【正文】 家用冰箱的冷凝器，后者主要用于中小型氟利昂機組。冷凝器是空調(diào)裝置的主要換熱設備之一。中小型 機組一般都采用活塞式或全封閉渦旋式壓縮機 , 大型機組一般都采用半封閉雙螺桿壓縮機。 壓縮機的比較 壓縮機從往復式壓縮機開始，發(fā)展不過 100 多年，目前用于小型制冷系統(tǒng)上的渦旋壓縮機商品化應用，也只有 30 多年的時間，但新型的壓縮機也在不斷的出現(xiàn)。 R134a的單位體積制冷量略低于 R12，其理論循環(huán)效率也比 R12 略有下降，一般來講采用R134a 的壓縮機其制冷量和單位功耗都將下降 2%～ 5%，采用過冷和回熱循環(huán)后，可縮小這種差距。 R12 是一種無色、透明、沒有氣味，幾乎無毒性、不燃燒、不爆炸，很安全的制冷劑。其臭氧破壞指數(shù)（ ODP）值為 0，溫室效應指數(shù)（ GWP）值為 ～ 。 ⑤ 有一定的吸水能力。 ② 臨界溫度要高于環(huán)境溫度。 制冷劑主要有以下分類： （ 1）在壓縮式制冷劑中廣泛使用的制冷劑是氨、氟里昂和烴類。冷 凝后工質(zhì)變成液體經(jīng)膨脹閥回到終端，周而復始，閉合循環(huán)，從而達到加熱冷水制取生活熱水的目的。 總的來說，當前應用的家用熱泵熱水器亟待解決的問題有以下幾點： 第一， COP 水平 ,涉及熱泵循環(huán)的選擇；壓縮機的性能、壽命、成本設計；熱交換器換熱能力與阻力的匹配，熱媒的選擇等問題。運用逆卡諾循環(huán)原理，以空氣作為低溫熱源獲取熱量，經(jīng)過壓縮機的壓縮變?yōu)楦邷責崮?，并傳遞到水箱中把冷水加熱。面對國際上正在限用的 HCFC類制冷劑 ,國外 HCFC22的主要替代30KW 空氣源熱泵熱水器設 計 4 物為 R407C、 R410A和 HFC 134a等。在日本，這種產(chǎn)品進一步普及的主要困難是價格太貴，每臺熱泵熱水器售價 60萬日元 (1美元約合 110日元 )，即使有政府補助，也比一般 熱水器貴 15萬日元。為了使空調(diào)行業(yè)走可持續(xù)發(fā)展的道路 ，有必要對其技術進行創(chuàng)新。 能源便成為當今各個國家可持續(xù)發(fā)展中的重要課題。我國經(jīng)濟已經(jīng)經(jīng)歷了近 30 年 的高速增長，而支持我國經(jīng)濟快速發(fā)展的基礎之一是能源利用水平的迅速提高。空氣源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)是一種 利用可再生能源的高效節(jié)能、無污染的既可供暖又可制冷 的 環(huán)保型的 新型空調(diào) 系統(tǒng)。目前，各制造廠家正在想方設法降低制造成本，使熱泵熱水器的價格更能讓人接受。有關 HCFC2的替代物 ,從環(huán)保性能、使用性能和經(jīng)濟成本等方面來講，都不是太理想，國外正在做進一步的探索和研究。其工作流程如下 : 首先，傳熱工質(zhì) ( 過熱液體媒體 ) 在蒸發(fā)器內(nèi)吸 收低溫熱源的熱量，蒸發(fā)成氣體媒體，經(jīng)過壓縮器的壓縮，變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w媒體 。 第二， 結(jié)霜問題。 空氣源熱泵熱水器具有太陽能熱水器節(jié)能、環(huán)保、安全的優(yōu)點，又解決了太陽能熱水器依靠陽光采熱和安裝不便的缺點。按照化學成分，制冷劑可分為五類：無機化合物制冷劑、氟里昂、飽和碳氫化合物制冷劑、不飽和碳氫化合物制冷劑和共沸混合物制冷劑。使制冷劑氣體被壓縮后能在常溫下冷凝液化。當制冷系統(tǒng)內(nèi)有少量水分時，不會在低溫下析出而形成“冰堵 ”。標準蒸發(fā)溫度為 ℃ ，凝固點為 ℃ 。只有在空氣中容積濃度超過 80％時才會使人窒息。 R134a 的等熵指數(shù)較 R12 小，所以在同樣的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下，其排氣溫度較低。 