冷風機與風冷冷凝器設計的開題報告

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冷風機與風冷冷凝器設計的開題報告

　　1、課題的目的及意義（含國內外的研究現(xiàn)狀分析或設計方案比較、選型分析等）

冷風機與風冷冷凝器設計的開題報告

　　1.1課題的目的

　　隨著世界經濟的發(fā)展，全球常規(guī)能源消耗量越來越大，而儲量越來越小，導致能源價格不斷上漲，要解決這個問題，有兩條路:一是尋找新的能源替代品，二是節(jié)約和合理利用當前有限的常規(guī)能源。在全球能源消耗構成中，夏季空調制冷能耗所占比重越來越大。據統(tǒng)計，夏季空調制冷用電量約占總用電量的40%，研究空調產品換熱器的換熱效率，提高空調產品的節(jié)能指標就具有十分重要的意義�？照{器、冰柜等家用制冷設備和工業(yè)用制冷設備的生產在我國已經得到長足的發(fā)展進步，從產量上來講，已經步入世界前列，屬于生產大國。但是從技術上講，和歐美等發(fā)達國家相比還有一定的差距，尚不屬于技術大國，還不是制冷空調產品的強國�？沙掷m(xù)發(fā)展是當今世界許多國家共同的總體戰(zhàn)略，也同樣是我們國家發(fā)展的重大戰(zhàn)略。節(jié)約能量消耗，保護自然環(huán)境是經濟和社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，這也對制冷機制造業(yè)的發(fā)展提出了新的要求，指出了發(fā)展的方向。

　　冷風器是空調機組的核心部件，其性能直接影響到空調機組的性能。因此，國內外對冷風器的研究十分重視，先后提出的熱工計算方法已不下幾十種，這些方法各具特色、各有利弊，即使在國內外空調設計手冊和教科書中采用的幾種主要熱工計算方法計算時也不都能較全面和準確反應風冷器的性能。本文也對風冷式冷凝器進行了相應的理論分析和實驗研究，獲得大量的實驗數(shù)據，通過對數(shù)據的處理分析，得到一系列有關風冷式冷凝器換熱性能和風量測試的結論，對于冷凝器結構的優(yōu)化設計具有很好的參考借鑒作用。

　　1.2國內外的研究現(xiàn)狀及設計方案比較

　　1.2.1冷風機的國內外研究現(xiàn)狀

　　冷風器是冷庫、空調等制冷系統(tǒng)的一個重要部件，由于其工作溫度較低而經常結霜，為使其正常工作，不得不對蒸發(fā)器進行定期除霜，這不僅要耗費額外的能源，而且除霜期間制冷系統(tǒng)要停止工作，整個制冷系統(tǒng)的制冷效果無疑會大大降低，所以了解冷風器在結霜工況下的運行特性，以及霜的形成規(guī)律及其對蒸發(fā)器工作性能的影響，可以指導我們對系統(tǒng)進行優(yōu)化，合理除霜，以便于提高空冷器的性能，這也一直是我們對冷風器不斷進行研究的原因和動力。冷風器作為空調系統(tǒng)中水側和風側子系統(tǒng)的重要接口，國內外對其研究主要集中在強化換熱、熱工計算方法、仿真、應用范圍的拓寬、開發(fā)更加緊湊型的翅片管水冷式表冷器等方面�，F(xiàn)在空調用冷風器大多數(shù)采用銅管套鋁片結構，也有少量的使用鋼管鋁翅片，鋁管鋁翅片，但最終目標都希望能采用新的技術，強化表冷器的傳熱，從而提高機組制冷量、處理空氣效率，降低冷風器風阻，使產品結構更加緊湊，減少銅、鋁等金屬材料的用量。對管翅式銅管鋁翅片的換熱器研究表明，其熱阻分布規(guī)律為：管內熱阻與銅管翅片的接觸熱阻及管外空氣側的熱阻比為2∶1∶7，可見管外翅片的換熱仍然是制約換熱器效能的主要因素。因此,提高空氣側換熱系數(shù)成為管翅式換熱器強化換熱的重要問題。翅片結構形式包括間距、厚度、外型等對翅片管式換熱器傳熱性能和阻力性能有很大影響，可以通過改變翅片的結構形式來增加翅片的換熱面積、加強空氣側的氣流擾動，進而增大空氣側換熱系數(shù)。就如何優(yōu)化冷風器的結構使其達到最佳傳熱狀態(tài)，國內外從實驗到數(shù)值模擬做了大量的研究工作。目前應用的翅片片型主要有平板型、皺紋型（波紋板等）及開縫型（如條縫型、百葉窗型等），除平板型以外的片型因為對傳熱有明顯的強化作用又稱為強化翅片。由于平翅片管換熱器在制造上的簡單方便、使用上的耐久性及其較好的適用性，它仍是最為常用的一種翅片管換熱器，國內外對它的研究也最多。條縫形翅片和百葉窗翅片依靠破壞空氣邊界層的原理減小空氣側熱阻從而增強換熱，目前它們已經被廣泛使用到空調系統(tǒng)中。波紋形翅片可以加長空氣流道，并且能

