制冷系统课程设计说明书
热能与动力工程专业
目录
一、 设计工况 ............................................ 3 二、 压缩机选型 .......................................... 3 三、 热力计算 ............................................ 5 1、循环工况： ......................................... 5 2、 热力计算： ........................................ 6 四、蒸发器设计计算 (7)
1、设计工况： (7)
2、计算过程： (8)
3、风机的选择 (18)
4、汇总 (18)
五、冷凝器换热计算 (19)
第一部分：设计计算 (19)
一、设计计算流程图 (19)
二、设计计算 (19)
3、计算输出 (25)
第二部分：校核计算 (25)
一、校核计算流程图 (25)
二、计算过程 (26)
六、节流装置的估算和选配 (27)
七、空调电器系统 (28)
一、设计工况
3KW机组，半封闭压缩机，风冷冷凝器，风冷蒸发器，毛细管，制冷剂R22，蒸发温度5℃，过热度20℃，冷凝温度50℃，过冷度5℃
二、压缩机选型
1、选型条件：制冷量3kW,制冷剂R22，蒸发温度5℃，过热度20℃，冷凝温度50℃，过冷度5℃。
2、选型结果：使用压缩机选型软件select 6，选择型号为DKM-75的半封闭往复式压缩机。
a.其基本参数如下：制冷量3.15kW，输入功率1.06kW，cop为
2.97，电流(400V)2A,质量流量18.9g/s，放热
3.65kWb.
b.其技术参数：
c.压缩机图纸：
d.附件
3、压缩机的定位与固定
定位见设计制图；固定方法：将压缩机焊接在钢板上，再将钢板与外机底部用螺拴固定。
三、热力计算
1、循环工况：
根据已知条件，通过压焓图以及相关公式求出如图1-1各关键点参数值：
h 图1-1 蒸汽压缩式制冷循环p-h图
（其中1-2s是压缩机实际压缩过程，而1-2是压缩机理论压缩过程，为等熵过程。）
点号P/MPa t/℃h/（KJ/kg）ν/
（m3/kg）
0 0.5837 5 407.143
1 0.5837 25 421.903 0.044645
2 1.942
3 455.261
3 1.9423 45 256.384
2、热力计算：
（1）单位质量制冷量
q
q0=h0-h4=407.143 KJ/kg -256.384 KJ/kg =150.759 KJ/kg
（2）单位容积制冷量
zv
q
zv
q=q0/v1=150.759 KJ/kg /0.044645 m3/kg=3376.840KJ/m3（3）理论比功w
w=h
2-h1
=455.261 KJ/kg-421.903 KJ/Kg=33.358 KJ/Kg （4）指示功率
w i=w/η
i=33.358
KJ/Kg /0.8=41.698 KJ/Kg
（5）性能系数。
理论值 COP=q0/w=150.759 KJ/Kg /33.358KJ/Kg =4.52 指示值 COP I= q0/
i
w=150.759 KJ/kg /41.698 KJ/kg=3.62 （6）冷凝器的单位负荷
h 2s =i w +h 1=41.698 KJ/kg+421.903 KJ/kg=463.601 KJ/kg k q =h 2s -h 3=463.601 KJ/kg-256.384 KJ/kg=207.217 KJ/kg （7）制冷剂循环质量流量
m q =φ0/q 0=3 KW/150.759 KJ/kg=0.01990kg/s （8）实际输气量和理论输气量
vs q =m q v 1= 0.01990kg/s ×0.044645 m 3/kg=0.00089m 3/s vh q =vs q /λ=0.00089 m 3/s /0.8=0.00111 m 3/s （9）压缩机的理论功率和指示功率
P=m q w =0.01990kg/s ×33.358 KJ/Kg =0.664 KW P i =P/ηi =0.664KW/0.8=0.830KW （10）冷凝器热负荷
φk =m q k q =0.01990kg/s ×207.217 KJ/kg=4.124KW
四、蒸发器设计计算
1、设计工况：
进口空气的干球温度是t a1=27℃，湿球温度是t s1=19.5℃；管制冷剂R22的蒸发温度t 0=5℃，当地大气压101.32kPa ；要求出口空气的干球温度t 2a =17.5C ?,湿球温度t 2s =14.6C ?；蒸发器制冷量
0φ=3000W 。
2、计算过程： ⑴ 选定蒸发器的结构参数
选用mm mm 7.010?φ的紫铜管，翅片选用厚为0.2f mm δ=的铝套片，
翅片间距 2.2f s mm =。管束按正三角形叉排排列，垂直于流动方向的管间距125s mm =，沿流动方向的管排数2L n =，迎面风速f u =2m/s 。 ⑵计算几何参数
翅片为平直套片，考虑套片后的管外径为 mm mm mm d d f b 4.102.021020=?+=+=δ 沿气流流动方向的管间距为 21cos30250.86621.65s s mm mm ==?= 沿气流方向套片的长度 3.4365.21222=?==s L mm 每米管长翅片的外表面面积
()()
m
m m m m m s d s s a f b f /4148.00022.0/0104.025.002165.0025.0214222
221=?-??=?
