【正文】 過(guò) 100 多年，目前用于小型制冷系統(tǒng)上的渦旋壓縮機(jī)商品化應(yīng)用，也只有 30 多年的時(shí)間，但新型的壓縮機(jī)也在不斷的出現(xiàn)。 速度型制冷壓縮機(jī) 離心式壓縮機(jī) 離心式壓縮機(jī)的氣量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，重量輕，機(jī)組尺寸小，占地面積?。贿\(yùn)轉(zhuǎn)平衡，操作可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)率高，摩擦件少，因之備件需用量少，維護(hù)費(fèi)用及人員少。中小型 機(jī)組一般都采用活塞式或全封閉渦旋式壓縮機(jī) , 大型機(jī)組一般都采用半封閉雙螺桿壓縮機(jī)。 （ 5） 半封閉活塞式制冷壓縮機(jī)用途廣泛，單機(jī)制冷量從 3kw100kw,同時(shí)可以多機(jī)頭并聯(lián)使用，因此可提供制冷量范圍從 3kw1000kw,多工況使用，既可用于制冷工況，又可以適用于空調(diào)工況。冷凝器是空調(diào)裝置的主要換熱設(shè)備之一。 按空氣流動(dòng)的方式不同，此類(lèi)冷凝器分為空氣自由運(yùn)動(dòng)和空氣強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)兩種形式。前者主30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計(jì) 17 要用做 300L以下家用冰箱的冷凝器，后者主要用于中小型氟利昂機(jī)組。臥式殼管式冷凝器的優(yōu)點(diǎn)是：傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊，空間高度低，有利于機(jī)組化；冷卻水循環(huán)使用，耗水量相對(duì)立式殼管式冷凝器少；操作方便，運(yùn)行可靠。在套管式冷凝器中，制冷劑同時(shí)受到冷水及管外空氣的冷卻，因而它的傳熱效果好，但是金屬的消耗量較大。蒸發(fā)式冷凝器的耗水量較少，空氣流量也不大 [17]。故可選用套管 式冷凝器。增加制冷劑的質(zhì)量流量，可增加制冷劑液體在管內(nèi)的濕潤(rùn)面積。其優(yōu)點(diǎn)是制冷劑與傳熱面充分接觸，具有較大的傳熱系數(shù)。制冷劑液體在管內(nèi)蒸發(fā)吸熱，使管外載冷劑降溫。壓縮機(jī)為谷輪渦旋式壓縮機(jī)。 循環(huán)式蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)在于蒸發(fā)器管道內(nèi)表面能始終完全潤(rùn)濕，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)很高，其不足之處在與體積較大 ，制冷劑充注量較多。此外清洗時(shí)需停止工作。 干式蒸發(fā)器的缺點(diǎn)為： 1) 制冷劑在換熱面上的浸潤(rùn)面積小，使得平均蒸發(fā)換熱系數(shù)較小，在同樣制冷量的條件下，干式蒸發(fā)器的換熱面積比滿(mǎn)液式的大； 2) 由于制冷劑在管內(nèi)蒸發(fā)，且需轉(zhuǎn)向，制冷劑蒸發(fā)沿程阻力系數(shù)和局部阻力系30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計(jì) 20 數(shù)均較大。蒸發(fā)器按其冷卻的介質(zhì)不同分為冷卻液體載冷劑的蒸發(fā)器和冷卻空氣的蒸發(fā)器。因而采用蒸發(fā)式冷凝器將使壓縮機(jī)的輸入功率減少，冷凝器的總耗功率（水泵、風(fēng)機(jī)）也顯著降低。另外緊湊性差，清洗困難，并需大量連接彎頭。套管式冷凝器一般應(yīng)用于制冷量在 40kW 以下的小型氟利昂制冷裝置中。 （ 1）立式殼管式冷凝器在中型或大型的制冷系統(tǒng)中 應(yīng)用較廣。 (2) 空氣強(qiáng)制流動(dòng)的空冷冷凝器，它由一組或者幾組帶有肋片的蛇管組成。如果飽和液體繼續(xù)得到冷卻，就成為過(guò)冷液體。 以此達(dá)到壓縮氣體的目的 , 具有效率高、噪聲低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、抗液擊能力強(qiáng)的特點(diǎn) , 有著其它壓縮機(jī)不可比擬的優(yōu)越性。此類(lèi)壓縮機(jī)不用于零下 5度的制冷工況。離心式壓縮機(jī)的穩(wěn)定工況區(qū)較窄，其氣量調(diào)節(jié)雖較方便，但經(jīng)濟(jì)性較差。 （ 3）渦旋式壓 縮機(jī) 渦旋式壓縮機(jī)力矩變化小，振動(dòng)小，噪聲低，氣體壓差小，泄露量也小，容積效率可達(dá) 90﹪～ 98﹪；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件少，采用柔性結(jié)構(gòu)，抗雜質(zhì)和液壓能力強(qiáng)，可靠性高；可高速運(yùn)轉(zhuǎn)，變速性能好，可連續(xù)吸氣氣流脈動(dòng)小。 