冷凝器計(jì)算完整版本

冷凝器的功能是把由壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體冷凝成液體，把制冷劑在蒸發(fā)器中吸收的熱量（即制冷量）與壓縮機(jī)耗功率相當(dāng)?shù)臒崃恐团湃胫車h(huán)境中。因此，冷凝器是制冷裝置的放熱設(shè)備，其傳熱能力將直接影響到整臺(tái)制冷設(shè)備的性能和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。冷凝器按其冷卻介質(zhì)可分為水冷式、空冷式和水/空氣混合式。由于空冷式冷凝器使用方便，尤其適合于缺水地區(qū)，在小型制冷裝置（特別是家用空調(diào)）中得到廣泛應(yīng)用?？绽涫嚼淠骺煞譃閺?qiáng)制對(duì)流式和自然對(duì)流式兩種。自然對(duì)流式冷凝器傳熱效果差，只用在電冰箱或微型制冷機(jī)中。下面僅討論強(qiáng)制對(duì)流式冷凝器。

二、

強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻式冷凝器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻式冷凝器都采用銅管穿整體鋁片的結(jié)構(gòu)（因此又稱管翅式冷凝器）。其結(jié)構(gòu)組成主要為——U形彎傳熱管、翅片、小彎頭、分叉管、進(jìn)（出）口管以及端板等（如圖1），其加工工藝流程如圖2。一、空氣流量環(huán)境溫度Tair=35，35℃進(jìn)出口溫差ΔT=10℃，空氣進(jìn)口溫度Ti=35℃，空氣出口溫度T0=45℃，冷凝器中的平均溫度Tm=40℃；空氣的密度ρm=1.092Kg/m3；空氣的定壓比熱Cp=1.01E+03J/（KgK）；冷凝器的熱負(fù)荷Qk=77000W；空氣的體積流量Vair=6.96E+00m3/S二、結(jié)構(gòu)初步規(guī)劃選定迎面風(fēng)速Wf=2.5m/s沿氣流方向的排數(shù)nl=3冷凝器采用正三角*排翅片厚度δf=0.190.19mm翅片節(jié)距Sf=1.8；1.8mm翅片管的縱向距離S1=25mm；翅片管的橫向距離S2=21.65mm；翅片管的基管直徑Db=9.9mm；單位管長(zhǎng)翅片面積Ff=0.515902389m2；單位管長(zhǎng)翅片間基管面積Fb=0.0278047m2；單位管長(zhǎng)翅片管的總面積F0=0.543707089m2；翅片管的中性面的直徑Dm=9.1mm；單位管長(zhǎng)內(nèi)螺紋管的中性面表面積Fm=0.028574m2；翅片管的的內(nèi)徑Di=8.68mm；內(nèi)螺紋管的內(nèi)表面積Fi=0.0272552m2；翅化系數(shù)β=F0/Fi19.94874699；最小截面與迎面截面面積之比0.540244444；最小截面的風(fēng)速Wmax=4.627534861m/s；冷凝器的當(dāng)量直徑Deq=2.909754638mm由冷凝器的平均溫度Tm，查空氣的物性參數(shù)動(dòng)力粘度νf=1.75E-05m2/s導(dǎo)熱系數(shù)λf=0.0264W/（Mk）密度ρf=1.0955m3/Kg故雷偌數(shù)Ref=7.69E+02長(zhǎng)徑比L/Deq=22.32146971對(duì)于平套片管空氣的換熱系數(shù)A=0.518-0.02315*L/Deq+0.000425*（L/Deq）^2-3E-6*(L/Deq)^3A=0.179648497C=A*（1.36-0.24*Ref/1000）2.09E-01n=0.45+0.0066*L/Deq0.5973217m=-0.28+0.08*Ref/1000-2.18E-01對(duì)于*排換熱系數(shù)比順排高10%則α0=1.1*0.02643*C*Refn/Deq*（L/Deq）^m5.62E+01W/(M2k)對(duì)于*排管簇L=S125mmB=S221.65mmρ=B/Db2.186868687ρ'=1.27*ρ*(L/B-0.)