?? ?
?
-=ππ
每米管长翅片间的管子表面面积
()()22113.14160.01040.00220.00020.02970.0022
b b f f f a d s m m m m s πδ=-?
=??-?= 每米管长的总外表面面积
()220.41480.02970.4445of f b a a a m m m =+=+= 每米管长的外表面面积
()2210.010410.03267bo b a d m m ππ=?=?= 每米管长的表面面积
22
100.72110.027021000
i i a d m m m ππ-???=?=??= ??
?
每米管长平均直径处的表面面积
22
0.01040.0086110.029842m m a d m m ππ+??=?=?= ?
??
由以上计算得 0.44450.0326713.606of bo a a ==
备注：铜管径d i =0.0086mm
⑶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 ℃℃
℃25.222
5.1727221=+=+=
a a a t t t 空气在此温度下的物性约为
3/1966.1m kg a =ρ, ()K kg J c pa ?=/1005 ,7026.0Pr =a ,
s m v a /1088.1526-?=
2） 最窄界面处的空气流速
()()
f f
b f
f
s d s s s u u δ--=11max
25 2.22 3.77(2510.4)(2.20.2)
mm mm
m s mm mm mm mm ?=?
=-?-
3)空气侧干表面传热系数 空气侧干表面传热系数计算
15
.04
.0max 15
.04.02618.00014.0Re 2618.00014.0----???
? ???
??
?
??+=?
??
?
??+=bo of a b bo of d a a v d u a a j
()
0.4
0.15
63.770.01040.00140.261813.60615.8810---???
=+? ?
???
0.00918=
3
/2max Pr a pa
a o c u j h ρ=
()3
/23
7026
.0/1005/77.3/1966.100918.0K kg J s m m kg ????= =52.66()K m W ?2/
（4）确定空气在蒸发器的状态变化过程
根据给定的空气进出口温度，由湿空气的h d -图可得
155.6h KJ kg =,240.7h KJ kg =,111.1d g kg =,29.2d g kg =。
在图上接空气的进出口状态点1和点2，并延长与饱和空气线（）
0.1=?相交于ω点，该点的参数是"29.5w h J kg =,9w t =℃，"7.13d g kg ω=。
在蒸发器中，空气的平均比焓为
''
12"1"
255.640.729.547.155.629.5ln ln 40.729.5m w w
w h h h h kJ kg kJ kg h h h h ??
?--=+=+= ?-- ?-?
?- 在h-d 图上按过程线与47.1m h kJ kg =线的交点读得
21.4m t =C ?,10m d g kg =。
析湿系数可由下式确定： ()()
"
107.131 2.461 2.46
1.5721.49m m d d t t ω
ωξ--=+=+=-- （5）循环空气量的计算 =
-=
2
10
h h q m φkg
kJ kg kJ W /1.47/6.553600
3-?=1271 kg/h
进口状态下空气的比体积可由下式确定：
()()()113
110.0016287.42732710.001611.10.866101320a B R T d m kg P υ+?+?+???=
== ???
故循环空气的体积流量为
h m kg m h kg v q q m a V /1101/866.0/1271331,=?== （6）空气侧当量表面传热系数的计算 当量表面传热系数 j h =ξo
h b
f b
f f a a a a ++η
对于正三角形叉排排列的平直套片管束，翅片效率f η可由式
f η=()
'
'
mh
mh th 计算，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
B A =1,m ρ=b d B
=2510.4
故
' 1.27 1.27 2.554ρρ=== 肋片折合高度为 ()()()()10.4''110.35ln ' 2.554110.35ln2.55410.73322
b d h mm ρρ=-+=-+= f
f o h m δλξ
2=
13
10
2.023757.166.522--????=
m =59.061
-m 故在凝露工况下的翅片效率为
()()
=??==
--m
m m
m th mh mh th f 010733.006.59010733.006.5911''η0.8846 当量表面传热系数为
m
m m m m
m m m K m W h j /0297.0/4148.0/0297.0/4148.08846.0/66.5257.122222
++????=
=73.77()K m W ?2/
（7）管R22蒸发时表面传热系数的计算 R22在5C o t =时的物性为：
饱和液体的比定压热容()K kg kJ c l p ?=/198.1, 饱和蒸汽的比定压热容()K kg kJ c g p ?=/658.0, 饱和液体的密度3/40.1267m kg l =ρ 饱和蒸汽的密度 3/53.25m kg g =ρ 汽化潜热kg kJ r /16.201= 饱和压力kPa p s 78.583= 表面力21012.1-?=σ
液体的动力粘度s Pa l ??=-610256μ 蒸汽的动力粘度s Pa g ??=-61042.8μ 液体的热导率()K m W l ??=-/109313λ 蒸汽的热导率()K m W l ??=-/10933λ 液体普朗特数29.3Pr =l 蒸汽普朗特常数735.0Pr =v
R22在管蒸发的表面传热系数可由式
l
i
h h =1C 0C A
()l Fr 25B 2
+C 0
C
B F l 计算。
已知R22进入蒸发器时的干度10.16x =，出口干度2 1.0x =,则R22的总质量流量为 m q =
()
1203600
x x r -?φ=
()
16.00.1/16.2013600
3-??kg kJ W =h kg /92.63
作为迭代计算的初值，取=i q 11.32/m kW ,R22在管的质量流速为
()
s m kg q i ?=2'/100,则总的流通截面面积为
'
A=
3600m i q q =100
3600/92.63?h kg =2
410776.1m -? 每根管子的有效流通截面面积为 A i =
4
2
i d π=
()4
0086.02
m ?π=525.810m -?
