【正文】 行工況范圍是不同的，通?；钊麎嚎s機(jī)能夠更好地適應(yīng)高的壓差和低的環(huán)境溫度。按冷卻方式的不同，冷凝器可分為空氣冷卻式冷凝器、水冷卻式冷凝器、蒸發(fā)式冷凝器三大類 [14]。制冷劑蒸氣從上部集管進(jìn)入蛇管，其管外肋片用以強(qiáng)化空氣側(cè)換熱，補(bǔ)償空氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)過低的缺陷 [15]。立式殼管式冷凝器的優(yōu)點(diǎn)是：占地面積小，可露天安裝，對水質(zhì)要求較低，清洗方便，傳熱效果比較好，冷卻能力大。運(yùn)行時制冷劑蒸氣從上部進(jìn)入，凝結(jié)液從下部流出。因此，這種冷凝器在氨制冷裝置中已很少應(yīng)用 [16]。 （ 3）結(jié)構(gòu)緊湊，蒸發(fā)式冷凝器本身起了冷卻塔的作用，因此不需配備冷卻塔 ，由于不需要設(shè)置冷卻塔，故整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、占地面積小。根據(jù)供液方式的不同，有滿液式、干式、循環(huán)式、和噴淋式等。 3) 重量大，制造成本高； 4) 制冷劑易由封頭與管板之間的密封墊處泄漏 在干式蒸發(fā)器中，液態(tài)制冷 劑經(jīng)節(jié)流裝置進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)，隨著在管內(nèi)流動，不斷吸收管外載冷劑的熱量，逐漸汽化，故蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑處于氣液共存狀態(tài)，這種蒸發(fā)器雖克服了滿液式蒸發(fā)器的缺點(diǎn)，但是有較多的傳熱面也氣態(tài)制冷劑接觸，故傳熱效果不如滿液式蒸發(fā)器 [19]。 (1) 殼管式滿液式蒸發(fā)器 殼管式滿液式蒸發(fā)器一般為臥式結(jié)構(gòu)，制冷劑在殼內(nèi)管外蒸發(fā)；載冷劑在管內(nèi)流動，一般分多流程。 綜上所述，由于在此次設(shè)計(jì)中的制冷劑為 R134a，故而可選擇干式氟利昂蒸發(fā)器。冷凝器類型為 套 管式冷凝器；蒸發(fā)器類型為 干式翅片型蒸發(fā) 器。它們均在液體載冷劑中工作，由于攪拌器的作用，液體載冷劑在容器內(nèi)循環(huán)流動，以增強(qiáng)傳熱效果。它們的共同特點(diǎn)是在蒸發(fā)器中充滿液態(tài)制冷劑，運(yùn)行中吸熱蒸發(fā)產(chǎn)生的制冷劑蒸汽不斷地從液體中分離出來。其傳熱管外側(cè)的被冷卻介質(zhì)是載冷劑（水）或空氣，制冷劑則在管內(nèi)吸熱蒸發(fā)，其填充量約為傳熱管內(nèi)容積的 20％～ 30％。 綜上所述，由于裝置所特有的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、傳熱系數(shù)較小等特點(diǎn)，并且 套管式對流 水 冷卻式冷凝器具有 結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，傳熱特性好等優(yōu)點(diǎn)。 方 蒸發(fā)式冷凝器 蒸發(fā)式冷凝器的換熱主要是靠冷卻水在空氣中蒸發(fā)吸收氣化潛熱而進(jìn)行的。制冷劑與冷卻水之間為逆流換熱。 （ 2）臥式殼管式冷凝器在氨和氟利昂中等或大容量的制冷裝置中都用的很普遍?？諝饫鋮s式冷凝器根據(jù)空氣的流動情況還可分為自然對流冷卻和強(qiáng)制對流冷卻兩種。由于空氣的傳熱系數(shù)較小，管外（空氣側(cè)）常常要設(shè)置肋片，以強(qiáng)化管外換熱。 冷凝器 冷凝器概述 冷凝器是制冷系統(tǒng)中的四大部件之一。 （ 4） 螺桿式壓縮機(jī)單機(jī)制冷量在 150kw1500kw，可用于冷庫、人造冰場、冷水機(jī)組中。 30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計(jì) 15 針對 30kw 空氣源熱泵壓縮機(jī)的選型 目前 ,熱泵機(jī)組采用的壓縮機(jī)主要有全封閉活全封閉渦旋式半封閉活塞式、半封閉螺桿式等。但是螺桿式壓縮機(jī)還具有其自身的缺點(diǎn)，制造價(jià)格昂貴，裝配要求精度高；由于齒間容積周期性地與吸、排氣口連通，故壓縮機(jī)噪聲高；由于受到轉(zhuǎn)子剛度和軸承壽命等 限制，壓縮機(jī)內(nèi)部只能依 靠間隙密封，所以螺桿壓縮機(jī)只能適用于中、低壓范圍，不能用于高壓場合，螺桿壓縮機(jī)依靠間隙密封氣休，在小容積范圍內(nèi)不具有優(yōu) 越的性能；噴油量大，油處理系統(tǒng)復(fù)雜，故機(jī)組附屬設(shè)備多。