　　夠對氣流造成充分的混合，所以也能增強空氣側換熱，目前對它的研究是以上三種強化管換熱器中最多的。

　　1.2.2 風冷冷凝器的國內外研究現(xiàn)狀

　　空調器中的冷凝器和蒸發(fā)器統(tǒng)稱為換熱器。換熱器的性能直接影響空調的制冷性能，而且金屬材料消耗大，體積大，它的重量占整個空調重量的50%-70%,它所占的空間直接影響空調器的體積大小，因此研制生產高效換熱器是極為重要的。提高冷凝器的換熱效率，在一定換熱量和能量消耗的前提下使設備緊湊，減少占地和材料消耗，降低成本，是現(xiàn)階段冷凝器發(fā)展的總的趨勢。

　　目前制冷空調機組的冷凝器多采用水冷式和風冷式。水冷式冷凝器是用水冷卻高壓氣態(tài)制冷劑，使之冷凝。由于采用水冷式冷凝器可以得到比較低的冷凝溫度，這對于制冷系統(tǒng)的制冷能力和運行經濟性均較為有利。而風冷式空調機組是利用空氣使氣態(tài)制冷劑冷凝，在全負荷時，風冷冷凝器的冷凝溫度要高于水冷式冷凝器，故風冷式空調機組的性能系數(shù)相對較低。因此，同樣制冷量的風冷冷凝器對應的制冷壓縮機需要更大的功率來運行。但是在只有部分負荷的情況下，風冷機組和水冷機組的性能系數(shù)卻相差不大。

　　1.2.3空冷和水冷冷卻器的比較

　　水冷和空冷是目前工業(yè)裝置中最重要的兩種冷卻方式。這兩種冷卻方式各有優(yōu)點和不足，選用時要視具體情況。如果冷卻水供應困難，又要求嚴格控制環(huán)境的污染，自然選用空冷器；如果廠地面積、空間都受到限制，水源也無問題，也就只有選用結構緊湊的水冷器。但在一般情況下需作全面比較，因為影響因素比較復雜。有關專家已作了許多分析和比較，一般都認為空冷優(yōu)點多于水冷，所以即使在水源比較充足的地方，也推薦采用空冷。

　　空冷的優(yōu)點主要有：1）對環(huán)境污染��；2）空氣可隨意取得；3）選廠址不受限制；4）空氣腐蝕性小，設備使用壽命長；5）空氣側的壓降小，操作費用低；6．空冷系統(tǒng)的維護費用，一般情況下僅為水冷系統(tǒng)的20％--30％；7）一旦風機電源被切斷，仍有30%～40％的自然冷卻能力。8）無二次水冷卻問題。空冷的缺點主要有：1）由于空氣比熱小，且冷卻效果取決于氣溫溫度，通常把工藝流體冷卻到環(huán)境溫度比較困難；2）大氣溫度波動大，風、雨、陽光，以及季節(jié)變化，均會影響空冷器的性能，在冬季還可能引起管內介質凍結；3）由于空氣側膜傳熱系數(shù)低，故空冷器的冷卻面積要人得多；4）空冷器不能緊靠大的障礙物，如建筑物、人樹，否則會引起熱風循環(huán)；5）要求用特殊工藝設備制造翅片管；6）噪聲大。

　　水冷的優(yōu)點主要有：1）水冷通常能使工藝流體冷卻劍低于環(huán)境空氣溫度2-3℃，且循環(huán)水在涼水塔中可被冷卻到接近環(huán)境濕球溫度；2）水冷對環(huán)境溫度變化不敏感；3）水冷器結構緊湊，其冷卻面積比空冷器小得多4）水冷器可以設置在其他設備之間，如管線下面；5）用一般列管式換熱器即可滿足要求；6）噪聲小。水冷的缺點主要有：1）對環(huán)境污染嚴重；2）冷卻水往往受水源限制，需要設置管線和泵站等設施：3）特別對較大的工廠和裝置，選廠址時必須考慮有充足的水源；4）水腐蝕性強，需要進行處理，以防結垢和雜質的淤積；5）循環(huán)水壓頭高(取決于冷卻器和冷水塔的相對位置)，故水冷能耗高；6）由于水冷設備多，易于結垢，在溫暖氣候條件下還易生長微生物，附于冷卻器表面，常常需要停工清洗：7）電源一斷，即要全部停產。

