便攜式空調(diào)設計和實現(xiàn)電氣工程專業(yè)

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1、 論文題目： 便攜式空調(diào)設計 摘要 家用空調(diào)和商場等場合使用的中央空調(diào)在設計之初是為了總體的制冷效果做出必要的犧牲，在一些戶型的死角無法完美的做到制冷的。所以在一些特殊的場合需要一種便攜式空調(diào)，本文我們先介紹國內(nèi)外外便攜式空調(diào)的發(fā)展，然后要討論蒸汽壓縮式制冷、溴化鋰吸收式制冷以及半導體熱電制冷對比它們的優(yōu)缺點。然后選出最有優(yōu)勢的制冷方式為蒸汽壓縮式的制冷方法， 利用壓縮機不斷壓縮制冷劑不斷的持續(xù)輸出制冷量。通過制冷劑的熱力計算、冷凝器的設計計算、蒸發(fā)器的設計計算、對壓縮機的設計計算以及對熱力膨脹閥的設計計算，選擇市場上已有的成熟壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器

2、等設備并設計組裝出一種便攜式的手提式微型空調(diào)，采用R22作為制冷劑，制冷量需在250W至350W之間?？梢詽M足輕便制冷性能質(zhì)量8kg左右，制冷量在300W采用R22制冷劑，體積180mm120mm70mm的手提式便攜式空調(diào)。在高溫的環(huán)境下幫助人們抵抗炎熱給人體的生命安全和工作效率的不利因素。 關鍵詞 : 便攜式空調(diào)、轉(zhuǎn)子微型壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、電機 Abstract The central air conditioning used in home air conditioning and shopping malls wa

3、s designed to make necessary sacrifices for the overall cooling effect. In the dead corner of some households, refrigeration can not be done perfectly. Therefore, in some special occasions, a portable air conditioner is needed. In this paper, we introduce the development of portable air conditioning

4、 at home and abroad. Then we discuss the advantages and disadvantages of steam compression refrigeration, lithium bromide absorption refrigeration and semiconductor thermoelectric refrigeration. Then choose the most advantageous way to refrigerate. A steam compression refrigeration method is used he

5、re, and the continuous output cooling capacity of the continuously compressed refrigerant is used. Through the thermal calculation of the refrigerant, the design calculation of the condenser, the design calculation of the evaporator, the design calculation of the compressor, and the design calculati

6、on of the thermal expansion valve, Select existing equipment such as mature compressor, evaporator, condenser, etc. in the market and design and assemble a portable portable micro-air conditioner. Using R22 as a refrigerant, the refrigeration amount needs to be. Key words: portable air conditioners

7、, rotor micro compressors, condensers, evaporators, motors 目錄 1 引言 1 2 便攜式空調(diào)的分類 3 2.1蒸汽壓縮式制冷便攜式空調(diào) 3 2.2溴化鋰吸收式制冷便攜式空調(diào) 4 2.3半導體熱電制冷便攜式空調(diào) 6 3制冷劑的選用 9 4 便攜式空調(diào)制冷量計算及設計 9 4.1 系統(tǒng)的熱力計算 9 4.2便攜式空調(diào)制冷量總量需求 12 4.3便攜式空調(diào)的設計 12 結(jié)論 17 致 謝 18 參考文獻 19 蒸汽壓縮式制冷便攜式空調(diào) 便攜式空調(diào)制冷量計算

8、及設計 調(diào)查論證 （問卷調(diào)查） （溴化鋰吸收式制冷便攜式空調(diào)4半導體熱電制冷便攜式空調(diào)）+計算 結(jié)論 1 引言 便攜式空調(diào)采用有效的冷卻技術(shù)，是一種可以隨身攜帶的空調(diào)。便攜式空調(diào)的最大亮點是可以隨身攜帶，人們旅行和工作辦公的時候隨時帶在自己身邊，就像帶了一件輕便的行李。在夏日在高溫環(huán)境下，人們外出上下班或辦公室工作的時候，有一款帶在自己身邊的移動式空調(diào)，就可以隨時隨地享受涼爽的冷氣，消除炎炎夏日帶給人們的不快。這樣的便攜式空調(diào)不僅僅只適用于普通的上班族，在礦井和火災現(xiàn)場給身著防護服的礦工、消防人員配備時，可以來抵抗高溫對生命安全和工作效率帶來的不利因素。 目前國外便攜式空調(diào)發(fā)

