热能专业论文.doc

郑州轻工业学院毕业设计（论文）任务书题目 1360L立式中温蔬菜冷藏陈列柜设计 专业 热 能 学号 200602020244 姓名 王鹏飞 一、原始资料及技术条件1. 陈列柜有效容积： 1360 L2. 柜内设计温度： 1-53. 环境温度： 254. 环境相对湿度： 60%5. 电源： 220 V 50Hz6. 工质： R22二、主要内容1. 设计计算：陈列柜几何参数计算、负荷计算、循环热力计算、压缩机选择计算及说明、冷凝器设计计算、蒸发器设计计算、辅助设备选择计算、节流机构选择计算及说明。2. 零部件选择：温度控制仪选择、压力控制器选择、其他零部件选择。3. 设计图样：总装图、主要零部件图、系统流程图、电控原理图。三、基本要求1. 认真进行实习(调研)、完成实习(调研)报告。2. 阅读文献写出文献综述。3. 按统一格式完成开题报告。4. 阅读英文文献，并译成中文(不少于5000汉字)。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. 有全部设计的纸介质文档和电子文档。根据设计任务书，先计算陈列柜几何尺寸一， 陈列柜几何尺寸 长c=1.0m 宽b=0.85m 高a=1.6m V=a×b×c=1.0×0.85×1.6=1.360m3二陈列柜总的热负荷计算2.1 陈列柜负荷主要有箱体漏热量Q1，储物热量Q2 开门漏热量Q3 ，其它热量Q42.2箱体漏热量Q1 Q1=KA(t2-t1)其中：A为箱体外表面传热系数K= (单位W/（M2·K)）（其中1取11.6W/M2K 室内温度Va=0.1-0.15m/s时1取3.5-11.6；2取19.1W/M2K 箱内温度为自然对流时，2取0.6-1.2为便于计算本题取整数）。 隔热材料选硬质聚氨酯泡沫，=0.024W/(M·)有已知任务书，可知：干球温度为Tw=25相对湿度60%，查表可知，空气露点温度Twd=19.5这样有公式可算出冷藏陈列柜的隔热层厚度隔热层最小厚度min = r（·-）代人已知数据求的min = 0.006475m计算限定维护结构的单位面积传热量所需隔热层厚度=r(-)代入已知数据求的h=0.0547m圆整后实取0.06m传热系数K = = 0.32924W/M2·陈列柜表面积（敞开一面利用风幕）A=（1.6×1.0+1×0.85×2+0.85×1.6×2 =6.02M2有上述数据可求的箱体漏热量Q1Q1 = KA(t1-t2) = 0.32924×60.2×（25-1） = 60.76 W2.3储物热量Q2Q2 = 其中M为水或冰的质量，单位为kg； C为水的比热容C=4.19KJ/(Kg·K) R为水的凝固热R = 333KJ/Kg Cb 为冰的比热容Cb = 2KJ/Kg·K) T1，T2为水的初始温度和冰的终了温度，单位为M=1.360M3×1000Kg/M3×0.5% =6.8KgT1=25 T2=5 T2=1代入已知数据 Q2=411.54 W开门漏热量 陈列柜室内体积1.136m，开门次数每小时2次，空气比体积0.9 ，进入柜内的比焓差=h-h=302.29-282.22=40.07 =28.10 W这样总的热负荷Q= Q 1+Q+ Q3 = 1.15×60.76 + 411.54 +28.10 = 509.514 (W)Q= 509.514 ×1.1= 560.47W三，热力计算（一）几个状态点的温度设定1 设定冷凝温度 制冷剂冷凝温度等于外界环境温度加上冷凝传热温差 tk = t + 20 = 45（）2 蒸发温度 陈列柜的蒸发温度等于箱内温度减去传热温差 t0 = t0-5 = （-4 0）3 过热温度 tG 过热温度一般小于或等于环境温度， tG 取25过热度为 t-t=294 过冷温度过冷温度一般等于环境温度减去过冷度，过冷度可取15-32，取20所以ts = t -20 = 5根据所确定的工作参数，利用solkane制冷剂物性计算软件计算相关数据，如下图1绘制p-h图2 图2（二）热力计算1.单位制冷量q0，单位容积制冷量qv及单位理论功w0的计算。单位质量制冷量q0 = h1-h5（kJ/kg）= （421.47-234.67）kJ/kg =186.8 kJ/kg单位容积制冷量qv = q0/v1（kJ/m3）= 186.8 /0.09105 kJ/m3= 2051.6 kJ/m3单位理论功w0 = h2s - h1 （kJ/kg）= 458.02-421.47 = 36.55 kJ/kg2.