制冷壓縮機(jī)按密封結(jié)構(gòu)形式可分為開(kāi)啟式壓縮機(jī)、半封閉式壓縮機(jī)和全封閉式壓縮機(jī)。 R134a 與傳統(tǒng)的礦物油不相溶，因此必須采用新的潤(rùn)滑油與之相適應(yīng)。他們從制冷劑的基本要求出發(fā)，對(duì) 860 中純物質(zhì)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行全面篩選，結(jié)果發(fā)現(xiàn)較有前途的替30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計(jì) 12 代物仍然是氟利昂家族中的 HFCs，從而 提出用 HFC134a（ R134a） 替代 R22，用HCFC123 替代 R11。 R22 的許多性質(zhì)與 R12 相似，但化學(xué)穩(wěn)定性不如 R12，毒性也比 R12 稍強(qiáng)。因?yàn)?R134a 分子中不含 Cl，不能用傳統(tǒng)電子撿漏儀器撿漏，應(yīng)用專(zhuān)門(mén)的撿漏儀器撿漏。 R134a 與 R12 在溶油種類(lèi)和溶油行為上有很大差異。氨作為制冷劑的優(yōu)點(diǎn)是：易于獲得、價(jià)格低廉、壓力適中、單位制冷量大、放熱系數(shù)高、幾乎不溶解于油、流動(dòng)阻力小，泄漏時(shí)易發(fā)現(xiàn)。在使用中，可根據(jù)不同的用途和工作條件來(lái)選擇比較理想的制冷劑。這可減少制冷劑循環(huán)流動(dòng)阻力， 降低循環(huán)耗功量，提高制冷壓縮機(jī)的使用壽命。 ④ 在足夠的低溫下，制冷劑的蒸發(fā)壓力最好接近或稍高于大氣壓力，以減少或避免空氣和濕氣滲入系統(tǒng)內(nèi)。對(duì)理想制冷劑的要求 ： (1)安全性 ： 應(yīng)具備無(wú)毒、無(wú)味、不燃燒、不爆炸，對(duì)人體無(wú)害，并對(duì)人體器官?zèng)]有刺激性。 對(duì)于無(wú)機(jī)化合物制冷劑，國(guó)際上規(guī)定的代號(hào)為 R及后面的三位數(shù)字，其中第一位為 “ 7 ” 后兩位數(shù)字為分子量，如水 R718等 ?，F(xiàn)在可用作制冷劑的物質(zhì)有幾十種，但常用的不過(guò)十幾種。而太陽(yáng)能熱水器品牌眾多但由于自身的缺點(diǎn)目前還不能與燃電并駕齊驅(qū)。能源危機(jī)的警鐘喚起了人們對(duì)能源戰(zhàn)略應(yīng)用的重新思考，同 時(shí)也將人們的目光引向了新型能源的開(kāi)發(fā)及利用。 第三，經(jīng)濟(jì)性。 （ 3）環(huán)保：空氣源熱泵熱水器無(wú)任何燃燒排放物，制冷劑選用了環(huán)保制冷劑，對(duì)臭氧層零污染，是較好的環(huán)保型產(chǎn)品。 通過(guò)冷凝器向冷水中不斷放熱，使水逐漸升溫，達(dá)到制熱水的目的。我國(guó)的熱泵事業(yè)剛開(kāi)始起步 ,而且發(fā)展勢(shì)頭看好。然而空氣源熱泵熱水器對(duì)環(huán)境氣候依賴(lài)性大，因此國(guó)內(nèi)不少研發(fā)人員不斷提出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改良、系統(tǒng)優(yōu)化、技術(shù)創(chuàng)新方案。由于單熱源熱泵系統(tǒng)很多時(shí)候受到氣候、地域的限制，因此近年來(lái)不少高校、研究所都在從事復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)的研究，例如晴天可以充分利用太陽(yáng)能，陰雨天則可以采用空氣源熱泵輔助供熱 [4]。到 2021年，日本計(jì)劃全國(guó)熱泵熱水器的使用量要達(dá)到 520萬(wàn)臺(tái)?，F(xiàn)在，國(guó)外的空氣能熱泵熱水器市場(chǎng)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家使用的比例高達(dá) 70%。 空氣源熱泵熱水 器的 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 國(guó)外研究狀況 1824年，卡諾提出熱 功轉(zhuǎn)換概念，即“卡諾循環(huán)”，奠定了熱泵的理論基礎(chǔ)。空氣源能的利用不像地球上所蘊(yùn)藏的常規(guī)能源那樣，可能會(huì)在幾百年后就完全枯竭。在新的形勢(shì)下，我國(guó)有必要大力發(fā)展可再生能源 ， 。 最后，通過(guò)制冷劑制冷循環(huán)的熱力計(jì)算、冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算、蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)計(jì)算、熱力膨脹閥的設(shè)計(jì)計(jì)算，選擇壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)，并進(jìn)行校核，在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上選出其他的輔助設(shè)備， 包括設(shè)備中其他附件的選擇標(biāo)準(zhǔn)及要求、管路的連接與布置、制冷 工況的選擇、制冷劑的選擇等。 