【導(dǎo)讀】題目220L空氣源熱泵熱水器設(shè)計(jì)。專業(yè)班級熱能10-2班。院（系）機(jī)電工程學(xué)院。指導(dǎo)教師(職稱). 完成時(shí)間2020年5月30日

　　

【正文】 凝為飽和液體，放出大量的熱量，如果飽和液體繼續(xù)得到冷卻，就成為過冷液體，通常按照冷卻方式不同，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。 冷凝器的比較 一 空氣冷卻式冷凝器 空氣冷卻式冷凝器用于電冰箱、窗式空調(diào)器、冷藏柜、汽車及鐵路車廂用空調(diào)裝置等運(yùn)輸式制冷裝置，冷卻介質(zhì)為空氣，多應(yīng)用與干旱地區(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 。前者主要用于小型的家用冰箱的冷凝器，強(qiáng)制對流冷卻主要用于中小型氟利昂機(jī)組。 自然對流空氣冷卻式冷凝器帶走熱量的主要方式是憑借空氣受熱產(chǎn)生自然對流的方式。這種冷凝器的傳熱效果低于強(qiáng)制流動空氣冷卻式冷凝器。由于自燃對流作用，省去了安裝風(fēng)機(jī)過程，節(jié)省資源，減少風(fēng)機(jī)的電能消耗，完全避免風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)候的噪音、但是這種冷凝器也有其致命的缺點(diǎn)就是傳熱系數(shù)低。 再來說強(qiáng)制對流空氣冷卻式冷凝器，其一般用套片管式，選擇合適數(shù)量組的蛇形管組成，空氣在軸流風(fēng)機(jī)的作用下被壓力作用流進(jìn)翅片管強(qiáng)制通風(fēng)，一般強(qiáng)制通風(fēng)用的風(fēng)機(jī)是軸流式的。這 種冷凝器的傳熱系數(shù)也比較小，一般約為 23～ 35 W/(mK)[16] 。它必須使用風(fēng)機(jī)，要消耗一定的電能。 二 水冷式冷凝器 水冷式冷凝器是用水作為冷卻介質(zhì)對排氣進(jìn)行冷凝，冷卻水來源廣闊比如江水、湖水、河水、等等由于水溫低，所以很多用水冷式冷凝器可以得到更低的冷凝溫度和壓力，這樣的話就對提高制冷裝置的制冷能力有很大的提高，同時(shí)提高了其運(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）立式殼管式冷凝器應(yīng)用范圍主要是大中型制冷系統(tǒng)。立式殼管式冷凝器占地面積小，可 以漏天安裝，便于清潔，對水質(zhì)也無要求，傳熱效果很好。其缺點(diǎn)為：冷卻水用量大，耗水量多，流速較高，且比較笨重。 （ 2）臥式殼管式冷凝器主要用在氨制冷和氟利昂制冷等大中型制冷裝備中，220L 空氣源熱泵熱水器設(shè)計(jì) 臥式殼管式冷凝器傳熱系數(shù)高、占用空間面積小、結(jié)構(gòu)緊密、有利于機(jī)組化，并且冷卻水可以重復(fù)利用。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(diǎn)是：需水量很大，對缺水地區(qū)有限制性，冷卻水流動阻力大， （ 3）套管式冷凝器由數(shù)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。套管式冷凝器適用范圍有一定 的限度，多應(yīng)用于制冷量在 50KW 左右的小型制冷裝置中且多為氟利昂型，制冷劑蒸汽從上進(jìn)從下出去，冷卻水從上部進(jìn)入內(nèi)管，吸熱流出，制冷劑和冷卻水間多為逆流換熱。在套管式冷凝器中，制冷劑同時(shí)受到冷水及管外空氣的冷卻，其傳熱效果好，但是不排除金屬的消耗量大，套管式冷凝器結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效果好，缺點(diǎn)已很明顯機(jī)冷卻水的流動阻力大，對水質(zhì)要求較高。 三 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。