制冷系数 = q0 / w0 = 186.8/ 36.55 = 4.093.压缩机指示效率 i = T0/Tk +bt0 =273.15+（-4）/(273.15+45)+0.0025×(-4) = 0.7734 排出过热蒸汽比焓 h2 = h1 + h2s-h1/i = 422.31 +37.19 = 468.66 KJ/kg5.单位冷凝热负荷 qk = h2- h5 = 467.16-234.57 = 232.59 KJ/kg 6.制冷循环量 qm = 3.6Q0/q0 =3.6×560.47/186.8 = 10.8Kg/h7. 冷凝器热负荷 Qk= qmqk = 10.8×232.59/3.600 =697.8W8.回热器热负荷 QR = qm(h1-h0) = 17.88×（422.31-404.17） = 0.08997 KW = 90 W9. 压缩机实际吸入过热蒸汽量 Vs = qm×V1 = 10.8×0.09105 = 0.98m3/h四 压缩机选型及热力计算 1. 压缩机压比 = 11.6/2.53 =4.592. 容积系数v = 1 - c（1+pd3/pdk）1/m-1 = 1 -0.0254.59（1+0.11）1/1.05-1 = 0.923. 压力系数 p = 1 - （1+c）/v×ps0/ps0 = 0.93874. 泄露系数取0.975 即L= 0.9755. 温度系数 T = T0/TKL = 0.87416.压缩机容积效率 v = vpLT =0.92×0.9387×0.975×0.8741 = 0.7366. 压缩机理论输气量 Vh = Vs/v = 0.98/0.736 = 1.332 m3/h7. 压缩机制冷量 Q0 = qv ·Vh·v = 2051.6×1.332×0.736 = 0.56 KW 8. 压缩机功率 8.1 理论绝热功率 P0 = qm· w0/3.600 = 109.65W8.2 指示功率 Pi = P0 /i = 141.85 W 9 机械效率m取 0.92 即 m = 0.92 轴效率 e =i m = 0.773×0.92 = 0.674 电效率 el = eeo = 0.674×0.84 = 0.57电功率 Pel = 141.85/0.57 = 248.9 W制冷系数 1 =560.47/248.9 热力完善度 =1/ =2.252 =2.252/4.09 = 55.1% Pel = Pi + Pm Pm = Pel - Pi摩擦消耗的功率 Pm = 297.9 - 230.23 = 67.67 W压缩机理论输气量压缩机制冷量电功率蒸发温度制冷剂1.332 m3/h560.47W248.9 W-4R22有上述数据参照R22制冷工质选择压缩机为所选压缩机外形如图根据以上求取的压缩机理论输气量、压缩机制冷量、电功率等参数，参照按R22制冷工质设计的压缩机有关规格参数表，现选择压缩机型号为SC10C，额定制冷量850W，输入功率470w，电源电压220240V、50Hz。五 冷凝器的设计项目 参数值/ 项目参数值/冷凝温度tk45进出口空气温差ta2 - ta18进口空气干球温度ta1 25出口空气干球温度ta2 335.1 冷凝温度tk=45，进风温度ta1=25，出风温度ta2=33。由制冷循环的热力计算可知其冷凝热负荷Qk=697.8w表1 温度参数对数平均温差m = （ta2 - ta1 ）/Ln （tk -ta1）/ (tk -ta2）)代入已知数据求的 m = 8.73 有小型制冷装置知道（吴业正）P68 图3-1查的tk=45 t0=-4时的冷负荷系数C0 = 1.27，则冷凝器负荷 Qk = C0 Q0 = 1.27×697.8 = 886.21 W5.2 翅片管簇结构参数及计算 选择7mm×0.32mm的紫铜管为传热管，选用的翅片是厚度f = 0.15mm 的波纹型整张铝制套片。取翅片节距Sf = 2mm，迎风面上管中心距S1 =20mm，管簇排列采用正三角形叉排。