冷風(fēng)機(jī)與風(fēng)冷冷凝器設(shè)計(jì)的開(kāi)題報(bào)告

　　1、課題的目的及意義（含國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析或設(shè)計(jì)方案比較、選型分析等）

　　1.1課題的目的

　　隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球常規(guī)能源消耗量越來(lái)越大，而儲(chǔ)量越來(lái)越小，導(dǎo)致能源價(jià)格不斷上漲，要解決這個(gè)問(wèn)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(dāng)前有限的常規(guī)能源。在全球能源消耗構(gòu)成中，夏季空調(diào)制冷能耗所占比重越來(lái)越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，夏季空調(diào)制冷用電量約占總用電量的40%，研究空調(diào)產(chǎn)品換熱器的換熱效率，提高空調(diào)產(chǎn)品的節(jié)能指標(biāo)就具有十分重要的意義�？照{(diào)器、冰柜等家用制冷設(shè)備和工業(yè)用制冷設(shè)備的生產(chǎn)在我國(guó)已經(jīng)得到長(zhǎng)足的發(fā)展進(jìn)步，從產(chǎn)量上來(lái)講，已經(jīng)步入世界前列，屬于生產(chǎn)大國(guó)。但是從技術(shù)上講，和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距，尚不屬于技術(shù)大國(guó)，還不是制冷空調(diào)產(chǎn)品的強(qiáng)國(guó)�？沙掷m(xù)發(fā)展是當(dāng)今世界許多國(guó)家共同的總體戰(zhàn)略，也同樣是我們國(guó)家發(fā)展的重大戰(zhàn)略。節(jié)約能量消耗，保護(hù)自然環(huán)境是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，這也對(duì)制冷機(jī)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(fēng)器是空調(diào)機(jī)組的核心部件，其性能直接影響到空調(diào)機(jī)組的性能。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)冷風(fēng)器的研究十分重視，先后提出的熱工計(jì)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(guó)內(nèi)外空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)和教科書(shū)中采用的幾種主要熱工計(jì)算方法計(jì)算時(shí)也不都能較全面和準(zhǔn)確反應(yīng)風(fēng)冷器的性能。本文也對(duì)風(fēng)冷式冷凝器進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，獲得大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析，得到一系列有關(guān)風(fēng)冷式冷凝器換熱性能和風(fēng)量測(cè)試的結(jié)論，對(duì)于冷凝器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有很好的參考借鑒作用。

　　1.2國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)方案比較

　　1.2.1冷風(fēng)機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　冷風(fēng)器是冷庫(kù)、空調(diào)等制冷系統(tǒng)的一個(gè)重要部件，由于其工作溫度較低而經(jīng)常結(jié)霜，為使其正常工作，不得不對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行定期除霜，這不僅要耗費(fèi)額外的能源，而且除霜期間制冷系統(tǒng)要停止工作，整個(gè)制冷系統(tǒng)的制冷效果無(wú)疑會(huì)大大降低，所以了解冷風(fēng)器在結(jié)霜工況下的運(yùn)行特性，以及霜的形成規(guī)律及其對(duì)蒸發(fā)器工作性能的影響，可以指導(dǎo)我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(duì)冷風(fēng)器不斷進(jìn)行研究的原因和動(dòng)力。 冷風(fēng)器作為空調(diào)系統(tǒng)中水側(cè)和風(fēng)側(cè)子系統(tǒng)的重要接口，國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究主要集中在強(qiáng)化換熱、熱工計(jì)算方法、仿真、應(yīng)用范圍的拓寬、開(kāi)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(diào)用冷風(fēng)器大多數(shù)采用銅管套鋁片結(jié)構(gòu)，也有少量的使用鋼管鋁翅片，鋁管鋁翅片，但最終目標(biāo)都希望能采用新的技術(shù)，強(qiáng)化表冷器的傳熱，從而提高機(jī)組制冷量、處理空氣效率，降低冷風(fēng)器風(fēng)阻，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加緊湊，減少銅、鋁等金屬材料的用量。對(duì)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(nèi)熱阻與銅管翅片的接觸熱阻及管外空氣側(cè)的熱阻比為2∶1∶7，可見(jiàn)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(cè)換熱系數(shù)成為管翅式換熱器強(qiáng)化換熱的重要問(wèn)題。翅片結(jié)構(gòu)形式包括間距、厚度、外型等對(duì)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(guò)改變翅片的結(jié)構(gòu)形式來(lái)增加翅片的換熱面積、加強(qiáng)空氣側(cè)的氣流擾動(dòng)，進(jìn)而增大空氣側(cè)換熱系數(shù)。就如何優(yōu)化冷風(fēng)器的結(jié)構(gòu)使其達(dá)到最佳傳熱狀態(tài)，國(guó)內(nèi)外從實(shí)驗(yàn)到數(shù)值模擬做了大量的研究工作。目前應(yīng)用的翅片片型主要有平板型、皺紋型（波紋板等）及開(kāi)縫型（如條縫型、百葉窗型等），除平板型以外的片型因?yàn)閷?duì)傳熱有明顯的強(qiáng)化作用又稱(chēng)為強(qiáng)化翅片。由于平翅片管換熱器在制造上的簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(cè)熱阻從而增強(qiáng)換熱，目前它們已經(jīng)被廣泛使用到空調(diào)系統(tǒng)中。波紋形翅片可以加長(zhǎng)空氣流道，并且能

