《别墅蓄能空调系统设计毕业设计说明.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《别墅蓄能空调系统设计毕业设计说明.doc（60页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、30kw别墅蓄能空调系统设计本科毕业设计（论文）题 目 30KW别墅蓄能空调系统设计毕业设计（论文）任务书题目 30KW别 墅蓄 能 空 调 系 统 设 计 一、 原始资料及技术条件1. 设计一别墅用蓄冷空调系统，需要制冷房间6个，制冷功率总共30KW。2. 采用双金属芯心冰球蓄冰槽，蓄冰槽放置室外地下。可为住宅提供9小时的冷量,蓄冰槽乙二醇进口温度-5，出口温度-2。3. 采用乙二醇载冷剂（25%的乙二醇水溶液）冻结冰。采用风冷冷凝器室外机，风机盘管室内机。4. 采用夜间制冰供冷，制冰工况：冷凝温度45，蒸发温度-9。5. 工质：R226. 设计环境温度30，相对湿度85%。二、主要内容1.
2、 进行循环热力计算，压缩机选择计算。2. 冷凝器设计计算。3. 套管式蒸发器设计计算（上机计算）。4. 蓄冰槽结构设计。5. 进行经济效益分析(按郑州市的分时电价)。6. 设计图样：系统流程图（A2），冷凝器部装图，蓄冰槽部装图，室外机组总装图。至少一张图用CAD绘制三、基本要求1. 阅读文献写出文献综述。2. 按统一格式完成开题报告。3. 阅读英文文献，并译成中文(不少于5000汉字)。4. 设计计算至少有两部分为上机计算。5. 规范绘制图样，上机绘图不少于二张装配图、一张零件图。6. 英中文对照摘要，中文不少于400 字。7. 按统一格式编制设计说明书，不少于 30000字。8.有全部设计
3、的纸介质文档和电子文档。四、完 成 期 限：2012年6月7日指导教师签章： 专业负责人签章： 2011年 12 月 30 日目 录摘 要ABSTRACT1 绪论11.1 冰蓄冷空调的基本概念11.2 冰蓄冷空调的社会背景11.3 冰蓄冷系统的运行方式21.3.1 全部蓄冷21.3.2 部分蓄冷21.4 应用蓄能空调的意义22 循环热力计算32.1 设计原始资料及技术条件32.2 初步确定制冷工况32.3 初步选定压缩机类型52.4 有关参数计算63 压缩机规格尺寸的选择73.1 压缩机选型73.2 压缩机校核计算74 强制风冷式冷凝器设计计算104.1 计算平均温差104.2 翅片管簇结构参
4、数选择计算114.2.1 基本结构114.2.2 翅片管几何参数计算124.3 传热热力计算134.3.1 空气流量134.3.2 空气侧换热系数134.3.3 管壁热阻与污垢热阻154.3.4 制冷剂侧冷凝换热系数154.3.5 结构164.3.6 空气阻力计算175 蒸发器设计计算175.1 乙二醇与制冷剂的套管式蒸发器175.1.1 有关参数的选择及计算175.1.2 确定内管根数185.1.3 传热计算185.2 乙二醇与水的蒸发器215.2.1 有关参数的选择215.2.2 传热计算226 蓄冰槽设计246.1 蓄冰槽结构设计246.2 传热量计算257 节流机构的选择计算267.1
5、 常用节流机构267.2 热力膨胀阀的选用277.3 热力膨胀阀的选型计算277.4 热力膨胀阀的安装308 其他附件的选择318.1 电磁阀318.2 截止阀328.3 过滤器338.4 轴流风机348.5 压力控制器368.6 视液镜378.7 干燥过滤器388.8 储液器398.9 气液分离器408.10 膨胀水箱418.11 泵的选择及计算439 经济效益分析45结束语46致 谢46参考文献47附录4830kw别墅蓄能空调系统设计摘 要别墅蓄能空调系统，是一个小型化的独立空调系统，在制冷方式和基本构造上类似于中央空调，与中央空调不同之处在于增加了蓄冰循环。由一台主机通过换热器与蓄冰槽连