^0.52.56768664h'=Db*(ρ'-1)*(1+0.35*lnρ')/20.010321268m=(2α0/(λf*δf))^0.553.99064795故翅片的效率ηf=th（mh’）/mh0.907911856表面效率ηs=1-Ff/F0（1-ηf）0.912621162計(jì)算管內(nèi)的換熱系數(shù)αi假設(shè)壁溫Tw=50.5℃液膜平均溫度Tm=52.25溫度rs1/4Bm4020.19271.655019.81166.84Tm19.7252865.75775管內(nèi)換熱系數(shù)αi=0.683*rs1/4*Bm/di1/4*(Tk-Tw)-1/4忽略銅管管壁和接觸熱阻,由管內(nèi)外熱平衡:αi*3.14*di*(Tk-Tw)=ηs*α0*f0*(Tw-Tm)0.683*rs1/4*Bm/di1/4*(Tk-Tw)-1/4*3.14*di*(Tk-Tw)=ηs*α0*f0*(Tw-Tm)Tw'=4.97E+01℃Δ=|Tw'-Tw|/Tw8.19E-01取壁溫Tw=5.05E+01℃則αi=2.12E+03W/(M2k)5計(jì)算傳熱系數(shù)及傳熱面積取污垢系數(shù)ri=0,r0-0.0086(M2k)/W計(jì)算傳熱系數(shù)K0=1/((1/αi+ri)*f0/fi+δ/λ*f0/fm+1/(ηs*α0))3.46E+01傳熱溫差Θm=(ta2-ta1)/ln((tk-ta1)/(tk-ta2))13.38303969℃所需傳熱面積F=Qk/（K0*Θm）1.66E+02m2翅片管的總長(zhǎng)L=F/f03.06E+02m確定冷凝器的結(jié)構(gòu)尺寸,選取垂直方向的排數(shù),沿氣流方向的排數(shù)NLN=40則寬A=L/(N*NL*2)1.27E+00m取A=1.4m則傳熱面積A'=12.2103296m2則實(shí)際風(fēng)速Wf=2.49E+00m/s計(jì)算空氣側(cè)阻力氣流流過(guò)橫向整套片的阻力損失由于*排比順排阻力要大20%Δpa=(1+0.2)*9.81*A*(L/Deq)*(ρ*νmax)1.746.89073292Pa風(fēng)機(jī)的全壓P=50.31417042Pa選兩臺(tái)CFE710-6T_-C10-S風(fēng)量大概15000*2重新計(jì)算壓力13150m3/h迎面風(fēng)速Wf=2.609127m/s迎面風(fēng)速Wmax=4.82953m/sΔpa=(1+0.2)*9.81*A*(L/Deq)*(ρ*νmax)1.77.06E+01Pa蒸發(fā)器的校核計(jì)算熱負(fù)荷Q0=54000W制冷劑流量g=354g/s內(nèi)表面的熱流量qi=4422.485041W/m2取質(zhì)量流速g=150kg/(m2s)總流通面積A=0.00236m2每根管的有效流通面積Ai=5.91438E-05m2蒸發(fā)器的分路數(shù)Z=39.90275631取Z'=40每一分路R22流量Gd=0.00885kg/s查的B值B=1.38則αi=B*Gd^0.2*qi^0.6/di^0.61424.1499832、確定空氣在蒸發(fā)器的狀態(tài)變化由進(jìn)口的空氣參數(shù)t1=7℃，ts1=6℃，查焓濕圖得I1=20.56KJ/kgd1=5.368g/kg干空氣的密度ρρ=1.2Kg/m3空氣的定壓比熱容Cp=1.005KJ/（kg℃）水蒸氣的定壓比熱容Cp=4.19