【文章內(nèi)容簡介】 氧層無破壞作用，溫室效應(yīng)也較小。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。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(jī)其制冷量和單位功耗都將下降2%～5%，采用過冷和回?zé)嵫h(huán)后，可縮小這種差距。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。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。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。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)。目前有聚二醇類和聚酯類兩種。經(jīng)上述比較R134a更適合本設(shè)計熱泵熱水器的使用。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(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。容積型壓縮機(jī)是通過改變工作容積來完成氣體的壓縮和輸送過程的，它又可分為活塞式和回轉(zhuǎn)式兩種?；钊剑ㄓ址Q往復(fù)式）壓縮機(jī)是活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動，故稱為往復(fù)活塞式；回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)是轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，主要有螺桿式壓縮機(jī)、渦旋式壓縮機(jī)和滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)。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。目前速度型壓縮機(jī)最常用的是離心式壓縮機(jī)。制冷壓縮機(jī)按密封結(jié)構(gòu)形式可分為開啟式壓縮機(jī)、半封閉式壓縮機(jī)和全封閉式壓縮機(jī)。小容量制冷壓縮機(jī)大多采用全封閉式壓縮機(jī)。全封閉式壓縮機(jī)中電動機(jī)和壓縮機(jī)連成一個整體，裝在一個不能拆開的密封機(jī)殼中，使用可靠性高，壽命長，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低，體積小，使用于小制冷量系統(tǒng)中。由于此次設(shè)計的熱泵系統(tǒng)的制熱量30kw，因此本設(shè)計選用全封閉式壓縮機(jī)[12]。 壓縮機(jī)的比較壓縮機(jī)從往復(fù)式壓縮機(jī)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(jī)商品化應(yīng)用，也只有30多年的時間，但新型的壓縮機(jī)也在不斷的出現(xiàn)。現(xiàn)將幾種壓縮機(jī)的特點列舉如下： 容積型制冷壓縮機(jī) （1）往復(fù)式壓縮機(jī) 往復(fù)式壓縮機(jī)適應(yīng)范圍和制冷量范圍廣，壓力穩(wěn)定；熱效率高，在變工況運(yùn)行時尤為突出；對材料要求低，加工容易，造價低；設(shè)計與制造技術(shù)成熟；但往復(fù)式壓縮機(jī)也有其局限性，其結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)；不能連續(xù)輸氣，工作時產(chǎn)生振動大。 （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??；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)。但是滾動轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)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(jī)效率和可靠性降低；在熱泵的工況下運(yùn)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(jī)器，轉(zhuǎn)矩峰值達(dá)，滑片仍是易損部件。（3）渦旋式壓縮機(jī)渦旋式壓縮機(jī)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(dá)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(qiáng)，可靠性高；可高速運(yùn)轉(zhuǎn)，變速性能好，可連續(xù)吸氣氣流脈動小。但是渦旋式壓縮機(jī)還具有其自身的缺點，其運(yùn)動機(jī)件表面多是呈曲面形狀，這些曲面的加工及其檢驗均較復(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)動機(jī)件之間或運(yùn)動機(jī)件與固定機(jī)件之間，常以保持一定的運(yùn)動間隙來達(dá)到密封，氣體通過間隙勢必引起泄漏，這就限制了回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)難以達(dá)到較大的壓縮比。圖21 渦旋式壓縮機(jī)外形 （4）螺桿式壓縮機(jī)螺桿式壓縮機(jī)零部件少，易損件少，可靠性高，操作維護(hù)方便；，振動小，螺桿壓縮機(jī)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(yùn)行，可實現(xiàn)制冷情無級調(diào)節(jié),具有強(qiáng)制輸氣的特點，排氣量幾乎不受排氣壓力的影響， 工況適應(yīng)性強(qiáng)；容易實現(xiàn)自動化，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。但是螺桿式壓縮機(jī)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(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。 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)費用及人員少。工作輪和機(jī)殼之間沒有摩擦，無需潤滑。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。離心式壓縮機(jī)換具有自身的缺點，離心式壓縮機(jī)目前還不適用于氣量太小及壓比過高的場合，并且由于適宜采用分子量比較大的制冷劑，故只適用于大制冷量，一般都在25～30萬大卡/時以上。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。目前離心式壓縮機(jī)效率一般比活塞式壓縮機(jī)低。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(fù)雜性。 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。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)。制冷壓縮機(jī)按密封結(jié)構(gòu)形式可分為開啟式壓縮機(jī)、半封閉式壓縮機(jī)和全封閉式壓縮機(jī)?！　∵m用范圍 （1），主要應(yīng)用于家用電冰箱/冷凍柜和小型商用制冷設(shè)備。 （2）渦旋式壓縮機(jī)制冷量范圍為5～70KW（不包括特殊型號），最多應(yīng)用是在小型家用空調(diào)、商用空調(diào)系統(tǒng)中。此類壓縮機(jī)不用于零下5度的制冷工況。 （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。只使用大型制冷。 （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。 （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。 （6）開啟活塞式制冷壓縮機(jī)目前國內(nèi)只常用于冷庫，極少數(shù)空調(diào)工況的冷水機(jī)組。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)。它利用渦旋轉(zhuǎn)子與渦旋定子的嚙合形成多個壓縮室, 隨著渦旋轉(zhuǎn)子的平動回轉(zhuǎn), 各壓縮室的容積不斷變化,泄露量也小，容積效率可達(dá)90﹪～98﹪。 