9、展現(xiàn)狀，國外現(xiàn)在的便攜式空調(diào)越來越趨向便攜式智能的方向發(fā)展?，F(xiàn)在社會上的電子設備越來越精密，這樣也間接影響了便攜式的空調(diào)發(fā)展，現(xiàn)在的便攜式空調(diào)通過接入芯片再通過藍牙連接普通的用戶只需再手機上動動手指就可以調(diào)節(jié)到適合的溫度。在美國的一家創(chuàng)業(yè)公司里，設計一款名為Zero Breeze戶外型的便攜式空調(diào)。在美國深受美國民眾的歡迎，這種便攜式的空調(diào)給人感覺不光光是一款便攜式空調(diào)。它不光為人們在戶外提供涼爽的冷氣，同時還自帶照明、小音箱和給手機充電的功能。人們在野外郊游或者沙灘曬日光浴時，突然想要聽歌手機恰巧沒電了這款便攜式空調(diào)就出現(xiàn)得太及時了。同時體積小巧464mm162mm96mm，質(zhì)量才4kg隨手

10、領著就走，即便以最大功率也可以持續(xù)使用3小時。也許就是國外為何如此熱衷這款便攜式空調(diào)的原因。 目前我國便攜式空調(diào)的發(fā)展現(xiàn)狀，主要發(fā)展的方向朝向居家式的便攜式空調(diào)。這種空調(diào)通常有掛式空調(diào)的制冷能力，但不需要在外面懸掛風機?？梢栽诩依镆苿拥叫枰牡胤竭M行制冷?，F(xiàn)在市場MBO KY-36/S360是當下一款優(yōu)秀的便攜式空調(diào)。作為居家型的便攜式空調(diào)，可以出現(xiàn)在廚房、洗手間、保安亭或者在單身公寓。解決了這些地方因為當初房型當初設計時，出現(xiàn)空調(diào)制冷的死角或者當初設計時因為經(jīng)濟上不劃算就沒有安裝空調(diào)。這款便攜式空調(diào)就成了解決人們?nèi)济贾钡姆椒?。這款制冷空調(diào)1.5匹，體積480mm400mm795mm，質(zhì)量

11、36kg。 未來便攜式空調(diào)的發(fā)展，將走向更加輕便化和智能化的方向發(fā)展，會根據(jù)環(huán)境溫度來調(diào)節(jié)周圍的溫度和濕度。便攜式空調(diào)會作為一個智能的多媒體設備出現(xiàn) 2 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學院2018屆?？飘厴I(yè)論文 在大眾眼中。在給人們提供制冷的同時，還會給人們提供娛樂。例如：給戶外休息的人們提供無線網(wǎng)絡、身心疲憊時播放音樂、公司會議時又是一個移動投影儀。本文在這里想要設計一種便攜式空調(diào)人們可以隨身攜帶，幫助人們在高溫環(huán)境下，抵抗高溫影響對人體生命安全和工作效率的不利影響。本文要設計一款新型便攜式空調(diào)，可以隨身提在身邊。 2 便攜式空調(diào)的分類 2.1蒸汽壓縮式制冷便攜式空調(diào) 2.

12、1.1蒸汽壓縮式制冷便攜式空調(diào)的工作原理 在微型蒸汽式壓縮機離液體蒸發(fā)形成蒸汽，通過吸熱冷卻過程被稱為液體蒸發(fā)制冷。當便攜式空調(diào)的液體處于密閉的蒸發(fā)器中時，如果蒸發(fā)器內(nèi)不含除液體蒸汽和液體自身之外的氣體，液體和蒸氣將在不斷的吸過熱量下達到均衡，達到了飽和狀態(tài)。一部分飽和蒸氣脫離蒸發(fā)器，則液體必須再重新蒸發(fā)來保持飽和的狀態(tài)。這里利用液體就是便攜式空調(diào)里的制冷劑。當制冷劑液體蒸發(fā)時，它吸收蒸發(fā)時的熱量。熱量來源于人體在高溫條件下所接觸的熱能。這種情況下遇到環(huán)境溫度是一定大于制冷劑的蒸發(fā)溫度，所以冷卻的物體才能夠冷卻或保持不變。在環(huán)境溫度很低時，為了繼續(xù)上述過程，微型壓縮機只有不斷的壓縮制冷劑，再