KJ/（kg℃）出口的干球溫度t2由能量守衡Q0=Cp*ρ*V*（t2-t1）t2=0.870949℃假設(shè)出口的干球溫度為t2‘=2℃由能量守衡Q0=ρ*V*（I1-I2）I2=14.4003KJ/KgI=Cpg*t+（2500+Cpq*t）*dd=0.00494Kgts2=2.81℃Tw=1.75℃,Iw=12.47KJ/Kg,dw=4.274g/kgTw=1.75℃Iw=12.47KJ/kgdw=4.274g/kg干在蒸發(fā)器中空氣的平均焓值Im=Iw+（I1-I2）/Ln（（I1-Iw）/（I2-Iw））Im=16.76861KJ/kg由Tm可得Tm=4.6℃dm=4.833g/kg求析濕系ξ=1+2.46*（dm-dw）/（tm-tw）ξ=1.482505空氣的氣體常數(shù)Ra=287.4T！=280K進(jìn)口狀態(tài)的比容ν1=Ra*T1*（1+0.0016d1）/Pbν1=0.801058m3/kg故空氣的體積流量空氣側(cè)的換熱系數(shù)空氣的迎面風(fēng)速Wf=Wf=2.609127m/s則空氣側(cè)的換熱系數(shù)α0=57.8W/(M2k)凝露工況下的翅片效率m=（2*α0*ξ/（λf*δf））^0.5m=47.78611則ηf=ηf=0.926096故凝露工況下的換熱系數(shù)αj=αj=79.67994W/(M2k)設(shè)翅片側(cè)熱阻以及翅片與管壁熱阻之和4.80E-03m2k/WK0=1/（f0/fi/αi+r+1/αj）3.19E+01傳熱溫差Θm=（t1-t2）/ln（（t1-t0）/（t2-t0））6.80519則傳熱量Q=K0*Θm*F3.61E+04哪有這么麻煩，最簡(jiǎn)單12平米/hp設(shè)計(jì)冷凝器，風(fēng)量10度溫差，蒸發(fā)器肯定夠。復(fù)雜一點(diǎn)：冷凝器換熱系數(shù)30～35w/m2.oc,風(fēng)量10度溫差,行程長(zhǎng)10～15米。別人做的，可以參考。你縮小范圍就好算了風(fēng)冷翅片管式冷凝器一般傳熱系數(shù)K取30左右，如果迎面風(fēng)速小（小于2米/秒）可取25以上，若風(fēng)速大（大于3米/秒）可取35上述數(shù)據(jù)基于波紋翅片，片距2.2mm，內(nèi)螺紋紫銅管，管直徑9.52mm，管間距25mm，排間距21.65mm這是我計(jì)算過(guò)的，其它跟這參數(shù)差不多的翅片管，基本也可以取上述的傳熱系數(shù)傳熱面積為了簡(jiǎn)便，可用單張翅片的面積的2倍（反正面）乘以翅片的數(shù)量，實(shí)際面積比這小3％左右一般冷凝器在室外溫度35C時(shí)，（標(biāo)況）冷凝溫度50C一般進(jìn)出風(fēng)溫差8～10C左右，出風(fēng)溫度為43～45C,風(fēng)的平均溫度可用對(duì)數(shù)溫差算，計(jì)算從略，這里假設(shè)算出的風(fēng)的平均溫度40C根據(jù)冷凝器的傳熱公式Q=K.F.(T冷凝－T風(fēng)平均）散熱量一般取冷量的1.3~1.4倍這樣冷凝器面積就算出來(lái)了至于冷凝器風(fēng)量的選擇，則可用空氣的傳熱公式Q=C.M.(T出風(fēng)－T進(jìn)風(fēng)）M為空氣流量，換算成小時(shí)風(fēng)量即可，還要注意風(fēng)機(jī)的壓頭，一般一排管損失20Pa左右的壓頭，對(duì)照風(fēng)機(jī)的壓頭風(fēng)量就可以選出合適的風(fēng)機(jī)上述只是大體的思路，準(zhǔn)確詳細(xì)的計(jì)算你還是要查書，蔣能照編的《家用空調(diào)設(shè)計(jì)技術(shù)》就不錯(cuò)有問(wèn)題可隨時(shí)問(wèn)，我的mail:qingquan2000@

