调系统中不会发生显著的分离，且不会由于泄漏而改变制冷剂的成分，因此在售后维修的再补充过程中，无需放掉系统中剩余的制冷剂1。本文的目的是为了设计一台满足家用小型中央空调需要并且采用环保制冷剂的风冷式冷水机组，具体要求是：在标准制冷工况下，室外侧进风干、湿球温度为35/24时，制冷量达到 16.5kW，进、出水温度达到 12/7；在标准制热工况下，室外侧进风干、湿球温度为 7/6时，制热量达到 18.0kW，进、出水温度达到 40/45。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
4、备进行了设计计算和选型。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工作参数。通常，非共沸制冷剂在压焓图上压力表现为一条斜线。由于 R410A 的露、泡点温差极小，仅为 0.2，属于近共沸制冷剂，在压焓图中与单一工质的制冷剂无异2， 故本设计热力计算采用单一工质的处理办法。该冷（热）水机组设计要求的制冷量和制热量分别为 16.5kW 和 18.0kW。根据要求，参考相关设计资料和标准，制冷运行时：蒸发温度 t0 为 2，冷凝温度 tk 为50，
5、过热度 t0 取 10，过冷度 tk 取 5；制热运行时：蒸发温度 t0 为0，冷凝温度 tk 为 48，过热度 t0 取 10，过冷度 tk 取 5。图 1 分别是系统在制冷和制热运行时的 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 5 为进入节流元件前的制冷剂状态。系统热力计算结果见表 1。本设计系风冷冷（热）水机组，主要功能是冷却（或加热）水，机组另一侧与空气换热。其组成部分包括压缩机、节流装置和换热器以及其它辅助设备。制冷时，水侧换热器做蒸发器，空气侧换热器做冷凝器；当需要制热时将四通换向阀换向，制冷剂逆向流动，使原来制冷时的蒸发器变为制热时的冷
6、凝器，而原来制冷时的冷凝器作为制热时的蒸发器使用，系统如图 2 所示。下面分别对组成系统的设备选型进行论述。涡旋压缩机虽然是近十余年来才开始实用化的一种新型压缩机，但因其没有吸气阀和排气阀，因而工作可靠、寿命长久；其效率比活塞式压缩机高 10%以上，比转子式压缩机高 5%以上；对液击不敏感，可允许少量带液压缩；运转平衡，振动小； 吸排气过程连续、大大降低排气脉冲等优点使其成为目前最先进的一种压缩机，其 制冷量范围一般在 440kW4，综合考虑本设计中采用大连三洋压缩机有限公司的 C-SBN523H8D 型全封闭涡旋式制冷压缩机，该型式压缩机制冷量数据见表 2。根据以上数据计算得该型式压缩机的制
7、冷量 Q0 约为 16.89kW，而机组的设计制冷量 Q0 为 16.5kW，经校核计算，得：式中 Q0C-SBN523H8D 型压缩机的制冷量，kW； Q0机组设计制冷量，kW。误差在 5%以内，选择的压缩机可满足设计要求。制热运行时，无参数表可查，询问三洋技术员的结果是在 19kW 左右，校核得同样满足误差要求。2.2.1 风侧换热器的选型风侧换热器大都采用翅片管式换热器，换热管为紫铜管。与光管相比，使用内螺纹 强化传热管，传热系数可提高 20%以上。外翅片材料为铝，片厚 0.150.25mm， 节距 2mm 左右。本设计中，选用了强制对流空冷式换热器，它是由一组带翅片的盘管构成。空气在管
8、间强制通过，而制冷剂在管内流动，这种换热器的传热效率高、占用空间小，但需配以风扇来实现强制风冷。翅片管在制冷运行时作冷凝器用，计算得冷凝器的实际总管管长为 144m，实际传热面积为 70.24m2，另外在制热运行时对已选型的翅片换热器进行校核计算并最后确定其结构尺寸如图 3 所示。由于该翅片管换热器为强制风冷却式，所以要对风机进行设计选型。风机的选择是根据冷凝器的迎面风的宽带和高度来计算动压和静压两项参数，并由此两项参数来计算电动机的输入功率，最后由此功率做参照来选择合适的风机。经计算电动机输入功率 P 为 185.4W，根据计算结果，所需风量较大。由输入功率参考风机规格选用 T35-11、T
9、40-11 系轴流风机。查此系轴流风机性能参数表后选用 5 号机，该 5 号机叶轮周转 25.1m/s，风量4129m3/s，效率 0.88，轴功率 0.079kW，功率 0.088kW，电机型号 YSF-8026。2.2.2 水侧换热器的选型水侧换热器一般为套管式换热器和板式换热器。板式换热器因具有传热效率高、结构紧凑、充液量小以及重量轻等优点使其成为使用最广泛的换热器型式之一。由于板式换热器板片间流道窄，只有 25mm；板片结垢或受流体中夹带的异物阻塞时对换热器性能的影响大，因此，在使用板式换热器时应特别注意对水质的要求， 并采用相应的水过滤措施；板式换热器作为蒸发器使用时，要有必要的防冻
