中国石油大学（北京）现代远程教育毕 业 设 计（论文） 空调的冷凝器设计姓 名： 学 号： 054678性 别： 男专 业: 机械设计制造及其自动化批 次：2012年秋学习中心： 指导教师： 2014年10月31日 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）空调的冷凝器设计摘 要通过软件仿真分析计算空气流过冷凝器翅片的换交热，及和制冷剂在光滑管内的冷凝换热特征。通过样机试验，验证设计方法的可行性。通过研究说明，换热模型可以较好地应用于人字形翅片管式冷凝器的设计。关键词：冷凝器；混合式；空调；节能ii中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）目 录第一章 前 言11.1 课题的目的11.2 意义1第二章 全球厂商设计方案对比22.1 国内外现状研究2 2.2 冷凝器的设计对比2第三章 冷凝器的设计23.1 翅片设计2 3.1.1 材料的选用23.1.2 翅片设计类型2 3.2 冷凝器的设计23.2.1 设计的冷凝器类型2 3.2.2 设计的冷凝器计算 23.3 制冷剂液体流量计算2 3.3.1 设定有关参数23.3.2 热力设计2 2.2 冷凝器的设计对比2第四章 设计验证校核2第五章 结 论3参考文献4致 谢5ii第一章 前 言1.1 课题的目的 随着世界经济的发展，全球常规能源消耗量越来越大，而储量越来越小，导致能源价格不断上涨，要解决这个问题，有两条路:一是寻找新的能源替代品，二是节约和合理利用当前有限的常规能源。在全球能源消耗构成中，夏季空调制冷能耗所占比重越来越大。据统计，夏季空调制冷用电量约占总用电量的40%，研究空调产品换热器的换热效率，提高空调产品的节能指标就具有十分重要的意义。空调器、冰柜等家用制冷设备和工业用制冷设备的生产在我国已经得到长足的发展进步，从产量上来讲，已经步入世界前列，属于生产大国。但是从技术上讲，和欧美等发达国家相比还有一定的差距，尚不属于技术大国，还不是制冷空调产品的强国。可持续发展是当今世界许多国家共同的总体战略，也同样是我们国家发展的重大战略。节约能量消耗，保护自然环境是经济和社会可持续发展战略的需要，这也对制冷机制造业的发展提出了新的要求，指出了发展的方向。 冷凝器是空调机组的核心部件，其性能直接影响到空调机组的性能。因此，国内外对冷风器的研究十分重视，先后提出的热工计算方法已不下几十种，这些方法各具特色、各有利弊，即使在国内外空调设计手册和教科书中采用的几种主要热工计算方法计算时也不都能较全面和准确反应风冷器的性能。本文也对风冷式冷凝器进行了相应的理论分析和实验研究，获得大量的实验数据，通过对数据的处理分析，得到一系列有关风冷式冷凝器换热性能和风量测试的结论，对于冷凝器结构的优化设计具有很好的参考借鉴作用。 1.2 意义节能减排是深入贯彻落实科学发展观，构建和睦社会的重大举措，全球能源的严重缺乏已经是一个严峻的事实，研发，推广，普及节能家电是许多国家积极从事的工作。当前，世界许多企业都在研制更加节能、环保的空调系统。在我国，随着人民生活水平的不断提高及国家家电下乡政策的推动，家用空调已经走向亿万农村家庭。然而，其能耗的增大，将是一个严峻的问题。因此，节能、环保、高效，将是空调发展的主要方向。目前，家用空调冷凝器是以风作为冷却介质，风冷发动机功耗较大，双蒸发器室内换热表面所产生的露水直接排向环境，未能得到利用，造成能源的浪费。本作品利用蒸发器表面露水作为水源，以风冷，水冷复合方式冷却冷凝器，以达到风冷电动机功耗，且充分利用水源的目的。