KFR-25GW空调器设计
摘要：本机是广泛适用于15-20平方米的家庭、商店、医院、宾馆、饭店等多个场所的热泵型分体挂壁式空调器。此空调器的主要优点是：将噪音低的压缩机置于室外故室内噪音很低；置于室外的冷凝器有较好的散热条件；室内机外形美观且安装地点灵活方便，可与房间融为一体；采用微电脑控制能获得较好的制热效果故减少了冬季采暖所需能耗。本次设计以夏季工况为基础并在冬季工况下对冷凝器与蒸发进行了校核并用主副毛细管进行节流，有利于获得更好的冬季制热效率。基于上述优点，因此它具有广泛的市场前景。
主题词：分体挂壁式空调热泵节能
Abstract: This design is a kind of high efficient, energy saving, low noise and easily controlled split/wall-mounted type cool-warm double usage air conditioner.
It bases on summer operating conditions and proofreads in the winter operating conditions to the condenser and evaporator. At the same time, the condenser and the evaporator use the slit fin-and-tube in order to increase the heat transfer performance. The system is used to create healthy and comfortable indoor air environment. This kind of air conditioner can be wildly used in living room, shopping, hospital, hotel and restaurant. It has a wildly market prospect.
Keywords: split/wall-mounted type air conditioner、heat pump、energy saving
1前言
近二十年来，一些经济发达国家十分重视与空调环境的室内空气有关的安全、舒适、健康的人居建筑问题，美、日、欧各国及国际上有关学术团体对室内空气品质进行了多学科、全方位的深入研究，每年都有数百篇论文发表。目前，世界各国空调研究的基本情况包括以下三方面：基于高效变频压缩机技术的节能研究、基于开发新冷媒的环保性研究以及基于噪音的舒适性研究。
空气调节对国民经济各部门的发展和人们物质文化生活水平的提高有重要作用，由空调装置控制的空气环境对工业生产过程的稳定运行和保证产品的质量有重要作用，而且对提高劳动生产率、保护人体健康、创造舒适的工作和生活环境有重要意义。
空气调节装置技术的发展，不仅要在能源的利用、能量的节约与回收、能量转换与传递设备的性能改进、系统综合利用效率的提高及运行规律的合理性等方面继续研究与开发，而且要在更广阔的范围内，对健康的工作与生活环境的创造进行研究。
热泵型空调机组由于具有较大的制热系数，可以降低供热成本，故在节能方面有重要意义。且从世界范围看，热泵作为空调商品已处于成熟期，国外空调用热泵技术的新发展主要包括：日本开发超级热泵、制冷/采暖/供应热水的组合空调器、蓄热变频热泵式空调器、立柜式热泵的研究开发及有关措施、内燃机驱动型及其它各种类型热泵等，在我国也已处于迅速发展期。热泵，作为一种有效的节能产品，在空调应用上将为我国发挥越来越重要的作用[8]。
随着国民经济的发展与人们生活水平的日益提高，以空气为热源或排热源的热泵型房间空调器已广泛用于家庭、商店、医院、宾馆、饭店等各个场所。热泵型房间空调器按结构型式主要分为窗式、挂壁式、座地式、单窗式、移动式等。其中的分体式与窗式相比，虽然价格高、结构繁、安装难，但它具有室内噪声小、外墙或外窗的开口面积小、采用微电脑控制使制热效果好等优点，越来越受到人们的欢迎。而分体式中的挂壁式空调器是目前使用最多的一种型式，它不占地面，挂在墙上，高低位置可任意选择。目前生产厂家已越来越注重挂壁机外形设计，采用流线型及圆弧连接，使挂壁式空调器成为小巧、玲珑、美观，集功能（除制冷及制热功能外，还有除湿、定时、静电过滤、自动送风、睡眠运行、热风启动等）与装饰于一体的空气调节装置。