每米管长各有关传热面积分别为 af = 2（S1S2- db2/4）/Sf、 = 2×(0.0202× - ×0.0072/4)/0.002 m2/m =0.3079m2/m ab = db（Sf -f）/ Sf = ×0.007×（0.002-0.00015）/0.002m2/m=0.0203 取当地大气压pB = 1.01325×105 Pa，由(干空气)物理性质表（传热学陶文铨第四版P559）在空气平均温度tm=29 的条件下，Cpa = 1005J/（Kg·K）,a =0.0267W/（m·K）,a = 16 ×10-6m2/s 在进风温度ta1=25 条件下a =1.185Kg/m3冷凝器所需空气体积流量 Qv = Qk/a Cpa(ta2 - ta1) 886.21/1.185×1005×（33-25）m3/s = 0.093 m3/s= 334.8 m3/haof = af + ab = （0.3079+0.0203）m2/m = 0.33 m2/mai = di =×0.00636 m2/m = 0.0200 m2/m取迎风面风速Wy = 1.0 m/s 则迎风面积Ay=Qv /Wy =0.093/1.0 =0.093 m2 取冷凝器迎风面宽度即有效单管长L = 0.31 m ，则冷凝器的迎风面高度 H = Ay/L = 0.093/0.31 = 0.3m迎风面上管排数 N = H /S1 -1/2 = 0.3/0.020 = 145.3 进行传热计算确定所需传热面积Aof 翅片总长度L及空气流通方向的管排数n预计冷凝器在空气流通方向上的排数n = 4，则翅片宽度 b = 4 × 0.020 × m = 0.06928 m 微元最窄截面的当量直径 de = 2（s1-db）（sf-f）/（s1- db）+（sf-f） = 2×（20-7）（2-0.15）/(20-7.0)+(2-0.15) = 3.24mm =0.0032 m 最窄截面风速 Wmax = Wy s1sf/(s1-db)（sf-f） = 1.0×20×2/（20-7）（2-0.15） = 1.66 m/s 因为 b/ de = 0.06928 /0.0032 = 21.65 Ref = Wmax ·de/a = 1.66×0.0032/16 ×10-6 = 332查表3-18和表 3-19（小型制冷装置知道（吴业正）用插入法求的=0.242, n =0.557 ， c = 1.2196 ，m = -0.226 则空气侧表面传热系数 of = 1.1×CRefn（b/de）-ma/ de=1.2196×0.242×3320.557×21.65-0.226×0.0267/0.0032= 31.17 W/(m2/K)查表3-11，（小型制冷装置知道（吴业正）。R22 在tk = 45 物性集合系数 B = 1386.25 氟利昂在管内凝结的表面传热系数有式ki =0.555Bdi-0.25（tk twi）-0.25其中 B 为氟利昂制冷剂的物理集合系数，见表3-11twi 为管 内壁温度，单位为ki = 0.555Bdi-0.25（tk twi）-0.25 = 0.555×1386.25×0.00636-0.25（45 - 42 ）-0.25 = 2070.1翅片相当高度有 h= d0/2(s1/ d0)-11-0.35Ln(c×s1/d0) = (-1)1+0.35Ln(1.063×) = 5.15×10-3 m = 5.15mm取铝片热导率 = 203W/（m·K），有式m = 其中 ：为翅片材料的导热率，对铝片= 203W/（m·K）；h当量翅高，单位 m ；f 翅片厚度，单位m ；则 m = = （2×48.18/203×0.00015 ）1/2 = 56.2542 m-1 有式 f = th（mh）/ mh = 0.88表面效率有式 o = （aff +ab）/（af + ab） = (0.4579×0.88+ 0.0212)/( 0.4579+0.0212) = 0.885忽略各有关污垢热阻及接触热阻的影响，则 twi = two = tw ，将计算所得有关各值代入kiai（tktw）=ofoaof（tw tn） 得： tw = 42ki = 0.555Bdi-0.25（tk twi）-0.25 = 2070.1W/（m2·K） 取管壁与翅片间接触热阻 rb =0.004 m2·K/W ,空气侧尘埃垢层热阻 r0 = 0.0001 m2·K/W紫铜管热导率 = 393W/(m·K) 有公式 K0 = 1/（1/ki ·aof/ai +/·aof/am +r0 +rb +1/of0）可计算冷凝器的总传热系数。