1、 郑州轻工业学院 本科毕业设计（论文） 题 目 HX-3060 恒温循环器 学生姓名 尧 红 超 专业班级 热能与动力工程 09-2 班 学 号 540902020249 院（系） 机电工程学院 指导教师 (职称 ) 胡春霞 (讲师 ) 完成时间 2013 年 5 月 20 日 HX-3060 恒温循环器 目 录 中文摘要 . I 英文摘要 . II 1 单级蒸汽压缩制冷系统概述 . 3 1.1 单级蒸气压缩制冷系统 . 3 1.1.1 单级蒸气压缩式制冷系统组成 . 3 1.1.2 单级蒸气压缩式制冷系统中各部件的作用 . 3 1.2 制冷剂 . 4 1.2.1 制冷剂分类 . 4 1.2.
2、2 制冷剂满足的要求 . 5 1.2.3 制冷剂的替代 . 6 1.3 换热器的选择 . 7 1.4 节流装置的选用 . 8 1.5 压缩机的选择 . 9 1.6 制冷系统的过冷与过热 . 9 2 循环的热力计算 . 10 HX-3060 恒温循环器 2.1 设计参数的确定 . 12 2.2 循环热力计算 . 12 3 系统主要设备选型 . 13 3.1 压缩机选型 . 13 3.1.1 计算压缩机在名义工况下的制冷量并校核 . 14 3.2 冷凝器设计 . 15 3.2.1 冷凝器结构规划及有关参数 . 16 3.2.2 空气侧传热系数计算 . 17 3.2.3 管内 R410A 冷凝时表面
3、传热系数计算 . 18 3.2.4 计算所需传热面积 . 19 3.2.5 风侧阻力计算及风机选型 . 20 3.3 蒸发器设计 . 20 3.3.1 蒸发器的分类 . 20 3.3.2 载冷剂选择 . 24 3.3.3 蒸发器选择及有关参数 . 26 3.4 节流装置 . 29 3.5 管路系统 . 34 4 制冷装置辅助设备的选择 . 34 4.1 干燥过滤器 . 34 HX-3060 恒温循环器 4.2 视液镜 . 35 4.3 电磁阀 . 37 4.4 压力控制器 . 36 4.5 单向阀 . 37 4.6 水泵 . 38 4.7 隔热层的选择 . 40 结束语 . 43 致谢 . 4
4、4 参考文献 . 45 HX-3060 恒温循环器 I HX-3060 恒温循环器 摘 要 本文的目的是为了设计一台采 用环保制冷剂 R404A 的恒温循环器。 恒温循环器又称低温浴槽，是自带制冷和加热的高精度恒温源。可在浴槽内进行恒温实验，或通过软管与其他设备相连，作为恒温源配套使用，如旋转蒸发器、电泳仪、粘度计、医用冷帽、降温毯等。或用于给其它设备进行循环冷却，如电镜、分子泵、离子泵、扩散泵、微波治疗机等。 本次设计采用单级压缩蒸气制冷循环进行热力计算。根据制冷的基本原理知识，从单级压缩的工作原理，本文较为详细的介绍了 恒温循环器的 设计计算过程，包括制冷剂、载冷剂的选择，工况基本参数的确
5、定，制冷循环主要部件的设计计算，如压缩机的选 型计算，节流结构的选型计算，蒸发器的设计，冷凝器的设计计算。为了完善制冷的技术性能，并保证其可靠的进行，还需要一些辅助设备，可以进行一些选型计算来选择所需要的辅助设备。此次设计关键在蒸发器、冷凝器的设计计算、压缩机的选型计算等。 关键词 制冷剂 R404A /换热器 /节流装置 /压缩机 /冷凝器 HX-3060 恒温循环器 II The HX-3060 constant temperature circulator ABSTRACT The purpose of this paper is to constant temperature circ
6、ulator design a use of environmentally friendly refrigerant R404A. Constant temperature circulator is also called low temperature bath, is of high precision constant temperature source with refrigerating and heating. Can be constant temperature experiment in the bath, or connected with other equipme
7、nt supporting the use of hose, as a constant temperature source, such as a rotary evaporator, electrophoresis, viscometer, medical cold cap, cooling blanket. Or for other equipment cooling, such as electron microscopy, molecular pump, ion pump, diffusion pump, microwave therapy machine. This design
8、adopts single stage vapor compression refrigeration cycle thermodynamic calculation. According to the basic principle of knowledge of refrigeration, fro m the working principle of single stage compression, this paper introduces in detail the design and calculation process of constant temperature cir