蒸发器的分路数
Z=i
A A =2
52
4108.510776.1m m --??=3.06 取Z=3，则每一分路中R22的质量流量为 ,m d q =
Z q m =3
/92.63h kg =21.31kg h 每一分路中R134a 在管的实际质量流速为 i G =i
d m A q 3600,=
2
5108.53600/31.21m
h
kg -??=102.06()s m kg ?2/ 于是 0B =
r G q i i
=()kg
kJ s m kg /16.201/06.1023.112
??=5.50410-? 0C =0.511g x x ρρ????- ? ?????=8
.02121221?????
?
??++-x x x x 0.5
1g ρρ?? ???
=????
??????
??-338
.0/40.1267/53.2558.058.01m kg m kg =0.1096 gd G Fr l i l 22
ρ==()()()m
s m m kg s m kg 0086.0/8.9/40.1267/06.1022
232
2???=0.07694 1Re =
()
l
i
d x G μ-11=
()6
102560086
.058.0106.102-??-?=1440.0
023.0=l h ()0.8
1Re ()
0.4
1Pr 1
i
d λ==?
??0086
.0093
.029.31440023.04.08.0134.67 式
l
i
h h =1C 0C A
()l Fr 25B 2
+C 0
C
B F l 中0
C 0.65<,1C 1.136=,2C 0.9=-,3667.2C =,4C 0.7=,5C 0.3=,对于
R22,2.2=fl F 。
i h =l h ()()()25410130125C C C
f C C Fr C B F ??+??
=67.134?()()[]
2.2105.52.66707694.0251096.0360.17
.043.09.0???+???--
=2663.32)2W m K ⑻ 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
'
m t ?=
020121ln t t t t t t a a a a ---=27.017.527.05ln 155C C
C C C C
---=16.8C ⑼ 传热系数的计算 0k =
j
t m t s w i i t h r a a r r h a a 11
1++++
由于R22与聚酯油能互溶，故管污垢热阻可忽略。据文献介绍，翅片侧污垢热阻、管壁导热热阻及翅片与管间接触热阻之和???
?
??
+
+t m t s w r a a r r
可取为()324.810m K W -?，故
k 0=
()
()
W
K m K m W K m W m m /77.731/108.4/32.266302702.04445.01
22
3222
?+
??+??-
=40.76)2W m K ⑽ 核算假设的q i 值
o q =0k '
m
t ?=40.76()2W m K 16.8C=?684.772W m i q =o i
t q a a =m m m m /02702.0/4445.02
2?2/77.684m W =11265.02
W m 计算表明，假设的q i 初值113002W m 与核算值2.112732W m 较接近，偏差小于1%，故假设有效 ⑾ 蒸发器结构尺寸的确定
蒸发器所需的表面传热面积 i A'=
i q 0φ=2
/113003000m
W W =0.272
m o A'=
o q φ=2/77.6843000m
W W =4.382m 蒸发器所需传热管总长
t t
a A l 0
'==m
m m /4445.038.42
2=9.85m 迎风面积
A f =f a
V w q ,=3600
/2/11013?s m h
m =0.1532m
取蒸发器宽B=510mm,高H=300mm,则实际迎风面积
20.510.30.153f A m =?=
已选定垂直于气流方向的管间距s 1=25mm ，故垂直于气流方向的每排管数为
n 1=
1s H =30025
=12 深度方向（沿气流流动方向）为2排，共布置24根传热管，传热管的实际总长度为
t l =0.51212??=12.24 m
传热管的实际表面传热面积为 A i =122i d B π??=240.00860.51π???=0.3312m
又 'i i A A =2
2
27.0331.0m m =1.226
't
t l l =
m
m
58.924.12=1.278 说明计算接近有20%的裕度。上面的计算没有考虑制冷剂蒸汽出口过热度的影响。当蒸发器在管被加热时，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℃，过热所需增加的换热面积任可高达10%-20%。
（12）R22的流动阻力及其对传热温差的影响
实验表明，R22在管蒸发时的流动阻力可按下式计算：
()i i i d l g q p /10986.591
.05
-?=?