10、保护措施；另外由于板式换热器内无制冷剂贮存能力，因此制冷系统中必须配有贮液器5。板式换热器在制冷运行时作蒸发器使用，在制冷运行时计算选用型号为 BRB0.1T 型-1 号板式换热器，其单片传热面积为 0.14m2，板片数为 9，板间距为0.0032m，其结构尺寸如图 4 所示。在制热运行时板式换热器作冷凝器用，工况温度升高，致使两侧动力粘度大幅减小，而制热量为 18kW，仅仅提高了 9%。因而雷诺数大幅增加，加剧了对流换热的能力，对流换热系数大幅增加，换热面积减小，所选板式换热器完全可以达到换热需要。空调机组中常用的节流装置有热力膨胀阀和毛细管等。毛细管是一根内径很细（一般在 0.62mm）的
11、紫铜管，它适用于工况比较稳定的制冷剂系统，广泛用于家用冰箱和中小型空调器，所以本设计也选择了毛细管作为节流装置。由于毛细管内的流态是两相流动，理论计算比较复杂，本文采用类比法来选型。通过对一台比较成熟的制冷量 Q01 为 3.5kW 的空调器中所采用的毛细管（内径d=1.6mm、长度 L=500mm、个数 A1 为两根并联）进行类比来确定。制冷时有：式中 A2本系统制冷运行时选用的毛细管数，根； Q02本系统制冷量，kW。A2=5A1，因此可选用 d=1.6mm、L=500mm 的 10 根毛细管并联即可满足要求。同理，制热运行时为 12 根相同尺寸的毛细管和制冷运行时并联的尺寸的 10 根毛
12、细管串联。由于该机组兼顾制冷和制热，并且毛细管规格相同。所以制热运行比制冷运行多出的两根毛细管用电磁阀控制。制冷时电磁阀打开，因为毛细管阻抗较大，制冷剂绕开两根毛细管，此时 10 根毛细管参与工作；而制热运行时，电磁阀关闭，制冷剂经 12 根毛细管节流。在确定系统管径时，有时根据已经选好的制冷系统中其它主要设备如压缩机的接口的大小来直接选取管径；工程上常根据管道总压力损失的许可值来选取管径。本设计中采用压力损失的方法得到的吸排气管路的管径分别为 22mm 和12mm，以及液体管路管径为 10mm。过滤器是根据流速和所连接管路的管径来确定的。制冷剂液体在干燥器内的流速一般取 0.0130.33m
13、/s，流速过大易使干燥剂粉碎，将过滤器堵塞或将粉末带入系统，通常这一流速范围将作为选择干燥器直径大小的依据。根据上节选择的液体管径 10mm，本设计选用 KG-2 过滤器，如图 5 所示，其具体参数见表 3。回热器相当于一个中间换热器，利用回热使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸汽进行热交换，使液体过冷，蒸汽过热， 其换热量 Q 的计算如公式：式 中 Q 换 热 量 ，kW； G制冷剂蒸汽的质量流量，kg/s；h0，h1单位质量制冷剂蒸汽在回热器进、出口处的焓值，J/kg。经公式（3）计算得换热量为 500W，选用 Danfoss HE1.5 套管换热器，其结构如图 6 所示，参数见表
14、 4。（1） 压缩机是整个系统的心脏。其型式多样，生产厂家众多，故满足本机组要求的压缩机很多，但综合考虑性能和价格，还是选择 SANYO 的涡旋式压缩机。由 于无法获取产品的螺旋体参数，本文通过查取所选机型在本设计工况下的冷量与功率最终得到正确的选型。（2） 风侧换热器采用翅片管式换热器，计算得其实际总管管长为 144m，实际传热面积为 70.24m2。（3） 水侧换热器采用板式换热器，型号为 BRB0.1T 型-1 号，其单片传热面积为0.14m2，板片数为 9，板间距为 0.0032m。（4） 节流装置采用 d=1.6mm、L=500mm 的毛细管，并采用电磁阀控制毛细管的运行根数。制冷时 10 根参与运行，制热时 12 根参与运行。【相关文献】1彦启森.空调技术的发展与展望A.中国暖通空调制冷 1998 年学术年会学术文集C.1998.125. 2郭庆堂.实用制冷工程设计手册M.北京：建筑工业出版社，1994.3 吴业正.小型制冷装置设计指导M.北京：机械工业出版社，1999-01.4 缪道平、吴业正.制冷压缩机 M.第一版.北京：机械工业出版社，2004-02. 5刘宪英，陈延林，等.板式换热器设计选型计算方法M.空调设计丛书，1997.