【導讀】本科畢業(yè)設計（論文）。題目30kw空氣源熱泵熱水器設計。專業(yè)班級熱能與動力工程10-2班。院（系）機電工程學院。指導教師（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構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） 絕大多數全封閉活塞式壓縮機制冷量不超過 ，主要應用于家用電冰箱 /冷凍柜和小型商用制冷設備。 （ 2） 渦旋式壓縮機制冷量范圍為 5～ 70KW（不包括特殊型號），最多應用是在小型家用空調、商用 空調 系統中。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，又可以適用于空調工況。 （ 6） 開啟活塞式制冷壓縮機目前國內只常用于冷庫，極少數空調工 況的冷水機組。 所以，對小型的空氣源熱泵熱水器 , 應選用全封閉式渦旋式壓縮機。它利用渦旋轉子與渦旋定子的嚙合形成多個壓縮室 , 隨著渦旋轉子的平動回轉 , 各壓縮室的容積不斷變化 ,泄露量也小，容積效率可達 90﹪～ 98﹪ 。 以此達到壓縮氣體的目的 , 具有效率高、噪聲低、運轉平穩(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，滾動轉子式次之，往復式最差；就成本價格而言，相同制冷能力的壓縮機，渦旋式最高，往復式最低，滾動轉子式介于其中；不同的壓縮機其安全 運行工況范圍是不同的，通?；钊麎嚎s機能夠更好地適應高的壓差和低的環(huán)境溫度。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 冷凝器是制冷系統中的四大部件之一。冷凝器是空調裝置的主要換熱設備之一。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，制冷劑在管內冷凝，空氣在管外流動，吸收管內制冷劑蒸氣放出的熱量。由于空氣的傳熱系數較小，管外（空氣側）常常要設置肋片，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熱。它不需要風機，沒有噪聲，多用于小型制冷裝置。目前應用非常普遍的是絲管式結構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入蛇管，其管外肋片用以強化空氣側換熱，補償空氣表面?zhèn)鳠嵯禂颠^低的缺陷 [15]。 主要用于電冰箱、冷藏柜、窗式空調器、汽車及鐵路車廂用空調裝置、冷藏等運輸式制冷裝置，冷卻介質為空氣，適用于干旱缺水或水質低劣 的地區(qū)?？諝饫鋮s式冷凝器根據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 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。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中 應用較廣。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：傳熱系數高，結構緊湊，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。大管子內套小管子，小管子可以是一根，也可以是數根。套管式冷凝器一般應用于制冷量在 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入，凝結液從下部流出。冷卻水從上部進入內管，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 計 18 這種冷凝器的優(yōu)點是結構簡單，便于制造，且因系單管冷凝，介質流動方向相反，故傳熱效果好，當水流速為 1～ 2m/s 時傳熱系數可達 800kcal/(錯誤 !未找到引用源。 )。 其缺點是金屬消耗量大，而且當縱向管數較多時，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用 [16]。 缺點是制冷劑和冷卻水的流動阻力大，對水質要求較高。 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冷凝溫度比用風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、風機）也顯著降低。 （ 3）結構緊湊，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 ，由于不需要設置冷卻塔，故整個裝置結構緊湊、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象。 綜上所述，由于裝置所特有的結構簡單、緊湊、傳熱系數較小等特點，并且 套管式對流 水 冷卻式冷凝器具有 結構簡單，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 計 19 蒸發(fā)器 蒸發(fā)器概述 蒸發(fā)器是制冷系 統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)器內低壓蒸發(fā)吸熱，達到制冷目的。制冷劑在蒸發(fā)器內的大部分區(qū)域處于是蒸汽狀態(tài)，濕蒸汽進入蒸發(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。蒸發(fā)器按其冷卻的介質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能夠完全汽化的蒸發(fā)器。其傳熱管外側的被冷卻介質是載冷劑（水）或空氣，制冷劑則在管內吸熱蒸發(fā)，其填充量約為傳熱管內容積的 20％～ 30％。增加制冷劑的質量流量，可增加制冷劑液體在管內的濕潤面積。同時，其進出口處的壓差隨流動阻力增大而增加，以至使制冷系數降低。 干式蒸發(fā)器按其被冷卻介質的不同分為冷卻液體介質型和冷卻空氣介質型兩類。 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，凍結后不易 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) 由于制冷劑在管內蒸發(fā)，且需轉向，制冷劑蒸發(fā)沿程阻力系數和局部阻力系30KW 空氣源熱泵熱水器設 計 20 數均較大。 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 劑經節(jié)流裝置進入蒸發(fā)器內，隨著在管內流動，不斷吸收管外載冷劑的熱量，逐漸汽化，故蒸發(fā)器內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、螺旋管式等幾種結構形式。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。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。且當鹽水濃度降低或鹽水泵因故停機時，鹽水在管內有被凍結的可能。若制冷劑為氟利昂，則氟利昂內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)器一般為臥式結構，制冷劑在殼內管外蒸發(fā)；載冷劑在管內流動，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循環(huán)流動，以增強傳熱效果。制冷劑液體在管內蒸發(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 熱系數較大，制冷劑蒸發(fā)沿程阻力系數極小。 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； 3) 靜液柱影響較大； 4) 不易回油； 5) 殼體內存在自由液面，不能用于車船； 6) 重量大，成本高 . 30KW 空氣源熱泵熱水器設 計 21 循環(huán)式蒸發(fā)器 這種蒸發(fā)器中，制冷劑在其管內反復循環(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)器多應用于大型的液泵供液和重力供液冷庫系統或低溫環(huán)境試驗裝置。 循環(huán)式蒸發(fā)器的優(yōu)點在于蒸發(fā)器管道內表面能始終完全潤濕，表面?zhèn)鳠嵯禂岛芨?，其不足之處在與體積較大 ，制冷劑充注量較多。 綜上所述，由于在此次設計中的制冷劑為 R134a，故而可選擇干式氟利昂蒸發(fā)器。 3 設計計算 系統的熱力計算 系統方案的初定 ： 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)參數及壓焓圖 所設計 熱水器 實際工況下制冷循環(huán)參數及室內、外空氣參數如下： 當地大氣壓 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? ℃ ， 進風 干球溫度 20℃ ，濕球溫度 15℃ ， 出風 干球溫度 15℃ ，濕球溫度 13℃ . 30KW 空氣源熱泵熱水器設 計 22 循環(huán)的 ph 圖如圖 31 所示 圖 31 循環(huán)的 ph 圖 2） 各點參數值 查 R134a 熱力性質表和圖，如表 31 所示： 表 31 各關節(jié)點的參數 參 數 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