現(xiàn)將幾種壓縮機的特點列舉如下： 容積型制冷壓縮機 （ 1）往復式壓縮機 往復式壓縮機適應范圍和制冷量范圍廣，壓力穩(wěn)定；熱效率高，在變工況運行時尤為突出；對材料要求低，加工容易，造價低；設計與制造技術成熟；但往復式壓縮機也有其局限性 ，其結(jié)構(gòu)復雜，零部件太多；轉(zhuǎn)速不能太高，變頻特性不如回轉(zhuǎn)式壓縮機；不能連續(xù)輸氣，工作時產(chǎn)生振動大。制冷壓縮機按密封結(jié)構(gòu)形式可分為開啟式壓縮機、半封閉式壓縮機和全封閉式壓縮機。其功能是將壓縮機排出的高溫過熱蒸汽冷卻成液態(tài)制冷劑，所放出的熱量被冷卻介質(zhì)吸收后排至周圍環(huán)境中。 水冷式冷凝器 水冷式冷凝器是用水作為冷卻介質(zhì)來對壓縮機的排汽進行冷卻使其冷凝，冷卻水可用江、湖、河、海及井水等。 圖 22 套管式冷凝器 30KW 空氣源熱泵熱水器設 計 18 這種冷凝器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，且因系單管冷凝，介質(zhì)流動方向相反，故傳熱效果好，當水流速為 1～ 2m/s 時傳熱系數(shù)可達 800kcal/(錯誤 !未找到引用源。 30KW 空氣源熱泵熱水器設 計 19 蒸發(fā)器 蒸發(fā)器概述 蒸發(fā)器是制冷系 統(tǒng)中一個主要的換熱部件，其功能是將節(jié)流后的制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)低壓蒸發(fā)吸熱，達到制冷目的。但不足之處是制冷劑充注量大，液柱靜壓會給蒸 發(fā)溫度造成不良影響。 熱泵 系統(tǒng)的熱力計算 名義工況下 制熱量 30KW，制冷劑為 R134a。若制冷劑為氟利昂，則氟利昂內(nèi)溶解的潤滑油很難返回壓縮機。隨著蒸汽在蒸發(fā)器內(nèi)的流動與吸熱，液體逐漸蒸發(fā)為蒸汽，蒸汽越來越多，當流至接近蒸發(fā)器出口處時，一般已成為干蒸汽，到蒸發(fā)器末段，繼續(xù)吸熱，成為過熱蒸汽。 其缺點是金屬消耗量大，而且當縱向管數(shù)較多時，下部的管子充有較多的液體，使傳熱面積不能充分利用。目前常用的水冷式冷凝器有立式殼管式、臥式殼管式、套管式三種。 制冷劑在冷凝器中先由過熱蒸汽冷卻為干飽和蒸汽，放出濕熱，再由干飽和蒸汽冷凝 為飽和液體，放出大量潛熱。 （ 2） 渦旋式壓縮機制冷量范圍為 5～ 70KW（不包括特殊型號），最多應用是在小型家用空調(diào)、商用 空調(diào) 系統(tǒng)中。但是滾動轉(zhuǎn)子壓縮機還具有其自身的缺點，制造精度高要求高，裝配精度要求高，否則會引起壓縮機效率和可靠性降低；在熱泵的工況下運行時，由于壓比大，造成內(nèi)部泄漏量大，影響其制熱能力；對單缸機器，轉(zhuǎn)矩峰值達，滑片仍是易損部件。 R134a 的換熱性能比 R12有較大提高，其冷凝和蒸發(fā)過程的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)一般與 R12 相比要高 出 15%～ 35%，這將提高 R134a 系統(tǒng)的效率和性能。 ④ R22（二氟一氯甲烷， CHClF2）也是烷烴的鹵代物，學名二氟一氯甲烷，標準蒸發(fā)溫度約為－ 41℃ ，凝固溫度約為－ 160℃ ，冷凝壓力同氨相似，單位容積標準制冷量約為 454kcal/m3。 R134a 相對分子量大，流動阻力損失比 R12d 大，傳熱性比R12 好。目前所采用的制冷劑或多或少都存在一定的缺點。應低于系統(tǒng)內(nèi)制冷劑任何狀態(tài)之溫度，以擴大制冷劑的使 用溫度范圍。 （ 2）無機化合物制冷劑：這類制冷劑使用得 比較早，如氨 (NH3)、 水 (H2O)、空氣、二氧化碳 (CO2)和二氧化硫 (SO2)等 。 事實上，目前國內(nèi)的熱水器市場仍以燃電當家。