=()kPa 0086.0/2612.006.1021130010986.591.05?????- =2.798kPa
由于蒸发温度为5℃时R22的饱和压力为583.78kPa ，故流动损失仅占饱和压力的0.5%，因此流动阻力引起蒸发温度的变化可忽略不计。
(13) 空气侧的阻力计算 空气侧的阻力计算，首先计算t p ?
(),1000 3.1416101000 2.125101000151000t o c t A
D A π??===-?? t f 由图4-21确定，23741088.15010
.077.3Re 6
max =??=
=-o d D μ，
1
12225 1.15521.65
o T L o S D P S S P S D ====，1251.0, 2.510T o S X P D ====，由T P 及Re d 查的0.4tz f ≈，于是38.01
.21124.0=???=?
=t ct tz r A A N f f 又() 1.318
0.5210.521
1250.508Re
0.50823740.029610d
f o s f D --????==?= ? ?????
a f t ct r f p A A f p 74.41966
.1277.311.238.022
2
max =???==?ρμ
()()22
max 6
0.4148 3.770.026412.73385222510.4 2.20.210 1.1966
2.2
f t f c f A p f Pa A ωρ-?==??=-?-???
所以 a t f p p p p 47.1773.1274.4=+=?+?=?
在凝露工况下由于凝结水滞留在翅片表面上形成一薄层水膜，故使在同样风速下空气阻力增大。在凝露工况下的阻力应在上面干工况下的阻力p ?基础上乘以修正系数?，即w p p ??=?。 ?的值与析湿系数ξ有关，可由下表查取：
因为ξ=1.57，所以有
19.83 1.2324.39w p p Pa ??=?=?=
3、风机的选择
由风量h m q va /11013=和总压w p ?=24.39Pa,选择两个叶片直径为170mm 的离心式风机，此风机满足要求。 风机的定位见设计制图。
风机的固定方法：如图，将风机焊接在钢板上，再将钢板与蒸发器用螺拴固定。 4、汇总
根据以上计算得出以下设计参数：
选用mm mm 7.010?φ的紫铜管，翅片选用厚为0.2f mm δ=的铝套片，翅片间距 2.2f s mm =。管束按正三角形叉排排列，垂直于流动方向的管间距125s mm =，沿流动方向的管排数2=L n ，每排管数n 1=12，蒸发器管路数Z=3迎面风速f μ=2m/s 。循环空气体积流量1101m 3/h ，蒸发器宽度B=510mm ，高度H=300mm ，共有肋板255块。
五、冷凝器换热计算
第一部分：设计计算
一、 设计计算流程图
二、设计计算
1、已知参数
换热参数：
冷凝负荷：Q k=4.124KW
冷凝温度：t k=50℃
环境风温度：t a1=35℃ 冷凝器结构参数：
铜管排列方式：正三角形叉排 翅片型式：开窗片，亲水膜 铜管型式：光管
铜管水平间距：S 1＝25.4mm 铜管竖直方向间距：S 2＝22mm 紫铜光管外径：d 0＝9.52mm 铜管厚度：δt ＝0.35mm 翅片厚度：δf ＝0.115mm 翅片间距：S f ＝1.8mm 冷凝器尺寸参数
排数：N C ＝3排 每排管数：N B ＝10排
2、计算过程
1）冷凝器的几何参数计算
翅片管外径：f b d d δ20+=＝ 9.75 mm 铜管径：t i d d δ-=0＝8.82 mm 当量直径：)
()(2))((4411f f b f f b eq
S d S S d S U A
d δδ-+---=
=＝3.04 mm 单位长度翅片面积：32
2110/)4
(2－?-
=f b f S d S S f π＝0.537 m 2/m
单位长度翅片间管外表面积：310/)(－?-=f f f b b s S d f δπ＝0.0286 m 2
/m 单位长度翅片管总面积：b f t f f f +=＝0.56666 m 2/m 翅片管肋化系数：i
t i t d f
f f πβ==＝20.46 2）空气侧换热系数
迎面风速假定：f w ＝2.6 m/s