据业内人士分析，由于广大消费者需求的变化，在未来的国际空调市场上，大功率挂壁式空调将是发展的方向。可以预见，以后的空调市场，大功率的挂壁式空调将占优势。
在设计过程中，吴昊老师及教研室其他各老师提供了许多宝贵的资料和意见，同时也受到班上同学的帮助，在此向他们致谢。
由于本文有限，设计中有不足之处，希望各位老师批评指正。
2正文
2.1制冷循环热力计算及压缩机选型
2.1.1循环参数及压焓图
壁挂式空调器名义工况下制冷循环参数及室内外空气参数如下[4]：
名义工况下制冷量为2500W，制冷剂为R22;
蒸发温度为7.2℃，冷凝温度为54.4℃；
膨胀阀前液体温度46.1℃，过冷度5℃；
吸气温度为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℃。
循环的P-h图如下所示：
1各点参数值
查R22热力性质表和图得[1]：
t0=7.2℃P0=0.625MPa
t k=54.4℃P k=2.146MPa
t1′=15℃h1′=414.54kJ/kg
t1"=20℃h1"=418.22kJ/kg
v1"=0.041m3/kg
t2=88℃h2=451kJ/kg
t4=46.1℃h4=257.89kJ/k
2热力计算
单位质量制冷量：
q0 = h1′ - h4 = 414.54-257.89 = 156.65 kJ/kg
单位理论功：
w0 = h2– h1"= 451-418.22 = 32.78 kJ/kg
制冷剂循环质量流量：
q m = Q0 / q0 = 2500×10-3/156.65 = 15.96×10-3 kg/s
实际输气量：
q vs = q m v1” = 15.96×10-3×0.041 = 0.638×10-3 m3/s
输气系数λ：
λ= λVλPλTλL
由于全封闭往复式压缩机的最小额定制冷量为3815W，故只能采用滚动转子式压缩机，λ值按滚动转子式来计算。
压力比：
ε= P k /P0= 2.146/0.625 = 3.43
其中容积系数λV：
λV = 1- c(ε1/k– 1)
= 1- 1.2%(3.43 1/1.194–1)
= 0.9783
（式子中c为相对余隙容积，取1.2%；k为R22的等熵指数，其值为1.194。）
压力损失系数λP：
由于吸气过程压力小，故有
λP= 1- (1+c)ΔP o /(λV P o )
一般取λP = 1。
温度系数λT：
用经验公式：λT= AT k – B(T1– T0)
其中T k 、T0及T 1分别为冷凝温度、蒸发温度及压缩机前吸气温度。
对R22： A = 2.57×10-3, B = 1.06×10-3
由于已知：T k = 273.15+54.4 = 327.55 K
T1’ = 273.15+15 = 288.15 K
T0= 273.15+7.2 = 280.35 K
从而有：λT= AT k – B(T1’– T0)
= 2.57×10-3×327.55-1.06×10-3×(288.15-280.35)
= 0.8335
泄露系数λL: 取λL = 0.94
从而输气系数λ：
λ= λVλPλTλL
= 0.9783×1×0.8335×0.94
= 0.77
压缩机理论输气量为：
q vh = q vs /λ = 0.638×10-3/0.77 = 0.83×10-3 m3/s
压缩机理论功率：
P0 = q m w0 = 15.96×10-3×32.78 kW = 523 W
指示效率ηi ：
取ΔP sm = 0, ΔP dm = 0.1P dk ,则可按下式计算指示效率，
ηi =λTλL/[1+1.5（ΔP sm +ΔP dmε-1/k）/(w0/v1" )]
= 0.8335×0.94/[1+1.5×(0+0.1×103×3.43-1/1.194)/(32.78/0.041)]
= 0.69
机械效率ηm ：取ηm = 0.96
电动机效率ηmo ：取ηmo = 0.80
则电效率ηeL ：
ηeL =ηiηmηeL
= 0.69×0.96×0.80
= 0.53
输入电功率P eL ：
P eL= P0 /ηeL= 523/0.53 = 987 W
COP值：
COP = Q0 /P eL= 2500/987 = 2.53
2.1.2压缩机的选择及制冷剂流量校核
根据计算结果，查表5-27[4]，选用空调用YZ-23R全封闭滚动转子式压缩机。其额定制冷量为2740W，电机输入功率为990W。
压缩机的理论输气量为：
q vh = 60nπL(R2- r2)/3600
= 60×2980×16.43×10-6/3600