6、接，蓄冰槽再通过风管或冷热水管连接多个末端出风口，将冷暖气送到不同区域，实现对多房间调节温度的目的。制冷量范围大致在7kW80kW，可供给单元住房面积在80m2600m2 的多居公寓、复式公寓、别墅、小型办公楼及小型商业用房使用。它是介于传统中央空调和家用空调器两者之间的一种形式。蓄能空调系统根据运行策略的不同可分为两种类型：全部蓄冷运行策略和部分蓄冷运行策略。本系统采用全部蓄冰运行策略，即主机只在夜间开启蓄冰，白天供应每日所需冷量。本文着重讨论了循环的热力计算、压缩机的选择及蓄冰槽的设计。本系统的压缩机采用了全封闭式涡旋式压缩机，对其名义工况进行了实际校核。与此同时，相应的在后续计算中，分别
7、进行了翅片管式冷凝器、套管式蒸发器以及节流机构等的选择设计计算。关键词：冰蓄冷；空调系统；压缩机；节流机构30kwvillaStorageAir Conditioning System DesignABSTRACTVilla storage air conditioning system is a small independent air-conditioning system.It is similar to the central air conditioning in the mode and the basic structure ,which is difference to ce
8、ntral air conditioning is an increase of ice cycle. From a host through the heat exchanger to connect the ice storage tank. Then the ice storage tank through the air duct or hot and cold water pipes to connect more than the end of the air, heating and cooling will be sent to different regions to ach
9、ieve multi-purpose room temperature. Generally in the range of cooling capacity 7kW 80kW, it can be used in an area of more than 80m2 600m2 home apartments, duplex apartments, villas, small office buildings and small commercial buildings. Residential central air-conditioning is a form which between
10、traditional home air-conditioning and air-conditioning . According to the different operating strategies the storage air conditioning can be divided into two types: fullstorageoperationstrategy andpart of thestorageoperation strategy. Which the strategy this system uses is all theice storageoperatio
11、n, that isopenonly at nighthostice,cold daysupply ofdaily needs. This article focuses onthe cyclethermal calculation,the choice ofthe compressorand storage tankdesign. The systemusesafully enclosedcompressor scroll compressor, the status of its volunteers to carry out the actual verification. At the
