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机械工程论文

冷风机与风冷冷凝器设计开题报告

时间:2013/5/20 10:20:57  作者:60论文网  来源:www.60lw.com  查看:385  评论:0

1、课题的目的及意义(含国内外的研究现状分析或设计方案比较、选型分析等)

 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。

    冷风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国内外的研究现状及设计方案比较

 1.2.1冷风机的国内外研究现状

   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2∶1∶7,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。

 1.2.2 风冷冷凝器的国内外研究现状

   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。

 1.2.3空冷和水冷冷却器的比较

   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。

 1.2.4风冷式和水冷式冷凝器制冷机的比较

    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。

课题任务、重点研究内容、实现途径

 2.1 课题任务

   本试验装置可以准确测量冷风机的制冷量、功耗和单位功率制冷量等参数;并能测量风冷冷凝器的风量等技术数据。设备运转采用可编程序控制器,直观性和可靠性都有了非常可靠的保证;测量数值由计算机进行数据采集处理并存档,自动打印试验报告,并可分析试验结果和测试数据。

 2.2 重点研究内容

 2.2.1 冷风机与风冷冷凝器的主要测试工况

冷风机的主要测试工况如表1。

表1   制冷剂直接蒸发式空气冷却器名义工况 

工况名称 空气进口温度(干球)(℃)   蒸发温度(℃)  过热度/进口温差 过冷制冷剂温度(℃) 

标准工况1  +10 0 0.65 30

标准工况2 0 -8

标准工况3 -18 -25 20

标准工况4 -25 -31

标准工况5 -34 -40

注:

   1)当制冷剂-油混合物液体中的含油量小于等于1%,不需根据含油量进行供冷量的修正;

   2)冷却器的空气进口湿球温度应保证其冷却盘管基本不结霜或基本无凝结水;

   3)吸气露点温度(相应蒸发湿度)对应冷却器的出口状态;

   4)进口温差是指空气进口温度(干球)和吸气露点温度(相应蒸发温度)之间的温差;

   5)制冷剂液体温度在测试时允许有±2℃的偏差,同时必须保证至少3℃的过冷度;

   6)参照标准:GB/T 25129-2010 《制冷用空气冷却器》

风冷冷风型空调机的基本参数按表2的规定

表2 风冷冷风型空调机的基本参数

 

代 号   名义制冷(热〕量W EER,COPW/W

LF >7 000~14 000 2.50

>14 000~28 000 2.50

>28 000~50 000 2.45

>50 000~80 000 2.40

>80 000~100 000 2.35

>100 000~150 000 2.30

>150 000 2.30

注:1) 上表中所有参数为被测机各种工况可运行和测试的最小值和最大值。

     2) 风量测量参照标准:GB/T 17758-1999《单元式空气调节机试验方法》

 2.2.2 研究的主要内容

   1)文献调研,进行方案比较; 2) 冷风机方案设计;3) 风冷冷凝器方案设计;4)设备选型;5)三维模型建立;6)对设计方案进行评估;

 2.3 制冷用空气冷却器(冷风机)的装置设计

 2.3.1 本实验的实验方法

     a) 校准箱量热计法

     b) 制冷剂液体流量计法

 2.3.2 校准箱量热计法

   校准箱量热计法是通过测定输入校准箱量热计的总热量,包括输入的电功率与漏热量之和(但不包括冷却器输入功率),来测定冷却器供冷量的方法。进行过冷量实验或漏热系数标定实验时,校准箱应放在有一定尺寸的实验室内,其与环境间的各侧面,顶面和底面间应有不小于500mm的间隔。采用校准箱法进行供冷量测试,在内外温差不大于25%时,校准箱的漏热量应不大于500W,若漏热量大于500W,应不大于被测冷却器名义供冷量的20%。冷却器放置在一个带有隔热层封闭的校准箱量热计中进行试验,校准箱应位于一个温度可控制的隔室内。校准箱应能承受内、外100Pa的气压差。冷却器试验时其供液和回气管道应隔热。测量进入冷却器的空气温度测点应不少于8个,在距离进风口150mm并与进风口平行的截面上均匀分布;或者采用取样器在距离进风口150mm并与进风口平行的截面上测温。在校准箱内应安装一台加热设备,既可用来标定校准箱,又可满足冷却器供冷量的测试。

   漏热系数的标定试验:

   关闭所有校准箱量热计的开口

   布置温度测点

   用电加热器加热校准箱量热计,使校准箱内温度至少高于周围环境环境间温度20℃。

   当校准箱内外温度达到稳定状态,即:测点间温度值差不大于1.5℃,平均温度波动不大于1℃,保存30min以上后开始测试。

   该校准箱量热计总输入功率(包括风机等的输入功率)即是该校准箱在该室内外温差下的漏热量。

   连续测量6次,每次间隔15min,记录温度并测出温度平均值,记录输入的总功率。

    测试要求:冷却器在设定的蒸发温度下稳定运行;启动电加热器、通风机等辅助设备,测量被试冷却器的回风温度,使回风测温点的温度稳定均匀,即测点间温度差不超过2℃,平均温度波动不大于1℃;冷却器应在各试验工况及各测点温度稳定后在读取读数。

    漏热系数由下式计算得出:K=(Wd+Wt)/(T1-T2)

式中:K—漏热系数,单位为瓦每摄氏度(W/℃);

      Wd—加热装置平均消耗功率,单位为瓦(W);

        Wt—校准箱量热计其他辅助设备平均消耗功率,单位为瓦(W);

      T1—校准箱内的平均温度,单位为摄氏度(℃);

      T2—校准箱外的平均温度,单位为摄氏度(℃);

    冷却器的供冷量按下式计算:Q=Wd+Wt+K(T2-T1)

式中:Q—冷却器的供冷量,单位为瓦(W);

      Wd—加热装置平均消耗功率,单位为瓦(W);

        Wt—校准箱量热计其他辅助设备平均消耗功率,单位为瓦(W);

      T1—校准箱内的平均温度,单位为摄氏度(℃);

      T2—校准箱外的平均温度,单位为摄氏度(℃);

      K—漏热系数,单位为瓦每摄氏度(W/℃);

 2.3.3 制冷剂液体流量计法

     制冷剂液体流量计法的体统原理图见下图1:

 

  图1 制冷剂液体流量计法的系统原理图

1-压缩机;2-冷凝器;3-过冷器;4-截止阀;5-温度计;6-流量计;7-压力表;

8-视液镜;9-节流阀;10-空气冷却器;

    通过流量计测定冷却器循环中的制冷剂液体流量,制冷剂流量以容积或质量为单位,流量计安装在过冷器与节流阀之间的管道中。为防止制冷剂在流量计中气化,进入流量计的制冷剂温度应至少比流量计出口压力对应的制冷剂饱和温度过冷3℃。在每15min测量一次,试验应持续进行,直至连续四次读数在试验工况的读数允差范围内。

   冷却器的供冷量按下式计算:Q=Vρ(1-X)(h2-h1)-W 

式中:Q—冷却器的供冷量,单位为瓦(W);

      V—流过冷却器的制冷剂-油混合物体积流量,单位为立方米每秒(m3/s);

        ρ—测量流量时制冷剂密度,单位为千克每立方米(kg/m3);

        X—制冷剂-油混合物液体中的含油量,单位为千克每千克(kg/kg);

      h2—冷却器进口制冷剂比焓,单位为焦每千克(J/kg);

       h1—冷却器出口制冷剂比焓,单位为焦每千克(J/kg);

       W—空气冷却器平均消耗功率,单位为瓦(W)。

2.4 风冷冷凝器的装置设计

 2.4.1 本实验的实验方法

   a) 制冷剂流量计法

 2.4.2制冷剂流量计法

    根据制冷剂焓值的变化和流量确定制冷(热)量。焓值的变化由室内侧进口和出口的制冷剂压力和温度确定,流量由液体管路中的流量计测定。本方法适用于对制冷剂充注量不敏感,安装程序中包括现场连接制冷剂管路的空调机试验,不适用于流量计出口的制冷剂液体过冷度小于2.O℃,室内侧热交换器出口的蒸气过热度小于6.0℃的空调机试验。

   制冷剂流量的测量: 制冷剂流量用积算式流量计测量,流量计接在液体管路中,并在制冷剂控制元件的上流侧。该流量计大小的选择,应按其压力降不超过产生2.O℃温度变化的相应蒸气压力变化值。测量温度和压力的仪表和视镜应紧连在流量计的下流侧,以确定制冷剂液体过冷程度;若过冷度为2.0℃并在离开流量计的液体中无任何蒸气气泡,则认为过冷已足够。流量计装在液体管路中垂直的向下环管的底部,以利用液体产生的静压。在试验结束时,从空调机中将循环的制冷剂和油的混合液取出样品,并根据GB/T 5773测量混合液的含油百分比,测出的总流量根据油的循环量进行修正。