由于此 次設(shè)計(jì)的 熱泵 系統(tǒng)的制 熱量 30kw，因此本設(shè)計(jì)選用全封閉式壓縮機(jī) [12]。 綜合以上內(nèi)容結(jié)合本次設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，決定選擇制冷劑 R134a. 壓縮機(jī) 壓縮機(jī)概述 壓縮機(jī)按工作原理可分為容積型和速度型兩類。 R134a 與 R12 相比，在相同的蒸發(fā)溫度下，其蒸 發(fā)壓力略低，在相同的冷凝溫度下，其冷凝壓力略高。 ⑤ R410A 在常溫常壓下是一種不含氯的氟代烷非共沸混合制冷劑，貯存在鋼瓶內(nèi)是被壓縮的液化氣體。 R12 的標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)溫度為－℃ ，冷凝壓力一般為 ～ ，凝固溫度為 155℃ ，單位容積標(biāo)準(zhǔn)制冷量約為 288kcal/m3。PAGs 的吸濕性強(qiáng)，吸濕后會加速金屬腐蝕。它的許多特性與 R12 很接近。其中被廣泛采用的只有以下幾種： ① R717（氨， NH3）氨是目前使用最為廣泛的一種中壓中溫制冷劑。 ④ 易于與潤滑油混合，而不損害其制冷效果，并有助于制冷壓縮機(jī)機(jī)件的潤滑。 ⑥ 比容越小越好。在制冷量一定時，可減少制冷劑的循環(huán)量，縮小制冷設(shè)備的幾何尺寸。 （ 4）飽和碳?xì)浠衔铮哼@類制冷劑中主要有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和環(huán)狀有機(jī)化合物等。當(dāng)前能用作制冷劑的物質(zhì)有 80多種，最常用的是 氨 、氟里昂類、 水 和少數(shù)碳 氫 化合物等。 . 30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計(jì) 8 2 設(shè)計(jì)方案選擇與論證 制冷劑 制冷劑的概述 制冷劑是制冷機(jī)中的工作介質(zhì)，它在制冷機(jī)工作系統(tǒng)中循環(huán)流動，通過自身熱力狀態(tài)的變化與外界發(fā) 生能量交換，從而達(dá)到制冷的目的。空氣源熱泵與目前常用的電熱水器不同，它不是用電熱管在水中直接加熱，而是通過熱泵集熱器從自然空氣中收集熱源，傳熱工質(zhì)吸熱自然汽化，經(jīng)壓縮后形成高溫高壓氣體，再通過冷凝盤管“搬運(yùn)”到水中釋放熱量。 第四， 換熱器和套管換熱器易結(jié)垢斷裂。但是，目前家用熱泵熱水器尚存在許多問題亟待解決。 （ 3） 運(yùn)行成本方面：常規(guī)太陽能在太陽直射下，幾乎零成本運(yùn)行，可惜在陰雨雪天或夜晚只能依靠輔助系統(tǒng)工作，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，正常使用時，常規(guī)太陽能輔助系統(tǒng)全年耗電能比空氣源熱泵熱水器全年總耗電能要高 倍。 30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計(jì) 5 空氣源熱泵熱水器的工作原理 空氣源熱泵熱水器一般由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置、過濾器、儲液罐、儲水箱及輔助熱源等部分組成，如圖 1。但是這樣的系統(tǒng)相對復(fù)雜，投資成本高。 總之，目前國外針對普通的定頻空氣源熱泵熱水器進(jìn)行了很多研究 ,并取得了一定的成果，例如，針對定頻空氣源熱泵熱水器目前存在的問題 ,提出了一種直流變頻空氣源熱水器 [7]。該系統(tǒng)在 0℃的氣候環(huán)境下能夠把水的溫度從 9℃升高到 60℃，并且 COP值高達(dá) 。據(jù)記者了解，熱泵熱水器從 2021年開始進(jìn)入日本家庭，日本資源能源廳對熱泵蓄熱空調(diào)系統(tǒng)給予設(shè)備投30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計(jì) 3 資補(bǔ)助，到 2021年 4月，日本已經(jīng)有 。 從我國看來，熱泵熱水器或許還是一種新產(chǎn)品。 近年來隨著資源和環(huán)境的問題日益嚴(yán)重，在滿足人們健康、舒適要求的前提下，合理利用自然資源，保護(hù)環(huán)境，減少常規(guī)能源消耗，已成為暖通空調(diào)行業(yè)需要面對的一個重要問題 。盡管我國人均用能不及世界平均人均能耗水平的一半 ， 但能源消費(fèi)總量已達(dá)世界第二。 