　　夠?qū)�氣流造成充分的混合，所以也能增�?qiáng)空氣側(cè)換熱，目前對(duì)它的研究是以上三種強(qiáng)化管換熱器中最多的。

　　1.2.2 風(fēng)冷冷凝器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　空調(diào)器中的冷凝器和蒸發(fā)器統(tǒng)稱(chēng)為換熱器。換熱器的性能直接影響空調(diào)的制冷性能，而且金屬材料消耗大，體積大，它的重量占整個(gè)空調(diào)重量的50%-70%,它所占的空間直接影響空調(diào)器的體積大小，因此研制生產(chǎn)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(shè)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(shì)。

　　目前制冷空調(diào)機(jī)組的冷凝器多采用水冷式和風(fēng)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(duì)于制冷系統(tǒng)的制冷能力和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性均較為有利。而風(fēng)冷式空調(diào)機(jī)組是利用空氣使氣態(tài)制冷劑冷凝，在全負(fù)荷時(shí)，風(fēng)冷冷凝器的冷凝溫度要高于水冷式冷凝器，故風(fēng)冷式空調(diào)機(jī)組的性能系數(shù)相對(duì)較低。因此，同樣制冷量的風(fēng)冷冷凝器對(duì)應(yīng)的制冷壓縮機(jī)需要更大的功率來(lái)運(yùn)行。但是在只有部分負(fù)荷的情況下，風(fēng)冷機(jī)組和水冷機(jī)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(diǎn)和不足，選用時(shí)要視具體情況。如果冷卻水供應(yīng)困難，又要求嚴(yán)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(wú)問(wèn)題，也就只有選用結(jié)構(gòu)緊湊的水冷器。但在一般情況下需作全面比較，因?yàn)橛绊懸蛩乇容^復(fù)雜。有關(guān)專(zhuān)家已作了許多分析和比較，一般都認(rèn)為空冷優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)主要有：1）對(duì)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(shè)備使用壽命長(zhǎng)；5）空氣側(cè)的壓降小，操作費(fèi)用低；6．空冷系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用，一般情況下僅為水冷系統(tǒng)的20％--30％；7）一旦風(fēng)機(jī)電源被切斷，仍有30%～40％的自然冷卻能力。8）無(wú)二次水冷卻問(wèn)題。空冷的缺點(diǎn)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(dòng)大，風(fēng)、雨、陽(yáng)光，以及季節(jié)變化，均會(huì)影響空冷器的性能，在冬季還可能引起管內(nèi)介質(zhì)凍結(jié)；3）由于空氣側(cè)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(shù)，否則會(huì)引起熱風(fēng)循環(huán)；5）要求用特殊工藝設(shè)備制造翅片管；6）噪聲大。

　　水冷的優(yōu)點(diǎn)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(duì)環(huán)境溫度變化不敏感；3）水冷器結(jié)構(gòu)緊湊，其冷卻面積比空冷器小得多4）水冷器可以設(shè)置在其他設(shè)備之間，如管線下面；5）用一般列管式換熱器即可滿(mǎn)足要求；6）噪聲小。水冷的缺點(diǎn)主要有：1）對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重；2）冷卻水往往受水源限制，需要設(shè)置管線和泵站等設(shè)施：3）特別對(duì)較大的工廠和裝置，選廠址時(shí)必須考慮有充足的水源；4）水腐蝕性強(qiáng)，需要進(jìn)行處理，以防結(jié)垢和雜質(zhì)的淤積；5）循環(huán)水壓頭高(取決于冷卻器和冷水塔的相對(duì)位置)，故水冷能耗高；6）由于水冷設(shè)備多，易于結(jié)垢，在溫暖氣候條件下還易生長(zhǎng)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(chǎn)。

　　1.2.4風(fēng)冷式和水冷式冷凝器制冷機(jī)的比較

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

　　水冷制冷機(jī)以濕球溫度為基準(zhǔn)，對(duì)于濕球溫度變化不大且較低的地區(qū)較為適用。風(fēng)冷制冷機(jī)