關(guān)鍵詞 熱 泵 /空 氣源 /熱水器 /設(shè)計(jì) 30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計(jì) II THE DESIGN OF 30KW AIR SOURCE HEAT PUMP WATER HEATER ABSTRACT This paper mainly introduces the design of 30KW air source heat pump water heater. The air source heat pump water heater design first described the working principle and its advantages and disadvantages, such as energy efficient, environmental benefits are remarkable and so on. Secondly, the air source heat pump water heater shows the program selection and verification, According to the given conditions on the design and calculation of air source heat pump. Lastly, the pressor and fan were selected according to the thermodynamic calculation of the refrigerant refrigeration cycle, design and calculation of the condenser and the evaporator design calculations. In addition other auxiliary equipments were selected based on the design, including selection criteria and requirements, piping connection and arrangement, cooling conditions the choice of refrigerant selection. KEY WORDS heat pump, air source, water heater, design 1 緒論 2021 年 2 月 16 日 ，旨在限制溫室氣體排放、遏制全球變暖的《京都議定書(shū)》生效， 大力鼓勵(lì)、推廣綠色環(huán)保的新能源及其應(yīng)用產(chǎn)品成為必然的選擇。而熱泵產(chǎn)品是當(dāng)今世界先進(jìn)的節(jié)能產(chǎn)品之一，空氣源熱泵熱水器就是在這種背景下被人們所重視及推崇起來(lái)的?？諝庠茨芊植紡V闊，獲取方便 ， 不需要開(kāi)采和運(yùn)輸，使用安全衛(wèi)生，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是當(dāng)之無(wú)愧的清潔能源。1850 年，開(kāi)爾文在此理論基礎(chǔ)上，提出了“逆卡諾循環(huán)”的熱泵概 念。 而日本、新加坡、馬來(lái)西亞等與中國(guó)毗鄰的國(guó)家，熱泵熱水器使用也比較普遍。此外，三洋、三菱等企業(yè)已經(jīng)配套開(kāi)發(fā)了一系列適合熱泵熱水器的壓縮機(jī)及其配套技術(shù)。 在動(dòng)態(tài)模擬上 ， . Morrison[5]等提出了利用 Trnsys 仿真軟件對(duì)熱泵進(jìn)行全年綜合性的動(dòng)態(tài)仿真，并且評(píng)定了各類(lèi)熱泵性能等級(jí)； Minsung Kim[6]等對(duì)熱泵熱水器的不同型號(hào)的水箱進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，認(rèn)為水箱體積越小，瞬間性能退化越大；相反，水箱體積越大，熱量損失越快。具體如下： 在技術(shù)改良方面，以西安交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)為代表，探討降低蒸發(fā)器空氣側(cè)的結(jié)霜 ，減少傳熱熱阻，強(qiáng)化蒸發(fā)器對(duì)流換熱。目前 ,利用較多的是水源熱泵 ,而用空氣源熱泵制取生活 用熱水在國(guó)內(nèi)近幾年剛剛起步。 