2第二章 全球厂商设计方案对比2.1 国内外现状研究冷风器是冷库、空调等制冷系统的一个重要部件，由于其工作温度较低而经常结霜，为使其正常工作，不得不对蒸发器进行定期除霜，这不仅要耗费额外的能源，而且除霜期间制冷系统要停止工作，整个制冷系统的制冷效果无疑会大大降低，所以了解冷风器在结霜工况下的运行特性，以及霜的形成规律及其对蒸发器工作性能的影响，可以指导我们对系统进行优化，合理除霜，以便于提高空冷器的性能，这也一直是我们对冷风器不断进行研究的原因和动力。冷风器作为空调系统中水侧和风侧子系统的重要接口，国内外对其研究主要集中在强化换热、热工计算方法、仿真、应用范围的拓宽、开发更加紧凑型的翅片管水冷式表冷器等方面。现在空调用冷风器大多数采用铜管套铝片结构，也有少量的使用钢管铝翅片，铝管铝翅片，但最终目标都希望能采用新的技术，强化表冷器的传热，从而提高机组制冷量、处理空气效率，降低冷风器风阻，使产品结构更加紧凑，减少铜、铝等金属材料的用量。对管翅式铜管铝翅片的换热器研究表明，其热阻分布规律为：管内热阻与铜管翅片的接触热阻及管外空气侧的热阻比为217，可见管外翅片的换热仍然是制约换热器效能的主要因素。因此,提高空气侧换热系数成为管翅式换热器强化换热的重要问题。翅片结构形式包括间距、厚度、外型等对翅片管式换热器传热性能和阻力性能有很大影响，可以通过改变翅片的结构形式来增加翅片的换热面积、加强空气侧的气流扰动，进而增大空气侧换热系数。就如何优化冷风器的结构使其达到最佳传热状态，国内外从实验到数值模拟做了大量的研究工作。目前应用的翅片片型主要有平板型、皱纹型（波纹板等）及开缝型（如条缝型、百叶窗型等），除平板型以外的片型因为对传热有明显的强化作用又称为强化翅片。由于平翅片管换热器在制造上的简单方便、使用上的耐久性及其较好的适用性，它仍是最为常用的一种翅片管换热器，国内外对它的研究也最多。条缝形翅片和百叶窗翅片依靠破坏空气边界层43的原理减小空气侧热阻从而增强换热，目前它们已经被广泛使用到空调系统中。波纹形翅片可以加长空气流道，并且能够对气流造成充分的混合，所以也能增强空气侧换热，目前对它的研究是以上三种强化管换热器中最多的。2.2 冷凝器设计对比空调器中的冷凝器和蒸发器统称为换热器。换热器的性能直接影响空调的制冷性能，而且金属材料消耗大，体积大，它的重量占整个空调重量的50%-70%,它所占的空间直接影响空调器的体积大小，因此研制生产高效换热器是极为重要的。提高冷凝器的换热效率，在一定换热量和能量消耗的前提下使设备紧凑，减少占地和材料消耗，降低成本，是现阶段冷凝器发展的总的趋势。 目前制冷空调机组的冷凝器多采用水冷式和风冷式。水冷式冷凝器是用水冷却高压气态制冷剂，使之冷凝。由于采用水冷式冷凝器可以得到比较低的冷凝温度，这对于制冷系统的制冷能力和运行经济性均较为有利。而风冷式空调机组是利用空气使气态制冷剂冷凝，在全负荷时，风冷冷凝器的冷凝温度要高于水冷式冷凝器，故风冷式空调机组的性能系数相对较低。因此，同样制冷量的风冷冷凝器对应的制冷压缩机需要更大的功率来运行。但是在只有部分负荷的情况下，风冷机组和水冷机组的性能系数却相差不大。水冷和空冷是目前工业装置中最重要的两种冷却方式。这两种冷却方式各有优点和不足，选用时要视具体情况。如果冷却水供应困难，又要求严格控制环境的污染，自然选用空冷器；如果厂地面积、空间都受到限制，水源也无问题，也就只有选用结构紧凑的水冷器。但在一般情况下需作全面比较，因为影响因素比较复杂。有关专家已作了许多分析和比较，一般都认为空冷优点多于水冷，所以即使在水源比较充足的地方，也推荐采用空冷。空冷的优点主要有：1）对环境污染小；2）空气可随意取得；3）选厂址不受限制；4）空气腐蚀性小，设备使用寿命长；5）空气侧的压降小，操作费用低；6空冷系统的维护费用，一般情况下仅为水冷系统的20-30；7）一旦风机电源被切断，仍有30%40的自然冷却能力。8）无二次水冷却问题。