　　以干球溫度為基準(zhǔn)，在一天之內(nèi)干球溫度變化大的地區(qū)使用較為有利。當(dāng)干球溫度稍低時(shí)，制冷效果會(huì)更好。由于使用條件的不同，風(fēng)冷冷凝器多應(yīng)用在我國(guó)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(yùn)用。但隨著我國(guó)工農(nóng)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(fēng)冷冷凝器將會(huì)成為主要的選擇。隨著城市建設(shè)對(duì)建筑物立面要求，冷卻塔的使用會(huì)逐步減少，對(duì)風(fēng)冷制冷機(jī)的需求也會(huì)愈來(lái)愈大。風(fēng)冷冷凝器無(wú)需各種水力管道、閥門(mén)，加工成本較低。同時(shí)，由于水質(zhì)的關(guān)系，水冷式冷凝器要求定期清除水垢，否則傳熱系數(shù)將會(huì)顯著降低，但是水垢的化學(xué)或物理清除都要求較大的費(fèi)用;而風(fēng)冷冷凝器中的積塵雖然也會(huì)降低傳熱系數(shù)，但清洗較簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)性更好。

　　2、課題任務(wù)、重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容、實(shí)現(xiàn)途徑

　　2.1 課題任務(wù)

　　本試驗(yàn)裝置可以準(zhǔn)確測(cè)量冷風(fēng)機(jī)的制冷量、功耗和單位功率制冷量等參數(shù)；并能測(cè)量風(fēng)冷冷凝器的風(fēng)量等技術(shù)數(shù)據(jù)。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)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(cè)量數(shù)值由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理并存檔，自動(dòng)打印試驗(yàn)報(bào)告，并可分析試驗(yàn)結(jié)果和測(cè)試數(shù)據(jù)。

　　2.2 重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容

　　2.2.1 冷風(fēng)機(jī)與風(fēng)冷冷凝器的主要測(cè)試工況

　　冷風(fēng)機(jī)的主要測(cè)試工況如表1。注：

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

　　2）冷卻器的空氣進(jìn)口濕球溫度應(yīng)保證其冷卻盤(pán)管基本不結(jié)霜或基本無(wú)凝結(jié)水；

　　3）吸氣露點(diǎn)溫度（相應(yīng)蒸發(fā)濕度）對(duì)應(yīng)冷卻器的出口狀態(tài)；

　　4）進(jìn)口溫差是指空氣進(jìn)口溫度（干球）和吸氣露點(diǎn)溫度（相應(yīng)蒸發(fā)溫度）之間的溫差；

　　5）制冷劑液體溫度在測(cè)試時(shí)允許有±2℃的偏差，同時(shí)必須保證至少3℃的過(guò)冷度；

　　6）參照標(biāo)準(zhǔn)：gb/t 25129-2010 《制冷用空氣冷卻器》風(fēng)冷冷風(fēng)型空調(diào)機(jī)的基本參數(shù)按表2的規(guī)定

　　表2 風(fēng)冷冷風(fēng)型空調(diào)機(jī)的基本參數(shù)注：1) 上表中所有參數(shù)為被測(cè)機(jī)各種工況可運(yùn)行和測(cè)試的最小值和最大值。2) 風(fēng)量測(cè)量參照標(biāo)準(zhǔn)：gb/t 17758-1999《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)試驗(yàn)方法》

　　2.2.2 研究的主要內(nèi)容

　　1）文獻(xiàn)調(diào)研，進(jìn)行方案比較； 2) 冷風(fēng)機(jī)方案設(shè)計(jì)；3) 風(fēng)冷冷凝器方案設(shè)計(jì)；4）設(shè)備選型；

　　5）三維模型建立；6）對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估；

　　2.3 制冷用空氣冷卻器（冷風(fēng)機(jī)）的裝置設(shè)計(jì)

　　2.3.1 本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法

　　a) 校準(zhǔn)箱量熱計(jì)法

　　b) 制冷劑液體流量計(jì)法

　　2.3.2 校準(zhǔn)箱量熱計(jì)法

　　校準(zhǔn)箱量熱計(jì)法是通過(guò)測(cè)定輸入校準(zhǔn)箱量熱計(jì)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(lái)測(cè)定冷卻器供冷量的方法。進(jìn)行過(guò)冷量實(shí)驗(yàn)或漏熱系數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，校準(zhǔn)箱應(yīng)放在有一定尺寸的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，其與環(huán)境間的各側(cè)面，頂面和底面間應(yīng)有不小于500mm的間隔。采用校準(zhǔn)箱法進(jìn)行供冷量測(cè)試，在內(nèi)外溫差不大于25%時(shí)，校準(zhǔn)箱的漏熱量應(yīng)不大于500w，若漏熱量大于500w，應(yīng)不大于被測(cè)冷卻器名義供冷量的20%。冷卻器放置在一個(gè)帶有隔熱層封閉的校準(zhǔn)箱量熱計(jì)中進(jìn)行試驗(yàn)，校準(zhǔn)箱應(yīng)位于一個(gè)溫度可控制的隔室內(nèi)。校準(zhǔn)箱應(yīng)能承受內(nèi)、外100pa的氣壓差。冷卻器試驗(yàn)時(shí)其供液和回氣管道應(yīng)隔熱。