圖 11空氣源熱泵熱水器工作流程 空氣源熱泵熱水 器的 優(yōu)缺點(diǎn) 空氣源熱泵熱水 器的 優(yōu)點(diǎn) 與常規(guī)太陽(yáng)能相比，空氣源熱泵熱水器具有以下四個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)： （ 1） 投資方面：如達(dá)到相同供 水效果，資金投入空氣源熱泵熱水器比常規(guī)太陽(yáng)能產(chǎn)品少，并且可以使用經(jīng)濟(jì)電能，在用電低谷時(shí)制熱水儲(chǔ)備。 （ 4）運(yùn)行安全，無(wú)需值守：與燃料鍋爐相比，運(yùn)行絕對(duì)安全，而且全自動(dòng)控制，無(wú)需人員值守，可節(jié)省人員成本。衡量熱泵熱水器的經(jīng)濟(jì)性一方面要考慮運(yùn)行費(fèi)另一方面要考慮初投資及隨后的維修費(fèi)等其余費(fèi)用。 伴隨著能源緊缺的影響，一些標(biāo)榜節(jié)能、環(huán)保的產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，特別是夏季來(lái)臨時(shí)各個(gè)行業(yè)對(duì)電能的嚴(yán)重依賴(lài)，“電荒”的影響對(duì)一些耗電大的產(chǎn)品的節(jié)能性提出了更高的要求，諸如空調(diào)、電熱水器等產(chǎn)品。熱泵熱水器被稱(chēng)為第四類(lèi)熱水器產(chǎn)品，其所具有的優(yōu)點(diǎn) 決定了它必將成為一種極具發(fā)展前途的熱水器，同時(shí)熱泵熱水器產(chǎn)品更加符合國(guó)家的能源政策，特別是近年來(lái)由于能源問(wèn)題而促使世界各國(guó)正大力倡導(dǎo)及支持節(jié)能產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和推廣。它的分類(lèi)方法通常有兩種，一種是根據(jù)制冷劑化學(xué)成分及組成；另一種是根據(jù)制冷的要求，制冷劑常溫下在冷凝器中冷凝時(shí)的飽和壓力和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的蒸發(fā)溫度的高低。 （ 3） 氟里昂 (鹵碳化合物制冷劑 )：氟里昂是飽和碳?xì)浠衔镏腥炕虿糠致仍?（ Cl） 、氟 （ F） 和溴 （ Br） 代替后衍生物的總稱(chēng)。 (2)熱力學(xué)特性 ① 蒸發(fā)潛熱要大。 ⑤ 在常溫下冷凝壓力不要過(guò)高，最好不大于 1． 261． 5MPa， 這樣可降低對(duì)系統(tǒng)密封性的要求，減輕結(jié)構(gòu)重量。 ② 在高溫下不會(huì)分解，化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 制冷劑介紹 與選擇 目前使用的制冷劑已多達(dá) 近百種，并正在不斷發(fā)展增多。其缺點(diǎn)是：有刺激性臭味、有毒、可以燃燒和爆炸，對(duì)銅及銅合金有腐蝕作用。 R134a 的分子極性大，在非極性油中的溶解度極小，在為 R134a 專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的諸多合成油中，主要是聚烯醇類(lèi)油 PAGs、酯基油和氨基油。 ③ R12（二氟二氯甲烷， CF2Cl2）為烷烴的鹵代物，學(xué)名二氟二氯甲烷。但是， R22 的單位容積制冷量卻比 R12 大的多 ，接近于氨。用來(lái)替代 R22 的主要物質(zhì)有 R134a、 R407c 及 R410a， R134a在常壓下的蒸發(fā)溫度為 ℃ ，無(wú)毒，不燃燒不爆炸。目前有聚二醇類(lèi)和聚酯類(lèi)兩種。小容量制冷壓縮機(jī)大多采用全封閉式壓縮機(jī)。但是渦旋式壓縮機(jī)還具有其自身的缺點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)機(jī)件表面多是呈曲面形狀，這些曲面的加工及其檢驗(yàn)均較復(fù)雜， 制造需高精度的加工設(shè)備及精確的調(diào)心裝配技術(shù) ，因此制造成本較高；其運(yùn)動(dòng)機(jī)件之間或運(yùn)動(dòng)機(jī)件與固定機(jī)件之間，常以保持一定的運(yùn)動(dòng)間隙來(lái)達(dá)到密封，氣體通過(guò)間隙勢(shì)必引起泄漏，這就限制了回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)難以達(dá)到較大的壓縮比。目前離心式壓縮機(jī)效率一般比活塞式壓縮機(jī)低。 （ 3） 離心式制冷壓縮機(jī)主要用于空調(diào)工況的冷水機(jī)組。 綜上所述可知：就壓縮機(jī)的性能來(lái)講，渦旋式最好，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式次之，往復(fù)式最差；就成本價(jià)格而言，相同制冷能力的壓縮機(jī)，渦旋式最高，往復(fù)式最低，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式介于其中；不同的壓縮機(jī)其安全 運(yùn)