蒸發(fā)式冷凝器具有以下一些優(yōu)點(diǎn)。 （ 1）節(jié)水 ,多數(shù)水冷式冷凝器可以帶走大量的熱量，主要由于水的狀態(tài)不同吸收熱量不同，這是由于水的比熱容不同，蒸發(fā)式冷凝器是利用水的蒸發(fā)散發(fā)出來的潛熱帶走制冷劑熱量，因此蒸發(fā)式冷凝器理論上來說耗水量更少，但是考慮到飛濺損失等因素，實(shí)際耗水量一般。 （ 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。因此采用蒸發(fā)式冷凝器就會使冷凝器的總功耗顯著減低，壓縮機(jī)的輸入功率也將減少。 （ 3）結(jié)構(gòu)緊湊，蒸發(fā)式冷凝器自身的原因就有冷卻塔的作用，因此不需配備冷卻塔，因此完全可以不裝備冷卻塔就行，這樣的 話，整個裝置結(jié)構(gòu)就很緊湊。 （ 4）不污染環(huán)境，不少化工廠以往采用殼管式冷凝器，夏季時(shí)候由于冷凝壓力太高，采用放空降壓的辦法，但是效果不很理想，因?yàn)槊看蝺H能放出部分蒸汽，而且期間還含有大量的氨氣，損失嚴(yán)重還容易污染環(huán)境，但采用蒸發(fā)式冷凝器后不存在這種現(xiàn)象。 綜上所述，由于裝置具有多種優(yōu)勢：構(gòu)造簡單，溫度低，安排緊湊，傳熱系數(shù)小，制作方便等等并且套片管式強(qiáng)制空氣對流冷卻時(shí)冷凝器結(jié)構(gòu)簡單，容易制作，傳熱特性好等優(yōu)點(diǎn)，故選用套管式冷凝器 220L 空氣源熱泵熱水器設(shè)計(jì) 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，其作用主要是把制冷劑蒸發(fā)，此過程在蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行，制冷劑被節(jié)流后蒸發(fā)，這部分制冷劑處于蒸汽狀態(tài)。濕蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)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(shí)，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 一 干式氟利昂蒸發(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。蒸發(fā)器傳熱管外側(cè)的被冷卻介質(zhì)是載冷劑或空氣 ,制冷劑則在管內(nèi)吸熱蒸發(fā) ,蒸發(fā)器流量約為傳熱管內(nèi)容積的百分之二十到三十 .增加制冷劑的質(zhì)量流量 ,通過增加制冷劑的接觸面積或者在館內(nèi)部的濕潤面積，在進(jìn)口和出口的壓差應(yīng)控制隨流動阻力增大而增加，以便于降低制冷系數(shù)，干式蒸發(fā)器長分為冷卻液體介質(zhì)型和冷卻空氣介質(zhì)型兩個大類，這里是按照冷卻介質(zhì)的不同而分類。而冷卻空氣的干式蒸發(fā)器又可分為冷卻自由運(yùn)動空氣的蒸發(fā)器和冷卻強(qiáng)制流動空氣的蒸發(fā)器 . 自由運(yùn)動型一般被制成光管蛇形管管組，通常稱作冷卻 排管，一般用于冷藏庫和低溫的實(shí)驗(yàn)裝置中。強(qiáng)制對流型則是在自由型的管外設(shè)置肋片以提高傳熱系數(shù)。其應(yīng)用范圍廣，可以用于低溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境場合也可以用于冷藏庫等等。而干式蒸發(fā)器應(yīng)用更加廣泛，如果采用干式蒸發(fā)器則完全不采用回油設(shè)計(jì)，簡潔化，但是其缺點(diǎn)突出：系統(tǒng)效率有所降低。 二 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。