13、將微型蒸發(fā)器里的蒸氣不斷地從中取出，還要制冷劑不斷的加入才能實現(xiàn)。也可以通過提取微型蒸發(fā)器里的制冷劑蒸汽，將其冷凝成液體，然后在將液體制冷劑返回到微型蒸發(fā)器來實現(xiàn)。為了能夠在室溫下便攜式空調(diào)實現(xiàn)制冷劑蒸汽冷凝過程，有必要在室溫下將制冷劑蒸氣的壓力增加到飽和壓力。只有這樣的，制冷劑將在低溫和低壓下蒸發(fā)得以產(chǎn)生制冷效益;在室溫下和高壓下冷凝人體周圍的環(huán)境溫度以后，因為是高壓凝結(jié)導致的制冷劑液體的熱量放出[1]，在返回微型蒸發(fā)器以前必須降下壓力。因此可以得知到蒸汽壓縮式便攜式空調(diào)制冷時，制冷劑液體在蒸發(fā)器里將在低壓下蒸發(fā)生成低壓蒸汽，低壓蒸汽經(jīng)過微型壓縮機被壓縮成高壓氣體，再將高壓氣體冷凝器變成高壓

14、液體，然后減壓高壓液體回到初始低壓狀態(tài)[2]。制冷劑將放熱來補償來低壓蒸汽的壓力，從而達到了制冷的目的。 圖1蒸汽壓縮式制冷原理示意圖 2.1.2蒸汽壓縮式制冷的優(yōu)缺點 便攜式蒸汽壓縮式制冷空調(diào)的設計特點，便攜式設計出來相對簡單，成本較低。在相同工況下，微型蒸汽式壓縮式工作效率更高，結(jié)構(gòu)可以多樣化，可以適應不同的設計。用來滿足不同行業(yè)對便攜式蒸汽制冷的設計需求。不過這種便攜式空調(diào)，在0℃以下時無法制冷容易管路被堵塞。 2.1.3 案例 目前國內(nèi)市場有格力公司設計的KS-0502A、KS-0502，是一種可移動的、蒸汽壓縮制冷的家用靜音空調(diào)器。 該機型每小時輸出330平

15、方米冷氣，水箱容積5L，額定的加濕量1100ml每小時，質(zhì)量為7.78kg。該機型適合于在小空間內(nèi)，提供制冷，為人提供涼爽環(huán)境。最大的優(yōu)點在于體積小質(zhì)量輕。并且需要制冷時只需提供足夠的用水就能制冷，不占用太大面積方便移機。 3制冷劑的選用 目前常用的制冷劑也有R22和R134A，R134A的比容量是R22的1.47倍，蒸發(fā)潛熱小。因此，R134A機組的制冷量僅為R22的60%。根據(jù)單位制冷價格，R22機組的價格約為R134A機組的60%。R134a的熱導率比R22低10%，因此所有單元換熱器的傳熱面積都需要較大。R134A是吸收劑和R22的20倍，因此需要更多的干燥單元系統(tǒng)來避免冰堵

16、塞。R134A在橡膠溶脹和潤滑方面強于R22。在實踐中，制冷劑的泄漏率相對較高。 通過比較，R22更適合于便攜式空調(diào)的設計。 4 便攜式空調(diào)制冷量計算及設計 4.1 系統(tǒng)的熱力計算 系統(tǒng)的設計方案：該手提式便攜式空調(diào)器中使用R22作為制冷劑，制冷量為300W，暫取過冷度為5℃，無效過熱度為8℃。冷凝器類型為空氣冷卻式冷凝器；蒸發(fā)器類型為螺旋管式蒸發(fā)器。壓縮機為單轉(zhuǎn)子式壓縮機。 4.1.1 熱泵系統(tǒng)的熱力計算 實際工況下制冷量300W，制冷劑為R22。 制冷循環(huán)熱力計算 循環(huán)參數(shù)及壓焓圖 所設計空調(diào)器實際工況下制冷循環(huán)參數(shù)及室內(nèi)、外空氣參數(shù)如下： 假定當?shù)卮髿鈮? 101

