【正文】 滿液式蒸發(fā)器的缺點為： 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 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。 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。 （ 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，實際耗水量約為水冷式的 5%10%[18] 。 （ 3）套管式冷凝器由兩根或幾根 大小不同的管子組成。它不需要風(fēng)機，沒有噪聲，多用于小型制冷裝置。 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。在化工流程中，離心式壓縮機對化工介質(zhì)可以做到絕對無油的壓縮過程。速度型壓縮機是氣體在高速轉(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。 現(xiàn)在普遍使用的制冷劑也就 R2 R717 和 R134a 等幾種。 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。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。這可提高熱交換器的效率，減小熱交換器的尺寸。 （ 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。多數(shù)致冷劑在大氣壓力和環(huán)境溫度下呈氣態(tài)。節(jié)能不再只是作為一種宣傳口號被傳播，而是切實地被各地的政府等相關(guān)職能部門提上了日程。 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%。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)試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上擬合試驗結(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行性能影響，并計算分析我國南方地區(qū)熱泵年供熱性能系數(shù)。 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)濟器的雙級壓縮循環(huán) 、復(fù)疊式循環(huán)三種循環(huán)進行穩(wěn)態(tài)模擬，認為在 －30℃環(huán)境溫度下復(fù)疊式循環(huán)具有最好的運行特性。 據(jù)悉，在大多數(shù)歐美發(fā)達國家，熱泵產(chǎn)品已經(jīng)進入了大多數(shù)家庭。 空氣源能是新能源與可再生能源 的重要組成部分。該設(shè)計首先闡述了熱泵熱水器的工作原理及其優(yōu)缺點，如高效節(jié)能，環(huán)境效益顯著等等。盡管我國人均用能不及世界平均人均能耗水平的一半 ， 但能源消費總量已達世界第二。 從我國看來，熱泵熱水器或許還是一種新產(chǎn)品。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 。但是這樣的系統(tǒng)相對復(fù)雜，投資成本高。 （ 3） 運行成本方面：常規(guī)太陽能在太陽直射下，幾乎零成本運行，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。 第四， 換熱器和套管換熱器易結(jié)垢斷裂。 . 30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計 8 2 設(shè)計方案選擇與論證 制冷劑 制冷劑的概述 制冷劑是制冷機中的工作介質(zhì)，它在制冷機工作系統(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，從而達到制冷的目的。 （ 4）飽和碳氫化合物：這類制冷劑中主要有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和環(huán)狀有機化合物等。 ⑥ 比容越小越好。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。PAGs 的吸濕性強，吸濕后會加速金屬腐蝕。 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。 綜合以上內(nèi)容結(jié)合本次設(shè)計的實際情況，決定選擇制冷劑 R134a. 壓縮機 壓縮機概述 壓縮機按工作原理可分為容積型和速度型兩類。但是螺桿式壓縮機還具有其自身的缺點，制造價格昂貴，裝配要求精度高；由于齒間容積周期性地與吸、排氣口連通，故壓縮機噪聲高；由于受到轉(zhuǎn)子剛度和軸承壽命等 限制，壓縮機內(nèi)部只能依 靠間隙密封，所以螺桿壓縮機只能適用于中、低壓范圍，不能用于高壓場合，螺桿壓縮機依靠間隙密封氣休，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，故機組附屬設(shè)備多。 （ 4） 螺桿式壓縮機單機制冷量在 150kw1500kw，可用于冷庫、人造冰場、冷水機組中。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，以強化管外換熱。 （ 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。 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)吸收氣化潛熱而進行的。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％。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，以增強傳熱效果。 綜上所述，由于在此次設(shè)計中的制冷劑為 R134a，故而可選擇干式氟利昂蒸發(fā)器。 