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, 有著其它壓縮機(jī)不可比擬的優(yōu)越性。 綜上所述可知：就壓縮機(jī)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(jī)，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(jī)其安全運(yùn)行工況范圍是不同的，通常活塞壓縮機(jī)能夠更好地適應(yīng)高的壓差和低的環(huán)境溫度。在本次設(shè)計中，考慮到市場中有在ARI工況下運(yùn)行的渦旋式壓縮機(jī)，因此本系統(tǒng)選擇全封閉渦旋式制冷壓縮機(jī)。 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。冷凝器是空調(diào)裝置的主要換熱設(shè)備之一。其功能是將壓縮機(jī)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。過熱蒸汽在冷凝器中放熱而變成液體時，過程一般如下。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。如果飽和液體繼續(xù)得到冷卻，就成為過冷液體。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]。 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。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。按空氣流動的方式不同，此類冷凝器分為空氣自由運(yùn)動和空氣強(qiáng)制運(yùn)動兩種形式。(1) 空氣自由運(yùn)動的空冷冷凝器，該冷凝器利用空氣在管外流動時吸收制冷劑排外的熱量后，密度發(fā)生變化引起空氣的自由流動而不斷的帶走制冷劑蒸氣的凝結(jié)熱。它不需要風(fēng)機(jī)，沒有噪聲，多用于小型制冷裝置。目前應(yīng)用非常普遍的是絲管式結(jié)構(gòu)的空氣自由運(yùn)動式冷凝器。(2) 空氣強(qiáng)制流動的空冷冷凝器，它由一組或者幾組帶有肋片的蛇管組成。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]。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(yùn)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)?？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。前者主要用做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。 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(jī)的排汽進(jìn)行冷卻使其冷凝，冷卻水可用江、湖、河、海及井水等。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。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。（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。立式殼管式冷凝器的優(yōu)點是：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。其缺點為：冷卻水用量大，耗水量多，流速較高，且比較笨重。（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。臥式殼管式冷凝器的優(yōu)點是：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，耗水量相對立式殼管式冷凝器少；操作方便，運(yùn)行可靠。缺點是：耗水量大，冷卻水流動阻力大，水泵耗電多；對水質(zhì)要求較高，清洗水垢不方便，且需要停止運(yùn)行。（3）套管式冷凝器由兩根或幾根大小不同的管子組成。大管子內(nèi)套小管子，小管子可以是一根，也可以是數(shù)根。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。運(yùn)行時制冷劑蒸氣從上部進(jìn)入，凝結(jié)液從下部流出。冷卻水從上部進(jìn)入內(nèi)管，吸熱后從上部流出。制冷劑與冷卻水之間為逆流換熱。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。圖22套管式冷凝器這種冷凝器的優(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(dāng)水流速為1～2m/s時傳熱系數(shù)可達(dá)800kcal/()。 其缺點是金屬消耗量大，而且當(dāng)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。另外緊湊性差，清洗困難，并需大量連接彎頭。因此，這種冷凝器在氨制冷裝置中已很少應(yīng)用[16]。缺點是制冷劑和冷卻水的流動阻力大，對水質(zhì)要求較高。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。蒸發(fā)式冷凝器的耗水量較少，空氣流量也不大[17]。蒸發(fā)式冷凝器具有以下一些優(yōu)點。（1）節(jié)水，一般在水冷式冷凝器中，～，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] 。（2）節(jié)電，蒸發(fā)式冷凝器的制冷系統(tǒng)冷凝溫度比用風(fēng)冷式或水冷式冷凝器低。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。（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。（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(dāng)嚴(yán)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。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，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。故可選用套管式冷凝器。 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(dá)到制冷目的。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。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(dāng)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。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。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。 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。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％。增加制冷劑的質(zhì)量流量，可增加制冷劑液體在管內(nèi)的濕潤面積。同時，其進(jìn)出口處的壓差隨流動阻力增大而增加，以至使制冷系數(shù)降低。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。干式蒸發(fā)器克服了滿液式蒸發(fā)器的部分缺點，其優(yōu)點為： 1) 制冷劑充注量??； 2) 載冷劑在管外流動，不易凍結(jié)，凍結(jié)后不易損壞傳熱管； 3) 容易回油，制冷劑與潤滑油不分離，無需從下部回油； 4) 不存在制冷劑自由液面，可用于車船； 5) 幾乎沒有靜液柱影響。干式蒸發(fā)器的缺點為： 1) 制冷劑在換熱面上的浸潤面積小，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)和局部阻力系數(shù)均較大。 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