隨著生活水平的提高，人們對居 住 環(huán)境的要求逐步提高，與此同時對能源的需求也逐步增加，能源供需間的矛盾 也 日益突出。該設(shè)計(jì)首先闡述了熱泵熱水器的工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，如高效節(jié)能，環(huán)境效益顯著等等。但是隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的迅速擴(kuò)大，能源資源缺乏、結(jié)構(gòu)不夠合理、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題日益突出。 空氣源能是新能源與可再生能源 的重要組成部分。 作為一種有效的節(jié)能綠色產(chǎn)品，空氣源熱泵將在我國建筑空調(diào)系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用。 據(jù)悉，在大多數(shù)歐美發(fā)達(dá)國家，熱泵產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了大多數(shù)家庭。同時，政府也正在增加補(bǔ)貼，促進(jìn)熱泵式熱水器市場的發(fā)展。 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，美國學(xué)者 Stefans. Bertsch[3]等通過對帶中間冷卻器的雙級壓縮循環(huán)、帶經(jīng)濟(jì)器的雙級壓縮循環(huán) 、復(fù)疊式循環(huán)三種循環(huán)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，認(rèn)為在 －30℃環(huán)境溫度下復(fù)疊式循環(huán)具有最好的運(yùn)行特性。 國內(nèi)研究狀況 我國的熱泵研究相對其他發(fā)達(dá)國家的熱泵發(fā)展來說，有一段明顯的滯后期。在動態(tài)模擬方面，華南理工大學(xué)劉金平教授 [11]在已有的熱泵熱水器動態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上擬合試驗(yàn)結(jié)果，建立模型，研究儲熱水箱水溫變化和外界環(huán)境的溫濕度變化對運(yùn)行性能影響，并計(jì)算分析我國南方地區(qū)熱泵年供熱性能系數(shù)。高溫高壓的氣體媒體流經(jīng)冷凝器將熱能傳遞給冷水，同時自身變?yōu)楦邏阂后w媒體 。 與鍋爐相比，空氣源熱泵熱水器具有以下四個方面的優(yōu)勢： （ 1）熱效率高：產(chǎn)品熱效率全年平均在 300%以上，而鍋爐的熱效率不會超過 100%。 區(qū)域性特征明顯，因其對外界環(huán)境溫度依賴過大，其正常工作環(huán)境溫度在 5度 40度之間，故基本適用于華東、華南等長江以南地區(qū)，廣東、福建、浙江、湖南、江西、云南等省份空氣能熱泵熱水器發(fā)展比較良好。節(jié)能不再只是作為一種宣傳口號被傳播，而是切實(shí)地被各地的政府等相關(guān)職能部門提上了日程。由于高安全、高節(jié)能、壽命長、不排放毒氣等諸多優(yōu)點(diǎn)，以及可以有效的解決目前國內(nèi)有關(guān)部門對節(jié)約能源、環(huán)保、安全等各方面較棘手問題，而日益受到社會各方面的廣泛關(guān)注。多數(shù)致冷劑在大氣壓力和環(huán)境溫度下呈氣態(tài)。根據(jù)冷凝壓力，制冷劑可分為三類：高溫 (低壓 )制冷劑、中溫 (中壓 )制冷劑和低溫 (高壓 )制冷劑。 （ 6）共沸混合物制冷劑：這類制冷劑是由兩種以上不同制冷劑以一定比例混合而成的共沸混合物，這類制冷劑在一定壓力下能保持一定的蒸發(fā)溫度，其氣相或液相始終保持組成比例不變，但它們的熱力性質(zhì)卻不同于混合前的物質(zhì)，利用共沸混合物可以改善制冷劑的特性，如 R500、 R502等。 ③ 凝固點(diǎn)要低。這可提高熱交換器的效率，減小熱交換器的尺寸。 ⑥ 價(jià)格便宜，易于購買。氨有很好的吸水性，即使在低溫下水也不會從氨液中析出而凍結(jié)，故系統(tǒng)內(nèi)不會發(fā)生“冰塞”現(xiàn) 象。其制冷循環(huán)特性與30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計(jì) 11 R12 接近，但不如 R12。 R134a 對鋼鐵銅鋁等金屬均未發(fā)現(xiàn)有相互反應(yīng)現(xiàn)象，僅對鋅有輕微作用。但與明火接觸或溫度達(dá) 400℃ 以上時，則分解出對人體有害的氣體。 