17、.32kPa ， 蒸發(fā)溫度to=7℃，冷凝溫度tk=48℃， 過冷溫度t4=53℃， 進風干球溫度27℃，濕球溫度19.5℃. 循環(huán)的p-h圖如圖4所示 圖4 循環(huán)的p-h圖 各點參數(shù)值 查R22熱力性質(zhì)表和圖，如表1-1所示： 表1-1 各關節(jié)點的參數(shù) 參數(shù) 狀態(tài)點 0 7.00 0.375 409.81 1 00.00 0.375 0.05457 402.50 1.7231 2s 65.37 1.253 442.56 1.7683 2 59.55 1.253 455.91 3

18、 43.00 1.253 260.90 4 48.00 1.253 268.45 3) 熱力計算 單位質(zhì)量制冷量 （1-1） 單位理論功 （1-2） 單位容積制冷量 （1-3） 制冷劑質(zhì)量流量 （1-4） 壓縮機理論功率 (1-5) 壓縮機指示功率（取指示功率）

19、 （1-6） 壓縮機軸功率 （取機械效率） （1-7） 制冷系數(shù) （1-8） （1-9） 卡諾循環(huán)的制冷系數(shù) （1-10） 熱力完善度 （1-11） 冷凝器熱負荷

20、 （1-12） （1-13） 回熱器熱負荷 （1-14） 4.2便攜式空調(diào)制冷量總量需求 美國大學教授麥克萊倫指出便攜式空調(diào)需要提供的制冷量其中百分之二十五是直接耗散在周圍環(huán)境中的，同時經(jīng)實驗論證人體在執(zhí)行高強度的勞動時代謝高于500W，人體正常的表面積大約在2平方米，人體代謝只有在小于250W才能持續(xù)的勞作，所需制冷總量250W?？紤]到實際中制冷的消耗，實際制冷量要超過300W。 4.3便攜式空調(diào)的設計 4.3.1微型壓縮機的選用 微型壓縮機是便攜式制冷設備的核心部件，對其優(yōu)化設計具有十分重要的意義。小型制

21、冷機組的主要目標是重量輕，壓縮機要結(jié)構(gòu)簡單，效率高，壽命長，振動小，噪音低，重量輕，適合高速運轉(zhuǎn)，適合小型壓縮機的開發(fā)。依據(jù)選用的要求，可以從以下壓縮機中選用，微型壓縮機MT36J,該產(chǎn)品可以在交流電壓下220V進行工作，使用R22或R417A為制冷劑質(zhì)量25kg，制冷功率約為3000W。因為該壓縮機必須在220V的電壓下工作且質(zhì)量太重，無法滿足便攜式空調(diào)的要求，故在這里舍棄。BX25-DC24E迷你制冷壓縮機。該產(chǎn)品為轉(zhuǎn)子式壓縮機，體積為116mm（直徑）60mm，且質(zhì)量僅為1.3kg，但制冷功率卻達到400W，基本滿足人們對便攜式制冷的要求，且價格便宜一臺這樣的壓縮機的成本僅為700元。

22、 4.3.2冷凝器的選用 風冷冷凝器的空冷冷凝器的熱阻主要在空氣側(cè)。因此，選擇在空氣側(cè)具有良好傳熱性能和高致密性的并流式冷凝器。 需要選用其構(gòu)造先進，傳熱系數(shù)高，材料損耗低，體積小，價格便宜的成熟產(chǎn)品。這里可以參考的的風冷式冷凝有WT1232S1、WT1232S2，兩者都為U型管式。第一種的鑄造材料為鋁;產(chǎn)品的尺寸為：46mm135mm32mm;質(zhì)量為3kg；單體的散熱量為600W。而另一種的鑄造主材也為鋁 ；產(chǎn)品的尺寸為：266mm163mm32mm；質(zhì)量為4.5kg；散熱量為1200W。兩者都有良好的散熱性能，但質(zhì)量太重不符合本文設計的需求。在這里選用自制一種氣冷式冷凝器。 圖4