12、 same time, respectively, in the follow-up,I did the calculation about fin-tube condenser, evaporatorcasing and the choice of savings institutions.IIKEY WORDS Ice storage;air conditioning system;compressor; throttlebodies1 绪论1.1 冰蓄冷空调的基本概念空调系统在不需要能量或用能量小的时间内将能量储存起来，在空调系统需求大量的冷量时，就是利用蓄冰设备在这时间内将这部分能量释
13、放出来。根据使用对象和储存温度的高低，可以分为蓄冷和蓄热。结合电力系统的分时电价政策，以冰蓄冷系统为例，在夜间用电低谷期，采用电制冷机制冷，将制得冷量以冰（或其它相变材料）的形式储存起来，在白天空调负荷（电价）高峰期将冰融化释放冷量，用以部分或全部满足供冷需求1。每kg水发生1的温度变化会向外界吸收或释放1kcal的热量，为显热蓄能；而每kg0冰发生相变融化成0水需要吸收80kcal的热量，为潜热蓄能。很明显，同一物质的潜热蓄能量(相变温度)大大高于显热蓄能量(1温差)，因此采用潜热蓄能方式将大大减少介质的用量和设备的体积。1.2冰蓄冷空调的社会背景自改革开放以来，我国的综合国力和人民生活水平
14、都有较大程度的提高。能源工业作为国民经济的基础产业之一，也已取得长足发展。但是，能源工业的发展仍然满足不了国民经济的快速发展和人民生活用能急剧增长的需要，全国能源紧缺仍然存在。家用空调器走进了家万户，一大批在改革开放中抓住机遇富起来的人更是追求高品质的生活环境对住宅面积及其环境提出了更高的要求，洋楼别墅或大面积居室成了他们的选择目标，而室内舒适环境的创造，依靠传统中央空调很难实现2，而普通家用空调对大面积居室来说，装一台满足不了室内对空气质量的要求，而多装几台，又显得既不合理合算也不美观，另外随着城市用电政策的改革，家用中央空调和冰箱的耗电量就占家庭用电的85。用电构成也发生了很大变化，尤其是
15、用电高峰与低谷差距在不断拉大，负荷率逐年下降，其中夏季高峰用电量中空调用电就占了约30，电网运行日趋困难，资源利用不合理。而冰蓄冷中央空调能有效地移峰填谷，平衡电网的供电负荷，具有显著的社会和经济效益。近几年来，随着国家用电政策的推动和国外蓄冰技术的大量引进，蓄冰空调逐渐成为中央空调发展的一个新趋势。目前在国内推广的蓄冰空调技术主要有冰球式、冰桶式、冰槽式、蕊心冰球等等。从近几年市场的接受率来看，冰球式蓄冰系统由于其结构简单、性能可靠、蓄、放冷速度快、价格低、管理方便等优势，比较适合我国夏季由于农忙用电高峰和夏季城市降温用电高峰造成的用电紧张局面。1.3冰蓄冷系统的运行方式冰蓄冷系统的运行方式
16、有两种：全部蓄冷和部分蓄冷。1.3.1全部蓄冷全部蓄冷运行运行策略是指设计日（或周）非电力谷段的总冷负荷全部由蓄冷装置供应，制冷机在此时段不运行。该方案配备的蓄冷装置和制冷主机的容量与其他方案相比最大，初投资最多，但运行费用最节省。1.3.2部分蓄冷部分蓄冷运行策略仅将设计日非谷段的冷负荷总量转移一部分（一般为30%-50%）进行蓄冰，白天制冷主机蓄冷装置联合供应冷负荷的需要。在实际运行中，设计日负荷按部分蓄冰安排，在过渡季节往往可以安全部蓄冰运行。1.4应用蓄能空调的意义在能源消费逐渐增加的情况下，应用蓄冷空调技术具有较大的社会效益和经济效益，主要表现在如下几个方面：第一方面：削峰填谷、平衡
17、电力负荷3；第二方面：改善发电机组效率、减少环境污染；第三方面：减小机组装机容量、节省空调用户的电力花费；第四方面：改善制冷机组的运行效率。空调的制冷机组运行时，其效益随着负和的变化而变化，因此，具有蓄冷的空调系统，可根据空调负荷的大小使机组处在最佳的效益下运行；第五方面：蓄冷空调系统特别适用于负荷比较集中变化比较大的场所；第六方面：应用蓄冷空调技术，可扩大空调区域使用面积。亦即蓄冷空调系统适合于改扩建空调工程；第七方面：适合于应急设备所处的环境，使用应急蓄冷系统可大大减少对应急能源的依赖提高系统的可靠性。介于以上情况，综合考虑不难发现在我国发展别墅蓄能空调系统拥有比较大的发展前景。在此，本文