現(xiàn)在普遍使用的制冷劑也就 R2 R717 和 R134a 等幾種。水在 R134a 中的溶解度更小，因此在使用 R134a 的制冷系統(tǒng)中，尤其是低溫系統(tǒng)，需要采用吸水性更好的干燥過濾器。速度型壓縮機(jī)是氣體在高速轉(zhuǎn)動的葉輪中提高速度，而后通過導(dǎo)向器使氣體的動能轉(zhuǎn)化為壓力能，從而完成氣體的壓縮和輸送過程。 （ 2）滾動轉(zhuǎn)子壓縮機(jī) 滾動轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，震動小，摩擦損失小，制冷工質(zhì)流動阻力小；吸氣過熱小，輸氣系數(shù)高；結(jié)構(gòu)簡單，零部件少重量輕，形狀規(guī)則，適宜大批量生產(chǎn)。在化工流程中，離心式壓縮機(jī)對化工介質(zhì)可以做到絕對無油的壓縮過程。 適用范圍 （ 1） 絕大多數(shù)全封閉活塞式壓縮機(jī)制冷量不超過 ，主要應(yīng)用于家用電冰箱 /冷凍柜和小型商用制冷設(shè)備。 所以，對小型的空氣源熱泵熱水器 , 應(yīng)選用全封閉式渦旋式壓縮機(jī)。過熱蒸汽在冷凝器中放熱而變成液體時，過程一般如下。它不需要風(fēng)機(jī)，沒有噪聲，多用于小型制冷裝置。由于水的溫度較低，所以采用水冷式冷凝器可以得到較低的冷凝溫度和壓力，從而有利于提高制冷裝置的制冷能力及其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 （ 3）套管式冷凝器由兩根或幾根 大小不同的管子組成。 )。 （ 1）節(jié)水，一般在水冷式 冷凝器中，每 1kg冷卻水能帶走 ～ ，而 1kg水在常壓下蒸發(fā)能帶走約 2428kJ熱量，蒸發(fā)式冷凝器正是利用水的蒸發(fā)潛熱來帶走制冷劑熱量，因而蒸發(fā)式冷凝器理論耗水量僅為一般水冷式冷凝器的 1%；考慮到飛濺損失等因素，實(shí)際耗水量約為水冷式的 5%10%[18] 。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的大部分區(qū)域處于是蒸汽狀態(tài)，濕蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器時期蒸發(fā)的含量只占 10%左右，其余都是液體。 干式蒸發(fā)器按其被冷卻介質(zhì)的不同分為冷卻液體介質(zhì)型和冷卻空氣介質(zhì)型兩類。且當(dāng)鹽水濃度降低或鹽水泵因故停機(jī)時，鹽水在管內(nèi)有被凍結(jié)的可能。 滿液式蒸發(fā)器的缺點(diǎn)為： 1) 制冷劑充注量極大； 2) 容易凍結(jié)； 3) 靜液柱影響較大； 4) 不易回油； 5) 殼體內(nèi)存在自由液面，不能用于車船； 6) 重量大，成本高 . 30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計(jì) 21 循環(huán)式蒸發(fā)器 這種蒸發(fā)器中，制冷劑在其管內(nèi)反復(fù)循環(huán)吸熱蒸發(fā)直至完全汽化，故稱做循環(huán)式蒸發(fā)器。 （ 1） 制冷循環(huán)熱力計(jì)算 1） 循環(huán)參數(shù)及壓焓圖 所設(shè)計(jì) 熱水器 實(shí)際工況下制冷循環(huán)參數(shù)及室內(nèi)、外空氣參數(shù)如下： 當(dāng)?shù)卮髿鈮?BP = ， 蒸發(fā)溫度 0 10t ? ℃ ，冷凝溫度 60kt ? ℃ ， 過冷溫度 4 55t ? ℃ ， 吸氣溫度 1 18t? ℃ ， 進(jìn)風(fēng) 干球溫度 20℃ ，濕球溫度 15℃ ， 出風(fēng) 干球溫度 15℃ ，濕球溫度 13℃ . 30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計(jì) 22 循環(huán)的 ph 圖如圖 31 所示 圖 31 循環(huán)的 ph 圖 2） 各點(diǎn)參數(shù)值 查 R134a 熱力性質(zhì)表和圖，如表 31 所示： 表 31 各關(guān)節(jié)點(diǎn)的參數(shù) 參 數(shù) 狀態(tài)點(diǎn) ? ?Ct ?/ ? ?aMPP/ ? ?kgmv // 3 ? ?kgkJh // ? ?? ?KkgkJs ?// 0 1 2s 2 3 4 3) 熱力計(jì)算 [20] 單位質(zhì)量制冷量 0 1 4 4 1 1 . 6 2 7 9 . 3 2 1 3 2 . 2 8 /q h h k J k g? ? ? ? ? （ 31）