　　1.2.4風冷式和水冷式冷凝器制冷機的比較

　　空調負荷在整個夏季的分布是極不平均的，甚至在一天之內，不同時間段負荷也差別很大。各種家用或商用空調器在最大負荷下運行的時間將會是極其有限的。按一般統(tǒng)計，空調負荷在90%以上的運行時間僅占到全部時間的7-8%，而負荷在60%以下的運行時間則要占到50-60%，即家用空調器在整個夏季幾乎都不是處在全負荷運行之中川。所以總的來看，風冷式冷水機組的全年耗電量并不會比水冷式機組高多少。

　　水冷制冷機以濕球溫度為基準，對于濕球溫度變化不大且較低的地區(qū)較為適用。風冷制冷機

　　以干球溫度為基準，在一天之內干球溫度變化大的地區(qū)使用較為有利。當干球溫度稍低時，制冷效果會更好。由于使用條件的不同，風冷冷凝器多應用在我國干燥缺水地區(qū)，而水冷式冷凝器多在水資源較豐富的地區(qū)運用。但隨著我國工農業(yè)用水量的逐年升高，節(jié)約用水的呼聲日益高漲，使用節(jié)水型的風冷冷凝器將會成為主要的選擇。隨著城市建設對建筑物立面要求，冷卻塔的使用會逐步減少，對風冷制冷機的需求也會愈來愈大。風冷冷凝器無需各種水力管道、閥門，加工成本較低。同時，由于水質的關系，水冷式冷凝器要求定期清除水垢，否則傳熱系數(shù)將會顯著降低，但是水垢的化學或物理清除都要求較大的費用;而風冷冷凝器中的積塵雖然也會降低傳熱系數(shù)，但清洗較簡便，經濟性更好。

　　2、課題任務、重點研究內容、實現(xiàn)途徑

　　2.1 課題任務

　　本試驗裝置可以準確測量冷風機的制冷量、功耗和單位功率制冷量等參數(shù)；并能測量風冷冷凝器的風量等技術數(shù)據。設備運轉采用可編程序控制器，直觀性和可靠性都有了非�？煽康谋ＷC；測量數(shù)值由計算機進行數(shù)據采集處理并存檔，自動打印試驗報告，并可分析試驗結果和測試數(shù)據。

　　2.2 重點研究內容

　　2.2.1 冷風機與風冷冷凝器的主要測試工況

　　冷風機的主要測試工況如表1。注：

　　1）當制冷劑-油混合物液體中的含油量小于等于1%，不需根據含油量進行供冷量的修正；

　　2）冷卻器的空氣進口濕球溫度應保證其冷卻盤管基本不結霜或基本無凝結水；

　　3）吸氣露點溫度（相應蒸發(fā)濕度）對應冷卻器的出口狀態(tài)；

　　4）進口溫差是指空氣進口溫度（干球）和吸氣露點溫度（相應蒸發(fā)溫度）之間的溫差；

　　5）制冷劑液體溫度在測試時允許有±2℃的偏差，同時必須保證至少3℃的過冷度；

　　6）參照標準：gb/t 25129-2010 《制冷用空氣冷卻器》風冷冷風型空調機的基本參數(shù)按表2的規(guī)定

　　表2 風冷冷風型空調機的基本參數(shù)注：1) 上表中所有參數(shù)為被測機各種工況可運行和測試的最小值和最大值。2) 風量測量參照標準：gb/t 17758-1999《單元式空氣調節(jié)機試驗方法》

　　2.2.2 研究的主要內容

　　1）文獻調研，進行方案比較； 2) 冷風機方案設計；3) 風冷冷凝器方案設計；4）設備選型；

　　5）三維模型建立；6）對設計方案進行評估；

　　2.3 制冷用空氣冷卻器（冷風機）的裝置設計

　　2.3.1 本實驗的實驗方法

　　a) 校準箱量熱計法

　　b) 制冷劑液體流量計法

　　2.3.2 校準箱量熱計法

　　校準箱量熱計法是通過測定輸入校準箱量熱計的總熱量，包括輸入的電功率與漏熱量之和（但不包括冷卻器輸入功率），來測定冷卻器供冷量的方法。進行過冷量實驗或漏熱系數(shù)標定實驗時，校準箱應放在有一定尺寸的實驗室內，其與環(huán)境間的各側面，頂面和底面間應有不小于500mm的間隔。采用校準箱法進行供冷量測試，在內外溫差不大于25%時，校準箱的漏熱量應不大于500w，若漏熱量大于500w，應不大于被測冷卻器名義供冷量的20%。冷卻器放置在一個帶有隔熱層封閉的校準箱量熱計中進行試驗，校準箱應位于一個溫度可控制的隔室內。校準箱應能承受內、外100pa的氣壓差。冷卻器試驗時其供液和回氣管道應隔熱。

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