即 K0 = 1/（1/ki ·aof/ai +/·aof/am +r0 +rb +1/of0） = 20.7 W/(m2·K) 冷凝器所需传热面积 Aof = Qk /k0m = 886.21/20.7×8.73 = 4.9m2所需有效翅片管总长 L = Aof/aof = 4.9/0.33 = 14.86 m空气流通方向上的管排数 n = L/Nl = 14.86/14×O.31 = 3.42（排）取整后n = 4，与计算空气侧表面积传热系数时预计的空气流通方向的管排数相符。，冷凝器的校核冷凝器的传热管数为56根，每根有效长度为0.31m 则，则冷凝器实际有效长度为 0.31×56×0.33 =5.7 m2 ，实际传热面积为5.7m2 ，较传热计算所需传热面积4.9m2 大 16.3%，完全能满足冷凝器的传热要求。此外。冷凝器的实际迎面风速与所选迎面风速相一致。5.4 风机的选择计算由于冷凝器的迎风面宽度L = 0.31m，高度 H = 0.3m动压 p= a wy2/2 = 1.185×12/2 = 0.6 Pa 静压 P= 0.108（a ·wmax ）1.7b/de = 0.108(1.185×1.66)1.7·0.06928 /0.0032 = 7.4 Pa 风机采用电动机直接传动，则传动系数m=1； 取风机全压效率fan=0.6则电动机输入功率 P = qv（p+P）/mfan = 0.1044×（0.6+7.4）/0.6×1 = 13.9W 风扇风量 为334.8 m3/h ；输入功率 13.9W ；风压为8Pa，六，蒸发器设计 热负荷Q=560.47W，柜内平均温度3 C，蒸发器管内的温度为-4 C，冷藏室蒸发器采用单脊翅片盘管式蒸发器，一般用厚度为0.25mm的铝板，使它弯曲成6.5mm的管形通道，其翅高h在20-26mm之间选择，本设计翅高选h为25mm，翅厚=20.25=0.5mm（1）单脊翅片式蒸发器管外表面传热系数，本设计陈列柜属于直冷式冰箱，冷藏室蒸发器选用单脊翅片式蒸发器，其空气侧表面传热系数应按自然对流换热计算，计算公式如下=1.28（t-t）/L 式中 t-冷藏室内空气的平均温度，为3度 t-蒸发器管内制冷剂R22的蒸发温度为-4度 L-定型尺寸，取单脊翅片的翅高，L=0.025m则管外表面传热系数=1.28(3-(-4)/0.025w/(m²k)=5.24 w/(m²k)(2)管外纵向平直翅片的翅片效率f=式中 h-翅片高度，单位m m-定义参数，当翅片的深度比厚度大的多的时候 m=（25.24/230.5/0.5/10-3）0.5=10.145上述m的计算式中，0，f，分别为管外表面传热系数，翅厚，肋片的热导率=（3）翅片的表面效率s 翅片的表面效率按下式计算s=其中A1为一次传热面，A2为二次传热面，As为总的传热面积。设翅片的长度为L，则可列出如下关系：A=3.146.5L=0.02lA=2hl=225L=0.05l=0.07l表面效率为(4)由于R22在管内蒸发时的传热系数远大于空气自然对流表面传热系数，因此可以不计算管内表面传热系数。（5）传热系数K 由于空气侧表面传热系数远小于管内制冷剂侧的表面传热系数，因此传热系数的计算可简化为 K0.9*5.24*0.914=4.31 w/(m²k)（6）传热面积及翅片长度 冷藏室蒸发器总的供热量其中黑度为0.9，辐射系数为5.67 w/(m²k4)，发射体热力学温度T1为276K，接受体热力学温度为269K，传热温度e=3-（-4）=7度，则传热面积为 除于冷藏室蒸发器中连接管和连接板的传热面积0.06m²，翅片盘管的传热面积As=9.48-0.06=9.42m²，因为As=0.07L，则翅片长度L=9.42/0.07=134.56m八、毛细管长度的计算毛细管计算的经验公式如下， 式中 -压力差， -雷诺数-毛细管长度，-制冷剂流速，-制冷剂密度，-毛细管内径，制冷剂R22的压力差查制冷剂R22饱和状态下的热力性质图表，发现温度对液体比体积的影响不大，本设计所取温度为冷凝温度和蒸发温度的平均值，查得液体比体积，蒸气比体积凭经验取干度，则平均比体积，其密度，下液体粘度，而气体粘度则平均粘度，已知制冷工质循环量，选用内径0.66mm的毛细管，则制冷剂的流速可按下式计算雷诺数 则毛细管长度