18、也就别墅蓄能空调机组系统为例，着重进行设计计算。2 循环热力计算2.1设计原始资料及技术条件1.额定制冰工况： 冷凝温度45，蒸发温度-9，环境空气干球温度30，相对湿度852.蓄冰工况： 乙二醇进口温度-5，出口温度-23.额定制冷量： 30kW4.电源： 3-380 V 50Hz5.蓄冰循环载冷剂： 25乙二醇水溶液6.供冷循环载冷剂 水7.制冷剂： R228.冰球： 双金属芯心冰球9.安全保护： 高压、低压、断水、冻结2.2初步确定制冷工况根据设计条件可知，冷凝温度为45，蒸发温度为-9，过热度为15，过冷度为5。图2.1 热力计算压焓图由任务书知，选R22为制冷剂，且系统总制冷量，此时
19、：= -9 = 45 =65.64 = 6 = 40 对应查得： 2点 = 17.256KPa = 453.17kJ/kg = 0.01692 2s点 =15.747KPa =446.31 kJ/kg =0.01798 0点 = 3.664KPa = 4.8.69kJ/kg = 0.04939 1点 = 0.502KPa = 411.01kJ/kg = 0.06791 4点 = 15.540KPa = 249.80kJ/kg = 0.05947计算如下4： 单位制冷量： （2-1） 单位容积制冷量： （2-2） 单位实际功： （2-3）单位理论功： （2-4）单位指示功： （2-5） 单位冷凝
20、负荷： （2-6） 压缩比： （2-7） 循环质量流量： （2-8） 实际输气量：=188.810.066791=45.396=12.61 （2-9）2.3 初步选定压缩机类型在蒸汽压缩式制冷系统中，各种类型的制冷压缩机是决定系统能力大小的关键部件，对输气量起着决定性作用，对系统的运行性能、噪声、振动、维护和使用寿命等均有着直接的影响。目前压缩机的类型主要有：往复式制冷压缩机、转子式制冷压缩机、涡旋式制冷压缩机、螺杆式制冷压缩机、离心式制冷压缩机等5。针对空调系统而言，根据使用工况、制冷量、造价成本及要求，一般使用涡旋式制冷压缩机的较为多见，它以其效率高、体积小、质量轻、噪音低结构简单且运转平
21、稳等特点，被广泛应用于空调和制冷机组中。由于机器中没有吸气阀，也可不带排气阀，从而提高了其可靠性6。跟往复式机器相比，没有余隙容积损失，更加提高了其效率和性能。因此，本系统初步采用全封闭式涡旋式制冷压缩机。2.4有关参数计算由于是全封闭式涡旋式制冷压缩机，其没有余隙容积，输气系数较其他压缩机高许多，一般为0.80.957，在此，从极端因素考虑选取输气系数为0.9，指示效率=0.8，机械效率=0.9，电动机轴效率=0.72，电动机效率=0.8，且此循环过热为无效过热。理论输气量： （2-10）压缩机理论功率： （2-11）压缩机指示功率： （2-12）压缩机轴功率： （2-13）压缩机电机输入功
22、率： （2-14）该制冷系统制冷系数： （2-15）性能系数： （2-16）能效比： （2-17）3 压缩机规格尺寸的选择如上所说，本系统为空调系统，选用全封闭式涡旋式压缩机。3.1压缩机选型在此，根据上述计算所得的压缩机理论排气量50 m3/h及制冷量30kW，初步选定使用比泽尔的全封闭式涡旋式压缩机DANFOSS SZ2300涡旋式压缩机：，其性能参数如下：名义工况：=-10 =40 过热度：30 =30366 =54.2 输入功率：11.60 电流：28.6A COP：3.27 润滑油充注量：6.5d 重量：1703.2压缩机校核计算由于，通常情况下，所选压缩机标准工况与所设计计算的实际
23、工况不相同，所以在此，为保障所选压缩机能够正常使用于设计条件，需在此进行压缩机的校核。图3.1压缩机选型压焓图=-10 =40 =82.3 =20 =40对应查得：=422.02kJ/kg =464.65kJ/kg =445.72kJ/kg=249.75kJ/kg =0.07491m3/kg单位制冷量： = 422.02 249.75= 151.09kJ/kg （3-1）单位理论功： = =464.65 422.02= 42.63kJ/kg （3-2）循环质流量： =g/s （3-3）实际输气量：= = 200.78 10-3 0.07491= 54m3/h （3-4）单位容积制冷量：=kJ/