空冷的缺点主要有：1）由于空气比热小，且冷却效果取决于气温温度，通常把工艺流体冷却到环境温度比较困难；2）大气温度波动大，风、雨、阳光，以及季节变化，均会影响空冷器的性能，在冬季还可能引起管内介质冻结；3）由于空气侧膜传热系数低，故空冷器的冷却面积要人得多；4）空冷器不能紧靠大的障碍物，如建筑物、人树，否则会引起热风循环；5）要求用特殊工艺设备制造翅片管；6）噪声大。水冷的优点主要有：1）水冷通常能使工艺流体冷却剑低于环境空气温度2-3，且循环水在凉水塔中可被冷却到接近环境湿球温度；2）水冷对环境温度变化不敏感；3）水冷器结构紧凑，其冷却面积比空冷器小得多4）水冷器可以设置在其他设备之间，如管线下面；5）用一般列管式换热器即可满足要求；6）噪声小。水冷的缺点主要有：1）对环境污染严重；2）冷却水往往受水源限制，需要设置管线和泵站等设施：3）特别对较大的工厂和装置，选厂址时必须考虑有充足的水源；4）水腐蚀性强，需要进行处理，以防结垢和杂质的淤积；5）循环水压头高(取决于冷却器和冷水塔的相对位置)，故水冷能耗高；6）由于水冷设备多，易于结垢，在温暖气候条件下还易生长微生物，附于冷却器表面，常常需要停工清洗：7）电源一断，即要全部停产。 空调负荷在整个夏季的分布是极不平均的，甚至在一天之内，不同时间段负荷也差别很大。各种家用或商用空调器在最大负荷下运行的时间将会是极其有限的。按一般统计，空调负荷在90%以上的运行时间仅占到全部时间的7-8%，而负荷在60%以下的运行时间则要占到50-60%，即家用空调器在整个夏季几乎都不是处在全负荷运行之中川。所以总的来看，风冷式冷水机组的全年耗电量并不会比水冷式机组高多少。 水冷制冷机以湿球温度为基准，对于湿球温度变化不大且较低的地区较为适用。风冷制冷机以干球温度为基准，在一天之内干球温度变化大的地区使用较为有利。当干球温度稍低时，制冷效果会更好。由于使用条件的不同，风冷冷凝器多应用在我国干燥缺水地区，而水冷式冷凝器多在水资源较丰富的地区运用。但随着我国工农业用水量的逐年升高，节约用水的呼声日益高涨，使用节水型的风冷冷凝器将会成为主要的选择。随着城市建设对建筑物立面要求，冷却塔的使用会逐步减少，对风冷制冷机的需求也会愈来愈大。风冷冷凝器无需各种水力管道、阀门，加工成本较低。同时，由于水质的关系，水冷式冷凝器要求定期清除水垢，否则传热系数将会显著降低，但是水垢的化学或物理清除都要求较大的费用;而风冷冷凝器中的积尘虽然也会降低传热系数，但清洗较简便，经济性更好。第三章 冷凝器的设计3.1 翅片设计3.1.1 材料的选用空调器中使用的风冷冷凝器多为铜管翅片式热交换器，制冷工质在铜管内流动冷凝，铜管外通过机械胀管的方法套平行的连续翅片以增加换热面积。铜管一般采用圆的光滑管或内螺纹管，翅片通常由铝箔制成。翅片的形式有很多种，如平翅片、波纹片、百叶窗型翅片、条缝片等1。图1 所示为人字形波纹片。根据不同的结构尺寸和换热量的要求，冷凝器可以由一排或多排翅片管组成，制冷剂的流路可以是一路或多路。目前对风冷冷凝器的研究主要集中在两个方面。一个方面是管内冷凝换热特征的研究；另一个方面是不同形式强化翅片换热及阻力特性的研究。制冷工质在管内冷凝由于存在相变，因此换热现象复杂。许多学者的研究结果表明，影响管内冷凝的重要因素是制冷工质在管内的流型。流型主要分为三种。即层状流、环状流、及这两种流型之间的过渡流。3.1.2 翅片设计类型翅片通常由铝箔材料制成。翅片的形式有很多种，如波纹片、条缝片、百叶窗型翅片、平翅片等。图1 所示为人字形波纹片。 根据不同的结构尺寸和换热量的要求，冷凝器可以由一排或多排翅片管组成，制冷剂的流路可以是一路或多路。目前对风冷冷凝器的研究主要集中在两个方面。一个方面是管内冷凝换热特征的研究；则翅片的材料一