而在還沒有真正的技術解決結(jié)霜等造成產(chǎn)品運行困難的問題之前，廣大的北方則基本無人敢企及。 高壓液體媒體在膨脹閥中減壓，再變成過熱液體媒體，進入蒸發(fā)器，完成一個循環(huán) 。目前，空氣源熱泵熱水器的理論基礎漸趨成熟，并且在工程應用上越來越普遍。據(jù)日本制冷工業(yè)協(xié)會 (JRA)有關人員介紹， 2021年日本政府對熱泵熱水器的補貼預算高達 125億日元，比 2021年增長了 55億日元。因此，空氣源熱泵技術在我國有著廣闊的應用前景，它的應用將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟效益和社會效益。黨的十八大提出了到 2020年國內(nèi)生產(chǎn)總值要比 2021年再翻兩番的宏偉戰(zhàn)略目標，這對能源安全等問題提出了更高的要求。而能源緊張、拉閘限電、 燃氣漲價等問題的凸顯喚起了人們對能源戰(zhàn)略應用的重新思考，同時 ,也將人們的目光引向了新型能源的開發(fā)與利用，這促使傳統(tǒng)的、高能耗的家電產(chǎn)品逐步退出市場?？諝庠茨艿睦镁哂芯薮蟮氖袌銮熬?，不僅帶來很好的社會效益、環(huán)境效益，而且還有明顯的經(jīng)濟價值。特別是日本，具備節(jié)能優(yōu)勢的熱泵熱水器近年來使用量急速上升。 Christian J. L. Hermes 等利用熱力學第一定律對家用冰箱的開啟閉合建立了瞬間動態(tài)仿真，對比實驗數(shù)據(jù)表明誤差值在 10%以 內(nèi)?？諝庠礋岜脽崴饔捎诎踩⒐?jié)能、壽命長、不排放毒氣等諸多優(yōu)點 ,以及可以有效解決目前國內(nèi)有關部門對節(jié)約能源、環(huán)保、安全等各方面比較棘手的問題 ,而受到社會各方面的廣泛關注。 空氣源熱泵熱水器的缺點 目前國內(nèi)外對商用熱泵熱水器已進行了大量深入的研究，并取得了一定的成果及較廣泛的應用。近兩年來，一種更新型的節(jié)能熱水器產(chǎn)品 —— 空氣源熱泵熱水器，在全國市場都吹響了號角。 制冷劑 又稱制冷工質(zhì)，是制冷循環(huán)的工作介質(zhì)，利用制冷劑的相變來傳遞熱量，既制冷劑在 蒸發(fā)器 中汽化時吸熱，在 冷凝器 中凝結(jié)時放熱。這樣可以提高制冷效率，即用少量的制冷劑便可吸收大量的熱量。 ③ 對金屑和其它工程材料沒有腐蝕性，即使與水或油混合后，也沒有明顯的浸蝕作用。 ② R134a（四氟乙烷， 23CHFCF ）是目前廣泛使用的 R12 的替代制冷劑。它是我國中小型制冷裝置中使用較為廣泛的中壓中溫制冷劑。 其 ODP 值為 0， GWP 值為～ ，對臭氧層無破壞作用，溫室效應也較小。全封閉式壓縮機中電動機和壓縮機連成一個整體，裝在一個不能拆開的密封機殼中，使用可靠性高，壽命長，30KW 空氣源熱泵熱水器設 計 13 運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低，體積小，使用于小制冷量系統(tǒng)中。一般要用增速齒輪傳動，轉(zhuǎn)速較高，對軸端密封要求高，這些均增加了制造上的困難和結(jié)構(gòu)上的復雜性。在本次設計中，考慮到市場中有在 ARI 工30KW 空氣源熱泵熱水器設 計 16 況下運行的渦旋式壓縮機，因此本系統(tǒng)選擇全封閉渦旋式制冷壓縮機。 主要用于電冰箱、冷藏柜、窗式空調(diào)器、汽車及鐵路車廂用空調(diào)裝置、冷藏等運輸式制冷裝置，冷卻介質(zhì)為空氣，適用于干旱缺水或水質(zhì)低劣 的地區(qū)。冷卻水從上部進入內(nèi)管，吸熱后從上部流出。 （ 4）不污染環(huán)境，不少化工廠以往采用殼管式或著淋激式冷凝器，夏季時由于冷凝壓力過高，常常采用 “放空降壓 ”，但每次放出的并不全是不凝性氣體，其中含有大量的氨氣，不僅氨損失相當嚴重，還造成環(huán)境污染，但采用蒸發(fā)式冷凝器后不存在這種現(xiàn)象。 