9、culator, includes a refrigerant, refrigerant selection, to determine the basic parameters, design and calculation of main parts of refrigeration cycle, such as compressor selection calculation, calculation and selection of throttling structure the design calculation, evaporator, condenser design. In
10、 order to improve the technical performance of refrigeration, and ensure its reliable, also need some auxiliary equipment, can undertake some selection to select the auxiliary equipment needed. The design of the key in the evaporator, condenser, compressor design calculation of type selection calcul
11、ation. KEY WORDS refrigerant R404A， heat exchanger， throttling device， compressor，condenser HX-3060 恒温循环器 1 1 单级蒸汽压缩制冷系统概述 1.1 单级蒸气压缩制冷系统 一个典型的单级蒸气压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器节流元件和蒸发器四个部分组成。四个部件之间用管道连接起来就组成了一个简单的单级蒸汽压缩制冷系统。 1.1.1 单级蒸气压缩式制冷系统组成 单级蒸气压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器组成。其工作过程如下：制冷剂在蒸发压力下沸腾，蒸发温度低于被冷 却物体或流体的温度
12、。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸气，并将它压缩到冷凝压力，然后送往冷凝器，在冷凝压力下等压冷却和冷凝成液体，制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质（通常是水或空气）与冷凝压力相对应的冷凝温度一定要高于冷却介质的温度，冷凝后的液体通过膨胀阀或其它节流元件进入蒸发器。当制冷剂通过膨胀阀时，压力从冷凝压力降到蒸发压力，部分液体气化，剩余液体的温度降至蒸发温度，于是离开膨胀阀的制冷剂变成温度为蒸发温度的两相混合物。混合物中的液体在蒸发器中蒸发，从被冷却物体中吸取它所需要的气化潜热 1。混合物 中的蒸气通常称为闪发蒸气，在它被压缩机重新吸入之前几乎不再起吸热作用。 1.1.2 单级蒸气压缩式制冷系统
13、中各部件的作用 在整个循环过程中，压缩机起着压缩和输送制冷剂蒸气并造成蒸发器中低压力、冷凝器中高压力的作用，是整个系统的心脏；压缩机是用来把低压制冷剂蒸汽变成高压的制冷剂蒸汽的一个机器。压缩机的吸气端和蒸发器相连，吸收低压的制冷剂蒸汽；另一端与冷凝器相连，把高压的制冷剂蒸汽排到冷凝器冷凝；制冷剂蒸汽通过压缩后温度和压力都升高了，压缩机消耗外界的功，把这部分功转变成了制冷剂蒸汽的能量，即制冷蒸汽的焓值 2。 节流阀对制冷剂起节流降压作用并调节进入蒸发器的制冷剂流量。节流元件是将高温高压的制冷剂液体变成低温低压的制冷剂液体的一个元件，制冷剂在节流元件中流动的过程称为节流，节流过程可近似的看作绝热过
14、程。蒸发器是输出冷量的设备，制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物体的热量，从而达到制取冷量的目的。蒸发器是低温低压的制冷剂HX-3060 恒温循环器 2 液体与需要制冷的介质进行热交换的器件，需冷介质进行热交换后放出热量温度降低，制冷剂在蒸发器中吸热蒸发是在等温条件下进行的，相应的温度和压力称之为蒸发温度和蒸发压力，单位时间内制冷剂在蒸发器中从需要制冷 的介质中吸收的热量称为蒸发器的制冷量，也是整个系统的制冷量。冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中吸取的热量连同压缩机消耗的功所转化的热量的冷凝器中被冷却介质带走。冷凝器是将高温高压的制冷剂蒸汽变成高温高压的制冷剂液体的一个换热设备，高温高压的制冷剂蒸汽在
15、冷凝器中与冷却介质进行热交换而得到液化。液化过程是在等温等压下进行的，此时的温度成为冷凝温度，压力成为冷凝压力。单位时间内制冷剂在冷凝器中向冷却介质排放的热量称为冷凝器的热负荷。根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功（电能）起了补偿作用，使制冷剂不断从低温物体中 吸热，并向高温物体放热，从而完整个制冷循环。 1.2 制冷剂 制冷剂又叫冷媒、制冷工质，是指在制冷系统中实现制冷循环的工作介质。在压缩式制冷循环中，利用制冷剂的相变传递热量，即制冷剂在蒸发过程吸热，在冷凝过程放热。它是在制冷系统中不断循环并通过其本身的状态变化以实现制冷的工作物质。制冷剂在蒸发器内吸收被冷却介质（水或空气等）的热量而汽化