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，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]。 （ 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。運行時制冷劑蒸氣從上部進入，凝結(jié)液從下部流出。制冷劑蒸氣從上部集管進入蛇管，其管外肋片用以強化空氣側(cè)換熱，補償空氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)過低的缺陷 [15]。 綜上所述可知：就壓縮機的性能來講，渦旋式最好，滾動轉(zhuǎn)子式次之，往復(fù)式最差；就成本價格而言，相同制冷能力的壓縮機，渦旋式最高，往復(fù)式最低，滾動轉(zhuǎn)子式介于其中；不同的壓縮機其安全 運行工況范圍是不同的，通?；钊麎嚎s機能夠更好地適應(yīng)高的壓差和低的環(huán)境溫度。目前離心式壓縮機效率一般比活塞式壓縮機低。小容量制冷壓縮機大多采用全封閉式壓縮機。用來替代 R22 的主要物質(zhì)有 R134a、 R407c 及 R410a， R134a在常壓下的蒸發(fā)溫度為 ℃ ，無毒，不燃燒不爆炸。 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。其缺點是：有刺激性臭味、有毒、可以燃燒和爆炸，對銅及銅合金有腐蝕作用。 ② 在高溫下不會分解，化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 (2)熱力學(xué)特性 ① 蒸發(fā)潛熱要大。它的分類方法通常有兩種，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的飽和壓力和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的蒸發(fā)溫度的高低。 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)運而生，特別是夏季來臨時各個行業(yè)對電能的嚴(yán)重依賴，“電荒”的影響對一些耗電大的產(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。 （ 4）運行安全，無需值守：與燃料鍋爐相比，運行絕對安全，而且全自動控制，無需人員值守，可節(jié)省人員成本。目前 ,利用較多的是水源熱泵 ,而用空氣源熱泵制取生活 用熱水在國內(nèi)近幾年剛剛起步。 在動態(tài)模擬上 ， . Morrison[5]等提出了利用 Trnsys 仿真軟件對熱泵進行全年綜合性的動態(tài)仿真，并且評定了各類熱泵性能等級； Minsung Kim[6]等對熱泵熱水器的不同型號的水箱進行動態(tài)模擬，認為水箱體積越小，瞬間性能退化越大；相反，水箱體積越大，熱量損失越快。 而日本、新加坡、馬來西亞等與中國毗鄰的國家，熱泵熱水器使用也比較普遍?？諝庠茨芊植紡V闊，獲取方便 ， 不需要開采和運輸，使用安全衛(wèi)生，對環(huán)境無污染，是當(dāng)之無愧的清潔能源。 關(guān)鍵詞 熱 泵 /空 氣源 /熱水器 /設(shè)計 30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計 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》生效， 大力鼓勵、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。在新的形勢下，我國有必要大力發(fā)展可再生能源 ， 。 空氣源熱泵熱水 器的 國內(nèi)外現(xiàn)狀 國外研究狀況 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)。到 2021年，日本計劃全國熱泵熱水器的使用量要達到 520萬臺。然而空氣源熱泵熱水器對環(huán)境氣候依賴性大，因此國內(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。 通過冷凝器向冷水中不斷放熱，使水逐漸升溫，達到制熱水的目的。 第三，經(jīng)濟性。而太陽能熱水器品牌眾多但由于自身的缺點目前還不能與燃電并駕齊驅(qū)。 對于無機化合物制冷劑，國際上規(guī)定的代號為 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 。 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)。在使用中，可根據(jù)不同的用途和工作條件來選擇比較理想的制冷劑。 R134a 與 R12 在溶油種類和溶油行為上有很大差異。 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。 R134a 與傳統(tǒng)的礦物油不相溶，因此必須采用新的潤滑油與之相適應(yīng)。 （ 3）渦旋式壓 縮機 渦旋式壓縮機力矩變化小，振動小，噪聲低，氣體壓差小，泄露量也小，容積效率可達 90﹪～ 98﹪；結(jié)構(gòu)簡單，零部件少，采用柔性結(jié)構(gòu)，抗雜質(zhì)和液壓能力強，可靠性高；可高速運轉(zhuǎn)，變速性能好，可連續(xù)吸氣氣流脈動小。此類壓縮機不用于零下 5度的制冷工況。如果飽和液體繼續(xù)得到冷卻，就成為過冷液體。 （ 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。另外緊湊性差，清洗困難，并需大量連接彎頭。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。此外清洗時需停止工作。壓縮機為谷輪渦旋式壓縮機。其優(yōu)點是制冷劑與傳熱面充分接觸，具有較大的傳熱系數(shù)。故可選用套管 式冷凝器。在套管式冷凝器中，制冷劑同時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。前者主30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計 17 要用做 300L以下