他們都是在蒸發(fā)器中充滿制冷劑，這些制冷劑呈現(xiàn)液態(tài)，運(yùn)行時(shí)候，需要吸收熱量，蒸發(fā)后的制冷劑蒸汽源源不斷哋從液體中分離除去，他的好處就是制冷劑與傳熱面接觸面廣闊 ，具有很大的接觸面積。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。當(dāng)由于偶然因素導(dǎo)致停機(jī)或者鹽水濃度驟然下降時(shí)220L 空氣源熱泵熱水器設(shè)計(jì) 候，鹽水就可能被凍結(jié)在管內(nèi)，阻礙流通，若制冷劑為氟利昂，則溶解在氟利昂內(nèi)的潤滑油幾乎不能返回到壓縮機(jī)，此外在清洗時(shí)候需要停止工作。 三 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 ,被稱為循環(huán)式蒸發(fā)器。循環(huán)式蒸發(fā)器的應(yīng)用范圍挺廣闊的，可以用于大型的液泵供液，也可以用于中立供液冷庫系統(tǒng)甚至用于低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)裝置。循環(huán)式蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)在于傳熱系數(shù)高因?yàn)檎?發(fā)器管道內(nèi)部能夠完全濕潤，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(jì)中的制冷劑為 R134a，故而可選擇直接接觸空氣的表面式蒸發(fā)器。 4 設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)工況的選擇 所謂工況，是指制冷系統(tǒng)的工作條件。用來作為比較制冷機(jī)型能參考狀態(tài)的工況一般應(yīng)包括制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過冷溫度、過熱溫度、吸氣過熱溫度等。與名義參數(shù)相應(yīng)的溫度條件稱為名義工況。我國標(biāo)準(zhǔn) “JB/T7666—95 制冷和空調(diào)設(shè)備名義工況一般規(guī)定 ”規(guī)定了容積式制冷壓縮機(jī)及機(jī)組和壓縮冷凝機(jī)組、容積式和離心式冷 水機(jī)組、單元式空調(diào)機(jī)、房間空調(diào)器等的名義工況 [17]。為了使用方便，一般都給出了這些名義工況的參數(shù)，這些參數(shù)為客戶提供了參考依據(jù)和制冷機(jī)或制冷壓縮機(jī)的性能參數(shù)。 所以根據(jù)國家提供的熱泵型機(jī)組名義工況初步擬定本設(shè)計(jì)的空調(diào)的工作條件。所用的制冷劑為 R134a，制冷循環(huán)參數(shù)及室內(nèi)外空氣參數(shù)由工況初步定為 蒸發(fā)溫度 to=10oC，冷凝溫度 tk=60 oC，液體溫度 55 oC，過冷度 10 oC，過熱度 5oC。 水箱的設(shè)計(jì) 熱泵熱水器按照制熱方式可以 分為循環(huán)式和直熱式。循環(huán)式熱泵熱水器 , 就是說冷水需要多次被加熱，經(jīng)過循環(huán)多次的加熱才能被加熱到設(shè)定的溫度，每次循環(huán)，水溫上升 5攝氏度左右。 因?yàn)閮烧呒訜嵩聿灰粯?, 儲熱水箱的容量就不同，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，其有效容積就不一樣，在熱泵系統(tǒng)中，常常為了確保誰的穩(wěn)定性我們一般采用熱泵熱水器和儲熱水箱聯(lián)合供水的方式，當(dāng)熱水用量達(dá)到峰值時(shí)候，由于熱泵熱水220L 空氣源熱泵熱水器設(shè)計(jì) 器和儲熱水箱同時(shí)向系統(tǒng)供應(yīng)熱水。