【導(dǎo)讀】本科畢業(yè)設(shè)計（論文）。題目30kw空氣源熱泵熱水器設(shè)計。專業(yè)班級熱能與動力工程10-2班。院（系）機電工程學(xué)院。指導(dǎo)教師（職稱）完成時間2021年5月25日

　　

【正文】 縮機的選型 目前 ,熱泵機組采用的壓縮機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。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。 適用范圍 （ 1） 絕大多數(shù)全封閉活塞式壓縮機制冷量不超過 ，主要應(yīng)用于家用電冰箱 /冷凍柜和小型商用制冷設(shè)備。 （ 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(yīng)用是在小型家用空調(diào)、商用 空調(diào) 系統(tǒng)中。此類壓縮機不用于零下 5度的制冷工況。 （ 3） 離心式制冷壓縮機主要用于空調(diào)工況的冷水機組。只使用大型制冷。 （ 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。 （ 5） 半封閉活塞式制冷壓縮機用途廣泛，單機制冷量從 3kw100kw,同時可以多機頭并聯(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目前國內(nèi)只常用于冷庫，極少數(shù)空調(diào)工 況的冷水機組。 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。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、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、抗液擊能力強的特點 , 有著其它壓縮機不可比擬的優(yōu)越性。 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。在本次設(shè)計中，考慮到市場中有在 ARI 工30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 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。 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動和空氣強制運動兩種形式。 (1) 空氣自由運動的空冷冷凝器 ，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，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)的空氣自由運動式冷凝器。 (2) 空氣強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，其管外肋片用以強化空氣側(cè)換熱，補償空氣表面?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制對流冷卻兩種。前者主30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計 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行的經(jīng)濟性。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 30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 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(dāng)水流速為 1～ 2m/s 時傳熱系數(shù)可達(dá) 800kcal/(錯誤 !未找到引用源。 )。 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，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] 。 （ 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的輸入功率減少，冷凝器的總耗功率（水泵、風(fēng)機）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。 30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 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(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30KW 空氣源熱泵熱水器設(shè) 計 20 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，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，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]。 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。它們的共同特點是在蒸發(fā)器中充滿液態(tài)制冷劑，運行中吸熱蒸發(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)。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。且當(dāng)鹽水濃度降低或鹽水泵因故停機時，鹽水在管內(nèi)有被凍結(jié)的可能。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。此外清洗時需停止工作。 (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。 (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。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。制冷劑液體在管內(nèi)蒸發(fā)吸熱，使管外載冷劑降溫。 滿液式蒸發(fā)器的優(yōu)點為： 制冷劑蒸發(fā)換 熱系數(shù)較大，制冷劑蒸發(fā)沿程阻力系數(shù)極小。 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。循環(huán)式蒸發(fā)器多應(yīng)用于大型的液泵供液和重力供液冷庫系統(tǒng)或低溫環(huán)境試驗裝置。 循環(huán)式蒸發(fā)器的優(yōu)點在于蒸發(fā)器管道內(nèi)表面能始終完全潤濕，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。 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 設(shè)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℃ 。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。壓縮機為谷輪渦旋式壓縮機。 熱泵 系統(tǒng)的熱力計算 名義工況下 制熱量 30KW，制冷劑為 R134a。 （ 1） 制冷循環(huán)熱力計算 1） 循環(huán)參數(shù)及壓焓圖 所設(shè)計 熱水器 實際工況下制冷循環(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 22 循環(huán)的 ph 圖如圖 31 所示 圖 31 循環(huán)的 ph 圖 2） 各點參數(shù)值 查 R134a 熱力性質(zhì)表和圖，如表 31 所示： 表 31 各關(guān)節(jié)點的參數(shù) 參 數(shù) 狀態(tài)點 ? ?Ct ?/ ? ?aMPP/ ? ?kgmv // 3 ? ?kgkJh // ? ?? ?KkgkJs ?// 0 1 2s 2 3 4 3) 熱力計算 [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） 單