下面簡(jiǎn)要介紹一下各主要部分：1、U形彎傳熱管U形彎傳熱管俗稱大U彎，其材料一般為紫銅。為了減少金屬材料消耗量及減少冷凝器重量，在強(qiáng)度允許的條件下，應(yīng)盡量避免使用厚壁銅管。

U形彎傳熱管有光管和內(nèi)螺紋管兩種。由于內(nèi)螺紋管重量輕、成本不高，并且其內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較光管要增加2~3倍【1】。因此，現(xiàn)在光管已基本上被內(nèi)螺紋管代替了。2、

翅片除非客戶特別要求，否則翅片的材料一般為鋁。它有平片、波紋片和沖縫片三種形式，并且這三種形式的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也相差較大。對(duì)使用波紋片和沖縫片的管簇，其空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)目前尚無(wú)簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的計(jì)算式。實(shí)踐表明，采用波紋片和沖縫片時(shí)，空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較一般平翅片分別大20%和60%以上【2】。由于空氣通過(guò)叉排管簇時(shí)的擾動(dòng)程度大于順排，空氣通過(guò)叉排管簇時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較順排管簇高10%以上，因而，空冷式冷凝器的管簇排列以叉排為好。為了使彎頭的規(guī)格統(tǒng)一，一般管簇都按等邊三角形排列。為了使翅片有較高的翅片效率，保證彎頭的加工工藝要求，管中心矩應(yīng)是傳熱管外徑的2.5倍。按等邊三角形叉排布置的翅片管簇，對(duì)每根而言，其翅片相當(dāng)于正六角形（如圖3）

為了有效利用空冷式冷凝器的傳熱面積，并且保證焊接工藝要求，沿空氣流動(dòng)方向的管排數(shù)一般為1~4排【3】。為了增加銅管與翅片的接觸面積，進(jìn)而增加整個(gè)冷凝器的換熱面積，一般將翅片孔外沿翻邊。翅片的翻邊保證了翅片的間距，同時(shí)也保證了脹管工藝。圖4為翅片翻邊示意圖。為了提高換熱器的傳熱效果，必須避免或減小翅片與管面之間的接觸熱阻，使翅片與管面間保證良好接觸，因此一般會(huì)采用機(jī)械脹管方法，其脹緊量一般為0.08~0.15㎜【4】。

三、冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算1、設(shè)定有關(guān)參數(shù)【5】取當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)P=98.07kpa，冷凝溫度,蒸發(fā)溫度，進(jìn)口空氣干球溫度，進(jìn)出口空氣溫差，則出口空氣干球溫度，制冷量，選用R22作為冷媒。翅片采用沖縫普通鋁片，管簇排列形式為正三角形叉排，鋁片厚度δ=0.105㎜，翻邊高度㎜,傳熱管采用Φ7×0.25×0.1內(nèi)螺紋紫銅管【6】，則孔中心距㎜。假定迎面風(fēng)速，有效單管長(zhǎng)即兩端板距㎜。

2、設(shè)計(jì)計(jì)算（1）平均溫度及對(duì)數(shù)平均溫差

（2）冷凝熱負(fù)荷查R22冷凝負(fù)荷系數(shù)圖【7】，當(dāng)、時(shí)，其冷凝負(fù)荷系數(shù)，因此冷凝熱負(fù)荷

（3）肋化系數(shù)每米管長(zhǎng)翅片側(cè)面面積【8】

㎡/m每米管長(zhǎng)翅片間管面面積（即翻邊面積）

=0.0212㎡/m則每米管長(zhǎng)總外表面積

=0.2805+0.0212=0.3017㎡/m每米管長(zhǎng)總內(nèi)表面積㎡/m所以肋化系數(shù)

（4）迎風(fēng)面積查干空氣物理性質(zhì)表，在大氣壓力P=98.07kpa、空氣平均溫度tm＝39oC條件下，其性質(zhì)如下：在進(jìn)風(fēng)溫度ta1＝35oC

條件下，則冷凝器所需空氣的體積流量所以迎風(fēng)面積

（5）迎風(fēng)面高度（即翅片長(zhǎng)度）

（6）迎風(fēng)面上管排數(shù)