24、m3 （3-5）由以上计算可知，在压缩机名义工况下的实际输气量=54m3/h，理论输气量=50m3/h，单位容积制冷量=2027.8kJ/m3则，可算出：名义工况下，对应于上述计算工况下的。又因为，kJ/m3，对应于上述计算工况下的kJ/m3。（此处，“a”表示实际设计工况；“s”表示所选压缩机名义工况。）由此，可将压缩机名义工况下的制冷量换算到实际设计温度下的制冷量，再用与设计制冷量作比较，如果大于，则说明所选的压缩机符合要求，反之，则不合要求。 具体计算公式如下7： (3-6)数据带入该公式得： (3-7)所以，所选压缩机的制冷量满足设计要求。依据此法，同样对压缩机输入功率进行校核，已知，
25、=15.63kW，=42.63kJ/kg，=35.3kJ/kg，m3/kg，m3/kg，与在此均为0.8计算。具体计算公式如下7： (3-8)数据代入该公式得：=11.6kW (3-9)所以，输入功率从名义工况下换算到实际设计工况下时仍符合要求。介于以上计算，可知，所选的压缩机DANFOSS SZ2300型符合使用要求，所以选型正确。其外观尺寸如下图3.2 压缩机外型尺寸4 强制风冷式冷凝器设计计算本系统属于中小型氟利昂制冷系统，所以冷凝器可选用强制风冷式翅片管式换热器。4.1 计算平均温差已知：环境空气干球温度为30，相对湿度85.即：，为保证进出口风温差在810 左右6，这里取出口风温度为
26、。即有：冷凝温度：45 进出口空气温差： 进口空气干球温度： 出口空气干球温度： 冷凝热负荷为：(4-1)对数平均温差： =10.5 （4-2）4.2 翅片管簇结构参数选择计算因为=38.4kW60kW，所以多采用的紫铜管为传热管，迎风面上管间距,管外径，管壁厚。选用铝翅片,翅片厚度的波纹型整张铝制套片。取翅片节距。取迎面风速。4.2.1基本结构空气流动方式；受迫对流、吸风式基本结构形式；U形整体折弯、传热管水平布置片型：波纹式翅片管排数：n=4迎风面上管中心距，管簇排列采用正三角形叉排8，具体布置方式如下图所示：图4.1 管排布置图42.2翅片管几何参数计算 单位管长翅片面积：=0.4579
27、 m2/m （4-3） 单位管长基管面积： =0.0299 m2/m （4-4） 单位管长管外面积： =0.4878 m2/m （4-5） 单位管长管内面积： =0.0283 m2/m （4-6） 单位管长管壁平均面积：m2/m （4-7）翅化系数： （4-8）平均面积比： （4-9）流流通截面比： （4-10）迎面比： （4-11）4.3 传热热力计算4.3.1空气流量 空气平均温度： （4-12） 空气平均参数：导热系数,=16.40m/s,在进风温度30条件下密度=1.165kg/。冷凝器所需空气体积流量： （4-13） （其中查表）选取迎面风速wy=2.5m/s，则迎风面积： (4-1
28、4)取有效单管长度：l=1.36m迎风面高度： (4-15) 迎风面管排数： (4-16)4.3.2空气侧换热系数进行传热计算，确定所需传热面积Aof、翅片管总长L及空气流通方向上的管排数n。采用整张波纹翅片及密翅距地叉排管数的空气侧传热系数由式子 乘以1.1再乘以1.2计算现预计流通方向管排数：n=4则翅片宽度： （4-17）微元最窄截面当量直径： =0.0033m (4-18) 空气流经最小截面时的风速： （4-19） =26.24雷诺数： =924.80 (4-20) 查表得到：=0.148， n=0.623 , c=1.138, m=-0.208 则管外空气侧表面传热系数： =64.9
29、4w/(m2K) （4-21） 对于R22制冷剂气其冷凝温度tk=45，B为氟利昂制冷物质集合系数，查表后其取值为1386.3。 管内凝结表面传热系数： =2479.4（55-twi）-0.25 （4-22） 翅片计算高度：=0.01m，其中c=1.063 （4-23） 翅片材料导热系数：=203 w/(mK)则有 翅片折算参数： =65.31 （4-24） （4-25） （4-26） 当量翅高： （4-27）翅片效率：=0.88 （4-28） 翅片管表面效率：=0.887 （4-29） 外表面当量换热效率： （4-30）4.3.3管壁热阻与污垢热阻 取管内污垢热阻： 以管外表面积计的当量管内