因此 , 熱水箱的儲熱量只要保證熱水用水峰值時(shí)用水量和熱泵熱水器的產(chǎn)水量的差值 圖 41 直熱式熱泵熱水器工作原理 圖 42 直熱式熱泵熱水器工作原理 水箱相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 把水箱設(shè)計(jì)為圓柱形，尺寸為 R= 高 H=1m 水箱最大儲水量 v= LR 2502 ??? （ 41） 額定出水量為 220L ,即 220Kg 把整個水箱的水從 15℃ 加熱到 55℃ 所需的熱量為 220L 空氣源熱泵熱水器設(shè)計(jì) Q= KJKJC 3 6 9 6 040104 . 22 2 0tm 3 ???????? （ 42） 把整個水箱的水從 15℃ 加熱到 60℃ 所需的熱量為 Q= KJKJC 4 1 5 8 045104 . 22 2 0tm 3 ???????? （ 43） 隔熱材料的選擇 隨著人們對能源產(chǎn)品的性能要求的提高，對儲水箱的保溫性能也提出了更高的要求。為了滿足安全要求和減少水箱與環(huán)境的換熱量要求，水箱要求有隔熱保護(hù)，目前多數(shù)廠家采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料作為 熱水器 的隔熱體材料。此次設(shè)計(jì)亦采用這種材料。 循環(huán)熱力計(jì)算 循環(huán)的 ph 圖如圖所示： 圖 43 系統(tǒng)循環(huán) ph 0 點(diǎn)表示飽和蒸汽， 1 點(diǎn)表示過熱蒸氣 ,1—2 表示制冷劑在壓縮機(jī)中的等熵壓縮過程， 2—3—4 表示制冷劑在冷凝器中的冷卻和冷凝過程， 4—5 表示節(jié)流過程，制冷劑在節(jié)流中壓力和濕度都降低，但焓值保持不變，且進(jìn)入兩相區(qū)。 5—1 表示制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程。 1） 各點(diǎn)參數(shù)值 查 R134a 熱力性質(zhì)表和圖 [16]，如表 41 所示： 220L 空氣源熱泵熱水器設(shè)計(jì) 表 41 各關(guān)節(jié)點(diǎn)的參數(shù) 參數(shù) 狀態(tài)點(diǎn) ? ?Ct ?/ ? ?aMPP/ ? ?kgLv // ? ?kgkJh // ? ?? ?KkgkJs ?// 0 10 1 15 2s 2 3 60 4 5 3) 熱力計(jì)算 單位質(zhì)量制冷量 0 2 3 446 .08 287 .33 / 158 .75 /q h h k J k g k J k g? ? ? ? ?（ ） （ 44） 單位理論功 0 2 1 4 4 6 .0 8 4 0 8 .8 2 3 7 .2 6sw h h k J k g? ? ? ? ? （ 45） 單位理論制熱量 k 1 4 4 0 8 .8 2 2 7 1 .5 2 1 3 7 .3q h h k J k g? ? ? ? ? （ 46） 制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量 01 0 . 8 0 . 0 6 8 / 2 4 4 . 8 k g / h1 5 8 . 7 5km Qq kg sq? ? ? ? （ 47） 220L 空氣源熱泵熱水器設(shè)計(jì) 制冷量 0 1 3 7 .3 0 .0 6 8 9 .3 3 k wkmQ q q? ? ? ? ? 實(shí)際輸氣量 331 0. 06 4 0. 05 0. 00 32 / 11 .5 2 /vs mq q v m s m h? ? ? ? ? （ 48） 輸氣系數(shù) v p T L? ? ? ? ?? 取 ?? 壓縮機(jī)的理論輸氣量 33vsvh 1 1 . 5 2 / 1 1 . 8 8 /0 . 9 6qq m h m h?? ? ? （ 49） 壓縮機(jī)理論功率 00 q w k W? ? ? ? （ 410） 壓縮機(jī)指示功率（取壓縮機(jī)指示效率為 ?? ） 0 2 .5 3 3 .3 80 .7 6i iPP kW kW?? ? ? （ 411） 壓縮機(jī)軸效率（取機(jī)械效率 ?m? ） m 3 .3 8 3 .7 50 .9imPP kW kW?? ? ?