23、 WT1232S1 圖5 WT1232S2 管內(nèi)R22冷凝時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算，首先設管壁的溫度tW=45.4℃，則平均溫度 tm= ℃ （2-15） 根據(jù)R22管內(nèi)泠凝換熱有關計算公式 （2-16） 其中，=19.87，=67.56，代入上式中，則 (2-17) 由熱平衡可得管壁溫度平衡方程 （2-18）

24、 （2-19） 整理得 （2-20） 通過湊算法得＝45.42℃等式成立，與預期值相近，實驗證明可以使用。 得 （2-7） 計算散熱所需面積，考慮到傳熱管為純銅管，取傳熱管導熱熱阻、接觸熱阻和污垢熱阻之和。 以管外面積為基準的傳熱系數(shù)為 (2-21) 平均溫差為 ℃ (2-22) 所需管外面積及結(jié)構(gòu)參數(shù)： 管外面積 (2-23) 所需的肋片管總長度

25、 (2-24) 冷凝管每列管數(shù)4根，總管數(shù)為8根，單管有效長度0.8米，總有效管長為6.4m，裕度為0.4％。冷凝的高度為H＝825.4mm＝203.2mm，實際的迎風面積為A＝0.8m0.2032m＝0.16256m/s。這與實際需求符合，經(jīng)過實驗并采用。 4.3.3蒸發(fā)器的選用 便攜式空調(diào)采用蒸發(fā)器，要求質(zhì)量輕便，可以提供300W散熱量。這里參考選用NTPG002-A1、FN46240兩款蒸發(fā)器。第一種是螺旋管式蒸發(fā)器。使用商業(yè)純鈦來鑄造，冷卻劑R22，蒸發(fā)溫度5℃，每米功率1000W,1kg/m。采用鋁制材料鑄造；產(chǎn)品的尺寸120mm240mm

26、92mm；外型為U型管式；單體的功率為1000W。在這里的采用第一種蒸發(fā)器，可以根據(jù)實際所需的散熱量，截取足夠長度的螺旋管。反之，第二種產(chǎn)品單體不滿足散熱的需求。如果并聯(lián)使用兩個相同的設備，設備的功能又無法完全利用造成資源的浪費成本升高。故這里使用第一種設備，這樣不僅能夠節(jié)約成本，通時又降低的便攜式空調(diào)的體積。這里只需截取0.3m的螺旋管就可以滿足300W的制冷量,且質(zhì)量僅為0.3kg。 圖6 NTPG002-A1 4.3.4電機的選用 便攜式空調(diào)設備組裝的小型制冷設備由微型電動機、微型轉(zhuǎn)子壓縮機、U型管式冷凝器、毛細管、微型螺旋管蒸發(fā)器、干燥過濾器、風機、泵和水箱組成。軸連接到

27、一個微型電機。風扇，泵和馬達全部由高能鋰離子聚合物電池驅(qū)動。電池重量為2千克，容量為300瓦。它可以繼續(xù)運行2小時。冷凝器的熱量通過風扇排出。由蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷卻量由泵輸出。 考慮到小型制冷設備的輕量化要求，在電力系統(tǒng)中采用無刷直流電動機。電機和壓縮機的優(yōu)化是制冷設備的關鍵技術(shù)之一。這里可以選用的直流電機有MY1016、SCM6-10350兩款可以選用。兩者的工作功率均為350W。但前者電機的工作電壓在24V；轉(zhuǎn)速2650轉(zhuǎn)/分；有刷直流電動機；質(zhì)量為2.2kg。另一種電機的工作電壓為36V；轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分；永磁同步電動機；質(zhì)量為2.35kg。對比兩款機型的優(yōu)缺點，前者電機的質(zhì)量更加輕便，雖