16、，在冷凝器中将热量传递给周围空气或水而冷凝。 1.2.1 制冷剂分类 制冷剂又叫冷媒、制冷工质，是指在制冷系统中实现制冷循环的工作介质。在压缩式制冷循环中，利用制冷剂的相变传 递热量，即制冷剂在蒸发过程吸热，在冷凝过程放热。常用的制冷工质可分为 CFCs、 HCFCs 、 HFCs 三大类，而前二者属于被替代类制冷剂 3。制冷剂的具体分类如下所示： 无机化合物 H2O， NH3， CO2 饱和碳氢化合物的卤素（氟氯溴）衍生物（俗称氟利昂） ,主要为甲烷和乙烷的衍生物。如 R12， R22， R134a. 饱和碳氢化合物 ,如丙烷 C3H8，异丁烷。 不饱和碳氢化合物：乙烯 C2H4，丙烯 C3
17、H6。 共沸混合制冷剂 R502 非共沸混合制冷剂 R404a HX-3060 恒温循环器 3 1.2.2 制冷剂满足的 要求 制冷工质或制冷剂的选择对制冷循环及制冷机的性能有重大影响。制冷剂根据其不同的应用场合有着不同的要求，通常需要满足以下要求： 1） 制冷剂的热力性质好。 2） 制冷剂具有适宜的饱和压力和压力比。 3） 对容积式压缩机，希望有较大的单位体积制冷量 qv，这有利于减小压缩机的尺寸；对离心式压缩机，因过小的尺寸反而会造成制造上的困难，故需要 qv 较小的制冷剂。 4） 制冷机具有较低的压缩终了温度。 5） 良好的流动性。 6） 较好的换热特性。 7） 与润滑油的相溶性好。 8
18、） 从安全角度考虑制冷剂应无毒、不燃烧、不爆炸。 9） 具有良好的化学稳定性，不与油、水、金属 材料及密封材料产生化学反应，制冷剂本身在高温下也不易分解。 10）易检漏。 11）价格低，容易获得。 1.2.3 制冷剂的替代 对于 R22的替代问题，目前国际上有不同的路线。利用氢氟烃 (HFCs)类替代物来替代 R22是广泛采用的方式。但对不同类型的设备，往往采用不同的替代物，有时候不同国家和地区也不一定完全相同。 目前不同的国家和地区，对不同类型的设备，往往采用不同的替代物，例如美国、加拿大、意大利等多数国家的研究注意力主要集中于 R407C和 R410A上，并倾向于在家用空调器中使用 R41
19、0A，在大中型制冷空 调中使用 R407C；而欧共体国家则均倾向于 R407C。研究表明，其运行性能如容量和效率都可以替代 R22用于较低蒸发温度的场合，计算和实验表明， R404A具有与 R22相近的制冷性能特别是在蒸发温度和冷凝温度低的情况下。目前 R404A广泛使用在商业制冷系统中，如市场展示柜，低温热泵也使用愈来愈多。用 R404A替代的最大问题是润滑油问题，目前可用 POE替代矿物油，并应选择合适的 POE和不同的压缩机相配。此外，它们一些实用方面的问题还需要进行深人研究，如润滑油的吸水性、互溶HX-3060 恒温循环器 4 性、水解性和稳定性，还有润滑油、替代物与材 料的相容性，以
20、及排气压力高带来的安全问题。目前这些 HFC混合物的产量有限，制冷剂的价格还较高，达到商业化还需要几年的时间 4。 氨与 R22 相比具有良好的制冷性能 ,通过在两个较小的制冷系统中对氨和R22 的一些运行特性进行比较 ,显示出 R22 在热交换器内的性能及压缩机效率方面与氨存在着较大的差异。这两个制冷系统采用完全一样的螺旋冻结器和制冷机组 ,所有的部件和制冷管路的设计都一样 (除了氟利昂系统的回油系统 ) 。唯一不同的是一个系统用氨 ,另一个系统用 R22。在相同的工况下运行 ,二个系统的差别完全是由于制冷剂的 特性不同所致。从性能比较看 ,R22 制冷系统在冻结量和冻结时间基本相同的情况下
21、 ,R22 制冷系统所需压缩机单位轴功率比氨系统高约18 %5。 在本次 恒温循环器 设计中，制冷剂将采用 R404A 制冷剂 。 R404A 滑移温度小，在大气压力下只有 0.8 的温度滑移，它的性质与 R22 非常相近，因此采用灌注式替代对原 R22 系统改动较小。而且 R404A 还是一款由 HFC 类物质组成的混合制冷剂，不含任何破坏臭氧层的物质，其 ODP 值为 0，是目前世界上公认的 R502 制冷剂的长期性替代品之一。国内外对于采用 R404A 的低温制冷系统 或空调制冷机组的性能研究较多。 1.3 换热器的选择 在工业制冷系统中 , 制冷换热设备一般按照换热器在制冷装置中所起的
22、作用进行分类 , 可以分为蒸发器、冷凝器、经济器、中间冷却器、冷却器、液化器等 , 如果按照换热器的结构来分类 , 又可分为管壳式换热器与板式换热器。 冷凝器是制冷循环四大关键部件之一，它是一种制冷剂向外放热的热交换器6。从压缩机出来的高压、高温制冷剂蒸汽经过分离润滑油污以后进入冷凝器管间，受到管内冷却水的冷却放出热量，在一定的压力和温度下凝结成饱和液体并不断流入贮液器。制冷时，将液体通过节流 阀降压、降温进入蒸发器吸收冷媒水的热量而汽化，低压、低温的制冷剂蒸汽又被压缩机吸入，完成制冷循环。冷凝器中冷却水及水温是蒸发器设计的重要参数，南北方所使用的冷却水温相差较大在蒸发器设计时应有所区别 否则会影响蒸发器的使用性能 7。 蒸发器是一种伴随有蒸发（沸腾）相变的热交换器，制冷剂液体通过蒸发器