（7）最窄截面風(fēng)速

（8）冷凝器的總傳熱系數(shù)目前，對(duì)冷凝器的總傳熱系數(shù)的計(jì)算主要有三種方法：（1）通過(guò)公式

來(lái)求；（2）直接取經(jīng)驗(yàn)值（比如有的書上直接取

K=35W/(㎡.k)）

；（3）通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式

來(lái)求。第一種方法計(jì)算精確，但過(guò)于復(fù)雜，不適合工程應(yīng)用；第二種方法簡(jiǎn)單有效，但必須有在同一廠家較長(zhǎng)的工作經(jīng)驗(yàn)；第三種方法適用范圍廣并且比較簡(jiǎn)單，適合工程應(yīng)用。下面將利用第三種方法來(lái)求K值。但由于該公式?jīng)]有考慮沖縫翅片和內(nèi)螺紋管對(duì)K值的影響，因此我針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了粗略的研究比較，即利用計(jì)算K值的理論公式，當(dāng)τ=15并且忽略其分母的中間三項(xiàng)，分別讓?duì)羙和αi一步步增加，以此得出它們對(duì)K值的影響。其結(jié)果如圖5和圖6。圖5表明了在肋化系數(shù)τ=15時(shí)管外傳熱系數(shù)αo對(duì)K值的影響。數(shù)據(jù)顯示，開始時(shí)，αo每增加10%，K值可增加7%以上，但隨著αo的繼續(xù)增加，K值的增加逐步呈下降趨勢(shì)。但在αo的增加不超過(guò)100%情況下，αo每增加10%，K值平均增加6%左右。

圖6表明了在肋化系數(shù)τ=15時(shí)管內(nèi)傳熱系數(shù)αi對(duì)K值的影響。數(shù)據(jù)顯示，開始時(shí)，αi每增加10%，K值可增加2%以上。和管外傳熱系數(shù)對(duì)K值的影響一樣，隨著αi的繼續(xù)增加，K值的增加呈下降趨勢(shì)。當(dāng)αi的增加達(dá)到250%時(shí)，αi每增加10%，K值只增加0.5%左右。在αi的增加超過(guò)200%但不超過(guò)300%情況下，αi每增加10%，K值平均增加0.8%左右。前面第二部分已經(jīng)提到過(guò)，采用沖縫片和內(nèi)螺紋傳熱管時(shí)，空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αo和制冷劑側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αi分別較一般平翅片和光管大60%和2~3倍以上。因此，計(jì)算沖縫片加內(nèi)螺紋傳熱管的空冷式冷凝器的總傳熱系數(shù)時(shí)，我們可以在經(jīng)驗(yàn)公式后面再乘以1.36和1.24【9】，即

（9）冷凝器所需的傳熱面積

（10）所需有效傳熱管總長(zhǎng)

（11）空氣流通方向上的管排數(shù)取整數(shù)n=2排

（12）翅片寬度冷凝器的實(shí)際有效傳熱管長(zhǎng)為L(zhǎng)=nlN=2×0.398×18=14.328m,實(shí)際傳熱面積為A=L·ao=14.328×0.3017=4.323㎡,較傳熱計(jì)算所需傳熱面積大5.4%，能滿足冷凝負(fù)荷的傳熱要求。此外，冷凝器的實(shí)際迎面風(fēng)速與所取迎面風(fēng)速相一致。

四、工序指導(dǎo)卡的制作【10】

1、沖壓工序指導(dǎo)卡（1）翅片孔徑、脹頭及擴(kuò)頭的大小取翅片孔徑Φ=7.3㎜【11】，脹緊量0.15㎜，則脹頭大小為

7.3+0.15-(0.25+0.1)×2=6.75㎜

取Φ7.1㎜擴(kuò)頭【12】（2）翅片片數(shù)每片翅片的側(cè)面面積

=0.01632㎡每片翅片的翻邊面積

=0.00136㎡每片翅片的總面積則翅片片數(shù)（3）U形傳熱管開料尺寸【13】詳細(xì)參數(shù)見附圖1。

2、焊接工序指導(dǎo)卡（見附圖2）附圖1

冷凝器沖壓工序指導(dǎo)卡附圖2

冷凝器焊接工序指導(dǎo)卡【1】參看《小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)》。【2】參看《小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)》。【3】有的書上是2~6排或2~8排，此處僅以科龍型冷凝器為參考依據(jù)。（注：如果排數(shù)大于4排，過(guò)自動(dòng)焊時(shí)就很難保證焊接質(zhì)量。）【4】此數(shù)據(jù)是依據(jù)科龍型冷凝器的工藝參數(shù)計(jì)算得出的，折算成接觸率就是0.4%~2.05%左右，與《小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)》里的0%~2%接近，但與有的書上的2.5%~5%相差較遠(yuǎn)?！?】相關(guān)參數(shù)的假定是以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和科龍型冷凝器