28、然另一種的功率與前者相同，但考慮到便攜式空調(diào)的輕便性，在這里選第一種電機。 圖7 MY1016 4.3.5節(jié)流裝置選用 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式起節(jié)流作用的裝置可以分為手動膨脹閥、熱力膨脹閥、電子膨脹閥毛細管和浮動球閥這5種。考慮到這里便攜式空調(diào)需要一種實用經(jīng)濟沒有大損耗的節(jié)流設備，這里我們可以選用毛細管作為便攜式空調(diào)的節(jié)流設備?？紤]到毛細管的管徑一般都比較小，所以在設計時要在毛細管前安裝一個過濾器防止雜質(zhì)堵塞毛細管 結(jié)論 本文一共介紹了3種制冷原理的便攜式空調(diào)。分別為蒸汽壓縮式制冷、吸收式制冷和熱電制冷。根據(jù)最新研究成果可知：與熱電制冷和吸收式制冷相比，蒸汽壓縮式系統(tǒng)可以在廣泛的溫

29、度范圍內(nèi)保證高的冷卻能力和高的冷卻系數(shù)，適合于單獨的便攜式冷卻的便攜式的空調(diào)。后兩種制冷方式雖然各有優(yōu)點, 但是缺點還是很明顯的。例如：半導體雖然結(jié)構(gòu)緊湊、制冷系數(shù)大可以開發(fā)成高度集成的微型空調(diào)。但是現(xiàn)在開發(fā)出來的半導體價格過高，人們?nèi)栽诜e極開發(fā)新型半導體材料。現(xiàn)在熱電制冷更加熱衷于被使用在價格高昂的電子設備上。吸收式制冷雖然減少了壓縮機的能量消耗，但是實際上這種制冷方式的制冷系數(shù)并不高，系統(tǒng)的輕量化和小型化后，低溫下溶質(zhì)的結(jié)晶可能影響體系的正常運行。隨著壓縮機的不斷改進和能源的小型化，吸收系統(tǒng)相對于蒸汽壓縮系統(tǒng)的明顯優(yōu)點將逐漸減少。所以本文在設計選擇了蒸發(fā)壓縮式制冷的原理制冷。本文設計的便攜

30、式空調(diào)實際選用的就是轉(zhuǎn)子式蒸汽壓縮式壓縮機，根據(jù)實際選型的各種的部件組裝約為8kg。 致 謝 終于到了畢業(yè)之際，在論文完成后，在這里我要特別感謝一個人。她是我的論文指導老師王玉潔老師。為了幫助我們完成論文，王老師投入了大量的精力來指導我們。 她是一位責任心強并且細心的老師。在我們在撰寫論文遇到問題時，特別耐心的給我們指導。王老師的專業(yè)知識非常豐富，有很多年指導我們應屆生畢業(yè)論文的經(jīng)驗。特別是她淵博的學識，嚴謹?shù)慕虒W態(tài)度，以及她一絲不茍的教學作風，在我心中塑造一個偉大的人民教師的形象。 三年的功夫就像光陰似箭，一轉(zhuǎn)身就到論文結(jié)束的時刻。三年前大學開學的第一天，到現(xiàn)在還歷歷在目。這里

31、我想感謝三年來朝夕相處的同學，在平日里對我?guī)椭?。尤其在寫論文的這段時間，遇到不懂的問題都非常熱心的幫助我，給了我不少修改論文的建議。 在此我想表達我最真摯感謝，在學校三年來幫助我的良師益友。 同時我想真摯的感謝在坐的各位答辯老師，百忙之中抽出時間對本文進行審核與建議。 參考文獻 [1]張行周 鐘曉暉 吳玉庭 馬重芳. 單兵空調(diào)系統(tǒng)研究[D]. 兵工學報, 2007. [2]孫曉陽. 一種新型高效環(huán)?？照{(diào)服的提出[D]. 應用能源技術(shù), 2015. [3]鐘曉暉 吳玉庭 馬重芳. 小型蒸汽壓縮式制冷裝置的研制及實驗研究[D]. 中國科學(E輯:技術(shù)科學), 2008. [4]鐘曉

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