= 0.83×10-3 m3/s
均能满足要求。
该压缩机在名义工况下的制冷剂质量流量为：
q m1 = Q 0 / q01 = Q0 /( h1’’ - h4 )
= 2740×10-3/(418.22- 257.89)
= 2740×10-3/160.33
= 17.09×10-3 kg/s
2.2表面式蒸发器设计计算
已知进口空气的干球温度t al = 27℃, 湿球温度t s1 = 19.5℃；
管内R22的蒸发温度为7.2℃，当地大气压力P B = 101.32kPa；
要求的出风参数是：t a2 = 17.5℃, t s2 = 14.6℃;
蒸发器的制冷量为：Q0=2500W。
2.2.1选定蒸发器的几何参数[2]
传热管选用?10×0.7mm的紫铜管，翅片选用δf =0.2mm的铝片；翅片节距s f =2.2mm，横向管中心距s1 =25mm；
管簇按正三角形排列，管排数n L=2。
根据以上条件可求得：
d b =d o +2δf =10+2×0.2=10.4mm
d eq =4（s1 - d b ）（s f -δf ）/2（s1 - d b + s f -δf ）
=2×（25-10.4）×（2.2-0.2）/（25-10.4+2.2-0.2）
=3.52mm
f f =2（s1 s2 -πd b2/4）/s f ×10-3
=2×（25×21.65-π×10.42/4）/2.2×10-3
=0.4148m2/m
f b =πd b （s f -δf ）/ s f ×10-3
=π×10.4×（2.2-0.2）/2.2×10-3
=0.0297 m2/m
f t = f f +f b =0.4148+0.0297=0.4445 m2/m
f m=πd m =π×0.0093=0.02922 m2/m
f i =πd i =π×0.0086=0.02639 m2/m
β= f t / f i =0.4445/0.02639=16.84
σ=A min/A f =( s f -δf )( s1- d b )/ s1s f
=2×（25-10.4）/（2.2×25）=0.531
2.2.2确定空气在蒸发器内的状态变化过程
由给定的进出风参数查湿空气的焓湿图得出：i 1=55.6kJ/kg，i2 =40.7kJ/kg，
d 1 =11.1kJ/kg，d 2 =9.2kJ/kg。
在湿空气的I-d图上连接空气的进出口状态点1与点2，并延长与饱和空气线（φ=1 ）相交于W点（见下图）。点W的参数是i w =29.5kJ/kg[3]，t w=9℃，
d w=7.13g/kg（d，a）。
在蒸发器中空气的平均焓：
i m =i w +（i1 – i2 ）/㏑[（i1 – i w ）/（i2－i w ）]
=29.5+（55.6－40.7）/㏑[（55.6－29.5）/（40.7－29.5）]
=47.1kJ/kg（d, a）
在I-d图上按过程线与i m =47.1kJ/kg（d,a）的线的交点读得：
t m=21.4℃，d m =10g/kg（d,a）
由下式求得析湿系数：
ξ = 1+2.46×（d m - d w ）/（t m－t w）
= 1+2.46×（10－7.13）/（21.4－9）
= 1.57
2.2.3循环空气量的计算
G da = Q0/( i1 －i2) = 3600×2.5/（55.6－40.7）= 604kg/h
在进口状态下的干空气比容为：
ν1 = RaT 1(1+0.0016 d 1 )/P b
= 287.4×(273+27)×（1+0.0016×11.1）/101320
= 0.866 m3/kg
故空气的体积流量为：
V a= G daν1 = 604×0.866 = 523 m3/h
2.2.4空气侧换热系数的计算
翅片沿气流方向长：
L = 2 s1cos30°= 2×0.025×0.866 = 0.0433m
已知当量直径：
d eq= 3.5mm =0.0035m
最窄截面处风速：
w max = s f s1 w f /[（s f －δf ）（s1 －d b ）]
= 2.2×25×2.5/（2×14.6）
= 4.7m/s
由《传热学》查得空气在21.4℃下的物性：
νf = 15.24×10-6m2/s，λf = 2.58×10-2w/（m·k）
故有：
L/ d eq= 0.0433/0.0035 = 12.37
R ef = w max d eq/νf = 4.7×0.0035/(15.24×10-6) = 1.079×103