滿液式蒸發(fā)器 滿液式蒸發(fā)器按其借個分為殼管式、直管式、螺旋管式等幾種結(jié)構(gòu)形式。 3 設計計算 系統(tǒng)的熱力計算 系統(tǒng)方案的初定 ： 該 熱泵熱水器 中采用的制冷劑為 R134a，制 熱量為 30kw，暫取過冷度為 5℃ ，無效過熱度為 8℃ 。 (2) 立式蒸發(fā)器 立式蒸發(fā)器可由平行直管或螺旋管組成。 蒸發(fā)器的比較 干式蒸發(fā)器 干式蒸發(fā)器是一種制冷劑液體在傳熱管內(nèi)能夠完全汽化的蒸發(fā)器。 缺點是制冷劑和冷卻水的流動阻力大，對水質(zhì)要求較高。其缺點為：冷卻水用量大，耗水量多，流速較高，且比較笨重。 冷凝器的比較 空氣冷卻式冷凝器 空氣冷卻式冷凝器 這種冷凝器以空氣為冷卻介質(zhì)，制冷劑在管內(nèi)冷凝，空氣在管外流動，吸收管內(nèi)制冷劑蒸氣放出的熱量。只使用大型制冷。 30KW 空氣源熱泵熱水器設 計 14 圖 21 渦旋式壓縮機外形 （ 4）螺桿式壓縮機 螺桿式壓縮機零部件少，易損件少，可靠性高，操作維護方便；沒有不平衡慣性力 .運轉(zhuǎn)平穩(wěn)安全，振動小，螺桿壓縮機的轉(zhuǎn)子齒面實際上是有間隙的，能耐液擊；排氣溫度低，可在較高壓比的工況下運行，可實現(xiàn)制冷情無級調(diào)節(jié) ,具有強制輸氣的特點，排 氣量幾乎不受排氣壓力的影響， 工況適應性強；容易實現(xiàn)自動化，可實現(xiàn)遠程通信。經(jīng)上述比較 R134a 更適合本設計熱泵熱水器的使用。當要求－ 40～－ 70℃ 的低溫時，利用 R22 比 R12 適宜，故目前 R22 被廣泛應用于－ 40～－ 60℃ 的雙級壓縮或空調(diào)制冷系統(tǒng)中。 PAGs 作用 R134a 系統(tǒng)潤滑油對金屬有輕微腐蝕作用。但用于食品工業(yè)和空調(diào)制冷的僅十多種。冷凝溫度不宜過低，常溫空氣或水就能使其液化。國際規(guī)定用“ R” 作為這類制冷30KW 空氣源熱泵熱水器設 計 9 劑的代號，如 R22...等 。相信隨著技術的進一步發(fā)展、制造成本的進一步降低，熱泵熱水器是最有理由成為取代太陽能熱水器及高端大容量電熱水器以及容積式燃氣熱水器的理想產(chǎn)品，并最終將在龐大的熱水器市場中占有重要的一席之位。運行費用除了能源價格外還必須考慮一次能使用的經(jīng)性。 （ 2） 使用方面：常規(guī)太陽能產(chǎn)品受天氣影響明顯，陰雨天、下雪天、夜晚就不能工作，而空氣源熱泵熱水器不管陰天、雨天、下雪天、夜晚或陽光明媚都能照常工作，全天候提供熱水。 在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面，陳光明 [8]等提出了一種用于低溫環(huán)境下新型空氣源熱泵裝置，它既可以采用傳統(tǒng)單級空氣源熱泵方式運行，又可按復疊循環(huán)方式運行，這樣熱泵制熱應在最佳節(jié)能控制條件下運行以實現(xiàn)最大限度節(jié)能。 從目前的研究現(xiàn)狀來說，在技術創(chuàng)新上， 1998 年 Petter Neksa 等提出了利用二氧化碳作 為空氣源熱泵熱水器工質(zhì)來解決 R22 的溫室效應問題，并且開發(fā)樣機進行實驗研究。從此以后，世界各國開始對熱泵技術進行研究，熱泵產(chǎn)業(yè)得到了很大的發(fā)展 [1]。 空氣源熱泵熱水器 的概況 空氣源熱泵熱水 器的 研究背景及意義 能源是人類社會求 生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎，中國作為一個能源消耗大國 ， 人口眾多 ， 能源相對匱乏 ， 自然資源總量排在世界第七位 ， 能源總量約 4 萬億噸標準煤 ， 居世 界第 三位 ， 而人均能源占有量約為世界平均水平的 40%。其次說明了有關空氣源熱泵熱水器的方案選擇和論證，并 根據(jù) 給定 的工況 對空 氣源熱 泵進 行設計 計算 。空氣源能量巨大，