   空气流量的测量:空气流量按喷嘴的装置进行测量,喷嘴是由一个隔板分开的进风室和排风室组成,在隔板上装一只或几只喷嘴。空气从被试空调机出来经过风管进人进风室,通过喷嘴排人试验房间或用风管回到空调机进口。喷嘴装置及其与空调机进口的连接应密封,渗漏空气量应不超过被测空气流量的1%。喷嘴中心之间的距离应不小于较大的一个喷嘴喉径的3倍,从任一喷嘴的中心到最邻近的风室或进风室板壁的距离应不小于该喷嘴喉径的1.5倍。扩散挡板在进风室中的安装位置应在隔板的上风侧,其距离至少为最大喷嘴喉径的1.5倍;在排风室中的安装位置应在隔板的下风侧,其距离至少为最大喷嘴喉径的2.5倍。通过一只或几只喷嘴的静压降采用一只或几只压力计测量,压力计的一端接到装在进风室内壁上并与壁齐平的静压接口上,另一端接到装在排风室内壁上并与壁齐平的静压接口上。应将每一室中的若干个接口并联地接到若干个压力计上或汇集起来接到一只压力计上,可用毕托管测量离开喷嘴后气流的速度头,在采用两只或两只以上的喷嘴时应使用毕托管测出每一喷嘴的气流速度头。

空气流量的计算法:

风量流过单个喷嘴的质量风量 

Ga=(6.556×10-5)CNDN2EY[ΔPNPN1/TN1ab(1-β)(1+WN1)(1+WN1/0.62)]0.5 

Y=1-(0.548+0.17 β4)(1-α) 

CN=0.9986 -7.006/Re0.5+134.6/Re(适用于L/D=0.6 喷嘴) 

β= DN/Dh 

Dh =(4ab/π)0.5 

α=PN1/PN2 

Re=DN2VN2ρN2/μ=(20.5/μ)CNDN2Y(ΔPNPN1/1-Eβ4) 

可简化为CN=0.99

仓式试验台可取 α=1,β=0, E=1,Y=1 

可简化为 

Qas=(6.556×10-5)CDN2[ΔPNPN1/TN1ab(1+WN1)(1+WN1/0.622)]0.5

流过多个喷嘴的质量风量 

Qa=[ΔPNPN1/TN1ab(1+WN1)(1+WN1/0.622)]0.5∑(6.556×10-5)CDN2

风量测量参照标准: GB/T 17758-1999《单元式空气调节机试验方法》

2.5 系统说明

   试验室由测试环境间、空气处理系统、制冷系统和水系统组成。对于冷风机而言,采用制冷剂流量法、校准箱法测定其制冷量和耗功等技术数据。对于风冷冷凝器而言,通过风管与风洞连接,直接在自然环境里进行风量测试。

 2.5.1数据采集处理系统

   工控机:Intel Core2 Duo 2.8G,2048MB内存,320GB硬盘,17”液晶,带GP-IB接口

   数据采集: PLC

   打印机: HP Laser Jet

 2.5.2控制柜

   主体尺寸: 约W2400×H1900×D1000 mm

   保护装置: 通风装置、常规电工保护、急停开关等。

 2.5.3动力柜

    主体尺寸: 约W1600×H1900×D600 mm;

   保护装置: 通风装置、常规电工保护等。

 2.5.4应用软件

   1) 操作系统:WinXP;

   2) 编程软件:组态软件;

   3) 自动、半自动测试:数据采集、工况判稳、工况切换、测量控制、数据处理、(软件校准)、试验资料存盘(加密)、查询、检索、打印;

   4) 系统特点:

   独立的蒸发、冷凝器室环境空调、焓差风洞及压缩机柜热环境控制,保证了可按汽车空调专业标准进行全天候性能试验并可进行部件的优化匹配,研究开发出综合性能优越的车用空调产品;

   兼容各种结构型式空调系统、单体的全性能试验;

3、进度安排

进   度   安   排

序号 设计(论文)工作内容 时间(起止周数)

1 外文翻译 1  周至  1  周

2 文献调研 2  周至  3  周

3 计算方法评估及选定 4  周至  5  周

4 建模及网格划分 6  周至  7 周

5 计算及结果分析 8  周至 14   周

6 撰写毕业论文 15  周至  15  周

7 毕业答辩 16  周至  16  周


标签:冷风 冷冷 冷凝 冷凝器 设计 

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