30、热阻： （4-31）管材料导热系数：9 （4-32） 以管外表面积计的当量管壁热阻： （4-33） 取翅片侧污垢热阻： 管壁及外侧热阻： （4-34）4.3.4制冷剂侧冷凝换热系数 忽略有关污垢热阻及接触热阻的影响，则twi=two=tw，其中twi：内侧管壁温度，two：外侧管壁温度，tw：管壁平均温度。根据热量守恒得：(3-35)整理得到： 经迭代计算得到： tw=41.11由此可得到22在管内凝结表面传热系数：=1779.20w/(m2K)(3-36)取管壁与翅片间的接触热阻rb=0.004(m2K)/m,空气侧尘垢热阻ra=0.0001(m2k)/m，紫铜管热导率=393 w/(mK)
31、，可得冷凝器总的传热系数：=32.1 w/ (m2k)(3-37)冷凝器的所需传热面积：=113.9m2(3-38)有效翅片管总长：=233.5m(3-39)空气流通方向管排数：=3.59(3-40)取整n=4，实际有效总长L=240m，实际有效面积A=126.83m2，较所需面积大11%，满足冷凝负荷的要求。此外，冷凝器的实际迎面风速与所取迎面风速一致。4.3.5结构 由前面得知迎风面积,有效长度l=1.36m,高度H=1.2则 所需传热管数： （4-41） 实取190 传热面积余量： （4-42）4.3.6空气阻力计算翅片管簇空气流动阻力： （4-43）5 蒸发器设计计算本系统共分三个循环
32、：制冷循环、蓄冰循环和供冷循环。由题意要求采用套管式蒸发器，此时，需要设计两个套管式蒸发器10分别为乙二醇与制冷剂和乙二醇与水。5.1乙二醇与制冷剂的套管式蒸发器该蒸发器采用乙二醇走管内，制冷剂走管间。5.1.1有关参数的选择及计算乙二醇载冷剂进口温度，出口温度，蒸发温度，则蒸发器进口侧乙二醇与R22的传热温差为：蒸发器出口侧乙二醇与R22的传热温差为：对数平均温差： （5-1）取管内乙二醇流速为1.2m/s管内污垢系数：选取的紫铜管为内管，外管采用的无缝钢管，且取其热导率，其管型结构参数为：管内径，管外径，管壁厚。每米管长各有关换热面积分别为： （5-2） （5-3） （5-4）由任务书知该
33、系统蒸发器制冷量5.1.2确定内管根数 载冷剂乙二醇平均温度： （5-5） 乙二醇在此平均温度下的物性参数为：密度，比热容。 体积流量： （5-6） 根据所选管型，管内载冷剂流速1.2m/s可得内管根数： 根 （5-7）5.1.3传热计算5.1.3.1乙二醇侧表面传热系数乙二醇在时的物性参数为：比热容，粘度，动力粘度，导热系数，普朗特数。雷诺数： （5-9）根据管内强制对流传热公式 ： （5-10）表面传热系数： （5-11）5.1.3.2管间制冷剂侧表面换热系数R22在时的物性参数为：密度，比热容，导热系数，动力粘度，潜热，普朗特数，粘度。且当过冷后的温度为40时，R22干度为。管间圆环面积
34、： （5-12）润湿周长： （5-13）管间圆环当量直径： （5-14）质量流率： （5-15）R22液相单独流过管内的表面传热系数： （5-16）气相密度： （5-17）对流特征数： （5-18）由于 0.65，所以查表可得：，沸腾特征数： （5-19）液相弗劳徳数： （5-20）查阅资料知R22的凯特里卡通用关联式： （5-21）代入数据整理得： （5-22）由管内壁与管外壁热流密度相等可列以下方程组： （5-23）其中为内管的外壁温度，为内管的内壁温度整理得： (5-24)再次整理： (5-25)经迭代： 则所需传热面积： (5-26)外管平均面积： (5-27)所需总管长： (5-30)5.2乙二醇与水的蒸发器 该套管式蒸发器采用水走管内，乙二醇走管间。5.2.1有关参数的选择 冷冻水进口温度，冷冻水出口温度，载冷剂乙二醇的平均温度。则对数平均温差： (5-31) 选取管内水速： 选取管内冷冻水污垢系数： 选用的紫铜管轧制低翅片管为内管，外观选用无缝钢管，内管型结构参数如下：翅节距，翅厚，翅高，管内径，翅根管面外径，翅顶直径 每米管长各有效换热面积为： （5-32） （5-33） （5-34） （5-35） （5-36） 冷冻水在平均温度时的物性参数为：密度，比热容 冷冻水体积流量： （5-37） 所需内管根数： 根 （5-38）