计算有关参数：
A = 0.518－0.02315L/ d eq +0.000425(L/ d eq )2－3×10-6(L/ d eq )3
= 0.518－0.02315×12.37+0.000425×12.372－3×10-6×12.37 3
= 0.29
c = A×（1.36－0.24Ref/1000）
= 0.29×（1.36－0.24×1079/1000）
= 0.319
n = 0.45+0.0066L/ d eq
= 0.45 + 0.0066×12.37
= 0.532
m= －0.28 + 0.08Ref/1000
= －0.28 + 0.08×1079/1000
= －0.194
带入下式并乘以叉排增强系数1.10得：
αo= 1.1×(λf /d eq)×cRe n(L/ d eq )m
= 1.1×（0.0258/0.0035）×0.319×10790.532×12.37-0.194
= 64.7W/( m2·K)
按正三角形排列时的管簇L/B=1,故：
ρ′= 1.27ρ(L/B－0.3)0.5
= 1.27×(25/10.4)×0.70.5
= 2.554
hˊ = (d b /2)(ρˊ－1)(1+0.35㏑ρˊ)
= 10.4×(2.554－1)×(1+0.35×㏑2.554)/2
= 15.65mm
m w = [2αo ξ/(λfδf )]0.5
= [2×64.7×1.57/（384×0.2×10-3）]0.5
= 51.2 1/m
凝露工况下的翅片效率：
ηfw = th（m w hˊ）/（m w hˊ）
＝th（51.2×0.0156）/(51.2×0.0156)
＝0.831
故当量换热系数：
αj＝ξαo（ηfw f f + f b）/（f f + f b）
＝1.57×64.7×（0.831×0.4148+0.0297）
＝85.5W/( m2·K)
2.2.5管内R22蒸发时换热系数的计算
由表7-10,对于R22,在t o=7.2℃时，B＝1.4952
设R22进入蒸发器时的干度x1 = 0.16, 出蒸发器时的干度x2 = 1.0, 则R22 总流量为：
G r = Q0 /[r(x1 -x2)]= 2.5×3600/[199.38×（1－0.16）]=53.74kg/h
估计内表面热流量q i = 10000W/ m2, 按表9－6取R22的质量流速
g = 160kg/( m2·s)
则R22的总流通截面：
A= Gr /g = 53.74/(160×3600) = 9.33×10-5 m2
每根管子的有效流通截面：
A i =πdi2/4 =π×0.0086 2/4 = 5.8×10 -5 m2
蒸发器的分路数：
Z = A /A i = 9.33×10-5/(5.8×10–5) = 1.61
故取Z值为2。
每一分路的R22流量：
G d = G r /(3600Z) = 53.74/(3600×2) = 0.00746kg/s
于是，R22在管内蒸发时的换热系数可按下式求得：
αi = B Gd0.2q i0.6/d i 0.8
= 1.4952×0.007460.2×q i0.6/0.00860.8
= 9.745 q i0.6
2.2.6传热系数k0及传热温差θm的计算
查有关文献，取管内侧污垢热阻为：
r = 0.6× 10-4 m2K/W
设翅片侧污垢热阻、管壁导热热阻和翅片与管壁间接触热阻之和为：
4.8×10-3 m2K/W
则由下式可得：
1/k0 = f t /(αi f i ) +r+ r w +r s+ f t r t/ f m+1/αj
= 16.84/(9.745q i 0.6)+0.6×10-4+4.8×10-3+1/85.5
= 0.01656+1.728/ q i 0.6
如果不计R22的阻力对蒸发温度的影响，则传热温差为：
θm =( t a1 - t a2 )/ln[(t a1 – t o)/( t a2 – t o)]
= (27.0-17.5)/ln[(27.0-7.2)/(17.5-7.2)]
= 14.5℃
2.2.7单位热流量及蒸发器结构尺寸的确定
由上述计算结果可得：
q0 = k0θm = 14.5/(0.01656+1.728/ q i 0.6)
或q i = βq0 = 16.84×14.5/(0.01656+1.728/ q i 0.6)
用试凑法解上式可得：
q i = 10500 W/ m2
则q0 = q i /β= 10500/16.84 = 623.5 W/ m2